紅外熱成像檢查在風(fēng)濕病中的應(yīng)用及展望

蔡文心¹， 楊瓊英²， 韓丹³， 陳哲¹， 程永靜¹

（1.北京醫(yī)院風(fēng)濕免疫科，國家老年醫(yī)學(xué)中心，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院老年醫(yī)學(xué)研究院； 2.昆明市第二人民醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合科； 3.鄭州人民醫(yī)院風(fēng)濕免疫科）

近年來，隨著風(fēng)濕病診療技術(shù)的發(fā)展，患者的生活質(zhì)量明顯改善，病死率及長期殘疾率明顯降低。紅外熱成像檢查作為一種非接觸式、高效且無輻射的檢查手段，以其高靈敏度和高分辨率在醫(yī)學(xué)診斷中顯示出獨特的優(yōu)勢。在關(guān)節(jié)炎等風(fēng)濕病中，炎癥或病變區(qū)域往往會隨著局部血液循環(huán)的改變而發(fā)生局部溫度的變化。紅外熱成像檢查能夠敏銳地捕捉到這些溫度變化，為醫(yī)生提供直觀的病灶定位和病情評估。盡管X線、超聲、磁共振等傳統(tǒng)診斷方法具有不可替代的作用，但它們往往耗時較長、成本高昂或檢查條件受限，因此，隨著紅外熱成像分辨率增高及人工智能技術(shù)的發(fā)展，紅外熱成像檢查越來越在風(fēng)濕病領(lǐng)域中顯示出其獨特的臨床價值。本文通過系統(tǒng)地梳理和分析現(xiàn)有的研究成果，探討紅外熱成像檢查在風(fēng)濕病中的應(yīng)用，期望為臨床醫(yī)生和研究人員提供有價值的參考信息，推動紅外熱成像檢查在醫(yī)學(xué)診斷中更精準(zhǔn)的應(yīng)用。

紅外熱成像檢查是一種基于物理學(xué)和工程學(xué)原理的功能影像學(xué)檢查方法，它可以捕捉人體表面自然輻射出的紅外線，并轉(zhuǎn)化為可視化的溫度圖像。這些紅外線主要由人體細胞代謝過程中產(chǎn)生的熱輻射組成，其波長范圍通常在3～14μm之間，該波段的紅外線在大氣中傳輸較好，不易被干擾。紅外熱成像儀利用微熱輻射探測器接收這些紅外輻射，經(jīng)過光譜濾波和空間濾波處理，將紅外輻射能量分布圖形反映到探測器的光敏元上，最終轉(zhuǎn)換成電信號，并通過計算機軟件處理，生成直觀的溫度彩色圖譜。這一過程不僅無創(chuàng)、無輻射，且不與人體直接接觸，因此被稱為“綠色檢查”，具有較好的安全性和便捷性。

紅外熱成像檢查分析主要使用紅外熱成像儀對準(zhǔn)受檢者暴露的關(guān)節(jié)或軟組織區(qū)域進行熱圖攝像，并使用軟件手動分割出感興趣區(qū)域（regions of interest,ROI），收集各區(qū)域的平均溫度、最高溫度和最低溫度，便于后續(xù)分析。

2.1 紅外熱成像檢查對關(guān)節(jié)炎診斷及評估的意義

由于紅外熱成像可以間接測量血流和關(guān)節(jié)炎癥，所以它可以用于評估活動性關(guān)節(jié)炎，為判斷炎癥部位和程度提供有力支持，作為一種非侵入性、無輻射的檢查手段，給臨床帶來了新的視角。Salisbury等的研究團隊發(fā)現(xiàn)正常膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)具有規(guī)律的熱模式，而關(guān)節(jié)炎可通過熱模式的改變來識別，通過對60例健康對照和85例關(guān)節(jié)炎患者進行紅外熱成像分析，結(jié)果顯示健康關(guān)節(jié)多符合正常熱模式，表現(xiàn)為從關(guān)節(jié)中心到外周呈負(fù)溫度梯度，沒有局部溫度升高的區(qū)域，而關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)紅外熱成像模式則異常，表現(xiàn)為負(fù)溫度梯度消失或局部區(qū)域溫度升高。Brenner等的研究通過大鼠模型探討了新型紅外熱成像檢查在評估和監(jiān)測炎癥性關(guān)節(jié)炎病情的潛在應(yīng)用價值，結(jié)果顯示關(guān)節(jié)表面溫度與關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度臨床評分、關(guān)節(jié)直徑和疼痛相關(guān)姿勢臨床評分顯著相關(guān)（P<0.001）。Collins等的研究表明，關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)表面溫度與關(guān)節(jié)內(nèi)溫度以及激肽、溶酶體酶等其他血清炎癥標(biāo)志物存在正相關(guān)。這些研究凸顯了紅外熱成像檢查在關(guān)節(jié)炎診斷中的重要性和潛在價值，為關(guān)節(jié)炎的非侵入性檢查提供了新的視角和方法。由于在關(guān)節(jié)炎早期階段開始適當(dāng)?shù)闹委熆梢灶A(yù)防疾病的持續(xù)活動、關(guān)節(jié)破壞和殘疾，因此，早期發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)炎癥至關(guān)重要。在臨床實踐中，尤其是在首次評估患者新發(fā)的關(guān)節(jié)痛時，紅外熱成像評估可能是一種簡單、易用且成本效益高的技術(shù)。在患者等待超聲或磁共振檢查期間，紅外熱成像檢查可以成為一種快速評估是否存在活動性關(guān)節(jié)炎癥的工具。正常手紅外熱成像圖像及手關(guān)節(jié)炎患者紅外熱成像圖像見圖1和圖2。

圖1 正常手紅外熱成像表現(xiàn)（圖像來自北京醫(yī)院風(fēng)濕免疫科）
Figure 1 Infrared thermal imaging of normal hand（from Department of Rheumatology and Immunology, Beijing Hospital）

圖2 手關(guān)節(jié)炎患者紅外熱成像表現(xiàn)（右腕關(guān)節(jié)、右第1掌指關(guān)節(jié)、右第一指間關(guān)節(jié)溫度明顯升高，呈白色,圖像來自北京醫(yī)院風(fēng)濕免疫科）
Figure 2 Infrared thermal imaging of arthritis of the hand（the temperature of the right wrist joint, the right metacarpophalangeal-1 joint and the right interphalangeal-1 joint increased significantly, manifested with white, from Department of Rheumatology and Immunology, Beijing Hospital）

在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis,RA）患者中，紅外熱成像具有較好的診斷評估價值。一項研究將31例RA患者與51例健康對照的手腕關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)進行了比較，發(fā)現(xiàn)RA所有ROI中都表現(xiàn)出更高的溫度，并且在沒有活動性炎癥的RA中，手掌和手指溫度依然顯著升高。除了診斷評估價值外，紅外熱成像檢查也可用于疾病發(fā)展的監(jiān)測，在膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎（collagen-induced arthritis,CIA）小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)隨著疾病的進展，關(guān)節(jié)溫度不僅與小鼠爪厚度之間存在顯著的正相關(guān)，并且在發(fā)病早期尚未出現(xiàn)臨床體征及小鼠爪厚度變化時，就可以檢測出關(guān)節(jié)炎，提示紅外熱成像檢查用于診斷關(guān)節(jié)炎具有較高的敏感性。

在骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）的診斷方面，紅外熱成像檢查也已證實其有效性。一項基于91例患者共2184個手關(guān)節(jié)的紅外熱成像研究發(fā)現(xiàn)，OA關(guān)節(jié)表面溫度顯著高于正常關(guān)節(jié)，并且隨嚴(yán)重程度而變化。然而，隨著OA進一步惡化，關(guān)節(jié)表面溫度下降，這些數(shù)據(jù)支持OA在炎癥過程中呈階段性進展的假說。國內(nèi)也有研究顯示，膝OA患者的膝關(guān)節(jié)周圍皮膚溫度顯著高于健康人，且這種溫度變化與疼痛強度相關(guān)。有研究表明，在膝關(guān)節(jié)紅外熱成像溫度為31.3℃或以上可能提示骨關(guān)節(jié)炎。

除了RA和OA，紅外熱成像檢查在其他類型的關(guān)節(jié)炎診斷中也有應(yīng)用前景。一項基于多中心、隨機、對照試驗研究發(fā)現(xiàn)，痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎紅外熱成像的溫度與痛風(fēng)嚴(yán)重程度呈明顯的正相關(guān)，提示紅外熱成像檢查在關(guān)節(jié)炎診斷及療效評估中的廣泛應(yīng)用前景。然而，如何更深層次地挖掘紅外熱成像數(shù)據(jù)的價值，以及如何將該技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于其他類型的關(guān)節(jié)炎診斷中，仍是未來研究的重要方向。

臨床上，對關(guān)節(jié)炎的診斷及病情活動評估多依賴于查體、超聲及放射影像學(xué)等，目前越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，紅外熱成像檢查對關(guān)節(jié)炎的診斷與超聲明顯相關(guān)。一項印度的研究比較了RA 患者膝關(guān)節(jié)的紅外熱成像模式及其與超聲表現(xiàn)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)RA患者的膝關(guān)節(jié)和下肢近端皮膚平均溫差與正常人相比顯著升高（P<0.001），并與超聲評估的炎癥密切相關(guān)。另一項研究對關(guān)節(jié)炎患者和健康對照進行紅外熱成像檢查，將每個關(guān)節(jié)定義出ROI，記錄ROI內(nèi)的絕對溫度值，通過聚類算法確定體溫最高區(qū)域（“熱點”），并計算熱點/ROI比率（hotspot/ROI ratio,HRR）值，發(fā)現(xiàn)HRR不僅能較好地區(qū)分超聲評估的滑膜炎和非滑膜炎，還能對關(guān)節(jié)血流程度進行較好的分級，有望成為評估和監(jiān)測疾病活動的客觀工具。此外，一項研究比較了超聲評估無活動性滑膜炎的RA患者與健康對照關(guān)節(jié)紅外熱成像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無活動性滑膜炎的RA患者比健康對照仍表現(xiàn)出更高的溫度，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.001），提示紅外熱成像檢查對關(guān)節(jié)炎的評估比關(guān)節(jié)超聲具有更高的敏感性。

除了單一應(yīng)用紅外熱成像檢查評估表皮溫度，紅外熱成像檢查聯(lián)合關(guān)節(jié)超聲在診斷上也展現(xiàn)出獨特的臨床價值。Morales-Ivorra等開發(fā)并驗證了兩種基于手部紅外熱成像和機器學(xué)習(xí)的新型復(fù)合疾病活動指數(shù)（ThermoDAI和ThermoDAI-CRP），以便簡易、便捷地評估疾病活動。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲檢查，應(yīng)用機器學(xué)習(xí)算法開發(fā)并驗證了新型評估指標(biāo)——熱顯關(guān)節(jié)炎癥評分（ThermoJIS），其評估活動性滑膜炎的曲線下面積（area under curve,AUC）為0.78(95%CI為0.71～0.86，P<0.001），為病情評估提供了新路徑。此外，還有研究結(jié)合超聲與紅外熱成像檢查，發(fā)現(xiàn)兩者聯(lián)合評估關(guān)節(jié)炎指標(biāo)與28關(guān)節(jié)疾病活動度評分（28-joint disease activity score,DAS28）存在相關(guān)性，而單一紅外熱成像或單一超聲檢查與DAS28均不存在相關(guān)性，提示超聲與紅外熱成像的結(jié)合進一步增加了關(guān)節(jié)炎的診斷性能。

2.2 雷諾現(xiàn)象及微循環(huán)缺血

雷諾現(xiàn)象（Raynaud phenomenon,RP）是身體對低溫刺激的一種血管過度收縮痙攣的表現(xiàn)，在遇冷后手指或足趾皮膚發(fā)生邊界清楚的顏色變化，表現(xiàn)為遇冷后先發(fā)白，隨后發(fā)紺，復(fù)溫后則恢復(fù)紅潤。除了指/趾顏色改變，RP患者還可能出現(xiàn)指/趾缺血癥狀，如手指刺痛感和麻木感，甚至出現(xiàn)指/趾間潰瘍或壞疽。傳統(tǒng)檢查微循環(huán)缺血的方法有甲襞毛細管顯微鏡微循環(huán)、冷水刺激試驗、動脈造影等，但上述操作依賴于檢查者的熟練度，存在一定的安全風(fēng)險，并且可能有假陰性等問題。紅外熱成像檢查作為一種無創(chuàng)監(jiān)測工具，通過紅外成像識別皮膚溫度，能很好地篩查出指/趾端缺血患者，并能通過溫度變化評估指/趾端缺血及RP的嚴(yán)重程度，為組織的灌注情況提供實時的信息，方便用于治療期間的病情監(jiān)測。RP患者手指及足趾紅外熱成像表現(xiàn)見圖3和圖4。

圖3 雷諾現(xiàn)象患者手紅外熱成像表現(xiàn)（雙手手指皮溫明顯減低，呈深藍色,圖像來自北京醫(yī)院風(fēng)濕免疫科）
Figure 3 Infrared thermal imaging of Raynaud phenomenon patients’ hands（the temperature of both hands is reduced significantly, manifested with dark blue, from Department of Rheumatology and Immunology, Beijing Hospital）

圖4 雷諾現(xiàn)象患者足紅外熱成像表現(xiàn)（雙足趾皮溫明顯減低，呈深藍色，圖像來自北京醫(yī)院風(fēng)濕免疫科）
Figure 4 Infrared thermal imaging of Raynaud phenomenon patients’ foots（the temperature of both foots is reduced significantly, manifested with dark blue, from Department of Rheumatology and Immunology, Beijing Hospital）

RP及微循環(huán)缺血表現(xiàn)是系統(tǒng)性硬化癥（systemic sclerosis,SSc）等典型的結(jié)締組織病中最早期的表現(xiàn)，對疾病的篩查和早期診斷具有重要意義。用冷激發(fā)前10min、后10min和后20min指尖的絕對溫度（Tpre, T10, T20），冷激發(fā)前10min、后10min和后20min的手指縱向溫差（the longitudinal temperature difference,LTDpre, LTD10, LTD20），指尖復(fù)溫曲線下的平均面積，冷激發(fā)后 20min的恢復(fù)指數(shù)，以及雙手指尖復(fù)溫的最快速階段幾個指標(biāo)作Logistic回歸分析，判別這些指標(biāo)對原發(fā)和繼發(fā)RP的敏感性，發(fā)現(xiàn)只有LTDpre達顯著性水平，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.001），其他指標(biāo)差異無統(tǒng)計學(xué)意義，提示LTDpre是區(qū)分原發(fā)RP和繼發(fā)RP的主要紅外熱成像參數(shù)。另一項回顧性分析研究比較了指尖-手背溫差（distal-dorsal difference,DDD）在鑒別原發(fā)RP、繼發(fā)于SSc的RP以及繼發(fā)于未分化結(jié)締組織病（undifferentia-ted connective tissue disease,UCTD）的RP患者中的作用，發(fā)現(xiàn)在30℃環(huán)境下，DDD>1℃時可較好地預(yù)測繼發(fā)于SSc的RP患者，其陽性預(yù)測值為70%，陰性預(yù)測值為82%，為風(fēng)濕病的診斷及鑒別診斷提供了重要的參考作用，而傳統(tǒng)微循環(huán)缺血相關(guān)檢查尚無鑒別作用。

2.3 炎癥性皮膚病

炎癥性皮膚病（如局限性硬皮病、銀屑病等）在皮膚熱模式圖像方面會發(fā)生變化，隨著時間的推移，紅外熱成像檢查可以量化治療效果和監(jiān)測皮膚變化。一項針對青少年局限性硬皮病（juvenile localized scleroderma, JLS）的研究提示，非侵入性成像可以探測JLS中受累皮膚和非受累皮膚之間的差異，并可能有助于區(qū)分早期活動性病變及晚期萎縮性病變。通過高頻超聲測量皮膚厚度、紅外熱成像測量皮膚溫度、激光多普勒成像測量皮膚血流和多光譜成像測量氧合指數(shù)4個維度進行評估分析，發(fā)現(xiàn)與未受累的皮膚相比，受累的皮膚更薄（P<0.001）、溫度更高（P<0.001）、血流灌注更豐富（P<0.001）、氧合指數(shù)更高（P<0.001）。顏志芳等應(yīng)用紅外線熱成像檢查發(fā)現(xiàn)銀屑病患者皮損部位溫度明顯高于正常皮膚。一項病例報道應(yīng)用紅外熱成像檢查追蹤了對患有銀屑病的9歲兒童的治療情況，發(fā)現(xiàn)在治療8周后，患者炎癥活動區(qū)域的平均溫度明顯下降，達到與正常兒童相應(yīng)部位的皮溫，提示紅外熱成像可用于評估及監(jiān)測風(fēng)濕病皮膚受累情況，可輔助臨床調(diào)整治療。

風(fēng)濕病作為一類影響關(guān)節(jié)和結(jié)締組織的慢性疾病，可導(dǎo)致永久性損傷和殘疾，降低患者的生活質(zhì)量，因此，早期診斷、適當(dāng)?shù)闹委煵呗院捅O(jiān)測是改善預(yù)后的關(guān)鍵。通過紅外熱成像檢查，醫(yī)生能觀察到關(guān)節(jié)及皮膚表面溫度的變化，反映炎癥及其程度，因非侵入性、無痛和高效特點，在早期診斷與監(jiān)測中顯示巨大潛力，但要實現(xiàn)臨床廣泛應(yīng)用，仍需克服多項技術(shù)和實踐的挑戰(zhàn)。

未來，紅外熱成像檢查在診斷中的研究可聚焦以下方面：（1）提高診斷準(zhǔn)確性，通過優(yōu)化算法和改進設(shè)備，提高設(shè)備普及率，增強對風(fēng)濕病變的識別能力；（2）拓展其臨床應(yīng)用范圍，如腮腺炎、炎性肌病及周圍神經(jīng)炎等多種風(fēng)濕病的診斷，通過判斷淺表結(jié)締組織血流及炎癥分布情況，動態(tài)監(jiān)測病情變化；（3）不斷進行技術(shù)革新，引入深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，以提升自動化程度和診斷效率。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，未來還需要更多進一步的研究來評估及優(yōu)化紅外熱成像檢查在風(fēng)濕病領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，例如通過采用高分辨率紅外熱像儀捕捉關(guān)節(jié)及淺表組織的熱輻射分布，結(jié)合人工智能大數(shù)據(jù)圖像分析，從非侵入式、快速、客觀的角度，對風(fēng)濕病患者進行診斷及病情監(jiān)測，推動紅外熱成像檢查在風(fēng)濕病診斷和治療中的作用。

----本文摘自《北京大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版）》2024年12月第56卷第6期

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