红外热成像在代谢性疾病中的应用

姜碧瑶，张文征，罗文轩，陈宗俊，李艳丽，叶 晨，杨睿博，肖永华

（1.北京中医药大学第一临床医学院，北京中医药大学东直门医院，北京 100029；2.北京中医药大学东直门医院国际部健康管理中心，北京 100007；3.北京中医药大学东直门医院肾病内分泌Ⅱ科，北京 100700）

代谢性疾病是指机体内糖、脂肪、蛋白质等物质代谢紊乱引发的一类疾病，主要包括糖尿病、肥胖、血脂异常和高血压等［1］。随着紊乱程度的加重，还会导致多种并发症的出现，引发动脉粥样硬化等各种心脑血管疾病［2］。近年来，各种代谢性疾病的患病率不断攀升，严重影响着人们的身体健康与生命安全。尽早发现并及时进行干预治疗，可以大幅度延缓其进程，对于降低心脑血管疾病及相关并发症的发病率及死亡率具有重要意义［3‑5］。

红外热成像（Infrared thermography，IRT）是一种非入侵的功能影像新技术， 它可以测量并记录人体体表的温度分布， 通过分析体表的温度分布特征获取组织体的新陈代谢及生理功能状态等信息［6］。当人体功能出现异常，对应区域的热代谢会发生变化，在红外热图上会有相应的呈现，因此，我们可以借助IRT 尽早发现机体在代谢性疾病前期出现的功能改变，在疾病尚未发展严重的阶段进行干预，减轻患者损失。目前IRT 的应用研究多集中在血管疾病、乳腺癌筛查等方面，本文综述了IRT 在代谢性疾病相关的应用情况，分析代谢性疾病在IRT下的特征表达及疾病发展过程中热图变化的规律，为今后IRT 在代谢性疾病的临床应用探索提供参考。

1 体表温度与代谢简述

机体深部（心、肺、脑和腹腔内脏等处）的温度称为深部温度或体核温度，人体的外周组织包括皮肤、皮下组织和肌肉等的温度称为表层温度，人体表层最外层的温度，则称为体表温度［7］。相较于相对恒定的体核温度，体表温度会受到局部血液循环、组织代谢水平和深部组织器官功能状态的影响［8］。研究表明，正常人的体表温度分布具有一定的规律，以头项脊柱为轴两侧基本保持左右对称，并同时存在着明显的温度梯度，人体四肢远端的皮肤温度最低，越靠近躯干，皮肤温度则越高，这与躯干内部脏器以及近心部位的丰富血流供给有着密切的联系［9］。

当机体出现代谢功能紊乱时，可伴有局部的微小病变，导致该处循环散热的血流出现异常，对应部位对于体温调节机制的响应也可能会受到影响，出现体表温度异乎寻常的改变，破坏正常体表温度分布的对称性和有序性，因此针对体表温度的观察对于评估机体代谢功能具有重大意义［10，11］。

2 代谢性疾病不同阶段与红外热成像

临床中代谢性疾病常呈进行性发展，最初可能仅出现单一组分的代谢异常，而不同组分的代谢异常之间存在着紧密的联系［12］，随着病情发展，异常组分的数目逐渐增加，长期的糖、脂、血压水平异常还会对器官造成损害，导致其功能逐渐减退，同时提高各种并发症发生的风险［13］。根据以上规律，在此将讨论分为三个部分，分别围绕单一组分代谢异常阶段、多组分代谢异常阶段，以及代谢性疾病造成器官病变及损伤的最终阶段展开。

2.1 单一组分代谢异常与红外热成像

2.1.1 肥胖 肥胖症是一种由多因素引起的慢性代谢性疾病，指体内脂肪堆积过多和（或）分布异常，通常伴有体重增加，国内以BMI≥24 和≥28 分别作为中国成人超重和肥胖的界限［14］。而在BMI之外，国外的许多相关指南中还包含了一些其他指标，如腰围、腰臀比、腰围身高比等等，主要用于定义脂肪在腹腔内肠系膜、内脏器官以及主动脉周围囤积的腹型肥胖［15，16］。Savastan 等［17］对23 例肥胖患者与13 例正常人利用IRT 与热敏设备进行温度测定，发现在肥胖患者与正常人的体核温度无显著差异的同时，他们的指甲床温度明显高于正常人，而腹部温度则显著低于正常人。Chudecka 等［18］研究发现，肥胖患者大部分体表的皮肤温度都较低，且平均体表温度随腹部体脂百分比的增加而降低，手掌温度则呈现一个相反的规律。上述研究都表明肥胖患者腹部的脂肪层可能减弱了腹部的传热，而在其与健康人体核温度无明显差异的情况下，手部热量散失的升高则抵消了这类部位热量散失的降低，因此出现了肥胖患者与正常人不同的热图表现。Jalil 等［19］对肥胖女性和健康女性同时进行IRT监测和糖耐量试验，除了验证以上温度分布规律外，还发现在糖耐量试验后肥胖患者观察区域的温度变化模式与健康女性也明显不同，健康女性的手部与腹部温度在时长3 h 的监测过程中保持持续上升，而肥胖患者该区域的温度则主要在糖耐量试验后的两个小时内升高。肥胖患者的热量传导和机体代谢情况都与健康人存在差异，而借助IRT 可以敏感地察觉这个差异。

2.1.2 血糖异常 糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是以高血糖为特征的慢性代谢性疾病，目前关于血糖调节异常的IRT 研究并不多，对于早期DM 患者红外热图的特征也并没有比较一致的看法。Siva‑nandam 等［11］发现DM 患者的糖化血红蛋白（glycat‑ed hemoglobin，HbA1c）与颈动脉区域皮肤温度呈负相关，患者的腘窝、下肢胫骨区域、手掌和额部的温度较健康人亦有所降低，他们认为这可能与血糖升高引起的周围血流灌注和代谢率改变相关。在Zeng 等［20］的研究中，对DM 患者和正常人进行手指降温试验（fingercooling test，FCT），可以发现DM患者在接受冷刺激后由即刻温度恢复到基线温度的复温时间较正常人明显延长，该复温时间同时还与DM 病程（r=0.513，P=0.001）和HbA1c 水平呈正相关（r=0.446，P=0.003），这可能与DM 患者的微循环障碍相关。

Sivanandam 的研究中发现DM 患者手掌温度较健康人降低，而厚磊等［21］经过对DM 患者热图的分析总结，则认为DM 患者可能出现手掌的高热征象，这可能与两个研究中受试者的DM 病程不同有关，也可能是试验中的样本量过小导致了两者的结论出现不同。在Shan Zeng 的研究中，DM 患者和正常人的手指基线温度差异并没有统计学意义，虽然该研究与前二者的选取部位稍有不同，但手掌与手指部位同属四肢末端区域，三者之间对于基线温度的不同结论更加提示了这类区域的温度是研究DM热图变化时值得关注的重点，张丽华等［22］的研究中利用冷负荷后双手温度的变化来评估机体的糖代谢功能，同样也说明了手部对于DM 患者IRT 研究的重要性。因此后续应该对此进行更多的研究及分析以明确它与血糖代谢之间的关系。

2.1.3 血压异常 血压异常主要包括低血压和高血压，其中高血压与心血管事件的发生密切相关，是目前临床所关注的重点［23］，而关于血压异常的IRT 研究也主要集中在这一方面。刘伟等［24］对150例健康志愿者、高血压前期及高血压患者用IRT 技术进行分析，发现高血压前期人群在头面部、心前区、背部有特定的红外热图表现。高血压前期组头面部平均温度与心前区平均温度在与健康志愿者组以及高血压病组比较时具有显著差异，并且温度介于这两者之间，三组之间存在着由正常组向高血压组两区域平均温度逐渐升高的趋势。黄冠华［10］对健康人群、高血压患者、高血压合并糖尿病患者的面部热图进行分析，发现高血压组和高血压合并糖尿病组的面部最高温度都至少高出健康组0.5 ℃，出现温差斑的概率也明显高于健康组。高血压患者发病后外周小动脉收缩时，全身的血流重新分配，重要器官的血供增加，而面部动脉供血随着脑供血的增加而增加，此外患者动脉病变破坏了正常的体温调节机制，共同作用下出现面部的温度升高。温差斑的形成则可能与高血压患者小血管的痉挛、硬化等改变导致局部温度变化相关。

代谢异常会影响整个机体的功能状态，即使是仅出现单一组分代谢异常的患者，其热图变化也往往不局限于某个部位或器官。同时代谢异常对人体状态的影响是十分复杂的，在以上研究中，同一研究中纳入的不同区域也会出现温度变化趋势相反的情况，如肥胖者相较于正常对照组同时出现腹部温度的下降和手掌温度的上升，早期糖尿病患者在颈部、腘窝等部位的温度下降，而高血压前期患者头面部和心前区温度上升等等。

2.2 多组分代谢异常与红外热成像

当单一组分代谢异常出现的时候，人体的红外热图就会相应地呈现出一些改变。而不同组分的代谢异常之间常常互相影响，相较于单一组分，多组分代谢异常在临床上更为常见［25］。代谢综合征（Metabolic syndrome， MS）就是其中一种以血脂异常、高血糖、高血压以及腹型肥胖为主要表现的多代谢失常的临床症候群。许多研究表明，MS 会导致包括心脑血管疾病和2 型糖尿病并发症在内的多种疾病发病率增加，并与这些疾病引起的死亡率上升显著相关［26］。

高梦蕉等［27］根据MS 的诊断标准将受试者分为健康对照组、一项代谢异常组、两项代谢异常组及代谢综合征组，她们将头面部、双手掌、双足背作为观察兴趣区，以各个观察区域的平均温度和正面躯干平均温度的差值作为相对温度。发现与正常人相比，MS 患者头面、双手、双足的相对温度显著升高（P＆lt;0.01），呈现头面、双手、双足热的热分布模式。此外，1 项异常组、2 项异常组较正常组也呈现出观察区域温度升高的趋势。

这项研究中关于手掌温度变化的结论与上文提到的对肥胖人群的研究结果十分相似，头面部温度变化规律又与高血压相关研究相符合。代谢综合征作为多种代谢异常聚集的综合表现，结合其与单一组分代谢异常患者的热图表现或许可窥见代谢性疾病患者体表热图的变化趋势。但该研究采用的是相对温度数据，所得结论还受到了正面躯干温度一定程度的影响，而以上单一组分代谢异常的相关研究则多采用局部的区域温度数据，因此想要讨论单一组分代谢异常发展至多组分代谢异常的过程中热图变化的特点，还需要更多的研究来一同参考。

2.3 代谢性疾病最终阶段与红外热成像

各种代谢异常的最大危害就是发展到后期会造成重要器官的病变及损伤，许多代谢异常指标都是心脑血管疾病的危险因素［28］。以MS 为例，与单一组分代谢异常单独存在相比，MS 各症候通过叠加效应增加了颈动脉粥样硬化的危险程度，也提高了脑血管受损的风险，因此MS 患者冠心病、脑卒中等心脑血管疾病的发病率明显高于非MS 患者［29，30］。此外，糖尿病发展到后期出现的各种并发症也同样是临床关注的重点，而代谢异常的聚集出现则会从各个角度促进糖尿病并发症的发生［31］。而IRT 在此阶段也可应用，具体简介如下。

2.3.1 心脑血管疾病 当颈动脉出现粥样硬化斑块时，管腔狭窄导致的血流动力学改变会影响其向周围组织的热传递，因此可见局部的温度变化，Sax‑ena 等［32］在对健康人及单、双侧颈动脉狭窄患者进行研究后便发现，颈动脉狭窄患者颈部温度较之正常人有明显下降。颈动脉狭窄同时会导致面部血流灌注减少，还有可能引起眼部的缺血，甚至出现“眼缺血综合症”，而血流的减少则会导致相应区域的温度下降，有研究就表明IRT 下可见颈动脉狭窄患者的面部及额部的温度降低，另一项研究还发现患者的眼部温度与动脉狭窄程度呈负相关［33］。冠心病患者的心肌处于缺血状态，心肌血液循环减少，细胞代谢产热降低，也会导致体表相关区域的温度下降。潘跃红等［34］选取冠心病患者及健康对照组各20 例进行红外热图的拍摄，发现对照组右胸温度低于左胸，而观察组左胸温度低于右胸。狄灵等［35］对100 名冠心病患者与100 例健康对照组进行研究，发现冠心病患者在热图上呈现特异性的心前区椭圆形或圆形低温区，同时心前区温度明显低于左胸平均温度及正常人胸部平均温度。急性缺血性脑卒中是最常见的卒中类型，占我国脑卒中的69.6%～70.8%，与冠心病同为具有局部缺血情况的疾病，其温度变化机制与表现形式亦与之类似。秦 钰 等［36］对20 例 中 风 患 者 和50 例 健 康 人 进 行 分析，发现中风患者左右面颊和左右额部的温度差与健康对照组相比均有明显升高，且差异具有统计学意义（P＆lt;0.01）。

2.3.2 糖尿病并发症 糖尿病慢性并发症主要包括糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变、糖尿病神经病变、糖尿病下肢血管病变和糖尿病足病［5］。IRT 相关研究则主要集中在以下肢远端神经功能异常和周围血管病变表现为主的糖尿病足方面，这或许是因为糖尿病足的病变部位在肢体末端，受到内部器官状态的影响小，同时病变涉及的部位较为浅表，更有利于研究者们进行分析鉴别。

有研究表明，DM 患者的足部温度普遍较高，足部双侧温差也明显增大，随着足部温度的升高，出现足部并发症的可能性也会增加，还有研究认为足部异常热点的出现可能预示着溃疡的发生，这些在IRT 中极具特征的表现可以帮助研究者们更早地识别出糖尿病足的潜在患者［37‑39］。还有研究者尝试通过采取一定的干预手段来提高IRT 筛查糖尿病足的准确性，汪培清等［40］对55 例DM 患者和20 例健康对照组进行手背冷刺激，而后分别采集冷刺激前及刺激后连续30min 内的30 张足背红外热图进行分析，根据这些图像中的温度信息绘制冷刺激后双足背温度的振幅图。发现健康组无异常温度表现的同时，DM 组中呈现异常温度振幅图的例数占总数81.8%，而这些出现异常温度的受试者，在临床上均出现不同程度的糖尿病血管病变和神经病变症状。以上都可以作为IRT 筛查及预测糖尿病足发展的依据。

在代谢性疾病最终阶段里，心脑血管疾病如冠心病、脑卒中的主要热图特征是心前区或头面部的温度改变，而糖尿病足则主要是足部温度的特异性改变。我们可以发现，对于这类患者，具有特异性的局部区域是易于提取的，同时也的确具有十分显著的图像变化。

2.4 小结

在整个代谢性疾病的发展过程中，代谢异常对于机体影响的整体性和复杂性不止体现在功能上，也体现在热图上。单一组分代谢异常的患者的热图改变都是整体发生的，且不同区域的温度变化并不一定同步；当代谢异常组分增多后，值得关注的区域依然不局限，其温度变化趋势也与单一组分代谢异常的患者极为相似；而发展到最终阶段，局部热图的改变即具有很高的特异性，对于机体温度分布的整体情况则没有具体描述。

3 思考与展望

3.1 目前代谢性疾病相关IRT 研究的常见问题

当前这些与IRT 相关的研究同样存在着一定的问题：

（1）IRT 技术在应用于人体测温时会在不同的环境温度和湿度、个人的性别、年龄、生理节律下出现不同的表现［41］。而各研究在环境条件控制上是否统一，是否适宜推广，在受试者的选择上是否都考虑到了影响体温的诸多个人因素，对选取部位生理结构下必然存在的干扰又是否进行了一定的控制和排除，这些问题并没有得到很好的解答；

（2）在需要设置健康对照组的情况时，各研究在对照组的纳排标准设计上存在一定差异，这也可能造成偏倚从而影响研究结论的准确性；

（3）由上述研究可以发现代谢性疾病发展过程中的热图变化是复杂且涉及整体的，对于单一组分代谢异常和多组分代谢异常的研究都没有忽视这点，而在代谢性疾病最终阶段的研究中，研究者在关注局部特征的同时却少有对整体分布规律同等重视的，研究中很少对此进行描述，这导致我们对于代谢性疾病热图变化规律的分析缺少一些证据。

3.2 对未来IRT 应用于代谢性疾病研究的展望

人们对于代谢性疾病的重视程度如今正在逐渐提高，而IRT 又对识别病变初期的代谢功能异常十分敏感，是有希望应用于代谢病早期筛查的一项新技术。而为了更好地将IRT 应用于代谢性疾病，未来还需要注意一些其他方面的问题：

（1）鉴于目前不同的研究对于正常对照组的设置常有所差异，日后的相关研究应该更多地考虑到统一标准的制定，正常生理状态下热图的收集分析还需要继续推进，这也是所有IRT 研究亟待解决的共同问题。

（2）考虑到代谢性疾病的整体性，在将IRT 应用于代谢性疾病患者热图研究的时候，应当将体表热图呈现的所有信息都纳入分析范围，包括局部温度的特殊变化、温度分布的整体规律等等。在代谢性疾病的发展过程中，或许随着代谢紊乱程度的加重，机体温度分布的不规律程度会相应提高，又或许随着某一终点疾病的爆发，其余部位的热图表现反而会归于正常，这些猜测哪个更接近事实，还有待后续研究来进行证实。

（3）基于代谢性疾病的复杂性，如何排除干扰以及确定具有特异性的观察区域，从而精准锁定与疾病直接相关的图像表现是研究面临的一个重要挑战。而人的计算分析能力是有极限的，有研究者尝试将一些现代科学技术引入红外热图的分析中。Thiruvengadam 等［42］提出的高血压计算机辅助诊断模型在满足一定条件后，可以达到最高89%的准确率。而Thirunavukkarasu 等［43］利用计算机算法等手段开发了一个能够对糖尿病进行分类的计算机辅助诊断系统，其准确率也可以达到94.28%。计算机辅助诊断可作为IRT 应用的另一个探索方向。

（4）最后，IRT 的优势阶段在于代谢性疾病早期机体尚未发生结构变异时，因此我们建议将IRT 尽量早地引入疾病诊查过程中，甚至可以推广到常规体检中，以尽快接收机体发生早期病变时发出的信号，为代谢异常的早期干预治疗作出贡献。

作者贡献度说明：

姜碧瑶：负责文献的整理和文章撰写；张文征：为本文写作思路提供了指导；罗文轩和陈宗俊：参与了文献的搜索和文章修改；李艳丽、叶晨和杨睿博：为本文补充了部分文献；肖永华：负责论文设计和审阅。

所有作者声明不存在利益冲突关系。