紅外熱成像在糖尿病足患者預(yù)警中的應(yīng)用進(jìn)展

劉芳 張林 楚曉紅 馬芬 易維君（陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院）

摘 要

多個(gè)臨床指南指出糖尿病足的預(yù)防重于治療，但是糖尿病足的早期微小血管的病變不易發(fā)現(xiàn)，待明確診斷時(shí)已進(jìn)入中后期階段，不僅降低患者的生活質(zhì)量，還帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。 紅外熱成像作為一種快速、非接觸式的臨床檢測技術(shù)，可以敏感地發(fā)現(xiàn)隱匿的神經(jīng)及血管病變，及早進(jìn)行干預(yù)。因此，對(duì)紅外熱成像應(yīng)用于糖尿病足預(yù)警的背景、作用機(jī)制、應(yīng)用發(fā)展和熱圖處理的方法進(jìn)行簡單介紹，著重介紹了紅外熱像在預(yù)警糖尿病足方面的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通過下肢溫度的檢測和足底溫度恢復(fù)率可以有效預(yù)警糖尿病足的危險(xiǎn)，但是熱圖的解讀受醫(yī)生主觀讀圖和儀器自身的限制，可能會(huì)影響結(jié)果的預(yù)判，因此，進(jìn)一步更深入的研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病足更高效的預(yù)警。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；現(xiàn)狀；糖尿病足；預(yù)警

引 言

糖尿病足（diabetic foot）是糖尿病嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，是糖尿病患者因下肢遠(yuǎn)端神經(jīng)異常和不同程度血管病變導(dǎo)致的足部感染、潰瘍和/或深層組織破壞，具有高致死、高致殘及高復(fù)發(fā)率的特點(diǎn)。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全世界有超過4.15億人患有糖尿病，預(yù)計(jì)到2040年糖尿病患病人數(shù)將激增至6.4億，現(xiàn)已成為全球性的健康問題。隨著糖尿病的全球流行和糖尿病患者預(yù)期壽命的延長，每20秒就有一個(gè)患者因糖尿病而截肢，截肢后5年死亡率高達(dá)50%，截肢的平均費(fèi)用達(dá)到3.4萬元，這不僅給社會(huì)和家庭帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量。雖然糖尿病治療周期長、費(fèi)用高，但全面篩查，及時(shí)評(píng)估，對(duì)高危因素提早進(jìn)行預(yù)防，仍然有80%的糖尿病足可以通過提早干預(yù)，減少糖尿病足的發(fā)生。盡管臨床上有眾多的篩查工具可供使用，但是無創(chuàng)、操作簡便、價(jià)格便宜又能準(zhǔn)確預(yù)警糖尿病足發(fā)生的工具仍是臨床工作者追求的目標(biāo)。對(duì)紅外熱成像技術(shù)在輔助診斷和預(yù)警糖尿病的應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)，為預(yù)警糖尿病足提供診斷的依據(jù)。

紅外熱像應(yīng)用于糖尿病足預(yù)警的背景說明

2.1 糖尿病足預(yù)防的現(xiàn)狀

糖尿病的預(yù)防重于治療，早期的識(shí)別和防范不僅能避免約50%的糖尿病患者發(fā)生足部潰瘍或截肢，早期綜合性干預(yù)措施更能降低75%～80%的足部潰瘍復(fù)發(fā)?，F(xiàn)臨床常用的預(yù)警工具有下肢血管超聲、血管造影、核磁共振動(dòng)脈造影、計(jì)算機(jī)斷層動(dòng)脈造影、經(jīng)皮氧分壓測定以及神經(jīng)傳導(dǎo)速度等輔助檢查。下肢血管超聲雖能動(dòng)態(tài)觀察血管壁狀態(tài)和血流速度，但是對(duì)于血管走形異常或側(cè)支循環(huán)豐富的患者則會(huì)因?yàn)檠髌毡闊o明顯改變而造成漏診；血管造影和核磁共振動(dòng)脈造影可以明確患者血管閉塞部位和程度，但是檢查費(fèi)用高，造影劑有明確的腎毒性；計(jì)算機(jī)斷層動(dòng)脈造影可以清晰地看到斑塊的分布、形態(tài)等，但是有輻射；針對(duì)于下肢神經(jīng)系統(tǒng)的檢查如神經(jīng)傳導(dǎo)速度的檢查雖可以檢測出無癥狀患者，但是只能反映大神經(jīng)的纖維病變，對(duì)于糖尿病足早期的病變是以小神經(jīng)為主，很難達(dá)到預(yù)警糖尿病足的作用。這些檢查在糖尿病足的預(yù)警中存在一定的局限性，且多只能用于大血管的篩查，不適用于足踝以下較小的血管和神經(jīng)的篩查，而糖尿病足初期的病變是從微小血管和微小神經(jīng)纖維損害開始的，因此，亟需一種更靈敏、簡便的檢測技術(shù)，更加高效便捷地篩查出早期糖尿病足。然而經(jīng)過多次的研究證實(shí)，紅外熱成像可以精確檢測到足部溫度，發(fā)現(xiàn)隱匿的神經(jīng)、血管病變及是否存在感染，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病足高效敏感的預(yù)警。

2.2 紅外熱成像在糖尿病足預(yù)警的作用機(jī)制

人體的熱輻射是由皮膚組織、內(nèi)部組織、局部脈管系統(tǒng)和代謝活動(dòng)之間的熱交換過程產(chǎn)生的，紅外熱成像通過快速搜集身體各個(gè)部位輻射出的遠(yuǎn)紅外光波，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后,形成身體表面溫度分布圖，通過觀察熱圖的溫度變化進(jìn)而檢測身體的某些疾病。現(xiàn)紅外熱成像已廣泛應(yīng)用于糖尿病的檢測，通過分析體位變化和代謝參數(shù)，估計(jì)血糖值，檢測低血糖的溫度變化，并將紅外熱成像與生化分析方法比較血糖的準(zhǔn)確值。此外，發(fā)生糖尿病足的危險(xiǎn)因素主要是下肢的神經(jīng)病變和動(dòng)脈疾病，66%的糖尿病足患者會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)病變，其中近20%會(huì)出現(xiàn)動(dòng)脈血流灌注不足，而紅外熱成像是通過觀察足底溫度分布進(jìn)而預(yù)警糖尿病足的，在足底區(qū)域存在高溫區(qū)可能表明組織損傷、炎癥和動(dòng)靜脈分流，這可能會(huì)損害營養(yǎng)毛細(xì)血管流動(dòng)并增加皮膚潰瘍的易感性，當(dāng)血液循環(huán)降低時(shí)，足底的溫度會(huì)出現(xiàn)雙側(cè)不對(duì)稱現(xiàn)象，進(jìn)而預(yù)警糖尿病足的發(fā)生。

紅外熱成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)方面，如肌肉疼痛、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)病理性疼痛等，而應(yīng)用于糖尿病患者的研究已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。最開始是Branemark在1967年對(duì)16名年輕的糖尿病患者進(jìn)行紅外熱成像的檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)糖尿病患者足部輻射模式與年齡相近的健康受試者不同，腳趾和跖趾關(guān)節(jié)區(qū)域的溫度明顯減少，而手部的熱圖沒有明顯的異常。Fujiwara等人則發(fā)現(xiàn)糖尿病患者浸入冷水中后足趾皮膚溫度的恢復(fù)顯著低于正常人，而紅外熱成像可以通過檢測下肢的溫度來預(yù)警糖尿病足，為了進(jìn)一步探明其中的關(guān)系，開始了大量使用紅外熱像對(duì)糖尿病足進(jìn)行檢測的研究。Sun等人發(fā)現(xiàn)與沒有糖尿病的患者相比，有糖尿病的患者足底溫度為（27.1±2.0）℃，具有高危糖尿病患者在潰瘍前足底的平均溫度為（30.2±1.3）℃，而正常人足底的溫度為（26.8±1.8）℃，Bharara等人發(fā)現(xiàn)有糖尿病足的足部皮膚相較于對(duì)側(cè)正常足底的溫度至少升高了0.5℃，進(jìn)一步明確了糖尿病的患者足底溫度高于正常人。Liu等人則預(yù)測了37名糖尿病患者中的35個(gè)患者發(fā)生了糖尿病足部潰瘍，準(zhǔn)確率達(dá)95%。 后期的研究者將計(jì)算方式改進(jìn)后，明確了人體輻射的能量與表面溫度成正比，對(duì)人體表面的溫度分布進(jìn)行特征的提取，確定人體足底真正的溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病足患者的精準(zhǔn)預(yù)測。

預(yù)警糖尿病足的具體應(yīng)用

3.1 檢測下肢溫度預(yù)警

糖尿病患者下肢的皮膚或者溫度的改變，能預(yù)警患者是否患有患糖尿病足的風(fēng)險(xiǎn)。Ammer 等人想要通過紅外熱成像明確足底溫度與愈合組織、腳趾甲真菌病與足部畸形發(fā)展之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，但在后來的研究表明皮膚出現(xiàn)變化與皮膚溫度升高的區(qū)域之間沒有關(guān)系，且認(rèn)為紅外熱成像不適用于檢測糖尿病足患者中存在的皮膚變化。研究者進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)下肢溫度梯度與血糖水平、足部變形、活動(dòng)范圍受限和神經(jīng)傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，并證實(shí)了幾乎一半的糖尿病患者腿部的溫度梯度呈倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但無法解釋其中原因。后來的研究認(rèn)為糖尿病足骨痂內(nèi)的炎癥可能是溫度梯度倒轉(zhuǎn)的原因，為了證實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)，采用超聲與熱成像對(duì)比確定足部骨痂周圍潛在炎癥的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在糖尿病組患者中有10%的骨痂組織中檢測到了炎癥的跡象，而非糖尿病組未發(fā)現(xiàn)炎癥，因此，確定下肢溫度梯度呈倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以預(yù)警糖尿病足的發(fā)生。另外，足底溫度升高加上感覺的減少或完全喪失也可以預(yù)警糖尿病足的發(fā)生，對(duì)118名糖尿病足患者進(jìn)行紅外熱成像檢測后發(fā)現(xiàn)患有糖尿病周圍神經(jīng)病變的患者足部溫度（32℃～35℃）高于沒有周圍神經(jīng)病變患者（27℃～30℃），而患有神經(jīng)缺血的患者足部溫度最高，對(duì)112名糖尿病周圍神經(jīng)病變的患者研究證實(shí)糖尿病足患者平均足溫還與右大腳趾和左大腳趾的感知閾值呈正相關(guān)，而糖化血紅蛋白與平均足溫之間沒有相關(guān)性，進(jìn)一步證實(shí)足部溫度升高加上感覺減少或完全喪失是糖尿病足的高危信號(hào)。紅外熱成像可以通過檢測糖尿病患者下肢的溫度梯度、足部骨痂和足部感覺喪失方面對(duì)糖尿病足的發(fā)生進(jìn)行有效的預(yù)警。

3.2 檢測足底溫度恢復(fù)率預(yù)警

小纖維神經(jīng)病變可能發(fā)生在糖尿病的任何階段，但臨床暫無一種檢測可以作出小纖維病變的診斷，如果無法進(jìn)行正確的診斷和適當(dāng)?shù)闹委?，將延誤患者的病情。因此，研究者們嘗試通過觀察足底溫度恢復(fù)率來預(yù)警糖尿病足小纖維神經(jīng)病變的發(fā)生。 汪培清等研究證實(shí)了糖尿病下肢血管病變患者的手背、足背溫度恢復(fù)率明顯低于健康人群。Fujiwara將61名糖尿病患者和16名受試者下肢暴露于冷水后，觀察兩組患者下肢皮膚溫度的恢復(fù)率，發(fā)現(xiàn)糖尿病患者皮膚溫度恢復(fù)率明顯低于對(duì)照組，外周動(dòng)脈硬化、交感神經(jīng)功能受損和凝血系統(tǒng)的激活都可能是導(dǎo)致皮膚溫度恢復(fù)率降低的原因。Balbinot將糖尿病患者的腳用薄塑料保護(hù)的腳浸15℃的水中60秒后記錄患者腳趾間的恢復(fù)指數(shù)，并與患者的心率變異性分析和肌電圖的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)三種技術(shù)在預(yù)警糖尿病足發(fā)生都可以達(dá)到25%的特異性和80%的敏感性聞智鳴發(fā)現(xiàn)皮膚溫度恢復(fù)率與患者病程、正中神經(jīng)傳導(dǎo)速度、蛋白尿等相關(guān)，證實(shí)了紅外熱成像在檢測糖尿病性微、小血管、神經(jīng)末梢合并癥方面有臨床早期診斷價(jià)值。Barriga在隨后的研究中證實(shí)到糖尿病神經(jīng)病變患者雙趾恢復(fù)率為2%，腳跟恢復(fù)率約為0.4%，正常受試者內(nèi)側(cè)弓的恢復(fù)率為4%，而糖尿病神經(jīng)病變患者的恢復(fù)率不到1.5%，正常受試者在冷應(yīng)激測試前后兩天的平均溫度有顯著差異，而糖尿病患者的平均溫度沒有差異。由此可見，對(duì)于糖尿病患者來說在遇冷刺激后溫度能否快速恢復(fù)是判斷糖尿病足發(fā)生的有效客觀依據(jù)。

3.3 高?；颊邼儚?fù)發(fā)的預(yù)警

糖尿病足部潰瘍患者約有70%在1 年內(nèi)復(fù)發(fā)，48%的傷口復(fù)發(fā)于對(duì)側(cè)足部，只有17%既往患有糖尿病足潰瘍會(huì)在同一解剖部位復(fù)發(fā)，超過60%的患者不止在一個(gè)足底位置,由此可見糖尿病足的預(yù)防不僅需要關(guān)注患者是否復(fù)發(fā)，對(duì)于健側(cè)足部潰瘍的預(yù)防也至關(guān)重要。測量足部皮膚的溫度可以識(shí)別足部潰瘍的風(fēng)險(xiǎn)，已有的研究證明紅外熱成像可以將下肢潰瘍和截肢的風(fēng)險(xiǎn)降低三分之一到十分之一。家庭檢測足部溫度被認(rèn)為是很好的預(yù)防潰瘍復(fù)發(fā)的重要措施之一，在一項(xiàng)多中心雙盲的臨床試驗(yàn)通過隨訪18個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，如果連續(xù)兩天發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)足部溫差＞2.2℃則需減少活動(dòng)后尋求醫(yī)生的進(jìn)一步治療，可以降低潰瘍的復(fù)發(fā)率和醫(yī)療成本，且該項(xiàng)結(jié)果在多項(xiàng)研究中得到證實(shí)。神經(jīng)性足部潰瘍經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致中央壞死區(qū)域周圍的皮膚溫度升高，通過自我監(jiān)測可以預(yù)警糖尿病足的復(fù)發(fā)，但是潰瘍的復(fù)發(fā)是隱匿的，患者常常難以自我發(fā)現(xiàn)。紅外熱成像雖能預(yù)警潰瘍的復(fù)發(fā)，但需要醫(yī)生專業(yè)的判斷，期望在后期的研究中，隨著人工智能化的引進(jìn)能實(shí)現(xiàn)儀器的自我預(yù)警，為防止?jié)兊膹?fù)發(fā)提供便捷的服務(wù)。

足部熱圖處理方法

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助診斷可以避免人對(duì)圖像評(píng)估因疏忽、疲勞等出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高診斷的準(zhǔn)確率，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理是基于自動(dòng)分割、圖像改進(jìn)、恢復(fù)和特征提取的技術(shù)上進(jìn)行的，對(duì)圖像的處理方法有獨(dú)立的下肢溫度分析法、不對(duì)稱溫度分析法、溫度分布分析法以及獨(dú)立的熱和物理應(yīng)力分析，不對(duì)稱的溫度分析方法則是目前運(yùn)用較多的一種。下肢不對(duì)稱分析方法通過同時(shí)采集彩色圖像和熱圖像，將雙腳進(jìn)行了有效的比較，特別是對(duì)不同尺寸和性狀的腳，利用可擴(kuò)展掃描方法更全面地預(yù)警糖尿病足的發(fā)生。但是在利用下肢溫度分析法時(shí)，將腳從背景中分割出來是具有較大的挑戰(zhàn)性，研究提出了足部皮膚的熱成像可以作為早期發(fā)現(xiàn)潰瘍的篩查工具，因?yàn)榕c人體其他部位進(jìn)行對(duì)比，腳趾的溫度更低，但在后來的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)足部溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)時(shí)則難以實(shí)現(xiàn)足部分割，畸形或輕微截肢會(huì)導(dǎo)致足部之間的不同形狀和大小，通過同時(shí)采集彩色圖和熱圖后，將彩色圖像與熱圖進(jìn)行精準(zhǔn)匹配后，無論何種情況下,均可得到左右腳的溫差。Peregrina等人利用溫度分布分析法根據(jù)溫度差異和分布將足底劃分為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度格局顏色相似的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，通過引入定量信息來分析整個(gè)足底區(qū)域，以確定可能存在潰瘍風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。Netten等人則利用物理應(yīng)力檢測糖尿病相關(guān)足部并發(fā)癥的最佳皮膚溫度截止值是對(duì)側(cè)斑點(diǎn)之間的2.2 ℃差異（敏感性，76%；特異性，40%），確定治療緊迫性的最佳皮膚溫度截止值是左右腳的平均溫度相差1.35 ℃（敏感性為89%；特異性為78%），認(rèn)為左右腳的平均溫差可能是確定是否需要治療的良好標(biāo)志。

紅外熱成像在糖尿病足應(yīng)用中的限制

紅外熱成像雖然是一種快速、無創(chuàng)和非接觸式檢測方法，但在應(yīng)用于糖尿病足患者預(yù)警中仍有一些劣勢。首先，對(duì)于熱圖的解讀均是醫(yī)生主觀進(jìn)行解讀，很大程度取決于醫(yī)生自身的水平，對(duì)于一些復(fù)雜的病情則需借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行解讀，視覺的疲勞也可能導(dǎo)致結(jié)果的誤判；其次，在熱圖的四種分析方法中，單獨(dú)的下肢分析方法無法確定糖尿病足并發(fā)癥相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)溫度區(qū)域，糖尿病患者足底溫度分布模式不規(guī)則，想要對(duì)溫度分布分類還較困難；最后，如果患者雙腳出現(xiàn)相同的并發(fā)癥，非對(duì)稱分析法可能無法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，另外，物理應(yīng)力分析方法需要將患者的下肢浸入冷水或熱水中可能會(huì)導(dǎo)致患者不適或帶來其他的并發(fā)癥。儀器自身對(duì)環(huán)境溫度、照射距離、使用者也是紅外熱成像在實(shí)際使用中的具體限制。

小結(jié)與展望

紅外熱成像在糖尿病足預(yù)警中，雖能通過下肢的溫度和足部溫度的恢復(fù)率判斷患者是否患有糖尿病足的風(fēng)險(xiǎn)，但熱圖解讀的主觀性和儀器自身的限制仍處于不斷實(shí)踐和探究的初步階段。由于糖尿病足早期癥狀不明顯，給早期的發(fā)現(xiàn)和診斷帶來了很大的困難，但隨著研究的深入，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像處理和數(shù)據(jù)挖掘的不斷進(jìn)步可能有助于克服熱圖解讀主管性這種限制，從而實(shí)現(xiàn)讀圖的智能化。足部體溫的自我監(jiān)測可以很好地預(yù)防糖尿病足的發(fā)生，便攜式的紅外熱成像也為患者實(shí)現(xiàn)家庭檢測提供了可能，目前研發(fā)的足部壓力傳感器、定制鞋墊雖可以通過足部壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)足底壓力的動(dòng)態(tài)觀察可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病足微血管和微小神經(jīng)病變的家庭預(yù)警，但是尚處于臨床試驗(yàn)階段，證據(jù)不足，有待更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明預(yù)警作用的有效性。與國外相比，國內(nèi)對(duì)于使用紅外熱成像預(yù)警糖尿病足的研究較少，但是可以結(jié)合中醫(yī)學(xué)治未病的視角對(duì)紅外熱成像的熱圖信息進(jìn)行解讀，為糖尿病足的早期診斷提供新的思路。

----本文摘自《激光雜志》2023年10月第44卷第10期

【免責(zé)聲明】文章目的是提供一般的健康信息，不能代替任何個(gè)人的醫(yī)學(xué)診斷和治療。個(gè)人的醫(yī)學(xué)問題，請(qǐng)向醫(yī)生咨詢與討論。文章內(nèi)的配圖僅為示意圖，且均源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。