红外热成像在糖尿病足患者预警中的应用进展

刘芳 张林 楚晓红 马芬 易维君（陆军军医大学第二附属医院）

摘 要

多个临床指南指出糖尿病足的预防重于治疗，但是糖尿病足的早期微小血管的病变不易发现，待明确诊断时已进入中后期阶段，不仅降低患者的生活质量，还带来严重的经济负担。 红外热成像作为一种快速、非接触式的临床检测技术，可以敏感地发现隐匿的神经及血管病变，及早进行干预。因此，对红外热成像应用于糖尿病足预警的背景、作用机制、应用发展和热图处理的方法进行简单介绍，着重介绍了红外热像在预警糖尿病足方面的应用，发现通过下肢温度的检测和足底温度恢复率可以有效预警糖尿病足的危险，但是热图的解读受医生主观读图和仪器自身的限制，可能会影响结果的预判，因此，进一步更深入的研究，以实现对糖尿病足更高效的预警。

关键词：红外热成像；现状；糖尿病足；预警

引 言

糖尿病足（diabetic foot）是糖尿病严重的并发症之一，是糖尿病患者因下肢远端神经异常和不同程度血管病变导致的足部感染、溃疡和/或深层组织破坏，具有高致死、高致残及高复发率的特点。据世界卫生组织统计，全世界有超过4.15亿人患有糖尿病，预计到2040年糖尿病患病人数将激增至6.4亿，现已成为全球性的健康问题。随着糖尿病的全球流行和糖尿病患者预期寿命的延长，每20秒就有一个患者因糖尿病而截肢，截肢后5年死亡率高达50%，截肢的平均费用达到3.4万元，这不仅给社会和家庭带来巨大的经济负担，还严重影响了患者的生活质量。虽然糖尿病治疗周期长、费用高，但全面筛查，及时评估，对高危因素提早进行预防，仍然有80%的糖尿病足可以通过提早干预，减少糖尿病足的发生。尽管临床上有众多的筛查工具可供使用，但是无创、操作简便、价格便宜又能准确预警糖尿病足发生的工具仍是临床工作者追求的目标。对红外热成像技术在辅助诊断和预警糖尿病的应用进行归纳总结，为预警糖尿病足提供诊断的依据。

红外热像应用于糖尿病足预警的背景说明

2.1 糖尿病足预防的现状

糖尿病的预防重于治疗，早期的识别和防范不仅能避免约50%的糖尿病患者发生足部溃疡或截肢，早期综合性干预措施更能降低75%～80%的足部溃疡复发。现临床常用的预警工具有下肢血管超声、血管造影、核磁共振动脉造影、计算机断层动脉造影、经皮氧分压测定以及神经传导速度等辅助检查。下肢血管超声虽能动态观察血管壁状态和血流速度，但是对于血管走形异常或侧支循环丰富的患者则会因为血流普遍无明显改变而造成漏诊；血管造影和核磁共振动脉造影可以明确患者血管闭塞部位和程度，但是检查费用高，造影剂有明确的肾毒性；计算机断层动脉造影可以清晰地看到斑块的分布、形态等，但是有辐射；针对于下肢神经系统的检查如神经传导速度的检查虽可以检测出无症状患者，但是只能反映大神经的纤维病变，对于糖尿病足早期的病变是以小神经为主，很难达到预警糖尿病足的作用。这些检查在糖尿病足的预警中存在一定的局限性，且多只能用于大血管的筛查，不适用于足踝以下较小的血管和神经的筛查，而糖尿病足初期的病变是从微小血管和微小神经纤维损害开始的，因此，亟需一种更灵敏、简便的检测技术，更加高效便捷地筛查出早期糖尿病足。然而经过多次的研究证实，红外热成像可以精确检测到足部温度，发现隐匿的神经、血管病变及是否存在感染，从而实现对糖尿病足高效敏感的预警。

2.2 红外热成像在糖尿病足预警的作用机制

人体的热辐射是由皮肤组织、内部组织、局部脉管系统和代谢活动之间的热交换过程产生的，红外热成像通过快速搜集身体各个部位辐射出的远红外光波，经过计算机处理后,形成身体表面温度分布图，通过观察热图的温度变化进而检测身体的某些疾病。现红外热成像已广泛应用于糖尿病的检测，通过分析体位变化和代谢参数，估计血糖值，检测低血糖的温度变化，并将红外热成像与生化分析方法比较血糖的准确值。此外，发生糖尿病足的危险因素主要是下肢的神经病变和动脉疾病，66%的糖尿病足患者会出现神经病变，其中近20%会出现动脉血流灌注不足，而红外热成像是通过观察足底温度分布进而预警糖尿病足的，在足底区域存在高温区可能表明组织损伤、炎症和动静脉分流，这可能会损害营养毛细血管流动并增加皮肤溃疡的易感性，当血液循环降低时，足底的温度会出现双侧不对称现象，进而预警糖尿病足的发生。

红外热成像应用于医学领域的各个方面，如肌肉疼痛、类风湿性关节炎、神经病理性疼痛等，而应用于糖尿病患者的研究已成为医学领域的研究热点。最开始是Branemark在1967年对16名年轻的糖尿病患者进行红外热成像的检测时，发现糖尿病患者足部辐射模式与年龄相近的健康受试者不同，脚趾和跖趾关节区域的温度明显减少，而手部的热图没有明显的异常。Fujiwara等人则发现糖尿病患者浸入冷水中后足趾皮肤温度的恢复显著低于正常人，而红外热成像可以通过检测下肢的温度来预警糖尿病足，为了进一步探明其中的关系，开始了大量使用红外热像对糖尿病足进行检测的研究。Sun等人发现与没有糖尿病的患者相比，有糖尿病的患者足底温度为（27.1±2.0）℃，具有高危糖尿病患者在溃疡前足底的平均温度为（30.2±1.3）℃，而正常人足底的温度为（26.8±1.8）℃，Bharara等人发现有糖尿病足的足部皮肤相较于对侧正常足底的温度至少升高了0.5℃，进一步明确了糖尿病的患者足底温度高于正常人。Liu等人则预测了37名糖尿病患者中的35个患者发生了糖尿病足部溃疡，准确率达95%。 后期的研究者将计算方式改进后，明确了人体辐射的能量与表面温度成正比，对人体表面的温度分布进行特征的提取，确定人体足底真正的温度，进而实现对糖尿病足患者的精准预测。

预警糖尿病足的具体应用

3.1 检测下肢温度预警

糖尿病患者下肢的皮肤或者温度的改变，能预警患者是否患有患糖尿病足的风险。Ammer 等人想要通过红外热成像明确足底温度与愈合组织、脚趾甲真菌病与足部畸形发展之间的统计关系，但在后来的研究表明皮肤出现变化与皮肤温度升高的区域之间没有关系，且认为红外热成像不适用于检测糖尿病足患者中存在的皮肤变化。研究者进一步分析发现下肢温度梯度与血糖水平、足部变形、活动范围受限和神经传导率之间的关系，并证实了几乎一半的糖尿病患者腿部的温度梯度呈倒转现象，但无法解释其中原因。后来的研究认为糖尿病足骨痂内的炎症可能是温度梯度倒转的原因，为了证实这个观点，采用超声与热成像对比确定足部骨痂周围潜在炎症的关系，发现在糖尿病组患者中有10%的骨痂组织中检测到了炎症的迹象，而非糖尿病组未发现炎症，因此，确定下肢温度梯度呈倒转现象可以预警糖尿病足的发生。另外，足底温度升高加上感觉的减少或完全丧失也可以预警糖尿病足的发生，对118名糖尿病足患者进行红外热成像检测后发现患有糖尿病周围神经病变的患者足部温度（32℃～35℃）高于没有周围神经病变患者（27℃～30℃），而患有神经缺血的患者足部温度最高，对112名糖尿病周围神经病变的患者研究证实糖尿病足患者平均足温还与右大脚趾和左大脚趾的感知阈值呈正相关，而糖化血红蛋白与平均足温之间没有相关性，进一步证实足部温度升高加上感觉减少或完全丧失是糖尿病足的高危信号。红外热成像可以通过检测糖尿病患者下肢的温度梯度、足部骨痂和足部感觉丧失方面对糖尿病足的发生进行有效的预警。

3.2 检测足底温度恢复率预警

小纤维神经病变可能发生在糖尿病的任何阶段，但临床暂无一种检测可以作出小纤维病变的诊断，如果无法进行正确的诊断和适当的治疗，将延误患者的病情。因此，研究者们尝试通过观察足底温度恢复率来预警糖尿病足小纤维神经病变的发生。 汪培清等研究证实了糖尿病下肢血管病变患者的手背、足背温度恢复率明显低于健康人群。Fujiwara将61名糖尿病患者和16名受试者下肢暴露于冷水后，观察两组患者下肢皮肤温度的恢复率，发现糖尿病患者皮肤温度恢复率明显低于对照组，外周动脉硬化、交感神经功能受损和凝血系统的激活都可能是导致皮肤温度恢复率降低的原因。Balbinot将糖尿病患者的脚用薄塑料保护的脚浸15℃的水中60秒后记录患者脚趾间的恢复指数，并与患者的心率变异性分析和肌电图的结果进行比较，发现三种技术在预警糖尿病足发生都可以达到25%的特异性和80%的敏感性闻智鸣发现皮肤温度恢复率与患者病程、正中神经传导速度、蛋白尿等相关，证实了红外热成像在检测糖尿病性微、小血管、神经末梢合并症方面有临床早期诊断价值。Barriga在随后的研究中证实到糖尿病神经病变患者双趾恢复率为2%，脚跟恢复率约为0.4%，正常受试者内侧弓的恢复率为4%，而糖尿病神经病变患者的恢复率不到1.5%，正常受试者在冷应激测试前后两天的平均温度有显著差异，而糖尿病患者的平均温度没有差异。由此可见，对于糖尿病患者来说在遇冷刺激后温度能否快速恢复是判断糖尿病足发生的有效客观依据。

3.3 高危患者溃疡复发的预警

糖尿病足部溃疡患者约有70%在1 年内复发，48%的伤口复发于对侧足部，只有17%既往患有糖尿病足溃疡会在同一解剖部位复发，超过60%的患者不止在一个足底位置,由此可见糖尿病足的预防不仅需要关注患者是否复发，对于健侧足部溃疡的预防也至关重要。测量足部皮肤的温度可以识别足部溃疡的风险，已有的研究证明红外热成像可以将下肢溃疡和截肢的风险降低三分之一到十分之一。家庭检测足部温度被认为是很好的预防溃疡复发的重要措施之一，在一项多中心双盲的临床试验通过随访18个月后发现，如果连续两天发现对侧足部温差＞2.2℃则需减少活动后寻求医生的进一步治疗，可以降低溃疡的复发率和医疗成本，且该项结果在多项研究中得到证实。神经性足部溃疡经常会导致中央坏死区域周围的皮肤温度升高，通过自我监测可以预警糖尿病足的复发，但是溃疡的复发是隐匿的，患者常常难以自我发现。红外热成像虽能预警溃疡的复发，但需要医生专业的判断，期望在后期的研究中，随着人工智能化的引进能实现仪器的自我预警，为防止溃疡的复发提供便捷的服务。

足部热图处理方法

随着信息技术的不断发展，计算机辅助诊断可以避免人对图像评估因疏忽、疲劳等出现的错误，提高诊断的准确率，计算机对图像的处理是基于自动分割、图像改进、恢复和特征提取的技术上进行的，对图像的处理方法有独立的下肢温度分析法、不对称温度分析法、温度分布分析法以及独立的热和物理应力分析，不对称的温度分析方法则是目前运用较多的一种。下肢不对称分析方法通过同时采集彩色图像和热图像，将双脚进行了有效的比较，特别是对不同尺寸和性状的脚，利用可扩展扫描方法更全面地预警糖尿病足的发生。但是在利用下肢温度分析法时，将脚从背景中分割出来是具有较大的挑战性，研究提出了足部皮肤的热成像可以作为早期发现溃疡的筛查工具，因为与人体其他部位进行对比，脚趾的温度更低，但在后来的研究中发现当足部温度与环境温度相当时则难以实现足部分割，畸形或轻微截肢会导致足部之间的不同形状和大小，通过同时采集彩色图和热图后，将彩色图像与热图进行精准匹配后，无论何种情况下,均可得到左右脚的温差。Peregrina等人利用温度分布分析法根据温度差异和分布将足底划分为四个区域，每个区域内的温度格局颜色相似的标准进行分类，通过引入定量信息来分析整个足底区域，以确定可能存在溃疡风险的区域。Netten等人则利用物理应力检测糖尿病相关足部并发症的最佳皮肤温度截止值是对侧斑点之间的2.2 ℃差异（敏感性，76%；特异性，40%），确定治疗紧迫性的最佳皮肤温度截止值是左右脚的平均温度相差1.35 ℃（敏感性为89%；特异性为78%），认为左右脚的平均温差可能是确定是否需要治疗的良好标志。

红外热成像在糖尿病足应用中的限制

红外热成像虽然是一种快速、无创和非接触式检测方法，但在应用于糖尿病足患者预警中仍有一些劣势。首先，对于热图的解读均是医生主观进行解读，很大程度取决于医生自身的水平，对于一些复杂的病情则需借助计算机进行解读，视觉的疲劳也可能导致结果的误判；其次，在热图的四种分析方法中，单独的下肢分析方法无法确定糖尿病足并发症相关的风险温度区域，糖尿病患者足底温度分布模式不规则，想要对温度分布分类还较困难；最后，如果患者双脚出现相同的并发症，非对称分析法可能无法识别风险区域，另外，物理应力分析方法需要将患者的下肢浸入冷水或热水中可能会导致患者不适或带来其他的并发症。仪器自身对环境温度、照射距离、使用者也是红外热成像在实际使用中的具体限制。

小结与展望

红外热成像在糖尿病足预警中，虽能通过下肢的温度和足部温度的恢复率判断患者是否患有糖尿病足的风险，但热图解读的主观性和仪器自身的限制仍处于不断实践和探究的初步阶段。由于糖尿病足早期症状不明显，给早期的发现和诊断带来了很大的困难，但随着研究的深入，计算机对图像处理和数据挖掘的不断进步可能有助于克服热图解读主管性这种限制，从而实现读图的智能化。足部体温的自我监测可以很好地预防糖尿病足的发生，便携式的红外热成像也为患者实现家庭检测提供了可能，目前研发的足部压力传感器、定制鞋垫虽可以通过足部压力传感器实现对足底压力的动态观察可以实现对糖尿病足微血管和微小神经病变的家庭预警，但是尚处于临床试验阶段，证据不足，有待更多的试验数据进一步证明预警作用的有效性。与国外相比，国内对于使用红外热成像预警糖尿病足的研究较少，但是可以结合中医学治未病的视角对红外热成像的热图信息进行解读，为糖尿病足的早期诊断提供新的思路。

----本文摘自《激光杂志》2023年10月第44卷第10期

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