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적외선 체열진단기

적외선 체열진단기란?

인체에서 방출되는 극미량의 적외선을 감지하여 인체의 통증 부위나 질병 부위의 미세한 체열 변화를 컬러영상으로 보여 주며, 특히 CT나 MRI 등에서도 알 수 없는 신경병증, 근육통증, 순환장애, 염증성 질환 등을 진단 할 수 있는 장비입니다. 또한 비침습적이고 인체에 무해 하므로 임산부,
유아에게 사용해도 됩니다.

적외선 체열 영상 진단의 역사

인체의 피부에는 많은 혈관과 신경이 밀집되어 있어 말단 부위 체온 조절에 중요한 역할을 하며, 체표면에서부터 깊이 수 밀리미터 이내의 혈류
조절은 주로 자율 신경계(autonomic nervous system)에 의해서 조절이 되는데, 인체 표면의 국소적이거나 비대칭적인 온도변화는 예로부터
많은 학자들의 관심의 대상이 되었다.

즉, 인간의 체표 온도와 질병 사이의 관계에 대해서는 오래 전부터 연구가 이루어져 있었고, 체표 온도의 측정은 고대부터 의사들의 많은 관심하에 시행되어 왔다. 이는 기원전 7세기의 파피루스에 화농의 상처가 주위보다 체표온이 높다는 기록으로도 알 수 있다.

고대 이집트에서는 열병을 간단히 피부에 손을 대어보는 것으로 알아낼 수 있었다는 기록도 있으며, 의사의 아버지라고 불리우는 BC 400년 그리스의 히포크라테스는 진흙을 피부에 부착하고, 각 부위별로 진흙이 마르는 속도에 따라 병의 존재를 진단하였다고 전해진다.

이것이 체열 진단 기법의 시초라고 할 수 있다. 그 이후로 부터 체표 온도 측정을 객관화하고 정밀도를 높일 수 있으며, 인체의 온도 차이를 정량적으로 측정할 수 있는 기기의 필요성으로 1592년 갈릴레오(Galileo)가 최초로 Thermoscope를 발명한 것을 시작으로 Jean Rey(1630), Roemer(1702), Fahrenheit(1714), Celsius(1742) 등이 각기 온도 측정계의 발명을 하였으며, 임상 진단에 사용될 수 있는 현대적인 의학용 
온도계(Clinical Thermometer)는 1871년 Wun-derlich에 의해 논의되었으나, 처음에는 주목을 끌지 못하였다.

Galileo가 만든 체온계는 일종의 기체 체온계로 17세기 초까지 쓰여져 왔으나, 오늘날 널리 사용되고 있는 공인된 알코올 체온계는 1654년에 Ferdinand II세와 Grand Duke of Tuscany에 의하여 개발되었다. 이 체온계는 이후에도 계속개선되어 17세기 후반에는 상당히 민감한 정도까지 측정할 수 있게 되었다.

한편 1800년에 영국의 학자 William Herschel은 적외선(Infrared Ray)의 존재를 처음 확인하여 이를 Dark Heat라고 명명하였으며, 40여년이 지난 후 사진 기사였던 그의 아들 John G. Herschel이 적외선을 영상처리하는 방법을 연구하여 처음으로 적외선 영상 촬영과 인화에 성공
하였으며, 이것을 Thermo- graph라고 이름 지었다. 이 이후 적외선 체열 검사는 1871년 Carl Wunderlich에 의해 임상에서 처음 적용되었다.

그는 Leipzig의 환자들을 대상으로 겨드랑이에서 10,000회 정도 체온을 측정하여 On the Tem- perature in Disease: A Manual of Medical Thermometry”라는 제목의 논문을 발표하였다. 이로서 인체의 상태에 대한 첫 번째 척도로서의 체온 측정이 가능한 것으로 알려지면서 체온
측정으로서 임상적인 질병 상태에 대한 연구가 시작되었다고 볼 수 있다. 이러한 국소에서의 체표온 측정은 1825년 Seebeck에 의해 개발된
열전쌍을 이용하여 19세기 전반에 여러 의학자와 생리학자에 의해 활발히 이루어 졌으나, 그 당시까지는 자료 해석에 어려움이 있었다.

적외선 체열 검사의 임상 응용

1934년 미국의 생리학자 J.D. Hardy는 인체의 열방사율(emissivity)이 1에 가까운 흑체로 볼 수 있음을 밝혀 비접촉 체온 측정이 가능하게
되었고, 2차 세계대전 중 체열 측정 장비가 개발되어 피부와 인체의 열 균형에 대한 생리학적 연구가 가능하게 되었다. 이러한 적외선에 관련된
응용 기술(Infrared Applied Technology)은 2차 세계대전 중 금지되었다가 1948년 Leo Massopurt는 최초로 임상적인 적외선 체열 측정을
시행하였다.

이 시기에는 신체 접속 방식으로 적외선 체열 촬영이 이루어 졌다. 이 후 1956년 Lawson이 1929년 Czerny에 의해 개발된 evaporograph를
이용하여 유방암 조직의 체온상승증(hyper- thermia)을 관찰하였다. 또한 1957년에 Lawson은 유방암이 있는 유방에서 정상 부위보다 체온이 상승하는 것을 적외선 체열 영상으로 확인하여 보고하였다.

이러한 적외선 체열 영상을 이용한 검사 방법은 임상적으로 방사선 조사의 위험이 없는 안전한 검사 방법으로 조기에 질병의 변화를 확인할 수 있는 획기적인 방법으로 인식되기 시작하여 mammography 등같은 방사선을 이용한 검사 방법을 대체할 수 있을 거라는 기대가 높아지기 시작했다.

이러한 초기의 피부 온도 측정 방법은 서로 다른 금속을 사용한 thermocoupling이나 Oil 등을 이용한 evaporograph가 사용되었으며, 좀 더
비용이 덜 들면서 예민한 검사 방법을 찾는 노력 끝에 콜레스테롤 액정(cholesterol liquid crystal)을 발견하여 체열 검사에 이용하게 되었다.

이러한 콜레스테롤 액정은 분자 배열이 온도의 변화에 따라 색상의 변화를 초래하게 되어 신체 피부의 온도 변화를 가시적인 색상으로
나타내었으며, 초기에는 이를 액체 형태로 직접 피부 표면에 분사하거나, 도포를 하여 체열의 변화를 관찰하였으나, 직접 환자의 피부에
접촉시켜 촬영하게 되므로 환자에게 불편감을 주는 단점이 있었다. 이를 보완하여 단단한 액정판(liquid crystal plate)을 사용하게 되었으나,
이 방법 역시 실제 이용에서 많은 불편이 있어 액정을 얇은 천에 넣어 피부에 접촉시킴 으로서 진단에 사용하였다.

이 시기 이후 주로 유방암의 체열상에 대한 많은 연구가 진행되었으나, 위와 같은 기술적 한계로 인해서 긍정적인 인식을 널리 얻지 못하였다.
1970년대 이후 주로 신경근육질환 등의 체열상에 대한 연구가 이루어졌다. 즉, 1973년 Duensing은 신경 근육 질환(Neuromuscular Disease)의 진단에 적외선 체열 촬영을 처음 사용하였으며, 1982년 Pochaczevsky와 Wexler는 접촉식 액정 체열 촬영 장치(Liquid Crystal Contact Thermograph, LCT)를 사용하여 요추 간판 탈출증(Lumbosacral Disc Herniation)을 포함한 신경근 병변의 진단에 적외선 체열 영상 진단
검사가 매우 유용함을 보고하였다.

또한 1985년 Mills는 요추강 협착증(spinal stenosis)환자에 있어서 하지(low extremities)를 각 부분별로 구획을 정하여 체열 분포의 정량적인 분석을 시행하였다. 1982년에는 적외선 체열 진단법 및 체열 장비 사용이 유방암의 조기 발견 검사의 보조 진단기구로서 미국 FDA의 공인을
받게 된다.

그러나 접촉식 액정 체열 촬영 검사(Liquid Crystal Contact Thermography)는 온도의 변화에 대한 색상의 변화가 일정하지 않고,
인접 색상으로의 변화가 갑자기 일어나 자연스럽지 못하며, 정량적인 측정 보다는 질적인 측정으로 판독에 객관성이 결여되어 있었고,
신체의 굴곡 부위 촬영 및 넓은 범위의 체열 촬영 시 어려움이 있었다. 또한 1980년대와 1990년도 초기에는 임상적 유의성이 있는 0.02℃
이하의 체표온 분별 능력을 표현하기가 기술적으로 어려웠고, 고가였기 때문에 임상적 유의성이 없는 경우에서 검사의 남용, 그리고 측정의
표준화와 유의 사항을 준수하지 않은 검사 행위로 인하여 체열상 진단 자체가 왜곡되거나 부정적인 인식이 발생하였고, 더욱이 여러 의학 협회와
학회 등에 대한 많은 보험회사의 로비활동으로 인하여 정식으로 인정되는 검사로서의 평가를 받지 못하게 되어 그 사용이 급격히 줄어들게 되었다.

그러나 1990년 중반 이후에 냉전의 종식과 군사용으로만 사용할 수 있던 최신의 적외선 전자 기술이 민간산업용으로 기술 이전이 되기 시작
하였으며, 컴퓨터 및 전자공학기술(Electronic Technology)의 급속한 발달로 컴퓨터 적외선 체열 영상 진단 시스템(Computerized Electronic Medical Infrared Thermographic Imaging System)이 개발되어 신체에 접촉하지 않고 편안한 자세로 촬영할 수 있게 되었으며, 인체의 모든 질환 부위의 미세한 체열 변화도 정량적으로 정확히 측정할 수 있게 되었다.

즉, 과거에 비해 저가이면서 고성능의 카메라가 일반에게도 사용이 가능해 지면서 의료용으로서의 체열상 진단의 가치가 인정받기 시작하였고,
특히 임상에서의 그 효과와 유용성이 최근까지의 주요 논문이나 문헌에 등재되고 있다. 또한 기존의 영상 기법 외에 새로운 기법이 추가되는 것과 더불어 통증이나 다양한 종양, 신경질환 등에서 병태생리학적 연구 결과 등이 새롭게 밝혀지면서 여러 종류의 적외선 체열 기법 및 장비가 개발되고 있어 이에 대한 사용이 증가하고 있으며, 적외선 체열진단학에 대한 긍정적인 평가가 이루어 지고 있는 추세이다.

체열 진단기의 원리

적외선 체열 검사법은 광학계를 이용하여 피사체 표면에서 방사되는 적외선을 검출하고, 검출된 적외선 신호로부터 체표 온도 분포를 산출하여
영상으로 구성한 뒤 이를 의학 진단에 활용하는 장치를 말한다. 모든 물체는 절대온도(- 200℃) 에서는 자연스럽게 적외선이 방출된다. 절대 온도 조건을 즉, 전자 냉각 방식의 적외선 감지 카메라는 인체에서 나오는 적외선 범위인 8~12 µm 을 감지하여 적외선 에너지가 많이 방출된 부분,
즉 혈류가 많이 분포한 부분은 고온으로 처리되고 적외선 에너지가 적게 나오는 부분은 저온으로 처리 되어서 아나로그 신호를 digital로 변환하여 컴퓨터가 컬러 영상으로 도시화하여 보여준다.

1) 근적외선
– 근적외선은 파장이 약 0.7 – 2.5 μm의 전자파 빨간색 가시 광선에 가까운 파장을 가집니다. 성질도 가시 광선에 가까운 특성을 가지고 있어
‘보이지 않는 빛’으로 적외선 카메라와 적외선 통신, 가전 제품의 리모컨 등에 응용되고 있습니다.

2) 중적외선
– 중적외선은 파장이 약 2.5 – 4 μm 의 전자파로 적외선의 일부로 분류 되기도 합니다. 적외선 분광 분야에서 단순히 적외선이라고 하면 이 영역을 가리키는 경우가 많습니다.

3) 원적외선
– 원적외선은 파장이 약 4 – 1000 μm 의 전자파 전파에 가까운 성질을 가집니다. 적외선은 물체에서 반드시 방사되고 있어 이 현상을 흑체복사라고 부릅니다. 높은 온도의 물체 일수록 적외선을 강하게 방사하고, 방사 피크 파장은 온도에 반비례합니다.

체온과 피부 관계

피부는 인간의 열적 생태학에서 중요한 역할을 한다. 피부는 인체와 주변 환경 사이에 열적 경계 역할을 한다. 따라서 피부의 온도는 인체의 내부와 외부의 요인에 의해 영향을 받게 된다. 인체는 인체 내부의 온도를 일정하게 유지하려는 항상성을 가지고 있으며, 외부와의 경계인 피부의 온도
역시 일정하게 유지하고자 한다. 따라서 외부의 요인에 의해 피부의 어느 한 부분의 온도가 국소적으로 변하였을 경우 그 주위의 혈액의 흐름을
변화시켜 온도를 유지하게 된다. 피부의 온도는 혈액 공급과 피하 조직의 열전도성에 의존한다. 따라서 종양 등 국소적인 신진 대사의 증가가
일어나는 곳에서는 피부의 온도가 올라가게 된다.

피부 온도 측정에 있어 외부 환경의 영향은 중요한 변인으로 등장한다. 약물이나 화장품은 장벽 역할을 하여 측정이 불가능하게 하며, 의복이나
습도, 온도, 피측정자 주변의 공기의 흐름까지도 영향을 준다. 열 출입은 피부를 통해 이루어지지만, 25% 정도는 전도에 의해, 25% 정도는 증발에 의해 이루어지고 45% 정도만이 복사에 의해 외부로 빠져나가게 된다. 또한 복사는 표면에서 이뤄지기 때문에 피측정자의 자세에 따라 큰 차이를 보이게 되고, 인체 각 부위에 대해서도 그 해부학적 구조에 따라 각기 달라지게 된다. 운동에 의해 체온이 올라가게 되므로 어느 정도 안정을 취해야 하고, 음식과 음료 역시 영향을 준다.

음주와 흡연 등 혈액 순환에 영향을 주는 요인 역시 통제되어야 한다. 이러한 조건 아래 인체의 열적 균형이 맞게 되고, 항상성 유지를 위한 활동을 정지하게 된다. 이 조건이 되기 위해서는 30℃ 정도의 기온, 30% 이하의 습도가 되어야 하고, 공기의 흐름도 0.5㎧ 이하가 되어야 한다. 그러나
피측정자가 편안함을 느끼는 상태에서 측정을 해야 하기 때문에 실제로 낮은 온도에서 측정이 이루어진다. 17℃ 이하의 온도에서는 혈관 수축이
일어나게 되고, 25℃ 이상에서는 발한으로 인한 증발이 일어나기 때문에 두 온도 사이의 온도에서 측정하여야 한다.

체열 진단기의 진단 기준

우리 인체의 체온 조절은 시상하부에 있는 체온 조절 중추가 주관하여 항상성을 유지하며 정상 성인을 기준으로 체표온이 좌우로 대칭으로 이루어져 있다. 그러므로 진단에 가장 기본이 되는 것은 양측의 체열의 분포가 좌우 비대칭 양상(asymmetrical thermographic Pattern) 일때 비정상으로 간주하며 진단의 기준이 된다. (미국 의학 협회- AMA 에서도 이 기준으로 판단함) 정상인의 좌우의 온도차이(Temperature difference ᇫT)는 평균 0.3도시 이내로 되어 있으며 심각한 비대칭적 양상을 보일 때 병적으로 간주한다.

생리적 이상의 좌우 온도 차이 ᇫ 0.3 도시 이내
구조적 이상일 경우 온도 차이 ᇫ 0.5 도시 이상 (연구자들마다 – 부위별 차이 차이점 있음) 

주로 신경 통증 증후군으로 인한 특징적인 체열 이상 패턴으로 나타난 병태 생리학적 상태를 판단하는데 도움이 된다.
(양측성 질환시는 정상인의 상,하 온도 차이로 나타난 체열 분포로 관찰이 가능하다.)

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체열 진단기의 실제 온도와 상대 온도의 개념

적외선 카메라로 촬영한 모든 열화상 영상은 주변 환경온도 변화에 따라 측정하는 온도가 달라지는 특성을 가지고 있다. 체열진단기는 인체의 좌우 온도 편차를 이용하여 질병의 진단에 도움을 주는 장비이며, 체열진단기에서 일반적으로 사용하는 적외선 카메라는 주변 환경온도가 변하면 측정 온도가 달라지는 상대온도 측정 방식을 사용하고 있다.

상대온도 측정방식은 같은 30도의 대상을 촬영하더라도 주변 환경에 따라 측정온도가 다르게 나타난다. 반대로 실제온도 측정방식은 측정 대상의 온도가 같을 경우 주변 환경온도가 변하더라도 정확한 대상의 온도를 측정할 수 있다.

메디코아는 이러한 상대 온도를 실제 온도 보정 알고리즘과 카메라 제조 기술을 바탕으로 실제온도 측정방식으로 촬영 데이터를 제공하고 있다.
또한 인공지능, 빅데이터, 체열 표준화 등에 활용할 수 있도록 지속적으로 연구 개발 중이다. 실제 온도는 인공지능, 빅데이터, 체열 표준화에
중요한 데이터이다.

1) 절대 온도와 상대 온도
절대 온도는 물질의 특성과는 상관 없이 정의되는 온도로서. 기호는 K.(캘빈) 섭씨 영하 273.15도를 0도로 하여 보통의 섭씨와 같은 눈으로 잰
온도이며, 절대 온도의 0K(절대 영도)는 물리적으로 생각되는 가장 낮은 온도이다. 통상 사용 편의상 섭씨로 환산해서 {C = K – 273.15} 사용한다.

예를 들어 정확한 체온계로 체온을 재서 36.5도C가 나왔다면 이는 절대온도 36.5도C 또는 309.65K 라고 한다. 이에 대해 상대 온도는 어떤 부위의 온도에 대해 다른 부위의 온도 차이를 말한다. (Differential Temperature) 예를 들면 정상적인 신체의 좌. 우측의 온도차이가 0.3도C 이내이다. 라고 할 때 0.3도C는 상대온도라고 한다.

여기서 절대적인 체표 온도에 관계없이 온도 차이에 해당하는 컬러가 나타나던 기존의 상대 온도에 의한 체열 영상과 절대온도에 의한 체열 영상의 차이는 절대적인 체표 온도에 해당하는 특정한 컬러가 고정되며 진단 당시의 체표 온도 분포가 절대 온도로 나타내어 진다.

2) 절대온도 絶對溫度 (absolute temperature)
열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도. 켈빈 온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 2개의 열원 간에 있는 어떤 종류의 작업 물질을 사용하여
가역(可逆)사이클을 실현시켰을 때의 열효율은 작업 물질의 종류와 관계없이 고저(高低) 두 열원의 온도 T1, T2로 결정된다는 것이 열역학
제 2법칙에 의해 증명된다. 따라서 높은 쪽의 온도 T1을 기준으로 하면 다른 온도 T2는 이 사이클의 열효율에 의해 정해지며, T1에서 작업 물질로 바뀐 열량을 Q1, T2에 부여한 열량을 Q2라 하면 T2=T1(Q2/Q1)이라는 관계가 성립된다.

이 관계에 의해 정의되는 온도가 절대 온도로, 켈빈 (W.톰슨)이 1848년 도입하였다. 국제도량형위원회에서는 모든 온도 측정의 기준으로
절대 온도를 채택하고 있다. 섭씨·화씨·열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계없는 것이 그 특징이다.

온도 눈금의 간격을 정하는 데는 옛날에는 물의 녹는점과 끓는점을 기준으로 해서 앞서 서술한 방법에 따라 100등분한 것을 1도의 온도 차로 하는 2정점법(二定點法)이 채택되고 있었으나, 1954년 국제도량형총회에서 물의 삼중점(기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정하고,
이를 기준으로 열역학적 온도의 수치를 정하는 1정점법이 채택되었다. 이에 따라 측정된 물의 녹는점은 273.15K, 끓는점은 373.15K이다.
또 절대 영도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저온도로서 분자의 열 운동은 이 온도에서 완전히 정지된다.

이론상 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 유도할 수 있다. 또 원자·분자 등의 열 운동평균에너지는 1자유도당 kT/2(k는 볼츠만 상수)이다. 한편 열역학적 절대온도 표시 대신 그와 가까운 온도의 수치를 구하는 방법으로서 온도의 6정점과 각 정점 간 온도측정을 내용으로 하는
국제실용온도표시법이 규정되어 있다.