单像素红外成像测温技术实现人体内眦温度高精度图谱化及其在发热筛查中的应用

本刊推荐：为解决传统红外热成像技术在内眦温度测量中存在的像素分配效率低、背景干扰及灵敏度不足等问题，研究人员开发了单像素红外成像测温技术（SPIRIT）。该技术采用基于循环S矩阵的透射式编码掩模，通过单次压缩采集和非迭代重建，实现了0.3°C分辨率的温度分布图谱。研究表明SPIRIT可检测日常活动及戴眼镜习惯引起的亚度级温度差异，为公共卫生评估标准（如COVID-19发热筛查）提供了重要技术支撑。

　　

在疾病诊断与健康监测领域，准确测量人体核心体温具有至关重要的意义。新冠肺炎（COVID-19）、败血症、神经损伤及高热症等疾病的发展往往伴随体温变化，而传统测量部位如手腕、额头和腋窝容易受气流、遮盖物等外部因素影响，导致测量值偏离核心体温。医学研究表明，人体内眦（inner canthi）因处于相对稳定的解剖位置且具有丰富的血管网络，能更敏感地反映核心体温变化，国际标准建议对该区域采用至少3×3像素、每个像素1×1 mm2的空间分辨率进行测量。

然而现有测温技术面临多重挑战：接触式测温装置（如热电偶、热敏电阻）可能引起临床并发症；主动照明技术（如激光测温、光声成像、拉曼光谱）存在眼部安全风险；而主流非接触红外热成像技术虽能实现被动测量，却因二维传感器需配备复杂冷却系统导致成本高昂，且仅能分配不足0.5%的像素给内眦区域，导致测量精度受背景混合干扰及像素灵敏度限制。

为突破这些技术瓶颈，加拿大国立科学研究院能源材料通信中心的Jinyang Liang团队在《Nature Communications》发表了题为"Single-pixel infrared imaging thermometry maps human inner canthi temperature"的研究论文，开发出单像素红外成像测温技术（SPIRIT）。该技术采用创新的编码策略与信号处理方案，实现了对人体内眦温度的高效精准测绘。

研究团队采用三个核心技术方法：一是基于循环S矩阵（cyclic S-matrix）设计对角线聚合的二维透射编码掩模，支持单次扫描压缩采集；二是采用碲镉汞（HgCdTe）单像素探测器结合锁相放大技术，在8-10.6 μm长波红外（LWIR）波段实现高信噪比信号采集；三是通过离散拉普拉斯插值和非迭代图像重建算法，实现实时温度映射。实验招募39名不同族裔志愿者（19名女性，20名男性）组成样本队列，采用热像仪作为金标准进行对比验证。

编码策略设计

SPIRIT的测量矩阵基于双素数（p=11, q=13）构建的143阶循环S矩阵，通过对角扫描方式生成91个编码模式。该设计使未采样信号与相邻信号的最大距离显著缩短，通过空间复用实现二维桶信号的均匀采样。编码掩模包含两个旋转45°的条纹区域，分别对应左右内眦11×6和11×7像素的测量窗口，满足国际标准对空间分辨率的要求。

系统性能量化

通过黑体辐射源实验验证，SPIRIT在0.5 mm狭缝测试中表现出各向同性的空间分辨率，温度校准曲线显示其分辨率达0.3°C。在32.0°C、35.0°C和38.0°C三个温度点对金属字母模板的成像结果与地面真实值高度一致，证实其对精细结构的温度映射能力。

人体温度筛查应用

对39名志愿者的测量显示，内眦平均温度范围为34.7-37.2°C，与热像仪测量结果吻合。其中一名志愿者（V16）被检测出发热（>37.1°C），其余38名为阴性，结果与金标准一致。研究还发现个体左右内眦存在温度差异，可能与血流不对称、生理应激状态有关。

温度变化因素分析

对28名非发热志愿者的昼夜监测发现，内眦温度呈现4小时波动周期：上午因活动增加升高0.7°C，午间因消化作用降低0.4°C，下午再次上升0.6°C。性别对比显示女性体温普遍比男性高0.1-0.2°C，戴眼镜者比不戴眼镜者低0.2-0.3°C。统计检验证实这些差异具有显著性（p<0.05）。

该研究开发的SPIRIT技术首次将单像素成像应用于人体测温领域，通过透射式编码掩模与单点探测器结合，克服了传统热成像技术的局限性。其非接触、被动测量的特性避免了眼部安全风险，15秒的测量速度与0.3°C的温度分辨率满足临床筛查需求。研究发现的眼睛微气候效应（glasses-established microclimate）为眼镜佩戴者对体温测量的影响提供了实验证据，对完善公共卫生评估标准（特别是COVID-19发热筛查）具有重要价值。

未来通过高速旋转掩模、自动校准模块和自适应变焦透镜等改进，可进一步提升系统性能。该技术不仅适用于炎症、循环障碍和乳腺癌等疾病的异常温度特征检测，在红外天文观测、大气监测和先进材料表征等领域也具有应用潜力。