《Journal of Thermal Biology》：Entropy Enhanced Infrared Thermography: A Radiation Free Paradigm for Precision Screening of Adolescent Idiopathic Scoliosis
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青少年特发性脊柱侧弯患者与健康对照组的红外热成像熵及温度值存在显著差异（P<0.05），熵分析在疾病鉴别中表现优于温度单独使用，且具有辐射安全、便携性强等优势，为早期筛查和长期监测提供新方法。
杜宁|崔松子|胡晨曦|王胜书|胡帆琦|杨小青|刘微博|郭宇吉|张学松|宋亚峰
中国北京体育大学教育部体育与体质健康重点实验室，北京100091
摘要
青少年特发性脊柱侧弯（AIS）是全球儿科健康面临的一个重要挑战。早期发现和纵向监测对于启动非手术干预措施和预防不可逆的骨骼并发症至关重要。本研究旨在评估红外热成像（IRT）熵作为青少年特发性脊柱侧弯非侵入性筛查技术的有效性。为此，我们招募了203名特发性脊柱侧弯患者和105名健康对照组，所有受试者的年龄均在8至18岁之间。分析比较了特发性脊柱侧弯组和对照组之间的背部熵值和温度值差异，并计算接收者操作特征（ROC）曲线下面积以评估分类性能。数据分析于2025年2月至7月期间进行。结果显示，特发性脊柱侧弯组与对照组在背部熵值和温度值方面存在显著差异（P < 0.05），特发性脊柱侧弯患者的熵值明显降低，而温度值显著升高（例如，在右上（UR）区域，熵值从对照组的2.63 ± 0.46比特降至左侧凸侧的1.79 ± 0.41比特，温度从36.1 ± 0.7°C升至36.5 ± 0.1°C）。组内分析显示，对照组背部左右两侧的熵值和温度值具有良好的对称性（P > 0.05）。相反，特发性脊柱侧弯组的熵值和温度值表现出显著的左右不对称性（P < 0.05）。ROC曲线分析表明，熵在区分AIS患者和对照组方面具有很好的区分能力，这表明其作为辅助筛查工具的潜力。由于该方法无辐射，有效解决了当前依赖X射线的检测方案中累积辐射暴露的局限性。
引言
青少年特发性脊柱侧弯（AIS）是最常见的脊柱疾病，表现为青少年时期的三维脊柱畸形。据报道，2.2%的男孩和4.8%的女孩患有AIS（Weinstein等人，2008年；Shi等人，2025年）。在某些患者中，脊柱弯曲可能在生长高峰期进一步加重（Cárcamo等人，2023年）。如果不进行干预，AIS可能导致严重的脊柱畸形，从而引起明显的躯干不对称和外观问题，并通过胸廓畸形导致限制性通气功能障碍，进而影响心肺功能（Weiss等人，2016年；Farrell等人，2021年）。因此，通过筛查早期发现AIS至关重要，因为它可以及时采取支具和运动疗法等干预措施来阻止或减缓脊柱弯曲的进展，从而改善长期预后（Dunn等人，2018年）。
AIS的筛查和评估需要专门的临床知识和经验，常用的评估方法包括体格检查和X射线（Brinjikji等人，2015年）。虽然这些方法可以提供一些关于AIS筛查的见解，但体格检查仍然是一个高度主观的过程，因为其结果本质上取决于检查者的临床经验和判断（Huang等人，2025年；Li等人，2025年）。因此，仍需要进一步的X射线成像来确认诊断（Del Grande等人，2012年）。此外，重复的X射线成像用于监测AIS的进展，但这可能会增加辐射暴露的风险。传统的无辐射检测技术包括莫尔纹地形术，该技术通过获取脊柱侧弯患者的轮廓图像来评估畸形的程度（Watanabe等人，2019年）。然而，这种方法的准确性仍存在争议（Labecka等人，2021年）。集成形状成像系统（ISIS）利用结构光投影在患者背部生成平行条纹，从而便于数字化捕捉和处理这些图像，以生成背部的解剖结构完整表示（Goldberg等人，2001年）。然而，将表面形态作为AIS的筛查工具需要专门的处理和评估技能。筛查过程耗时较长，且设备不易携带，这些因素共同限制了该方法的广泛应用和前瞻性验证（Patias等人，2010年）。
近年来，红外热成像（IRT）在临床应用中的使用显著增加。例如，红外技术已被用作婴儿血管瘤（Mohammed等人，2014年）、幼年特发性关节炎（Lerkvaleekul等人，2017年）和糖尿病足病（Sousa等人，2015年）等疾病的非侵入性临床评估工具。在这些研究中，通过比较感兴趣区域之间的温度分布差异来识别疾病的存在。此外，一些文献表明，热不对称可能表明姿势缺陷或特发性脊柱侧弯（Cooke等人，1980年）。与AIS患者相比，健康人群的椎旁区域两侧的红外辐射相对均匀（Kwok等人，2017年）。
关于红外热成像技术在AIS筛查和应用方面的多数当代报告集中在温度测量上（Kwok等人，2017年）。温度是一种基本的热力学属性，可以定义为分子（粒子）的平均热运动速度（H?nggi等人，2016年）。然而，温度读数仅限于单点或特定区域，因此特异性相对较低。熵是热力学中的另一个关键概念，定义为无序或混沌的度量，可以理解为一种热力学状态（Demetrius，2000年；Na等人，2024年）。近年来，熵在各种生物医学领域的IRT分析中变得越来越重要和有价值，显示出量化热模式复杂性和不均匀性的独特能力。例如，在运动科学和运动生理学中，胸部热图像的熵分析显示出与外部工作负荷和代谢氧气消耗的异常强相关性，突显了其对系统生理反应的敏感性（Hu等人，2025年）。在临床诊断中，熵已被验证为颈动脉狭窄高精度筛查的关键统计特征，并有助于区分持续性躯体形式疼痛障碍患者（Saxena等人，2019年；Zou等人，2023年）。此外，在重症监护医学中，熵被纳入预测模型的核心组成部分，用于评估重症患者的低灌注严重程度，组合模型实现了高预测准确性（Luo等人，2022年）。从热图像中提取熵具有作为AIS筛查和评估的新方法的潜力。这种方法能够捕捉温度分布的非线性特征，从而揭示热模式的复杂性和潜在的肌肉功能障碍，同时对早期代偿性变化具有更高的敏感性（Bogomilsky等人，2022年）。
本研究的目的是评估熵作为特发性脊柱侧弯筛查新生物标志物的潜力，并提出一个无辐射的纵向监测框架。这些发展的最终目标是减少在儿科脊柱健康管理中对电离辐射的依赖。如果得到验证，这种方法可以提高筛查敏感性，并在资源有限的环境中实现可扩展部署，符合全球健康优先事项，减少早期发现的差异。此外，它还有助于制定个性化治疗方案，从而推进AIS管理的精准医疗。
研究样本
研究从2023年9月持续到2025年1月招募参与者。随后，数据进行了整理和标准化预处理，最终分析在2025年2月至7月期间进行。参与者为8至18岁的特发性脊柱侧弯患者（Cobb角≥10°）。为了涵盖特发性脊柱侧弯的相关年龄范围，队列包括幼年特发性脊柱侧弯（JIS，发病<10岁）和青少年特发性脊柱侧弯患者
基线特征分析
本研究共有308名参与者，包括203名特发性脊柱侧弯患者和105名健康对照组。在特发性脊柱侧弯患者中，102名患者表现为左侧凹形弯曲，101名患者表现为左侧凸形弯曲（见图1中的参与者招募流程图）。
讨论
本研究的主要发现是，红外热成像熵是一种敏感且非侵入性的特发性脊柱侧弯鉴别方法。它揭示了患者与健康对照组之间的显著背侧热力学差异，其鉴别性能优于单独使用温度。
然而，其临床应用的一个关键障碍是该领域缺乏标准化。热成像可以客观地测量温度
结论
本研究确立了熵作为检测特发性脊柱侧弯的新颖且更优的生物标志物，优于传统的温度指标。将熵与温度数据结合在多模态框架中进一步提高了筛查准确性。作为一种无辐射技术，它提供了替代连续X射线摄影的实用方案，并允许安全地纵向监测脊柱弯曲的进展，这对儿科患者尤其有利。其便携性也
CRediT作者贡献声明
崔松子：数据整理。胡晨曦：正式分析。杜宁：撰写——初稿。杨小青：数据整理。刘微博：监督。王胜书：监督。胡帆琦：数据整理。宋亚峰：撰写——审阅与编辑，项目管理。郭宇吉：撰写——审阅与编辑。张学松：撰写——审阅与编辑，项目管理
未引用参考文献
Labecka和Plandowska，2021年；Roggio等人，2023a；Roggio等人，2023b。
数据可访问性声明
支持本研究结果的数据目前不向公众公开，因为其中包含参与者的私人信息。但是，所有支持本研究结果的数据可应相应作者的要求提供。
资助/支持
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号H0911-82071413）的支持。
