Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской
ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ БИООБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ Инфракрасного ТЕПЛОВИЗОРА
Электронное учебное издание
Методические указания для выполнения лабораторных работ
по курсам «Биофизические основы живых систем» и
«Основы взаимодействия физических полей с биообъектами»
Под редакцией И.Н. Спиридонова
Москва
(С) 2014 МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА
УДК 535-15
Рецензент: Старшинов Б.C., к. ф.-м. н., доцент
Жорина Л.В.
Ж81 Исследование тепловых полей биообъектов с помощью инфракрасного тепловизора: метод. Указания к выполнению лабораторной работы по курсам «Биофизические основы живых систем» и «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами» / Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской; под ред. И.Н. Спиридонова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 24 с.: ил.
В методических указаниях кратко рассмотрены сведения по теории теплового излучения биологических объектов. Описаны области клинического применения тепловидения при диагностике ряда заболеваний. Дано описание принципов работы инфракрасных (ИК) тепловизоров. Описаны лабораторные эксперименты для ознакомления с принципами ИК тепловидения. Приведен ориентировочный список литературы для более детального ознакомления с методами ИК-тепловидения.
Для студентов старших курсов биомедицинских специальностей.
Рекомендовано учебно-методической комиссией факультета
«Биомедицинской техники» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Электронное учебное издание
Жорина Лариса Валерьевна
Змиевской Григорий Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ БИООБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ Инфракрасного ТЕПЛОВИЗОРА
© 2014 МГТУ имени Н.Э. Баумана
Содержание
Введение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4
Теоретическая часть - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4
Применение ИК тепловидения в медицине - - - - - - - - - - - - - 9
Принцип работы тепловизора- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14
Порядок проведения измерений - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --20
Процесс выполнения работы- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20
Контрольные вопросы и задачи- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 21
Литература - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22
Цель работы: изучение основных характеристик теплового поля организма человека и его дистанционное измерение с помощью ИК тепловизора.
Введение
Как известно, даже при значительных изменениях температуры окружающей среды температура тела человека поддерживается в относительно узких пределах (37±1°С). Тем самым человеческий организм представляет собой генератор теплового излучения со стабилизированными параметрами. Излучаемая им энергия зависит от жизненной активности человека, поскольку при этом меняется как средняя температура тела, так и распределение температуры по поверхности. Главную роль в температурном режиме организма играет кровообращение. Средняя скорость кровотока является главным фактором, оказывающим влияние на теплопередачу внутри тела: чем выше скорость кровотока и теплопередачи, тем выше скорость переноса тепла, высвобождаемого за счет метаболизма. Распределение температуры по поверхности тела зависит от возраста, пола, степени ожирения, а также от характера обмена веществ и топографии органов пациента. Тем самым, хотя средняя температура мало меняется от индивидуума к индивидууму, распределение температуры по поверхности представляет собой «инфракрасный портрет», хранящий характерные особенности конкретного организма. Регистрация и расшифровка картины инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью тела пациента, заложены в основу тепловизионной диагностики.
Теоретическая часть
Основная часть энергии, излучаемая телом человека, сосредоточена в инфракрасном (ИК) диапазоне. К этому диапазону относятся длины волн от 0,76 до 1000 мкм. В свою очередь, ИК диапазон подразделяют на три поддиапазона: ближний ИК (0,76-1,5 мкм), средний ИК (1,5-50 мкм) и дальний ИК (более 50 мкм). Указанные границы поддиапазонов связаны с характерными кривыми поглощения биотканей: 0,76 мкм – граница видимого спектра, 1,5 мкм - верхняя граница полосы прозрачности воды, тогда как 50 мкм - граница прозрачности всех оптических сред.
Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия с этим излучением. Тепловое излучение присуще всем нагретым телам, имеющим температуру, отличную от абсолютного нуля. В зависимости от температуры излучаемая энергия характеризуется распределением по частотам или длинам волн. Человеческий организм представляет собой пример тела, излучающего в полном соответствии с классическими законами теплового излучения и в то же время не требующего специальных источников тепла для поддержания термодинамического равновесия.
Рассмотрим некоторые свойства теплового излучения.
Всякое тело характеризуется испускательной rλ и поглощательной a l способностями. Испускательной способностью r l называется спектральная плотность потока лучистой энергии, излучаемого единичной площадкой поверхности тела. Испускательная способность является функцией температуры и длины волны: r l = f (l, Т). Поглощательная способность a l ¾ это часть потока лучистой энергии, падающего на единичную площадку, которая поглощается телом в единичном спектральном интервале. Тело, способное поглощать в любом интервале длин волн все падающее на него излучение, называется абсолютно черным (a l = 1). Законы, описывающие излучение абсолютно черного тела (АЧТ), выглядят наиболее просто.
Спектральное распределение излучения АЧТ описывается законом Планка:
. (1)
Здесь l- длина волны [мкм], h - постоянная Планка (h = 6,6256´10-34Вт•с2), Т - абсолютная температура излучающей поверхности [К], с - скорость света в вакууме (с = 2,998´108 м •с-1), k - постоянная Больцмана (k = 1,3805´10-23Вт•с•К-1).
Величина r l, согласно (1), имеет размерность Вт•м-2 •мкм-1. Вид зависимости r l от длины волны при различных температурах (от 500 до 900 К) показан на рис. 1.
r λ , Вт см-2 мкм-1
 |
0,8
900 К
0,7
0,6
0,5
|
0,4
0,3
0,2 700 К
600 К
|
0 2 4 6 8 10 λ, мкм
Рис. 1. Смещение максимума распределения испускательной способности r l в сторону коротких волн соответствии с законом Вина
Из формулы (1) также следует, что интегральная светимость, пропорциональная площади, ограниченной кривой r l и осью абсцисс, быстро возрастает с ростом температуры. Для получения закона этого роста необходимо проинтегрировать формулу Планка по частотам. В результате получим закон Стефана-Больцмана:
λ 
4, (2)
где s - постоянная Стефана-Больцмана (s= 5,6697´10-12 Bт•см-2 •K-4). Согласно формуле (2), интегральная светимость АЧТ растет пропорционально четвертой степени температуры. Зная эффективную площадь тела S, можно определить величину общего потока излучения от АЧТ:
. (3)
Пользуясь законом Стефана¾Больцмана, можно «отфильтровать» тепловое излучение по относительному изменению мощности при небольшом изменении температуры:
,
т.е. малое относительное изменение температуры дает четырехкратное относительное изменение мощности.
Дифференцируя формулу Планка, можно получить закон смещения Вина:
, (4)
где l max - длина волны, соответствующая максимуму распределения r l по частотам или длинам волн, b - постоянная Вина (b = 2886 мкм•К). Закон смещения Вина гласит, что максимум распределения r l смещается с ростом Т в сторону коротких волн (см. рис. 1, пунктирная линия). Принимая среднюю температуру тела человека Т ср» 306 К, получим l max = 9,47 мкм, что является убедительным доказательством того, что тепловое излучение организма сосредоточено в ИК диапазоне.
Для реальных тел испускательная способность r l всегда меньше, чем r l для АЧТ при той же температуре. Соответственно интегральная светимость для реальных тел меньше, чем для АЧТ. Назовем спектральным коэффициентом излучения для данного тела отношение:
. (5)
Переходя от спектральных к интегральным величинам, введем интегральный коэффициент излучения тела:
. (6)
Соотношение (5) является одной из форм закона Кирхгофа. Очевидно, для АЧТ e= 1. Если в рассматриваемом интервале длин волн можно пренебречь спектральной зависимостью el, то данное тело называют серым (e» const < 1). Большинство тел при температурах порядка 300…330 К можно считать серыми (см. таблицу 1).
Таблица 1
Коэффициенты излучения для некоторых серых тел
при комнатной температуре
| Материал поверхности излучающего тела | Коэффициент излучения |
| Алюминий | 0,05 |
| Вода | 0,96 |
| Стекло | 0,92 |
| Лед | 0,97 |
| Тело человека: | |
| Поверхность кожи | 0,9 |
| Ротовая полость | 0,98 |
Из таблицы 1 можно заключить, что человеческое тело вполне можно считать абсолютно черным независимо от цвета кожи. В этом случае, поток излучения от биологического объекта можно рассчитать по следующей формуле:
, (7)
где T БО - температура биологического объекта [K], T О - температура окружающей среды [K].
Закон Кирхгофа в форме (5) нашел довольно широкое применение. В самом деле, из соотношения (5) следует, что при заданной температуре коэффициент излучения тела равен его интегральной поглощательной способности. В то же время для непрозрачных тел можно считать, что сумма интегрального поглощения e и отражения r равна единице. Измерить коэффициент отражения зачастую легче, чем коэффициент излучения, поэтому e вычисляют по измеренной величине r.
Применение ИК тепловидения в медицине
В человеческом организме постоянно происходят экзотермические биопроцессы в клетках и тканях, связанные с синтезом ДНК и РНК. В результате этих процессов высвобождается большое количество тепла: 200-400 Дж•г-1. Поскольку по своим излучательным характеристикам поверхность кожи человека можно считать весьма близкой к черному телу, регистрация ИК излучения является вполне разрешимой задачей и имеет огромное значение с диагностической точки зрения. Для тепловизионного наблюдения используется специальный прибор, который называется ИК тепловизором. ИК тепловизор осуществляет построение изображения посредством сканирования поля зрения приемника ИК излучения с последующим преобразованием принятого оптического излучения в телевизионное изображение.
Важным направлением тепловидения является термография – регистрация ИК излучения различных участков поверхности тела человека, пропорционального его температуре; получениятермограммы, изображения вИКдиапазоне, показывающего картину распределения температурных полей. Для термографии используют специальные приборы – термографы.
Основной элемент тепловизора и термографа - высокочувствительный приемник ИК излучения, установленный в плоскости изображения оптической системы.
Температура кожи имеет вполне определенную топографию. При этом у здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение симметрии служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. Наиболее развиты тепловизионные методы диагностики в онкологии и ангиологии.
Наиболее важные исследования с помощью ИК тепловидения проводятся по следующим направлениям:
1) выявление очагов воспалительных процессов;
2) выявление нарушений сосудистой системы:
§ диагностика тромбозов;
§ локализация варикозного расширения вен;
§ выявление синдромов сосудистых расстройств;
§ выявление артериальных заболеваний;
3) изучение механизмов обмена веществ;
4) определение болевых зон и травм;
5) диагностика онкологических заболеваний.
Воспалительные процессы (D Т» 2°С). Как правило, тепловидение позволяет диагностировать острые воспалительные процессы, поскольку слабовыраженный воспалительный процесс не всегда вызывает заметное изменение температуры на поверхности кожи. Весьма перспективным представляется применение тепловидения в гастроэнтерологии, особенно при диагностике острых воспалительных процессов в брюшной полости. В этом случае тепловизионные методы диагностируют заболевание достаточно эффективно (более 70%). Интересен опыт использования тепловидения в артрологии, где информативны как гипертермия, так и гипотермия соответствующих костей и суставов. В урологии, как и в гастроэнтерологии, тепловидение успешно применяется для распознавания острых воспалений. Специальный интерес представляет тепловизионная локализация конкрементов, обуславливающих возникновение острых воспалительных состояний. Тепловидение также позволяет контролировать состояние трансплантированных органов (в частности, почек). Так, например, тепловизионное обследование наряду с эхографией и реографией позволяет определить начало процесса отторжения пересаженного органа и своевременно начать проведение иммунодепрессантной терапии.
Нарушения сосудистой системы (D Т» 1…2°С). Тромбоз глубоких вен сопровождается повышением температуры конечности, что делает возможным применение ИК тепловидения для диагностики данного заболевания. Тепловая активность, по-видимому, обусловлена локальным высвобождением вазоактивных веществ, связанных с формированием венозных тромбозов, что и приводит к повышению температуры остаточного кровотока. Ранний этап тромбоза икроножной вены приводит к диффузному повышению температуры примерно на 2°C. Заболевания периферических артерий могут вызывать ишемию и вести к неотложной ампутации пораженной конечности. Для определения оптимального объема ампутации необходимо определить жизнеспособность тканей, которая зависит от кровоснабжения кожи, а также градиентов перфузионного и артериального давления. Измерения температуры кожи позволяют выявлять по гипотермическим распределениям области артериального стеноза. Благодаря неинвазивному характеру методов ИК визуализации их можно применять даже на пациентах, испытывающих сильную боль.
Механизмы обмена веществ (D Т» 0,5…3°С). Температура кожи зависит от того, на каком расстоянии находятся сама кожа и приповерхностные ткани от внутренних органов тела, а также от подкожных источников воспроизводства тепла, от кровоснабжения и тепловых свойств самих тканей. Подкожный жир, а также работа мускулатуры изменяют распределение температуры кожи. Например, доказано, что у новорожденных задняя часть шеи и межлопаточная область состоит из богатой жиром ткани коричневого цвета, которая играет важную роль в теплоснабжении организма. ИК тепловидение использовалось для получения тепловых изображений сразу же после появления младенца на свет.
Болевые зоны и травмы (D Т» 1,5…3°С). Локализация температурных аномалий, вызванных ущемлением корешков мозга, ухудшением симпатической функции при повреждении периферийного нерва и хроническим болевым синдромом, в большей степени связана с тем, что у здоровых людей распределения температуры являются симметричными. С помощью ИК тепловидения можно идентифицировать асимметричные тепловые распределения в дерматомах и миотомах. Температурные изменения, возможно, обусловлены рефлекторным симпатическим сужением сосудов внутри пораженной конечности, с нарушением обмена веществ, а также мышечным спазмом в соответствующих параспинальных миотомах.
ИК тепловидение можно применять для выявлений повреждений тканей вследствие ожогов и обморожений. Область ожога обычно в среднем на несколько (1…3°C) градусов холоднее окружающих неповрежденных кожных покровов. При постоянном сдавливании тканей (когда возникают, например, пролежни или нарушения, вызванные плохой подгонкой протезов) тепловидение можно использовать для наблюдения за раздражениями тканей до того, как возникнут серьезные осложнения.
Злокачественные опухоли (D Т» 1,5…4°С). Визуализация тепловых полей используется в качестве вспомогательного метода при диагностике злокачественных опухолей с целью получения прогноза заболевания, а также для определения эффективности лечения. Злокачественные опухоли характеризуются повышенным обменом веществ и измененной сосудистой системой. Поэтому злокачественные опухоли имеют, как правило, более высокую температуру, чем доброкачественные. ИК тепловидение применяется для определения размеров областей кожных заболеваний, а также для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных пигментных образований. Оно позволяет отобрать женщин, которым необходимо дальнейшее обследование методом маммографии. Опухоли молочной железы с большими температурными отклонениями (более чем на 2,5°С) имеют неблагоприятный прогноз. Лечение злокачественных опухолей с помощью радио-, химио- или гормональной терапии может проводиться под термографическим контролем. Если последовательные измерения свидетельствуют о снижении температуры на 1°С или больше, то это обычно связывается с регрессией опухоли.
Принципиальными преимуществами тепловидения перед другими методами диагностики являются его совершенная безвредность и полное отсутствие противопоказаний, а также бесконтактность, быстрота обследования, наглядность и возможность повторяемости при высокой воспроизводимости.
В целом тепловидение уже прочно заняло свое место в медицине среди других диагностических методов. В настоящее время активно разрабатываются комбинированные диагностические методики, связанные с сочетанием тепловидения, ультразвуковой биолокации и радиоизотопного исследования. Идея комбинированной методики возникла в СССР еще в начале 60-х годов и нашла мощный отклик во всем мире. Дело в том, что комбинированная диагностика не является простым усложнением аппаратуры с арифметическим сложением возможностей используемых методов. При этом существенно углубляются представления о патологической процессе, с одной стороны, и расширяются возможности каждого из используемых методов, с другой стороны. Использование комплексного исследования дает возможность подробно исследовать функции органа на фоне жизнедеятельности всего организма, дать прогноз заболевания и рекомендовать тот или иной метод лечения.
Безусловным атрибутом современной тепловизионной техники является ЭВМ. Применение ЭВМ облегчает проведение динамических наблюдений, позволяющих отслеживать в реальном времени влияние на организм человека различных внешних факторов (например, введение лекарственных веществ, воздействие различных терапевтических средств).
Недостатком ИК тепловидения является то, что оно позволяет судить о распределении температур только на поверхности исследуемой ткани. Для улавливания температурных изменений в более глубоких участках тела необходимо продвижение в область более длинных волн (микроволновой диапазон). Это связано с тем, что чем больше длина волны (l), тем с большей глубины (h) она может быть зарегистрирована приемным устройством: 
. Регистрация теплового излучения микроволновой области заложена в основу метода СВЧ термографии. Данный метод, как и ИК тепловидение, относится к неинвазивным методам диагностики ¾ определению глубинной температуры биологического объекта по тепловому излучению в СВЧ диапазоне. Здесь исключительно полезно использование достижений радиоастрономии и радиотермолокации, имеющих опыт регистрации излучения с интенсивностью, меньшей собственных шумов приемника.
Перечисленные тенденции (комплексное исследование, использование ЭВМ, продвижение в длинноволновую область) и являются основными направлениями развития медицинского тепловидения.
