2 термографії

2.1 Біофізичні аспекти теплобачення.

У людському організмі внаслідок екзотермічних біохімічних процесів в клітинах і тканинах, а також за рахунок вивільнення енергії, пов'язаної з синтезом ДНК і РНК, виробляється велика кількість тепла-50-100 ккал / грам. Це тепло розподіляється усередині організму за допомогою циркулюючої крові і лімфи. Кровообіг вирівнює температурні градієнти. Кров завдяки високій теплопровідності, не змінюється від характеру руху, здатна здійснювати інтенсивний теплообмін між центральними і периферичними областями організму. Найбільш теплою є змішана венозна кров. Вона мало охолоджується в легенях і, поширюючись по великому колу кровообігу, підтримує оптимальну температуру тканин, органів і систем. Температура крові, що проходить по шкірних судинах, знижується на 2-3 °. При патології система кровообігу порушується. Зміни виникають вже тому, що підвищений метаболізм, наприклад, в осередку запалення збільшує перфузію крові і, отже, теплопровідність, що відбивається на термограмме появою вогнища гіпертермії.
Температура шкіри має свою цілком певну топографію. Правда, у новонароджених, як показала І. А. Архангельська, термотопографія шкіри відсутня. Найнижчу температуру (23-30 °) мають дистальні відділи кінцівок, кінчик носа, вушні раковини. Найвища температура пахвовій області, в промежині, області шиї, епігастрію, губ, щік. Інші ділянки мають температуру 31-33,5 ° С. Добові коливання температури шкіри в середньому становлять 0,3-0,1 ° С і залежать від фізичної і психічної навантажень, а також інших факторів.
За інших рівних умов мінімальні зміни температури шкіри спостерігаються в області шиї і лоба, максимальні-в дистальних відділах кінцівок, що пояснюється впливом вищих відділів нервової системи. У жінок часто шкірна температура нижче, ніж у чоловіків. З віком ця температура знижується і зменшується її мінливість під впливом температури навколишнього середовища. При будь-якому зміні сталості співвідношення температури внутрішніх областей тіла включаються терморегуляторний процеси, які встановлюють новий рівень рівноваги температури тіла з навколишнім
середовищем.
У здорової людини розподіл температур симетрично щодо середньої лінії тіла. Порушення цієї симетрії і служить основним критерієм тепловізійної діагностики захворювань. Кількісним вираженням термоасімметріі служить величина перепаду температури. Перелічимо основні причини виникнення температурної асиметрії:
Вроджена судинна патологія, включаючи судинні пухлини.
Вегетативні розлади, що призводять до порушення регуляції судинного тонусу.
Порушення кровообігу у зв'язку з травмою, тромбозом, емболією, склероз судин.
Венозний застій, ретроградний струм крові при недостатності клапанів вен.
Запальні процеси, пухлини, що викликають місцеве посилення обмінних процесів.
Зміни теплопровідності тканин у зв'язку з набряком, збільшенням або зменшенням шару підшкірної жирової клітковини.
Існує так звана фізіологічна термоасімметрія, яка відрізняється від патологічної меншою величиною перепаду температури для кожної окремої частини тіла. Для грудей, живота і спини величина перепаду температури не перевищує 1,0 ° С.
Терморегуляторний реакції в людському організмі управляються гіпоталамусом.
Крім центральних, існують і місцеві механізми терморегуляції. Шкіра завдяки густий мережі капілярів, що знаходяться під контролем вегетативної нервової системи і здатних значно розширити або повністю закрити просвіт судин, міняти свій калібр в широких межах,-прекрасний теплообмінний орган і регулятор температури тіла.
Температура шкіри і підлеглих тканин може мати мозаїчний характер внаслідок неоднорідності температур внутрішніх органів і навіть окремих ділянок того чи іншого органу. Слід звернути увагу на високі термоізоляційні властивості шкірного покриву, який завдяки розгалуженій підшкірної судинної мережі, перешкоджає контактної передачі термічних впливів вглиб тіла і в зворотному напрямку. Всі ці загальні та місцеві механізми терморегуляції впливають на фізичні та фізіологічні чинники, що зумовлюють в кінцевому рахунку особливості тепловипромінювання шкіри, а отже, і характер тепловізійної картини.
Таким чином, термографія-метод функціональної діагностики, заснований на реєстрації інфрачервоного випромінювання людського тіла, пропорційного його температурі. Розподіл та інтенсивність теплового випромінювання в нормі визначаються особливістю фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі, зокрема, як в поверхневих, так і в глибоких і органах. Різні патологічні стани характеризуються термоасімметріей і наявністю температурного градієнта між зоною підвищеного або зниженого випромінювання і симетричним ділянкою тіла, що відбивається на термографічної картині. Цей факт має важливе діагностичне і прогностичне значення, про що свідчать численні клінічні дослідження.

2.2 МЕТОДИКИ Тепловізіонная ДОСЛІДЖЕННЯ

Коливання температури шкіри залежать від ряду факторів. До них відносяться: судинні реакції, швидкість кровотоку, наявність локальних або спільних джерел тепла усередині тіла, регуляція теплообміну одягом, випаровуванням. Крім того, можливі погрішності у вимірюванні температури за рахунок впливу випромінюючих предметів навколишнього середовища. Поки вплив всіх цих факторів не виключено або не враховується при остаточному визначенні результату вимірювання, до тих пір неможливо об'єктивно судити про температуру людського тіла після одиничного вимірювання температури. За розрахунками Г. Рудовського різниця між справжньою і здавалося б температурою найчастіше становить 1-3 градуси.
Точність дослідження зростає, якщо зняти з досліджуваного одяг, а з приміщення видалити об'єкти, більш теплі або більш холодні, ніж повітря в кімнаті. Оптимальною для дослідження вважається температура повітря 22 градуси.
Перед проведенням тепловізійного дослідження хворий повинен адаптуватися до температури навколишнього середовища. На думку В.Ф. Сухарева і В.М. Куришевой, оптимальним і достатнім є 20-хвилинний період адаптації. Ці автори виділили три типи адаптації у людей:
* Перший-стійкий. Характеризується високим ступенем адаптації. У людей, що відносяться до цієї групи, спочатку відзначається невелике падіння температури на 0.3-0.5 С при природному охолодженні і швидке відновлення температури шкіри до початкового рівня.
* Другий-врівноважений. Ступінь адаптації при цьому кілька знижена і спостерігається сповільнене відновлення температури шкіри.
* Третій-нестійкий. У цьому випадку мають місце порушення фізичної терморегуляції або функціональні розлади судинної системи без клінічних проявів. Температура дещо стабілізується до 40-60-й хвилині періоду адаптації, залишаючись зниженою.
У хворих з патологією судин відзначаються різкі порушення адаптаційних процесів.
Вибір відстані від хворого до екрану тепловізора залежить від технічних можливостей приладу.
Оптимальна відстань від тепловізора до об'єкту складає 2-4 метри.
У літературі описується декілька методів тепловізійних досліджень. Виділяють два основних види термографії:
1.Контактну холестеричних термографія.
2.Телетермографія.
Телетермографія заснована на перетворенні інфрачервоного випромінювання тіла людини в електричний сигнал, який візуалізується на екрані тепловізора.
Контактна холестеричних термографія спирається на оптичні властивості холестеричних рідких кристалів, які виявляються зміною забарвлення у веселкові кольори при нанесенні їх на термоізлучающіе поверхні. Найхолоднішим ділянкам відповідає червоний колір, найбільш гарячим-синій. Нанесені на шкіру композиції рідких кристалів, володіючи термочутливість в межах 0.001 З, реагують на тепловий потік шляхом перебудови молекулярної структури. Падаючий на кристали розсіяне денне світло розділяється на дві компоненти, у однієї з яких електричний вектор повертається за годинниковою стрілкою, а другой-проти.
Після розгляду різних методів теплобачення встає питання про способи інтерпретації термографічного зображення. Існують візуальний і кількісний способи оцінки тепловізійної картини.
Візуальна (якісна) оцінка термографії дозволяє визначити розташування, розміри, форму і структуру вогнищ підвищеного випромінювання, а також орієнтовно оцінювати величину інфрачервоної радіації. Проте при візуальній оцінці неможливо точне вимірювання температури. Крім того, сам підйом уявної температури в термограф виявляється залежним від швидкості розгортки і величини поля. Труднощі для клінічної оцінки результатів термографії полягають в тому, що підйом температури на невеликій за площею ділянці виявляється малопомітним. В результаті невеликого за розмірами патологічний осередок може не виявлятися.
Радіометричний підхід вельми перспективний. Він передбачає використання найсучаснішої техніки і може знайти застосування для проведення масового профілактичного обстеження, отримання кількісної інформації про патологічних процесах в досліджуваних ділянках, а також для оцінки ефективності-термографії.

2.3 тепловізійної техніки І ПЕРСПЕКТИВИ ЇЇ ВДОСКОНАЛЕННЯ

Успіхи медичної науки багато в чому залежать від якості використовуваної медичної апаратури. Тепловізори, що застосовуються зараз в тепловізійної діагностики, представляють собою скануючі пристрої, що складаються з систем дзеркал, що фокусують інфрачервоне випромінювання від поверхні тіла на чутливий приймач. Такий приймач потребує охолодження, що забезпечує високу чутливість. У приладі теплове випромінювання послідовно перетвориться в електричний сигнал, що посилюється і реєструється як півтонове зображення.
В даний час застосовуються тепловізори з оптико-механічним скануванням, в яких за рахунок просторової розгортки зображення здійснюється послідовне перетворення інфрачервоного випромінювання у видиме.
У термовізіонной апаратурі видиме зображення висвічується на екрані ЕПТ поелементно, тобто кадр зображення формується, як і телебаченні, шляхом переміщення променя по горизонталі й вертикалі. Отримання поелементного розгортки забезпечує оптико-механічне сканування. У результаті на виході перетворювача формується відеосигнал, подібний телевізійному. Оскільки спектральний склад частини випромінювання, яка викликає сигнал на виході перетворювача, визначається областю пропускання оптичної
системи і спектральною характеристикою перетворювача, термовізіонная апаратура має ширшу область спектральної чутливості, ніж та, яка побудована на базі електронно-оптичного перетворювача.
Спрощена функціональна схема термовізора наведена на малюнку
Основне посилення сигналу здійснюється лінійним підсилювачем У, вихідні сигнали з якого надходять на суматор СМ1. На інший вхід суматора подається серія пилкоподібних імпульсів від блоку формування шкали температур ШТ. Крім цього для отримання складних синтезованих зображень на суматор можуть подаватися сигнали і з інших пристроїв і блоків. Таким чином СМ1 формує відеосигнал, що забезпечує отримання основного зображення з яркостной відміткою, де найбільша щільність потоку випромінювання відповідає найбільш яскравого світіння екрана ЕПТ (позитивне зображення). Результуючий сигнал, що заповнює весь час кадру, з виходу СМ1 надходить на блок формування ізотерм ІТ і на суматор СМ2 (в положенні 1 перемикача ПР).
При аналізі негативного зображення сигнал з виходу СМ1 передається до СМ2 через інвертор І (положення 2 перемикача ПР), який змінює знак вихідного сигналу суматора СМ1 на протилежний.
Термовізора в найпростішому варіанті мають два великих конструктивних блоки: блок сканування БС, де розміщені елементи оптичної системи, пристрою сканування, перетворювач, балансно-підсилювальний блок, пристрої для створення імпульсів, що запускають розгортки, і електронно-осцилографічний блок, що містить основну масу електронних пристроїв, блоки харчування і ЕЛТ. Електронно-осцилографічний блок останнім часом часто поєднується з мікропроцесорною системою або з міні-ЕОМ. Блок сканування розміщується на механізмі установки МУ у вигляді стійки або триноги з пристроями для повороту і нахилу, щоб направити його на контрольований об'єкт, і часто робиться переносним.
Зображення, одержуване термовізором, може бути зафіксовано і оброблене за допомогою засобів обчислювальної техніки, наприклад, як це показано на рис. 4

Від термовізора до блоку управління БУ підводиться відеосигнал зображення і імпульси синхронізації (точки 1, 2 і 3 на рис. 3 та рис 4). БО організує роботу всієї системи обробки інформації, що задається оператором з пульта управління ПУ. Відеосигнал термовізора перетвориться аналого-цифровим перетворювачем АЦП в цифрову форму з допомогою інтерфейсу ІНТ, що зв'язує АЦП із загальною шиною ЗШ, після чого цифрові сигнали надходять у вимірювальний магнітофон МР і в пам'ять ЕОМ. Обробку інформації може виробляти мікропроцесор МКП або міні-ЕОМ, які використовують при цьому постійне запам'ятовуючий пристрій ПЗУ. Сформовані зображення і інша отримана інформація відображаються на відеоконтрольні пристроях ВКУ1 і ВКУ2.
Загальним недоліком існуючих тепловізорів є необхідність їх охолодження до температури рідкого азоту, що обумовлює їх обмежене застосування. У 1982 році учені запропонували новий тип інфрачервоного радіометра. У його основі - плівковий термоелемент, що працює при кімнатній температурі і володіє постійною чутливістю в широкому діапазоні довжин хвиль. Недоліком термоелемента є низька чутливість і велика інерційність. З метою збільшення вихідного сигналу і підвищення чутливості в радіометрі використовується термобатарея, що складається з 70-80 з'єднаних послідовно і стислих в щільний пакет термоелементів. При цьому різко зменшуються втрати за рахунок випромінювання і конвекції повітря, що в кінцевому рахунку призводить до підвищення чутливості приблизно на порядок. Після оптимізації висоти батареї, якої прямо пропорційна чутливість приладу, точність вимірювання температури досягла приблизно 0.1 С. В даний час радіометр проходить клінічні випробування.
Особливої ​​уваги заслуговують тепловізійні прилади, що працюють в міліметрових діапазонах довжин хвиль. Сконструйовано і випробувано два нових типи тепловізорів, чутливих до міліметровим електромагнітних хвиль. Ці апарати вловлюють хвилі на три порядки довший, ніж інфрачервоні. Такі хвилі проникають на велику глибину в порівнянні з тими, які вловлює звичайний інфрачервоний тепловізор. Прилади можуть розрізняти коливання температури до частки градуса в тканинах, розташованих на кілька міліметрів всередину від поверхні шкіри. Звичайний же тепловізор реєструє випромінювання тільки з поверхні тіла.
Радіотермографи, що працюють в діапазоні ММВ, призначені для виявлення злоякісних утворень молочних залоз, щитовидної залози і деяких областей головного мозку. Вони незамінні для виявлення пухлин і запалень неглибокого залягання, тому що дозволяють забезпечити найбільш високу роздільну здатність і усереднення температури за найменшим об'ємом. Це особливо цінно для виявлення пухлин у початковій стадії, коли відмінність їх температури з навколишнім середовищем невелика.
Підводячи підсумок огляду сучасної тепловізійної техніки, потрібно вказати на основні шляхи та перспективи її вдосконалення. Це, по-перше, підвищення рівня чіткості і ступеня контрастності тепловізійних зображень, створення відеоконтрольні пристроїв, що дають збільшене відтворення теплового зображення, а також подальша автоматизація досліджень та застосування ЕОМ. По-друге, вдосконалення методики тепловізійних досліджень різних видів захворювань. Тепловізор повинен давати інформацію про площу шкірного ділянки зі зміненою температурою і координатах фіксованого теплового поля. Передбачається створити апарати, в яких можна довільно змінювати збільшення зображення, фіксувати амплітудне розподіл температури по горизонтальних і вертикальних осях. Крім того, необхідно сконструювати прилад, здатний інтенсифікувати розвиток досліджень механізму теплопередачі і кореляції спостережуваних теплових полів з джерелами тепла всередині тіла людини. Це дозволить розробити уніфіковані методики тепловізійної діагностики. По-третє, слід продовжити пошук нових принципів роботи тепловізорів, що працюють в більш довгохвильових областях спектру з метою реєстрації максимуму теплового випромінювання тіла. У перспективі також можливе вдосконалення апаратури для надчутливого прийому електромагнітних коливань дециметрових, сантиметрових і міліметрових діапазонів.