Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Лечебное применение ИК-излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. ИК-излучение проникает на глубину до 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность тер- морегулируюшей системы. Усиление кровоснабжения облученно- го места приводит к благоприятным лечебным последствиям. Об- ласти применения ИК-излучения в медицине и биологии перечис- лены в табл.
4.2 [33, 55, 56). Лучистая термотерапия. Определение рас- стояния до препятствий (для слепых) Автоматический поводырь для слепых Неконтактное измерение температуры кожи. Исследование температурных ощущений. Ранняя диагностика рака.
Контроль за заживлением ран без снятия повязки. Дистанционные бнодатчикн Обнаружение н предотвращение загрязне- ния воздуха. Определение содержания СОз в крови и выдыхаемом воздухе Ранняя диагностика рака. Ранняя диагностика предынфарктного состояния. Локализация плаценты. Определение оптимального места для ампутации. Исследование эффективности полярной одежды Измерение диаметра зрачка глаза. Исследование глаз при катаракте.
Исследование закупорки и варикоза вен. Контроль за движением глаз. Контроль за процессом заживления ран. Изучение ночной жизни животных Использование эффекта бностимуляции, проявляющегося в ближнем ИК-диапазоне, в иизкоинтенсивной терапии. Воздействие на биоактивные точки. Использование гипертермических эффектов для лечения локальных патологий. Использование эффекта коагуляции для остановки кровотечений 4.6. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИООБЪЕКТОВ. ТЕПЛОВИДЕНИЕ Определение различия температур тела осуществляется в основном двумя методами: с помощью жидкокристаллических индикаторов, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры; с использованием тепловидения (термография). Термография— регистрация ИК-излучения различных участков поверхности тела человека, пропорционального его температуре.
Максимум излучения поверхности тела человека (32 'С) приходится на длину волны Х = 9,5 мкм. Начиная с длины волны 5 мкм, человеческая кожа (вне зависимости от расовой принадлежности) излучает как черное тело (коэффициент серости 0,98 ь 0,0 !). Значение коэффициента излучения кожи зависит от ее влажности, кровенаполнения и кожной клетчатки. По различным данным этот коэффициент может иметь диапазон от 0,84 до 1,0, что приводит к ошибкам определения истинной температуры объекта.
Так, различие коэффициентов излучения в 1 % эквивалентно разнице температур в 1 К. Температура фона также влияет на точность измерений, поэтому ее следует поддерживать с точностью + 1 К, что при спектральном коэффициенте излучения 8 = 0,97 обеспечит погрешность, не превышающую 0,05 'С. Пользуясь законом Стефана — Больцмана, можно «отфильтровать» тепловое излучение по относительному изменению мощности при небольшом изменении температуры: взяв дифференциал от энергетической светимости и разделив его на полную энергетическую светимость, получим Ы,/Я =4г7Т~Т.
Таким образом, малое относительное изменение температуры дает четырехкратное относительное изменение мощности излучения. При повышении температуры тела на 1 К излучение на длине волны 6...10 мкм увеличивается на 2,4 %. Это дает возможность различать участки тела с разностью температур 0,1 К и менее, В термографии существует понятие теплового контраста.
Тепловой контраст — это возможность различать две зоны объекта, характеризующиеся различными температурами или испускательными способностями: г;(Т2)- „*(т!) с» .„*1Т2)+ «,'(т!) Перепад температур в 1 К соответствует контрасту 4 % в диапазоне 3...5 мкм и 1,6 % в диапазоне 8...12 мкм. У всех здоровых людей распределение температур поверхности тела симметрично относительно срединной линии. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме как в поверхностных, так и в глубоко расположенных органах.
Различные патологические состояния характеризуются термоассимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного и пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается в термографической картине. Поэтому выявление нарушения симметрии позволяет обнаружить его причины (аномалии сосудистой сети, расстройства кровообращения, воспалительные очаги и т. д.). Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях — задолго до появления жалоб больного) различных заболеваний.
Его главные клинические применения: 1) диагностика рака молочной железы (температура повышается от 1 до 3 'С) и других опухолей; причем можно достоверно отличить рак от доброкачественной опухоли, выявить признаки мастита и очертить границы воспалительного очага, включая скрытые очаги метастазов; 2) диагностика нарушений периферического кровообращения (варикозная болезнь, тромбофлебит); 3) определение положения плаценты и другие приложения в акушерстве и гинекологии; 4) обследование ожогов третьей степени и обморожений, травм, болевых зон.
Кроме перечисленного тепловидение может эффективно применяться для диагностики заболеваний щитовидной железы (при этом избегается опасная радиационная нагрузка и другие трудности сканирования с помощью радиоактивного йода), опухолей кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболеваний, диагностики «острого живота» (позволяет снизить число операций в 4 раза), воспалительных заболеваний желудочно-кишечного тракта, печени, почек. Тепловидеиие позволяет различить онкогенные и остеохондрозные причины болей в спине, установить причину болей в суставах, динамическое тепловизионное исследование снимает проблему по- 209 208 в — зоьз вгорных рентгенограмм легких больных пульманологических отделений больниц. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.
Тепловизоры, применяемые в настоящее время, представляют собой сканирующие устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих ИК-излучение, исходящее от поверхности тела, на чувствительный приемник. Такой приемник требует охлаждения, которое обеспечивает высокую чувствительность. В настоящее время применяют тепловизоры с оптико-механическим сканированием, в которых за счет пространственной развертки изображения осуществляется последовательное преобразование ИК-излучения в вндимое. Инфракрасное излучение концентрируется при помощи системы специальных линз и попадает на фотоприемник, который имеет избирательную чувствительность к определенной длине волны ИК-спектра. В основе большинства современных тепловизоров лежат полупроводниковые многоэлементные фотоприемные устройства, изготовленные на базе узкозонных полупроводниковых соединений (1пЯЬ, 1пАз, СЙН8Те) или мультиплицированных квантовых ям в системе ОаАз1А!ОаАа или ОаАз/1пбар.
В последние годы созданы неохлаждаемые матричные тепловизионные приемники на базе кремниевых микроболометров. (Болометр — тепловой детектор, в котором используется зависимость сопротивления от температуры в связи с нагревом.) И хотя они уступают по чувствительности селективным полупроводниковым фотоприемникам на межзонных (или межподзонных) переходах, во многих случаях их применение представляется весьма перспективным.
Излучение, которое попадает на фотоприемник, приводит к изменению его электрических свойств, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и это значение передается на блок отображения информации. Затем на экране монитора появляется изображение, цвет точек которого соответствует численному значению температуры в данной области источника. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо градацией серого, если изображение черно-белое.
В термовизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) поэлементно, т. е, кадр изображения формируется как в телевидении — путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. Получение поэле- 2!О ментной развертки обеспечивается оптико-механическим сканированием.
В результате на выходе преобразователя формируется видеосигнал, подобный телевизионному. Поскольку спектральный состав части излучения, которая вызывает сигнал на выходе преобразователя, определяется областью пропускания оптической системы и спектральной характеристикой преобразователя, термовизионная аппаратура имеет более широкую область спектральной чувствительности, чем та, которая построена на базе электронно- оптического преобразователя. Термовизоры в простейшем варианте имеют два крупных конструктивных блока; блок сканирования, где размещены элементы оптической системы, устройства сканирования, преобразователь, балансно-усилительный блок, устройства для создания запускающих импульсов развертки, и электронно-осциллографический блок, содержащий основную массу электронных устройств, блоки питания и ЭЛТ.
Электронно-осциллографический блок в последнее время часто совмещается с микропроцессорной системой или мини-ЭВМ. Блок сканирования размегдается на механизме установки в виде стойки или треноги с устройствами для поворота и наклона, чтобы направить его на контролируемый объект, и часто делается переносным.
Общим недостатком существующих тепловизоров является необходимость их охлаждения до температуры жидкого азота, что обусловливает их ограниченное применение. В !982 г. ученые предложили новый тип инфракрасного радиометра. В его основе лежит пленочный термоэлемент, работающий при комнатной температуре и обладающий постоянной чувствительностью в широком диапазоне длин волн. Недостатком термоэлемента является низкая чувствительность, большая инерционность. С целью увеличения выходного сигнала и повышения чувствительности в радио- метре используется термобатарея, состоящая из 70 — 80 термоэлементов, соединенных последовательно и сжатых в плотный пакет. Прн этом резко уменьшаются потери за счет излучения и конвекции воздуха, что, в конечном счете, приводит к повышению чувствительности примерно на порядок.
После оптимизации высоты батареи, которой прямо пропорциональна чувствительность прибора, точность измерения температуры достигла примерно О,! 'С. В настоящее время радиометр проходит клинические испытания. Существуют также тепловизоры с электронным сканированием, где в передающей камере изображение проецируется с помощью оптической системы на мишень трубки типа видикон, чувствительной к коротковолновому ИК-излучению. Окно такого тепловизора делается из материала, прозрачного для ИК-излучения, а мишени — из пироэлектрика. При формировании на поверхности мишени ИК-нзображення ее поверхностный электрический потенциал изменяется в соответствии с пространственным разделением падающего потока излучения н может быть считан сканируюшим сфокусированным электронным пучком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
