83. Биофизические аспекты тепловидения. Принципы формирования тепловизионного изображения. Оборудование и программное обеспечение для цифровой обработки тепловизионных изображений.
Биофизические аспекты тепловидения
В человеческом организме вырабатывается большое количество тепла. Это тепло распределяется внутри организма с помощью циркулирующей крови и лимфы. Кровообращение выравнивает температурные градиенты.
Самую низкую температуру (23-30°) имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа, ушные раковины. Самая высокая температура подмышечной области, в промежности, области шеи, эпигастрия, губ, щек. Остальные участки имеют температуру 31-33,5°С. Суточные колебания температуры кожи в среднем составляют 0,3-0,1°С и зависят от физической и психической нагрузок, а также других факторов. У женщин часто кожная температура ниже, чем у мужчин.
У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. Количественным выражением термоасимметрии служит величина перепада температуры.
Физиологическая термоасимметрия отличается от патологической меньшей величиной перепада температуры для каждой отдельной части тела. Для груди, живота и спины величина перепада температуры не превышает 1,0°С.
При всяком изменении постоянства соотношения температуры внутренних областей тела включаются терморегуляторные процессы, которые устанавливают новый уровень равновесия температуры тела с окружающей средой. Общие и местные механизмы терморегуляции оказывают влияние на физические и физиологические факторы, обусловливающие в конечном счете особенности теплоизлучения кожи, а следовательно, и характер тепловизионной картины.
Термография—метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре.
Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме (на поверхности тела и в органах). Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине.
Колебания температуры кожи зависят от физиологических процессов и погрешностей в измерении температуры за счет воздействия излучающих предметов окружающей среды. Точность исследования возрастает, если снять с исследуемого одежду, а из помещения удалить объекты, более теплые или более холодные, чем воздух в комнате. Оптимальной для исследования считается температура воздуха 22 градуса. Перед проведением тепловизионного исследования больной должен адаптироваться к температуре окружающей среды (20 минут).
ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ в медицине
В литературе выделяют два основных вида термографии:
1.Контактная холестерическая термография.
2.Телетермография.
Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора.
Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются в виде изменения окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности (кожу) при дневном свете. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим—синий.
Существуют визуальный и количественный способы оценки и интерпретации термографического изображения (тепловизионной картины).
Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно точное измерение температуры. Затруднения заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате небольшой по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.
Радиометрический (количественный) подход предполагает использование самой современной техники и весьма перспективен.
Принципы работы тепловизоров
Люди всегда могли чувствовать инфракрасное излучение. Поскольку люди имеют физиологические ограничения способности чувствовать тепло, были разработаны сверхчувствительные к тепловому излучению механические и электронные устройства.
Инфракрасная термография – это наука использования электронно-оптических устройств для регистрации и измерения излучения и сопоставления его с температурой поверхностей.
Излучение – это передача тепла в виде лучистой энергии (электромагнитных волн) без промежуточной среды, используемой для передачи. Современная инфракрасная термография использует электронно-оптические устройства для измерения потока излучения и вычисления температуры поверхности обследуемых конструкций или оборудования.
Тепловизор – это устройство, которое получает тепловое изображение в инфракрасной области спектра без прямого контакта с оборудованием. Тепловизоры предназначены для регистрации инфракрасного излучения, которое испускается объектами.
Инфракрасное излучение фокусируется с помощью оптики тепловизора на приемнике излучения, который выдает сигнал, обычно в виде изменения напряжения или электрического сопротивления. Полученный сигнал регистрируется электроникой тепловизионной системы. Сигнал, который дает тепловизор, превращается в электронное изображение (термограмму), которое отображается на экране дисплея. Термографист может просто увидеть термограмму, которая соответствует тепловому излучению, приходящему с поверхности объекта.
Термограмма – это изображение объекта, обработанное электроникой для отображения на дисплее таким образом, что различные градации цвета соответствуют распределению инфракрасного излучения по поверхности объекта.
Тепловизоры представляют собой сканирующие устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное излучение от поверхности на чувствительный приемник. Такой приемник требует охлаждения, которое обеспечивает высокую чувствительность. В приборе тепловое излучение последовательно преобразуется в электрический сигнал, усиливающийся и регистрирующийся как полутоновое изображение.
В настоящее время применяются тепловизоры с оптико-механическим сканированием, в которых за счет пространственной развертки изображения осуществляется последовательное преобразование инфракрасного излучения в видимое.
В термовизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на экране ЭЛТ поэлементно, т.е. кадр изображения формируется, как в телевидении, путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. Получение поэлементной развертки обеспечивает оптико-механическое сканирование. В результате на выходе преобразователя формируется видеосигнал, подобный телевизионному.
Устройства хранения данных. Электронные цифровые файлы, содержащие тепловые изображения и дополнительные данные, сохраняются на различных типах электронных карт памяти или устройств хранения и передачи данных. Многие инфракрасные тепловизионные системы так же позволяют сохранять дополнительные голосовые и текстовые данные, а так же соответствующее видимое изображение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом спектре.
Программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов. Программное обеспечение, которое используется с большинством современных тепловизионных систем, является функциональным и удобным для пользователя. Цифровые тепловые и видимые изображения импортируются на персональный компьютер, где их можно просмотреть с использованием различных цветовых палитр, произвести другие настройки всех радиометрических параметров, а так же воспользоваться функциями анализа. Обработанные изображения можно вставить в шаблоны отчетов и либо отправить на принтер, либо сохранить в электронном виде, или отправить заказчику через интернет.
Составной частью современного тепловизионного прибора является модуль цифровой обработки, обеспечивающий обработку в реальном масштабе времени потока информации от тепловизионного приемника, формирование тепловизионнго растра заданного формата и получение качественного изображения в результате обработки тепловизионного растра. Модуль цифровой обработки обеспечивает отработку команд оператора, формирование и передачу сигналов управления.
Под цифровой обработкой изображения в реальном масштабе времени обычно подразумевается обработка очередного накопленного кадра за время накопления следующего кадра, то есть с задержкой на кадр (при 25 кадрах задержка 40 мс).