Тепловые изображения в медицине
Любое тело с температурой выше абсолютного нуля испускает инфракрасное излучение. Не составляет в этом отношении исключения тело человека. Поток излучения тела имеет взаимосвязь с поверхностной температурой и излучательной способностью и выражается соотношением
Ф = еоТ4, (7)
где Ф – поток излучения (Вт/м2), в – постоянная Стефана-Больцмана (<r=5,6696-10-8 Вт/м2*К4), е – излучательная (испускательная) способность тела, Т – температура, град К.
Если визуализировать поток излучения с элементов выбранной площади тела, то получится картина, характеризующая различие в излучательной способности и температуре этих элементов.
Многими исследованиями показано, что излучение кожи человека близко к излучению абсолютно черного тела (АЧТ) [67], у которого 8=1. Излучательную же способность кожи человека можно принять равной е=0,97, поэтому без большой погрешности можно приравнивать излучение кожи человека к излучению АЧТ. С учетом этого приближения можно считать, что тепловая картина характеризует распределение температуры по визуализируемой поверхности.
Еще врачи Древней Греции определяли локализацию глубоко расположенной опухоли по местам наиболее быстрого высыхания ила, тонким слоем которого смазывали больного. Датой рождения инфракрасной интроскопии, как диагностического метода, следует считать конец 50-х – начало 60-х годов, когда во многих клиниках мира появились приборы для ее реализации – тепловизоры. В их конструкции используются два метода получения тепловых изображений. Один из них базируется на оптико-механической системе сканирования объекта и одноэлементном приемнике (или небольшом количестве одноэлементных приемников), а другой – на многоэлементном приемнике с накоплением – инфракрасном видиконе (пировидиконе). Во втором случае для получения видеосигнала осуществляется сканирование электронным лучом потенциального рельефа на мишени пировидикона, а тепловое поле объекта проецируется на мишень видикона с помощью объектива. В настоящее время преобладающее распространение получили тепловизоры с оптико-механическим сканированием, так как системы на пировидиконах не уступают им по своим техническим параметрам.
Принцип действия тепловизора с оптико-механической системой сканирования объекта заключается в следующем. Оптико-механическая сканирующая система в каждый момент времен» собирает в угле поля зрения 6-9 угловых мин на высокочувствительный приемник ИК-излучения энергию с элемента сканируемого поля. Оптическая система осуществляет пространственную и спектральную фильтрацию излучения и фокусировку теплового поля в плоскости чувствительной поверхности приемника.
Благодаря сканирующему перемещению поля чувствительности оптико-механической системы осуществляется последовательный (как в телевидении) анализ общего поля обзора. Под действием потока излучения, падающего на приемник, вырабатывается сигнал, который после усиления и обработки модулирует яркость экрана электронно-лучевой трубки, где формируется видимое изображение, отображающее просканированное тепловое поле. При линейном отображении яркость элементов изображения на экране электронно-лучевой трубки пропорциональна температуре просканированных элементов тела человека.
Принцип работы тепловизора на пировидиконе не отличается от принципа действия прикладных телевизионных установок: (ПТУ).
Требования к параметрам тепловизора определяются параметрами теплового изображения. Размер теплового изображения у тепловизоров совпадает с общим полем обзора. Это может быть проекция всего тела человека или отдельного органа: руки, ноги, головы и т. д. Обычно поле обзора составляет от 5X5° до 25X25°.
Детальность тепловой картины от различных частей тела человека изучена недостаточно. Косвенно о ней можно судить по количеству терморецепторов, находящихся на коже человека.
С них начинается процесс саморегуляции температуры тела. Установлено, что на коже человека имеется около 25*104 холодковых и около 3-104 тепловых рецепторов. Если каждому рецептору поставить в соответствие элемент изображения, то можно оценить верхний предел детальности тепловой картины всего человеческого тела – 280 000 элементов. При квадратном поле зрения это соответствует 530 элементам на строку. Так как не существует технических средств, позволяющих воспроизвести одновременно тепловое изображение всего тела, то детальность изображений, получаемых на экране тепловизоров, существенной меньше. Современные тепловизоры с разрешающей способностью 6 угловых мин и полем обзора 20X20° способны воспроизвести 200X200 элементов (4-104 элементов), что достаточно для большинства применений тепловидения в медицине.
Подвижностью тепловых изображений из-за сильной инерционности тепловых процессов практически можно пренебречь, если фиксировать исследуемые органы пациента. Это значит, что, при правильном режиме съемки динамическая нерезкость изображения отсутствует. Поэтому тепловизоры могут работать при частоте кадров ниже, чем частота слияния мельканий при рассматривании изображения на экране.
Мелькания изображения крайне нежелательны, так как они утомляют зрение и приводят к снижению его восприимчивости. Поэтому в современных тепловизорах с медленным стандартом разложения, который диктуется инерционностью и чувствительностью ИК-приемников, используются устройства запоминания изображения с возможностью его последующего длительного считывания в стандартном для телевизионных систем режиме. Некоторые типы ИК-приемников позволяют создать тепловизоры, работающие в реальном времени.
Радиационный контраст теплового изображения определяется максимальным перепадом температур в сканируемой области человеческого тела.
Для каждого человека характерно определенное распределение температуры по поверхности тела. В условиях комнатной температуры, которая в смотровом помещении составляет 22±1 °С, у обнаженного человека выявляется определенная топография кожной температуры: относительно низкая (23–30 °С) на конечностях и лице, более высокая (33–37 °С) в подмышечных областях и на животе. На остальных участках тела температура обычно не выходит за диапазон от 31 до 33,5 °С. Как правило, перепад температуры между патологической зоной и окружающими тканями составляет при остром воспалении 1–1,5 °С, при гнойно-деструктивном процессе – 1,5–2 °С, а при хроническом воспалении – 0,7–1 °С [69].
Как видно из приведенных данных, особенность тепловых изображений состоит в наличии высокой фоновой засветки, соответствующей средней нормальной температуре тела человека и очень низком контрасте, который не превышает 1,06 даже при перепаде температур в 20 °С. Если такое изображение визуализировать с помощью тепловизора с линейной амплитудной характеристикой, то информативность изображения будет низкая, так как преобразованные в яркостной контраст градиенты температуры между зонами поражения и окружающими тканями будут находиться за порогом контрастной чувствительности зрительного анализатора. Поэтому в тепловизорах яркость фона, как правило, подавляется, а в визуализированном изображении сохраняются только изменения яркости относительно фона, что позволяет в несколько раз усилить исходный контраст. Здесь мы рассматривали контраст теплового изображения во всем спектральном диапазоне ИК-излучения тела человека. Расчеты показывают [46, 51], что при температурах тела человека в широком спектральном диапазоне контрасты существенно меньше, чем в узких диапазонах 3,5–5,0 мкм и 8–14 мкм, совпадающих с «окнами» прозрачности атмосферы для ИК-лучей. В зависимости от типа приемника излучения в тепловизорах используется обычно один из этих диапазонов ИК-спектра. Подробнее вопрос выбора спектрального состава визуализируемого теплового изображения рассмотрен в разделе «спектральный состав» излучения».
Интенсивность первичного ИК-изображения определяется распределением температуры по поверхности сканируемого тепловизором участка тела человека. Из соотношения (7) легко определить, что живые ткани, имеющие температуру около 310 К, с каждого квадратного сантиметра поверхности излучают около 50 мВт. Интенсивность изображения в белом и темном (без учета посторонних засветок) определяется перепадом температур относительно этого среднего уровня. С помощью современных тепловизоров можно обнаружить на крупных деталях разность- температур, не превышающую 0,1 °С, что соответствует разности» интенсивностей 65 мкВт/см2 (между деталью и фоном с температурой 310 К).
Однако обнаружение столь незначительной разности температур в большинстве случаев не представляет собой диагностической ценности, так как индивидуальные особенности вегетативной и ЦНС, желез внутренней секреции, степень закалки организма влияют на топологию температурного поля тела человека и могут изменить уровни температуры на величину, превышающую 0,1 °С. Следует отметить также, что наблюдаются колебания температуры тела в течение 1 суток в пределах от 0,3 до 1 °С. Поэтому в тепловом изображении требуется визуализировать существенно меньше градаций интенсивности, чем в рентгеновском. Например, если принять пороговый перепад температуры между патологической зоной и окружающими тканями, равным 0,5 °С, то при максимальной разности температур теплового поля от черного до белого 10 °С воспроизводимое число градаций интенсивности ИК-излучения не должно превышать 20. Излишнее число градаций будет только затруднять дешифрирование изображения. Во многих случаях важна не градационная насыщенность термограмм, а топография распределения температуры по поверхности, например, симметрия относительно срединной линии. Большую диагностическую ценность представляет сравнительное исследование распределения температур и выявление нарушения симметрии. Правильная трактовка термограммы требует от врача не только хороших знаний в области общей физиологии, анатомии и в специальных областях медицины, но ясного представления о механизмах регистрации тепловой картины.
Отношение сигнал/шум на первичной тепловой картине, отображающей распределение температуры по поверхности тела, определяется флюктуациями числа излучаемых с каждого элемента поверхности фотонов. Расчеты показывают, что эти флюктуации в ряде случаев больше шумов, возникающих при преобразованиях теплового изображения в видимое, и оказывают существенное влияние на качество получаемого в тепловизорах изображения.
