Тепловизоры в интроскопии

Медицинские тепловизоры – оптико-электронные приборы для бесконтактной регистрации тепловых (температурных) полей кожных покровов человека. Анализ тепловых полей тела человека как новый диагностический метод начал применяться в медицинской практике с конца 50-х годов и с тех пор нашел широкое применение во многих клиниках мира. В СССР работают десятки тепловизионных кабинетов и ведется подготовка кадров врачей и сестер операторов по обслуживанию тепловизоров.

Основными функциональными узлами тепловизора являются: оптический блок, приемник излучения, усилительный тракт, устройства обработки и регистрации.

Оптический блок (рис. 103, а, б, в, г) служит для выбора поля зрения тепловизора, его фокусировки в плоскость фоточувствительной поверхности приемника изображения и оптической фильтрации. В тепловизорах с одноэлементными (или состоящими из группы элементов) фотоприемниками оптический блок выполняет также функции развертки и модуляции изображения. Напомним, что двухмерные приемники (фоточувствительные материалы, передающие телевизионные трубки и матричные безвакуумные фотоприемники) в настоящее время еще не позволяют с требуемой для медицинской диагностики точностью регистрировать собственное тепловое излучение тела человека. Поэтому именно оптический узел современных медицинских тепловизоров осуществляет развертку теплового поля, в пространстве пациента или в пространстве изображения на фотоприемнике. Со сканированием в пространстве пациента (рис. 103, а) построены камера Барнса, тепловизоры типа «Рубин», «Филин». В них строчная и кадровая развертки регистрируемого теплового поля обеспечиваются за счет 2 взаимно перпендикулярных поворотов сканирующего зеркала. Объектив располагается за зеркалом и может быть узкопольным, так как качество создаваемого им изображения должно быть достаточно высоким лишь в пределах мгновенного поля зрения тепловизора. Материалы деталей оптического блока (линзы, окна, -светофильтры и др.), участвующие в формировании изображения на приемнике, должны быть прозрачны для выбранного диапазона теплового излучения. Особенно широко используются кремний и германий, оптическая керамика, а также халкогенидные стекла типа ИКС.

Рис. 103. Схематическое изображение оптических узлов медицинских тепловизоров. а – сканирование предмета и б – изображения; соответственно 1 – поле обзора; 2 – мгновенное поле зрения; 3 – сканирующее зеркало; 4 – объектив; 5 – диафрагма; 6–конденсор; 7 – приемник излучения; в – сканирование изображения двумя вращающимися призмами; г – сканирование изображения диском Нипкова; 1 – поле обзора; 2 – объектив; 3 – полевая диафрагма; 4– диск Нипкова; дополнительная конденсорная линза; 5 – конденсор; б – приемник.

Со сканированием в пространстве изображений (рис. 103,6, в, г) построены тепловизоры типа «Янтарь», «Радуга», все тепловизоры фирмы «Aga» (Швеция) и др. В этом случае используется широкоугольный объектив, передающий одновременно полное поле зрения и, следовательно, обеспечивающий высокое качество изображения по всему полю обзора. Сканирующая система устанавливается за объективом и в процессе развертки последовательно направляет излучение отдельных элементов изображения на приемник.

Наиболее простой способ, реализующий развертку изображения отверстием в непрозрачном диске, использован в тепловизоре «Янтарь». В оптическом узле тепловизора «Янтарь» в плоскости изображения, создаваемого объективом, установлена диафрагма поля и диск Нипкова. В этом диске имеется 45 отверстий, которые расположены таким образом, что изображение, ограниченное диафрагмой поля, последовательно анализируется по строкам, так что когда одно отверстие выходит за пределы окна диафрагмы, другое входит в окно, развертывая следующую строку. Конденсор проецирует на всю светочувствительную поверхность приемника входной зрачок объектива, исключая таким образом влияние неравномерной чувствительности приемника на величину сигнала изображения. Конденсор позволяет также вынести приемник из плоскости изображения, освободив место для модулятора. Для уменьшения площади чувствительной поверхности приемника в каждом отверстии диска Нипкова размещают по дополнительной конденсорной линзе. В этом случае каждый конденсор изображает на приемнике входной зрачок объектива уже не для всего поля обзора, а лишь для мгновенного поля зрения 6. Это дает возможность использовать приемник с линейным размером, уменьшенным в ср/6 раз, что позволяет снизить порог чувствительности тепловизора.

В тепловизорах фирмы «Aga» строчная развертка осуществляется многогранной вращающейся призмой, а кадровая – колеблющимся зеркалом или (также как строчная) вращающейся призмой (см. рис. 103, в). Обычно для строчной развертки используется четырехгранная призма из германия (или кремния), вращающаяся со скоростью 400 об/с. В последних моделях тепловизоров «Aga» (например, «Aga-780») развертка по строке и по кадру осуществляется призмами. В советском тепловизоре
«Радуга» строчная развертка осуществляется призмой с двенадцатью гранями.

Тепловое излучение, обусловленное средней температурой  исследуемого участка тела человека, создает равномерный фон, вызывающий засветку приемника и снижающий контраст изображения. Для исключения постоянной составляющей теплового поля в оптическом блоке устанавливаются вращающиеся растры, которые осуществляют модулирование излучения. Рисунок растра должен обеспечивать подавление сигнала от равномерного фона. Это достигается изготовлением фазирующей части растра с прозрачностью, равной средней прозрачности модулирующего полукруга. Такой растр не модулирует равномерный фон.

Для увеличения контраста между деталями теплового изображения используется спектральная фильтрация излучения от объекта с помощью абсорбционных или интерференционных светофильтров.
Для установки фильтров оптический блок в ряде случаев снабжается специальной кассетой.
Приемник излучения преобразует тепловое поле в сигнал изображения, который с нагрузочного сопротивления приемника поступает в усилительный тракт. Подробно приемники рассмотрены в разделе 2.1. Отметим только, что наиболее широко в тепловизорах используется одноэлементный приемник из антимонида индия (InSb), который охлаждается жидким азотом (Т== 77,4 К).

Типовой усилительный тракт тепловизора состоит из предварительного усилителя, полосового фильтра, основного усилителя, синхронного детектора и низкочастотного полосового фильтра. На выходе низкочастотного фильтра получают сигнал изображения, который поступает на устройство регистрации.
В последних моделях тепловизоров перед визуализацией широко применяются аналоговые и цифровые методы обработки изображения.

Для визуализации тепловых изображений используют видеоконтрольные устройства, электрохимическую бумагу и фотопленку. Изображения, полученные на электрохимической бумаге (ЭХБ) или фотопленке, могут анализироваться непосредственно на просмотровых устройствах (ЭЛТ) или телевизионных установках для анализа изображений, например, УАР-2 или УАР-1,. где они могут быть подвергнуты дальнейшей обработке. Описать, многочисленные конкретные конструкции тепловизоров в этой работе не представляется возможным. В табл. 17 приведены основные параметры ряда тепловизоров, которые используются; в медицине.

Базовыми моделями тепловизоров, которые серийно выпускаются в СССР, являются «Рубин» и «Радуга-МТ» (рис 104 а б, в).

Тепловизор Рубин-2

Тепловизор Рубин-3

Тепловизор Радуга-МТ

На рис. 105, а, б, в представлен ряд термограмм, которые иллюстрируют некоторые возможные области применения тепловизоров.

Рис. 105. Разновидности термограмм. а – пациент с острым аппендицитом

Рис. 105. Термограммы спины и ног пациента с пояснично-крестцовым радикулитом

Еще раз напомним, что к информационному содержанию тепловых изображений тела человека следует oтноситься с осторожностью из-за влияния на уровень температур различных участков тела (в пределах от 0,3 до 1°) индивидуальных особенностей организма пациента. Современные тепловизоры имеют высокую контрастную чувствительность: с их помощьо возможно определить разность температур, не превышающую 0,1 °С. Придание столь незначительной разности температур диагностической значимости может привести к ложно-положительному диагнозу (ложная тревога).

Успешное применение тепловизионной аппаратуры в различных областях медицины является залогом дальнейшего развития этого эффективного метода диагностики различных заболеваний.Приведение теплового изображения (с помощью цифровой или аналоговой обработки) к виду, наиболее удобному для восприятия зрительным анализатором, а также доведение технических -параметров двумерных приемников (ИК-видиконов, ППЗ-матриц) до уровня, удовлетворяющего требованиям медицинской диагностической аппаратуры, – одно из основных направлений дальнейшего развития тепловизоров. Качественно новый уровень тепловизионная аппаратура получит, если будут созданы спектрозональные приборы, изображение которых несет информацию  о спектральном составе регистрируемого излучения. Перспективными в этом направлении являются спектрозональные тепловизоры, в которых цветное изображение синтезируется из зональных.