CC BY
243
сов растекания (ГИР), вычитающего устройства (ВУ), порогового устройства (ПУ), смесителя (СМ), монитора (М).
Кадр ИК изображения одновременно поступает в МПЗС1 и МПЗС2, причем в МПЗС1 изображение остается без изменений, а в МПЗС2 формируется его постоянная составляющая посредством применения режима управляемого усреднения зарядов в МПЗС [1]. Далее оба кадра одновременно поступают на вычитающее устройство для выделения сегментов температурного контраста. В пороговом устройстве задаётся порог температурного контраста. При превышении заданного порога контрастирующие сегменты в виде кадра изображения записываются в МПЗСЗ. Если температура фона превышает температуру сегмента, то вводится инверсный режим работы описанной системы обработки, для чего входной сигнал должен поступать на вход инвертирующего усилителя.
Иллюстрация операции выделения теплового контраста и наложения выделенного сегмента на исходное видеоизображение представлена на рис.З.
(А) (Б)
(В) (Г)
Рис.3. Иллюстрация наложения сегмента ИК изображения на видеоизображение
Выводы. Предложен, смоделирован и практически реализуется инновационный метод визуального поиска пострадавших при завалах, совмещающающий в себе преимущества телевизионных и тепловизионных систем и, в результате, повышающий эффективность поиска пострадавших при катастрофах различного рода.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР № 1631747 H 04 N 7/01, 1991. Бюл. № 8
2. Датчики присутствия от компании Theben HTS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ttp://www.kapro.ua/articles/35/. Дата обращения: 06.02.2012.
3. Криксунов Л.З., Падалко Г. А. Тепловизоры (справочник). Киев, Техшка, 1987
4. Шойгу С.К., Кудинов С.М., Неживой А.Ф., Ножевой С.А. Учебник спасателя. //Электронная версия
INNOVATIVE METHOD OF VISUAL SEARCH THE VICTIMS
A.N. VETROV, A.A. ODINOKOVA, A. YU. POTLOV, D.A. SEMENOV, M.A.A. GAHZAR
Tambov State Technical University
It is proposed, modeled and practically implemented an innovative method of searching for victims in the rubble, which is based on
the combined use of television and thermal imaging cameras to the construction of a single image.
Key words: TV camera, thermal camera, an infrared image (thermogram), thermal background, the matrix charge-coupled device.
УДК 612.563
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МАТРИЧНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ.
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Л.Н. ХИЖНЯК, Е.П. ХИЖНЯК, Г.Р. ИВАНИЦКИЙ*
В работе рассматриваются проблемы, связанные с диагностическим применением матричных инфракрасных камер в медицине практике. Проведен подробный анализ условий, необходимых для точного измерения температурных распределений на поверхности больных. Обсуждаются последние достижения, связанные с медицинским применением матричной инфракрасной термографии.
Ключевые слова: матричная инфракрасная термография, диагностика.
Температура является важной физической характеристикой функционального состояния человека и на протяжении многих лет используется в медицинской практике в качестве первоочередного критерия для диагностики различных заболеваний. Пространственное распределение температур позволяет определить локализацию патологических процессов, связанных с различными формами нарушений кровотока, терморегуляции, воспалительными процессами, спазмом, нарушениями метаболизма и иннервации биологических тканей.
Регистрации температурных распределений на поверхности тела человека является достаточно сложной методической задачей. Использование контактных термометров имеет ряд ограничений из-за их инерционности и их влияния на объект измерений. Они могут изменять температуру в области измерений за счет дополнительной гетерогенности теплоемкости, обусловленной контактом датчиков с поверхностью тела, а также вносить артефакты измерений при действии внешних электромагнитных излучений. Кроме того, прикосновение датчиков может вызывать рефлекторные реакции организма, приводящие к изменениям пространственного распределения температур в других участках тела.
Наиболее совершенным способом регистрации пространственного распределения температур является метод инфракрасной (ИК) термографии. Метод ИК термографии основан на принципе регистрации собственного теплового излучения объектов в инфракрасном диапазоне, поэтому он абсолютно безопасен для человека и может без каких-либо ограничений использоваться для профилактических обследований пациентов с целью раннего выявления патологических процессов [1-11].
Несмотря на очевидные преимущества использования метода ИК термографии для температурных измерений, широкое применение ИК термографических систем (тепловизоров) в медицинской диагностике сдерживается до последнего времени по ряду причин.
Основная проблема связана с переоценкой диагностических возможностей этого метода на ранних стадиях его применения. Тепловизоры начали внедряться в медицину более 40 лет назад. Диагностические возможности метода ИК термографии в то время были существенно ограничены из-за недостаточной чувствительности и пространственного разрешения ИК камер, которые применялись в медицинской практике. По этой же причине была крайне затруднена задача выработки надежных диагностических критериев.
Изначально тепловизоры разрабатывались, в основном, только для визуализации тепловых источников, а не для измерительных целей. Большинство методических рекомендаций по диагностическому применению тепловизоров в медицинской практике были разработаны с использованием механо-оптических тепловизоров (ТВ-03, AGA-780), построенных на базе одноэлементных ИК фотоприемников на диапазон 3-5 микрон, охлаждаемых до температуры жидкого азота (-196°С) [1216]. Наиболее совершенные тепловизоры такого типа обеспечивали температурную чувствительность порядка 0,25-0,5°С, при скорости регистрации не более 12 кадров в секунду.
* Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, ул. Институтская, д. 3, г. Пущино, Московской обл., 142290
На рис.1 приведены примеры термограмм нижних конечностей пациентов, страдающих варикозным расширением вен (примеры.
Рис.1. Диагноз: варикозное расширение вен нижних конечностей с обеих сторон с явлениями хронической венозной недостаточности. [Пример из методического пособия по применению тепловидения в диагностике нарушений периферического кровотока, Ленинград, 1986]. Светлые области соответствуют повышенным значениям температур.
Очевидно, что пространственное разрешение тепловой картины недостаточно для локализации границ патологических сосудов. Дело в том, что реальное пространственное разрешение термограмм, приведенных на рис.1, имеет величину порядка 4 сантиметров, что существенно превышает размеры поверхностных вен. Кроме того, при таком пространственном разрешении и достаточно низкой температурной чувствительности практически невозможно определить с необходимой точностью перегрев в области патологических сосудов. В результате возникла проблема диагностической надежности тепловизионного метода диагностики.
Тепловизоры на основе одноэлементных фотоприемников в принципе не могли обеспечить необходимой температурной чувствительности при высоком пространственном разрешении и большой скорости регистрации ИК изображений. Причина, ограничивающая чувствительность, связана с малым временем регистрации ИК излучения в одном элементе (пикселе) температурного изображения. Так, при пространственном разрешении 100x100 пикселей на кадр и скорости регистрации 10 кадров в секунду, необходимо выполнить 100000 измерений в секунду, а следовательно - время регистрации ИК излучения в одном пикселе не может превышать 10 микросекунд. Температурная чувствительность тепловизора на базе одноэлементного фотоприемника при столь коротком времени регистрации не может быть лучше 0,25-0,3°С даже при полном отсутствии шумов электронных элементов.
Попытка применения такого типа тепловизоров для ранней диагностики рака молочной железы привела к тому, что в ряде
западных стран (например, в США) был сделан вывод о нецелесообразности применения метода ИК термографии в медицинской диагностике.
Параметры ИК камер существенно улучшились в последние годы. Чувствительность современных матричных ИК систем достигает величин порядка 0,007-0,01°С при пространственном разрешении 640x480 и скорости регистрации порядка 50100 кадров в секунду. Существенное улучшение чувствительности современных ИК систем достигается за счет применения матрицы фотоприемников, обеспечивающих параллельную регистрацию ИК излучения для всех элементов (пикселей) температурного изображения. При этом время регистрации ИК излучения в одном элементе возрастает в тысячи раз, не зависит от пространственного разрешения, и ограничивается только частотой кадров. Медицинское применение матричных ИК систем открывает принципиально новые возможности диагностики сосудистых, воспалительных и онкологических заболеваний. На рис.2 приведены примеры термограмм пациента, страдающего варикозным расширением вен в области голени нижних конечностей, зарегистрированных с использованием современной матричной ИК системы [3,8-11]. Обе термограммы зарегистрированы ИК камерой с пространственным разрешением 320x240 в режиме реального времени (без какой-либо компьютерной обработки термоизображений) при скорости регистрации 50 кадров в секунду.
Рис.2 Термограммы, зарегистрированные с помощью матричных ИК систем
Диагноз - варикозное расширение вен нижних конечностей. Светлые области соответствуют повышенным значениям температур.
Современные охлаждаемые матричные ИК системы имеют настолько высокую чувствительность и пространственное разре-
шение, что такие ИК системы позволяют регистрировать процесс открытия - закрытия одиночных каналов потовых протоков (пор) на поверхности кожи. На рис.3 и 4 приведены примеры термограмм, температурные профили и графики температурных изменений на поверхности кожи при различных фазах функционирования потовых протоков.
Поры в открытом состоянии Поры в закрытом состоянии Рис.3. Термограммы, зарегистрированные при открытом и закрытом состоянии потовых протоков (пор).
Рис.4. Слева - температурные профили через область каналов потовых протоков в открытом состоянии (минимумы соответствуют области пор). Справа - температурные изменения на поверхности кожи в процессе перехода потовых протоков из открытого состояния в закрытое на интервале 7 секунд: кривая 1 - область потового протока, обозначенная цифрой «1» на рис.3, кривая 2 - вне области потового протока, обозначенная цифрой «2» на рис.3.
Приведенные на рис. 3 и 4 результаты показывают возможность применения современных матричных ИК систем для регистрации нейрофизиологических реакций организма, как в процессе жизнедеятельности, так и при действии внешних раздражителей.
Однако до последнего времени такие ИК системы не нашли широкого медицинского применения. Более того, до недавнего времени бытовало мнение о проблематичности использования матричных ИК систем для медицинской диагностики из-за проблем с выравниванием чувствительности всех элементов матриц ИК фотоприемников и возможностью калибровки матричных ИК камер. В отдельных случаях применения современных ИК систем в медицинской практике используются давно устаревшие методические рекомендации и диагностические критерии. Недостаточное внимание уделяется условиям, необходимым для регистрации абсолютных значений температур на поверхности тела человека.
Как правило, при термографических обследованиях анализируются статические ИК изображения. Динамические возможности современных ИК систем, позволяющие регистрировать достаточно быстрые изменения температурных распределений в различных участках тела человека при действии лекарственных препаратов или при динамических нагрузках, практически не используются. Проведенные за последние годы исследования с применением современных высокоскоростных матричных ИК систем показали очень высокую информативность регистрации температурных изменений при физиологических нагрузках и при действии лекарственных и косметических средств.
Наиболее ярким примером является эффект нагрузочной пробы для больных, страдающих облитерирующим атеросклерозом нижних конечностей. Классификация больных, страдающих обли-терирующим атеросклерозом, по стадиям заболевания, основанная на определении расстояния, которое может пройти больной до возникновения болевых ощущений, является субъективной. Метод ИК термографии позволяет получить объективные данные о состоянии сосудов в процессе проведения нагрузочной пробы.
В норме нагрузочная проба не приводит к видимым различиям в температурных распределениях до и после нагрузки, за исключением сравнительно небольших повышений температур (0,1-0,3 °С) в области мышц, непосредственно вовлеченных в нагрузочные упражнения. При сосудистой недостаточности наблюдается эффект снижения температуры в области нижних конечностей наряду с резким увеличением температурного контраста в области проекции патологических сосудов [1,3]. На рис.5 приведены термограммы, демонстрирующие изменения температурных распределений в области нижних конечностей у больного, страдающего облитерирующим атеросклерозом, до и после нагрузочной пробы.
До нагрузки
После нагрузки
20 а 32
Рис.5. Термограммы и гистограммы распределения температур в области нижних конечностей до и после нагрузочной пробы
Объективными диагностическими критериями в данном случае могут быть, как расстояние, пройденное пациентом до возникновения значимых, причем количественно определенных температурных изменений, так и интенсивность нагрузочной пробы и параметры температурных изменений, определяемые количественно в результате сравнения гистограмм температурных распределений в области нижних конечностей до и после нагрузочной пробы.
Одна из наиболее сложных проблем связана с возможностью регистрации тепловых источников, расположенных на определенной глубине от поверхности тела. Дело в том, что тепловизор регистрирует только поверхностную температуру, в то
351
время как пораженные сосуды и другие патологические образования находятся на определенном расстоянии от поверхности кожи. Для корректной медицинской интерпретации термограмм необходимо ответить на вопрос, насколько точно тепловой рельеф на поверхности тела человека соответствует анатомическим структурам, расположенным на определенной глубине от поверхности в области обследований. Данный вопрос до недавнего времени оставался открытым.
Модельные исследования показали, что существенную роль в формировании тепловой картины на поверхности тела играет капиллярный кровоток, обеспечивающий гораздо лучшую передачу тепла по сравнению с классической теплопроводностью гомогенных тканей [10,11]. Капилляры в данном случае играют роль тепловых волноводов, обеспечивающих достаточно точное соответствие пространственного распределения поверхностных температур анатомической структуре сосудов (рис.6).
Рис. 6. Вверху - видимое изображение, снизу - ИК изображение.
Сравнительные исследования, проведенные с использованием методов ИК термографии и ультразвуковой диагностики, показали возможность обнаружения патологических сосудов на глубине до 2-2,5 см [11] (рис.7).
В
Рис. 7. Варикозное расширение вен в бедренной области (А) и в области голени (Б и В). Термограмма (В) - результат математической обработки термограммы (Б) методом нелинейного контрастирования с выделением участка перфорантных вен
Важно отметить, что патологические сосуды в бедренной
области (рис.7,«А») находятся на достаточно большой глубине от поверхности тела. Такие сосуды, как правило, практически не выявляются при визуальном обследовании пациентов. Метод ИК термографии позволяет не только обнаруживать глубоко расположенные патологические сосуды в бедренной области, но и с высокой точностью определить их границы, что существенно облегчает детальное ультразвуковое обследование таких сосудов.
Состояние сосудов может быть определено методом кратковременного прерывания кровотока. На рис.8 приведены примеры термограмм, зарегистрированных с интервалом 1 секунда после возобновления кровотока и графики изменения поверхностной температуры после восстановления кровотока.
Рис.8. Вверху - последовательность термограмм внутренней поверхности предплечья руки, зарегистрированных с интервалом 1 секунда после восстановления кровотока. Кровоток был прерван на 30 секунд в темной круглой области методом пережатия сосуда. Внизу - графики изменения поверхностной температуры в области проекции сосуда на расстоянии 1, 2, 3 и 4 сантиметра от места прерывания кровотока.
Динамические обследования такого типа позволяют определить тип сосудов (по направлению распространения теплового следа), а также - нарушения кровотока в сосудистом русле.
Приведенные на рис.6-8 результаты демонстрируют перспективность применения метода ИК термографии для ранней диагностики и контроля эффективности лечения сосудистых заболеваний, таких как варикозное расширение вен и облитери-рующий атеросклероз.
Варикозная болезнь - одно из самых распространенных за-
болеваний сосудистой системы, которое встречается у 20-25% трудоспособного населения развитых стран. Во многих случаях варикозное расширение вен развивается практически без видимых проявлений на поверхности нижних конечностей [17-22]. Термографическое обследование пациентов может быть весьма полезным не только для ранней диагностики, но и при планировании хирургических операций при достаточно сложных случаях варикозного расширения вен (рис. 9).
Рис.9. Термограмма нижних конечностей при сложном случае варикозного расширения вен
Необходимо отметить, что в приведенном случае достаточно большая часть пораженных сосудов не выявляется при визуальном обследовании, а ультразвуковое обследование очень затруднено из-за сложной картины и близкого расположения пораженных сосудов. Спланировать хирургическую операцию без термографических обследований достаточно сложно, причем послеоперационные рецидивы часто возникают именно в таких случаях. В.С.Савельев и соавт. считают, что к «истинному» рецидиву относится варикозная трансформация вен, которые ошибочно не были удалены в ходе первой операции, либо реканализиро-вались после склеротерапии. «Ложный» рецидив развивается вне зоны операции и связан с дальнейшим развитием заболевания [18-19,22]. В связи с этим, точное определение области вен, затронутых варикозной болезнью, является одной из наиболее важных задач предоперационного обследования пациентов и планирования хирургических операций. На рис. 10 приведен пример хирургической операции, проведенной с учетом результатов термографических обследований.
Рис. 10. Термограммы и температурные профили нижних конечностей пациента, страдающего варикозным расширением вен, зарегистрированные до и после хирургической операции правой ноги
Предоперационное термографическое обследование в приведенном случае позволило точно определить расположение и границы пораженных сосудов, а также - участки сосудов с аномально высокими значениями температур, свидетельствующие о наличии выраженных воспалительных процессов. Послеоперационное термографическое обследование дает возможность определить удачный или неудачный исход операции, рецидивы и остаточные воспалительные процессы.
Для выявления воспалительных процессов при термографических обследованиях необходимо иметь возможность определения не только разностных, но и абсолютных значений поверхностных температур.
Проблема температурных измерений является наиболее сложной и дискуссионной, и имеет ряд технических и методических аспектов. Принятая в медицинской практике точность измерения температур составляет 0,1°С. Вопрос, нужна ли такая точность для термографических обследований? Если нужна, то в каких случаях? И второй вопрос - могут ли современные ИК системы обеспечить столь высокую точность измерений?
Высокая точность определения абсолютных значений температур необходима, прежде всего, при диагностике воспалительных процессов в областях с минимальными значениями температурных флуктуаций в норме. Указанную точность измерений могут обеспечить лишь уникальные, дорогостоящие, охлаждаемые, радиометрические ИК системы. Большинство современных матричных ИК камер обеспечивает точность температурных измерений порядка 1-2°С в режиме прямой регистрации. Однако это не означает, что недорогие ИК системы не могут применяться для высокоточных температурных измерений.
Точность измерений может быть существенно улучшена методом текущей коррекции температурных измерений с использованием реперных температурных образцов, расположенных в поле зрения ИК камер. Такой метод позволяет существенно уменьшить влияние окружающих условий (температуры в помещении, отопительных приборов и других источников ИК излучений, включая самого врача) на результаты измерений.
При проведении термографических обследований необходимо иметь в виду, что ИК системы регистрируют собственное ИК излучение исследуемых объектов, которое зависит не только от температуры, но и от ряда других параметров.
Регистрируемое ИК камерой излучение Q определяется выражением: Q=ГaTм [ е f (Тоб) + (1- е) f (Токр) ] + (1- Татм) f (Та™) (1)
где Q - энергия ИК излучения, Га™ - коэффициент пропускания атмосферы, е - излучательная способность исследуемого объекта, Тоб - температура объекта, Токр - температура окружения объекта, Та™ - температура атмосферы, Дп) - калибровочная функция, индивидуальная для каждого элемента матрицы ИК фотоприемников. Все величины температур в градусах Кельвина. При этом zЯтм=exp(ad), где а - коэффициент затухания [кт-1], d - расстояние от объекта до камеры [кт].
При малых расстояниях до объекта измерений, поправкой на затухание атмосферы можно пренебречь. В этом случае формула (1) приобретает вид: Q=е f (Тоб) + (1- е) f (Токр) (2)
Из упрощенной формулы (2) следует, что измеряемая ИК камерой величина зависит от температуры объекта Тоб, излуча-тельной способности объекта е и от температуры окружения Токр. При этом важно иметь в виду, что температура окружения Токр не обязательно равна температуре воздуха в помещении. Обычно, при проведении термографических обследований значения поверхностных температур исследуемых объектов рассчитываются при условии е=0,95. Однако в реальных случаях значения е для кожи человека могут варьировать от 0,76 (в случае сухого эпидермиса) до 0,98 (в случае влажного участка кожи). При использовании косметических средств величина е может уменьшаться до значения 0,5 и ниже.
Так например, для участка кожи, имеющего температуру 38°С, идеально откалиброванная ИК система зарегистрирует излучение с эквивалентной температурой 37,1°С при е=0,95 и Токр=20°С. При е=0,76 и Токр=20°С будет зарегистрировано излучение с эквивалентной температурой 33,7°С. Таким образом, один и тот же участок тела при е=0,76 (сухой эпидермис) будет выглядеть на 3,4°С холоднее по сравнению со случаем, когда величина е=0,95 (влажная кожа). Иными словами, «температурные различия» на термограммах могут быть обусловлены как истиной разницей температур, так и неоднородностью излуча-тельной способности в разных участках тела.
Кроме того, необходимо учитывать, что Токр зависит от наличия, температуры и места расположения посторонних источников теплового излучения вблизи пациента (включая и самого врача, который так же является посторонним источником). Посторонние источники теплового излучения могут оказывать существенное влияние на результаты термографических обследований. Например, для участка тела с температурой Тоб=38°С и £=0,76, его эквивалентная температура на термограмме будет равна 38,5°С при действии внешнего источника излучения с температурой 40°С, то есть такой участок тела будет выглядеть на 4,8°С теплее по сравнении со случаем, когда Токр=20°С. Более того, в присутствии внешнего источника излучения участок тела с £=0,76 будет выглядеть на термограмме на 0,4° С теплее участка с £=0,95. В случае, когда посторонние источники теплового излучения расположены с одной стороны от пациента, может возникать артефакт температурной асимметрии.
Приведенные примеры демонстрируют необходимость учета величин £ и Токр не только при измерении абсолютных значений температур, но и при определении температурных различий (ДТ) между разными участками тела пациентов, что имеет очень важное диагностическое значение.
Необходимо отметить, что при условии Токр=Тоб, регистрируемое ИК камерой излучение Q не зависит от излучательной способности £ объектов. Регистрируемые ИК камерой значения Q при таком условии могут быть напрямую пересчитаны в абсолютные значения температур с использованием калибровочной функции Дп), которая определяет соотношение между величиной Q и температурой объекта при £=1 (черного тела). Параметры функции Дп) определяются в процессе калибровки ИК камеры с использованием температурных образцов типа «черное тело». С помощью калибровочной функции Дп) компенсируется пространственная неравномерность и нелинейность чувствительности ИК камеры, причем параметры калибровочной функции индивидуальны для каждого из элементов матрицы ИК фотоприемников.
При термографических обследованиях необходимо учитывать как рассмотренные выше аппаратурно-методические аспекты, так и физиологические аспекты, влияющие на распределения температур на поверхности тела (время пребывания в условиях повышенных или пониженных значений температур, физические нагрузки и т. п.).
Высокая стоимость охлаждаемых матричных ИК систем высокого разрешения является одним из важных факторов, сдерживающих применение ИК термографии для профилактических обследований. В самое последнее время появились неохлаждае-мые микроболометрические ИК камеры [6,23], стоимость которых в несколько раз ниже охлаждаемых ИК систем, а по чувствительности они незначительно уступают охлаждаемым ИК системам при идентичном пространственном разрешении и скорости регистрации.
Проблематичность диагностического применения неохлаж-даемых ИК систем связана с тем, что они работают в диапазоне 8-12 микрон, в то время как большинство методических наработок по применению тепловизоров в медицине выполнены с использованием охлаждаемых ИК камер, работающих в диапазоне 3-5 мкм. Сравнительные исследования диагностических возможностей ИК систем, работающих в диапазонах 3-5 и 8-12 микрон, показали, что при соответствующей калибровке и учете различий излучательной способности исследуемых объектов, неохлаждае-мые ИК камеры на диапазон 8-12 микрон могут с успехом применяться в медицинской диагностике [6].
На рис.11 приведены термограммы и соответствующие друг другу температурные профили, синхронно зарегистрированные в диапазонах 3-5 и 8-12 микрон.
Довольно часто можно услышать вопросы: «можно ли с помощью тепловизора увидеть рак?» или «чем термографическое обследование лучше ультразвукового или рентгеновского?».
Для успешного применения метода ИК термографии необходимо, прежде всего, четко определить роль данного метода в современной медицине. Метод ИК термографии не является альтернативным по отношению к другим методам диагностических обследований. В отличие от ультразвуковой или рентгеновской диагностики, которые дают информацию о структурных изменениях, метод ИК термографии дает информацию о функциональных изменениях, обусловленных нарушениями локального метаболизма, воспалительными процессами, нарушениями локального кровотока и иннервации в определенных областях
биологических тканей, сопровождающихся изменениями температурного рельефа на поверхности тела. Результаты термографических обследований (равно, как и обследований с применением методов лучевой диагностики) не могут служить основанием для постановки окончательного диагноза о наличии злокачественных новообразований. Практически все методы диагностики позволяют выявлять области, в отношении которых есть подозрения на наличие новообразований. Окончательный диагноз о наличии злокачественных новообразований, как правило, ставится по результатам гистологических обследований.
У У
' '
(Ч. ¡4.
р* • ^ *
I ^ ± I
К*
а) 3-5 мкм Ь) 8-12 мкм с) 3-5 мкм ф 8-12 мкм
Рис.11. Сравнительные термограммы и температурные профили пациентов, страдающих варикозным расширением вен, синхронно зарегистрированные с помощью ИК камер на диапазоны 3-5 и 8-12 мкм. Термограммы (а, Ь), зарегистрированные у пациентки в возрасте 25 лет, являются примером распознавания заболевания на ранней стадии, при которой практически нет каких-либо видимых проявлений на поверхности тела
Важно отметить, что метод ИК термографии позволяет зафиксировать изменения на ранних стадиях развития патологических процессов, когда еще не произошли структурные изменения, и которые не могут быть зарегистрированы с использованием методов ультразвуковых или рентгеновских обследований.
Диагностические возможности применения метода ИК термографии в медицинской практике достаточно широки. По сравнению с методами лучевой диагностики, ИК термография является абсолютно безвредным методом обследований, поэтому он может без каких-либо ограничений применяться при профилактических обследованиях, а также - в процессе лечения для контроля эффективности и побочных эффектов лекарственных препаратов, своевременного обнаружения осложнений после хирургических операций, раннего выявления аллергических реакций.
На рис.12 приведен пример, демонстрирующий перспективность применения метода ИК термографии для ранней диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований в области молочной железы [24].
Рис.12. Термограммы и температурный профиль через область максимума температуры, демонстрирующий наличие патологического процесса в области молочной железы.
Метод ИК термографии не является альтернативным по отношению к маммографии или ультразвуковому обследованию, и может быть крайне полезен в случаях, при которых маммографическое обследование бывает крайне затрудненным или невозможным. Диагностическим критерием наличия патологического новообразования в данном случае являются, как наличие участка с аномально высоким значением температуры, так и наличие атипичной сети сосудов в данном участке, сходящейся в область максимального значения температуры.
Необходимо отметить проблему отсутствия специализированных ИК диагностических систем медицинского назначения на основе современных матричных ИК камер высокого разрешения. Для широкого внедрения в медицинскую практику современные ИК системы должны быть трансформированы в удобный диагностический «инструмент врача», оснащенный необходимыми средствами обработки результатов термографических обследований.
Исследования, проведенные в рамках Программы Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» по разделу «Разработка и усовершенствование методов и средств диагностики», показали высокую эффективность метода ИК термографии для ранней диагностики и контроля эффективности лечения воспалительных процессов, варикозного расширения вен и облите-рирующего атеросклероза сосудов нижних конечностей. Продолжаются работы по оценке возможностей ранней диагностики доброкачественных и злокачественных заболеваний молочной железы с применением метода ИК термографии.
Литература
1. Иваницкий, Г.Р. Возможности термографии в современной медицине: исследование пространственного изменения температуры кожи человека при введении перфторана / Г. Р.Иваницкий, А. А. Деев, Е.И.Маевский, Е.П.Хижняк, Л.Н. Хижняк // ДАН.- 2003.- Т. 393.- №3.- С. 419^23.
2. Особенности температурных распределений в области глаз / Г.Р. Иваницкий [и др] // ДАН.- 2004.- Т. 398.- № 5.-С. 709-714.
3. Исследование микроциркуляции крови с помощью современных методов термографии при введении перфторана / Г.Р. Иваницкий [и др] // В сб: «Перфторуглеродные соединения в медицине и биологии» (под ред. Г.Р.Иваницкого, Е.Б.Жибурта, Е.И.Маевского).- Пущино.- 2004.- С. 10-17.
4. Иваницкий, Г. Р. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые с помощью инфракрасной техники / Г. Р. Иваницкий,
А.А. Деев, Е.П. Хижняк // Успехи физических наук.- 2005.-Т. 175.- № 11.- С. 1207-1216.
5. Влияет ли ритм дыхания на температурный портрет
лица человека? / Г.Р. Иваницкий [и др.]// ДАН.- 2006.- Т. 406.-№6.- С. 840-844.
6. Иваницкий, Г.Р. Тепловидение в медицине: сравнительная оценка инфракрасных систем диапазонов длин волн 3-5 и 8-12 мкм для диагностических целей / Г.Р. Иваницкий,
A.А. Деев, Е.П. Хижняк, Л.Н. Хижняк // ДАН.- 2006.- Т. 407.-№2.- С. 258-262.
7. Иваницкий, Г.Р. Анализ теплового рельефа на теле человека / Г.Р. Иваницкий, А.А. Деев, Е.П. Хижняк, Л.Н. Хижняк // Технологии живых систем.- 2007.- Т. 4.- №5-6.- С. 43-50.
8. «Теория и практика восстановительной медицины» (Коллективная монография). Специальные разделы восстановительной медицины Том VII, под ред. А. А. Хадарцева, 2007, ООО РИФ «ИНФРА», Тула-Москва, 224 с.
9. Кремлевская медицина / Г. Р. Иваницкий [и др.]// Клинический вестник.- 2007.- №2.- С.80-85.
10. Иваницкий, Г.Р. Современное матричное тепловидение в биомедицине / Г.Р. Иваницкий, А.А. Деев, Е.П. Хижняк, Л.Н. Хижняк // Альманах клинической медицины.- 2008.-Т. XVII.- С. 58-62.
11. Особенности теплового проявления подкожных источников нагрева на поверхности тела человека / Г.Р. Иваницкий [и др.] // ДАН.- 2008.- Т. 420.- № 4.- С. 551-555.
12. R. N. Lawson., Canad. Ser. Med. J. 13, 517, (1957).
13. Lloyd J.M. Thermal Imaging Systems. // Plenum Press, N. York, 1982.
14. Anbar, M. Local ‘micro’ variance in temperature distribution evaluated by digital thermography / M Anbar, RF.Haverly // Biomed Thermology.- 1994.- №13.- P. 173-187.
15. J. D. Vincent., Radiometry. (Ch. 3. In book: “Fundamentals of Infrared Detector Operation and Testing”, New York: Wiley 1990).
16. Зеновко, Г.И. Термография в диагностике заболеваний вен нижних конечностей / Г. И. Зеновко //Хирургия.- 1982.- № 9.-С. 36-39.
17. Богачев, В.Ю. Новые данные о хронической венозной недостаточности: от эпидемиологии к лечению: Обзор материалов симпозиума 14 Всемирного конгресса международного общества флебологов (Рим, 9-14 сентября 2001 года) / В.Ю. Богачев // Ангиология и сосудистая хирургия.- 2002.- №2.- С. 119-126.
18. Богачев, В.Ю. Флебосклерозирующее лечение варикозной болезни. Современное состояние вопроса /В.Ю. Богачев// Амб. Хирургия.- 2001.- №2.- С. 27-30.
19. Савельев, B.C. Послеоперационные венозные тромбоэмболические осложнения: неизбежность или контролируемая опасность? / В.С. Савельев // Хирургия.- 1999.- №6.- С. 60-63.
20. Савельев, B.C. Современные направления в хирургическом лечении хронической венозной недостаточности //
B.С. Савельев // Флеболимфология.- 1996.- № 1.- С. 5-7.
21. Савельев, B.C. Критическая ишемия нижних конечностей / В.С. Савельев, В.М. Кошкин.- Медицина, 1997.- 170 с.
22. Флебология: Руководство для врачей / В.С. Савельев [и др.].- М.: Медицина, 2001.- 664 c.
23. Narlis, E.O. Comparative performance analysis of the MWIR and LWIR focal plane array starring images / E.O. Narlis // International Journal of Infrared and Millimeter Waves.- 2002.- Vol. 23.- No. 3.- P. 393-408.
24. Иваницкий, Г. Р. Биофизические основы медицинского тепловидения / Г.Р. Иваницкий, Е.П. Хижняк, А.А. Деев // Биофизика.- 2011.
THE DIAGNOSTIC OPPORTUNITIES OF INFRARED THERMOGRAPHY.
PROBLEMS AND PERSPECTIVES
L.N.KHIZHNYAK, E.P.KHIZHNYAK, G.R.IVANITSKII
Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of Russian Academy Sciences
The problems of diagnostic application of FPA type infrared cameras in medicine are presented. Detail analysis of conditions required for precise temperature distribution measurements on the surface of patients are presented. Latest achievements associated with medical application of infrared thermography are discussed.
Key words: FPA type infrared thermpgraphy, diagnostics.
