CC BY
36
УДК 616-073-08 ББК 53.4
"ТЕПЛОВИДЕНИЕ" (ВОСПРИЯТИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ) У ЖИВОТНЫХ. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН, ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ
ШУЛЯКОВСКАЯ А.С. ФГБОУВО ЮУГМУМинздрава России, Челябинск, Россия e-mail: nastya_shul1996@mail.ru
Аннотация
Феномен восприятия инфракрасного излучения присущ целому ряду живых организмов. Тепловидение является неинвазивным методом диагностики, в основе которого лежит регистрация источников инфракрасного излучения и преобразование полученных данных в изображение -термограмму. Известно, что многие патологические процессы в человеческом организме протекают с изменением нормального распределения температуры на поверхности тела. В настоящее время в офтальмологии дистанционная термография используется все с большей частотой. Данный метод позволяет диагностировать опухоли глаза, эндокринную офтальмопатию, определить эффективность медикаментозной терапии в послеоперационном периоде факоэмульсификации катаракты.
Ключевые слова: тепловидение, функциональная диагностика, офтальмология, медицина, термография.
Актуальность. В живой природе существует феномен восприятия инфракрасного излучения, что является вспомогательным механизмом визуализации объектов в темных условиях у ряда организмов. Так, например, ямкоголовые змеи обладают способностью распознавать тепловое излучение при помощи особых органов - небольших ямок, расположенных рядом с глазами змеи. В глубине ямок находится мембрана, покрытая высокочувствительными терморецепторами. TRPA1, представляющий собой белок кальциевых каналов, в настоящее время рассматривается как рецептор для инфракрасного излучения. Некоторые змеи способны улавливать изменения температуры, до 0,003°С [15]. При раздражении рецепторов для инфракрасного излучения формируется картина, благодаря которой змея может измерить расстояние до определенных предметов, а также заметить свою жертву в темноте. Когда короткохвостый щитомордник (Gloydius brevicaudus) охотится на свою добычу, он использует как визуальный, так и тепловой образ окружающего пространства, которые проецируются в зрительную кору. У такой змеи с блокированными органами зрения и тепловидения одновременно происходит нарушение хищнического поведения, что согласуется с идеей о том, что визуальные и/или инфракрасные сигналы необходимы для
оптимального прицеливания. Органы инфракрасного восприятия так же важны, как и глаза, для нацеливания на добычу перед началом удара [17].
Летучая мышь Desmodus rotundus -единственное млекопитающее, обладающее органами чувствительности к инфракрасному излучению. У этих летучих мышей есть три ямки диаметром 1 мм, расположенные в области носа, которые используются для обнаружения добычи. Температура в области термочувствительных ямок летучих мышей ниже, чем в соседних анатомических областях. В качестве терморецептора летучие мыши Desmodus rotundus используют укороченную версию белка TRPV1 из семейства TRP, активация которого позволяет
идентифицировать не только теплокровные организмы, необходимые для питания, но и опасные источники тепла с температурой более 43°С [14].
Использование тепла в качестве ориентира при выборе жертвы известно также у кровососущих насекомых, например, у комаров. Большие группы теплокровных организмов привлекают комаров на расстоянии до 3 километров. Самки A.m. atroparvus не пьют кровь, если температура поверхности тела ниже 28°C. Из-за наличия явления термотаксиса у комаров самки рода Anopheles проявляют
большее влечение к лихорадящим пациентам с малярией, а также к людям во время физической активности [8].
В настоящее время большинство лечебно-диагностических мероприятий в обязательном порядке проводится с участием медицинской техники вследствие повсеместного
использования инструментальных методов диагностики совместно с ростом требований к качеству и эффективности оказания медицинской помощи. При этом возрастает потребность в обучении квалифицированных кадров, поскольку год от года становится все более эффективным использование
сложнейшего высокотехнологического
диагностического и лечебного медицинского оборудования, в том числе в области офтальмологии [13].
Феномен регистрации инфракрасного излучения используется во врачебной практике. Медицинская термография (тепловидение) проводится с помощью регистрации тепловизором естественного теплового излучения тела человека в инфракрасном диапазоне длины волны и преобразования полученных данных в графическое изображение - термограмму. Таким образом можно изучить характеристики теплового рельефа тела человека, отражающего распределение температуры по поверхности тела и локальный разброс температур в различных анатомических областях. 1956 год можно по праву считать годом рождения медицинской термографии. Именно тогда Роберт Лаусон впервые опубликовал результаты применения приборов, регистрирующих инфракрасное излучение, для диагностики рака молочной железы. Позднее данный способ выявления опухолей молочных желез начали применять в других странах: в 1960 г. - в Англии, в 1961 г. - во Франции, в 1965 г. - в США, в 1966 г. - в СССР [3, 6].
Тепловидение соответствует таким критериям, как абсолютная безопасность исследования для пациента и медицинского работника, неинвазивность, высокая
чувствительность. отсутствие
противопоказаний и возрастных ограничений, способность выявления широкого диапазона нозологий и нескольких групп заболеваний одновременно, быстрота и простота применения, что позволяет использовать данный метод диагностики для профилактического обследования широких слоев населения [3, 5, 6, 12]. Кроме того,
весомыми преимуществами являются бесконтактное проведение исследования, высокая скорость получения информации, удобство ее хранения, отсутствие лучевой нагрузки на организм. К недостаткам медицинского тепловидения можно отнести относительную дороговизну метода, поскольку современные тепловизоры имеют достаточно высокую стоимость, однако уступают в этом магнитно-резонансным томографам; низкую специфичность, поскольку изменение температурного показателя не всегда может однозначно указывать на наличие того или иного заболевания, что может потребовать проведение дополнительных диагностических мероприятий [6].
Излучение от тела человека преимущественно представлено инфракрасным диапазоном. Известно, что многие патологические процессы в человеческом организме протекают с изменением нормального распределения температуры на поверхности тела. Метод медицинского тепловидения позволяет оценить поверхностно залегающие источники тепла тела человека - до 2,5 см, сравнить симметричность распределения температур справа и слева, а также определить скорость распространения тепла по телу [3, 6], на основании чего можно определить локализацию и протяженность патологического процесса. Формирование температуры поверхности тела складывается из таких факторов, как сосудистая сеть, в которую входят артериальный, венозный и лимфатический компоненты, теплопроводность кожи и активность метаболических процессов. Так, нарушение гемодинамики в виде окклюзии или стаза ведет к изменению температуры тканей
[5]. При воспалении наблюдается замедление метаболических процессов в пораженных тканях, однако усиление разобщения процессов окисления и фосфорилирования приводит к локальной гипертермии над очагом воспаления
[6].
В настоящее время существует две методики термографии: статическая и динамическая. Динамическая термография, в свою очередь, представлена двумя вариантами: один из методов заключается в проведении серийных исследований через определенные интервалы времени, а второй - в регистрации изменений в ответ на провоцирующую пробу, усиливающую нагрузку на механизмы локальной или общей терморегуляции [6]. Так, например, применяют
тест с углеводной нагрузкой для диагностики злокачественных опухолей, поскольку ее ткань способна активно поглощать глюкозу и метаболизировать до молочной кислоты, что сопровождается повышением местной температуры [9].
Тепловизоры последнего поколения позволяют с максимально высокой точностью зарегистрировать колебания температуры поверхности тела в 0,0007-0,01°С при высоком пространственном разрешении и скорости регистрации около 50-100 кадров в секунду. Все термограммы при проведении исследования записываются и архивируются компьютерной программой [10].
Наибольшее распространение тепловидение получило в онкологии. При проведении термографии становится возможным по зонам локальной гипертермии обнаружить
новообразование в молочной железе значительно раньше, чем при проведении маммографии. Также диагностической ценностью данный метод обладает в отношении обнаружения опухолей щитовидной железы. Термографическое исследование регионарных лимфатических узлов дает возможность выявить лимфогенные метастазы на ранних стадиях [6]. С помощью термографии возможно диагностировать и такие патологические процессы, как инволюция, диффузная и узловая гиперплазия щитовидной железы. Температура этого органа за счет обильной васкуляризации и активного участия в обмене веществ стремительно реагирует на патологические изменения [10].
Термография широко применяется в области ревматологии. Этот метод позволяет обнаружить участки с местной гипер- и гипотермией еще до развития структурных изменений в суставе. При артрите наблюдается повышение температуры, а при артрозе -снижение. Степень повышения температуры коррелирует со степенью тяжести заболевания, а также позволяет оценивать течение воспалительного процесса в динамике. Особая значимость инфракрасной термографии определяется тем, что повышение локальной температуры над пораженным суставом может быть выявлено раньше развития других клинических симптомов. При одностороннем поражении диагностически значимой считается разница в 0,6°С [5].
В акушерстве и гинекологии также возможно применении термографии. Во время
беременности происходит изменение характера распределения температуры - повышение в области молочных желез, околопупочной области, верхних и нижних отделах брюшной полости, гипотермия в среднем отделе. Воспалительные заболевания органов малого таза характеризуются определенными термографическими признаками, что делает возможным использование тепловидения в их диагностике [6].
При наличии воспалительных процессов и новообразований в околоносовых пазухах на теплограмме определяются очаги гипертермии, поэтому инфракрасная термография может применяться как один из методов диагностики в оториноларингологии[6].
Инфракрасная термография может применяться для выявления сосудистой патологии. Местная гипертермия в проекции поверхностных вен нижних конечностей может свидетельствовать о возникновении
тромбофлебита. Изменение температуры также сопровождает атеросклеротический процесс. Обследование пациентов с применением термографии дополняет диагностическую картину информацией о состоянии артериальных и венозных сосудов: при снижении артериального кровотока
определяется зона гипотермии, для поражения вен, напротив, характерна местная гипертермия. Кроме того, тепловидение применяется в эндовазальной хирургии с целью интраоперационного контроля точности и безопасности проведения основных этапов оперативного вмешательства [6, 7, 10].
Возможно использование инфракрасной термографии как неинвазивного метода в комплексной диагностике у пациентов с циррозом печени, осложненным портальной гипертензией. Термографическая картина дает объективную информацию о состоянии кровоснабжения передней брюшной стенки и коллатеральном кровообращении [1, 10].
Медицинское тепловидение может активно применяться в диагностике глазной патологии. При анализе термограмм исследователи используют анатомические ориентиры: роговицу, ресничный край век, брови, контур носа. Важное значение имеет симметричность распределения температурных зон справа и слева - термоасимметрия у здоровых лиц должна быть менее 0,2°С [9]. Инфракрасная термография позволяет диагностировать опухоли глаза, эндокринную офтальмопатию,
определить эффективность медикаментозной терапии в послеоперационном периоде факоэмульсификации катаракты [2, 9, 11].
В диагностике доброкачественных и злокачественных опухолей глазного яблока и орбиты важное место занимает динамическая термография, чувствительность которой составляет до 70-90% [9]. Меланома кожи век сопровождается так называемым феноменом "пламени", при этом на термограмме с одной из сторон опухоли имеется ободок гипертермии, который свидетельствует о нарушении путей оттока. Имеется корреляция между глубиной прорастания опухоли и изменением температуры: наличие стадий Т2-Т3 по международной классификации ТКМ сопровождается увеличением температуры более чем на 3-4°С над опухолью. Нормальная или незначительно повышенная температура наблюдается при доброкачественных и псевдоопухолевых новообразованиях [9, 16]. При вторичных злокачественных опухолях орбиты наблюдается обширная зона локального повышения температуры, которая может захватывать область орбиты и параорбитальную зону вследствие застойных явлений. Снижение площади зоны гипертермии и уменьшение ее температуры при злокачественных опухолях могут быть одними из критериев эффективности проводимой терапии. При увеитах отмечается равномерная выраженная гипертермия до 3,5°С
[9].
Дистанционная термография может быть использована и в комплексном обследовании для мониторинга состояния зрения у пациентов с первичной открытоугольной глаукомой, поскольку состояние глазного кровотока коррелирует с температурными показателями в соответствующих анатомических отделах [2, 9, 11, 12]. При этом данные медицинской термографии отличаются у пациентов с разными стадиями первичной открытоугольной глаукомы: наиболее высокая температура зоны открытой глазной щели была обнаружена у больных с I стадией данного заболевания, а наименьшая - при наличии IV стадии, что
объясняется снижением объемного кровотока заднего отрезка глаза [12].
В зрелом возрасте наиболее распространенным офтальмологическим
заболеванием является катаракта, одна из главных причин возникновения обратимой слепоты в мире. Помутнение хрусталика служит причиной снижения остроты зрения, что приводит к значительному снижению качества жизни пациентов. Факоэмульсификация катаракты - основной современный способ лечения данного заболевания. В ходе этого оперативного вмешательства после дробления ядра хрусталика с помощью ультразвукового наконечника и аспирации хрусталиковых масс через тоннельный микроразрез имплантируется интраокулярная линза. Несмотря на то, что послеоперационная рана закрывается без наложения швов, у пациентов могут развиться осложнения, которые приводят к снижению функциональных результатов операции. Так, например, у части послеоперационных больных возникает воспалительная реакция на операционную травму, при которой происходит повышение температуры тканей в области очага воспаления. Поэтому регистрация изменений температуры в зоне раны может помочь в диагностике послеоперационных осложнений, установлении прогноза течения
послеоперационного периода, а также исхода лечения [4].
Таким образом, термография является эффективным методом оценки изменения теплопродукции в тканях человеческого организма. Нарушение симметричного распределения температуры на поверхности тела свидетельствует о наличии патологического процесса. Анализ полученных данных позволяет оценить динамику течения этого процесса в ходе проводимого лечения. Однако, следует помнить о небольшой избирательности метода, поскольку
температура является неспецифическим показателем. Следовательно, необходимо применение термографии в совокупности с анализом клинической картины заболевания и данных других методов диагностики.
Список литературы
1. Возможности термографии в диагностике и лечении больных циррозом печени, осложненным портальной гипертензией /А.Ф. Якупов [и др.] //Казанский медицинский журнал. - 2008. - Т. 89, №6. - С. 842-846.
2. Динамический тепловизионный контроль состояния глаза в послеоперационном периоде факоэмульсификации катаракты /Н.Р. Лопатинская [и др.] // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2010. - №2. - С. 346-350.
3. Иваницкий Г.Р. Биофизические основы медицинского тепловидения / Г.Р. Иваницкий, Е.П. Хижняк, А.А. Деев // Биофизика. - 2012. - Т. 57, №1. - С. 130-139.
4. Исследование динамики температуры роговицы после операции факоэмульсификации по данным инфракрасной термографии /Е.И. Герасимова [и др.] //Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т. 15, №1 (51). - С. 89-98.
5. Камзолова О.А. Тепловидение в оценке эффективности восстановительных мероприятий в ревматологии (научный обзор литературы) / О.А. Камзолова //Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. - 2013. - №1. -С. 235.
6. Медицинская термография: возможности и перспективы /А.М. Морозов [и др.] // Казанский медицинский журнал. - 2018. - Т. 99, №2. - С. 264-270.
7. Морозов В.В. Медицинское тепловидение: современные возможности и применение в эндовазальной хирургии / В.В. Морозов, Б.Г. Вагнер, Я.В. Новикова // Фундаментальные исследования. - 2012. - №12-2. - С. 325-330.
8. Павловский Е.Н. Учебник паразитологии человека с учением о переносчиках трансмиссивных болезней / Е.Н. Павловский. - Ленинград: МЕДГИЗ, 1951. - С. 316.
9. Пантелеева О.Г. Компьютерная термография в диагностике злокачественных опухолей глаза и орбиты / О.Г. Пантелеева //Русский медицинский журнал. Клиническая офтальмология. - 2001. - Т. 2, №1. - С. 12.
10. Применение инфракрасной термографии при сосудистых патологиях (краткий обзор) / И.С. Кожевникова [и др.] //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2017. - №5-1. - С. 72-74.
11. Роль высокотехнологичных методов исследования в уточненной диагностике некоторых форм эндокринной офтальмопатии /А.Ф. Бровкина [и др.] // Офтальмология. - 2007. - Т. 4., №4. - С. 24-29.
12. Сравнительный анализ показателей регионарного кровотока и данных дистанционной термографии у больных с первичной открытоугольной глаукомой / Т.Г. Каменских [и др.] //Глаукома. Журнал НИИГБ РАМН. - 2012. - №1. - С. 20-25.
13. Этапы изучения офтальмологии студентами Южно-Уральского государственного университета / Е.В. Бердникова [и др.] / Инновации в образовании и медицине. - Махачкала: Издательство Дагестанского государственного медицинского университета, 2017. - С. 64-69.
14. Jones G. From the ultrasonic to the infrared: molecular evolution and the sensory biology of bats / G. Jones, E.C. Teeling, S.J. Rossiter //Frontiers in physiology. - 2013. - Vol. 4. - P. 117.
15. Molecular evolution of the infrared sensory gene TRPA1 in snakes and implications for functional studies / J. Geng [et al.] //PLoS One. - 2011. - Vol. 6, №12. - P. e28644.
16. Statische und dynamische infrarotthermometrie und -thermographie beim malignen melanom der uvea und konjunktiva. /1. Wittig [et al.] //Klin. Monatsbl. Augenheilkd. - 1992. -V. 201, №5. - P. 317-321.
17. The thermal background determines how the infrared and visual systems interact in pit vipers / Q. Chen [et al.] // Journal of experimental biology. - 2017. - Vol. 220, №17. - P. 3103-3109.
"THERMAL VISION" (INFRARED RADIATION PERCEPTION) IN ANIMALS. BIOLOGICAL PHENOMENON, APPLICATION IN MEDICINE*
SHULYAKOVSKAYA A.S. FSBEI HE SUSMUMOH Russia, Chelyabinsk, Russia e-mail: nastya_shul1996@mail.ru
Abstract
The phenomenon of infrared radiation perception is inherent in a number of living organisms. Thermography is a non-invasive diagnostics method, which is based on the registration of infrared radiation sources and the conversion of the data into thermogram. It is known that many pathological processes in the human body occur with a change in the normal temperature distribution on the surface of the body. Currently, remote thermography is used with increasing frequency in ophthalmology. This method allows to diagnose eye tumors, endocrine ophthalmopathy, to determine the effectiveness of drug therapy in the postoperative period of cataract phacoemulsification.
Keywords: thermal imaging, functional diagnostics, ophthalmology, medicine, thermography.
* Научные руководители: преп. Шлепотина Н.М., к.м.н., доц. Тур Е.В.
