CC BY
157
ВРЕМЕННОЕ МАТРИЧНОЕ ТЕПЛОВИДЕНИЕ В БИОМЕДИЦИНЕ
Г.Р.Иваницкий, А.А.Деев, Л.Н.Хижняк, Е.П.Хижняк Институт теоретический и экспериментальной биофизики РАН
Институт биофизики клетки РАН 142290 Россия, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская 3 E-mail: [email protected]
Ранняя диагностика сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний является одной из наиболее важных задач современной медицины. Осложнения от запущенных форм облитерирующего атеросклероза сосудов нередко заканчиваются гангреной и ампутацией нижних конечностей, а окклюзия магистральных артерий может быть причиной летальных исходов. Варикозная болезнь - одно из самых распространенных заболеваний сосудистой системы, которой страдают более 50% женщин в послеродовом периоде, во многих случаях протекает практически без каких-либо видимых проявлений. Ранняя неинвазивная диагностика рака молочной железы, которая могла бы применяться при профилактических обследованиях, приобрела статус жизнесохраняющей технологии. Использование маммографии для профилактических обследований ограничивается лучевой нагрузкой, а механическая нагрузка не только сопровождается сильными болевыми ощущениями, но и может провоцировать развитие опухоли.
Температура является важной характеристикой функционального состояния организма 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.
Наиболее совершенным способом регистрации пространственного распределения температур является метод инфракрасной (ИК) термографии. Метод ИК диагностики абсолютно безвреден для человека, так как в его основе лежит принцип регистрации температурных распределений по собственному тепловому излучению объектов. Поэтому он может без каких-либо ограничений использоваться для профилактических обследований пациентов с целью раннего выявления многих патологических процессов.
Существуют 2 типа матричных ИК систем: охлаждаемые и неохлаждаемые. Современные охлаждаемые ИК камеры, фотоприемники которых работают при температуре жидкого азота (-196оС), обеспечивают чувствительность (ограниченную температурным эквивалентом шума) 0,015-0,02оС при скорости регистрации до 400 кадров в секунду. При компьютерной обработке ИК изображений чувствительность таких ИК систем может быть повышена до тысячных долей градуса при скорости 25-50 кадров в секунду. Охлаждаемые ИК камеры могут работать в диапазонах 3-5 и 8-12 мкм.
Неохлаждаемые микроболометрические ИК камеры имеют чувствительность 0,04-0,08 оС при скорости 50 кадров в секунду и работают в диапазоне 7-14 мкм.
Учитывая, что матрицы ИК камер состоят из десятков-сотен тысяч фотоприемников, имеющих индивидуальную чувствительность, начальное смещение и нелинейность, калибровка камер приобретает принципиальное значение для их использования в измерительных целях. В результате калибровки компенсируется неравномерность параметров фотоприемников и выравнивается пространственная чувствительность. Однако после калибровки неохлаждаемые камеры не позволяют обеспечить необходимую точность измерения абсолютных значений температур. Для обеспечения точности измерений абсолютных значений температур необходима дополнительная коррекция результатов измерений в процессе обследования пациентов либо с использованием внешних температурных
образцов типа «Черное тело», расположенных в поле зрения ИК камеры, либо - по максимальной температуре в области глаз пациентов, которая достаточно точно соответствует температуре пациента, измеренной с помощью медицинского ушного ИК термометра [1]. Поправка, необходимая для измерений абсолютных температур, рассчитывается как разность между истинным значением температур в заданной области температурного образца или глаза, и текущим значением температуры в той же области, измеренной с помощью ИК камеры (Рис.1).
Черное тело в поле камеры Температурный профиль
Рис.1. Видимое и ИК-изображение области глаз и температурный профиль области глаз, используемый для коррекции измерений
Кроме того, такая методика позволяет определить поправочные значения, обусловленные оптическими особенностями камер и излучательной способностью кожи, что открыло возможность использования неохлаждаемых ИК камер для медицинской диагностики, в том числе - для измерения абсолютных значений температур. Сравнение возможностей охлаждаемых и неохлаждаемых ИК систем демонстрирует рис 2.
a) 3-5 мкм b) 8-12 мкм с) 3-5 мкм d) 8-12 мкм
Рис. 2. Сравнительные термограммы пациентов, страдающих варикозной болезнью, зарегистрированные с помощью охлаждаемой ИК камеры на диапазон 3-5 мкм (a,c) и неохлаждаемой микроболометрической ИК камеры на диапазон 8-12 мкм (b,d).
В наших исследованиях использовались матричные инфракрасные камеры двух типов:
• охлаждаемые камеры типа JADE и TITANIUM, фирмы CEDIP, Франция, на спектральный диапазон 3-5 мкм с матрицами размером 320х240 и 320х256.
• неохлаждаемая микроболометрическая камера типа JADE UC (той же фирмы) на диапазон 8-12 мкм с системой термостабилизации матрицы размером 384х288.
ИК системы были оснащены скоростными 14-разрядными системами захвата и обработки изображений, обеспечивающими регистрацию термограмм в диапазоне
температур от 20 до 40оС с разрешением по температурному контрасту не хуже 0,002оС. Температурный эквивалент шума у охлаждаемых камер не превышал 0,015оС, а у неохлаждаемой камеры - не более 0,08оС.
На Рис.3 представлены корреляционные соотношения между истинной анатомической структурой сосудов и пространственным распределением температур. ИК картины практически точно соответствуют анатомической структуре сосудов, при четком различии проекций артерий и вен.
Проекция артерии Проекция вен
а б
Рис 3. Видимая (а) и ИК картина (б) сосудов на внутренней области предплечья.
ИК картины практически точно соответствуют анатомической структуре сосудов, при четком различии проекций артерий и вен.
Облитерирующий атеросклероз сосудов нижних конечностей характеризуется резким снижением температуры в области от нижней трети голени до пальцев стопы. При температурной шкале 30-38°С на термограммах не просматривается область нижних конечностей от нижней трети голени до пальцев стопы (рис. 4,а), а гистограммы температурных распределений расширяются в сторону низких значений температур.
После нагрузки
а б
Рис.4. ИК термограмма пациента, страдающего облитерирующим атеросклерозом сосудов нижних конечностей в стадии П-В, и гистограммы температурных распределений в зависимости от степени поражения сосудов (а), и эффект нагрузочной пробы (б).
Степень поражения сосудов оценивается по двум диагностическим критериям: перепаду температур от области голени до пальцев стопы и гистограмме температурных распределений по области голень-стопа.
Применение процедуры нагрузочной пробы в ходе термографических обследований является весьма информативным методом дифференциальной диагностики эффективности кровоснабжения различных участков нижних конечностей, а также - контроля эффективности лечения заболеваний, обусловленных сосудистой недостаточностью. На рис.4,б приведены термограммы
области ног пациента, страдающего облитерирующим атеросклерозом сосудов нижних конечностей до и после нагрузочной пробы.
Учитывая, что возможность ходьбы лежит в основе классификации хронической артериальной недостаточности нижних конечностей по тяжести заболевания, количественные термографические исследования эффекта нагрузочной пробы представляет особый интерес, поскольку результаты термографических обследований могут быть напрямую связаны со стадиями хронической артериальной недостаточности.
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 температур в области ног наряду с резким увеличением температурного контраста в области сосудов (Рис. 4,б).
Ранняя диагностика варикозного расширения вен является весьма актуальной проблемой, поскольку во многих случаях заболевание развивается без видимых проявлений, и большинство женщин, страдающим этим заболеванием сосудов, имеют запущенные формы заболевания. Профилактические обследования с применением техники матричной ИК-термографии позволяют распознать эту патологию на очень ранних стадиях развития, а результаты сравнительных повторных термографических обследований делают возможной корректировку процесса лечения.
На рис.5 представлены результаты термографических обследований пациентки, страдающей варикозным расширением вен в бедренной области левой ноги и пациента, страдающего варикозным расширением вен в области голени левой и правой ноги.
Я ■
■ А
Рис. 5. Гистограммы температурных распределений в областях пораженных сосудов расширены в сторону больших значений температур на 3-4оС, при этом гистограммы пораженных участков сосудов существенно отличаются от гистограмм здоровых участков
Накопленный опыт применения матричных ИК систем для диагностики сосудистых патологий свидетельствует о перспективности применения современных ИК камер для ранней диагностики онкологических заболеваний при профилактических обследованиях.
1. Тепловидение в медицине: сравнительная оценка инфракрасных систем диапазонов длин волн 3-5 и 8-12 мкм для диагностических целей (Иваницкий Г.Р., Деев А.А., Хижняк Е.П., Хижняк Л.Н) // Доклады Академии наук (ДАН), 2006, том 407, №2, стр. 258-262. 2.Особенности температурных распределений в области глаз (Иваницкий Г.Р., Хижняк Л.Н., Деев А.А., Крестьева И.Б., Хижняк Е.П.) / ДАН, 2004, том 398, № 5, стр. 709-714.
BIOMEDICAL APPLICATION OF MODERN FPA THERMOGRAPHY
G.R.Ivanitsky, A.A.Deev, L.N.Khizhnyak, E.P.Khizhnyak Institute of Theoretical and Experimental Biophysics Russian Academy of Sciences, Institute of Cell Biophysics Russian Academy of Sciences Pushchino, Moscow Region, 142290 RUSSIA
It has been demonstrated that modern cooled and uncooled focal plane array (FPA) infrared cameras could be successfully used for earlier diagnosis of vascular diseases and breast cancer.
