Реферат - Інфрачервона термографія

Подождите немного. Документ загружается.

Чорноморський державний університет

ім. Петра Могили

Факультет еколого-медичних наук

Реферат на тему:

«Інфрачервона термографія»

Виконав: студент 372 гр

Бондатій В.В.

Перевірив: доктор ф-м н.,

професор Чуйко Г.П.

Миколаїв 2011

План

Вступ

1. Історія розвитку

2. Фізичні аспекти ІЧ термографії

3. Медичні тепловізори

4. Термографія в медицині

5. Переваги та недоліки ІЧ термографії

Висновки

Вступ

Термографія - метод реєстрації інфрачервоного випромінювання від поверхні

тіла людини. Знаходить застосування в онкології для диференціальної

діагностики пухлин молочної, слинних і щитовидної залоз, захворювань

кісток, метастазів раку в кістки і в м'яких тканинах. Фізіологічною основою

термографії є збільшення інтенсивності теплового випромінювання над

патологічними джерелами в зв'язку з посиленням в них кровопостачання і

обмінних процесів. Зменшення інтенсивності кровообігу в тканинах і органах

показується "згасанням" їх теплового поля.

Термографія - добре відомий діагностичний інструмент, який дозволяє

виявити патології, грунтуючись на відхиленнях розподілу температури по

поверхні тіла людини. Обстеження неінвазивно. Інформація, що отримується

методами традиційної термографії, може бути істотно розширена шляхом

застосування динамічного інфрачервоного термокартування. Це значно

підвищує діагностичні можливості методу, особливо на ранніх стадіях

розвитку захворювань.

Історія розвитку

Існування теплового випромінювання за межами видимого спектру було

відкрито Вільямом Гершелем в 1800 р. За допомогою термометра, що

розміщується за червоною ділянкою сонячного спектра при проходженні

випромінювання крізь диспергуючу призму, Гершель виявив невидиме оком

випромінювання, що несе енергію і виявляється своєю тепловою

дією. Згодом він довів, що це випромінювання, назване інфрачервоним,

підкоряється тим же законам, що й видиме світло.

Тільки в 1830 р. з'явилися перші приймачі інфрачервоного випромінювання

на основі принципу роботи термопари, які стали називати термоелементами.

Поява в 1880 р. терморезистивних матеріалів, тобто матеріалів, електричний

опір яких змінюється залежно від температури (Болометри), дозволило

істотно поліпшити чутливість приймачів інфрачервоного випромінювання.

У період 1870-1920 рр.. прогрес техніки забезпечив розробку перших

фотонних приймачів, основаних на прямій взаємодії між фотонами

випромінювання і електронами матеріалу приймача. Природа виявлення

випромінювання тут інша - мова йде вже не про виникнення електричного

сигналу у відповідь на теплову дію, а про безпосереднє перетворення

випромінювання в електричний сигнал. Ці приймачі, фоторезистори або

фотодіоди, мають набагато більшу швидкодію і більш високу чутливість,

ніж теплові приймачі.

У період 1930-1944 рр.. були розроблені приймачі на основі сульфіду

свинцю (PbS), в основному для військових цілей. Ці приймачі чутливі у

спектральному діапазоні 1,5-3 мкм. У 1940-1950 рр.. робочий спектральний

діапазон був розширений на середню інфрачервону область C-5 мкм), коли

з'явився приймач з антимоніду індію (InSb), а в 1960-х рр.. почалося

застосування в більше довгохвильовому діапазоні 8-14 мкм приймачів КРТ

(кадмій - ртуть-телур (HgCdTe)). Приймачі цих типів потребують

охолодження.

Фотонні приймачі завдяки високій чутливості та швидкодії дозволили

розробити термографічні і тепловізійні системи, засновані на виявленні

інфрачервоного випромінювання, що випускається тілами в інтервалі довжин

хвиль 2-15 мкм.

Фізичні аспекти ІЧ термографії

Матерія безперервно випускає й поглинає електромагнітне випромінювання.

Процес випромінювання пов'язаний зі збудженням молекул усередині

речовини, в результаті чого виникають випромінювальні переходи

електронів. Енергія, що виділяється , несеться квазічастинками - квантами

(фотонами) електромагнітного поля, маючи енергію W.

Довжина хвилі випускається випромінювання обернено пропорційна енергії,

виділилася при переході. Важливо відзначити в цьому зв'язку, що в

інфрачервоній області в порівнянні з видимою довжини хвиль великі й

енергія відповідно мала. Це зумовлює труднощі у виявлення окремих

фотонів інфрачервоного випромінювання. Якщо в речовині відбуваються всі

можливі переходи (теплове збудження молекул), то кожен атом випромінює

певну енергію, а в сукупності енергетичні рівні приймають всі можливі

значення; розподіл енергії за довжинами хвиль у такому разі безперервний і

спектр випускання випромінювання безперервний. У деяких середовищах

дозволеними виявляються тільки цілком певні переходи (квантовані

переходи електрона всередині атома), випромінювання відбувається тоді на

дискретних довжинах хвиль і спектр випускання випромінювання

лінійчатий. Явище поглинання випромінювання речовиною є зворотним

процесом і може бути більш-менш селективним на довжинах хвиль,

властивих розглянутому середовищу.

Інфрачервоний спектр відповідає області випромінювання речовини при

температурах, що спостерігаються зазвичай на поверхні Землі. При цих

температурах, званих звичайними, всі тіла мають помітне

випромінювання. Об'єкт, який не повинен спостерігатися в інфрачервоній

області, слід охолоджувати. Так, для зменшення в 100 разів випромінювання

в околиці L = 4 мкм об'єкта з температурою + 20 ° С його слід охолодити

приблизно на сотню градусів. З урахуванням характеристик приймачів, що

використовуються для виявлення випромінювання, інфрачервону область

ділять на три великі ділянки-ближня інфрачервона область (довжини хвиль

0,75-1,5 мкм), середня інфрачервона область (Довжини хвиль 1,5-20 мкм) і

дальня інфрачервона область (довжини хвиль 20-1000 мкм).

Інфрачервоне випромінювання в ближній інфрачервоній області виявляється

спеціальними фотографічними емульсіями (чутливими в області до

L = 1 мкм), фотоелементами із зовнішнім фотоефектом, а також

фоторезисторами і фотодіодами. У середній інфрачервоній області

інфрачервоне випромінювання виявляється тепловими приймачами,

фоторезисторами і фотодіодами. У далекої інфрачервоної області для

виявлення випромінювання застосовуються восновному теплові приймачі.

У інфрачервоній області довжини хвиль виражаються, як правило, в

мікрометрах (мкм). У деяких випадках, особливо в спектроскопії, прийнято

використовувати хвильові числа .

Медичні тепловізори

Тепловізор - пристрій для спостереження за розподілом температури

досліджуваної поверхні. Розподіл температури відображається на дисплеї

(або в пам'яті) тепловізора як кольорове поле, де певній температурі

відповідає певний колір. Як правило, на дисплеї відображається діапазон

температури видимої в об'єктив поверхні. Типове розширення сучасних

тепловізорів - 0,1 ° C.

У найбільш бюджетних моделях тепловізорів, інформація записується в

пам'ять пристрою і може бути прочитана через інтерфейс підключення до

комп'ютера.Такі тепловізори зазвичай застосовують в парі з ноутбуком або

персональним комп'ютером та програмним забезпеченням, що дозволяє

приймати дані з тепловізора в режимі реального часу.

Розрізняють для спостереження та вимірювальні тепловізори. Перші просто

роблять зображення в інфрачервоних променях . Вимірювальні тепловізори,

крім того, присвоюють значенням цифрового сигналу кожного пікселя

відповідну температуру, в результаті чого виходить картина розподілу

температур.

Сучасні тепловізорні системи почали свій розвиток у 60-ті роки минулого

століття, як одноелементні приймачі, зображення в яких будувалося за

допомогою точкового зсуву оптичної апаратури. Такі пристрої були вкрай

непродуктивними і дозволяли спостерігати об'єктні температурні зміни з

дуже низькою швидкістю.

З розвитком напівпровідникової техніки і появою фотодіод них комірок ПЗЗ,

що дозволяють зберігати прийнятий світловий сигнал, стало можливим

створення сучасних тепловізорів на основі матриці ПЗС датчиків, сигнали з

яких, якщо говорити спрощено, розшифровуються дешифратором,

обробляються в центральному процесорі пристрої, шикуючись у певну

послідовність, яка потім проектується на РК матрицю у вигляді розподілу

температур, позначених різними кольорами видимої частини спектру. Даний

принцип побудови зображень дозволив створити портативні пристрої, з

високою швидкістю обробки інформації, які дозволяють вести контроль за

зміною температур в режимі реального часу.

Найбільш перспективним напрямом розвитку сучасних тепловізорів є

застосування технології неохолоджуваних болометрів, заснованої на

надточному визначенні зміни опору тонких пластинок, під дією теплового

випромінювання всього спектрального діапазону. Дана технологія активно

застосовується у всьому світі для створення тепловізорів нового покоління,

що відповідають найвищим вимогам щодо мобільності та безпеки

використання .

Тепловізори діляться на:

Стаціонарні. Призначені для застосування на промислових підприємствах

для контролю за технологічними процесами в температурному діапазоні від -

20 до +20000 ° C. Такі тепловізори, часто мають азотне охолодження, для

того, щоб забезпечити нормальне функціонування приймальної

апаратури. Основу таких систем складають, як правило, тепловізори третього

покоління, зібрані на матрицях напівпровідникових фотоприймачів.

Переносні. Новітні розробки в області застосування тепловізорів на базі

неохолоджуваних мікроболометрів з кремнію, дозволило відмовитися від

використання дорогої і громіздкої охолоджуючої апаратури. Ці прилади

володіють всіма достоїнствами своїх попередників, таких як малий крок

вимірюваної температури (0,1 ° C), при цьому дозволяють застосовувати

тепловізори в складних оціночних роботах, коли простота використання і

портативність відіграють дуже велику роль. Більшість портативних

тепловізорів мають можливість підключення до стаціонарних комп'ютерів чи

ноутбуків для оперативної обробки даних, що надходять.

Тепловізори часто плутають з приладами нічного бачення, хоча різниця між

ними істотна. Класичний прилад нічного бачення дозволяє орієнтуватися при

низькому рівні освітленості, посилюючи світло, що потрапляє в об'єктив. У

багатьох випадках яскравий об'єкт, який опинився в полі зору, «сліпить»

прилад. З цим намагаються боротися, іноді - добре, іноді - в недорогих

масових приладах - не дуже. Тепловізор же світла не потребує. Він,

звичайно, може бути використаний в якості приладу нічного бачення, тільки

завдання тут вирішено інакше. Відома філософська конструкція про темряву

як про відсутність світла взята в тепловізійній техніці на озброєння:

дивимося на те, що є, в даному випадку на тепло.

Термографія в медицині

Термографія в медицині (грец. thermē теплота, жар + graphō писати,

зображати; синонім теплобачення) - метод реєстрації інфрачервоного

випромінювання тіла людини з метою діагностики різних захворювань.

У нормі кожна область поверхні людського тіла має характерну

термографічні картину. Так, в області голови і шиї у здорової людини

виділяються зони більш високої температури над великими кровоносними

судинами (наприклад, в надключичній області), в ротовій області, в області

чола і очниць; температура на поверхні повік, кінчика носа, вушної раковини,

очних яблук , над бровами і волосистої частини голови нижче; температура

верхніх відділів молочних залоз у жінок вища, ніж нижніх; температура

ареоли (навколососкового гуртка) і нижніх відділів молочних залоз більш

постійна, ніж верхніх. Зміна в нормальному розподілі температур є ознакою

патологічного процесу.Збільшення інтенсивності інфрачервоного

випромінювання над патологічними джерелами пов'язане з посиленням в них

кровопостачання і метаболічних процесів, зменшення його інтенсивності

спостерігається в області із зменшеним регіонарним кровотоком і супутніми

змінами в тканинах і органах.

Термографії, будучи нешкідливим неінвазивним методом, застосовується для

виявлення пухлин молочних, слинних і щитовидних залоз, а також для

диференціальної діагностики доброякісних і злоякісних новоутворень

(особливо велика роль її у виявленні пухлин, зокрема раку in situ). Вона

використовують при виявленні закритих переломів, забитих місць, для

визначення активності артритів, бурситів, меж опікових уражень і

відморожень, при діагностиці гострого апендициту, панкреатиту,

холециститу та ін За допомогою термографії можна оцінювати ступінь

порушення мозкового кровообігу; вона дозволяє діагностувати оклюзійні

ураження , зокрема загальної та внутрішньої сонних артерій. Діагностична

цінність методу встановлено при різних захворюваннях жіночої статевої

сфери, в акушерстві (діагностика вагітності), стоматології, офтальмології,

дерматології та ін Її використовують для оцінки результатів мікрохірургічних

операцій, протезування та шунтування артерій великого калібру при

реконструктивних операціях на великих судинах і судинах серця,

при пересадці нирок, а також для контролю за ефективністю деяких видів

консервативного лікування.

Протипоказань до термографії не існує, дослідження можна повторювати

багато разів.

Термографію проводять безконтактним і контактним способами.

Безконтактне дослідження може бути виконане як термоскоп (візуалізація

теплового поля тіла або його частини на екрані тепловізора), термометрія

(вимірювання температури поверхні тіла за допомогою градуйованою або

колірної шкали і еталонного випромінювача) і термографія (реєстрація

теплового поля на фотоплівці або електрохімічної папері у вигляді

монохроматичної або кольоровий термограмми). Для проведення

безконтактної термографії використовують спеціальні прилади - тепловізори

або термографи, що сприймають та реєструючі теплове випромінювання тіла

в інфрачервоній області спектру. При зменшенні температури будь-яких

ділянок тіла змінюється величина потоку випромінювання. Це зміна

перетвориться за допомогою термографів в електричний сигнал, який

посилюється і відтворюється на екрані у вигляді чорно-білого або

кольорового зображення - термограми. Контактну (рідкокристалічну)

термографію проводять за допомогою рідких кристалів, що володіють

оптичною анізотропією і змінюють колір залежно від температури .

Контактні термограмми отримують шляхом прикладання до поверхні тіла

досліджуваної області плівки або паст з рідкокристалічним з'єднанням .

Підготовка до термографії передбачає виключення протягом 10 днів перед

дослідженням прийому гормональних препаратів, лікарських засобів, що

впливають на тонус судин, а також накладення будь-яких мазей на

досліджувану область тіла. Термографію органів черевної порожнини

проводять натщесерце. Дослідження молочних залоз виконують на 8-10-й

день менструального циклу.

Дослідження здійснюють у спеціальних кабінетах, де підтримують постійну

температуру (+22,5 ± 1 °) і вологість (60 ± 5%) повітря. Обов'язкова адаптація

досліджуваного до температури навколишнього середовища, для чого

пацієнта за 15-20 хв до дослідження слід роздягнути. Термографію проводять

в різних проекціях і при різних положеннях тіла пацієнта (стоячи, лежачи).

Аналіз даних включає їх якісну (розподіл «гарячих» і «холодних» ділянок) і

кількісну (з визначенням показників різниці температур досліджуваної

ділянки в порівнянні з симетричною зоною тіла, навколишніми тканинами,

умовно обраної областю) оцінку, а також обробку зображення за

допомогою ЕОМ. Наявність патологічного процесу може виявлятися одним з

трьох термографічних ознак: появою аномальних зон гіпертермії або

гіпотермії, порушенням нормальної термотопографії судинного малюнка, а

також зміною градієнта температури в досліджуваній зоні. Так, запальні

процеси зумовлюють зміну величин градієнта температур між зоною

ураження і навколишніми тканинами, що становить при хронічному

запальному процес 0,7-1 °, при гострому - до 1-1,5 °, при гнійно-

деструктивному - 1,5-2 ° . Крім зміни градієнтів температур на термограммах

при запальних процесах реєструється зона гіпертермії, за формою, розмірами

і розташуванням відповідна області найбільш виражених патологічних

змін.Найчастіше ця зона має неоднорідну структуру, помірну або високу

інтенсивність світіння. Важливим критерієм відсутності патології в молочних

залозах є однаковий ступінь вираженості і симетричність термографічних

показників; рак молочної залози супроводжується появою аномальних

ділянок гіпертермії. При злоякісних пухлинах і метастазах в кістках та м'яких

тканинах зона гіпертермії на термограммах має інтенсивне світіння, округлу

або неправильну форму, різкі контури, однорідну структуру. Відзначається

асиметрична гіперваскуляризація області патологічного джерела з наявністю

розширених і хаотично розташованих судин. Градієнт температур зони

гіпертермії та симетричною області перевищує 2-2,5 °, градієнт температур

по відношенню до оточуючих тканин перевищує 2 °.

Термограмми верхніх і нижніх кінцівок в нормі відрізняються вираженою

симетрією рисунка, при цьому температура дистальних відділів кінцівок

нижче температури їх проксимальних відділів. Порушення кровообігу в

кінцівках на термограммах можуть бути представлені при тромбозі вен і

тромбофлебіті зоною гіпертермії, за формою, розмірами та топографії

відповідної області порушеного кровообігу, при ангіоспазмі або органічному

ураженні артеріальних судин - зоною гіпотермії, за формою, розмірами та

топографії відповідній гілці різкого зниження кровотоку. При варикозному

розширенні вен - порушенням судинного малюнка в зоні

ураження. Термографічне зображення області живота, в нормі

характеризується плямистістю малюнка в зважаючи на значне розмаїття

патологічних процесів в черевній порожнині значно варіює.

З огляду на те, що термографія як діагностичний метод не є достатньо

надійною, дані, отримані з її допомогою, необхідно зіставляти з даними

клінічного, рентгенологічного, радіонуклідного та інших методів