Тепловидение – это быстрый, пассивный и неинвазивный метод медицинской визуализации, используемый для измерения и анализа физиологических функций и патологии, связанных с тепловым гомеостазом и температурой тела. Методика включает в себя обнаружение инфракрасного излучения, которое может быть напрямую связано с распределением температуры определенной области тела. Организм человека способен поддерживать постоянную температуру, которая может отличаться от температуры окружающей среды. Температура тела поддерживается в небольших пределах, как правило, на уровне 37 ± 1 ° С, что крайне важно для нормального функционирования человеческого организма.
Изменение температуры тела на несколько градусов считается явным признаком вероятного заболевания. Тепловидение было успешно использовано в диагностике рака молочной железы, диабетической невропатии и заболеваний периферических сосудов. Он также использовался для выявления проблем, связанных с гинекологией, трансплантацией почек, дерматологией, сердцем, физиологией новорожденных, обследованием лихорадки и визуализацией головного мозга. С появлением современных инфракрасных камер, методов сбора и обработки данных стало возможным получать термографические изображения в реальном времени с высоким разрешением.
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают электромагнитное излучение, которое известно как инфракрасное излучение или тепловое излучение. Длина волны этого излучения лежит в диапазоне 0,75–1000 мкм. Этот широкий диапазон может быть далее разделен на три более мелкие группы: ближний инфракрасный диапазон – NIR (0,76–1,5 мкм), средний инфракрасный – MIR (1,5–5,6 мкм) и дальний инфракрасный – FIR (5,6–1000 мкм). Согласно теории теплового излучения, черное тело рассматривается как гипотетический объект, который поглощает все падающее излучение и излучает непрерывный спектр. Закон Стефана – Больцмана для полного излучения, испускаемого совершенным черным телом, определяется как
R (T) = sAT4
<Р> Где
R (T) – полная мощность, излучаемая в полушарие
S – постоянная Стефана-Больцмана (5,67 x 10-8 Вт м-2 К-4)
A – эффективная излучающая площадь тела
T – абсолютная температура излучающей поверхности
Для реальных поверхностей,
R (T) = e (T) sAT4
Где e (T) – излучательная способность излучающей поверхности при фиксированной длине волны и абсолютной температуре T
Для теплового черного тела излучательная способность равна единице, но для реальных поверхностей излучательная способность всегда меньше единицы.
Скорость потери тепла между двумя поверхностями при T1 и T2 составляет = A s [e (T1) T1 4-e (T2) T2 4]
Эти лучистые тепловые потери составляют основу тепловидения.
Излучательная способность различных тканей человека при 40 ° С в инфракрасном диапазоне длин волн
<Р> Tissue
<Р> Лучеиспускаемость
Черная кожа (3–12 мкм)
0,98 ± 0,01
Белая кожа (3–14 мкм)
0,97 ± 0,02
Обожженная кожа (3–14 мкм)
0,97 ± 0,02
Эпикард (свежий: 0,5 ч) 3 мкм
<Р> 0,85
Эпикард (свежий: 0,5 ч) 5 мкм
<Р> 0,86
Эпикард (9 дней при -20 ° С)
<Р> 0,99
Перикард (3 мкм)
<Р> 0,88
Перикард (5 мкм)
<Р> 0,94
Перикард (9 мкм)
<Р> 0,95
Инфракрасное излучение кожи человека происходит в диапазоне от 2 до 20 мкм с максимальным излучением около 10 мкм. Излучательная способность кожи человека практически постоянна и составляет 0,98 ± 0,01 для диапазона длин волн от 2 до 14 мкм. Steketee обнаружил, что излучательная способность белой кожи, черной кожи и обожженной кожи одинакова и не зависит от длины волны.
Инфракрасное сканирующее устройство используется для преобразования инфракрасного излучения, испускаемого с поверхности кожи, в электрические импульсы, которые визуализируются в цвете на мониторе. Это визуальное изображение графически отображает температуру тела и называется термограммой. Спектр цветов указывает на увеличение или уменьшение количества инфракрасного излучения, которое испускается с поверхности тела. Поскольку в нормальном теле наблюдается высокая степень тепловой симметрии, можно легко определить тонкую аномальную температурную асимметрию.
Типичное устройство формирования изображения состоит из системы для сбора излучения из четко определенного поля зрения и детектора, который преобразует сфокусированное на нем излучение в электрический сигнал. С 1960 по 1975 годы изображения были сделаны с помощью сканирующих систем, в которых использовались одиночные ИК-детекторы. Период с 1975 по 1995 год ознаменовался коммерческой разработкой детектора SPRITE (обработка сигнала в элементе), линейных массивов и двумерных массивов. С 1993 года стали доступны детекторы на основе матрицы фокальной плоскости (FPA).
одиночные фотоприемники
Это устройства полупроводникового типа, в которых поглощение фотонов приводит к высвобождению связанных электронов или носителей заряда пропорционально интенсивности падающего излучения. Для того чтобы энергетические зазоры были достаточно малы, чтобы позволить детектирование излучения за пределами 10 мкм, использовались детекторы из смешанных кристаллов, такие как CdHgTe (CMT) и PbTe.
Параметры, по которым обычно определяются фотонные ИК-детекторы: чувствительность, шум, детектирование, длина волны отсечки и постоянная времени. Чувствительность (R) – это отношение выходного напряжения к излучаемой входной мощности, выраженное в вольтах на ватт. Поскольку выходное напряжение, вызванное падающим инфракрасным излучением, составляет очень небольшую долю, составляющую приблизительно 10-5 от напряжения смещения постоянного тока на детекторе, чувствительность измеряется путем воздействия на детектор рубленого излучения от калиброванного источника при 500 К и измерения переменного напряжения компонент на частоте прерывания. Ответственность (R, 500 K) обычно составляет 104-105 В Вт-1 для CMT-детекторов, работающих при -196 ° C. Шум вместе с чувствительностью определяет способность детектора обнаруживать небольшие входные сигналы. Это указывается в вольтах на герц на одной или нескольких частотах или в виде спектра шума.
Обнаружение (D) определяется как: D = 1 / NEP, где NEP – это эквивалентная мощность шума, которая представляет собой среднеквадратичное значение модулированной синусоидальной мощности излучения, падающей на детектор, который вызовет напряжение сигнала плеча (Vs ) равно среднеквадратичному шумовому напряжению (VN) от детектора. Для многих фотонных детекторов NEP прямо пропорционален квадратному корню из площади детектора, и становится целесообразным использовать нормированную детективность D *, заданную как * = DAd1 / 2 (if) = (Vs / Vn) [Ad ( if)] 1/2 / WwhereAd – площадь детектора, если – ширина полосы частот измерительной системы, W – мощность излучения, падающего на детектор (RMS).
D * зависит от длины волны излучения и частоты, на которой измеряется шум. В качестве достоинства, D * позволяет рассчитать теоретическую максимальную обнаруживаемость, которая применима, когда рабочие характеристики ограничены только шумом из-за флуктуации фонового излучения. Постоянная времени G детектора – это время между отключением падающего излучения и падением выходного сигнала детектора на 63%. Типичные постоянные времени варьируются от доли микросекунды для CMT-детекторов до нескольких микросекунд для InSb-детекторов.
Детектор является частью системы визуализации, производительность которой обычно определяется с точки зрения температурного разрешения, углового разрешения и поля зрения. Температурное разрешение – это мера наименьшей разницы температур в сцене, которую может решить тепловизор. Это зависит от эффективности оптической системы, чувствительности и шума детектора, а также от SNR схемы обработки сигнала. Разрешающая способность по температуре может быть выражена двумя способами: разность температур, эквивалентная шуму (NETD), которая представляет собой разность температур, для которой SNR на входе на дисплей равно единице, и минимальная разность разрешаемых температур (MRTD), которая является наименьшей разностью заметен на дисплее. Большая часть медицинской термографии была проведена в системах с МСПД от 0,1 до 0,3 К. Угловое разрешение обычно составляет 1–3 мрад, но может достигать 0,5 рад.
В системе формирования изображений, способной передавать и фокусировать инфракрасное излучение, сцена просматривается с помощью оптической линзы. Высокое значение коэффициента преломления ИК-излучения является преимущественным в конструкции линзы, но материалы, которые имеют высокие показатели преломления, имеют тенденцию иметь низкий коэффициент пропускания. Эти высокие потери на отражение могут быть устранены антиотражающими покрытиями, которые увеличивают коэффициент пропускания до 95% – 97% для данного диапазона длин волн. Германий и кремний часто используются для инфракрасных оптических компонентов.
Достижения в области инфракрасных технологий привели к улучшению разрешения систем визуализации, и разработчики систем визуализации пытаются разработать соответствующие оптические системы. Это привело к поиску ахроматических ИК-оптических материалов и использованию халькогенидных стекол. Эти очки на основе селена хорошо сочетаются с другими инфракрасными оптическими материалами и обеспечивают оптический материал высокого разрешения, работающий в атмосферных окнах размером 3–5 и 8–12 мкм.
В системах сканирования первого и второго поколений использовались конфигурации линз, вращающихся призм, качающихся зеркал или вращающихся многогранных зеркальных барабанов. Точный дизайн зависел от коммерческих особенностей и функционального назначения тепловизора. Одноэлементные детекторы имеют преимущество простоты, как в электронном, так и в механическом отношении. Есть два преимущества замены одного детектора на многоэлементный массив из n подобных детекторов. Уровень шума снижается, поскольку сигнал увеличивается пропорционально n, тогда как шум увеличивается пропорционально n1 / 2, а более высокие скорости сканирования, которые можно получить с помощью матричных детекторов, делают этот инструмент важным для исследования быстрых изменений температуры. В клиническом контексте визуализация в реальном времени с высоким разрешением позволяет точно сфокусироваться на поверхности кожи и непрерывно наблюдать за тепловыми изменениями, что позволяет проводить переходные или динамические исследования на пациентах.
Значительным достижением в технологии обработки изображений стал детектор SPRITE. Детектор SPRITE CMT выполняет задержку и добавляет функции в элемент, так что один детектор заменяет линейный массив детекторов. В обычной линейной матрице сигнал от каждого чувствительного к инфракрасному излучению элемента предварительно усиливается, а затем добавляется к сигналу, который генерируется в соседнем элементе. В SPRITE отдельные элементы заменены одиночной ИК-полоской, установленной на сапфировой подложке. Требуется только один канал усилителя и имеет оптимальное усиление на высоких скоростях. Восьмиэлементный детектор SPRITE по производительности эквивалентен массиву из как минимум 64 дискретных элементов, но требует гораздо меньшего количества соединений. Располагая детекторы в стеке, выходы могут быть сохранены в параллельных линейных регистрах, последовательно соединенных с совместимой с телевизором скоростью отображения.
Массивы наблюдения в фокальной плоскости
С 1993 года большая часть более ранней технологии, в которой использовались одиночные детекторы, линейные массивы и детекторные матрицы SPRITE, была заменена разработкой детекторов с начальной матрицей. Эти камеры третьего поколения предлагают изображения с более высоким температурным разрешением в режиме реального времени. Отсутствие механизма сканирования означает, что все твердотельные камеры FPA очень компактны и бесшумны в использовании. Сцена просматривается через объектив, и при необходимости может быть установлен фильтр для просмотра ИК-излучения выше определенной длины волны. Массивы FPA были построены из ряда различных материалов, включая InSb, PtSi, CdHgTe и InGaAs. Сложные системы сканирования больше не требуются, а присущая простоте детектора матрица выгула вместе с достижениями в технологии микроохладителя привели к производству очень компактных, высокопроизводительных систем с матрицами строк.
В системе сканирования детектор или каждый пиксель детектора видит объект только в течение очень короткого времени, и это уменьшает количество собираемой энергии. В системах FPA сканируемый детектор заменяется массивом ячеек детектора, по одному на каждый пиксель, постоянно смотрящий на отображаемый объект. Чтобы увеличить количество детекторов внутри датчика вакуума Дьюара, большинство квантовых детекторных матриц работают в фотоэлектрическом режиме. Детекторы могут быть изготовлены на подложке в виде p-n-переходов с использованием методов интегральных схем с очень высокой плотностью упаковки. Существует два способа создания детекторов FPA.
Монолитные детекторы проще и дешевле построить, потому что чувствительный к инфракрасному излучению материал и пути передачи сигнала находятся на одном уровне. Напротив, в случае гибридных FPA детектор находится на одном уровне, а схема обработки сигналов и сигналов – на другом уровне. Появление микронной и субмикронной кремниевой технологии привело к производству сложной электроники формирования сигнала и мультиплексоров, интегрированных в кремниевый чип. Это, в свою очередь, встроено непосредственно за ИК-детектором в вакуумную камеру. Проблема неоднородности отклика детектора в FPA решается с помощью электроники цифровой сигнализации и вычислительной техники для согласования всех каналов.
Также были разработаны неохлаждаемые детекторы ППД, основанные на принципе болометра. Эти устройства состоят из чувствительной области, электрическое сопротивление которой сильно зависит от ее температуры. Поглощение падающего теплового излучения изменяет температуру чувствительной области, и изменение измеренного электрического сопротивления приводит к сигналу, пропорциональному этому излучению. Недостатком этого типа тепловых детекторов является то, что они реагируют относительно медленно по сравнению с откликом фотонных детекторов. Однако такие детекторы реагируют достаточно быстро, чтобы хорошо работать в системах FPA, где требования к ответу находятся в миллисекундном диапазоне.
Технология с использованием массива рассеяния также применяется к ИК-фотоприемникам с квантовыми ямами (QWIP). Эти устройства построены так, чтобы иметь квантовую яму только с двумя энергетическими состояниями, основным состоянием и первым возбужденным состоянием. Возбужденное состояние расположено так, чтобы находиться вблизи верхней части скважины, чтобы оно могло детектировать световые фотоны. С помощью чередующихся слоев материала стены, таких как GaAs и потенциальный барьер, можно контролировать характеристику …
Несмотря на то, что в клинических условиях много раз наблюдали преимущества эффекта плацебо у пациентов, внимательно изучая пациентов, проходящих лечение от болезни Паркинсона, лечения боли
Доставка кесарева сечения также называется доставкой кесарева сечения. Этот способ включает развертывание операции по доставке детей, то есть одного или нескольких. Роды кесарева сечения часто
Некоторые из самых частых вопросов, которые мы получаем, – это вопросы, которые касаются вопросов, связанных с законностью и налогообложением, которые связаны с созданием блога или