Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1 Исследовательские и диагностические возможности метода инфракрасной термографии 8
1.2 Утрированные недостатки и реальные достоинства 17
1.3 Физические и физиологические основы тепловидения 22
1.4 Медицинское применение метода ИК термографии 34
Глава 2. Объект и методы исследований 49
2.1 Состояние проблемы 49
2.2 Физические условия возникновения конвекции 51
2.3 Роль температурных градиентов и конвективных процессов в формировании биологических эффектов ЭМИ 57
2.4 Методика измерений с помощью матричных ИК систем 60
2.5 Калибровка ИК систем 62
Глава 3. Результаты и обсуждение 76
3.1 Термоструктуры в открытых поверхностных слоях жидких сред 76
3.2 Особенности разогрева моделей биологических тканей при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн... 88
3.2 Конвективные процессы в жидких средах при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона 95
3.3 Количественный анализ термоструктуры тела человека 99
3.3.1 Термографические параметры в норме 99
3.3.2 Корреляционные соотношения между анатомической структурой сосудов и пространственным распределением поверхностных температур 106
3.3.3 Сравнение возможностей ИК систем диапазонов 3-5 и 8-12 мкм 109
3.3.4 Клиническая апробация диагностических возможностей матричных ИК систем 118
Выводы 125
Список работ, опубликованных по теме диссертации 127
Литература 132
- Утрированные недостатки и реальные достоинства
- Физические условия возникновения конвекции
- Методика измерений с помощью матричных ИК систем
- Конвективные процессы в жидких средах при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона
Введение к работе
Актуальность проблемы. Температура является одним из важнейших параметров состояния биологических систем. Пространственное распределение температур позволяет определить локализацию патологических процессов при решении задач медицинской диагностики, регистрировать распределение поглощения электромагнитных излучений и ультразвука в гетерогенных биологических системах, что является одной из важнейших задач при исследовании механизмов биологических эффектов неионизирующих излучений, анализировать тепловые паттерны на поверхности жидких сред, связанные с конвективными и диффузионными процессами.
Регистрации тепловых портретов биологических систем является одной из сложных методических задач. Использование контактных термометров имеет ряд ограничений из-за их инерционности и влияния на объект измерений. Они могут изменять температуру среды в области измерений и вносить дополнительные артефакты в условиях действия электромагнитных излучений за счет искажений картины распределения электромагнитных полей в области измерений и дополнительной гетерогенности теплоемкости.
Наиболее совершенным способом регистрации пространственного распределения температур является метод инфракрасной (ИК) термографии. Этот метод не вносит артефактов измерений в условиях действия электромагнитных излучений, поэтому может применяться для регистрации динамики разогрева биологических объектов непосредственно во время действия электромагнитных излучений. 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 патологических процессов.
Несмотря на ряд совершенно очевидных преимуществ использования матричных ИК камер для измерения пространственного распределения температур, их применение в медицинской диагностике сдерживается до последнего времени по следующим причинам:
Тепловизор регистрирует только поверхностную температуру, в то время как пораженные сосуды и другие патологические образования находятся на определенном расстоянии от поверхности кожи;
Открытым остается вопрос о соотношении термографической картины на поверхности тела и анатомическими структурами, которые расположены на определенном расстоянии от поверхности кожи;
Не решен вопрос о возможности количественных измерений абсолютных значений температур на поверхности кожи, поскольку изначально тепловизоры разрабатывались в основном для визуализации тепловых источников, а не для измерительных целей.
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 камер.
Актуальность разработки методов использования микроболометрических матричных ИК систем на диапазон 8-12 микрон для медицинской диагностики связана с тем, что большинство методических наработок по применению тепловизоров в медицине выполнены с использованием одноэлементных охлаждаемых ИК камер, работающих в диапазоне 3-5 мкм. Учитывая, что стоимость неохлаждаемых микроболометрических матричных ИК систем в 2-3 раза ниже по сравнению с охлаждаемыми ИК системами, представляется крайне целесообразным проведение сравнительных исследований диагностических возможностей ИК систем диапазонов 3-5 и 8-12 мкм с учетом параметров конкретных матричных модулей ИК фотоприемников. Диагностические комплексы на основе неохлаждаемых
матричных ИК систем могут найти широкое применение для профилактических обследований населения с целью раннего выявления сосудистых, воспалительных и онкологических заболеваний.
Исследования в области применения матричных ИК-термовизионных систем последнего поколения в биологии и медицине поддержаны Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» 2003-2007 годов по разделу «Разработка и усовершенствование методов и средств диагностики».
Цель работы: анализ термоструктур биологических систем с использованием матричных ИК камер высокого разрешения и разработка количественных методов температурных измерений для биомедицинских приложений.
Задачи исследования:
Разработка методов калибровки матричных ИК систем, обеспечивающих измерение абсолютных значений температур.
Исследование особенностей температурных распределений на открытых поверхностях жидких сред.
Исследование особенностей нагрева гомогенных и гетерогенных моделей биологических тканей при действии миллиметровых излучений.
Разработка количественных методов исследования распределений поверхностных температур для диагностических обследований.
Сравнение измерительных и диагностических возможностей охлаждаемых и неохлаждаемых (микроболометрических) ИК систем.
Исследование корреляционных соотношений между анатомической структурой подкожных тепловых источников и пространственным распределением поверхностных температур.
7. Клиническая апробация результатов фундаментальных исследований с целью создания научных основ для диагностики воспалительных, сосудистых и онкологических заболеваний.
Научная новизна.
Разработан метод калибровки матричных ИК систем, обеспечивающий измерение абсолютных значений температур, в том числе - с помощью неохлаяедаемых матричных ИК систем на диапазон 8-12 мкм;
Установлено, что на открытых поверхностях жидких сред формируются неоднородные по пространственному распределению температур диссипативные структуры, наличие которых необходимо учитывать при проведении биологических экспериментов.
Обнаружена возможность возникновения температурных колебаний в жидких средах при их облучении немодулированными электромагнитными излучениями миллиметрового диапазона длин волн.
Показано, что температура в области глаз человека может использоваться в качестве реперной точки с максимальной температурой для формирования индивидуальной температурной шкалы с целыо дистанционной диагностики теплового портрета человека.
Определены корреляционные соотношения между анатомической структурой подкожных тепловых источников и пространственным распределением поверхностных температур.
Разработаны научные основы применения матричных ИК систем высокого разрешения для диагностики и контроля эффективности лечения сосудистых, воспалительных и онкологических заболеваний.
Проведен сравнительный анализ измерительных и диагностических возможностей ИК систем диапазонов 3-5 и 8-12 мкм.
Практическая значимость работы.
Проведена оценка соответствия реальных размеров подкожных источников нагрева по их проекциям на поверхность кожи в инфракрасном диапазоне длин волн 3-5 и 8-12 мкм. Рассмотрены условия, при которых измеряемый с помощью тепловизора размер подкожных источников нагрева соответствует истинному размеру. Выставляя порог измерения тепловых рельефов подкожных источников нагрева на уровне 0,85 - 0,95 от их амплитуды, можно определить истинное расположение и размеры источников при глубине их залегания до 20-25 мм. Проведено сопоставление результатов измерения на модели с измерениями размеров подкожных сосудов при варикозном расширении вен на реальных пациентах.
Показано, что неохлаждаемые матричные ИК системы диапазона 8-12 мкм могут с успехом применяться для диагностики воспалительных и сосудистых заболеваний нижних конечностей. Диагностические комплексы на основе неохлаждаемых матричных ИК камер, будучи в 2-3 раза дешевле по сравнению с охлаждаемыми ИК системами, могут найти широкое применение (в том числе - в медицинских учреждениях первичного звена) для профилактических обследований населения с целью раннего выявления указанных заболеваний, что важно для сохранения здоровья нации.
Утрированные недостатки и реальные достоинства
Иногда высказывалось мнение, что тепловидение - малоэффективная диагностическая технология. Указывалось на три причины. Во-первых, на низкую чувствительность и разрешающую способность тепловизионного метода. Многие врачи пока не знают реальных диагностических возможностей современных матричных инфракрасных камер, поэтому им трудно отказаться от убеждений 90-х годов прошлого века, когда тепловидение тех лет было скомпрометировано в связи с его низкой чувствительностью и разрешающей способностью (рис.1).
Во-вторых, указывалось на то, что тепловизор измеряет температуру поверхности кожи человека, а она в силу сильной зависимости от параметров внешней среды является мало информативным показателем физиологического состояния организма.
В-третьих, неинвазивный характер тепловизионных методов диагностики провоцировал вопрос, можно ли по изменению теплового поля на поверхности тела человека судить о механизмах изменения его физиологического состояния?
Рассмотрим вторую причину. Действительно тепловизор регистрирует распределение температуры на поверхности кожи. Тепловой портрет тела демонстрирует некоторое усредненное распределение температуры. Однако при патологии места и причины нагрева легко локализуются. К таким случаям относятся различные поверхностные и неглубоко расположенные очаги воспаления, ожоги, новообразования, флебиты или глубинные, но весьма интенсивные по тепловыделению процессы, например, воспалительные процессы.
Такое явление как теплопередача между внутренними органами человека и выход тепла на поверхность тела можно описать аналитически, расчленив его на сравнительно простые виды переноса тепла. Можно выделить три элементарных способа переноса тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводностью называют перенос теплоты (или
внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении кожи тела с внешней средой с отличающейся температурой. Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит просто за счет переноса массы веществ, испаряющихся с поверхности тела. Наконец, тепловым излучением или радиацией называют явление переноса тепла в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением - тепловой энергии в лучистую и обратно. В действительности в организме эти три вида обмена не обособлены и происходят параллельно.
Из указанных выше трех способов переноса тепла тепловизор может напрямую регистрировать только радиационную часть. Остальные могут оцениваться расчетным способом на основе знаний о механизмах теплопродукции в организме человека.
В таблице 2 приводятся физиологические параметры человека, изменение которых влияет на его тепловой портрет. Сопоставляя изменение этих параметров с изменением теплового портрета, можно получить ряд важных физиологических характеристик организма.
Данные таблицы 2 справедливы для конкретного мужчины. Для другого человека они могут дать представление о порядке величин. Кроме того, женщины по сравнению с мужчинами имеют несколько отличающиеся пропорции и размеры тела, у них выше содержание жира и иное его расположение по телу, что влияет на специфику их теплового портрета.
Однако любого человека можно рассматривать как термодинамическую систему, которая получает энергию из продуктов питания, выполняет разную механическую работу и выделяет теплоту. Коэффициент полезного действия человека как «топливного элемента» выше, чем у любой тепловой машины, работающей в том же диапазоне температур [3, 69, 197].
Внешние условия также влияют на температуру кожи нашего организма. Когда человек входит с мороза в теплое помещение, то температура кожи открытых областей его тела ниже, чем температура кожи людей, находящихся в теплом помещении. В жаркий солнечный день мы потеем. Испарение пота спасает нас от перегрева. В холодный день температура кожи понижается. Если нам холодно, то мы дрожим, и тем самым тело нагревается.
Кровяное артериальное давление 120 млі. рт. ст. 1 80 мм. рт. ст. При повышении температуры в комнате никогда невозможно достичь ситуации, при которой температура человека станет равной температуре воздуха. Человек - это неравновесная саморегулируемая система. Он меняет температуру поверхности своего тела в зависимости от температуры окружающей среды и представляет собою «физиологический термостат», работа которого направлена на поддержание постоянной температуры внутри организма порядка 37С.
Таким образом, несмотря на неоднозначность понятия норма, топография температурной поверхности тела человека, которую измеряет тепловизор, позволяет получить много важной дополнительной информации о физиологических параметрах индивидуального организма. Эта информация важна для диагностики его состояния [194, 195].
Теперь остановимся на третьей причине. Все существующие в медицине диагностические методы можно разделить на инвазивные и неинвазивные. Неинвазивность тепловидения является основным достоинством метода.
Все варианты инвазивной диагностики в той или иной степени оказывают вредное воздействие на организм. При исследовании организма инвазивными методами необходимо учитывать эффект вмешательства введенного зонда (в виде механического щупа, электромагнитного луча или сфокусированного ультразвука) на процессы внутри организма. Тем не менее, инвазивные методы имеют достоинство: с их помощью можно получить трехмерную картину распределения структур внутри организма. Трехмерная реконструкция с помощью Фурье-методов разработана давно и широко используется в диагностической медицинской аппаратуре, используя известные алгоритмы восстановления трехмерного изображения по проекциям [52, 55].
Неинвазивные методы основаны на том, что различные органы создают на поверхности организма и вблизи него различные поля (электрические, магнитные, электромагнитные, испаряющихся молекул). Эти поля можно регистрировать. На этом основаны такие методы диагностики как, например, многоэлектродная кадиография, электроэнцефалография, техника СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков), в том числе и тепловидение. Неинвазивные методы не влияют на внутренние процессы организма. Однако с помощью неинвазивного метода регистрируется суммарное излучение определенной модальности, создаваемое совокупностью внутренних частей тела на его поверхности. По этой сумме для целей диагностики требуется решить обратную задачу, т.е. определить величину вклада каждой внутренней области. Как правило, эта задача -некорректная. Ясно, что одна и та же сумма может быть составлена из разного набора слагаемых. Часто образно говорят, что подобная ситуация аналогична заданию - по анализу состава "мусора", вывозимого с завода, определить нарушения технологического процесса «производства». Тем не менее, если мы знаем "технологический процесс", то изменения в составе "мусора" нам могут многое сообщить об изменении технологического процесса. Правильность решение некорректной задачи зависит от объема априорной информации.
Физические условия возникновения конвекции
В случае, если жидкость находится в механическом равновесии в поле тяжести, давление в ней может быть функцией только высоты z (если бы на данной высоте давление было различно в различных местах, то возникло бы движение). Таким образом, из уравнения (6) следует что плотность Р=- Р (7) g dz тоже является функцией только z. Но давление и плотность однозначно определяют температуру в данной точке, следовательно, и температура должна быть функцией только z. Таким образом, при механическом равновесии в поле тяжести распределение давления, плотности и температуры зависят от высоты. Если же температура различна в разных местах жидкости на одной и той же высоте, то механическое равновесие в ней невозможно [68]. Однако в жидкости может отсутствовать макроскопическое движение, не находясь при этом в тепловом равновесии. Уравнение (6), являющееся условием механического равновесия, может быть удовлетворено и при непостоянной температуре в жидкости. При этом, однако, возникает вопрос о том, будет ли такое равновесие устойчивым. Оказывается, что равновесие будет устойчивым лишь при выполнении условия отсутствия конвекции, или другими словами беспорядочных течений, стремящихся перемешать жидкость так, чтобы в ней установилась постоянная температура.
Конвекция наступает при нарушении этих условие, т.е. если температура падает по направлению снизу вверх, причем ее градиент превышает по абсолютной величине указанное в (9) значение [68].
Наличие вертикального температурного градиента - необходимое, но не достаточное условие возникновения крупномасштабной конвекции. Важна так же величина этого градиента. Чтобы появилась подъемная сила Архимеда и началось вертикальное движение в жидкости необходимо, чтобы температурные изменения на поверхности не успевали диссипировать за счет температуропроводности. Ячейки Бенара являются одним из наиболее характерных примеров структур такого рода [55, 137]. Термогравитационная и термокапиллярная конвекция Марангони
Хорошо известно, что жидкость может приходить в движение под действием как объемных (массовых), так и поверхностных сил. Из массовых наиболее распространенной является сила Архимеда, возникающая при локальном изменении плотности жидкости, находящейся в гравитационном поле. Под влиянием архимедовой силы объемы жидкости с меньшей - по сравнению с окружающей средой - плотностью всплывают, вытесняя вниз объемы с большей плотностью. Поверхностные (капиллярные) силы, действующие тангенциально к свободной пли межфазной поверхности жидкости, появляются при наличии неоднородности поверхностного натяжения и направлены в сторону его увеличения [70, 178]. Вовлекая в движение поверхность и прилегающие к ней слои жидкости, эти силы инициируют развитие объемного конвективного течения, получившего название конвекции Марангони [190] по имени итальянского ученого Карло Марангони, который одним из первых в конце XIX века теоретически рассмотрел модель движения жидкости под действием перепада поверхностного натяжения вдоль свободной поверхности [182].
В свою очередь, причины формирования неоднородного распределения поверхностного натяжения могут быть различными. Наиболее простая и самая распространенная причина - зависимость от температуры. Для большинства однокомпонентных органических жидкостей коэффициент поверхностного натяжения линейно уменьшается с ростом температуры [21], поэтому движение жидкости по поверхности оказывается направленным в более холодную область. Такая конвекция Марангони называется термокапиллярной. Термокапиллярное течение неизбежно возникает в неоднородно нагретых многофазных системах с поверхностью раздела между фазами (или со свободной поверхностью между жидкостью и газом) и может вносить существенный вклад в процессы тепло - и массообмена в этих средах [143-144]. В многокомпонентных жидкостях поверхностное натяжение может также зависеть и от химического состава контактирующих сред. В частности, в бинарных растворах оно является функцией концентрации растворенного вещества. Характер этой зависимости определяется природой и физико-химическими свойствами компонентов смеси и чаще всего носит нелинейный характер [78]. Поэтому неоднородное распределение примеси в растворе приводит к появлению на его поверхности напряжений, аналогичных термокапиллярным, и, как результат, к развитию концентрационно-капиллярной конвекции. В этом случае возникающее вдоль поверхности течение жидкости может быть направлено в сторону увеличения концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ).
Термо- и концентрационно-капиллярные эффекты имеют также важное прикладное значение для различных областей науки, таких, например, как: экология (очистка поверхности воды от загрязнений нефтепродуктами); метеорология, гидрология, физика атмосферы и океана (формирование климата планеты в результате взаимодействия атмосферы с поверхностным слоем океана, отличающимся значительными градиентами температуры, солености и растворенных в объеме воды поверхностно-активных примесей [105]); биология (движение бактерий и клеточных микрообъектов); медицина (распространение легочного ПАВ при ингаляции лекарственных аэрозолей для лечения дыхательного респираторного синдрома [191]) и др.
Несмотря на широкую распространенность, непосредственное экспериментальное изучение течений Марангони в "чистом виде" оказывается достаточно сложным. Причина кроется в том, что необходимым условием их возникновения является наличие градиентов температуры или концентрации вдоль поверхности и, соответственно, в самом объеме жидкости, что в свою очередь неизбежно порождает локальные неоднородности плотности, также зависящей от температуры и концентрации. В результате в жидкой среде одновременно развивается еще и гравитационная конвекция Рэлея, интенсивность которой в наземных условиях часто оказывается в десятки, а то и в сотни раз выше, чем у конвекции Марангони.
Конвекция Марангони, таким образом, оказывается почти полностью подавленной более мощным конвективным механизмом (если направления капиллярных и гравитационных потоков противоположны), либо замаскированной его действием. Существенно снизить интенсивность гравитационной конвекции и других эффектов, связанных с действием силы тяжести, в наземных лабораторных условиях можно за счет уменьшения характерного вертикального размера объема жидкости.
Интенсивности термокапиллярной и термогравитационной конвекции определяются соответственно безразмерными числами Марангони и Рэлея, которые характеризуют отношения соответственно термокапиллярньтх или термогравитационных сил к силам вязкого трения [187]:
Методика измерений с помощью матричных ИК систем
Для обеспечения возможности измерения абсолютных значений температур определялись поправочные значения, обусловленные нелинейностью чувствительности каждого из элементов матрицы фотоприемников и оптическими особенностями камер. Для этого проводилась калибровка ИК камер с помощью температурных образцов типа «Черное тело» методом 2-х точечной коррекции. В результате калибровки камеры по черному телу компенсируется неравномерность индивидуальной чувствительности фотоприемников матриц ИК систем, уменьшается температурный эквивалент шума и выравнивается ИК изображение по всему полю регистрации.
Однако после калибровки неохлаждаемые камеры не позволяют обеспечить необходимую точность измерения абсолютных значений температур из-за дрейфа начальных уровней смещения чувствительности. Для обеспечения точности измерений абсолютных значений температур необходима дополнительная коррекция результатов измерений. Учитывая, что калибровка является достаточно сложной и дорогостоящей процедурой, которая должна быть проведена для каждого конкретного объектива камеры, возможность измерения абсолютных значений температур может быть реализована двумя способами: за счет высокой стабильности всех параметров ИК - камер между процедурами калибровки; методом текущей коррекции калибровочных параметров с использованием реперных температурных образцов, которые должны находиться в поле зрения камеры при проведении диагностических обследований. Первый способ наиболее удобен для врача. Второй способ диктует необходимость размещения в поле регистрации реперных образцов и применение программного обеспечения для коррекции результатов измерений в режиме реального времени. В работе использовались матричные инфракрасные камеры двух типов: охлаждаемые камеры типа JADE на основе матрицы КРТ-фотоприемников размером 320x240, и типа TITANIUM на основе матрицы фотоприемников из антимонида индия размером 320x256, обе камеры на спектральный диапазон 3-5 мкм, фирмы CEDIP, Франция; неохлаждаемая микроболометрическая камера типа JADE VC (той же фирмы) на диапазон 8-12 мкм, оснащенная системой термостабилизации матрицы фотоприемников размером 384x288.
Все камеры были оснащены скоростными 14-разрядными компьютерными системами захвата и обработки изображений с программным обеспечением «ALTAIR» [124J. Температурный эквивалент шума (NEdT), рассчитанный по всему полю регистрации, при использовании охлаждаемых камер на диапазон 3-5 мкм не превышал 0,015С при скорости регистрации 200 кадров в секунду, и 0,08С при использовании неохлаждаемой камеры на диапазон 8-12 мкм, при скорости регистрации 50 кадров в секунду. Температурная чувствительность могла быть улучшена до 0,002С при компьютерной обработке ИК изображений за счет процедур накопления и усреднения сигналов.
Учитывая, что ИК камеры согласно их техническим параметрам могли обеспечить точность измерения абсолютных значений температур +2С при больших интервалах между калибровкой и измерениями, для повышения точности проводилась дополнительная коррекция результатов измерений по образцу «Черное тело» непосредственно в ходе измерений.
Температура образца «Черное тело», расположенного в поле регистрации ИК камеры, устанавливалась и поддерживалась с точностью 0,1 С. Охлаждаемые камеры являются высокостабильными устройствами, с помощью которых может быть реализован первый способ измерений, однако для компенсации нелинейности чувствительности фотоприемников необходимо регулярное применение процедуры двухточечной коррекции таких камер.
Неохлаждаемые микроболометрические камеры имеют лучшую линейность чувствительности, однако диктуют необходимость применения второго способа измерений с применением реперных образцов температур, кроме случаев, если такие камеры оснащены внутренними системами коррекции параметров камеры и системой термостабилизациеи матрицы.
Проведенные исследования показали, что калибровка и параметры компенсации нелинейности сохраняются в течение 2-3 месяцев при неизменных величинах скорости регистрации и времени интегрирования, и не сохраняются при изменении скорости регистрации и времени интегрирования. Через 2-3 месяца после проведения калибровки, а также при изменении скорости регистрации или времени интегрирования необходимо проведение полной процедуры калибровки и компенсации нелинейности для камер обоих типов. Последнее обстоятельство осложняет работу врача, так как для осуществления полной калибровки требуется специальное оборудование, а сама калибровка должна проводиться квалифицированными специалистами.
Для решения последней задачи желательно проводить калибровочные процедуры для каждого режима работы, который необходим врачу, и при изменении режимов работы желательно иметь возможность автоматической замены калибровочных параметров системы.
Кроме того, для определения абсолютных значений температур биологических тканей необходим учет реальных значений коэффициентов излучения є реальных биологических тканей в соответствующих диапазонах длин волн для различных участков тела.
Конвективные процессы в жидких средах при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона
Тумпературные градиенты, возникающие в жидких среда при действии ЭМИ миллиметрового диапазона длин волн могут приводить к развитию конвективных процессов при незначительной мощности облучения. Блок-схема установки для исследования конвективных процессов при действии ЭМИ миллиметрового диапазона длин волн приведена на рис. 33. Обнаружена возможность формирования устойчивых конвекционных процессов при уровнях ППЭ от 10 мкВт/см2 до 1 Вт/см2.
Динамика нагрева геля (кривые 1) и физиологического раствора (кривые 2 и 3) при действии ЭМИ частотой 72 ГГц. Стрелкой обозначен момент включения поля. Механизм возникновения температурных колебаний связан с процессом формирования - разрушения тороидальных конвективных вихревых структур в жидкостях в области максимума облучения (рис.35). А-динамика изменения пространственного распределения температур на поверхности слоя жидкости толщиной 2,5 мм, облучаемой снизу на частоте 72 ГГц при УПМ=3,2 КВт/кг. Размер термограмм равен 4x4 см. В-структура конвективных торроидальных вихрей. С-температурная динамика на глубине 0,5 мм в области максимума облучения. Все приведенные параметры зарегистрированы синхронно во время облучения. Номера 1-15 на профилях температур А соответствуют номерам на температурной кривой С.
В случае, когда тороидальный вихрь становится стабильным, колебания прекращаются и в области максимума облучения наблюдается температурный спад из-за существенного увеличения эффективности теплообмена в области облучения за счет конвекции.
Параметры такого рода конвективных процессов имеют существенно нелинейную зависимость от частоты и мощности мм-излучений, что позволяет объяснить целый ряд биологических эффектов мм-волн, наблюдаемых в экспериментах in-vitro.
Используя эффект температурных колебаний, как очень чувствительный метод для исследования параметров жидкостей при действии мм-излучений, было обнаружено, что через 20-40 минут после начала облучения колебания в облучаемых жидкостях прекращаются, и этот эффект необратим по крайней мере на протяжении 4-6 часов. Прекращение колебаний может объясняться изменением вязкости и (или) поверхностного натяжения в облученных образцах жидкости (например, из-за изменения концентрации растворенных в жидкостях газов). Последний результат имеет прямое отношение к механизмам биологического действия мм-волн.
Приведенные результаты позволяют объяснить механизм зависимости биологических эффектов ЭМИ миллиметрового диапазона от частоты облучения и режима модуляции мощности излучения. 3.3 Количественный анализ термоструктуры тела человека. 3.3.1 Термографические параметры в норме.
Методы ИК-термографии начали внедряться в медицинскую практику более 40 лет назад. Однако диагностические возможности и надежность этих методов в то время были существенно ограничены из-за недостаточной чувствительности и пространственного разрешения ИК камер, которые до последнего времени применялись в медицинской практике.
Современные матричные ИК системы имеют значительно лучшую чувствительность и большее пространственное разрешение. Количественная ИК термография, обеспечивающая возможность одновременного измерения абсолютных значений температур в различных участках тела человека, открывает принципиально новые возможности диагностики различных заболеваний. Наиболее простым критерием диагностики воспалительных процессов является локальное превышение температуры выше значения в области глаз человека. Вместе с тем, существенно большая чувствительность делает температурный портрет человека чрезвычайно неоднородным по сравнению с термограммами, которые были типичны для медицинских тепловизоров старого поколения. Практически необходимо было заново выработать не только диагностические критерии различных заболеваний, но и понятие «нормы» для температурных распределений здорового человека.
В целом, «тепловой портрет» каждого человека, хотя и богат информацией, но исключительно индивидуален, поэтому выработка понятия "нормы" имеет очень важное значение. На рис.36 приведены термограммы, температурные профили и гистограммы температурных распределений в норме для мужчины в возрасте 30 лет, а на Рис. 37 - для здорового человека в возрасте 50 лет.
Ранее предполагалось, что с помощью тепловизора регистрируется лишь собственное тепловое излучение тела человека, поскольку оптические свойства кожного покрова человека в ИК области спектра близки к характеристике абсолютно черного тела [Черняев Ю.С., 1976].
Однако, проведенные нами исследования показали, что излучателыгая способность кожи хоть и близка к значениям излучательной способности черного тела (є=1), но все таки значимо отличается применительно к задачам, когда необходимо измерить абсолютные значения температур в различных областях человека. Значения излучательной способности кожи варьируют от 0,8 до 0,96 в зависимости от состояния кожных покровов. Без учета реальных распределений излучательной способности кожи ошибки в измерении температур различных участков могут достигать 5-7 С.
Кроме того, при термографическом исследовании кожного покрова человека выявлено непостоянство температуры, особенно в дистальных отделах конечностей, являющихся наиболее реактивными областями физической терморегуляции. Изучение температурных распределений у здоровых людей показало вариабельность структуры термографического, рисунка различных частей тела в зависимости от температуры окружающей среды и времени пребывания в условиях относительно низких или высоких температур. Поэтому, для повышения надежности термографических обследований необходима соответствующая адаптация пациентов к условиям кабинета, в котором проводятся термографические обследования, а также -учет условий длительного пребывания пациентов в конкретных температурных условиях, а таюке - влияния внешних источников излучений и параметров помещения, в котором проводятся измерения.
