Ein Thermograph ist ein Gerät, das eine Kamera verwendet, die im infraroten Teil des Spektrums lichtempfindlich ist und somit die Anzeige der Verteilung von Strahlungsquellen erwärmter Körper ermöglicht. Wir werden das thermografische Bild anhand von zwei Beispielen veranschaulichen (Abb. 1).
Thermografische Bilder zeigen Infrarotstrahlung, die in beiden Fällen von einer Quelle stammt, die wärmer als die Umgebung ist. Das mittlere Feld im Bild zeigt die Farbverteilung der Objekttemperatur. Es ist wichtig zu erwähnen, dass sich die Umgebungstemperatur ausreichend vom Motiv unterscheiden sollte (in den unter 20 ° C gezeigten Fällen).
Medizinische digitale Infrarot-Wärmebildkamera
Medical Digital Infrared Thermal Imaging (DITI) ist eine nicht-invasive Diagnosetechnik, die die Visualisierung und Quantifizierung von Hauttemperaturänderungen ermöglicht, dh von Geweben, die die Haut erwärmen.
Diese Technik wurde in den 1990er Jahren nach dem technologischen Fortschritt bei Infrarotkameras und der Weiterentwicklung der Computersignalverarbeitung von Infrarotkameras verstärkt eingesetzt. DITI kann leichter als Infrarot-Scanner verstanden werden, der die von der Hautoberfläche kommende Strahlung misst und sie als Karte des Körpers in Farben oder Grautönen auf dem Monitor anzeigt. Die Temperaturen, die für die Darstellung des menschlichen Körpers von Interesse sind, liegen bei 36 ± 10 Grad Celsius.
Die visuelle Darstellung der Hauttemperatur wird als “Thermogramm” bezeichnet. Ein Thermogramm ist ein Farbspektrum, das eine Zunahme oder Abnahme der Infrarotstrahlung des Körpers anzeigt. Angesichts der Strahlungssymmetrie eines gesunden Organismus und der bekannten Verteilung der Hauttemperatur, die einen gesunden Organismus charakterisieren, weisen die Änderungen des Thermogramms auf das Vorhandensein einer Pathologie hin.
Wie ein Thermogramm funktioniert
Die vom Thermographen angezeigten grundlegenden Veränderungen stammen aus dem Gefäß-, Muskel-, Nerven- und Skelettsystem, dh ihrer Funktionsstörung. Das Thermogramm ist ein Indikator für die weitere Diagnostik, der die Änderung und die Möglichkeit bestätigt, die Wirkung der Therapie zu überwachen.
Die Durchblutung steht unter dem Einfluss des sympathischen Nervensystems. Sie können die Körperwärme mit einer Genauigkeit von 0,01 ° C überwachen, was für eine präzise Überwachung des Oberflächenblutflusses ausreicht.
Unter Neurothermographie versteht man die Überwachung des Blutflusses der Haut und die Lokalisierung lokaler Veränderungen an bestimmten Stellen des Körpers. Bei peripheren Nervenverletzungen treten Temperaturänderungen von ungefähr 1,5 ° C auf, und das Ausmaß der Änderungen zeigt die Schwere der Verletzung an.
Rheumatologische Prozesse werden eindeutig als “heiße Bereiche” angesehen. Dies ist ein offensichtlicher entzündlicher Prozess, der eine Sehnen-, Gelenk-, Kapsel- oder Muskelerkrankung zeigt.
Thermografisches System
Die grundlegenden Teile eines thermografischen Systems sind eine Infrarotkamera mit einem Scansystem und ein Computer, der eine Karte mit einer niedrigen Auflösungstemperatur der Haut anzeigt, die strahlt, weil sie wärmer als die Umgebung ist.
Die Thermografiekamera verfügt über einen Infrarotstrahlungsdetektor, der an ein Scansystem angeschlossen ist. Normalerweise ist der Bereich der registrierten Temperaturen auf 298 bis 308 K begrenzt, so dass eine Auflösung im Bereich von etwa 0,5 K erhalten wird. Fast alle klinischen Veränderungen, die erkannt werden müssen, liegen im Bereich eines Teils des Kelvin-Grades, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Detektors ausreichend ist.
Infrarotkamerasensorsystem
Wenn man bedenkt, dass die menschliche Temperatur auf 310 Kelvin steigt, ergibt sich eine maximale Wellenlänge der Emission von etwa 10 µm. Der Strahlungsfluss wurde nach dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz W = σT4 bestimmt. Dies gilt für einen schwarzen Körper. W ist der Fluss, ausgedrückt in W / cm². Die Messunsicherheit beruht auf der Annahme, dass ein schwarzer Körper 1% beträgt, d. H. 0,3 Kelvin. Die gesamte Strahlungsenergie des Körpers in einer kalten Umgebung beträgt bis zu 1 kW.
Gekühlte Infrarotdetektoren. Die gekühlten Detektoren befinden sich in Vakuumbehältern und werden auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt. Dies erhöht die Empfindlichkeit, da ihre Temperatur erheblich niedriger ist als die des aufgenommenen Motivs. Diese Sensoren bei Raumtemperatur verhalten sich so, als könnten Lichtdetektoren nicht aufzeichnen, da der “Hintergrund” der eigenen Strahlung zu groß wäre, um die Strahlung des Körpers zu trennen.
Gekühlte Infrarotdetektoren
Die gekühlten Detektoren befinden sich in Vakuumbehältern und werden auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt. Dies erhöht die Empfindlichkeit, da ihre Temperatur erheblich niedriger ist als die des aufgenommenen Motivs. Diese Sensoren bei Raumtemperatur verhalten sich so, als könnten Lichtdetektoren nicht aufzeichnen, da der “Hintergrund” der eigenen Strahlung zu groß wäre, um die Strahlung des Körpers zu trennen.
Der Nachteil gekühlter Kameras ist die Komplexität der Anwendung und des Preises, und der Vorteil ist die Bildqualität (im Vergleich zu ungekühlten Detektoren). Die für die Detektoren verwendeten Materialien sind Indiumantimonid (InSb), Indiumarsenid (InAs), Cadmiumquecksilber-Tellurid (CdHgTe), Bleisulfid (PbS), Bleiselenid (PbSe) und dergleichen.
Ungekühlte Infrarotdetektoren
Ungekühlte Wärmebildkameras verwenden Sensoren, die bei Umgebungstemperatur arbeiten und Änderungen des Widerstands, der Spannung oder des Stroms messen, die durch Wärmestrahlung verursacht werden. Am häufigsten werden pyroelektrische Materialien und Mikrobolometertechnologie verwendet. Ungekühlte Detektoren liefern stabilere Ergebnisse, wenn ihre Temperatur geregelt wird. Die Auflösung ungekühlter Detektoren ist niedriger als die Auflösung gekühlter Detektoren, aber ihr Preis ist erheblich niedriger.
Bilder von Infrarotkameras sind monochrom, da die Kameras mit einem Sensortyp erstellt wurden (Abb. 4, linkes Feld). Farbkameras sind komplizierter und müssen mehr Sensoren verwenden. Chromatische Änderungen im Infrarotspektrum haben nicht die gleiche Bedeutung wie Farbänderungen im Bereich des sichtbaren Lichts. In einigen Fällen werden Schwarzweißkameras verwendet, um in Farbe anzuzeigen (Abb. 4, rechtes Feld), was bedeutete, dass bestimmten Grautönen eine Farbe aus der auszuwählenden Palette zugewiesen wurde.
Der Mensch hat einen größeren Dynamikbereich für Graustufen, aber manchmal ist es eine Farbwahrnehmung, wenn Farben verwendet werden. Diese Technik wird als “Dichteschneiden” bezeichnet. Die Auswahl der Farbpalette ermöglicht verschiedene Anzeigen auf dem DITI-Systemdisplay. Auf diese Weise ist es möglich, den interessierenden Teil viel besser zu visualisieren. Alle Transformationen sind die grundlegende Zuordnung einzelner Farben zu Isothermen.
Scansystem
Das Scansystem stellt sicher, dass der Erwärmungsgrad einzelner Punkte am Körper aufgezeichnet wird. Das optische System, das Teil des Scansystems ist, besteht aus Silikonlinsen mit guter Antireflexion. Es werden 120 und 200 Objektive verwendet.
Objektive mit 120 eignen sich aufgrund des günstigeren Abstands zur Kamera des Patienten besser für Routineuntersuchungen. Für Messungen in Entfernungen von weniger als 1,5 m wird ein Objektiv mit 200 verwendet. Wie in der Fotografie werden Ringe (Makrothermographie) verwendet, um die Brennweite zu verschieben.
Das System verfügt über eine Schaltvorrichtung (Chopper), die es ermöglicht, dass das Referenzsignal mit dem Messsignal in Phase ist, und das “Einweg” -Signal eliminiert. Das Wechselsignal des Detektors wird verstärkt, korrigiert und zusammen mit dem Filter wird der Bandpass (die Frequenz des Zerhackers bestimmt die Mittelfrequenz) dem Anzeigesystem zugeführt. Die Verstärkung beträgt normalerweise 120 dB.
Das Bild zeigt eine der für die Diagnose verwendeten medizinischen Infrarotkameras (Meditherm, Med2000). Hier einige grundlegende Funktionen als Beispiel: 1) Die Kamera muss gekühlt sein, damit der Sensor funktioniert, und es wird eine thermoelektrische Kühlung verwendet. Das Gewicht der Kamera beträgt ca. 2 kg und die Größe 14 cm x 43 cm x 11 cm. Die Betriebstemperatur der Kamera liegt zwischen 100 ° C und 370 ° C.
Die Kamera sammelt Informationen mit einer Auflösung von 244 x 193 = 47.000 Pixel (KP). Die Scan-Geschwindigkeit beträgt 8 Sekunden zum Sammeln von 47 kg und 5 Sekunden zum Sammeln von 23,5 kg.
Die räumliche Auflösung der Kamera beträgt 0,4 mm, wenn sich die Kamera in einem Abstand von 15 cm befindet, und wird auf 1 mm reduziert, wenn sich die Kamera in einem Abstand von 40 cm von der Strahlungsquelle befindet. Die Kamera kann Signale im Bereich von 283 bis 313 K mit einer Auflösung von 0,01 K registrieren. Das Sichtfeld bei der Erfassung beträgt 300 x 22,50. Das Anzeigesystem ermöglicht die Beobachtung einer 10-fachen „True Color“ -Palette oder Graustufe mit 16 Ebenen.
Das Display ermöglicht die Überwachung von 3 x 16 Isothermenpegeln. Der Dynamikbereich beträgt 24 Bit mit einem Temperaturschritt von 0,1 bis 2 Grad K. Das Bild wird im TIFF-Format mit maximal 95 kB aufgenommen.
Dieses System ermöglicht auch verschiedene Arten der analogen Verarbeitung: 1) Signalpegelanalyse; 2) thermische Amplitudenanalyse; 3) Messen des Videosignals und Bestimmen der Mittel-, Maximal- und Minimalwerte am beobachteten Körperteil; 4) Flächenanalyse; 5) Analyse einzelner isothermer Bereiche; 6) Analyse von thermischen Profilen; und 7) Auswahl der Isotherme und Anzeige als Profil dieser Linie.
Es ist wichtig zu wissen, dass Artefakte auf Reflexionen zurückzuführen sind, die von externen Strahlungsquellen und Hautpigmentierungen abhängen. Ein Körper, der im Infrarotlicht Strahlung ausgesetzt ist, reflektiert diese Strahlung teilweise.
Abbildung des Thermographenbetriebs
Um die Messergebnisse mit einer Infrarotkamera besser zu verstehen, werden auf der Website einige Beispiele gezeigt, die die Kamera “Thermomed Med2000” ausführlich beschreiben.
Das in Abbildung 7 (linkes Feld) gezeigte schmerzhafte Fußsyndrom ist eine Folge einer Calcaneumfraktur, die nicht optimal behandelt wurde und zu Veränderungen im Gewebe (vaskuläre und neurale Veränderungen) führte. Die Temperatur des rechten Fußes ist 3,70 ° C niedriger als die Temperatur des linken Fußes. Abbildung 7 auf der rechten Seite zeigt die Thermografie eines sogenannten Cold-Strs-Tests, bei dem die Hand gekühlt und anschließend aufgezeichnet wird. Das Bild zeigt das Karpaltunnelsyndrom, weshalb eine signifikante Dysfunktion des Nervus medianus vorliegt.
Fig. 8 ist ein Thermogramm des rechten Knies einer Person nach einer Knieoperation. Diese Operation wird während der Rehabilitationsphase von starken Schmerzen begleitet. Die Thermografie zeigt Veränderungen des Blutflusses und zeigt den Ort an, an dem die Schmerzen im Mittelpunkt stehen.
Weibliche Brustthermographen zeigen die Bequemlichkeit der Diagnose. Das Thermogramm zeigt einen normalen Befund im oberen linken Bereich, und die anderen zeigen Änderungen an. Rote Linien im unteren linken Bereich zeigen einen fibrocystischen Befund an. Der fibrocystische Befund zeigt einen starken Blutfluss zur linken Brust ungefähr zur rechten.
Andere Tests bestätigten zwei Aufnahmen, die krebserzeugende Veränderungen zeigten.
Heute besteht das Verständnis, dass andere Methoden Brustkrebsveränderungen früher diagnostizieren können. Aus diesem Grund wird die Anwendung invasiverer Techniken empfohlen, jedoch mit einem besseren Ergebnis für die Patienten.
Literatur:
1. Bronzino, J. et al. (Hrsg.), Handbook of Biomedical Engineering, CRC Press und MIT Press, NY, 1995.
2. Cobbold, RSC, Wandler für biomedizinische Messungen: Prinzipien und Anwendungen, J Wiley, NY, 1974.
3. Macovski, A., Medical Imaging Systems, Prentice Hall, NJ, 1983.
4. Webster, J., Medizinische Instrumentierung, Anwendung und Design, II ed, Houghton Mifflin Company, Boston, Toronto, 1992.
