termografija prikaz životinja i čovek
Slika 1: Termografska slika životinje (levo) i otisaka odnosno nogu čoveka u mraku. Srednji panel pokazuje raspodelu boja u odnosu na apsolutnu temperaturu objekta koji zrači.

Termograf je uređaj koji koristi kameru koja je osetljiva na svetlo u infracrvenom delu spektra i na taj način omogućuje prikazivanje raspodele izvora zračenja zagrejanih tela. Ilustrovaćemo sa dva primera termografsku sliku (sl. 1).

Termografske slike pokazuju infracrveno zračenje koje potiče u oba slučaja od izvora koji je zagrejaniji od okoline. Srednji panel na slici pokazuje raspodelu boja u odnosu na temperature objekta. Važno je pomenuti da temperatura ambijenta treba da bude dovoljno različita od objekta snimanja (u prikazanim slučajevima ispod 20 C).

Medicinsko digitalno infracrveno termalno slikanje

Medicinsko digitalno infracrveno termalno slikanje (Digital Infrared Thermal Imaging DITI) je neinvazivna dijagnostička tehnika koja omogućuje vizuealizaciju i kvantifikaciju promena temperature kože, odnosno tkiva koja zagrevaju kožu.

Ova tehnika je počela intenzivnije da se koristi devedesetih godina XX veka prateći napredak tehnologije u oblasti infracrvenih kamera i napredovanje računarske obrade signala sa infracrvene kamere. DITI se jednostavnije može shvatiti kao infracrveni skener koji meri zračenje koje dolazi sa površine kože, i prikazuje ga kao mapu tela u bojama ili sivim tonovima na monitoru. Temperature koje su od interesa za prikazivanje ljudskog tela su u okolini 36 ±10 Celzijusa.

Vizuelna reprezentacija temperatura kože se naziva „Termogram“. Termogram je spektar boja koji ukazuje na porast ili smanjenje infracrvenog zračenja tela. S obzirom na simetričnost zračenja zdravog organizma i poznate raspodele temperature kože koje karakterišu zdrav organizam promene na termogramu ukazuju na postojanje neke patologije.

Kako radi termogram

Osnovne promene na koje ukazuje termograf potiču od vaskularnih, mišićnih, neuralnih skeletnih sistema, odnosno njihove disfunkcije. Termogram je pokazatelj na dalju dijagnostiku kojom se potvrđuje promena, ali istovremeno i mogućnost za praćenje dejstva terapije.

Protok krvi je pod dejstvom simpatetičkog nervnog sistema. Zagrejanost tela se može pratiti sa tačnošću od 0.01 C, što je dovoljno za precizno praćenje površinskog krvotoka.

Neuro-termografija se odnosi na praćenje kožnog krvotoka i lociranja lokalnih promena na pojedinim mestima na telu. Pri povredama periferijskih nerava dolazi do promena temperature od približno 1.5 C, a veličina promena ukazuje na težinu povrede.

Reumatološki procesi se jasno vide kao “vruće oblasti”. Ovo je sasvim jasan zapaljenjski proces koja pokazuje da li se radi o tetivnom, zglobnom, kapsularnom, ili mišićnom oboljenju.

Termografski sistem

Osnovni delovi termografskog sistema su infracrvena kamera sa sistemom za skeniranje i računar koji prikazuje mapu sa niskom rezolucije temperatura kože koja zrači jer je zagrejanija od okoline.

Termografska kamera ima detektor infracrvenog zračenja, a povezana je sa sistemom za skeniranje. Uobičajeno se opseg temperatura koje se registruju ograničava na 298-308 K, pa se tako dobija rezolucija u opsegu od oko 0.5 K. Skoro sve kliničke promene koje treba detektovati su u opsegu od dela stepena Kelvina, što znači da je osetljivost detektora dovoljna.

Senzorski sistem infracrvene kamere

dijagram sunce čovek zračenje
Slika 2: Spektri zračenja ljudskog tela i sunca

Smatrajući da ljudska temperatura ide do 310 Kelvina, dobijamo da je maksimalna talasna dužina emisije oko 10 µm. Fluks zračenja je određen Štefan-Bolcmanovimzakonom W=σT4. Ovo važi za crno telo. W je fluks koji izražavamo u W/cm2. Merna nesigurnost usled pretpostavke da se radi o crnom telu je 1%, tj. 0.3 Kelvina. Ukupan energija zračenja tela u hladnoj okolini je do 1 kW.

dijagram 2
Slika 3: Dijagram zračenja infracrvenih senzora u opsegu od interesa za termografiju

Hlađeni infracrveni detektori. Hlađeni detektori su u vakumskim kontejnerima i hlade se na temperaturu tečnog azota. Ovo povećava osetljivost jer je njihova temperatura značajno manje od objekta koji se snima. Ovi senzori na sobnoj temperaturi se ponašaju kao i detektori svetla ne bi mogli da snimaju jer bi “fon” sopstvenog zračenja bio preveliki da bi moglo da se izdvoji zračenje tela.

 

Hlađeni infracrveni detektori

Hlađeni detektori su u vakumskim kontejnerima i hlade se na temperaturu tečnog azota. Ovo povećava osetljivost jer je njihova temperatura značajno manje od objekta koji se snima. Ovi senzori na sobnoj temperaturi se ponašaju kao i detektori svetla ne bi mogli da snimaju jer bi “fon” sopstvenog zračenja bio preveliki da bi moglo da se izdvoji zračenje tela.

Nedostatak hlađenih kamera je kompleksnost primene i cena, a prednost je kvalitet slike (u odnosu na nehlađene detektore). Materijali koji se koriste za detektore su: indijum antimonid (InSb), indijum arsenid (InAs), kadmijum-živa-telurid (CdHgTe), olovo sulfid (PbS), olovo selenid (PbSe), i slično.

Nehlađeni infracrveni detektori

Nehlađene termalne kamere koriste senzore koji rade na temperaturi ambijenta, a mere promene otpora, napona ili struje koje su uzrokovane termalnim zračenjem. Najčešće se koriste piroelektrični materijali i mikrobolometarska tehnologija. Nehlađeni detektori daju stabilnije rezultate ako se kontroliše njihova temperatura. Rezolucija nehlađenih detektora je manja od rezolucije hlađenih detektora, ali je njihova cena značajno niža.

slika termografske kamere
Slika 4: Monohromatska slika (sivi tonovi) i polihromatska slika dobijena pridruživanjem boja pojedinim sivim tonovima

Slike sa infracrvenih kamera su monohromatske jer su kamere napravljene sa jednim tipom senzora (sl. 4, levi panel). Kamere u bojama su komplikovanije i moraju da koriste više senzora. Hromatske promene u infracrvenom spektru nemaju isti značaj kao promene u bojama u domenu vidljive svetlosti. U nekim slučajevima se monohromatske kamere koriste za prikaz u bojama (sl. 4 desni panel), a to značili da se određenim sivim tonovima dodeljuje boja iz palete koja se bira.

Ljudsko telo termografija
Slika 5: Promena izgleda iste termografije izborom različitih paleta

Ljudsko ima veći dinamički opseg za sive tonove, ali je ponekada percepcija boja kada se koriste boje. Ova tehnika se naziva “density slicing”. Izbor palete boja omogućuje različite prikaze na displeju DITI sistema. Na ovaj način moguće je mnogo bolje vizuelizovati deo od interesa. Sve transformacije su bazično dodeljivanje pojedinih boja izotermama. 

Sistem za skeniranje

Sistem za skeniranje obezbeđuje da se snimi stepen zagrejanosti pojedinih tačaka na telu. Optički sistem koji je deo sistema za skeniranje je napravljen od silikonskih sočiva koji imaju dobru antireflektivnost. Koriste se sočiva sa 120 i 200.

Pogodnija za rutinske preglede su sočiva sa 120, zbog pogodnije udaljenosti kamere od pacijenta. Za merenja na rastojanjima manjim od 1.5 m primenjuje se sočivo sa 200. Kao i u fotografiji, za pomeranje žižne daljine koriste se prstenovi (makrotermografija).

U sistemu je prekidački uređaj (čoper) koji omogućuje da referentni signal bude u fazi sa mernim signalom i na taj način eliminiše “jednosmerni” signal. Naizmenični signal sa detektora se pojačava, ispravlja i uz filtar propusnik opsega (srednja učestanost je određena učestanošću čopera) dovodi na sistem za prikazivanje. Pojačanje je uobičajeno 120 dB.

Termografska kamera
Slika 6: Jedan primer primene infracrvene kamere za dijagnostiku promena na grudima. Levi panel pokazuje monitor (displej), a desni panel osobu koja se snima i termografsku kameru koja skenira i šalje signale računarskom sistemu koji formira sliku u bojama koje su dodeljene na osnovu odabrane palete, i izotermnih linija koje je snimila kamera.

Slika prikazuje jednu od medicinskih infracrvenih kamera (Meditherm, Med2000) koja se koristi za dijagnostiku. Navešćemo neke od osnovnih karakteristika kao primer: 1) kamera mora da se hladi da bi senzor mogao da radi i koristi se termolektrično hlađenje; masa kamere je oko 2 kg, a veličina 14 cm x 43 cm x 11 cm. Radna temperatura kamere je između 100 C i 370 Celzijusa.

Kamera prikuplja informacije koristeći rezoluciju 244 x 193 = 47 hiljada piksela (kp). Brzina skeniranja je 8 sekundi da bi se sakupilo 47 kp, odnosno 5 sekundi da bi se sakupilo 23.5 kp.

Prostorna rezolucija kamere je 0.4 mm ako je kamera na rastojanju of 15 cm, a smanjuje se na 1 mm kada je kamera na rastojanju od 40 cm od izvora zračenja. Kamera može da registruje signale koji su u opsegu of 283 do 313 K, sa rezolucijom od 0.01 K. Vidno polje pri akviziciji je 300 x 22.50. Sistem za prikazivanje omogućuje posmatranje 10 x “True color” palete ili sive skale sa 16 nivoa.

Displej omogućava praćenje 3 x 16 nivoa izotermi. Dinamički opseg je 24 bita, sa temperaturskim korakom od 0.1 do 2 stepena K. Slika se zapisuje u TIFF formatu sa najviše 95 kB.

Ovaj sistem omogućuje i nekoliko vrsta analognog procesiranja: 1) analiza nivoa signala; 2) analiza termalne amplitude; 3) merenje video signala i određivanje srednje vrednosti, maksimalne i minimalne vrednosti na posmatranom delu tela; 4) analiza oblasti; 5) analiza pojedinih izotermnih oblasti; 6) analiza termalnih profila; i 7) izbor izoterme i prikazivanje kao profila te linije.

Važno je znati da postoje artifakti usled refleksije koja zavisi od spoljnih izvora zračenja ali i od pigmentacije kože. Telo izloženo zračenju u opsegu infracrvene svetlosti jednim delom reflektuje to zračenje.

Ilustracija rada termografa

Radi boljeg razumevanje rezultata merenje infracrvenom kamerom ćemo prikazati nekoliko primera koji su prikazani na web strani koja detaljno opisuje kameru „Thermomed Med2000“.

termografija ruka
Slika 7: Termografi bolnog sindroma stopala (levi panel) i sindroma karpalnog tunela (desni panel)

Bolni sindrom stopala, prikazan na slici 7 (levi panel) je posledica frakture calcaneum-a koja nije tretirana na najbolji način, pa je dovela do promena na tkivima (vaskularne i neuralne promene). Temperatura desnog stopala je 3.70 C niža u odnosu na temperaturu levog stopala. Slika 7 na desnom panelu pokazuje termografiju koja je načinjena takozvanim hladnim strs testom u kome je ruka rashlađena i zatim snimljena. Slika ukazuje na sindrom karpalnog tunela koji je razlog za značajnu disfunkciju medijalnog nerva.

termografija kolena
Slika 8: Frontalna, medijalna i lateralna termografija „bolnog“ kolena

Slika 8 je termogram desnog kolena osobe posle operacije kolena. Ova hirurgija je u periodu rehabilitacije praćena jakim bolom, a termografija pokazuje promene u krvnom protoku i ukazuje na mesto koje je žarište bola.

Termografija ženskih grudi
Slika 9: Termografija ženskih grudi

Termografi ženskih grudi pokazuju pogodnost dijagnostike. Na levom gornjem panelu termogram pokazuje normalna nalaz, a ostali ukazuju na promene. Crvene linije na donjem levom panelu ukazuju na fibrocistični nalaz. Fibrocistični nalaz pokazuje jaku prokrvavljenost leve dojke u odnosu na desnu.

Dva snimka koja pokazuju kancerogene promene su potvrđeni drugim testovima.

Danas postoji shvatanje da druge metode mogu ranije da dijagnosticiraju promene na grudima, i zato se preporučuju primene invazivnijih tehnika, ali sa boljim rezultatom po pacijente.

Literatura:

1. Bronzino, J. et al., (Eds.), Handbook of Biomedical Engineering, CRC Press and MIT Press, NY, 1995.
2. Cobbold, R.S.C, Transducers for biomedical measurments: Principles and applications, J Wiley, NY, 1974.
3. Macovski, A., Medical Imaging systems, Prentice Hall, NJ, 1983.
4. Webster,J., Medical instrumentation, application and design, II ed, Houghton Mifflin Company, Boston, Toronto, 1992.

POSTAVI ODGOVOR

Please enter your comment!
Upišite vaše ime ovde