С доказанной диагностической эффективностью до 90-97 % для таких заболеваний, как патология молочной железы или венозные поражения нижних конечностей, метод может диагностировать заболевания на доклинической стадии.
Медицинское тепловидение
Гиппократ в 400 году до н.э. писал: «В какой части тела человек чувствует чрезмерный жар или холод, там и следует обнаружить болезнь». Древние греки погружали тело в мокрую грязь, и участок, который быстрее всего высыхал, указывал на местное проявление болезни.
До 18 века ручные термометры и термометры для измерения температуры были единственным способом измерения тепла, выделяемого телом, а контактные термометры используются в медицинских осмотрах и сегодня. Со времени пионерской работы доктора Карла Вундерлиха в 1868 году, в которой он описал основы измерения температуры и ее значение для обследования и лечения лихорадки, измерение температуры тела человека играет важную роль в медицине. По словам Вундерлиха, знание динамики температуры тела при заболеваниях очень важно для врача, а в некоторых случаях даже незаменимо:
- температура не может быть ни притворной, ни фальсифицированной,
- конкретные значения температуры указывают на то, что есть лихорадка,
- степень превышения нормальных границ температуры часто указывает на тяжесть и опасность заболевания,
- термометрия наиболее быстро и безопасно отслеживает любые отклонения от контролируемого течения заболевания, обнаруживая как рецидивы, так и улучшения,
- термометрия может использоваться для оптимизации тактики лечения.
На первой фотографии изображен пациент, испачканный глиной. На первой фотографии изображен пациент с глиной, как на картинке ниже.
Термометрия медленно развивалась от раннего термоскопа Галилея (1592) до более практичных калиброванных шкал польско-немецкого физика Фаренгейта (1724) и шведского ученого Келси (1742). Шкала Фаренгейта до сих пор широко используется только в США. Единица температуры Кельвина названа в честь одного из основателей термодинамики, британского физика Томпсона («лорда Кельвина»), который предложил термодинамическую шкалу температур, где начало отсчета (0 К) соответствует абсолютному нулю (температуре, при которой прекращается хаотическое движение молекул и атомов). Один градус Цельсия и один градус Кельвина имеют одинаковое значение, их шкалы сдвинуты на 273,15, т.е. °C = K — 273,15.
В последующие годы другие устройства, такие как термопары, термисторы, пирометры и инфракрасные радиометры, заменили стеклянные ртутные клинические термометры для измерения температуры барабанной перепонки или лба. Только в 1880 году американский астроном и физик Лэнгли изобрел вольтметр — детектор теплового излучения, основанный на изменении электрического сопротивления термочувствительного полупроводникового элемента при нагревании в результате поглощения измеряемого потока излучения. С помощью этого устройства можно было обнаружить тепло живых существ размером с корову на расстоянии более 400 метров.
Развитие медицинского тепловидения.
История применения тепловидения в медицине насчитывает несколько поколений приборов. Немецкий спектрофизик Мариан Черни разработал испарограф в 1925 году, а его ученик Боулинг Барнс в 1950-х годах создал первый тепловизор на основе термисторов. Канадский гинеколог и медицинский исследователь Рэй Лоусон из Университета Макгилла использовал один из таких приборов для составления термограмм груди. В 1956 году он опубликовал работу, в которой сообщил об обнаружении повышенной температуры кожи с помощью инфракрасной визуализации при скрининге подтвержденных злокачественных опухолей молочной железы у 26 женщин. Это новаторское исследование можно рассматривать как начало нового метода диагностики — клинической термографии или медицинского тепловидения.
Рэй Н. Лоусон (1973) слева, с первыми тепловизионными камерами (Pyroscan, Англия) в середине и справа.
Биомедицинские исследования
Ценность современных методов визуализации живых объектов в биомедицинских исследованиях неоспорима. К ним относятся рентгеновское излучение (включая КТ и ПЭТ), различные модификации МРТ, ультразвук, оптические, спектроскопические, электрофизиологические методы и многие другие. Однако, помимо преимуществ каждого из существующих методов картирования, все они имеют определенные ограничения в практике физиологических и особенно клинических исследований человека.
Поэтому, несмотря на обилие инструментального обеспечения и возможность измерения температуры некоторыми из перечисленных методов, тепловидение в медицине занимает свое место, определяемое не только длиной волны поглощаемого телом излучения, но и рядом дополнительных возможностей: полной безвредностью, бесконтактностью, скоростью и простотой обследования при высокой диагностической информации.
Кроме того, совместное использование тепловидения с другими методами клинической и логистической оценки функционального состояния организма и его систем часто повышает его эффективность. При наличии устоявшейся и проверенной методики исследования эти характеристики способны сделать тепловидение, по выражению Л.Б. Лихтермана, «идеальным методом диагностики».
Тепловидение
Инфракрасное излучение (ИК) охватывает диапазон длин волн от 0,76 до 1000 микрон. Его часто называют тепловым, потому что его излучают все физические тела, температура которых выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия). Другими словами: Если бы человеческий глаз мог видеть в инфракрасном диапазоне, мы могли бы оценивать температуру объектов, не прикасаясь к ним.
Люди видят окружающий мир, потому что их глаза регистрируют излучение, отраженное от солнца и других источников. Видимый свет охватывает диапазон электромагнитных длин волн от 0,38 мкм до 0,76 мкм, с центром этого диапазона на 0,55 мкм — максимуме солнечного излучения.
Поскольку весь диапазон электромагнитного излучения простирается от ангстрема до сотен километров и на самом деле не ограничен «левым» или «правым», человеческая цивилизация на протяжении всей своей технической истории пыталась контролировать те диапазоны излучения, где человеческий глаз бессилен. Например, без рентгеновских лучей, открытых Редгеном в 1895 году (Редген получил первую Нобелевскую премию по физике в 1901 году), многие медицинские диагнозы были бы невозможны, как и техническая диагностика металлов, от которой до сих пор зависит современная промышленность. Радиоволны используются в связи, радио и телевидении, поскольку они хорошо проникают через атмосферу на большие расстояния.
В последние годы были разработаны активные и пассивные терагерцовые (микроволновые) «видения», использующие миллиметровые и сантиметровые волны для обнаружения твердых тел, позволяющие быстро отслеживать пассажиров самолетов в антитеррористических целях (и, возможно, шпионить за людьми через стены зданий).
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение (ИК) охватывает диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. Его часто называют тепловым излучением, поскольку его испускают все физические тела, температура которых выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия). Другими словами: Если бы человеческий глаз мог видеть в инфракрасном диапазоне, мы могли бы оценивать температуру объектов, не прикасаясь к ним. Интересно отметить, что у некоторых животных в природе есть специальные приборы, которые определяют тепловое излучение. Например, змеи используют особый алгоритм обработки данных о внешнем мире, который позволяет им выбирать из множества теплых объектов в окружающей среде только те, которые движутся и представляют интерес с точки зрения жизни. Люди менее совершенны в этом отношении. Считается, что человеческий глаз, приспособленный к темноте, начинает регистрировать слабое излучение от тел, когда их температура превышает 435 градусов.
Инфракрасная термография, или тепловидение, — это научно-техническая дисциплина, включающая в себя методы и средства для обнаружения и количественной оценки источников теплового излучения. Проще говоря, тепловидение позволяет видеть окружающий мир на основе тепловых лучей, излучаемых всеми телами, в то время как человеческий глаз может обнаружить видимое изображение только при наличии видимых источников света.
Инфракрасная камера (ИК-камера) (тепловизионная камера) измеряет инфракрасное излучение, испускаемое объектом, и отображает его в виде изображения. Поскольку это излучение является функцией температуры поверхности объекта, камера может рассчитать и отобразить эту температуру.
В практическом тепловидении используются два диапазона длин волн: средний диапазон длин волн от 2 до 5 мкм и длинноволновый диапазон от 7 до 13 мкм. Тепловидение — это черно-белая или цветная инфракрасная термография, которая показывает распределение теплового излучения на поверхности обследуемых объектов. Неверно, что термографы показывают только температуру объектов, поскольку наличие определенной температуры является важной причиной инфракрасного излучения, но не единственной. Количество теплового излучения, испускаемого контролируемым объектом в тепловизионной камере, зависит как от его температуры, так и от свойств его материала и поверхности, а также от наличия внешних источников тепла.
Современные системы видеонаблюдения и обнаружения пожаров могут быть оснащены тепловизионными камерами, а в военной промышленности и сфере безопасности также часто используется тепловидение. Однако наиболее широко используемые в промышленности тепловизионные камеры (ИК-радиометры) можно рассматривать как бесконтактные, многоточечные ИК-термометры, позволяющие быстро дистанционно измерять температуру во многих точках рассматриваемой сцены, причем число этих точек может превышать миллион.
Как устроен и как работает тепловизор
В основе тепловизионной камеры лежит матрица, способная преобразовывать инфракрасное излучение в электрические сигналы. Эта чувствительная полупроводниковая пластина изменяет свою проводимость в ответ на изменение температуры. Электронный сигнал поступает на микросхему или микропроцессор, обрабатывается и затем отображается в виде тепловой диаграммы. В матрице инфракрасные лучи фокусируются оптической системой.
Трудно представить, как работает тепловизионная камера, не зная ее конструктивных особенностей. Давайте кратко рассмотрим отдельные компоненты и их функции, которые необходимы для любого устройства.
Конструкция тепловизора
Независимо от того, какую тепловизионную камеру вы выберете, она состоит из:
- объектива;
- дисплея;
- элементов управления;
- хранилища данных.
Хотя конструкция тепловизионной камеры остается неизменной, ее внешний вид отличается из-за размеров, функций и технических данных.
Объектив
На датчик и объектив приходится до 90 % стоимости устройства. Свойства объектива определяют дальность действия тепловизионной камеры. Его стоимость так высока потому, что линзы сделаны не из стекла, а из германия, поскольку стекло не пропускает инфракрасное излучение. Германиевые линзы дополнительно просветлены тонкопленочными покрытиями.
Расстояние, на котором работает тепловизионная камера, зависит от типа объектива. Помимо стандартного объектива, которым оснащены все устройства, существуют телескопические и широкоугольные объективы.
Телескопические линзы делают поле зрения немного более узким, но также могут действовать как бинокль и приближать удаленные объекты. Наблюдательные линзы могут обнаружить источники тепла на расстоянии нескольких километров.
Широкоугольные объективы, с другой стороны, расширяют угол обзора. Это полезно, когда нужно осмотреть большое здание, которое не помещается в обычный компактный прибор. Возможно, для создания панорамного снимка все же придется сшивать несколько изображений, но при использовании широкоугольного объектива количество снимков может быть уменьшено, что упрощает проведение энергоаудита.
Дисплей
На дисплее отображается полный диапазон температур теплового изображения. Собранная информация о нагреве объекта выводится на экран в виде термограммы — изображения с различными оттенками цвета, каждый из которых соответствует разной температуре. Диагональ должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить четкое изображение в поле.
Помимо данных измерений, на дисплее может отображаться время, уровень заряда батареи, дата и другая дополнительная информация. Также отображается меню настройки, которое можно использовать для создания отчета и доступа ко всем функциям устройства.
Элементы управления
Это клавиши, используемые для настройки и активации устройства. Часто можно настроить цвет изображения, объединить изображения в одно, выбрать температурную точку, создать отчет и т.д. В новейших цифровых тепловизионных камерах сенсорный экран может использоваться в дополнение к основным кнопкам управления.
Хранилище данных
Эта функция не обязательно входит в основные параметры камеры, но большинство современных устройств оснащены ею. Вся снятая информация — изображения, термограммы, голосовые или текстовые комментарии, видео — сохраняется на внутренних или дополнительных картах памяти. В зависимости от категории устройства, существуют различные типы и емкости карт флэш-памяти.
В дополнение к внутренним или внешним картам памяти новейшие серии тепловизионных камер оснащены функциями передачи данных. Они оснащены модулями Wi-Fi или Bluetooth, которые передают снятые данные на смартфоны, планшеты и ноутбуки. Если у вас есть порт USB, вы можете передавать информацию непосредственно на компьютер. При наличии подключения HDMI можно передавать видео на подключенный монитор или телевизор.
Технические характеристики прибора
От них зависит спектр применения тепловизионных камер. К ним относятся:
- разрешение инфракрасного датчика;
- разрешение и размер дисплея;
- температурный диапазон;
- чувствительность;
- погрешность измерений;
- спектральный диапазон.
На основе этих параметров можно определить, какая тепловизионная камера лучше всего подходит для решения определенных задач.
Разрешение инфракрасного датчика
Инфракрасный датчик тепловизионной камеры имеет гораздо меньшее разрешение, чем обычная камера смартфона, из-за высокой стоимости и сложности производства. Чем выше разрешение, тем четче изображение и тем точнее фиксируется температура.
Дешевая тепловизионная камера для бытового использования оснащена матрицей с максимальным разрешением 160×120 пикселей. Этого достаточно, чтобы определить необходимость ремонта, необходимость замены изоляции и отсутствие риска появления плесени. Такая панель показывает, где образовались мостики холода, насколько горячи или холодны окна. Однако этого может быть недостаточно для проведения полного энергоаудита.
К полупрофессиональным решениям относятся устройства с разрешением 320х240 пикселей. Они уже подходят для энергоаудита здания для более точного определения тепловых потерь. Термограммы стали более четкими. Чтобы сделать их еще лучше, встроенная программа может объединить несколько изображений в один снимок.
Профессиональные устройства имеют чувствительную матрицу с разрешением 640×480 пикселей и более. Они могут измерять распределение тепла в объекте с еще большей четкостью. Однако на вопрос, нужна ли вам тепловизионная камера такого класса для повседневного использования, ответ однозначный — нет. Они слишком дорогие. Такая модель нужна для того, чтобы с высокой точностью отслеживать изменения температуры.
Разрешение и размер дисплея
Читая описание тепловизионной камеры, не путайте разрешение ЖК-экрана с разрешением инфракрасного датчика. Разница между ними такая же, как между камерой и экраном смартфона.
Параметры визуализации не влияют на размер термограммы. Однако это влияет на резкость изображения до того, как отчет будет распечатан или отправлен на компьютер. Почти все бюджетные тепловизионные камеры оснащены 3,5-дюймовым дисплеем с разрешением 320х240 пикселей. Более дорогие модели могут иметь дисплеи с разрешением 640×480 пикселей и выше.
Температурный диапазон
Один из самых важных критериев при выборе тепловизионной камеры. Каждый прибор может измерять температуру в определенных пределах. Это определяет его назначение.
Когда меня спрашивают, какую тепловизионную камеру выбрать для обследования дома, я могу порекомендовать модели с пределом измерения +100 градусов Цельсия. Если вам нужен прибор для диагностики электрооборудования, верхний предел должен составлять +350 градусов Цельсия. Для контроля теплогенераторов и котлов значение увеличивается до +650 градусов. В химической, энергетической, стекольной и металлургической промышленности необходимы модели, способные определять температуру до +1200 градусов и более.
Чувствительность
Этот параметр влияет на контрастность термограммы. Описывает, какую разницу температур обнаруживает устройство. Для энергетических испытаний чувствительность должна составлять не более 0,1°C. Если вы хотите определить, какие механические или электрические компоненты перегрелись или вышли из строя, вы можете выбрать менее чувствительную модель. Более высокая чувствительность необходима для поиска скрытых утечек, мест с избыточной влажностью, небольших скрытых дефектов и т.д.
Классификация
Тепловизионные камеры делятся на различные типы в зависимости от их характеристик.
- Наблюдательные преобразуют инфракрасные лучи в видимый для глаза свет по специальной цветовой шкале.
- Измерительные тепловизоры способны определять температуру исследуемого объекта путем присвоения величине цифрового сигнала пикселей определенную соответствующую температуру. В итоге образуется изображение распределения температур.
- Стационарные тепловизоры служат для использования на предприятиях промышленности, где осуществляется контроль над соблюдением технологических процессов в интервале -40 +2000 градусов. Такие устройства оснащаются азотным охлаждением, чтобы создать нормальные условия для работы приемной аппаратуры. Такие системы состоят из тепловизоров 3-го поколения, выполненных на полупроводниковых матрицах фотоприемников.
- Переносные устройства тепловидения разработаны на основе неохлаждаемых кремниевых микроболометров. Вследствие чего появилась возможность отказаться от применения громоздкой и дорогой аппаратуры охлаждения. Такие приборы имеют все преимущества стационарных моделей. При этом их можно использовать в труднодоступных местах. Многие переносные тепловизоры можно подключать к компьютеру для обработки информации.
Приборы ночного видения часто путают с тепловизионными камерами. Однако между ними есть большая разница. Прибор ночного видения может работать в условиях низкой освещенности, поскольку усиливает свет. Часто свет, попадающий в объектив, ослепляет человека. Тепловизионная камера не нуждается в свете, поскольку принцип ее работы основан на тепловом инфракрасном излучении.
Функциональные и конструктивные особенности
Инфракрасное излучение фокусируется оптической системой тепловизионной камеры на приемнике, который выдает сигнал в виде изменения сопротивления или напряжения. Электроника регистрирует сигнал, полученный тепловизионной системой. Это преобразует сигнал в электронную термограмму. Это отображается на экране.
Термограмма — это изображение объекта, обработанное электроникой так, чтобы его можно было вывести на экран с различными оттенками цвета, которые соответствуют распределению инфракрасных лучей в области объекта. В результате оператор видит термограмму, соответствующую тепловому излучению исследуемого объекта.
Чувствительность детектора к выделяемому теплу зависит от его температуры и качества охлаждения. Поэтому детектор помещается в специальный охлаждающий блок. Наиболее распространенным методом охлаждения является использование жидкого азота. Однако этот метод громоздок и довольно примитивен.
Элементы Пельтье — еще один тип охлаждения. Это полупроводники, которые могут создавать разницу температур при прохождении через них электрического тока и работают по принципу теплового насоса. Чувствительность матрицы камеры достигается за счет использования чувствительных полупроводников из ртутно-кадмиево-теллуриевого, индиевого антимонида и других материалов.
Части и компоненты инфракрасной камеры
Стоимость тепловизионной камеры довольно высока. Его основными компонентами являются объектив и матрица (приемник излучения), на которые приходится 90% стоимости всего устройства. Производство этих датчиков является сложным. Они не могут быть изготовлены из стекла, поскольку стекло не пропускает инфракрасные лучи. По этой причине для изготовления линз используются дорогие, редкие материалы (германий). В настоящее время ведутся поиски других дешевых материалов.
Пассивную и активную термографию
Все объекты при абсолютном нуле (0 K) испускают инфракрасное излучение. Поэтому отличным способом измерения изменений температуры является использование инфракрасного устройства формирования изображения, обычно инфракрасной камеры с массивом фокальных плоскостей (FPA), способной обнаруживать излучение в средневолновой (3-5 мкм) и длинноволновой (7-14 мкм) инфракрасных областях, называемых MWIR и LWIR, соответственно, которые соответствуют двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания. Аномальные температурные профили на поверхности объекта указывают на потенциальную проблему.
При пассивной термографии исследуемые объекты естественным образом имеют более высокую или более низкую температуру, чем фон. Пассивная термография используется во многих областях, таких как наблюдение за человеком и медицинская диагностика (особенно термология).
Активная термография требует наличия источника энергии для создания теплового контраста между интересующим элементом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, поскольку контролируемые детали обычно находятся в равновесии с окружающей средой. Учитывая гиперлинейность излучения черного тела, активная термография может также использоваться для повышения разрешения систем визуализации за пределы дифракции или для достижения сверхразрешения. микроскопия.
Преимущества
Он отображает визуальное изображение, позволяющее сравнивать температуры на обширной территории. Он способен обнаруживать движущиеся цели в режиме реального времени. Он способен обнаружить износ, т.е. компоненты с повышенной температурой, прежде чем они выйдут из строя. Его можно использовать для измерения или мониторинга участков, недоступных или опасных для других методов. Это метод неразрушающего контроля. Его можно использовать для обнаружения дефектов в валах, трубах и других металлических или пластиковых деталях. Его можно использовать для обнаружения объектов в темных помещениях. Он имеет некоторые медицинские применения, особенно в физиотерапии.
Существуют разные камеры, более дешевые и более дорогие. Камеры высокого класса часто имеют высокий ценовой диапазон (часто $3000 и более), поскольку для них требуется большая матрица пикселей (современные 1280 x 1024), в то время как менее дорогие модели (с матрицами пикселей от 40×40 до 160×120 пикселей) одинаково доступны. Меньшее количество пикселей снижает качество изображения и затрудняет различение близких целей в одном и том же поле зрения.
Также существует разница в частоте кадров. Некоторые камеры имеют частоту кадров всего 5-15 Гц, в то время как другие (например, FLIR X8500sc) достигают 180 Гц и более в полнокадровом режиме.
Кроме того, объектив может быть встроенным или нет.
Многие модели не обеспечивают измерения световой энергии, используемой для получения выходного изображения; потеря этой информации без надлежащей калибровки излучательной способности, расстояния, температуры окружающей среды и относительной влажности означает, что получаемые изображения по своей сути являются неправильными измерениями температуры.
Точная интерпретация изображений может быть затруднена, если на них изображены конкретные объекты, особенно объекты с нестабильной температурой, хотя эта проблема меньше при активном тепловидении.
Тепловизионные камеры формируют тепловые изображения на основе излучаемой ими тепловой энергии. Поскольку на излучаемые значения влияют излучательная способность и отражение излучения, например, солнечного света, от измеряемой поверхности, это приводит к ошибкам измерения.
- Большинство камер имеют точность измерения температуры ± 2% или хуже и не так точны, как контактные методы.
- Методы и инструменты ограничены прямым измерением температуры поверхности.
Применения
Тепловое изображение солнечного коллектора с БПЛА в Швейцарии
Тепловизионные камеры преобразуют энергию в инфракрасном диапазоне в изображение в видимом свете. Все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают инфракрасную энергию. Поэтому тепловизионные камеры могут пассивно обнаруживать все объекты независимо от их окружения. Однако большинство тепловизионных камер могут обнаруживать объекты только при температуре выш е-50°C (-58°F).
Спектр и количество теплового излучения в значительной степени зависят от температуры поверхности объекта. Это позволяет тепловизионной камере определять температуру объекта. Однако существуют и другие факторы, которые влияют на излучение и ограничивают точность этого метода. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но и от излучательной способности объекта. Кроме того, излучение исходит из окружающей среды и отражается от объекта. Излучение от объекта и отраженное излучение также зависят от поглощения атмосферой.
