Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / Биофизика

Анализ термоструктур биологических систем методом матричной инфракрасной термографии

Диссертация

Автор: Хижняк, Евгений Павлович

Заглавие: Анализ термоструктур биологических систем методом матричной инфракрасной термографии

Справка об оригинале: Хижняк, Евгений Павлович. Анализ термоструктур биологических систем методом матричной инфракрасной термографии : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 03.00.02 / Хижняк Евгений Павлович; [Место защиты: Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН] Пущино, 2009 111 c. :

Физическое описание: 111 стр.

Выходные данные: Пущино, 2009






Содержание:

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Обзор литературы
11 Исследовательские и диагностические возможности метода инфракрасной термографии
12 Утрированные недостатки и реальные достоинства
13 Физические и физиологические основы тепловидения
14 Медицинское применение метода ИК термографии
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
21 Состояние проблемы
22 Физические условия возникновения конвекции:
23 Роль температурных градиентов и конвективных процессов в формировании биологических эффектов ЭМИ
24 Методика измерений с помощью матричных ИК систем
25 Калибровка ИК систем
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
31 Термоструктуры в открытых поверхностных слоях жидких сред
32 Особенности разогрева моделей биологических тканей при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн
32 Конвективные процессы в жидких средах при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона
33 Количественный анализ термоструктуры тела человека
331 Термографические параметры в норме
332 Корреляционные соотношения между анатомической структурой сосудов и пространственным распределением поверхностных температур
333 Сравнение возможностей ИК систем диапазонов 3-5 и 8-12 мкм
334 Клиническая апробация диагностических возможностей матричных ИК систем
Выводы

Введение:
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:
1. Разработка методов калибровки матричных ИК систем, обеспечивающих измерение абсолютных значений температур.
2. Исследование особенностей температурных распределений на открытых поверхностях жидких сред.
3. Исследование особенностей нагрева гомогенных и гетерогенных моделей биологических тканей при действии миллиметровых излучений.
4. Разработка количественных методов исследования распределений поверхностных температур для диагностических обследований.
5. Сравнение измерительных и диагностических возможностей охлаждаемых и неохлаждаемых (микроболометрических) ИК систем.
6. 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 неохлаждаемых 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 целью 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.