книги / Экспериментальные методы в биомеханике
..pdf
Рис. 2.12. Трехмерная реконструкция сосудистого русла почки на основании данных энергетического допплера
Технология MSV™ (Multislice View или мультислайсинг) по-
зволяет просматривать одновременно несколько двухмерных срезов, полученных при трехмерном сканировании (аналог технологий КТ, МРТ). Некоторые специалисты давно называют эхографию ультразвуковой томографией. Теперь УЗИ с применением технологии MSV™ более точно соответствует названию – ультразвуковая томография. Принцип этой технологии основан на сборе объемной информации, полученной при трехмерном УЗИ, и дальнейшем разложении ее на срезы с заданным шагом в трех взаимных плоскостях. Программное обеспечение осуществляет постобработку (фильтры автоматического контрастирования, гамма-коррекции изображения, усиления четкости, улучшения контурности, удаления артефактов, инверсии и др.) и представляет изображения в градациях серой школы с качеством, сравнимым с МРТ. Главное отличие MSV™ от компьютерной томографии – отсутствие рентгеновских лучей, которые являются противопоказанием при обследовании беременных и детей. Пример изображения плода в матке показан на рис. 2.13.
61
Рис. 2.13. Трехмерная реконструкция плода в матке
Развитие ультразвуковых исследований. Увеличение объема и точности диагностической информации на ультразвуковом изображении и служит главной целью развития современных технологий. В настоящее время новые подходы к получению и анализу информации можно разделить на относящиеся к визуализации в двухмерном режиме и относящиеся к допплеровским режимам исследования. В начале 90-х годов XX в. для улучшения визуализации внутренних органов была предложена методика, основанная на анализе гармоник.
В основе получения гармонических изображений лежит эффект нелинейного взаимодействия ультразвуковой волны с тканями организма. Раньше при построении В-изображений нелинейные сигналы от тканей не использовали, отсекая их фильтром. В новой технологии второй гармоники (тканевой или нативной) они используются в качестве основных при построении изображения. Изображение при этом содержит больше информации, что позволяет повысить четкость визуализации.
Гармонические колебания – непрерывные колебания синусоидальной формы, имеющие одну фиксированную частоту. При взаимодействии с веществом любой волновой гармонический процесс возбуждает в веществе собственные колебания. Для этих, вторично
62
возбужденных в веществе колебаний характерна совокупность частот, которые кратны основной частоте, принятой от датчика (fundamental harmonic). Вторая гармоника (second harmonic) имеет час-
тоту в 2 раза большую чем основная. Третья гармоника имеет частоту в 3 раза большую и так далее. Каждая последующая гармоника имеет гораздо меньшую амплитуду колебаний, чем основная, но современная техника позволяет выделить их, усилить и получить из них диагностически значимую информацию в виде гармонического В-изображения.
Преимущества гармонического В-изображения. Классиче-
ское В-изображение всегда содержит большое количество артефактов. Возникновение большинства из них обусловлено прохождением сигнала по пути от датчика до интересующего объекта. Гармонический же сигнал преодолевает путь только из глубины ткани, где он собственно и возник, до датчика. Строится гармоническое изображение, лишенное большинства артефактов, пути прохождения луча от датчика к объекту. Особенно это очевидно, когда изображение строится исключительно на основе второго гармонического сигнала, без использования основной гармоники.
Особенно полезна вторая гармоника при исследовании «трудных» для визуализации пациентов.
2.7. Инфракрасная термография
Термография – метод регистрации естественного теплового излучения объекта в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра. При термографии тела человека определяется характерная тепловая картина всех областей тела. Интенсивность теплового излучения пропорциональна температуре тела.
История термографии, или тепловидения, насчитывает десятки веков. Еще врачи Древней Греции определяли локализацию глубоко расположенной опухоли по местам, где наиболее быстро высыхал ил, который тонким слоем наносился на кожу больного.
В становлении термографии и выделении ее как одного из разделов науки огромную роль сыграли следующие события: изобретение Галилео Галилеем термоскопа (XVI век), открытие теплового
63
(инфракрасного) излучения У. Гершелем и его количественное описание Дж. Максвеллом (XIX век), открытие Т. Гарди в 1934 году метода бесконтактного измерения температуры. Временем становления инфракрасной термографии как диагностического теста следует считать конец 50-х – начало 60-х годов, когда во многих клиниках мира появились тепловизоры – приборы, позволяющие ее осуществлять.
2.7.1 Физические основы метода
Все объекты с температурой выше абсолютного ноля (–273,15 K) излучают энергию (инфракрасное излучение). При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно черного тела при относительно невысоких температурах (до нескольких тысяч Кельвинов) лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны
λ= 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1–2 мм). Диапазон инфракрасного излучения подразделяют на три составляющих: коротковолновая область: λ = 0,74 – 2,5 мкм; средневолновая область:
λ= 2,5 – 50 мкм; длинноволновая область: λ = 50 – 2000 мкм. Первая инфракрасная камера была создана в 1929 году. После нефтяного кризиса в 1973 году интерес к инфракрасной технике значительно повысился в связи с тем, что с ее помощью стало возможным определение мест утечек тепла в зданиях и промышленных установках.
Отношение между излученной энергией и температурой определяется законом Стефана– Больцмана. Согласно этому закону энергия, испускаемая объектом, прямо пропорциональна площади объекта, его эмиссионной способности (интегральной степени черноты тела) и четвертой степени его абсолютной температуры. Эмиссионная способность человеческой кожи чрезвычайно высока (отличие от черного тела не превышает 1 %).
Есть много важных технических аспектов, которые необходимо учитывать при выборе клинического инфракрасного оборудования.
64
Стандарты по выбору оборудования были установлены в работах [21, 29]. Основным требованием является чувствительность длины волны инфракрасного датчика. Тело человека излучает поток тепловой энергии в области инфракрасной части спектра в диапазоне длин волн от 3 до 20 мкм с максимумом излучения при длине волны около 9 мкм. Исследование человеческого тела требует выбора инфракрасного датчика, работающего в диапазоне 6–14 микрон. Оценка температуры кожи по инфракрасным измерениям в диапазоне 3–5 микрон является менее надежной из-за отличия эмиссионной способности человеческой кожи от абсолютно черного тела в этом диапазоне [23, 24].
На начальном этапе исследования большое число неудачных работ было вызвано неправильно выбранным датчиком (чувствительным в коротком диапазоне длины волны), тепловым дрейфом, неудачной калибровкой, аналоговым интерфейсом и так далее.
Первая промышленно изготовленная инфракрасная камера, дающая тепловизионное изображение, появилась в 1960 году в Швеции. Она весила 43 кг и охлаждалась жидким азотом. В конце 1980-х годов была создана камера, которая не требовала охлаждения жидким азотом, а использовала такие наиболее современные по тому времени и компактные системы, как охладитель Стирлинга или термоэлектрическое устройство охлаждения, работающее на базе использования эффекта Пельтье. Камеры этого поколения относились к разряду сканирующих. Это значит, что снимаемое тепловизионное изображение с помощью оптики, зеркал и системы призм зондировалось лучом по горизонтали и вертикали. Принцип действия камеры заключается в том, что инфракрасные лучи, испускаемые любым предметом при температуре выше абсолютного нуля, через специальную оптику воспринимаются камерой. Получаемые сигналы усиливаются, обрабатываются и передаются на цветной видеомонитор. Имеющееся в камере микропроцессорное устройство присваивает определенный цвет каждой точке изображения, соответствующей одному результату измерения температуры. Совокупность этих точек образует термографическое изображение объекта (рис. 2.14, 2.15).
65
Рис. 2.14. Упрощенная схема инфракрасной камеры: 1 – кремниевый матричный фоточувствительный элемент (ФЭ); 2 – азотный криостат; 3 – электронный блок управления работой ФЭ; 4 – электронный блок анало- гово-цифровой обработки сигнала ФЭ; 5 – электронный блок синхронизации и цифровой обработки сигнала; 6 – источник питания; 7 – объектив.
Рис. 2.15. Система инфракрасного сканирования
Проблемы первых инфракрасных камер решены в современных компьютеризированных инфракрасных системах. Изображения, получаемые на современных системах, имеют высокое пространственное и температурное разрешение и могут подвергаться сложной математической обработке для повышения надёжности результата.
66
Современные термографические системы делятся на два основных класса – с охлаждаемым и неохлаждаемым детектором. В неохлаждаемых камерах в качестве чувствительного элемента используется микроболометр. С помощью оптики он создает инфракрасное изображение, качество которого приближается к фотографии благодаря высокой разрешающей способности. В камере могут отображаться объекты, имеющие температуру от –40 до +2000 °C с частотой повторения изображения 50 Гц. Охлаждаемые камеры используют как охлаждение жидким азотом, так и охладитель Стирлинга. Современные чувствительные матрицы насчитывают до 640× 480 элементов (CEDIP Titanium). В военных целях используются матрицы с размерностью до 2000 чувствительных элементов. Неохлаждаемые камеры нашли широкое применение в промышленности и медицине ввиду своей относительно низкой стоимости и малых габаритов. Охлаждаемые инфракрасные камеры имеют более высокую температурную чувствительность (до 0.01 К) и активно применяются при проведении научных исследований.
2.7.2.Применение процедуры инфракрасной термографии
вмедицине
Первое клиническое применение инфракрасной термографии связано с именем канадского хирурга Р. Лаусона [30], который использовал термографию при обследовании женщин с патологией молочных желез. В 1961 году с помощью весьма примитивного ручного термозонда был обнаружен рак молочной железы у 54 женщин из 57 [31]. К 1968 году количество исследованных пациентов превысило 70000. Однако в семидесятых годах прошлого столетия появилось негативное мнение о пригодности тепловидения для массового скрининга, обусловленное большим числом ложноположительных заключений у здоровых лиц и у больных с доброкачественными заболеваниями молочной железы. В 1972 году Н.J. Isard с соавторами [26] подчеркивали, что инфракрасная термография, как, впрочем, и другие методы, дающие некое изображение, не позволяют обнаружить собственно рак, а предоставляют данные, которые могут лишь свидетельствовать о наличии некоторой аномалии.
67
Анализ причин столь пессимистических оценок термографического метода приводит к мнению, что они были связаны, по меньшей мере, с тремя факторами: использованием малоэффективных тепловых детекторов, ограничением съемки фасной проекцией без применения серий термограмм различной степени контрастности и, наконец, недостаточной специальной квалификацией персонала (как правило, рентгенологов или рентгенотехников). В более поздних исследованиях были получены другие, обнадеживающие результаты.
В настоящие время за рубежом эффективность метода инфракрасной термографии не вызывает сомнений. В 2006 году в докладе австрийских медиков из университета Грац (Department of Pediatric Surgery, Medical University of Graz) [32] по результатам термогра-
фического исследования 285 пациентов (483 термограмм), выполняемого в течение 10 лет, было отмечено, что инфракрасная термография является превосходным и безвредным инструментом в педиатрической практике при диспансеризации больных с пороками сердечно-сосудистой системы, гемангиомами, пуповинными грыжами. Метод эффективен при быстрой диагностике тромбоза конечностей, варикозного расширения вен семенного канатика, ожогов, нарывов, гангрены и инфекций раны. Особо отмечается, что метод может применяться в педиатрической возрастной группе, является абсолютно безвредным, не имеет никаких биологических побочных эффектов, не требует успокоения или анестезии и может применяться неограниченное количество раз для получения максимально объективных результатов.
Критерии риска, определяемые по термограмме, являются в основном описательными. Основные из них – это повышение температуры от 1 до 6 градусов, асимметрия термической картины, наличие существенных градиентов температуры. В последнее время начинают появляться работы, в которых для анализа данных инфракрасной термографии применяются различные математические методы. Например, анализ временных параметров изменения температуры в раковой опухоли был выполнен в [27]. Применение методов математической фильтрации изображений было выполнено в работе [28].
68
2.7.3. Требования к условиям проведения инфракрасного сканирования
Оборудованию смотрового помещения, где устанавливается тепловизионная аппаратура и производится термографическая съёмка, следует уделить особое внимание. Минимальная площадь помещения может составлять 15–17 м2. В помещении должны быть сведены к минимуму тепловые воздействия на пациента и регистрирующую аппаратуру: солнечная радиация, тепловые потоки, идущие от батарей центрального отопления, сквозняки и другие горизонтальные потоки воздуха. В кабинете поддерживается постоянная температура в пределах 19±1 °С (а для изучения кожной циркуляции 25±1 °С) и влажность 55–65 %. Стабильный климат в кабинете лучше всего достигается кондиционированием воздуха. Кондиционер должен обеспечивать 5–6- кратную смену объема воздуха рабочего помещения в течение часа при отсутствии сильных воздушных потоков.
Подготовка пациента предусматривает отмену лекарственных средств, влияющих на кровообращение и метаболические процессы. На поверхности тела не должно быть никаких мазей и косметики. Запрещается курение за 4 часа до исследования, это особенно важно при изучении периферического кровотока. Термографическое исследование больных с заболеваниями органов брюшной полости проводят обычно натощак, т. е. через 6–10 часов после приема пищи, что сводит к минимуму экзотермический фон, обусловленный процессами пищеварения.
Исследуемую часть тела обнажают, после чего пациент адаптируется к температуре помещения 10–15 минут, а при исследовании кистей и стоп – 30 минут. Для ускорения прибегают к дополнительному охлаждению исследуемой области с помощью вентилятора или быстро испаряющихся веществ. Это дает возможность получить более контрастное термографическое изображение.
При необходимости на кожу больного наносят отметки анатомических ориентиров, которые затем регистрируют на термограммах в виде темных квадратиков. Помимо анатомических ориентиров, на коже больного обозначают проекции патологических обра-
69
зований (инфильтратов, опухолей) или границы клинически определяемых (пальпируемых) органов – печени, селезенки, желчного пузыря и др. Эти ориентиры необходимы для более точного определения локализации и распространения зон повышенного излучения при интерпретации термограмм.
Взависимости от задач исследования термографию выполняют
вразличных положениях пациента и в различных проекциях. Об-
зорное тотальное термографическое обследование производится в положении лежа – первоначально на спине, в последующем – на животе (по показаниям регистрируются и термограммы боковых поверхностей тела). При переходе от одной из перечисленных проекций термографической съемки к другой вновь требуется 10–15- минутная адаптация для ликвидации гипертермии в зонах соприкосновения кожной поверхности с укладочным столом.
Помимо обзорных термограмм передней, задней и боковых поверхностей тела осуществляется прицельное термографирование областей поражения с получением крупномасштабных термограмм, что особенно важно при исследовании опухолей кожи, отличающихся, как правило, небольшими размерами.
В некоторых случаях в силу индивидуальных особенностей выделения тепла организмом не удается добиться четкого контрастирования. Поэтому при термографии необходимо полнее использовать шкалу оттенков. Информативность метода возрастает при проведении термографии в нескольких режимах. Полученные различные по контрасту термограммы точнее позволяют определить наиболее «горячие» участки.
2.7.4.Особенности проведения процедуры инфракрасной термографии
После установления стабильного режима работы тепловизора и адаптации больного производится тепловизионное исследование, при котором производится запись серии термограмм (8–10 шт.) Первоначально записывают полутоновые термограммы с постепенным повышением уровня компенсации сигнала от низких температурных значений уровней, позволяющих получить контуры иссле-
70