УДК 004.2
Найда С.А., Бурыкина В.В.
ОБЗОР НЕИНВАЗИВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
В данном докладе рассматривается диагностика по пассивному функциональному изображению человеческого тела, полученному методами регистрации физических полей человека различной природы.
Ключевые слова: глубинная температура, акустотермометрия, интроскопия.
This report examines the diagnosis based on a passive functional images of the human body, as obtained by recording the people’s physical fields of different nature.
Key words: deep temperature, acousticthermometry, introscopy.
Новым и в высшей степени актуальным направлением в ранней медицинской диагностике является диагностика по пассивному функциональному изображению человеческого тела, полученному методами регистрации физических полей человека различной природы [1]. Пассивное функциональное изображение человеческого тела в тепловом излучении может быть получено в различных диапазонах частот [1]. Наибольшую интенсивность имеет инфракрасное излучение в интервале длин волн 3-14 мкм, где она доходит до 10-2 Вт/см2, т.е. больше, чем 100 Вт со всей поверхности тела. Это излучение несет информацию о поверхностной температуре тела.
Из выше перечисленных методов наименее разработан акустотермометрический, который состоит в регистрации собственного теплового акустического излучения тела. С его помощью можно измерять не только поверхностную, но и глубинную температуру, что принципиально невыполнимо средствами радиометрии, инфракрасной техники и др., и на что было обращено внимание еще в [2] и указаны такие области применения как геофизика, океанология, техника.
Радиояркостная температура является интегральной характеристикой, которая зависит не только от абсолютной температуры тела, но также от распределения диэлектрических постоянных тканей, т.е. их эмиссионной способности. Поэтому для получения информации об абсолютной температуре тела и ее распределении по глубине радиотепловое излучение должно измеряться на нескольких длинах волн с различной глубиной поглощения. Длина радиоволн в теле человека в @ 7 раз меньше, чем в воздухе, и составляет несколько сантиметров. Длина акустической волны в мегагерцевом диапазоне частот составляет порядка 1 мм, что позволяет получить на порядок лучшее пространственное разрешение, чем с радиотепловым излучением.
В [2] на основе выражений, связывающих распределение термодинамических температур в среде с ее собственным акустическим излучением, был предложен метод пассивной акустической теплолокации (интроскопии) твердых, жидких (сейчас в качестве таковых рассматриваются и биологические объекты) и газообразных сред, особенно таких, где затухание электромагнитных волн значительно больше, чем затухание акустических колебаний. Преимущества акустической термографии биологических объектов для измерения глубинной температуры по сравнению с радиотермографией анализировались в [3], послужившей началом исследований в этой области в Институте радиотехники и электроники АН СССР (а затем РАН). Экспериментальному исследованию возможности зондировать температуру внутри различных объектов с помощью испускаемого ими теплового излучения, регистрируемого с помощью пьезопреобразователя, посвящено сообщение [4]. Как отмечают авторы [4], эксперименты проводили с применением установки типа приведенной в работе [5]. В качестве пьезопреобразователя использовали пластину из ниобата лития размером 1´1см2, имеющую частоту механического полуволнового резонанса f0=1,3 МГц. Оказалось, что ширина шумовой дорожки (пульсации показаний самописца) составляет около 50С, так что точность, по мнению авторов, для использованного в эксперименте значения постоянной времени ~ 30 с, примерно в 10 раз хуже предельно допустимой, предсказываемой теорией [3] (которая, в свою очередь, в »2,5 раза занижена). Это расхождение авторы связывают с шумами экспериментальной установки. Оценка чувствительности (точности) метода акустотермографии в работе [6] с учетом установки и дальнейшие исследования не выяснили путей повышения точности.
Достигнутая точность не удовлетворяла концепции авторов ретроспективного обзора [1], целью которого явилось привлечь внимание к новому и в высшей степени злободневному направлению в ранней медицинской диагностике: пассивному функциональному изображению человеческого тела. Суть его состоит в следующем.
Каждый функциональный орган одновременно передает информацию через множество каналов, некоторые из которых характеризуют его быстрые функции (биоэлектрическая активность нейронов, мышц и т.д.), или медленные функции (метаболизм, микроциркуляцию крови). И лишь сравнительный подход к информации разных каналов может привести к открытию общих закономерностей, присущих организму как целому. Пример изменения температуры мозга, полученной с помощью радиотермографии с точностью 0,08°С, при приеме лекарств приведен в [7]. Из различных методов изображения человеческого тела в [1] акустотермометрия занимает всего один абзац.
Отсутствие акустотермометра как разработанного прибора с требуемой для целей пассивной диагностики точностью определения глубинной температуры послужило стимулом для исследований, результаты которых представлены в работах [8-10].
Методом сравнения пороговой (ограниченной флуктуациями шумового сигнала) точности определения температуры объекта по его тепловому акустическому излучению с шириной шумовой дорожки из литературных данных его измерения в жидкости с помощью пьезоприемников с четвертьволновыми согласующими слоями обнаружен неизвестный ранее эффект пространственной фильтрации диффузного излучения такими слоями. В результате интенсивность собственных электрических шумов пьезопреобразователя значительно, в (z3/z2)2 раз (z3, z2 – удельные акустические импедансы слоя и среды), превышает интенсивность электрического шума акустического сигнала, а, следовательно, точность измерения температуры во столько же раз больше пороговой.
Показано, что этот эффект является причиной неудачи многолетних попыток осуществления многоспектральной акустотермометрии внутренней температуры тела с точностью @ 0,2 К.
И, наоборот, в случае предложенного в работах [9,10] фокусируемого плосковогнутой эллиптической линзой акустотермометра ослабление диффузной компоненты по сравнению с пропускаемой без ослабления коррелированной, излученной из сферы радиуса кор=l/2 (l - длина акустической волны в жидкости), находящейся в фокусе линзы, позволяет получить точность 0,20С при большем расстоянии и в реальном времени.
Литература
1. Godik E.E., Gulyaev Y.V. Functional imaging of the human body // IEEE Engineering in medicine and biology. -1991. -V.10, № 4. -P.21-29.
2. Бабий В.И. Перенос акустической энергии в поглощающей и излучающей среде // Морские гидрофизические исследования. - 1974. -Т.65, № 2. -С.189-192.
3. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э. Дементиенко В.В., Пасечник В.И., Рубцов А.А. О возможностях акустической термографии биологических объектов// Доклады АН СССР. - 1985. - Т.183, № 6. -С.1495-1499.
4. Миргородский В.И., Пасечник В.И., Пешин С.В., Рубцов А.А., Годик Э.Э., Гуляев Ю.В. Зондирование внутренней температуры объектов по их тепловому акустическому излучению // Доклады АН СССР. -1987. -Т.297, № 6. С.1370-1372.
5. Пат. 4385634 США, МКИ G01N29/24. Radiation-induced thermoacoustic imaging. Пат. 4385634 США, МКИ G01N29/24.Т. Bowen (США); University of Arizona Foundation. - № 257166; Заявл. 24.04.1981; Опубл. 31.05.1983; НКИ 600/407. 5с.
6. Пасечник В.И. Оценка чувствительности метода акустотермографии // Акуст. журн. -1990. -Т.36, № 4. -С.718-724.
7. Пасечник В.И.Акустическая термография биологических объектов // Радиотехника. -1991. -№ 8. -С.77-80.
8. Дидковский В.С., Найда С.А. Нулевой модуляционный метод измерения теплового акустического излучения биологических объектов // Электроника и связь. -2000. -Т.2,-№8. -С.253-256.
9. Найда С.А. Акустотермометрия жидких объектов с помощью пьезоприемников мегагерцевого диапазона //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -2002, №3. -С.41-48.
10. Найда С.А. Пьезоприемники теплового акустического излучения для зондирования внутренней температуры объектов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -2003, №1. - С. 25-29.