ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ
ПРИБОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Тепловизионные приборы
в настоящее время получили широкое
распространение в науке и
технике. В области специальной техники
эти приборы используются для наблюдения,
разведки, прицеливания,охраны объектов,
таможенного контроля, для криминалистики,
вождения транспортных средств, поиска
раненных на поле боя или пострадавших
во время стихийных бедствий, для работы
пограничных служб,обнаружения мин, контроля
режимов работы машин и пр. Стремительное
развитие тепловидения привело к созданию
приборов нового поколения, которым мы
посвятим серию статей.Принцип действия
тепловизионных приборов основан на преобразовании
естественного теплового излучения от
объектов и местности в видимое изображение.
Обязательным условием его формирования
является наличие температурного контраста
между объектом и местностью (фоном), а
в пределах контура объекта – между егоотдельными
элементами. Современные тепловизионные
приборы способны воспринимать температурные
контрасты до 0,05 – 0,1 К.Тепловизионные
приборы имеют целый ряд достоинств: обеспечение
больших дальностей видения независимо
от уровня естественной освещенности,
что позволяет им работать круглосуточно,
возможность работы в условиях интенсивных
световых помех и до определенной степени
– при пониженной прозрачности атмосферы
(туман, дождь,снегопад, пыль, дым и пр.).Эти
приборы способны воспринимать тепловое
излучение от объектов через среды, непрозрачные
для видимого или ближнего инфракрасного
(ИК) излучения, но прозрачные для теплового
излучения: листва, маскировочные сети,небольшой
слой земли, нагромождение предметов и
пр. Это дает возможность наблюдать замаскированные
или скрытые объекты.Тепловизионные приборы
с 60-х годов ХХ века развивались по двум
основным направлениям: с использованием
дискретных приемников излучения совместно
с механическими системами сканирования
(развертки) изображения и приборов без
механического сканирования. Теоретические
основы тепловидения и техника тепловизионных
приборов достаточно подробно рассмотрены
в литературе [1 – 6]. При этом можно выделить
четыре поколения тепловизионных приборов
[7]. Нулевое поколение основано на применении
одиночных приемников излучения и двумерной
развертки изображения с помощью сканирующей
оптико-механической системы, первое поколение
– на применении одномерных линеек фотоприемников
и одномерной оптико-механической развертки
изображения, второе поколение – на применении
матриц фотоприемников в виде 2 – 6 линеек
с ВЗН (временная задержка и накопление)
и одномерной оптико-механической развертки
изображения. Новое третье поколение основано
на применении “смотрящих”оптико-механической
развертки изображения. Новое третье поколение
основано на применении “смотрящих”
фокально-плоскостных двумерных многоэлементных
матриц фотоприемников (FPA – Focal Plane Array)
без использования оптико-механических
систем развертки изображения [13]. Ниже
речь пойдет о приборах третьего поколения.Основными
преимуществами этих приборов являются:
отсутствие оптико-механической развертки
изображения и соответственно малые масса,
габариты и энергопотребление, бесшумная,
работа, высокое отношение сигнал/шум
и качество изображения, широкий динамический
диапазон, возможность связи с современными
компьютерами, видео- и ТВ-аппаратурой,
цифровая обработка изображения в реальном
масштабе времени.Блок-схема тепловизионного
прибора третьего поколения представлена
на рис. 1 [8], где (1) – ИК-объектив, (2) –матрица
ИК-фотоприемников, (3) – блок охлаждения
или термостабилизации матрицы, (4) – предусилители,
(5)–мультиплексор, (6) – аналоговый корректор
неоднородности сигналов, (7) – аналого-цифровой
преобразователь, (8) –цифровой корректор
неоднородности сигналов, (9) – корректор
неработающих элементарных фотоприемниковматрицы,
(10) – блок формирования изображения с
микропроцессорной обработкой видеосигнала,
(11) – цифровой выход для подключения к
персональному компьютеру, (12) – ТВ-монитор,
(13) – окулярная система, (14) – тактовый
генератор, (15) – первичный источник питания
(аккумуляторная батарея). Наличие элементов
(3) и (13) необязательно и зависит от типа
прибора. Неоднородности сигналов элементарных
фотоприемников матрицы предварительно
корректируются в аналоговой форме, преобразуются
в цифровую и корректируются с использованием
данных, полученных в процессе калибровки.
Далее сигналы исправляются (возможно
вычитание неработающих элементов матрицы
с их заполнением) и направляются в блок
формирования изображения (10). На его выходе
информация выдается либо в качестве видеосигнала,
направляемого в ТВ-монитор, либо в цифровой
форме для передачи вперсональный компьютер
[8]. Для глубокого (криогенного) охлаждения
матрицы (Т = 75 – 80 К) используется газовая
холодильная машина, работающая по замкнутому
циклу Сплит-Стирлинга. Для неглубокого
охлаждения (Т = 150 – 250 К) или термостабилизации
работы неохлаждаемой матрицы используется
система термоэлектрического охлаждения.Рис.
1. Блок-схема тепловизионного прибора
третьего поколения.Современные фокально-плоскостные
матрицы ИК-фотоприемников могут быть
выполнены на основе различных материалов
– халькогенидов свинца (PbS, PbSe), соединения
кадмий-ртуть-теллур – HgCdTe (КРТ), антимонида
индия (InSb), силицида платины (PtSi), примесных
кремния (Si:x) и германия (Ge:x), многослойных
структур с квантовыми ямами на базе GaAs/AlGaAs
– так называемых QWIP детекторов (QWIP –
Quantum Well Infrared Photodetector),
Тепловизор
Термограмма Панорама
Тепловизионный комплекс
(тепловизор) Термограмма Панорама
является новейшим многофункциональным
мобильным прецизионным оптико-механическим
сканирующим инфракрасным прибором,
который измеряет температурные
поля огромных объектов, осуществляет
энергоаудит зданий, сооружений и
технического оборудования во всех отраслях
промышленности. Термограмма Панорама
позволяет снимать в автоматическом
режиме термограммы с высочайшей
разрешающей способностью и с
большим углом обзора, а также
имеет возможность связывать
термограммы в панораму. Основным
преимуществом данного тепловизора
является возможность реально получать
термограммы огромных объектов и
зданий с одной фиксированной
точки без вмешательства оператора,
при чем, как при съемке, так
и при дальнейшей обработке термограмм
на компьютере. Термографическая панорама,
полученная тепловизором Термограмма
Панорама, имеет высокое разрешение
и склеивается специальной программой
из большого количества автоматически
снятых теплограмм.Особенности и возможности
тепловизора :Высокая чувствительность.Высокое
пространственное разрешение.Возможность
автономной работы.Автоматическая привязка
для измерения абсолютных температур.Подключение
к компьютеру через принтерный (LPT) порт.Принцип
работы:Принцип работы основан на сканировании
температурного излучения в поле зрения
камеры оптико-механическим сканером
с одноэлементным высокочувствительным
ИК-приемником и трансформации этого излучения
в электрический сигнал аналого-цифровым
преобразователем, снятии серии термограмм
с использованием автоматического поворотного
устройства. Программная обработка серии
термограмм с привязкой их друг к другу,
с получением в результате одной панорамной
термограммы высокого разрешения. Камера
содержит зеркально-линзовую оптику с
малым количеством отражающих поверхностей,
что уменьшает потери оптической системы
и упрощает ее настройку. Применение особых
методов сканирования, таких как суммирование
кадров и усреднение, позволяет повысить
чувствительность прибора до 0,02°С. Опыт,
приобретенный нами за многие годы исследований
в области термографии, показывает, что
для большинства практических применений
достаточно сканировать кадр за 1-2 секунды
из-за того, что термические процессы в
объектах исследования развиваются намного
медленнее.
ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИя
Фотоплетизмографию проводят
с помощью специальных электронно-оптических
приборов — фотоплетизмографов. В
их основе лежит принцип денситометрии,
т. е. определения оптической плотности
исследуемого материала по отражению,
проникновению и поглощению света
различными средами (в данном случае
тканями организма). По принципу работы
фотоплетизмографы сходны с применяемыми
в физике приборами — фотометрами
(денситометрами).Современные отечественные
фотоплетизмографы 7 моделей серии
ФП (ФП-1—ФП-7) разработаны под руководством
В. С. Мошкевича. Из этой серии устройств
наибольший практический интерес представляет
фотоплетизмограф типа ФП-3. Это 2-канальный
прибор (3-й канал служит для отметки
времени) с чернильной записью. Наиболее
совершенным является фотоплетизмограф
типа ФП-5, выполненный на полупроводниках.Он
имеет 5 основных и 3 вспомогательных
канала (отметчики времени, проб и
т. п.) с чернильной записью, а также
автобалансировочное устройство, автоматически
устанавливающее регистраторы второго
и четвертого каналов на нулевую
точку. В приборе используется три
типа калибровок ФПГ: калибровка с помощью
постоянного электрического сигнала
(в мВ), калибровка с помощью светофильтра;
объемная калибровка (с помощью специального
калибровочного устройства, состоящего
из осветителя, реостата и прерывателя),
позволяющая выражать силу сосудистых
реакций на плетизмограмме в единицах
объема крови.Прибор укомплектован
набором из 8 датчиков, работающих в
режиме проходящего и отраженного
света, в том числе для исследования
слизистой оболочки, кожи. Работает
от сети переменного тока и от автономных
источников питания (аккумуляторов, батарей,
обеспечивающих стабильный режим работы,
а также позволяющих использовать
прибор в полевых условиях).Для
автоматического анализа фотоплетизмограмм
используют электронный анализатор
типа ФП-6.Для исследований в стоматологии,
в том числе пульпы зуба, краевого
пародонта предложены новые способ
и конструкция фотоплетизмографа
типа ФПС-1.Прибор для повышения эффективности
и точности исследований с учетом
особенностей зубочелюстной системы
(например, пульпы зуба, заключенной
в толще эмали и дентина) снабжен
набором интерференционных светофильтров
и стекловолоконными световодами,
позволяющими подводить поток света
в полость рта, в том числе
в труднодоступные участки.Применение
стекловолоконной оптики позволяет
использовать мощные источники света—малогабаритную
лампу накаливания типа КИМ-100 и
полупроводниковый лазер. Кроме
того, источник света (в отличие от
зарубежных моделей) помещен вне
полости рта; световой поток подводят
по гибким световодам к исследуемым
тканям. Для регулировки светового
потока при исследовании различных
тканей (пульпы зуба, десны и др.)
в отраженном и проходящем свете
применяют регулируемую диафрагму.
В качестве датчика-фотоприемника
используют фотодиоды, например, типа
ФД-3 с фокусирующей линзой. Световод
и приемник фиксируют на исследуемых
тканях с помощью таких же фиксирующих
устройств, какие применяют для
закрепления полярографических
электродов.Световой сигнал, преобразованный
в электрический, усиливается в
усилителе и поступает на регистратор.
В качестве регистратора используют
чернильнопишущие устройства, например,
типа Н-338.Использование раздвоенного
световода позволяет одновременно
регистрировать ФПГ симметричных зубов,
участков исследуемых тканей: пульпы
зуба, пародонта, слизистой оболочки
полости рта, кожи лица или сочетать
одновременную запись кровообращения
пульпы зуба, пародонта и т. п. На
кафедре госпитальной ортопедической
стоматологии Московского медицинского
стоматологического института под
руководством заведующего кафедрой
доцента В. Н. Копейкина разработана
новая оригинальная конструкция
фотоплетизмографа для исследования
слизистой оболочки полости рта.
Миниатюрный датчик-приемник состоит
из двух светодиодов (датчики), которые
работают в режиме подсветки ткани
и фотодиода (фотоприемника), сигнал
от которого поступает на усилитель
(например, типа УБП) и регистратор.
Датчик-приемник помещают в базис
пластиночного протеза и проводят
исследования в динамике, в том
числе с использованием функциональных
проб (жевательная нагрузка и др.)
в адекватных физиологических условиях.
Имеется возможность использования
нескольких датчиков-приемников для
исследования слизистой оболочки в
различных участках базиса протеза.Одним
из трудных этапов фотоплетизмографических
исследований является калибровка ФПГ.
Для этого предложены различные
способы: 1) фотоколориметрический с
использованием в качестве эталонов
артериальной крови обследуемого или
специально подобранного светофильтра,
приближающегося по своей характеристике
к спектру крови; 2) электрометрический
(по аналогии с реографией) по калибровочному
сигналу (в омах); 3) линейный в относительных
единицах или миллиметрах и некоторые
другие. Все они имеют существенные
недостатки: для фотоколориметрического
способа необходимо брать кровь
у обследуемого; электрометрические
и линейные способы не отражают адекватных
физиологических параметров кровообращения.
Для устранения указанных недостатков
предложен впервые в мировой
практике новый оригинальный способ.
Для калибровки ФПГ используют анализатор
и кристалл типа KDP (обладающий высокой
электрооптической постоянной), на
который подают калиброванное напряжение,
пропорциональное оптической плотности
ткани. Специальное устройство осуществляет
автоматическую калибровку ФПГ. Фотоплетизмографы
по сравнению с другими видами плетизмографов
(например, реоплетизмографов) обладают
рядом преимуществ: 1) высокая чувствительность
(разрешающая способность); 2) линейность
измерений фотодатчиком; 3) высокая скорость
записи фотоплетиз-мограммы; 4) отсутствие
помех, связанных с инерционностью преобразователя.
Анализ
фотоплетизмограмм.
На фотоплетизмограммах
регистрируются волны первого, второго
и третьего порядка. Волны второго
и третьего порядка относятся
к медленным колебаниям (рис. 1). Волны
1-го порядка относятся к быстрым
волнам и соотносятся с пульсом.
Они отражают движение объема крови
в измеряемой точке во время систолы
и диастолы.Отмечен антагонизм между
волнами 3 и 2 порядка – на пульсограмме
всегда присутствует только один из этих
типов.
Диагностические
возможности
Диагностические возможности
фотоплетизмографии позволяют прогнозировать
оптимальную дозу фактора воздействия
и предупреждать отрицательные
реакции в результате передозировки
воздействующего физического фактора.Тепловизионная
диагностика сосудистых заболеваний.При
ишемической болезни сердца (ИБС) у 75% больных
наблюдается асимметрия кожной температуры
в области грудной клетки, а гипотермия
в области сердца - почти у половины пациентов.
Наиболее частый тепловизионный симптом
при ИБС - «термоампутация» концевых фаланг
левой кисти. Термография кистей при ИБС
более информативна, чем тепловизионная
картина сердечной области.Большой интерес
представляют термографические исследования
при инфаркте миокарда, которые целесообразно
проводить с помощью портативных быстродействующих
тепловизоров.В острой стадии инфаркта
миокарда у всех больных наблюдается изменение
теплового рисунка в проекции сердца.
В стадии острой ишемии и при кардиогенном
шоке в проекции сердца - гомогенная гипотермия.
Характерна также гипотермия области
левых предплечья, кисти и стопы за счет
возникающих рефлекторных изменений кровотока
в других сосудистых областях тела. При
всех формах острого инфаркта наблюдается
тепловая асимметрия лица, а термоасимм
етрия пальцев рук у каждого четвертого
больного. Эти изменения могут регистрироваться
до 2-3 недель.При повторных инфарктах миокарда
термографическая картина более выраженная
и отличается увеличением количества
зон гипо' термин наряду с зонами гипертермии
в области сердца, что соответствует, по-видимому,
зонам реваскуляризации постинфарктного
кардиосклероза. Следует отметить, что
термографические изменения при повторных
инфарктах миокарда возникают рано, на
высоте болевого синдрома, в то время как
ЭКГ позволяет обнаружить повторный инфаркт
миокарда лишь на 3-5 сутки.Тепловидение
позволяет диагностировать атипичные
формы инфаркта миокарда. Так, при церебральной
его форме появляется гипогипертермия
левой половины лица в связи с расстройством
кровотока в системе левой сонной артерии.
Абдоминальная форма инфаркта миокарда
характеризуется очаговой или гомогенной
гипертермией в зоне печени. Приастматической
форме определяется гипертермия в проекции
легких.По мере реваскуляризации сердечной
мышцы, с конца 2-3 недели, обычно наступает
восстановление коронарного кровотока
и начинают формироваться рубцы. Последние
появляются на ТГ чередующимися зонами
гипогипертермии в виде «пятнистого»
рисунка в сердечной области. В дальнейшем,
через 11.5 мес. после развития инфаркта
миокарда, термографическая картина может
полностью нормализоваться.При хронической
сердечной недостаточности любого происхождения
в проекции печени выявляется усиление
ИКИ, но в отличие от портальной гипертензии
при циррозе печени, у больных с хронической
сердечной недостаточностью никогда не
бывает гипертермии в проекции селезенки.
При этом гипертермия в проекции печени
выявляется чаще и раньше, чем усиление
эхогенности органа при ультразвуковом
исследовании.