Физические основы тепловидения

ИК излучение – один из частных видов электромагнитных волн. В 1832 году Фарадей высказал предположение о существовании элек­тромагнитных волн. В 1865 году Максвелл теоретически доказал, что элек­тромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, из чего ученый сделал вывод, что и свет представляет собой, по существу, электромагнитные волны. Герц в 1888 году в опытах подтвердил правиль­ность теории Максвелла. Эти открытия позволили доказать, что радиоволны, видимый спектр света, рентгеновские лучи и гамма лучи – это проявление электромагнитных колебаний с различной длиной волны, причем на этой шкале электромагнитных волн между двумя соседними диапа­зонами нет резкой границы.

На существование невидимых глазом тепловых лучей указывал еще в 1791 году французский физик Пьер Прево, однако честь их открытия в 1800 году принадлежит Гершелю, который дал им название «инфракрасные лучи». ИК излучение занимает на шкале электромагнитных волн спектральную область между концом красного цвета видимой части спектра (с длиной волны равной 0,74 мм) и коротковолновым радиоизлучением (длина волны равная 1-2 мм).  Для удобства инфракрасную область спектра условно раз­деляют на отдельные участки. В частности, В.В.Зарецкий и А.Г.Выховская (1976) различают ближнее ИК излучение (0,76-1,5 мкм),  корот­коволновое (1,5-5,5 мкм), длинноволновое (5,6-25 мкм)  и дальнее  (25-1000 мкм).

Человек как биологическое тело, имеющее температуру в интервале от 31 до 42°С, является источником преимущественно ИК излу­чения.  Основная часть собственного излучения кожи человека приходится на диапазон волн с длиной от 4 до 50 мкм. Максимальная спектральная плот­ность лежит в диапазоне около 10 мкм, то есть в длинноволновой области ИК излучения. Точнее можно распределить инфракрасное излучение кожи человека следую­щим образом: на излучение с длиной волны до 5 мкм приходится до 1% все­го излучения, с длиной волны от 5 до 9 мкм – 20% , от 9 до 16 мкм – 30%   и на более длинноволновое излучение –  41%.

Исследования Харди (Hardy) (1934,1938) показали, что в длинно­волновой ИК области (8-14 мкм) кожа человека излучает как абсолютно чер­ное тело независимо от возраста, степени пигментации и других особенностей. Поэтому коэффициент излучения кожи человека можно считать равным единице. На практике доказано, что раз­личие между характеристиками излучения кожи человека и абсолютно черно­го тела  все же существует, но оно невелико и зависит, в основном, от влияния окружающего фона. В.В.Зарецкий и соавт. (1976) указывают, что при проведении измерений в помещении с тем­пературой 22°С температура кожи человека будет отличаться от истинной на 0,3°С. Это правило нельзя отнести к излучению с длиной волны короче 5 мкм, но доля этого излучения небольшая по сравнению с общим ИК излучением (не более 1%).

Любое нагретое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (273^оК), в том числе организм человека, излучает электромагнитные волны в широком спектре частот. Физическая сущность теплового радиоизлучения заключается в наличии заряженных частиц (электроны, ионы), которые находятся в хаотическом движении и обладают свойствами электрической или магнитной полярности. Электромагнитные волны распространяются по всему объему тела, достигают поверхности и, пройдя через кожу, частично излучаются в окружающую среду. Интенсивность этих процессов пропорциональна температуре тела и его излучательной способности. Поскольку движение частиц хаотическое, они создают радиоволны различной длины.

Глубина эффективного измерения температуры равна толщине излучающего слоя (скинн-слой) и определяется как расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна от поверхности объекта до того слоя, в котором ее интенсивность уменьшается в 2,73 раза. При прочих равных условиях чем больше длина волны, тем больше глубина, с которой можно регистрировать температурные возмущения. Максимум интенсивности теплового радиоизлучения при обычной температуре окружающей среды лежит в инфракрасной области спектра (на длине волны около 10 мкм). Это обусловило целесообразность создания ИК тепловидения (термографии) для исследования температурных аномалий. Однако, измерение теплового излучения тела человека в ИК диапазоне дает истинную температуру только самого верхнего слоя кожи толщиной в доли миллиметра. О температуре подлежащих тканей и органов можно судить опосредованно и только, когда температурные изменения «проецируются» на кожные покровы.

Интенсивность теплового излучения тела человека в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне на несколько порядков меньше, чем в ИК части спектра. В частности, на длине волны 17 см она  меньше в 10 раз, поэтому для регистрации тепловых сигналов в этом диапазоне требуется аппаратура с более высокой чувствительностью. Преимуществом данного диапазона измерений является то, что глубина проникновения излучения гораздо больше, и можно получать данные о температурных параметрах от внутренних органов и структур тела человека, однако значительно уменьшается пространственная разрешающая способность, вследствие чего нельзя получить тепловой портрет исследуемой области.

Медицинское тепловидение – это метод дистантной визуализации ИК излучения тканей, осуществляемый с помощью специальных оптико-электронных приборов – тепловизоров.

Существующие в настоящее время способы регистрации ИК излучения кожи человека можно разделить на две группы – контактные и дистанционные. Классическим представителем контактного метода регистрации ИК из­лучения является контактная пластинчатая термография жидкими кристаллами. В основе метода лежит способность холестерических кристаллов изменять цвет в зависимости от интенсивности и волнового диапазона инфракрасного излучения поверхностей, на которую они нанесены.

Основным элементом всех дистанционных методов регистрации ИК лучей является чувствительный приемник ИК излучения. Существующие в настоящее время приемники дистанционной регистрации ИК лучей подразделяются на избирательные и неизбирательные.

К неизбирательным (неселективным) приемникам относятся устройства, которые одинаково хорошо улавливают ИК излучение в диапазоне длин волн от 0,74 до 2000 мкм. К приемникам такого типа относятся: болометр, термопара, термоэлемент.

В качестве избирательных (селективных) приемных устройств и приборов, дистанционно регистрирующих ИК излучение, используются фоторезисторы. Как правило, они работают в определенном диапазоне ИК излучения и являются весьма чувствительными (до 0,03^оС) и малоинерционными. В настоящее время широко применяются фотосопротивления из сурьмянистого индия,  сульфида  свинца, селенида, теллурида свинца, германиевые, сложные ртутно- кадмиево-теллуристые. Все они, охлаждаемые жидким азотом (-196^оС) или жидким аргоном (-186^оС), приобретают высокую чувствительность в своем диапазоне ИК излучения.

Тепловой поток от объекта исследования попадает на фоторезистор и изменяет его электрическое сопротивление, которое пропорционально количеству падающей на него ИК энергии. Так как электрические величины на выходе фоторезистора чрезвычайно малы, то для визуализации изображения используется каскад усилителей. Изображение объекта получается на экране электронно-лучевой трубки. С учетом того обстоятельства, что глаз человека лучше улавливает цветовую гамму, нежели черно-белую картину, созданы тепловизоры, обеспечивающие получение цветной термограммы.

Существуют фоторезисторы на основе кадмия, которые действуют при комнатной температуре, без охлаждения жидким азотом или аргоном, что делает их более удобными в работе. Это – пировидиконы.