Помощь студентам в учебе
БЕЗКОНТАКНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА ОТОГРЕВА КОНЕЧНОСТИ
|
Аннотация
Введение 5
1 Обзор методов бесконтактной термометрии и методов описания запредельных
волноводов 12
1.1 Инфракрасная термография 12
1.2 Микроволновая радиометрия 13
1.3 Выбор оптимального метода контроля температуры для решения поставленной
задачи 14
1.4 Цилиндрический волновод 22
2 ИК-матрица в запредельном СВЧ-волноводе 25
2.1 Обоснование расположения датчика в волноводе 25
2.2 Моделирование волновода для оценки угла обзора 26
2.3 Конструирование экспериментального металлического волновода 27
2.4 Измерения распределения мощности в запредельном волноводе 28
3 Описание системы тепловизора на базе Teensy 3.2 и ESP32 с датчиком MLX90640
и выводом в браузер 31
3.1 Реализация схемы одноточечного датчика температуры 31
3.2 Реализация схемы матричного датчика температуры 33
4 Экспериментальное исследование системы тепловизора на базе ESP32 в СВЧ-
камере с диэлектрическими фантомами 40
4.1 Описание установки 40
4.2 Измерения температуры внутри фантома 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 47
Приложение А(справочное)Полный код MLX90614 49
Приложение Б(справочное)Полный код MLX90640 50
Приложение В(справочное)Полный код для Processing 52
Приложение Г(справочное). Код с максимумов и минимумов на поверхности отогреваемой конечности 55
Приложение Д(справочное). Код для MLX90640 с возможностью отправки данных
через Wi-Fi 59
Введение 5
1 Обзор методов бесконтактной термометрии и методов описания запредельных
волноводов 12
1.1 Инфракрасная термография 12
1.2 Микроволновая радиометрия 13
1.3 Выбор оптимального метода контроля температуры для решения поставленной
задачи 14
1.4 Цилиндрический волновод 22
2 ИК-матрица в запредельном СВЧ-волноводе 25
2.1 Обоснование расположения датчика в волноводе 25
2.2 Моделирование волновода для оценки угла обзора 26
2.3 Конструирование экспериментального металлического волновода 27
2.4 Измерения распределения мощности в запредельном волноводе 28
3 Описание системы тепловизора на базе Teensy 3.2 и ESP32 с датчиком MLX90640
и выводом в браузер 31
3.1 Реализация схемы одноточечного датчика температуры 31
3.2 Реализация схемы матричного датчика температуры 33
4 Экспериментальное исследование системы тепловизора на базе ESP32 в СВЧ-
камере с диэлектрическими фантомами 40
4.1 Описание установки 40
4.2 Измерения температуры внутри фантома 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 47
Приложение А(справочное)Полный код MLX90614 49
Приложение Б(справочное)Полный код MLX90640 50
Приложение В(справочное)Полный код для Processing 52
Приложение Г(справочное). Код с максимумов и минимумов на поверхности отогреваемой конечности 55
Приложение Д(справочное). Код для MLX90640 с возможностью отправки данных
через Wi-Fi 59
Проблема эффективного лечения обморожений конечностей остается актуальной во всем мире, особенно в холодных регионах, где на такие травмы приходится до 15% всех случаев. К сожалению, современная медицина, как отечественная, так и зарубежная, до сих пор испытывает нехватку передовых аппаратных методов для борьбы с последствиями обморожения, что делает их разработку важнейшей задачей [1].
В ответ на этот вызов ученые Научно-исследовательского института Томского государственного университета (НИИ ТГУ) под руководством профессора Григория Дунаевского создали первый прототип уникальной установки. Ее принцип действия основан на прогреве обмороженных рук или ног с помощью маломощного микроволнового (СВЧ) поля.
Однако ключевой сложностью такого лечения является точный контроль температуры тканей во время самого прогрева. Ранее использовавшийся датчик MLX-90614 имел существенный недостаток: он мог измерить температуру лишь в одной-единственной точке на поверхности конечности. Это не давало врачам полной картины нагрева и могло привести к опасным ситуациям - перегреву, способному повредить ткани, или, наоборот, недостаточному прогреву, сводящему на нет лечебный эффект.
Для решения этой проблемы был разработан принципиально новый подход к мониторингу, где температура поверхности отогреваемой конечности измеряется с помощью специального инфракрасного (ИК) датчика, подключенного к компактным и доступным платформам типа Arduino, Teensy или ESP32. Эти данные в режиме реального времени передаются и отображаются на экране компьютера или в веб-браузере.
Целью данной ВКР является исследование и разработка системы для мониторинга текущих значений температур на поверхности конечности в микроволновой камере с применением температурных датчиков и тепловизионного модуля в режиме реального времени.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
а) изучение принципа работы термальных бесконтактных ИК датчиков, устройств их оцифровки
б) изготовление и испытание тепловизионного варианта определения температурных максимумов на поверхности отогреваемой конечности.
в) теоретический расчет запредельного волновода для размещения ИК -датчика в микроволновой камере. Экспериментальное исследование эффективности данного метода зашиты ИК датчика, помещенного в камеру, от СВЧ-нагрева.
Актуальность проблемы обморожений и их последствий обусловлено следующим.
Обморожение - это повреждение тканей организма, вызванное воздействием низких температур. Оно часто затрагивает конечности, пальцы рук и ног, нос и уши, и может привести к серьезным последствиям, включая:
а) Длительная боль и дискомфорт: Обморожение может вызвать повреждение нервов, что приводит к хронической боли, онемению и покалыванию
б) Инфекция: Поврежденные ткани становятся уязвимыми для инфекций, которые могут распространяться на другие части тела.
в) Ампутация: В тяжелых случаях обморожение может привести к некрозу тканей и гангрене, что потребует ампутации пораженной конечности.
г) Психологические проблемы: Обморожение может оказать значительное влияние на психическое здоровье человека, вызывая тревогу, депрессию и посттравматическое стрессовое расстройство. Своевременное и правильное отогревание обмороженной конечности критически важно для минимизации повреждений и предотвращения серьезных последствий. Контроль температуры играет ключевую роль в этом процессе, позволяя избежать ожогов и обеспечить оптимальные условия для восстановления тканей.
Термометрия включает два основных метода: контактный и бесконтактный, каждый из которых обладает своими особенностями. Контактные термометры (электронные, ртутные, термопары) обеспечивают высокую точность измерений и доступны по цене, однако требуют непосредственного контакта с кожей, что может вызывать дискомфорт у пациента и повышает риск передачи инфекции при недостаточной обработке приборах. Кроме того, они не позволяют осуществлять непрерывный мониторинг температуры. В отличие от них, бесконтактные методы (инфракрасные термометры и тепловизоры) исключают прямой контакт с кожей, что устраняет риск инфицирования и неприятные ощущения, а также обеспечивают возможность постоянного наблюдения за температурными изменениями в реальном времени. Тепловизоры дополнительно предоставляют визуальную информацию о распределении температуры по поверхности кожи, что особенно ценно при контроле отогрева. Однако бесконтактные измерения могут быть менее точными при неравномерном нагреве поверхности, а оборудование для них обычно стоит дороже. Таким образом, выбор метода зависит от конкретной ситуации: контактные термометры оптимальны для точных разовых измерений с остановкой сеанса СВЧ-нагрева, тогда как бесконтактные предпочтительнее для длительного наблюдения и в случаях, когда важны комфорт пациента и минимизация риска заражения.
...
В ответ на этот вызов ученые Научно-исследовательского института Томского государственного университета (НИИ ТГУ) под руководством профессора Григория Дунаевского создали первый прототип уникальной установки. Ее принцип действия основан на прогреве обмороженных рук или ног с помощью маломощного микроволнового (СВЧ) поля.
Однако ключевой сложностью такого лечения является точный контроль температуры тканей во время самого прогрева. Ранее использовавшийся датчик MLX-90614 имел существенный недостаток: он мог измерить температуру лишь в одной-единственной точке на поверхности конечности. Это не давало врачам полной картины нагрева и могло привести к опасным ситуациям - перегреву, способному повредить ткани, или, наоборот, недостаточному прогреву, сводящему на нет лечебный эффект.
Для решения этой проблемы был разработан принципиально новый подход к мониторингу, где температура поверхности отогреваемой конечности измеряется с помощью специального инфракрасного (ИК) датчика, подключенного к компактным и доступным платформам типа Arduino, Teensy или ESP32. Эти данные в режиме реального времени передаются и отображаются на экране компьютера или в веб-браузере.
Целью данной ВКР является исследование и разработка системы для мониторинга текущих значений температур на поверхности конечности в микроволновой камере с применением температурных датчиков и тепловизионного модуля в режиме реального времени.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
а) изучение принципа работы термальных бесконтактных ИК датчиков, устройств их оцифровки
б) изготовление и испытание тепловизионного варианта определения температурных максимумов на поверхности отогреваемой конечности.
в) теоретический расчет запредельного волновода для размещения ИК -датчика в микроволновой камере. Экспериментальное исследование эффективности данного метода зашиты ИК датчика, помещенного в камеру, от СВЧ-нагрева.
Актуальность проблемы обморожений и их последствий обусловлено следующим.
Обморожение - это повреждение тканей организма, вызванное воздействием низких температур. Оно часто затрагивает конечности, пальцы рук и ног, нос и уши, и может привести к серьезным последствиям, включая:
а) Длительная боль и дискомфорт: Обморожение может вызвать повреждение нервов, что приводит к хронической боли, онемению и покалыванию
б) Инфекция: Поврежденные ткани становятся уязвимыми для инфекций, которые могут распространяться на другие части тела.
в) Ампутация: В тяжелых случаях обморожение может привести к некрозу тканей и гангрене, что потребует ампутации пораженной конечности.
г) Психологические проблемы: Обморожение может оказать значительное влияние на психическое здоровье человека, вызывая тревогу, депрессию и посттравматическое стрессовое расстройство. Своевременное и правильное отогревание обмороженной конечности критически важно для минимизации повреждений и предотвращения серьезных последствий. Контроль температуры играет ключевую роль в этом процессе, позволяя избежать ожогов и обеспечить оптимальные условия для восстановления тканей.
Термометрия включает два основных метода: контактный и бесконтактный, каждый из которых обладает своими особенностями. Контактные термометры (электронные, ртутные, термопары) обеспечивают высокую точность измерений и доступны по цене, однако требуют непосредственного контакта с кожей, что может вызывать дискомфорт у пациента и повышает риск передачи инфекции при недостаточной обработке приборах. Кроме того, они не позволяют осуществлять непрерывный мониторинг температуры. В отличие от них, бесконтактные методы (инфракрасные термометры и тепловизоры) исключают прямой контакт с кожей, что устраняет риск инфицирования и неприятные ощущения, а также обеспечивают возможность постоянного наблюдения за температурными изменениями в реальном времени. Тепловизоры дополнительно предоставляют визуальную информацию о распределении температуры по поверхности кожи, что особенно ценно при контроле отогрева. Однако бесконтактные измерения могут быть менее точными при неравномерном нагреве поверхности, а оборудование для них обычно стоит дороже. Таким образом, выбор метода зависит от конкретной ситуации: контактные термометры оптимальны для точных разовых измерений с остановкой сеанса СВЧ-нагрева, тогда как бесконтактные предпочтительнее для длительного наблюдения и в случаях, когда важны комфорт пациента и минимизация риска заражения.
...
Разработанная система бесконтактной тепловизионной термометрии представляет собой эффективное решение для мониторинга температуры в режиме реального времени, что делает её особенно актуальной для медицинских применений, таких как лечение обморожений и контроль тепловых процессов в ходе СВЧ- отогрева холодовой травмы. Основные результаты работы включают следующие аспекты:
• теоретически и экспериментально уточнены параметры запредельного волновода для размещения матричного тепловизионного датчика, позволяющего без риска нагрева его СВЧ-полем микроволновой камеры;
• успешно реализован программный код с функционалом FLIR-палитры, автофокусировкой и интерполяцией данных.
• осуществлен переход на платформу ESP32, что расширило возможности системы, добавив поддержку Wi-Fi и автономной работы.
• создан веб-интерфейс для визуализации тепловых данных в реальном времени с беспроводной передачей изображения на дисплей
• проведена серия экспериментов на фантомах, отогреваемых в СВЧ-камере при параметрах: мощность излучения — 30 Вт, продолжительность воздействия — 30 минут, контрольные измерения внутренней температуры фантомов с использованием прецизионного датчика температуры подтвердили точность данных тепловизионного сканирования.
Таким образом, показано, что предлагаемая система обеспечивает точный и безопасный контроль температуры конечности в режиме реального времени. Оптимальное размещение датчика внутри запредельного волновода, открытого в объем камеры, минимизирует влияние СВЧ-поля на показания матричного датчика температуры. Предложенная система предоставляет широкие возможности для дальнейшего совершенствования методов контроля температуры в режиме реального времени, открывает перспективы для её применения в различных областях науки и техники.
• теоретически и экспериментально уточнены параметры запредельного волновода для размещения матричного тепловизионного датчика, позволяющего без риска нагрева его СВЧ-полем микроволновой камеры;
• успешно реализован программный код с функционалом FLIR-палитры, автофокусировкой и интерполяцией данных.
• осуществлен переход на платформу ESP32, что расширило возможности системы, добавив поддержку Wi-Fi и автономной работы.
• создан веб-интерфейс для визуализации тепловых данных в реальном времени с беспроводной передачей изображения на дисплей
• проведена серия экспериментов на фантомах, отогреваемых в СВЧ-камере при параметрах: мощность излучения — 30 Вт, продолжительность воздействия — 30 минут, контрольные измерения внутренней температуры фантомов с использованием прецизионного датчика температуры подтвердили точность данных тепловизионного сканирования.
Таким образом, показано, что предлагаемая система обеспечивает точный и безопасный контроль температуры конечности в режиме реального времени. Оптимальное размещение датчика внутри запредельного волновода, открытого в объем камеры, минимизирует влияние СВЧ-поля на показания матричного датчика температуры. Предложенная система предоставляет широкие возможности для дальнейшего совершенствования методов контроля температуры в режиме реального времени, открывает перспективы для её применения в различных областях науки и техники.
