Помощь студентам в учебе
Особенности сканирующих инфракрасных термографов с азот-охлаждаемым детектором и их применение для исследования биологических объектов
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ТЕРМОГРАФИИ 11
1.1 Понятие теплорадиовидения и термографии 11
1.2 Актуальные разработки в области термографии 14
1.3 Технические особенности термографов, требуемые для медико-биологических исследований 18
1.4 Применение сканирующей термографии в медицине и биологии 21
1.5 Применение спекл-оптических методов для биологических объектов 23
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Характеристика оборудования и процедуры
измерений 27
2.1.1 Метод измерения при помощи инфракрасной термографии 30
2.1.2 Метод измерения с использованием лазерной доплеровской велосиметрии 31
2.1.3 Метод исследования с использованием лазерной спекл- контрастная визуализации 31
2.2 Объект и процедуры исследований 33
2.2.1 Общее описание исследования №1 33
2.2.2 Общее описание исследования №2 34
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
КРОВООБРАЩЕНИЯ У МИНИ-ПИГОВ И ГРУППЫ ЛЮДЕЙ 38
3.1 Результаты измерения перфузии методом лазерной доплеровской велосиметрии 38
3.2 Результаты исследований спекл-оптической и термографической оценки кровообращения у человека 44
4 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ И СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
4.1 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
использовании метода лазерной доплеровской велосиметрии 58
4.2 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
использовании метода лазерной спекл-контрастной термографии 64
4.3 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
при использовании метода инфракрасной термографии 70
4.4 Сравнение точности методов лазерной доплеровской велосиметрии и
лазерной спекл-контрастной визуализации 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ТЕРМОГРАФИИ 11
1.1 Понятие теплорадиовидения и термографии 11
1.2 Актуальные разработки в области термографии 14
1.3 Технические особенности термографов, требуемые для медико-биологических исследований 18
1.4 Применение сканирующей термографии в медицине и биологии 21
1.5 Применение спекл-оптических методов для биологических объектов 23
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1 Характеристика оборудования и процедуры
измерений 27
2.1.1 Метод измерения при помощи инфракрасной термографии 30
2.1.2 Метод измерения с использованием лазерной доплеровской велосиметрии 31
2.1.3 Метод исследования с использованием лазерной спекл- контрастная визуализации 31
2.2 Объект и процедуры исследований 33
2.2.1 Общее описание исследования №1 33
2.2.2 Общее описание исследования №2 34
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
КРОВООБРАЩЕНИЯ У МИНИ-ПИГОВ И ГРУППЫ ЛЮДЕЙ 38
3.1 Результаты измерения перфузии методом лазерной доплеровской велосиметрии 38
3.2 Результаты исследований спекл-оптической и термографической оценки кровообращения у человека 44
4 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ И СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
4.1 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
использовании метода лазерной доплеровской велосиметрии 58
4.2 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
использовании метода лазерной спекл-контрастной термографии 64
4.3 Обработка результатов прямых многократных измерений перфузии при
при использовании метода инфракрасной термографии 70
4.4 Сравнение точности методов лазерной доплеровской велосиметрии и
лазерной спекл-контрастной визуализации 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
Актуальность ВКР. В настоящее время лазерные и тепловизионные методы исследования находят широкое применение при изучении биофизических явлений в сложных системах, в частности кожной микроциркуляции.
При нарушении артериального и венозного кровотока, целостности кожного покрова важную роль играет визуализация гемодинамических изменений в процессе диагностики и лечения[11].
Среди наиболее распространенных методов визуализации кровотока можно выделить метод лазерной допплеровской визуализации, метод лазерной спекл- контрастной визуализации[3]. Перечисленные методы используют эффекты, связанные со взаимодействием оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов с биологической тканью.
В тепловизионных методах диагностики в качестве информационного сигнала используется собственное тепловое излучение объекта, напрямую не зависящее от внешних источников излучения, что повышает надежность измерений.
Остается открытым вопрос о причинах температурных изменений и роли сосудистых реакций, а так же биологических жидкостей, таких как кровь, в установлении температурного режима участков кожной ткани в нормальных условиях.
На поверхности тела биоорганизмов проявляются не только временное изменение, но и пространственное перераспределение значений температур [10].
В практическом отношении детальное изучение пространственно-временных температурных эффектов позволит определить параметры динамики температуры, соответствующие нормальному функционированию сосудистой регуляции тока крови. Отклонение параметров динамики от нормы позволит проводить диагностику патологий вегетативной сосудистой регуляции кровотока.
В связи с вышесказанным актуальной задачей является установление взаимосвязи колебаний температуры и кровотока пальцев рук человека, что позволит расширить возможности тепловизионных и спекл-оптических методов в диагностике нарушений периферической гемодинамики, а в случае тепловизионных измерений - визуализировать пространственное распределение колебаний кожного кровотока. Кроме того, важным остается сопоставление тепловизионных и спекл- оптических методов в оценке кожной периферической гемодинамики для выявления наиболее информационного метода в диагностике нарушений периферической гемодинамики.
Цель работы - исследовать применение инфракрасной термографии в оценке кожной периферической гемодинамики у животных и человека в сравнении с спекл-оптическими методами.
Задачи исследования:
1. Провести аналитический обзор;
2. Определить объекты и методы исследования;
3. Провести сравнение эффективности спекл-оптической и термографической оценки кровообращения;
4. Исполнить сравнительный анализ исследуемых методик оценки кровообращения.
Научная новизна
Результаты выпускной работы развивают и дополняют теоретические и экспериментальные данные по эффективности применения спекл-оптической визуализации и термографии для мониторинга динамики кровотока в исследованиях организмов.
Предлагаемые методики спекл-оптической визуализации и термографии позволяют количественно оценить изменения микроциркуляции крови на периферических участках кожной ткани.
Установлена зависимость спектральных составляющих колебаний температуры, относительно составляющих колебаний кровотока в области век и пальцев рук.
Впервые проведен сравнительный анализ спектральной визуализации и термографии в оценке тканевой периферической гемодинамики, что позволит расширить возможности тепловизионных методов в диагностировании заболеваний кровеносной системы.
Практическая значимость
Установленные особенности взаимосвязи спектров колебаний температуры и кровотока дают возможность использования температурных измерений для выявления нарушений кожного кровотока. Используемая методика преобразования динамических термограмм в карты распределения колебаний кровотока может служить в качестве основы технологии визуализации гемодинамических явлений в периферических областях тела по данным динамической термографии. Анализируемая методика представляет интерес при исследовании поражений кожи при ожогах и обморожениях и бесконтактном контроле процессов восстановления кровотока в приживляемых лоскутах кожи, для диагностики заболеваний периферических и внутренних кровеносных сосудов.
При нарушении артериального и венозного кровотока, целостности кожного покрова важную роль играет визуализация гемодинамических изменений в процессе диагностики и лечения[11].
Среди наиболее распространенных методов визуализации кровотока можно выделить метод лазерной допплеровской визуализации, метод лазерной спекл- контрастной визуализации[3]. Перечисленные методы используют эффекты, связанные со взаимодействием оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов с биологической тканью.
В тепловизионных методах диагностики в качестве информационного сигнала используется собственное тепловое излучение объекта, напрямую не зависящее от внешних источников излучения, что повышает надежность измерений.
Остается открытым вопрос о причинах температурных изменений и роли сосудистых реакций, а так же биологических жидкостей, таких как кровь, в установлении температурного режима участков кожной ткани в нормальных условиях.
На поверхности тела биоорганизмов проявляются не только временное изменение, но и пространственное перераспределение значений температур [10].
В практическом отношении детальное изучение пространственно-временных температурных эффектов позволит определить параметры динамики температуры, соответствующие нормальному функционированию сосудистой регуляции тока крови. Отклонение параметров динамики от нормы позволит проводить диагностику патологий вегетативной сосудистой регуляции кровотока.
В связи с вышесказанным актуальной задачей является установление взаимосвязи колебаний температуры и кровотока пальцев рук человека, что позволит расширить возможности тепловизионных и спекл-оптических методов в диагностике нарушений периферической гемодинамики, а в случае тепловизионных измерений - визуализировать пространственное распределение колебаний кожного кровотока. Кроме того, важным остается сопоставление тепловизионных и спекл- оптических методов в оценке кожной периферической гемодинамики для выявления наиболее информационного метода в диагностике нарушений периферической гемодинамики.
Цель работы - исследовать применение инфракрасной термографии в оценке кожной периферической гемодинамики у животных и человека в сравнении с спекл-оптическими методами.
Задачи исследования:
1. Провести аналитический обзор;
2. Определить объекты и методы исследования;
3. Провести сравнение эффективности спекл-оптической и термографической оценки кровообращения;
4. Исполнить сравнительный анализ исследуемых методик оценки кровообращения.
Научная новизна
Результаты выпускной работы развивают и дополняют теоретические и экспериментальные данные по эффективности применения спекл-оптической визуализации и термографии для мониторинга динамики кровотока в исследованиях организмов.
Предлагаемые методики спекл-оптической визуализации и термографии позволяют количественно оценить изменения микроциркуляции крови на периферических участках кожной ткани.
Установлена зависимость спектральных составляющих колебаний температуры, относительно составляющих колебаний кровотока в области век и пальцев рук.
Впервые проведен сравнительный анализ спектральной визуализации и термографии в оценке тканевой периферической гемодинамики, что позволит расширить возможности тепловизионных методов в диагностировании заболеваний кровеносной системы.
Практическая значимость
Установленные особенности взаимосвязи спектров колебаний температуры и кровотока дают возможность использования температурных измерений для выявления нарушений кожного кровотока. Используемая методика преобразования динамических термограмм в карты распределения колебаний кровотока может служить в качестве основы технологии визуализации гемодинамических явлений в периферических областях тела по данным динамической термографии. Анализируемая методика представляет интерес при исследовании поражений кожи при ожогах и обморожениях и бесконтактном контроле процессов восстановления кровотока в приживляемых лоскутах кожи, для диагностики заболеваний периферических и внутренних кровеносных сосудов.
Термография как метод оценки микроциркуляции в сосудах кожи имеет достаточно длительную историю, тогда как лазерная спекл-визуализация является более молодой методикой.
Наиболее высокой точностью и разрешающей способностью на сегодняшний день обладают термографы с охлаждаемым датчиком.
В настоящее время данные по сравнению возможностей термографии и спекл- оптической визуализации для исследования микроциркуляции крови в неповрежденных кожных покровах остаются фрагментарными и недостаточными.
Таким образом, сравнительный анализ данных методик в применении к оценке результатов измерений кожной микроциркуляции и перфузии можно считать актуальным.
Сравнение результатов, полученных данными методами, подтверждает выводы, сделанные из экспиремента №1.
Данные, полученные методом ЛСКВ, показали, что на 5 минуте происходит значительное увеличении перфузии крови, затем она уменьшается с течением времени. Наибольшее уменьшение значений перфузии происходит на 20 минуте, что видно по таблице 3.4 и рисункам 3.13 и 3.14.
Температурные показатели, измеренные методом инфракрасной термографии, также претерпевают динамические изменения. Сначала температура значительно возрастает на 5 минуте (у большинства), потом происходит постепенное ее снижение и резкое снижение на 20 минуте.
Обработка последовательности тепловизионных изображений кистей с помощью метода инфракрасной термографии позволила визуализировать распределение интенсивности колебаний кровотока.
В результате сравнения оценок, полученных при применении методов лазерной доплеровской велосиметрии и лазерной спекл-контрастной визуализации сделан вывод, что метод ЛСКВ эффективнее метода ЛДВ по оценке полной погрешности. Наибольшая точность получена при измерении методом ЛСКВ в эксперименте при 30 мм разреза. Оценка погрешности результата измерения меньше на 40,2 % по сравнению с измерением методом ЛДВ.
Наиболее высокой точностью и разрешающей способностью на сегодняшний день обладают термографы с охлаждаемым датчиком.
В настоящее время данные по сравнению возможностей термографии и спекл- оптической визуализации для исследования микроциркуляции крови в неповрежденных кожных покровах остаются фрагментарными и недостаточными.
Таким образом, сравнительный анализ данных методик в применении к оценке результатов измерений кожной микроциркуляции и перфузии можно считать актуальным.
Сравнение результатов, полученных данными методами, подтверждает выводы, сделанные из экспиремента №1.
Данные, полученные методом ЛСКВ, показали, что на 5 минуте происходит значительное увеличении перфузии крови, затем она уменьшается с течением времени. Наибольшее уменьшение значений перфузии происходит на 20 минуте, что видно по таблице 3.4 и рисункам 3.13 и 3.14.
Температурные показатели, измеренные методом инфракрасной термографии, также претерпевают динамические изменения. Сначала температура значительно возрастает на 5 минуте (у большинства), потом происходит постепенное ее снижение и резкое снижение на 20 минуте.
Обработка последовательности тепловизионных изображений кистей с помощью метода инфракрасной термографии позволила визуализировать распределение интенсивности колебаний кровотока.
В результате сравнения оценок, полученных при применении методов лазерной доплеровской велосиметрии и лазерной спекл-контрастной визуализации сделан вывод, что метод ЛСКВ эффективнее метода ЛДВ по оценке полной погрешности. Наибольшая точность получена при измерении методом ЛСКВ в эксперименте при 30 мм разреза. Оценка погрешности результата измерения меньше на 40,2 % по сравнению с измерением методом ЛДВ.
