Медицинское тепловидение

Гиппократ писал в 400 г. до н. э.: «В какой бы части тела ни ощущался избыток тепла или холода, там болезнь и должна быть обнаружена». Древние греки погружали тело во влажную грязь, и область, которая высыхала быстрее, указывала им на местное проявление болезни.

До восемнадцатого века использование руки и термометров оставалось единственным способом измерения тепла, исходящего из тела, и до сих пор мы все еще полагаемся на контактные термометры при проведении медицинского обследования. Начиная с новаторской работы доктора Карла Вундерлиха в 1868 году, где он изложил основные принципы регистрации температуры и ее значение в исследовании и лечении лихорадки, измерение температуры тела человека сыграло заметную роль в медицине. Знание о динамике температуры тела при заболеваниях, отмечал Вундерлих, очень важно для практикующих врачей, а в ряде случаев незаменимо, ибо:

• температура не может быть ни притворной, ни фальсифицированной,
• конкретные значения температуры указывают на то, что есть лихорадка,
• степень превышения нормальных границ температуры часто указывает на тяжесть и опасность заболевания,
• термометрия наиболее быстро и безопасно отслеживает любые отклонения от контролируемого течения заболевания, обнаруживая как рецидивы, так и улучшения,
• термометрия может использоваться для оптимизации тактики лечения.

Первое фото — обмазанный глиной пациент. Далее — конструкции старинных термометров (из: Энциклопедический словарь Ф.А.Брокгауза и И.А.Ефрона.1890-1907).

Термометрия медленно развивалась от раннего термоскопа Галилея (1592) к более удобным калиброванным шкалам польско-немецкого физика Фаренгейта (1724) и шведского ученого Цельсия (1742). Шкала Фаренгейта в настоящее время широко используется только в США. Единица измерения температуры Кельвин названа в честь одного из основателей термодинамики британского физика Томсона («Лорда Кельвина»), предложившего термодинамическую шкалу температур, где начало (0K) совпадает с абсолютным нулем (температура, при которой прекращается хаотическое движение молекул и атомов). Один градус Цельсия и один Кельвин равны по значимости, их шкалы сдвинуты на 273,15, то есть °C = K — 273,15.

В последующие годы другие устройства заменили стеклянные ртутные клинические термометры, например, термопары, термисторы, пирометры и ИК радиометры для измерения температуры барабанной перепонки или лба. Лишь около 1880 года американский астроном и физик Ленгли изобрел болометр — тепловой приемник излучения, основанный на изменении электрического сопротивления полупроводникового термочувствительного элемента при его нагревании вследствие поглощения измеряемого потока излучения. С этим прибором можно было почувствовать тепло живых существ размером с корову на расстоянии более 400 метров.

Слева направо: Карл Вундерлих (1815-1877), Сэмюэл Ленгли (1834-1906), Даниель Габриель Фаренгейт (1686-1736), Андерс Цельсий (1701-1744), Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824-1907).

Лишь после открытия и исследования инфракрасного (ИК) излучения стали возможны значительные успехи ИК визуализации проявлений патологии, для которой нет необходимости в непосредственном контакте измерительного прибора с пациентом.

Основы для понимания природы ИК части электромагнитного спектра были заложены двумя членами одной семьи: выдающимся астрономом Уильямом Гершелем, обнаружившим в 1800 году эффект нагрева за видимым красным светом, который он назвал «лучистым теплом», теперь известным как ИК излучение, и его сыном Джоном Гершелем, в 1840 году в получившим экспериментах с естественным солнечным светом первое тепловое изображение — термограмму.

Слева: Уильям Гершель (1783-1822) и его эксперимент. В центре: Джон Гершель (1792-1871). Справа — термограмма солнечного излучения, полученная Д.Гершелем в 1840 г.

С тех пор многие ученые внесли вклад в углубление знаний об ИК излучении. Однако должно было пройти еще 100 лет от ИК термограммы Д.Гершеля, прежде чем стало возможным успешно реализовать практическое использование тепловидения. За это время были открыты законы радиации Кирхгофа, Стефана, Больцманна, Вина и Планка. Эти законы учтены в современной тепловизионной и радиотермометрической технике, что позволяет, измеряя излучение тел, определять их температуры. Приемники дистанционного действия (тепловизоры, ИК и миллиметровые радиотермометры) регистрируют радиояркостную температуру, то есть температуру, соответствующую мощности электромагнитного излучения тела человека.

Первооткрыватели законов радиации. Слева направо: Макс Планк (1858-1947), Йозеф Стефан (1835-1893), Людвиг Больцман (1844-1906), Вильгельм Вин (1864-1928).

К середине 20-го века интенсивная и успешная работа по военному использованию ИК технологии способствовала созданию первых тепловизоров. Современная тепловизионная диагностика имеет все основания стать одной из главных информационных технологий с обширной областью применения, и сегодня ИК системы визуализации оказали огромное влияние на медицину, науку и астрономию.

Тепловидение — метод функциональной диагностики, более полувека успешно применяемый медиками во всем мире. Бесспорные достоинства, такие как абсолютная безвредность, визуальная наглядность, простота и быстрота получения результатов при высокой информативности, привели к быстрому расширению сферы применения тепловизионного метода в медицине.

Развитие медицинского тепловидения.

История создания тепловизоров для медицинского применения включает в себя несколько поколений приборов. Немецкий физик-спектроскопист Мариан Черни в 1925 году он разработал эвапорограф. Его ученик Боулинг Барнс в 1950-х годах построил первый тепловизор на основе термисторов. Один из таких приборов и применил канадский акушер-гинеколог и медицинский исследователь Рэй Лоусон из Университета Макгилла для получения термограммы молочных желез. В 1956 г. он опубликовал работу, в которой сообщил о выявлении с помощью ИК визуализации повышения температуры кожи в проекции верифицированных злокачественных опухолей молочной железы у 26 женщин. Это пионерское исследование можно считать началом нового диагностического метода — клинической термографии, или медицинского тепловидения.

Слева — Рэй Лоусон (Ray N.Lawson, 1973), в центре и справа — первые тепловизоры (Пироскан, Англия).

Биомедицинские исследования

Несомненна и бесспорна ценность в биомедицинских исследованиях современных методов визуализации живых объектов. Среди них рентгеновские (в том числе — КТ и ПЭТ), различные модификации МРТ, ультразвуковые, оптические, спектроскопические, электрофизиологические методы и многие другие. Однако помимо достоинств каждого из существующих методов картирования все они на практике в физиологических и, особенно, в клинических исследованиях на человеке имеют те или иные ограничения.

Поэтому, несмотря на богатство инструментального обеспечения и возможность для некоторых из вышеназванных методов измерять температуру, тепловидение в медицине занимает свою нишу, определяемую не только длиной волны регистрируемого от тела излучения, но также рядом дополнительных возможностей: полной безвредностью, бесконтактностью, быстротой и простотой исследования при высокой диагностической информативности.

Добавим также, что комплексное применение тепловидения с другими методами клинической и аппаратной оценки функционального состояния организма и его систем зачастую повышает его эффективность. При обоснованной и доказательной методологии исследований эти качества способны превратить тепловидение, по выражению Л.Б. Лихтермана, в «идеальный метод диагностики».

Тепловизионное обследование человека

Тело человека является открытой неравновесной термодинамической системой, находящейся в постоянном взаимодействии с окружающей средой и реализующей сложно организованный комплекс механизмов терморегуляции для поддержания постоянной температуры «ядра» — центральных областей тела (черепная коробка, грудная клетка и брюшная полость) за счет контролируемых изменений температуры периферических областей. Поддержание стабильности внутренней среды и ее динамического баланса является неотъемлемым свойством жизнедеятельности организма.

Согласно законам физики, при любом превращении энергии (в том числе и в живом организме) часть ее превращается в тепло. Все процессы в организме можно разделить на два вида: проходящие с выделением энергии и с поглощением энергии. Наиболее важные физиологические процессы, служащие источниками тепла в теле гомойотермного (теплокровного) животного, это основной обмен, поддержание позы, холодовой мышечный тонус, двигательная активность и холодовая дрожь. Основной обмен — важнейший источник и, в то же время, потребитель тепла, которое образуется в результате постоянно происходящих в организме процессов: поддержания градиентов веществ и зарядов на мембранах всех клеток; работы сердца и дыхательных мышц; перистальтики кишечника; поддержания тонуса гладких и скелетных мышц; процессов регенерации и др.

В живом организме теплопроводность тканей связана, прежде всего, с кровотоком и, в меньшей степени в норме — с интенсивностью метаболизма. В формировании поверхностных термопаттернов (распределения тепловых полей) могут участвовать также рефлекторные механизмы теплопередачи от глубже расположенных структур. Тепловыделение открытых нервных структур, помимо кровотока и метаболизма, определяется также электрогенезом. Внешние факторы, определяющие ИК излучение от кожи, это температура, площадь и продолжительность внешнего температурного воздействия.

Нормальный физиологический температурный профиль кожи демонстрирует снижение температуры от головы к ногам и в проксимально-дистальном направлении (от центра к периферии) на конечностях при относительной симметрии с двух сторон корпуса, что многократно продемонстрировано с помощью тепловидения. Влияние на него оказывают биологические (циркадианные) ритмы, состояние гормональной системы, симпатический тонус, тепловой и водный метаболизм, состояние сосудодвигательной системы, толщина и пигментация кожи и периодические колебания уровня гормонов, например производство кортизола и прогестерона, а также уровень стрессированности субъекта, наличие, локализация и выраженность болевого синдрома и многое другое. Таким образом, кожная температура является интегральным показателем, величина которого, к тому же, определяется не только законами физиологии, но и наличием локальных нарушений кровообращения, очагов септического или асептического воспаления, опухолей, а также зависит от приема лекарств, курения, использования парфюмерных средств и ряда других факторов.

Возникает закономерный вопрос: можно ли делать какие-либо обоснованные конкретные выводы на основании тепловизионного обследования при таком изобилии факторов, влияющих на ИК излучение человеческого тела?

Ответ: да! — и основанием для такого ответа является принадлежность человека к гомойотермным существам, из чего следует возможность установить критерии нормального распределения температуры и определить понятия температурной нормы и патологии. Основой существования гомойотермных существ является терморегуляция — поддержание постоянной температуры тела, что возможно при правильном балансе между теплопродукцией и тепловыделением. В норме у человека температура мозга, крови и внутренних органов (температура «ядра») колеблется около 37°С с размахом колебаний ±1,5°. При более значительных отклонениях температуры нарушается деятельность ферментов с последующим нарушением функции органов и тканей, при этом температура тела человека выше 43°С и ниже 33°С практически не совместима с жизнью. Управление всеми реакциями, которые позволяют поддерживать постоянную температуру тела в различных условиях, осуществляется специальными нервными центрами, локализованными в головном мозге.

В настоящее время показано, что температурное чувство обеспечивается совокупной деятельностью термочувствительных механорецепторов кожи, информация от которых передается в высшие центры. Система терморегуляции включает в себя корковый и гипоталамический отделы головного мозга. Гипоталамус обрабатывает информацию от внешних и внутренних терморецепторов и обеспечивает корректировку фактических и целевых температур. Установлено, что передняя область гипоталамуса регулирует процессы теплоотдачи, а ядра заднего гипоталамуса считают центром теплообразования.

Термочувствительные структуры помимо гипоталамуса обнаружены также в стволе головного мозга (в среднем и продолговатом мозге), в спинном мозге, в дорсальной стенке брюшной полости, в мускулатуре и в подкожных структурах. Это означает, что существуют как локальные, так и центральные механизмы реагирования на отклонения от температурных значений, которые система терморегуляции считает «нормальными». Важнейшим механизмом в этой системе является регуляция тонуса сосудов кожи симпатической нервной системой. Повышение кровенаполнения кожи увеличивает ее теплопроводность и, соответственно, теплоотдачу организма за счет непосредственного проведения (кондукции) тепла через кожу; уменьшение периферического кровенаполнения, наоборот, способствует «удержанию» тепла. Эти механизмы предохраняют организм как от перегрева, так и от переохлаждения.

Рассеивание тепла в окружающую среду, жизненно важное для гомойотермных организмов, происходит несколькими путями: теплопроводностью, теплоизлучением, конвекцией, испарением жидкости с поверхности тела. Изменение долей этих составляющих в общей теплоотдаче человеческого тела зависит от температуры и влажности окружающей среды. У человека в условиях температурного комфорта (температура воздуха 20оС и относительная влажность 40-60%) излучением отводится 54 ккал/ч, теплопроводностью — 26 ккал/ч, испарением — 23 ккал/ч. Процесс переноса тепла в биологических тканях зависит от теплопроводности тканей, конвекции, интенсивности перфузии крови, выделения метаболической теплоты.

Технические возможности

Информационная ценность ИК излучения как сигнала заключается в том, что он отражает функциональное состояние и динамику его изменений в различных тканях и системах организма. Несмотря на то, что ИК излучение регистрируется от поверхности тела, в нем может содержаться информация о вкладе тканей, расположенных под кожей, в частности, при различном развитии подкожно-жировой клетчатки, разном функциональном состоянии мышц, а также при патологических процессах — опухолях мягких тканей, воспалительных процессах, нагноениях и т.п. Ценность тепловизионного метода в подобных клинических ситуациях обусловлена, в том числе, невозможностью применения контактных или инвазивных (термисторы, термопары и др.) методов измерения температуры, а перед методами глубинных измерений (радиотермометрия) тепловидение имеет преимущество и в пространственном, и во временном разрешении.

Технические возможности тепловизионной аппаратуры позволяют надежно фиксировать даже небольшие перепады температуры поверхности. Визуализируя такие процессы, как изменение объема и скорости движения крови по сосудам, выделение и испарение жидкости с поверхности кожи, приводящие к температурным изменениям на поверхности тела, тепловидение является высокотехнологичным методом получения функциональной информации о пациенте в реальном режиме времени.

Термотопография

Термотопография (стационарный паттерн распределения температур на поверхности различных участков тела) в своей совокупности несет много полезных данных. В статических измерениях значимую информацию можно извлекать из анализа температурной разницы в симметричных областях тела одного и того же пациента, градиентов температуры или при сравнении ИК изображения исследуемого объекта с термопортретами других объектов. Динамические измерения предоставляют исследователям дополнительную информацию, позволяя мониторировать ход лечения и оценивать его эффективность, исследуя эволюцию функционального состояния как системы терморегуляции в целом, так и ее отдельных звеньев.

При доказанной информативности метода в диагностике, достигающей 90-97% при таких заболеваниях, как патология молочных желез или поражение вен нижних конечностей, метод позволяет диагностировать заболевания в доклинической стадии.

Достоинства тепловидения как метода диагностики

• простота, доступность и удобство применения;
• получение результатов в режиме реального времени;
• мобильность и отсутствие привязки к кабинету или определенной зоне с заданными свойствами;
• возможность выполнения исследования (получение первичных данных в виде термограмм) любым человеком, прошедшим необходимое относительно кратковременное обучение, в том числе, не имеющим медицинского образования (младший медперсонал, лаборанты);
• поскольку данный прибор является элементом программно-аппаратного комплекса, имеется возможность передачи изображения в службу, где специалисты по термографии в режиме «онлайн» оценят полученное изображение на наличие термографических признаков патологии, — реализованы алгоритмы телемедицинских технологий. В ближайшее время наши программные средства будут в автоматическом режиме выявлять признаки патологических зон и формировать протоколы тепловизионных обследований пациентов.
• тепловидение бескровно, безвредно (неинвазивно) для пациента и обслуживающего персонала, может выполняться многократно и при любой тяжести состояния больного.

Протокол обследования

Для корректного анализа и сравнения термограмм, полученных в разное время, исследование выполняется в стандартизированных условиях, а именно:

• при температуре 22-24°С (зона «теплового комфорта» — в этом диапазоне механизмы терморегуляции работают в нормальном физиологическом режиме) без обдувания воздухом, с исключением источников как тепла (батареи, тепловентиляторы, лампы накаливания), так и холода (кондиционер, открытое окно зимой и т.п.);
• не ранее, чем через 2 часа после приема пищи и выполнения физических нагрузок;
• при исключении, как минимум, в течение суток пользования вазоактивными фармакологическими препаратами, мазями, растирками или средствами гомеопатии и в течение 5-6 часов — парфюмерными средствами;
• после адаптации с открытыми кожными покровами в зоне обследования в течение не менее 15 минут;
• женщины при обследовании молочных желез — в середине менструального цикла (10-14 дни).

Объем исследования зависит от поставленных задач: первичный полный скрининг включает регистрацию примерно 20-25 термограмм, объем контрольного (на результат лечения) или зонального (например, только молочные железы) исследования значительно меньше. По показаниям исследование может быть дополнено нагрузочными тестами, направленными на выявление/подтверждение патологии: холодовыми пробами, глюкозным тестом, тестом с физической нагрузкой и другими.

Длительность исследования одной зоны (без учета времени адаптации) составляет 3-5 минут, полное многопозиционное исследование занимает 10-15 минут. Длительность нагрузочных проб — от 5 минут (физическая нагрузка) до 45 минут (глюкозная проба).

Следует подчеркнуть, что несмотря на то, что медицинское сообщество не всегда обоснованно относит тепловидение к доказательным методом диагностики многих заболеваний, мы считаем, что этот метод является, прежде всего, инструментом для поддержки принятия диагностических решений.