Кафедра «Биомедицинские технические системы»
Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской
ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ
БИООБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ
Инфракрасного ТЕПЛОВИЗОРА
Учебное издание
Методические указания для выполнения лабораторных работ
по учебным дисциплинам «Биофизические основы живых систем» и
«Основы взаимодействия физических полей с биообъектами»
Под редакцией И.Н. Спиридонова
Москва 2016
УДК 535-15
Рецензент: Старшинов Б.C., к. ф.-м. н., доцент
Жорина Л.В., Змиевской г.Н.
Ж81 Исследование тепловых полей биообъектов с помощью инфракрасного тепловизора: метод. Указания к выполнению лабораторной работы по учебным дисциплинам «Биофизические основы живых систем» и «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами» / Л.В. Жорина, Г.Н. Змиевской; под ред. И.Н. Спиридонова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. —
В методических указаниях кратко рассмотрены сведения по теории теплового излучения биологических объектов. Описаны области клинического применения тепловидения при диагностике ряда заболеваний. Дано описание принципов работы инфракрасных (ИК) тепловизоров. Описаны лабораторные эксперименты для ознакомления с принципами ИК тепловидения. Приведен ориентировочный список литературы для более детального ознакомления с методами ИК-тепловидения.
Для студентов старших курсов биомедицинских и биотехнических специальностей.
Рекомендовано учебно-методической комиссией факультета«Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Учебное издание
Жорина Лариса Валерьевна
Змиевской Григорий Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ БИООБЪЕКТОВ
С ПОМОЩЬЮ Инфракрасного ТЕПЛОВИЗОРА
© 2016 МГТУ имени Н.Э. Баумана
Содержание
Введение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4
Краткие сведения из теории- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4
Применение ИК тепловидения в медицине - - - - - - - - - - - - - - -7
Описание лабораторного оборудования - - - - - - - - - - - - - - - - -9
Порядок проведения измерений - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13
Процесс выполнения работы- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -13
Оценка качества выполнения лабораторной работы- - - - - - - - 15
Контрольные вопросы и задачи- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -16
Литература - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 16
Введение
Как известно, даже при значительных изменениях температуры окружающей среды температура тела человека поддерживается в относительно узких пределах (37±1°С). Тем самым человеческий организм представляет собой генератор теплового излучения со стабилизированными параметрами. Излучаемая им энергия зависит от жизненной активности человека, поскольку при этом меняется как средняя температура тела, так и распределение температуры по поверхности. Главную роль в температурном режиме организма играет кровообращение. Средняя скорость кровотока является главным фактором, оказывающим влияние на теплопередачу внутри тела: чем выше скорость кровотока и теплопередачи, тем выше скорость переноса тепла, высвобождаемого за счет метаболизма. Распределение температуры по поверхности тела зависит от возраста, пола, степени ожирения, а также от характера обмена веществ и топографии органов пациента. Тем самым, хотя средняя температура мало меняется от индивидуума к индивидууму, распределение температуры по поверхности представляет собой «инфракрасный портрет», хранящий характерные особенности конкретного организма. Регистрация и расшифровка картины инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью тела пациента, заложены в основу тепловизионной диагностики.
Цель работы: овладение методикой дистанционного измерения и анализа теплового поля организма человека с помощью ИК тепловизора (термографа) для получения диагностической информации.
Инструкция по технике безопасности размещена в лаборатории. Перед выполнением работы следует с ней ознакомиться.
После выполнения лабораторной работы студенты смогут:
оценить симметричность распределения температуры по телу человека относительно его срединной линии;
провести расчёт тепловых характеристик тела человека;
описать динамику восстановления принудительно изменённой температуры поверхности тела.
Краткие сведения из теории
Основная часть энергии, излучаемая телом человека, сосредоточена в инфракрасном (ИК) диапазоне. К этому диапазону относятся длины волн от 0,76 до 1000 мкм. Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия с этим излучением. Тепловое излучение присуще всем нагретым телам, имеющим температуру, отличную от абсолютного нуля. В зависимости от температуры излучаемая энергия характеризуется распределением по частотам или длинам волн. Человеческий организм представляет собой пример тела, излучающего в полном соответствии с классическими законами теплового излучения и в то же время не требующего специальных источников тепла для поддержания термодинамического равновесия.
Рассмотрим некоторые свойства теплового излучения [1].
Всякое тело характеризуется испускательной rλ и поглощательной a l способностями. Испускательной способностью r l называется спектральная плотность потока лучистой энергии, излучаемого единичной площадкой поверхности тела. Испускательная способность является функцией температуры и длины волны: r l = f (l, Т). Поглощательная способность a l ¾ это часть потока лучистой энергии, падающего на единичную площадку, которая поглощается телом в единичном спектральном интервале. Тело, способное поглощать в любом интервале длин волн все падающее на него излучение, называется абсолютно черным (a l = 1). Законы, описывающие излучение абсолютно черного тела (АЧТ), выглядят наиболее просто.
Спектральное распределение излучения АЧТ описывается законом Планка:
. (1)
Здесь l- длина волны [мкм], h - постоянная Планка (h = 6,6256´10-34Вт•с2), Т - абсолютная температура излучающей поверхности [К], с - скорость света в вакууме (с = 2,998´108 м •с-1), k - постоянная Больцмана (k = 1,3805´10-23Вт•с•К-1).
Величина r l, согласно (1), имеет размерность Вт•м-2 •мкм-1. Вид зависимости r l от длины волны при различных температурах (от 500 до 900 К) показан на рис. 1.
Из формулы (1) также следует, что интегральная светимость, пропорциональная площади, ограниченной кривой r l и осью абсцисс, быстро возрастает с ростом температуры. Для получения закона этого роста необходимо проинтегрировать формулу Планка по частотам. В результате получим закон Стефана-Больцмана:
λ 
4, (2)
где s - постоянная Стефана-Больцмана (s= 5,6697´10-12 Bт•см-2 •K-4). Согласно формуле (2), интегральная светимость АЧТ растет пропорционально четвертой степени температуры. Зная эффективную площадь тела S, можно определить величину общего потока излучения от АЧТ:
(3)
r λ , Вт см-2 мкм-1
 |
0,8
900 К
0,7
0,6
0,5
|
0,4
0,3
0,2 700 К
600 К
|
0 2 4 6 8 10 λ, мкм
Рис. 1. Смещение максимума распределения испускательной способности r l в сторону коротких волн соответствии с законом Вина
Пользуясь законом Стефана¾Больцмана, можно «отфильтровать» тепловое излучение по относительному изменению мощности при небольшом изменении температуры:
,
т.е. малое относительное изменение температуры дает четырехкратное относительное изменение мощности излучения. Именно этот факт даёт практическую возможность измерять небольшие разницы температур с помощью тепловизоров.
Дифференцируя формулу Планка, можно получить закон смещения Вина:
, (4)
где l max - длина волны, соответствующая максимуму распределения r l по частотам или длинам волн, b - постоянная Вина (b = 2886 мкм•К). Закон смещения Вина гласит, что максимум распределения r l смещается с ростом температуры Т в сторону коротких волн (см. рис. 1, пунктирная линия). Принимая среднюю температуру тела человека Т ср » 306 К, получим l max = 9,47 мкм, что является убедительным доказательством того, что тепловое излучение организма сосредоточено в ИК диапазоне.
Для реальных тел испускательная способность r l всегда меньше, чем r l для АЧТ при той же температуре. Соответственно интегральная светимость для реальных тел меньше, чем для АЧТ. Назовем спектральным коэффициентом излучения для данного тела отношение:
. (5)
Переходя от спектральных к интегральным величинам, введем интегральный коэффициент излучения тела:
. (6)
Соотношение (5) является одной из форм закона Кирхгофа. Очевидно, для АЧТ e= 1. Если в рассматриваемом интервале длин волн можно пренебречь спектральной зависимостью el, то данное тело называют серым (e» const < 1). Большинство тел при температурах порядка 300…330 К можно считать серыми (см. таблицу 1).
Таблица 1
Коэффициенты излучения для некоторых серых тел при комнатной температуре
| Материал поверхности излучающего тела | Коэффициент излучения |
| Алюминий | 0,05 |
| Вода | 0,96 |
| Стекло | 0,92 |
| Лед | 0,97 |
| Тело человека: | |
| Поверхность кожи | 0,9 |
| Ротовая полость | 0,98 |
Из таблицы 1 можно заключить, что человеческое тело вполне можно считать абсолютно черным независимо от цвета кожи. В этом случае, поток излучения от биологического объекта можно рассчитать по следующей формуле:
(7)
где T БО - температура биологического объекта, [ K ]; T О - температура окружающей среды, [K].
Закон Кирхгофа в форме (5) нашел довольно широкое применение. В самом деле, из соотношения (5) следует, что при заданной температуре коэффициент излучения тела равен его интегральной поглощательной способности. В то же время для непрозрачных тел можно считать, что сумма интегрального поглощения e и отражения r равна единице. Измерить коэффициент отражения зачастую легче, чем коэффициент излучения, поэтому e вычисляют по измеренной величине r.