Температура тела человека является нестабильным параметром, значение которого наиболее чувствительно к воздействию различных факторов[10].
Конечности по сравнению с другими областями человеческого тела являются совершенными областями терморегуляции, так как у ложа пальцев рук находится большое количество артериовенозных анастомозов [11]. Они расположены непосредственно перед капиллярной сетью и играют большую роль в регуляции местной температуры, общего и тканевого обмена.
Максимальная температурная динамика наблюдается в области дистальных фаланг пальцев. Это объясняется близким к поверхности расположением пальцевых артерий, выступающим положением пальцев и относительно низким содержанием жировой ткани в них, что не допускает сильной диссипации тепла, переносимого кровью, в окружающие ткани [12].
Анализ литературы [12-14] позволил выделить основные факторы, влияющие на температуру дистальных фаланг конечностей, а также выявить взаимосвязь температуры дистальных фаланг конечностей и состояния организма. Температурная модель состояния организма человека продемонстрирована на рисунке 3.1.1
Основными факторами, влияющими на температуру дистальных фаланг пальцев, являются состояние щитовидной железы, артериальное давление человека, состояние кровеносных сосудов и параметры окружающей среды.
3.2 Разработка метода и алгоритма выделения дистальных фаланг пальцев на тепловизионном изображении
Тепловизионный метод исследования поверхностной температуры тела используется уже несколько десятков лет. Главным элементом тепловизора является фотоприемник, преобразующий инфракрасное (тепловое) излучение, испускаемое объектом, в серию электрических сигналов, дающих изображение, видимое на экране монитора. Последние достижения микроэлектроники дали возможность отказаться от оптико-механических сканеров благодаря тому, что фотоприемником теперь служит не линейная структура, а двухмерная матрица, содержащая на плоскости свыше 10000 отдельных чувствительных ячеек. Преимущества систем нового поколения очевидны. Это не только отсутствие постоянно колеблющихся и вращающихся внутренних узлов, снижающих надежность и долговечность любой аппаратуры и являющихся источником дополнительных помех и шума. Наличие неподвижной матрицы позволяет практически все время, которое раньше уходило на механическое сканирование кадра, отдать на накопление информации, переносимой фотонами от исследуемого объекта. Выигрыш в качестве обусловлен тем, что время электронного считывания накопленной информации несоизмеримо меньше времени механического сканирования.
Типовая схема тепловизионой системы показана на рисунке 3.2.1
Рисунок 3.2.1 - Типовая схема тепловизионных систем: 1-объект, 2-оптическая система, 3-разветвитель, 4-ИК-камера, 5-интерполятор, 6-фотокамера, 7-блок обработки и визуализации, 8-ИК-камера типа ThermaCAM
В настоящее время применяются два основных метода выделения заданных объектов на изображении.
Первый метод, представленный на рисунке 3.2.2, используется в основном при выделении и анализе объектов в инфракрасном диапазоне. В методе объект выделяется оператором, это обусловлено его низким контрастом.
Рисунок 3.2.2 – Первый метод выделения объекта на изображении
В первом методе после формирования инфракрасного изображения выделяется объект оператором с помощью мыши в специализированной программе, например, Adobe Photoshop CC. Далее выполняется анализ состояния объекта по заданным критериям.
Второй метод, представленный на рисунке 5.4, используется при выделении и анализе состояния объекта по визуальному изображению. Метод предполагает реализацию в автоматическом режиме, т.е. без участия оператора. Недостатком является малая информативность визуального изображения.
В данном методе после формирования визуального изображения происходит его разложение на RGB составляющие в автоматическом режиме. После чего выполняется фильтрация с заданной маской. В заключении, как и в первом методе, выполняется анализ состояния объекта по заданным критериям.
Рисунок 3.2.3 - Второй метод выделения области дистальных фаланг пальцев на изображении
Более удобно использовать тепловизионные системы с одновременным формированием инфракрасных и визуальных изображений. В таких системах обеспечивается кратное отношение числа пикселей, что упрощает интерполяцию и обеспечивает несмещенность и одинаковость пространственных искажений.
Предлагаемый метод выделения области дистальных фаланг пальцев и линий прохождения вен на изображении представлен на рисунке 3.2.3. В нем выделение области дистальных фаланг пальцев производится по визуальному изображению. Выделенная область используется для анализа в инфракрасном изображении.
Предварительно на каждый палец наносится метка черного цвета.
В данном методе происходит одновременное формирование инфракрасного и визуального изображений. После чего визуальное изображение, как во втором методе, раскладывается на RGB составляющие в автоматическом режиме. Далее выполняется преобразование в оттенки серого, пороговая обработка и инверсия получившегося изображения. После пороговой обработки формируются стробы в районе расположения дистальных фаланг пальцев, которые используются для дальнейшего перемножения с исходным инфракрасным изображением. Завершающим этапом данного метода можно считать анализ теплового состояния дистальных фаланг пальцев.
Рисунок 3.2.4 - Предлагаемый метод выделения области глаз на изображении
Схема совмещенной виде-тепловизионной системы (ВТС), в которой происходит выполнение предлагаемого алгоритма представлена на рисунке 3.2.5.
Рисунок 3.2.5 – Схема совмещенной видео-тепловизионной системы: 1-объект, 2-оптическая система, 3-разветвитель, 4-ИК-камера, 5-интерполятор, 6-фотокамера, 7-блок фильтраций, 8-блок формирования областей глаз, 9-блок обработки и визуализации, 10-ИК-камера типа ThermaCAM
После фотографирования объекта, изображение попадает в оптическую систему, из которой с помощью разветвителя выполняется разделение диапазонов на инфракрасный и визуальный. Проходя инфракрасную камеру и интерполятор, изображение инфракрасного диапазона попадает в блок обработки и визуализации. В этот же блок попадает и визуальное изображение, проходя через фотокамеру, блоки фильтраций и формирования областей ДФП.
На рисунке 3.2.6 представлена блок-схема аппаратной реализации метода, состоящая из пяти блоков: тонометра, инфракрасного электронного термометра, микропроцессорной системы, системы индикации и самого объекта исследования.
Рисунок 3.2.6 - Блок-схема аппаратной реализации метода
МПС выполняет роль управляющей измерительной системы, которая задает прибор, использующийся в данном измерении, момент его включения, момент считывания данных с их последующей обработкой, выдает информационное сообщение для обслуживающего персонала. Обмен данными между МПС и приборами осуществляется через USB-порты.
Результаты измерений, интерпретированные в соответствии с выбранными критериями, выводятся в систему индикации. Видео-тепловизионная система должна обладать возможностью запуска и считывания данных по команде через USB-порт. Блок климат-контроля должен обладать возможностью запуска и считывания данных по команде через USB-порт, установки начальной температуры, и управляемого набора температуры в нем до второго значения температуры.
Программная реализация метода диагностики состояния периферических сосудов приведена на рисунке 6. Производится запуск программы. Программа выдаёт сообщение «установить видео-тепловизионную систему в область кисти руки». После установки видео-тепловизионной системы в нужной области через заданные временные интервалы осуществляется ее запуск от МПС, передача измеренной температура в МПС. Следующий шаг – запуск от МПС блока климат-контроля и измерение исходной температуры Т1. Затем выдерживается пауза между измерениями в течение 15 минут для нормализации состояния исследуемого объекта, о чём программа выдаёт информационное сообщение. По истечении данного времени программа выдаёт новое информационное сообщение о необходимости продолжения измерений. Производится запуск от МПС видео-тепловизионной системы и осуществляются 4 измерения температуры дистальных фаланг пальцев в начальном периоде с интервалом 10 с. После чего температура возрастает до Т2, МПС запускает видео-тепловизионную систему и производится 10 измерений температуры дистальных фаланг пальцев в последующем периоде с интервалом 10 с. Полученные результаты обрабатываются в МПС, а затем выводятся в систему индикации.
3.3 Разработка метода и алгоритма диагностики функционального состояния периферических сосудов
Наиболее близким к предлагаемому является способ диагностики функционального состояния периферических сосудов с помощью окклюзионного теста, в этом способе измеряется артериальное давление пациента с целью определить значение давления манжеты, необходимое для создания окклюзии конечностей, с помощью тепловизора непрерывно измеряют среднюю температуру в области дистальных фаланг пальцев кисти и/или стопы в предокклюзионный период с длительностью не менее 30 секунд, окклюзионный период с длительностью 90 – 120 секунд и постокклюзионный период с длительностью не менее 90 секунд, измерения температуры проводят одновременно на нескольких пальцах, на полученной последовательности термограмм выделяются области дистальных фаланг пальцев, и строится зависимость средней температуры этих областей от времени теста. Если за время постокклюзионного периода температура каждого из пальцев не достигает среднего уровня температуры предокклюзионного периода, то судят о нарушении эндотелийзависимой регуляции местного кровотока, если в период окклюзии температура не опускалась больше чем на 1°С ниже средней температуры предокклюзионного периода, то судят о нарушении кровоснабжения конечности.
Недостатком прототипа является слабая чувствительность к уровню кровоснабжения конечностей. В прототипе фиксируется только два состояния – есть нарушение кровоснабжения или нет.
Для устранения этого недостатка предполагается проведение климатических исследований кровоснабжения. В этом случае температура ДФП определяется более сильным внешним воздействием в виде перепада температуры окружающей среды. Фиксирование времени переходного процесса (П-П) изменения температуры ДФП от Т1 до Т2 позволяет не только определить нарушение кровоснабжения, но и отследить динамику изменения времени П-П при проведении восстановительно курса.
Предлагается способ диагностики функционального состояния периферических сосудов заключающийся в том, что с помощью тепловизора непрерывно измеряют среднюю температуру в области дистальных фаланг пальцев кисти, измерения температуры проводят одновременно на нескольких пальцах, на полученной последовательности термограмм выделяются области дистальных фаланг пальцев, и строится зависимость средней температуры этих областей от времени теста отличающийся тем, что перед измерением в помещении устанавливается температуру Т1, обследуемый находится при данной температуре в течении 15 минут, запускается видеосъемка, устанавливается температура Т2, по меткам на ДФП в видеокадрах выделяются области ДФП, определяется время переходного процесса по достижению максимальной температуры в области ДФП, если время П-П больше типового, то принимается решение о нарушении кровоснабжения конечности.
 |  |
Рисунок 3.3.1 - Алгоритм проведения тепловизионного обследования
3.4 Оценка результатов тепловизионной съемки при климатических исследованиях состояния перефирических сосудов
Оценка результатов тепловизионной съемки при климатических исследованиях состояния перифирических сосудов проводилась в программной среде MathCad. Мы имели две подборки фото тепловизионной съемки кисти руки. Массив фото для первой подборки составлял 14 тысяч фото, для второй 10 тысяч фото. Фото в каждой подборке делались с частотой 0.166 Гц. Для анализа из подборки выбирались фото от начала исследования до конца с интервалом в 100 фотографий. Эти изображения вводились в MathCad для дальнейшей обработки.
Рисунок 3.4.1 – Ввод данных в MathCad
После ввода полученных данных в среду MathCad выделялись точки дистальных фаланг пальцев по координатам для каждого пальца и строились графики зависимости температуры дистальных фаланг пальцев от времени теста. Получали значения температур для дистальных фаланг двумя способами: в первом способе проводили нормировку по температуре внешней среды (рисунок 3.4.1), во втором способе проводили нормировку по температуре внешней среды, а также по чувствительности тепловизора в размере 0.02 градуса Цельсия (рисунок 3.4.2).
Рисунок 3.4.2 - Преобразование яркости пикселей в температуру первым способом
Рисунок 3.4.3 - Преобразование яркости пикселей в температуру вторым способом
После получения значений температур для пальцев каждым из способов строились графики зависимости температуры от времени, позволяющие оценить функциональное состояние периферических сосудов дистальных фаланг пальцев. Полученные графики представлены на рисунках 3.4.3, 3.4.4, 3.4.5, 3.4.6, где С1 – указательный палец, С2 – средний палец, С3 – безымянный палец, С4 - мизинец.
Рисунок 3.4.4 - График для первой подборки данных с обработкой без учета чувствительности тепловизора
Рисунок 3.4.5 - График для первой подборки данных с обработкой учитывающей чувствительность тепловизора
Рисунок 3.4.6 - График для второй подборки данных с обработкой без учета чувствительности тепловизора
Рисунок 3.4.7 - График для второй подборки данных с обработкой учитывающей чувствительность тепловизора
Проанализировав полученные результаты для всех подборок можно сделать выводы, что на первой подборке можно судить о нарушении кровообращения в безымянном пальце и мизинце, так как наблюдается слабая реакция на климатический тест, реакция остальных пальцев на климатический тест в пределах нормы, поэтому можно судить о нормальном функциональном состоянии данных пальцев.
Для второй подборки можно сказать, что нарушение функционального состояния среднего пальца очевидно из-за слабой реакции на климатический тест, реакция безымянного пальца на климатический тест больше, но все же не укладывается в пределы нормы, поэтому также можно судить о нарушении функционального состояния безымянного пальца, но в меньшей степени, чем среднего пальца, состояние других пальцев находится в норме.
3.5 Разработка метода обнаружения малоконтрастных областей поражения
Очень важно не только выявить наличие нарушение кровообращения в пальцах, но также и определить локализацию этих поражений.
Применение климатических исследований позволяет также повысить эффективность обнаружения малоконтрастных областей поражения. В этом случае наблюдается динамическая картина изменения температуры в области артерий пальцев, что позволяет видеть процесс изменения температуры пораженного пальца в сравнении с изменением температуры пальцев с нормальным кровоснабжением. Так как этот процесс растянут во времени и длится порядка нескольких минут, то можно сначала зафиксировать пораженный палец а затем в определенный момент увидеть область поражения с более высоким контрастом, чем при обычном наблюдении. Данный эффект подтверждается серией кадров тепловизионной съемки представленной на рисунке 3.5.1.
Рисунок 3.5.1- Определения области поражения пальца