На правах рукописи

МИХЕЕВ Сергей Васильевич

Исследование и разработка методов

и технических средств контроля в медицинской термографии

Специальность 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012 1

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения и социального развития

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук Клюкин Лемарк Михайлович

Официальные оппоненты:

Черний Александр Николаевич, доктор технических наук, ВНИИ Фтизиопульманологии ММА им. И.М.Сеченова, главный научный сотрудник Невский Дмитрий Ильич, кандидат технических наук, ОАО «НПО «ЭКРАН», старший научный сотрудник

Ведущая организация:

ЗАО НИИИН МНПО «Спектр», г.Москва

Защита состоится « 23 » мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д208.001.01 при Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники по адресу: 129301, г.Москва, ул.Касаткина, д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ «ВНИИИМТ»

Автореферат разослан «12» апреля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Козловский Эдуард Болеславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Успешное внедрение современных инновационных медицинских технологий в профилактической медицине происходит, как правило, параллельно с созданием и внедрением новых технических средств обеспечивающих их реализацию. Так, для проверки функциональных характеристик новых технических средств в медицине, особенно средств с наличием элементов измерительных функций, для контроля их функционирования, настройки и калибровки, обеспечения воспроизводимости полученных с их помощью результатов диагностических обследований и обеспечения единства измерений, требуется соответствующее техническое обеспечение. В этой связи создание необходимых методик и тестового оборудования (стендов, приборов, измерительных и калибровочных комплексов, имитаторов, фантомов, эталонов, устройств и пр.), обеспечивающих контроль функционирования и выполнения диагностической процедуры в целях повышения достоверности результатов и выполнения методики диагностического обследования персоналом лечебно-профилактических учреждений, является характерной тенденцией даже для высокоразвитых стран.

Не являются исключением и вопросы измерения температуры, как наиболее востребованные в медицинской практике. В настоящее время для скринингового диагностического обследования все более широкое распространение находят методы медицинской термографии, т.к. по сравнению с другими диагностическими методами, особенно на ранних (доклинических) стадиях проявления патологий в организме человека, они являются одними из наиболее безвредных, надежных и объективных.

Медицинская термография реализуется с помощью бесконтактных и контактных методов проводимых обследований.

Бесконтактное обследование осуществляется тепловизорами. Среди контактных методов известны радиотермометия, жидкокристаллическая холестерическая термография и контактная термография высокоточными температурными сенсорами.

Контактная термография высокоточными температурными сенсорами имеет свои преимущества и реализуется с помощью диаграфа объемного теплового (ДОТ), предназначенного для скрининговой экспресс-диагностики с целью обнаружения патологических образований на ранних стадиях их возникновения и мониторинга хода лечения различных заболеваний.

В основе принципа действия ДОТ лежит тепловой контактный сканирующий способ, который позволяет по результатам измерения градиентов температуры на поверхности кожи с разрешением 0,001°С и их обработки на компьютере отображать на мониторе результаты обследования в 2D или 3D режимах и определять области с повышенной и пониженной температурой в организме. При этом анализируется внутренний тепловой поток q, на пути которого и выявляются зоны внутренней патологии:

– доброкачественный (нетепловыделяющий) очаг-ДО;

– злокачественный (воспалительный тепловыделяющий) очаг-ЗО.

Вследствие направленности теплового потока q из тела в окружающую среду, последний, взаимодействуя с очагом, приводит к появлению соответствующих градиентов на поверхности Тдо и Тзо, величина и форма которых, соответственно, несут информацию (размер, температура в очаге, глубина залегания) о новообразовании (рис.1).

Рис.1. Схема формирования температурных градиентов на кожной поверхности участка Расчет температурного поля на поверхности кожи и анализ величины положительного или отрицательного градиента связан с аналитическим представлением решений краевых задач математической физики и осуществлен с помощью функции Грина (1):

где, rn - расстояние от точки максимума температуры на поверхности до точки измерения; rо – радиус вектор, задающий точку на поверхности.

Поскольку механизм съма информации заключается в оценке матрицы градиентов температур на коже, двумерные координаты опухоли кодируются координатами полюсов изотерм, что соответствует проекциям на коже залегающих в теле патологий. Третья пространственная координата - глубина залегания Z определяется формулой (2) для тепловыделяющей опухоли и формулой (3) для нетепловыделяющей опухоли:

где, Т – текущая температура; Т0 – температура в полюсе изотерм; Тср – средняя температура в проекции опухоли; r – текущий радиус.

Из всех имеющихся методов термографии только обследование с помощью ДОТ позволяет получить изображение в формате 3D. Именно этот режим актуален при диагностике внутренних органов и в маммологии.

Способ диагностики патологии с помощью ДОТ наряду с высокой перспективностью имеет недостатки, а именно: отсутствие средств контроля функционирования и, следовательно, достоверности выполнения диагностической процедуры.

Актуальность научной работы обусловлена необходимостью создания средств технического обеспечения контроля функционирования приборов реализующих новую медицинскую технологию диагностической контактной термографии (ДКТ) и выполнения с их помощью методики диагностического обследования в целях повышения достоверности результатов проводимого обследования. Применение предложенного способа контроля функционирования при использовании ДОТ расширяет возможности медицинской технологии ДКТ и способствует выявлению различных патологий воспалительного и онкологического характера на ранних стадиях их возникновения.

Цель работы - исследование теплофизических характеристик мягких тканей в целях выбора аналогичного по теплопроводности материала для разработки и создания стендов-имитаторов нарушения теплового режима, сходного с нарушениями вносимыми очагами патологии 1-го и 2-го рода в организме человека, и обеспечение с их помощью контроля функционирования ДОТ и контроля выполнения диагностической процедуры обследования в целях повышения достоверности результатов по выявлению очагов патологии 1-го рода - когда температура очага ниже температуры окружающей его массы, что обусловлено ухудшенным тепловыделением в его объеме, и 2-го рода – когда температура очага превышает температуру окружающей его массы до +3С и выше.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести исследования, разработать и создать установку для оценки теплофизических параметров мягких тканей организма с целью их замены материалом с аналогичными параметрами для создания специализированных стендов-имитаторов нарушения теплового режима в организме человека;

- провести исследования и экспериментально определить теплофизические параметры мягких тканей организма;

- провести исследования и определить оптимальный шаг сканирования при измерении градиентов температуры на поверхности имитатора в целях обеспечения приемлемой точности, разрешающей способности и сокращения времени обследования;

- разработать и создать стенды-имитаторы нарушения теплового режима в организме человека;

- разработать и апробировать методики применения стендов-имитаторов нарушения теплового режима в организме человека и контроля функционирования ДОТ.

Научная новизна:

1. Исследованы процессы терморегуляции в организме человека и определено, что для целей медицинской термографии распределение теплового потока является определяющим фактором при создании стендов-имитаторов.

2. Установлено, что для создания стендов-имитаторов может быть выбран материал аналогичный материалу мягких тканей организма, который был бы сопоставим с ним по теплофизическим характеристикам и в частности по коэффициенту теплопроводности. Экспериментально определены значения коэффициента теплопроводности для мышечной ткани, ткани печени и легочной ткани которые равны соответственно 0,25±15%, 0294±15%, 0,058±15% Вт/м·град. Мышечной ткани и ткани печени из всех ближайших справочных значений по коэффициенту теплопроводности соответствуют следующие материалы: полиуретановая мастика (0,25 Вт/м·град), тефлон (0, Вт/м·град), полиэтилен (0,25-0,3 Вт/м·град), текстолит (0,244 Вт/м·град), бакелит (0, Вт/м·град).

3. Установлено, что выбор оптимального шага сканирования при измерении градиентов температуры на поверхности стенда-имитатора в целях получения требуемой точности, разрешающей способности и сокращения времени обследования возможен при решении задачи определения глубины нахождения имитатора очага нарушения теплового режима методом моделирования и вычисления полученной с его помощью корреляционной функции (h). Проведенная оценка функции корреляции при имитации очага нарушения теплового режима (патология 1-го и 2-го рода с разностью температур до 3°С относительно температуры окружающих тканей на глубине от 1 до 5 см) показала, что достаточным условием при поиске имитатора очага нарушения теплового режима, находящегося под поверхностью стенда-имитатора, является шаг детерминации h=5 см.

4. В результате теоретических исследований установлено и экспериментально определено, что при установке в стенды-имитаторы имитаторов очагов нарушения теплового режима (очаги патологии 1-го и 2-го рода) на глубине от 1 до 5 см и изменение температуры имитатора очага 2-го рода в диапазоне от 0,5 до 3°С обеспечивает формирование изображений, близких к реально-существующим в режимах визуализации 2D и 3D.

Практическая значимость исследования заключается в том, что разработанные и созданные стенды-имитаторы нарушения теплового режима позволяют повысить достоверность выявления патологических образований воспалительного и опухолевого характера с помощью серийно выпускаемых ДОТ и их местонахождение с точностью ±0,5 см по горизонтали и вертикали, а методика их применения при осуществлении контроля функционирования ДОТ позволяет достоверно контролировать стабильность и воспроизводимость результатов производимых с их помощью обследований, облегчить решение клинических задач по развитию способов ранней диагностики с использованием медицинской термографии и внедрению их в практическое здравоохранение.

Внедрение результатов. Результаты исследования апробированы при осуществлении контроля функционирования применяемых приборов ДОТ. Полученные результаты позволяют получить идентичные изображения на экране компьютера при использовании различных приборов ДОТ, а при необходимости существенно облегчить их настройку.

По материалам исследования поданы три заявки на изобретения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Для целей медицинской термографии распределение теплового потока является определяющим фактором при создании стендов-имитаторов;

2. Разработанная и созданная конструкция экспериментальной установка позволяет исследовать и оценить теплофизические характеристики мягких тканей организма и на основании полученных данных выбрать по коэффициенту теплопроводности наиболее подходящий материал для создания стендов-имитаторов нарушения теплового режима в организме человека;

3. В целях обеспечения требуемой точности, разрешающей способности и сокращения времени проведения измерения градиентов температуры с помощью ДОТ на поверхности стенда-имитатора необходимо определить шаг сканирования поверхности.

Достаточным условием при поиске имитатора очага нарушения теплового режима, находящегося под поверхностью стенда-имитатора, является шаг сканирования поверхности h=5 см определяемый при решении задачи нахождения глубины очага нарушения теплового режима методом моделирования и вычисления полученной с его помощью корреляционной функции (h).

4. Разработанные конструкции стендов-имитаторов позволяют повысить достоверность выявления патологических образований воспалительного и опухолевого характера с помощью серийно выпускаемых ДОТ, обеспечивают формирование изображений, температурных полей близких к реально-существующим в режимах визуализации 2D и 3D.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из них 4 – в изданиях рекомендованных ВАК, и доложены на заседаниях научно-технического совета ФГБУ «ВНИИИМТ» Росздравнадзора по теме «Технические средства диагностики в медицинской термографии».

Личный вклад автора. Выносимые на защиту результаты получены автором самостоятельно. Участие научного руководителя свелось к методическим консультациям и содействию в получении экспериментальных результатов.

Объем и структура диссертационной работы:

Диссертация изложена на 178 страницах машинописного текста и состоит из содержания, списка сокращений, введения, четырех глав, заключения, выводов, библиографического указателя и приложения. Диссертация иллюстрирована 9 таблицами и рисунками. Библиографический указатель включает 95 источников, из них 86 отечественных, 9 зарубежных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор современных методов лучевой диагностики, критерии их выбора и перспектив развития (рис.2).

К методам лучевой диагностики относятся все виды традиционного рентгенологического исследования - рентгеноскопия, рентгенография, линейная томография и др., а также современные методы – рентгеновская компьютерная томография (РКТ) и методы радионуклидной диагностики. К методам лучевой диагностики также относятся: магнитно-резонансная томография (МРТ), интервенционная радиология (ИР), ультразвуковые исследования (УЗИ) и медицинская термография. Каждый из методов характеризуется рядом достоинств и недостатков и, соответственно, отличается определенными пределами диагностических возможностей.

Для эффективного использования перечисленных методов врачу диагносту необходимо уметь выбрать оптимальный и более подходящий для конкретной клинической ситуации. При этом следует руководствоваться такими критериями, как:

- информативность метода;

- биологическое воздействие методов на организм;

- доступность и экономичность метода.

При выборе оптимального метода исследования врач должен, руководствоваться его информативностью, а из нескольких методов, близких по информативности, назначить более доступный и обладающий меньшим воздействием на организм пациента.

Медицинская термография - метод лучевой диагностики, основанный на регистрации теплового излучения поверхности тела. Это единственный метод пассивной инструментальной диагностики, являющийся не более вредным, чем фотография или видеосъемка. Метод позволяет выявлять патологии в организме человека на стадии доклинической манифестации и осуществлять контроль эффективности лечения различных заболеваний. Чем раньше проведена диагностика, тем эффективнее можно бороться с обнаруженной болезнью.

Существенным недостатком в развитии медицинской термографии является недостаточность средств контроля их функционирования.

Во второй главе рассмотрены методы медицинской термографии и их возможности.

Термография в медицине основана на регистрации теплового потока от организма дистанционными и контактными методами (рис.3).

Все известные методы определения температуры тела отражают косвенно внутритканевую температуру, фиксируя ее с поверхностных слоев кожи. Известно, что опухолевая ткань, благодаря интенсивному метаболизму, а также поврежденная ткань имеют температуру отличную от температуры окружающих тканей на 1–3°С, что и составляет основу диагностической термографии.

Более совершенной является контактная термография проводимая с помощью высокоточных термодатчиков имеющих высокую чувствительность и малую погрешность измерений. Обработка результатов измерений температуры на исследуемом участке тела с помощью специальной компьютерной программы делает контактную термографию гораздо более эффективной, чем бесконтактную особенно для ранней диагностики патологий в организме человека.

Рассмотрены технические средства термографии и указаны основные характеристики и особенности их использования. Определено, что диаграф объемный тепловой (ДОТ) (рис.4), реализующий технологию диагностической контактной термографии, является наиболее приемлемым средством по следующим критериям:

абсолютно безопасен при обследовании, поскольку вообще не воздействует на пациента каким-либо излучением;

обеспечивает необходимое пространственное разрешение для проведения дифференциальной диагностики по тепловому признаку на исследуемой поверхности тела путем ее сканирования тепловым щупом площадью1 мм;

дает возможность визуализировать в трехмерном режиме 3D дислокацию опухолей и формировать в автоматическом режиме заключение о заболевании;

обеспечивает проведение мониторинга организма пациента с любой периодичностью;

обеспечивает автоматическое ведение электронной карты пациента;

портативен и независим от внешнего источника питания, так как имеет встроенный аккумулятор, намного дешевле имеющихся аналогов.

В третьей главе рассмотрена актуальность проблемы контроля функционирования используемых в новых медицинских технологиях технических средств, физическая сущность, физиологическая основа и особенности применения медицинской термографии, а также экспериментально подтвержден выбор материала для создания специализированных стендов-имитаторов нарушения теплового режима, сходного с динамикой очагов патологии 1-го и 2-го рода в организме человека как основы для разработки оборудования контроля функционирования ДОТ. На основе полученных данных и данных расчета в ходе эксперимента был выбран материал для создания стендов. В поставленной выше задаче исследования скрытого в глубине тела очага патологии, взаимодействующего со стационарным тепловым потоком, и с целью определения оптимального шага сканирования обследуемой поверхности, минимизации точек сканирования и сокращения времени проведения обследования с помощью ДОТ, рассмотрен выбор шага сканирования.

Показано, что у здорового человека распределение температур на термограмме симметрично относительно средней линии тела. Нарушение симметрии (ассиметрия) является основным признаком диагностики заболеваний в медицинской термографии.

Для создания стендов-имитаторов на разработанной экспериментальной установке исследованы теплофизические характеристики (ТФХ) мягких тканей организма с целью их замены материалом с аналогичными параметрами (рис.5).

Рис.5. Схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования теплофизических характеристик мягких тканей 1- цилиндр для мягких тканей, 2 – радиатор конвективного охлаждения, 3 – блок питания цепи подогрева левого торца цилиндра, 4 – блок измерения температуры охлаждаемого торца цилиндра, 5 - блок измерения температуры нагреваемого торца цилиндра В основе создания установки применен метод оценки теплопроводности материала по методу «стенки». В качестве вместилища мягких тканей для проведения эксперимента была выбрана емкость цилиндрической формы (1) на торцах которой поддерживается измеряемая разность температур. Боковая поверхность цилиндра теплоизолируется по окружности. В ходе эксперимента фиксировалось время нагрева, температура нагреваемого и охлаждаемого торцов цилиндра. Нагрев осуществлялся с помощью блока питания (3). С помощью блоков измерения температуры левого (4) и правого торца (5) контролировалась температура нагреваемого и охлаждаемого торцов цилиндра. Результаты измерения, полученные при комнатной температуре по результатам исследования трех видов мягких тканей, имеют следующие значения: печени (таблица 1), легочной (таблица 2) и мышечной (таблица 3).

Таблица 1. Экспериментальные значения измерения температуры ткани печени Таблица 2. Экспериментальные значения измерения температуры легочной ткани Таблица 3. Экспериментальные значения измерения температуры мышечной ткани По экспериментальным результатам составлена таблица 4 для температур н температура нагреваемого торца цилиндра), 0 - (температура охлаждаемого торца цилиндра), в - (температура окружающего воздуха) и определено значение параметра Грасгофа Gr для экспериментальных условий теплообмена.

Таблица 4. Значение параметра Грасгофа для трех видов мягких тканей На основании проведенного исследования получены экспериментальные данные, построена аналитическая модель и аналитически определены коэффициент конвективного теплообмена и коэффициента теплопроводности для мягких тканей (таблица 5).

Таблица 5. Экспериментальные значения ТФХ мягких тканей Вид мягкой ткани Коэффициент конвективного Коэффициент теплопроводности Из баланса, связывающего расход тепла путем теплопередачи и путем конвективного обмена с окружающей средой, находим где - коэффициент теплопроводности, F - площадь сечения теплопередачи и теплообмена, ( = 5,9 103, м2 ), - расстояние между торцами «стенки» ( = 0,06 м), коэффициент конвективного теплообмена. Из (4) следует, что Определим, исходя из критериальных соотношений. Поскольку критерий Нуссельта (один из основных критериев подобия тепловых процессов, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счт конвекции и интенсивностью теплообмена за счт теплопроводности в условиях неподвижной среды) определяется для данных условий как где Pr - число Прандтля, С, n и К определяются из условий эксперимента (форм-фактор) и соотношений:

где - характерный размер торца «стенки» ( = 0.09 м) и Указанные величины дают, С = 0,8; =2,62·101 Вт/м·град; n = 0,25; и, следовательно, К= 0,64.

Из соотношения для критерия Грасгофа (определяющий перенос тепла при конвективном теплообмене для случая свободной конвекции, когда движение вызывается разностью плотностей из-за неравномерности поля температур вблизи нагретого тела) находим его значения и приводим в таблице 4.

Таким образом, экспериментальная оценка ТФХ мягких тканей с целью выбора материала с аналогичными ТФХ по коэффициенту теплопроводности, позволила выбрать материал для создания стендов-имитаторов нарушения теплового режима в организме человека. Сравнение с ТФХ уже известных материалов дало возможность определить в качестве наиболее близких материалов полиуретановую мастику, тефлон, полиэтилен и древесину мореного дуба. Часть исследований была выполнена с использованием древесины мореного дуба, но выбор был остановлен на полиуретановой мастике.

Выбор шага сканирования поверхности стенда-имитатора с целью обнаружения скрытого в глубине очага патологии необходимо осуществить для минимизации точек сканирования и сокращения времени обследования без потери его результативности.

Стенд-имитатор нарушения теплового режима МЖ обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение при формировании изображения и сканировании градиентов температур на его поверхности. С учетом диаметра рабочей части температурного зонда пространственное разрешение составляет 3 линии на сантиметр. Однако, полное сканирование с таким разрешением потребует значительных временных затрат, т.к. время измерения градиента температуры в одной точке (согласно руководству по эксплуатации ДОТ) занимает до 4 секунд. По этой причине исследована зависимость функции корреляции от шага сканирования.

Пусть на поверхности стенда-имитатора имеется разметка по координатам х,у в виде регулярной сетки, в узлах которой проводятся измерения температуры и пусть на некоторой глубине в стенде-имитаторе по оси z находится тело, параметры которого при координатах xi; yi ; zi отличны от параметров окружающей ткани (рис.6).

Измерения температуры, произведенные по оси у с шагом h, дают возможность построить изотермальную картину сечения в плоскости z,у (рис.7).

Используя масштабную модель эквипотенциальной картины плоскости z, у, снятой в направлении оси х, можно получить точное положение пробного тела, переходя через масштабные коэффициенты от модели к реальной среде.

Таким образом, вертикальное определение местонахождения тела по координате z, осуществляется методом наблюдения температуры в сетке на поверхности, а расстояние до тела по оси Z на заданном уровне - методом моделирования.

Условие эргодичности изотермы позволяет найти характеристики изотермы: математическое ожидание m(h) и корреляционную функцию K(h) Интегралы в выражениях (10) и (11) при большом числе измерений значений изотермы (h) можно с достаточной точностью заменить конечными суммами (12).

Тогда корреляционная функция примет вид 13.

где n — число измерений (значений) изотермы. Из (12) имеем:

Центрируя значения изотермы (h) и, возводя в квадрат все значения (h) на n получаем несмещенную оценку дисперсии случайной функции i(h) и среднее квадратичное отклонение. Преобразовывая их, получаем корреляционную функцию (h), вычисление которой проводится до таких значении, при которых корреляционная связь между точками измерения практически пропадает. Для сглаживания колебаний найденных значений можно использовать зависимость вида (15).

где параметр можно подобрать методом наименьших квадратов (для нашего случая =0,065). График функции представлен в виде точек соединенных пунктиром (рис.8).

Рис.8. К выбору шага сканирования h поверхности стенда-имитатора Не вполне гладкий ход корреляционной функции может быть объяснен недостаточным количеством экспериментальных точек, в связи с чем, случайные неоднородности в ходе функции не успевают сгладиться. Вычисление (h) следует продолжить до таких значений h, при которых фактически корреляционная связь пропадает.

Из графика видно, что при h>5 корреляционная зависимость (h) практически пропадает, поэтому наименьший возможный шаг детерминации hмин = 5 см.

В четвертой главе рассмотрены основные аспекты создания средств проверки приборов ДОТ – стендов-имитаторов контроля функционирования и технической поддержки прецизионных измерителей градиентов температуры на поверхности кожи, как технических средств обеспечивающих реализацию новой медицинской технологии диагностической контактной термографии.

С помощью создаваемого оборудования процедура контроля функционирования серийно выпускаемых приборов ДОТ и получение в ходе проверки идентичных термографических изображений на экране монитора существенно упрощается.

Автором разработаны два стенда-имитатора: нарушения теплового режима мышечной ткани и нарушения теплового режима молочной железы (МЖ).

Анализ температурного поля на поверхности стенда-имитатора нарушения теплового режима в мышечной ткани и используемый при этом математический аппарат полностью применим и для стенда-имитатора нарушения теплового режима в женской молочной железе.

Стенд-имитатор нарушения теплового режима мышечной ткани имеет прямоугольную форму (рис.9). Исследования распределения температуры, необходимые для оценки имеющегося под поверхностью имитатора очага «патологии», проводятся на поверхности (7) массива стенда-имитатора (2) в семи точках (М1 – М7), что имитирует методику практического диагностирования с использованием ДОТ. В центральной части стенда-имитатора на глубине 50 мм под поверхностью имеется сквозное отверстие (6), предназначенное для имитации патологических очагов 1-го и 2-го рода.

Рис.9. Испытательный стенд-имитатор нарушения теплового режима в мышечной ткани и вид распределения температуры над скрытым дефектом 1-теплоизолятор; 2- массив стенда-имитатора; 3- теплоизолятор; 4- выводы термоэлемента; 5- алюминиевая пластина; 6- отверстие; М1 М7 точки измерения температуры прибором ДОТ, 7- внешнее покрытие (имитатор кожи).

Для имитации очага 1- го рода используется замкнутое воздушное пространство отверстия (6), что достигается закупориванием его с обеих сторон имитатора или установка в него теплоизолирующей вставки. Для имитации очага 2 -го рода в отверстие (6) устанавливается контролируемый источник избыточной температуры в виде цилиндра.

Для организации теплового потока в направлении поверхности, где производятся измерения, в нижней части имитатора размещены термостатированные нагревательные элементы (4) над которыми помещена алюминиевая пластина (5) для выравнивания температурного поля в основании. Для создания одномерного теплового потока в нужном направлении имитатор теплоизолирован снизу (1) и по бокам (3) за исключением верхней стороны поверхности через которую осуществляется тепловой отток за счет естественной воздушной конвекции, аналогичной тому, что имеет место при обследовании.

Стенд-имитатор нарушения теплового режима мышечной ткани и имитатор очага 2-го рода подключены к блокам управления с обратной связью. Температура нагревательных элементов контролируется и регулируется автоматически с учетом данных о температуре, поступающих с термодатчиков (рис.10).

Рис.10. Блок-схема управления нагревательным элементом имитатора очага патологии 2 рода и блок-схема управления нагревательным элементом стенда-имитатора По данным различных авторов наличие тепловыделяющего онкологического очага под поверхностью тела характеризуется избыточной температурой на поверхности в среднем до +3°С относительно температуры примыкающей поверхности. Для создания такого температурного перепада аналитически определена мощность источника, имитирующего очаг патологии 2 рода – от 1 до 2Вт.

Для создания температурного перепада величиной Т мощность источника имитатора очага 2-го рода Q должна соответствовать условию:

где – коэффициент теплопроводности материала (в нашем случае 0, [Вт/м·град.° С]);

F - площадь поперечного сечения поверхности перпендикулярной к направлению теплового потока (F = 0,08 [м]);

Т - разность температуры между двумя точками 3°С разделенными расстоянием L для имитатора очага патологии 2-го рода;

L – расстояние между поверхностью перпендикулярной к направлению теплового потока и точкой имитатора патологического очага 2-го рода, в нашем случае 0,05 [м].

При представленных значениях мощность источника Q, имитирующего очаг патологии 2 рода не превышает 1,5 Вт.

Процедура контроля функционирования прибора ДОТ на стенде-имитаторе нарушения теплового режима мышечной ткани заключается в проведении цикла выхода имитатора в рабочий температурный режим при условии введения имитатора очага патологии 1-го рода. При этом контролируется температура в приповерхностном слое до соблюдения условия появления стационарного значения, и в соблюдении этого же условия и контроле заданного температурного перепада для имитатора очага патологии 2-го рода. После выведения стеда-имитатора в рабочий режим на его поверхности проводят измерение градиентов температуры последовательно во всех 7 точках. В памяти ДОТ хранятся результаты всех измерений, которые передаются на компьютер для обработки штатной программой и визуализации полученных результатов на экране монитора.

Аналитически рассчитано время выхода стенда-имитатора в рабочий режим где, – коэффициент теплоотдачи [Вт/м·град.°С].;

–постоянная времени стенда имитатора [с];

F – площадь поперечного сечения поверхности перпендикулярной к направлению теплового потока F = 0,08 [м];

– плотность массива стенда-имитатора 770 [кг/м];

V – объем массива стенда-имитатора [м];

С – удельная теплоемкость массива стенда-имитатора (837 [Дж/кг·град.°С]), ·V = m – масса массива стенда-имитатора;

и построен экспериментальный график (рис.11).

Рис.11. Экспериментальная кривая хода нагрева имитатора во времени Результат измерения температуры на поверхности после выведения на экран монитора наблюдают и регистрируют путем выведения на печать, как это предусмотрено в руководстве по эксплуатации прибора ДОТ (рис.12).

очаг 1-го рода очаг 2-го рода Рис.12. Тестовое изображение скрытого очага 1-го и 2-го рода на мониторе компьютера, полученное с использованием стенда-имитатора патологий мышечной ткани Второй стенд-имитатор нарушения теплового режима молочной железы состоит из платы управления имитаторами и четырех имитаторов левой МЖ с имитаторами очагов патологии и одного имитатор правой МЖ без очагов патологий (рис.13). Имитаторы МЖ имеют форму полусферы. Наличие имитаторов левой и правой МЖ необходимо в соответствии с алгоритмом проводимых с помощью ДОТ обследований МЖ.

Рис.13 Стенд-имитатор нарушения теплового режима МЖ 1 - имитатор нарушения теплового режима МЖ типа «коса»;

2 - имитатор нарушения теплового режима МЖ типа «клин»;

3- имитатор нарушения теплового режима МЖ типа «эллипс»;

4 - имитатор нарушения теплового режима МЖ типа «розочка»;

5 - имитатор МЖ без нарушения теплового режима;

6 – коммутационный разъем;

7 – соединительный кабель.

Четыре имитатора МЖ с имитаторами очагов патологии 1-го и 2-го рода выбрано, исходя из четырех наиболее часто встречающихся форм температурных полей патологий МЖ, зафиксированных при клинической апробации ДОТ и отраженных в его руководстве по эксплуатации. Из-за внешнего сходства им присвоены чисто условные наименования: «коса», «клин», «эллипс» и «розочка» (рис.14). Формы температурных полей и 4 характерны только для патологий МЖ с повышенной температурой относительно общего фона, а формы 2 и 3 для патологий МЖ, как с повышенной, так и с пониженной температурой. ДОТ на основании проведенных измерений градиентов температуры на поверхности левой и правой МЖ формирует в памяти массив данных, который для последующей обработки в целях визуализации изображения температурных полей и их последующего анализа передается в компьютер. Отсутствие различий в тепловых изображениях левой и правой МЖ (тепловая симметрия) является признаком отсутствия патологии, а наличие тепловой асимметрии - признаком ее наличия.

Имитатор МЖ без патологических изменений не содержит каналов ввода имитаторов очагов 1 рода и 2 рода (рис.15).

Каждый из четырех стендов-имитаторов нарушения теплового режима левой МЖ конструктивно состоит из одних и тех же элементов. Имитатор нарушения теплового режима левой МЖ типа «эллипс» показан на рис.16, 17. Конструкция имитаторов нарушения теплового режима левой МЖ типов «коса», «клин», «розочка» аналогична конструкции имитатора нарушения теплового режима типа «эллипс» за исключением формы используемого в них нагревательного элемента имитатора очага 2 рода или имитатора очага 1 рода.

1 - «коса», 2 - «клин», 3 - «эллипс», 4 - «розочка», 5 – зона с повышенной температурой относительно общего фона; 6 – зона с пониженной температурой относительно общего фона Работу стендов-имитаторов обеспечивают блоки управления аналогичные блокам управления в стенде-имитаторе нарушения теплового режима мышечной ткани.

Рис.15. Имитатор МЖ без нарушения теплового режима 1 – массив стенда-имитатора;

2 – внешнее покрытие (имитатор кожи);

3 – нагревательный элемент имитатора;

4 – керамический изолятор нагревательного элемента имитатора;

5 – алюминиевый выравниватель теплового потока имитатора;

6 – термодатчик контроля температуры;

7 – метки для замера температуры в приповерхностном слое имитатора;

8 – основание-теплоизолятор имитатора Рис.16 Имитатор нарушения теплового режима левой МЖ типа «эллипс» и вид распределения градиентов температуры над скрытым дефектом 1- массив стенда-имитатора;

2 – нагревательный элемент имитатора очага 2 рода;

3- нагревательный элемент имитатора;

4 – канал ввода имитатора очага 2 рода;

5 – канал ввода имитатора очага 1 рода;

6 – алюминиевый выравниватель теплового потока имитатора;

7 – проводники подключения имитатора очага 2 рода и термодатчика контроля его температуры;

8 – имитатор очага 1 рода;

9 – стержень для установки очага 1 рода;

10 – термодатчик контроля температуры;

11 – основание-теплоизолятор имитатора;

12 – внешнее покрытие (имитатор кожи);

13 – керамический изолятор нагревательного элемента имитатора;

14 – метки для замера температуры в приповерхностном слое имитатора.

Рис.17. Стенд-имитатор нарушения теплового режима МЖ типа «элипс», сходного с нарушениями вносимыми очагами патологии 1-го и 2-го рода При проведении контроля функционирования стенда-имитатора нарушения теплового режима МЖ, экспериментально определены:

- значения зависимости контрастности контактного метода регистрации от температуры имитатора очага 2 рода при неизменной его глубине (рис.18);

- значения зависимости контрастности контактного метода регистрации от глубины имитатора очага 2 рода при фиксированном значении его температуры (рис.19).

Рис.18 Экспериментальная кривая зависимости контрастности теплового метода регистрации от температуры имитатора очага 2 рода при фиксированном значении глубины очага патологии L=1 см Рис.19 Экспериментальная кривая зависимости контрастности теплового метода регистрации от глубины имитатора очага 2 рода при фиксированном значении его температуры Т=39°С Исследования распределения температуры необходимые для оценки имитируемого под поверхностью очага «патологии», проводятся на поверхности в точках, сформированных равномерно по трем окружностям стенда-имитатора. Такое расположение полностью имитирует методику практического диагностирования МЖ. Во избежание методической погрешности измерения градиентов температуры, возникающих из-за влияния форм-фактора, исследования на стенде-имитаторе проводятся в двумерном режиме, когда однородность теплового потока в стенде-имитаторе и его симметрия относительно главной его оси достигаются благодаря использованию выравнивателя теплового потока (6), выполненного из хорошо проводящего материала, такого как алюминий. Под поверхностью стенда имеется отверстие (5) диаметром до 10 мм, заполненное теплоизолятором (8) предназначенное для имитации доброкачественного патологического очага 1-го рода (имитация нарушения метаболизма путем ухудшения кровотока (например, внутренней гематомы) и аналогично в другом месте (2) расположен такой же по размеру тепловыделяющий очаг 2-го рода - имитатор злокачественного патологического очага с повышенным уровнем метаболизма (например, узловой рак в начальной стадии, воспалительный очаг). Температура контролируется по показаниям термисторов (10).

Для организации теплового потока в направлении поверхности, где производятся измерения, в нижней части стенда-имитатора размещен нагревательный элемент (3), над которым в свою очередь помещена алюминиевая пластина для выравнивания температурного поля в нижнем торце имитатора. Для создания одномерности теплового потока в нужном направлении стенд-имитатор теплоизолирован (11) по всем граням за исключением верхней, организующей тепловой отток за счет естественной воздушной конвекции, аналогичной тому, что имеет место при обследовании живого биообъекта.

В ходе выполнения диссертации апробирована методика работы на стендеимитаторе. После включения стенда-имитатора в сеть электропитания 220В 50Гц проводится нагрев имитатора очага 2-го рода до температуры 40°С и массы стенда-имитатора до температуры 37°С близкой к температуре тела. Процедура контроля функционирования приборов ДОТ на стендах-имитаторах в указанном температурном диапазоне с требуемой относительной температурной точностью и повторяемостью результатов при оценке скрытых имитаторов очагов 1-го и 2-го рода заключается в их выведении в нужный температурный режим функционирования, при условии термостатирования температуры на уровне 37°С в приповерхностном слое, и в осуществлении измерений градиентов температуры на поверхности стендов-имитаторов прибором ДОТ. После выведения стендов-имитаторов в рабочий режим на их поверхности проводят измерение градиентов температуры с помощью проверяемых приборов ДОТ последовательно во всех отмеченных цифрами точках стендов-имитаторов. Измеренные значения сохраняются в памяти проверяемых приборов ДОТ. После проведения измерений данные с проверяемых приборов ДОТ передаются в компьютер по интерфейсу для последующей обработки. С помощью специального программного обеспечения данные обрабатываются, а результат обработки отображается на экране монитора и распечатывается при необходимости на цветном принтере. Сравнивая полученные изображения и распечатки, оператор визуально может оценить результаты измерений и идентичность полученных изображений с помощью различных приборов ДОТ.

Таким же образом на стенде-имитаторе проводится проверка всей партии приборов ДОТ. Суть проверки сводится к тому, чтобы при проведении измерений с помощью любого из приборов ДОТ на экране монитора или на распечатке наблюдалось бы идентичное изображение. В случае расхождения проводится проверка, после чего цикл измерения повторяется вновь, пока получаемые изображения не станут идентичными.

Стенды-имитаторы позволяют также проводить контроль функционирования одного и того же прибора ДОТ и оценить повторяемость полученных с его помощью результатов измерений при многократном их повторении без перенастройки самого стендаимитатора. При проведении контроля функционирования идентичность полученных изображений наблюдалась при многократном повторении указанной процедуры (рис.20).

Рис.20. Тестовое изображение, отображающее наличие имитатора очага 1 рода (зона 1) и 2 го рода (зона 2), полученное на стенде-имитаторе нарушения теплового режима

ВЫВОДЫ

В результате проведенной работы реализованы все поставленные цели, а именно:

- проведены исследования, разработаны и созданы стенды-имитаторы в целях осуществления контроля функционирования ДОТ в режиме 2D и 3D;

- исследованы и проанализированы тепловые процессы при имитации тепловыделяющего очага нарушения теплового режима (очаг патологии 2 рода);

- проведены исследования и аналитически определен оптимальный шаг сканирования при измерении градиентов температуры на поверхности имитатора в целях обеспечения приемлемой точности, разрешающей способности и сокращения времени обследования;

- обеспечена реализация контроля функционирования ДОТ и выполнения с его помощью диагностической процедуры для повышения достоверности результатов и выполнения методики диагностического обследования в диагностической контактной термографии проводимой с помощью ДОТ;

- разработана методика применения стендов-имитаторов, как при осуществлении контроля функционирования, так и для оказания помощи практическому здравоохранению в решении клинических задач по внедрению ранних способов диагностики.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. С.В.Михеев Метрологическое обеспечение измерений температуры в медицинской технологии диагностической контактной термографии, Москва, Медицинская физика 2011 №1.

2. С.В.Михеев Средство метрологического обеспечения медицинской технологии диагностической контактной термографии, Москва, Медицинская техника 2011 №2.

3. С.В.Михеев Техническое обеспечение контроля функционирования технических средств диагностической контактной термографии, Москва, Медицинская физика 2012 №1.

4. Блескин Б.И., Клюкин Л.М., Михеев С.В. «Использование контактной термографии для ранней экспресс-диагностики сахарного диабета 1-го типа и мониторинга его лечения», Москва, Медицинская техника 2010 №5, с.25-26.

5. Блинов Н.Н, Ларионов Ю.К., Михеев С.В., «Проблемы стандартизации и производства современного оборудования для лучевой диагностики», Москва, Медицинский алфавит. Радиология. 2011 №2.

6. Блескин Б.И., Михеев С.В., Степанищев В.М., Орлов Ю.Н., Иванов К.Е., Горбунов Н.С., Трушкин Н.С., Хлестаков Ю.А. «Особенности патогенеза наркозависимости в России. Роль инсулиновой системы. Способы, средства и устройства для реабилитационной терапии», ФГУ «ВНИИИМТ», НИЯУ МИФИ, Москва 2011, УДК615.47; 615.22, 615.252.349.7.

По теме диссертации поданы следующие заявки на патенты:

- «Диагностический способ и устройство для определения влияния воздействия различных исследуемых факторов на состояние здоровья человека по состоянию плотности тканей» (Заявка в Федеральную службу интеллектуальной собственности от 06.04.2010 г. Входящий №018305, Регистрационный №2010112979);

- «Способ ранней экспресс-диагностики сахарного диабета 1 типа» (Заявка в Федеральную службу интеллектуальной собственности от 24.02.2010 г., Входящий №008459, Регистрационный №2010105951);

- «Способ ранней экспресс-диагностики шизофрении» (Заявка в Федеральную службу интеллектуальной собственности от 09.12.2011 г., Входящий №075092, Регистрационный №2011150008).