авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Методы тепловизионного анализа пространственно-временной динамики температуры тела человека и их использование в диагностике

На правах рукописи

САГАЙДАЧНЫЙ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОДЫ ТЕПЛОВИЗИОННОГО АНАЛИЗА

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ

ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА И ИХ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДИАГНОСТИКЕ

03.01.02 «Биофизика»

01.02.08 «Биомеханика»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» на кафедре медицинской физики и кафедре физики твердого тела Научные руководители:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Усанов Дмитрий Александрович доктор физико-математических наук, профессор Скрипаль Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ульянов Сергей Сергеевич (ГОУ ВПО «Саратов ский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского») доктор медицинских наук, профессор Бугаева Ирина Олеговна (ГОУ ВПО «Саратов ский ГМУ им. В.И. Разумовского Росздрава»)

Ведущая организация:

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (ИБФРМ РАН), г. Саратов.

Защита диссертации состоится 10 декабря 2010 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.243.05 по специальности 03.01.02 – биофизика, по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ им. Н.Г. Чернышевского (г. Саратов, ул. Университетская д. 42) Автореферат разослан"8" ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Дербов В.Л.

д.ф.-м.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время тепловизионные методы исследования находят широкое применение при изучении биофизических явлений в сложных системах. Тело человека является примером такой системы и относится к открытой неравновесной термодинамической системе. Находясь в посто янном взаимодействии с окружающей средой, изменяющей свою темпера туру, влажность и другие параметры, тело человека поддерживает посто янную температуру центральной области тела за счет изменения темпера туры периферических областей [1]. Таким образом, открытые перифериче ские участки тела характеризуются повышенной динамикой температуры.

При реализации физической терморегуляции проявляются такие биофизи ческие явления как изменение объема и скорости движения крови в по верхностных сосудах, выделение и испарение жидкости с поверхности ко жи, и поверхности глаз. Указанные процессы приводят к температурным изменениям на поверхности тела, которые с помощью современных тепло визионных методов могут быть не только визуализированы, но и охарак теризованы количественно.

Современное динамическое тепловидение является высокотехноло гичным методом получения функциональной информации о биообъекте, который позволяет регистрировать распределение температуры с разреше нием до 0,001°С, пространственным разрешением до 30 мкм и скоростью съемки до 1000 кадров/с [2]. С использованием методов статического теп ловидения детально описаны особенности термограмм при наличии раз личных стадий рака молочной железы и патологий вен нижних конечно стей [3, 4]. Однако, в данных областях тела человека при нормальных ус ловиях не обнаруживается значительной динамики температуры. Возмож ности современного динамического тепловидения раскрываются наиболее полно при анализе зон поверхности тела человека, отличающихся ярко выраженными колебаниями температуры. К таким зонам, малоизученным с позиции динамики температуры, можно отнести кисти рук, активно уча ствующие в физической терморегуляции и зону глаз, непосредственно контактирующую с окружающей средой.

Остается открытым вопрос о причинах температурных изменений и роли сосудистых реакций, а так же биологических жидкостей, таких как кровь и слеза, в установлении температурного режима верхних конечно стей в нормальных условиях и при наличии внешнего механического воз действия, приводящего, например, к частичной или полной остановке движения крови. Для объяснения возникающих при этом температурных эффектов могут применяться гидродинамические модели, рассматриваю щие распространение объемов жидкости с различными температурами.

На поверхности тела человека проявляются не только временное из менение, но и пространственное перераспределение значений температур.

В настоящее время количественный анализ динамических термограмм, отображающих изменение пространственной неоднородности распределе ния температуры, в большинстве случаев проводится с помощью матема тических методов, учитывающих статистику значений температур, но не пространственные координаты и взаимное расположение изотермических точек. Использование количественной меры неоднородности пространст венного распределения температуры позволило бы описать, например, особенности динамики распределения слезной пленки на поверхности глазного яблока или характеристики пятнистого распределения темпера туры кожи при обильном потоотделении.

В практическом отношении детальное изучение пространственно временных температурных эффектов, проявляющихся под воздействием нагрузочных факторов, позволит определить параметры динамики темпе ратуры, соответствующие нормальному функционированию сосудистой регуляции тока крови, выделению и испарению слезной и потовой жидко стей. Отклонение параметров динамики от нормы позволит проводить ди агностику патологий вегетативной регуляции кровотока, нарушений слез ной гидродинамики и потоотделения.

В связи с вышесказанным совершенствование и новые применения тепловизионных методов анализа пространственно-временной динамики температуры являются актуальными как для биофизики, так и для решения различного рода практических задач медицинской диагностики.

Цель диссертационной работы: разработка новых тепловизионных мето дов, основанных на количественном анализе пространственно-временной динамики температуры поверхности тела человека при нормальных усло виях и при внешнем нагрузочном воздействии, а также поиск диагности ческих применений данных методов.

Задачи исследования:

Выделить и описать области поверхности тела человека с ярко вы 1.

раженной пространственно-временной динамикой температуры.

Исследовать динамику температуры в этих областях в состоянии по 2.

коя, установить основные причины изменения температуры.

Разработать модели, описывающие температурную реакцию иссле 3.

дуемых областей на изменение режима циркуляции биологических жидко стей, ввести параметры, характеризующие временную динамику темпера туры.

Предложить метод количественной оценки пространственно 4.

временной неоднородности температуры исследуемых областей, опреде лить сферы практического применения результатов пространственно временного анализа.

Апробировать методы диагностики, использующие разработанные 5.

модели температурной динамики.

Научная новизна Предложена модель, описывающая вид временных зависимостей температуры дистальных фаланг кисти при кратковременной остановке кровотока в области плеча (при создании окклюзии).

Показано, что во время полной остановки естественного кровотока в плечевой артерии ниже манжеты, сдавливающей плечо, происходит не только пассивное остывание конечности, но и медленное вытеснение объ емов крови из сужающихся артерий в вены, что оказывает существенное влияние на динамику температуры.

Приведена модель динамики температуры на поверхности глазного яблока, учитывающая процесс моргания. На основе данной модели уста новлено существенное влияние распределения и испарения слезы на тем пературные параметры поверхности глазного яблока.

Предложен метод оценки неоднородности пространственного рас пределения температуры на поверхности объекта, основанный на построе нии кратчайшего незамкнутого пути. Возможности метода продемонстри рованы на примере анализа неоднородности распределения температуры поверхности глазного яблока во время моргания и поверхности торса во время физической нагрузки.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации Достоверность количественных результатов диссертации подтвер ждается использованием для температурных измерений тепловизора ThermaCAM SC3000, имеющего сертификат калибровки, выданный пред приятием изготовителем FLIR Systems, Швеция. Для измерения темпера туры учитывался коэффициент излучения кожи =0.97, соответствующий характеристикам кожи в диапазоне 8-9 мкм и являющийся одинаковым для лиц мужского и женского пола, темно- и светлокожих людей. Обработка термограмм выполнялось с помощью профессионального программного обеспечения ThermaCAM Researcher Pro 2.8.

При проведении измерений предпринимались меры по обеспечению нормальных условий окружающей среды.

Взаимосвязь температуры с различными сосудистыми реакциями ус танавливалась с использованием стандартных методов измерения характе ристик гемодинамики: фотоплетизмографии, ультразвуковой допплеро графии и импедансной реографии.

Выводы о применимости разработанных тестов в области функцио нальной диагностики основываются на анализе групповых измерений с численностью групп от 15 до 95 человек.

Практическая значимость Динамическая модель, описывающая вид временных зависимостей температуры дистальных фаланг кисти во время кратковременной оста новки естественного кровотока в области плеча, может быть использована для разработки методов диагностики нарушений регуляции кровотока в периферических сосудах. Основным преимуществом таких методов явля ется, контроль состояния конечности при отсутствии пульсирующего кро вотока, малое время их проведения и аппаратурная простота измерений.

Использование температурных методов тестирования состояния сердечно сосудистой системы позволяет дополнить стандартную процедуру измере ния артериального давления по методу Короткова информацией о регуля ции периферического кровотока.

Установленные закономерности изменения температуры во время проведения пробы с остановкой кровотока (окклюзионной пробы) могут быть использованы для расширения знаний о реакции организма на крат ковременное состояние ишемии и особенностях развития постокклюзион ной гиперемии.

На основе предложенной модели динамики температуры поверхно сти глазного яблока могут разрабатываться методы температурного кон троля состояния глаз, учитывающие влияние на результаты измерений процессов распределения и испарения слезы.

Предложенный метод количественной оценки неоднородности рас пределения температуры на термограммах, реализуемый с помощью по строения кратчайшего незамкнутого пути, может быть использован для исследования характеристик пятнисто-сетчатого рисунка, появляющегося на поверхности тела человека во время физических и термических нагру зок. Измерение динамики пространственного распределения температуры на поверхности глазного яблока может применяться для диагностики па тологий глаз, связанных с нарушением однородности поверхностного рас пределения слезы.

Положения, выносимые на защиту:

1. В начальный период искусственно созданной остановки кровотока в области плеча (плечевой окклюзии) в предплечье происходит одновре менное увеличение температуры в области вен и уменьшение темпера туры в области артерий, обусловленные преимущественно увеличением диаметра вен, уменьшением диаметра артерий и перераспределением температуры от более нагретых участков к менее нагретым.

2. Скорость изменения температуры дистальных фаланг кисти во время кратковременной, искусственно созданной остановки кровотока в об ласти плеча определяется преимущественно уменьшением сосудистого просвета артерий и закрытием капилляров фаланг кисти, что является реакцией на снижение артериального давления на участке ниже области сдавливания, после восстановления кровотока – определяется преиму щественно увеличением сосудистого просвета артерий в ответ на по ступление дополнительного объема крови в артерии, суженные во вре мя отсутствия кровотока.

3. Динамика температуры поверхности глаз определяется процессом ис парения слезы в состоянии открытого века и нагревом поверхности в состоянии закрытого века. В связи с этим состояние роговицы в наи большей степени характеризуется температурой, измеряемой в момент времени непосредственно перед рефлекторным закрытием века при моргании, когда уменьшение толщины слезной пленки максимально.

4. Динамика пространственной неоднородности распределения темпера туры биообъекта может быть описана изменением длины кратчайшего незамкнутого пути, объединяющего изотермические точки термограм мы данного биообъекта.

На защиту также выносятся способы, на которые получены положи тельные решения о выдаче патента.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докла дывались на следующих конференциях:

1. Всероссийская научная школа-семинар «Методы компьютерной диагно стики в биологии и медицине – 2008», 3-5 июля 2008 г., Саратов, Россия.

2. Всероссийская научная школа-семинар «Методы компьютерной диагно стики в биологии и медицине – 2009», 1-3 июля 2009 г., Саратов, Россия.

3. «13-я международная конференция молодежной научной школы по оп тике, лазерной физике и биофотонике SFM 2009», 21-24 сентября 2009 г., Саратов, Россия.

4. «Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследова ний, изобретений, и инноваций», 27-28 октября 2009 г. Саратов, Россия.

5. III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Меди цинская физика – 2010», 21-25 июня 2010 г., Москва, Россия.

6. 49th Annual Meeting of the European Society for Pediatric Endocrinology (ESPE), September 22-25, 2010, Prague, Czech Republic.

Материалы диссертационной работы использовались при выполнении договорных НИР в ГОУ ВПО СГУ им. Н.Г. Чернышевского аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала выс шей школы (2009-2010 годы, тема «Разработка научно-методического обеспечения скрининг - диагностики функционального состояния обу чающихся для выявления опасности развития коллапсоидальных осложне ний на основе специализированных аппаратно-программных комплек сов»).

Экспериментальные исследования выполнялись совместно с кафед рами ГОУ ВПО «Саратовского государственного медицинского универси тета им. В.И. Разумовского Росздрава»: кафедрой факультетской педиат рии, кафедрой пропедевтики детских болезней, детской эндокринологии и диабетологиии, кафедрой глазных болезней.

По результатам исследований, выполненных при работе над диссер тацией, опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в журналах из спи ска изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно-методическое пособие, тезисы 8 докладов на всероссийских и международных конференциях.

Также получено 2 положительных решения о выдаче патента на изобрете ние.

Личный вклад автора состоит в:

- проведении критического анализа литературных данных по теме диссертации;

- выполнении экспериментальных работ, связанных с температурны ми измерениями;

- выявлении закономерностей, определяющих вид временных зависи мостей температуры дистальных фаланг во время окклюзии плечевой ар терии;

-разработке модели динамики температуры глаз с учетом процесса моргания;

-разработке алгоритма построения кратчайшего незамкнутого пути, программ обработки тепловизионных данных;

- сопоставлении температурных данных с результатами измерений методами фотоплетизмографии, допплерографии и реографии;

-анализе полученных результатов и участии в формулировании науч ных положений.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет страниц машинописного текста, включая 40 рисунков, 1 таблицу, 1 прило жение. Список литературы содержит 108 наименований и изложен на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформу лирована цель диссертационной работы, определена новизна исследова ний, описана практическая значимость полученных результатов, приведе ны основные положения, выносимые на защиту, изложено краткое содер жание диссертации.

В первом разделе описаны зоны поверхности тела человека, отли чающиеся высокой информативностью температурных измерений, приве ден критический анализ современного состояния исследований темпера турной динамики верхних конечностей и области глаз, обосновано исполь зование тепловизионного метода для анализа пространственно-временной динамики температуры.

Во втором разделе приведены результаты исследований динамики температуры кистей верхних конечностей в состоянии покоя, изучены особенности температурной динамики конечностей, связанной с состояни ем ишемии и гиперемии во время проведения окклюзионной пробы.

В результате, с помощью обработки динамических термограмм кис тей, регистрируемых в течение интервалов времени длительностью 17 30 мин, проанализированы спектры колебаний температуры конечностей (рис. 1, а). Установлено, что спектры колебаний температуры содержат гармоники в диапазоне частот 0,003-0,006 Гц (период ~ 3 -5 мин).

Получены карты распределения амплитуд колебаний температуры кистей с помощью вычисления в каждой точке термограммы средней мощности спектра в полосе 0.001 - 0.01 Гц методом быстрого преобразо вания Фурье (рис. 1, б).

Амплитуда, отн. ед.

Частота, Гц (а) (б) Рис. 1. Иллюстрация спектрального анализа термограмм, а– спектр колебаний температуры в точке пальца, отмеченной знаком “+”, б –карта распределения колебаний температуры Для здорового испытуемого карта колебаний температуры (рис. 1, б) показывает симметричное распределение амплитуды для левой и правой кистей, пространственное распределение колебаний демонстрирует мак симальную амплитуду в области дистальных фаланг пальцев и постепенно уменьшающиеся значения амплитуды в проксимальном направлении. В связи с этим при разработке методов диагностики, основанных на регист рации динамики температуры кистей, целесообразно проводить измерения именно на дистальных фалангах пальцев.

Изучены особенности нормальной температурной реакции кистей рук на окклюзионную пробу (рис. 2), заключающуюся во временном пережа тии плеча манжетой (создании окклюзии). При этом происходит наруше ние кровоснабжения конечности, что провоцирует возникновение сосуди стых реакций, изменение параметров кровотока и соответствующие тем пературные изменения на поверхности кожи.

Окклюзионная проба выполнялась при полном пережатии артерий и вен манжетой с давлением выше систолического (около 160 мм.рт.ст.), длительность предокклюзионного периода составляла 30-180 с, окклюзи онного – 120 с, постокклюзионого – 120-180 с.

Рис. 2. Параметры временной зависимости температуры фаланг пальцев при проведении окклюзионной пробы. На графи ке снизу обозначено изменение давления манжеты в периоды: 1 – предокклюзионный, 2 – окклюзионный, 3- постокклюзионный Для количественной оценки динамики температуры использовались значения исходного уровня температуры фаланг в предокклюзионный пе риод, минимальной температуры в период окклюзии, и максимальной температуры в постокклюзионный период, а также разности этих темпера тур, вычислялись скорости изменения температуры VT в различные перио ды проведения окклюзионной пробы (рис. 2).

В предокклюзионный период измерялась температура, характерная для состояния покоя, при нагнетании воздуха в манжету и полном пережа тии плеча, наступало состояние ишемии, после снятия манжеты к тканям поступал новый объем крови с температурой около 37°С, что в норме про воцировало развитие состояния гиперемии с открытием большого числа резервных капилляров, избыточным заполнением тканей кровью и повы шением температуры конечности выше исходной.

Таким образом, окклюзионная проба представляет собой последова тельную смену физиологических состояний покоя, ишемии и гиперемии. В отличие от таких методов функциональной диагностики как спектральная ультразвуковая допплерография, импедансная реография, сфигмография и фотоплетизмография температурные измерения позволяют проводить не прерывный мониторинг состояния конечности в течение всей пробы, даже в отсутствие пульсирующего характера кровотока. По сравнению со мно гими методами функциональной диагностики преимуществом тепловизи онных измерений температурной динамики конечностей является их бес контактность, пренебрежимо малая тепловая инерционность датчика, воз можность измерения в граду сах - единицах, имеющих чет кий физический смысл, и по зволяющих проводить объек тивное сравнение параметров между различными испытуе мыми.

Одновременные измере ния колебаний пульсового кровенаполнения методом фо топлетизмографии и темпера туры фаланг пальцев во время окклюзионной пробы показали согласованное изменение объ Рис. 3. Динамика температуры в емного кровенаполнения фа области предплечья. ланг пальцев и температуры, – температура кожи между артерией и веной, изменение температуры про --- температура кожи в зоне проекции артерии, исходит с задержкой 20-30с., -·- температура кожи в зоне проекции вены что обусловлено инерционно стью передачи тепла от крови к поверхности кожи. Таким образом, во время проведения окклюзионной пробы изменение объемного кровотока является главной причиной изменения температуры на поверхности кожи.

Температурные процессы во время кратковременной остановки кровотока Во время окклюзии динамические температурные процессы могут наблюдаться не только в области фаланг пальцев, но и в области проекции вен и артерий на поверхность кожи (см. рис. 3). На приведенных зависи мостях видно, что до окклюзии температура артерий предплечья выше температуры окружающих тканей, температура вен ниже температуры ок ружающих тканей, так как кровь возвращается из дистальных отделов ко нечности.

Во время окклюзии температура артерий снижается, температура вен растет. Это может происходить вследствие отдачи тепла артерий к окружающим тканям, а тепла окружающих тканей - к венам. Другой причиной изменения температуры во время окклюзии может быть изменение кровенаполнения артерий и вен во время окклюзии.

Ультразвуковые измерения во время окклюзионной пробы показали, что ниже манжеты во время окклюзии происходит уменьшение диаметра ар терий и увеличение диаметра вен. Зарегистрировано также увеличение сопро тивления дистальных фаланг пальцев переменному току, что является показа телем постепенного уменьшения кровенаполнения тканей фаланг.

Рис. 4. Распределение средней скорости остыва ния фаланг пальцев по мере возрастания исходной тем пературы при проведении окклюзионной пробы для пациентов Это доказывает, что во время окклюзии в конечности ниже манжеты протекают медленные гемодинамические явления, заключающиеся в за крытии капилляров фаланг пальцев, уменьшении диаметра артерий, уве личении диаметра вен. Во время окклюзии перечисленные процессы спо собствуют увеличению температуры кожи в зоне проекций вен и умень шению – в зоне проекций артерии.

На группе из 95 человек проанализировано соответствие процесса остыва ния фаланг пальцев закону остывания Ньютона, в соответствии с которым скорость остывания тела пропорциональна разности температур окру жающей среды и данного тела.

Закон остывания описывается следующим выражением:

(1) dT (t ) = k (T (t ) Tсреды ), dt где Tсреды - постоянная температура окружающей среды, коэффициент hS, где h- коэффициент теплоотдачи [Дж/(с м2К)], S – площадь анали k= cm зируемой поверхности [м2], с – удельная теплоемкость тела [Дж/(К кг)], m- масса охлаждаемого объема тела [кг].

Решение уравнения (1) может быть записано в следующем виде:

Tтела(t) = Tсреды + (Tтела Tсреды ) e kt, (2) где Tтела - температура тела в начальный момент времени.

Температура более горячего тела с течением времени экспоненци ально приближается к температуре окружающей среды. В соответствии с законом (1) скорость остывания фаланг пальцев должна быть пропорцио нальна разности температур между фалангами пальцев и окружающей средой. По условиям эксперимента Tсреды = const, поэтому скорость остыва ния должна зависеть только от начальной температуры фаланг.

Анализ распределения скоростей остывания фаланг (рис. 4) для испы туемых с различной исходной температурой фаланг показал наличие тен денции к увеличению скорости остывания при увеличении исходной тем пературы, что согласуется с законом остывания тел Ньютона. Большинст во значений скоростей сосредоточено в диапазоне 0.07-0.2 °С/с. Разброс значений скоростей относительно линейной зависимости можно объяснить индивидуальной сосудистой реакцией на окклюзию. Данная реакция при водит к зарегистрированному уменьшению наполнения тканей кровью, что уменьшает теплоемкость и ускоряет процесс остывания.

В результате показано, что во время окклюзии происходят медлен ные гемодинамические явления, вследствие индивидуальных сосудистых реакций. Эти реакции уменьшают кровенаполнение дистальных фаланг пальцев и вносят дополнительный вклад в процесс их остывания. Таким образом, во время периода окклюзии индивидуальность сосудистых реак ций проявляется в различной скорости остывания фаланг пальцев, что по зволяет использовать скорость остывания пальцев в качестве дополни тельного диагностического параметра.

Температурные процессы после восстановления кровотока В постокклюзионный период после открытия кровотока постепенно наступает состояние гиперемии, в основном, вследствие повышенного ме ханического воздействия пульсирующего кровотока на суженную стенку артериальных сосудов. Воздействие осуществляется в поперечном и в продольном направлениях, данное воздействие стимулирует расширение сосудов, повышение кровенаполнения крупных артерий и микроциркуля торного русла. Описанные процессы приводят к резкому повышению тем пературы пальцев кисти в постокклюзионный период (см. рис. 2). По мере расширения сосудов оказывается всё меньшее механическое воздействие на стенку сосуда, одновременно снижается активность выработки веществ - дилататоров, нормализуется величина сосудистого просвета. Монотонное возрастание объемного кровотока и температуры во время гиперемии сме няется появлением колебаний температуры фаланг пальцев.

Рассмотрение особенностей температурных процессов верхних ко нечностей в покое и во время проведения окклюзионной пробы для нор мальных испытуемых позволило провести исследование и интерпретацию реакции на окклюзию у пациентов с возможным нарушением регуляции тонуса сосудов.

Исследование реакции на прерывание и восстановление естественно го кровотока у пациентов с нарушениями регуляции тонуса сосудов Проведены исследования группы из 15 пациентов с нарушениями ве гетативной регуляции тонуса сосудов, сочетающейся с недифференциро ванной дисплазией соединительной ткани (НДСТ). Зависимости темпера туры от времени теста анализировались с использованием ранее введен ных параметров динамики температуры. Результаты исследований приве дены в таблице.

В случае сосудистых нарушений данные таблицы показывают сни женный уровень исходной, минимальной и максимальной температур (па раметры Тисх, Тmin, Тmax) по сравнению с контролем. Также снижена сред няя скорость изменения температуры в постокклюзионный период (пара метр V2) и динамика температуры в окклюзионный и постокклюзионный периоды (параметры T1,2, T2,3), значение максимальной температуры в постокклюзионный период ниже исходной температуры (параметр T1,3).

Таблица Параметры зависимостей температуры от времени проведения окклюзион ной пробы Тисх,°С Тmin,°С Тmax,°С T1,°C T2,°C T3, °C V2,°C/с Контрольная группа 32,49±2,42 30,92±2,58 34,38±1,36 1,57±0,49 3,46±1,66 1,9±1,42 0,056±0, (n=10) Пациенты с НДСТ 27,47±3,54 26,32±3,02 27,06±3,32 1,14±0,8 0,73±0,88 -0,4±0,88 0,02±0, (n=15) В таблице представлены средние значения ± среднеквадратичное от клонение. Здесь T1 = Tисх - Tmin, T2 = Tmax - Tmin, T3 = Tmax - Tисх, V2,3 = (T3 - T2)/t 2,3.

Анализ температурной динамики у пациентов с сахарным диабетом показал наличие корреляции скорости возрастания температуры после снятия окклюзии со степенью выраженности периферической сенсомотор ной нейропатии. С увеличением степени нейропатии наблюдалось сниже ние скорости возрастания температуры V2.

Таким образом, на основе результатов исследований температурной динамики конечностей во время проведения окклюзионной пробы был разработан и апробирован способ диагностики функционального состоя ния периферических сосудов.

В третьем разделе приведена модель динамики температуры по верхности глазного яблока с учетом процесса моргания.

Предварительно для изучения особенностей температурной динами ки во время открытия и закрытия век строились зависимости средней тем пературы области роговицы от времени проведения теста с опусканием подниманием век в случае отсутствия глазных болезней (рис. 5). На зави симости температуры от времени (рис.5) выделялось несколько характер ных временных интервалов. В начальный интервал времени (интервал А) измерялся исходный уровень температуры роговицы. Затем глаза закрыва лись веком и регистрировалась температура век в течение интервалов Б и В. Интервал Б соответствует времени стабилизации температуры века. В конце интервала В глаза снова открывались и регистрировался процесс восстановления температуры до исходного уровня в интервалах Г, Д. Из менение температуры в течение интервала Г связано со стабилизацией распределения слезы по поверхности роговицы, интервал Д определяет время восстановления температуры до исходного уровня.

Температура в начале интервала Б определяет температуру поверх ности века. При выполнении условия выравнивания температур глазного яблока и века (интервал В) температура в начале интервала Г соответству ет температуре конъюнктивы века.

Рис. 5. Зависимость средней температуры в об ласти глаза от времени теста для человека без глазных патологий Дополнительный вклад в значение измеряемой температуры дают процессы распределения и испарения слезы во время моргания, которые приводят к изменению температуры роговицы. Поэтому для повышения точности и надежности контроля температуры необходимо осуществлять динамическую тепловизионную съемку полного акта мигания и измерять температуру склеры или роговицы в конце акта мигания перед очередным закрытием века, в момент стабилизации температуры поверхности глазно го яблока. Процесс измерения температуры у группы пациентов проводил ся с учетом указанных особенностей.

Тепловизионные измерения группы пациентов проводились до опе рации, на 1 и 3 дни после операции по замене хрусталика интраокулярной оптической линзой. В послеоперационном периоде пациентам назначались антибактериальные, противовоспалительные глазные капли. Съемку осу ществляли в процессе проведения теста с опусканием – подниманием век.

Время регистрации начального уровня температуры открытых глаз состав ляло 30 с, время, в течение которого веко закрыто - 90 с, время наблюде ния после открытия век – 60 с. По данной зависимости определялась ис ходная температура в области роговицы, температура открытого, закрыто го века, а также температура конъюнктивы века.

Использование модели температурной динамики глаз с учетом про цесса моргания позволило разработать тепловизионный метод контроля эффективности медикаментозного воздействия на состояние глаз.

В четвертом разделе описаны особенности неоднородных термо грамм, предложен метод обработки динамических термограмм, предназна ченный для количественного описания пространственно-временного рас пределения температуры, приведены примеры обработки термограмм с описанием изменения пространственной неоднородности температуры с течением времени. Для оценки неоднородности распределения температу ры строился кратчайший незамкнутый путь (КНП) для интересующего диапазона температур. Этот путь соединяет линиями точки поверхности с близкими значениями температуры. С увеличением неоднородности про странственного распределения температуры точки с близкими температу рами будут распределяться по поверхности объекта, и длина кратчайшего незамкнутого пути будет возрастать.

Рис. 6 Построение КНП в области груди Таким образом, изменение длины КНП может быть связано с изме нением неоднородности пространственного распределения температуры.

На рис. 6 представлено построение КНП в области груди для человека, проходившего тренировку на велотренажере. На рисунке темные области соединены линиями, составляющими кратчайший незамкнутый путь.

Среднее межпиксельное расстояние Lm, характеризующее простран ственную неоднородность распределения температуры, определялось сле дующим образом:

N m 1 (3) Lm = l min m N m i i =1, (4) l min im = ( X i x) 2 + (Yi y ), m где m – номер класса, m=1..M;

N – кол-во точек в классе m;

l min im i-ое минимальное расстояние в классе m;

Xi, Yi – координаты i – й точки ближайшей к точке c координатами x, y. Для представления длины КНП в диапазоне от 0 до 1 значения Lm нормировались к максимальному меж пиксельному расстоянию выделенной зоны l max = H 2 + W 2, где H – высота, W – ширина зоны термограммы.

Расчет введенной характеристики неоднородности пространственно го распределения температуры Lm позволяет проследить временную дина мику температуры на поверхности объекта. На рис. 7, а приведена диа грамма длин КНП в зависимости от диапазонов температур для начала и конца тренировки. В конце тренировки диаграмма показывает увеличение неоднородности пространственного распределения для точек с низкой температурой, расширение и смещение диапазона температур в сторону низких температур. Данные процессы во время тренировки соответствуют нормальной терморегуляции и охлаждению поверхности тела за счет по тоотделения на поверхности кожи. Сумма длин КНП для всех поддиапазо нов температур (интеграл КНП) может характеризовать общее изменение (а) (б) Рис. 7. Построение КНП. а- диаграмма длин КНП, б- изменение интеграла КНП во время трени ровки на велотренажере неоднородности поверхностного распределения температуры. На рис. 7, б приведена зависимость интеграла КНП от времени тренировки. Возраста ние интеграла КНП соответствует увеличению неоднородности распреде ления температуры на приведенных термограммах.

Аналогично оценивалось изменение неоднородности распределения температуры на поверхности глазного яблока во время акта моргания (рис.8), при этом слезная динамика определяет изменение неоднородности температуры поверхности глазного яблока.

В результате информация о кратчайшем незамкнутом пути позволяет исследовать пространственно-временные изменения температуры, инте грально характеризовать степень неоднородности термограмм различных участков тела человека и других объектов с неоднородным распределени ем температуры поверхности.

Кадр 1 Кадр 2 Кадр 3 Кадр 4 Кадр (а) 2, 2, 2, Интергал КНП 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1 2 3 4 Номер кадра (б) Рис. 8. Подсчет КНП для термограммы глаз. а- изменение вида термограмм глаз после открытия века, б – изменение интеграла КНП от кадра к кадру В заключении приведены основные результаты диссертационной ра боты.

Основные выводы и результаты:

• Использование динамической модели, описывающей вид временных зависимостей температуры дистальных фаланг кисти при создании окклю зии плечевой артерии, позволяет выявлять нарушения регуляции кровото ка в периферических сосудах.

• Уменьшение температуры кисти во время полной окклюзии плечевой артерии происходит не только за счет остывания конечности, но и за счет медленного вытеснения объемов крови из сужающихся артерий в вены. В отличие от многих других методов контроля состояния конечности во время окклюзионной пробы, контролируя температуру, можно получить информацию о протекании сосудистых реакций в периферических сосудах не только до и после, но и во время окклюзии, когда пульсирующий кро воток отсутствует.

• Анализ процесса остывания пальцев кисти во время полной окклюзии показал наличие тенденции к увеличению скорости остывания при увели чении исходной температуры, что согласуется с законом остывания тел Ньютона. Разброс результатов относительно линейной зависимости объяс няется индивидуальным для каждого испытуемого изменением кровена полнения и теплоемкости тканей в течение периода окклюзии.

• Анализируя температуру поверхности глазного яблока, необходимо ис пользовать модель, учитывающую процесс моргания, который оказывает существенное влияние на динамику температуры глаз. Измерение динами ки температуры глаз во время моргания дает возможность для выявления патологий глаз, изменяющих нормальную температуру роговицы, темпе ратуру поверхности и конъюнктивы века, динамику выделения слезы.

• Длина кратчайшего незамкнутого пути (КНП), соединяющего изотер мические точки термограммы, дает количественную оценку пространст венно-временного распределения температуры поверхности во всем диа пазоне температур биообъекта и позволяет исследовать распределение температуры одновременно в нескольких температурных диапазонах.

Анализ поверхности глазного яблока во время моргания и поверхности торса во время физической нагрузки на велотренажере показал, что сум марная длина КНП возрастает при увеличении неоднородности термо грамм исследуемых объектов.

Список опубликованных работ по теме диссертации *- журналы из списка ВАК РФ.

Статьи * Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, А.А. Протопопов, А.А. Сагайдачный, 1.

А.П. Рытик, Е.В. Мирошниченко. Оценка функционального состояния кровеносных сосудов по анализу температурной реакции на окклюзион ную пробу // Саратовский научно-медицинский журнал. 2009. № 4. С. – 558.

2.* Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Т.Г. Каменских, Е.С. Сумарокова, А.А. Сагайдачный, Н.Р. Лопатинская. Тепловизионный контроль состоя ния глаз у больных после факоэмульсификации катаракты // Биомедицин ская радиоэлектроника. 2010. №1. С. 8-12.

Т.Г. Каменских, Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Е.С. Сумарокова, 3.

В.А. Галанжа, А.А. Сагайдачный, Н.Р. Лопатинская. Тепловизионное ис следование в изучении влияния препарата Офтаквикс на течение после операционного периода факоэмульсификации катаракты //РМЖ. Клиниче ская офтальмология. 2009. Том 10. №3. С. 104-107.

Учебно-методическое пособие Тепловизионная биомедицинская диагностика. Скрипаль А.В., 4.

Сагайдачный А.А., Усанов Д.А. Изд-во Сарат. ун - та. 2009. 118 с.

Тезисы докладов на конференциях 5. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Протопопов А.А., Сагайдачный А.А., Ры тик А.П., Мирошниченко Е.В. Тепловизионная диагностика тонического состояния артериальных сосудов // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2008: Материалы ежегод. Всерос. науч. школы семинара / Под ред. проф. Д.А.Усанова. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2008. С. 24-26.

6. Скрипаль А.В., Сагайдачный А.А., Фомин А.В., Усанов Д.А. Метод оценки пространственной неоднородности распределения температуры// Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2009: Материалы ежегод. Всерос. науч. школы-семинара / Под ред. проф. Д.А.Усанова. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 161 – 165.

7. Усанов Д.А., Скрипаль А.В, Каменских Т.Г., Сумарокова Е.С., Сагайдач ный А.А., Лопатинская Н.Р. Тепловизионный контроль состояния глаз у больных после факоэмульсификации катаракты// Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2009: Материалы ежегод. Всерос.

науч. школы-семинара / Под ред. проф. Д.А.Усанова. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 49 – 52.

8. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Сагайдачный А.А. Тепловизионный анализ ва риабельности температуры конечностей в состоянии покоя и в процессе проведения окклюзионной пробы // Проблемы оптической физики и био фотоники: мат. 13-й междунар. конф. молодежн. научн. школы по оптике, лазерной физике и биофотонике. – Саратов: Изд - во «Новый ветер», 2009.

9. Сагайдачный А.А. Функциональная тепловизионная диагностика регуля торной функции периферических сосудов // Всерос. мол. Выставка кон курс прикладных исследований, изобретений, и инноваций. – Саратов:

Изд-во Сарат. Ун-та, 2009. – 232 с.

10. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Сагайдачный А.А.. Динамика температуры ко нечностей во время проведения окклюзионной пробы// III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика – 2010», 21-25 июня 2010 г, Троицк, Россия. Т. 4. С. 129-131.

11. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Сагайдачный А.А., Фомин А.В. Спектральный анализ колебаний температуры конечностей тела человека // III Евразий ский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика – 2010», 21-25 июня 2010 г, Троицк, Россия, Т.3. С. 102-104.

12 Averyanov A., Skripal A., Tkacheva E., Sagaydachnyi A. Microcirculation reactivity in children with type 1 diabetes mellitus // 49th Annual Meeting of the European Society for pediatric Endocrinology (ESPE), September 22-25, 2010, Prague, Czech Republic. С. 177.

Положительные решения о выдаче патента • Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2009117567/14(024139) от 12.05.2009. Способ диагностики функцио нального состояния периферических сосудов. Авторы: Усанов Д.А., Скри паль А.В., Протопопов А.А., Сагайдачный А.А.

• Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2009132829/14(046083) от 31.08.2009. Способ контроля медикаментоз ного воздействия на состояние глаз. Авторы: Усанов. Д.А., Скрипаль А.В., Каменских Т.Г., Сагайдачный А.А., Лопатинская Н.Р.

Список цитированной литературы Покровский В.М., Коротько Г.Ф., Наточин Ю.В. и др. Физиология че 1.

ловека. М.: Медицина, 1997. 368 с.

Иваницкий, Г.Р. Современное матричное тепловидение в биомедици 2.

не // УФН. 2006. Т. 176, №12. С. 1293-1320.

3. Lawson R.N. Implications of surface temperatures in the diagnosis of breast cancer // Canad. Med. Assoc. J. 1956. Vol. 75. P. 309 –310.

Иваницкий Г.Р. Тепловидение в медицине // Вестник РАН. 2006. Т. 76, 4.

№1. C. 48-62.

Сагайдачный Андрей Александрович МЕТОДЫ ТЕПЛОВИЗИОННОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДИАГНОСТИКЕ

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.