Termografia

Elektroniczna aparatura medyczna
Termografia
1
Termografia (Termwizja)
Termografia - zajmuje się badaniem rozkładu temperatury na
danym obiekcie lub jego części.
Badania polegają na rejestrowaniu emitowanych fal
elektromagnetycznych przez ciała o temperaturze wyższej od zera
bezwzględnego.
Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem
podczerwonym lub promieniowaniem cieplnym.
Intensywność promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do
temperatury ciała, zatem mierząc promieniowanie podczerwone
wysyłane przez dane ciało mierzymy jego temperaturę.
2
Historia
W 1800 r. fizyk William Herschel umieścił termometr rtęciowy w
widmie optycznym uzyskanym z pryzmatu.
Eksperyment ten pozwolił mu zmierzyć ilość energii cieplnej
przenoszonej przez poszczególne kolory światła.
Okazało się, że termometr najbardziej rozgrzewa się, gdy znajdzie
się na nieoświetlonym polu poniżej czerwonego koloru.
Herschel doszedł do wniosku, iż istnieje niewidzialne dla oka
promieniowanie "podczerwone", które transmituje ciepło w postaci
niewidocznej fali świetlnej.
3
Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego
Promieniowanie elektromagnetyczne, którego długości fali zawierają
się w przedziale od 0,75 m do 1 mm nazwano promieniowaniem
podczerwonym.
4
Przyjęło się zakres podczerwieni dzielić na cztery podzakresy:
- bliska podczerwień l = 0.75 - 3m,
- pośrednia podczerwień l = 3 - 10 m,
- daleka podczerwień l = 10 - 30 m,
- bardzo daleka podczerwień l = 30 - 1000 m.
Promieniowanie podczerwone powstaje w wyniku ruchu
drgającego i obrotowego atomów i molekuł materiału. Z
Zatem każde ciało które ma temperaturę większą od zera
bezwzględnego jest źródłem promieniowania podczerwonego.
5
Każde ciało oprócz zdolności do emisji promieniowania może w
mniejszym lub większym stopniu absorbować, odbijać lub
przepuszczać promieniowanie podczerwone.
Emisja, absorpcja, odbicie i transmisja promieniowania zależą od
temperatury ciała i są różne dla różnych materiałów oraz zależą
od stopnia obróbki powierzchni materiału.
Punktem wyjścia dla termografii jest teoria promieniowania ciała
doskonale czarnego. Pojęcie to wprowadzono w celu
uniezależnienia wyników pomiarów od rodzaju materiału oraz od
jakości jego powierzchni (np. stopnia jej wypolerowania).
6
Ciałem doskonale czarnym nazwano ciało pochłaniające
całkowicie padające na jego powierzchnię promieniowanie,
niezależnie od długości fali, kąta padania i temperatury obiektu
promieniującego.
Jest to model idealny, w rzeczywistości nie istniejący.
Dobrym przybliżeniem ciała doskonale czarnego jest przestrzeń
kulista, której ścianki są nieprzezroczyste, rozpraszają
promieniowanie i znajdują się w jednakowej i niezmiennej
temperaturze.
Promieniowanie tego modelu jest tym bliższe teoretycznemu, im
mniejszy jest otwór w kuli, przez który promieniowanie jest
emitowane lub pochłaniane.
7
Prawo Plancka
C1
C2
1
W = 5 [exp( )  1]

T
gdzie:
Wλ
- moc promieniowania monochromatycznego
wypromieniowanego z jednostki powierzchni ciała we
wszystkich kierunkach w przedziale długości fal między λ
i λ+Δλ dla Δλ  0
C1 i C2 - stałe wynoszące odpowiednio 3,74 ×10-16 W×m2 i
1,438×10-2 m×K
λ - długość fali promieniowania [μm ]
T - temperatura [ K ]
8
Rozkład Plancka dla różnych temperatur. Moc promieniowana
przez ciało o powierzchni 1 m2 do pełnego kąta bryłowego.
9
Prawo przesunięć Wiena
Wraz z temperaturą rośnie moc promieniowania przy czym
maximum przesuwa się w kierunku fal krótszych:
λmax ×T = 2897 = const
10
Prawo Stefana - Boltzmana
opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale
czarne w danej temperaturze:
W =  T
4
gdzie:
W - moc promieniowania emitowanego z jednostki powierzchni
ciała doskonale czarnego we wszystkich kierunkach w
zakresie (0;) [ W/m2],
 - stała Stefana - Boltzmana
 = 5,67×10-8 W/m2×K4
11
Dla ciał rzeczywistych
Wszystkie ciała rzeczywiste mogą mieć własności co najwyżej
zbliżone do własności ciała doskonale czarnego:
gdzie:
W =    T
  0,1
4
co oznacza, że całkowita moc emitowana przez ciało szare w
stosunku do mocy emitowanej przez ciało doskonale czarne w tej
samej temperaturze jest mniejsza ɛ razy.
12
Wartość współczynnika emisyjności różnych materiałów
Temperatura [0C]

Aluminuim polerowane
50 - 100
0.04 - 0.06
Aluminium z chropowatą powierzchnią
20 - 50
0.06 - 0.07
Aluminium silnie utlenione
50 - 500
0.2 - 0.3
Azbestowa bibuła
40 - 400
0.93 - 0.95
Blacha cynkowa
50
0.20
Blacha ocynkowana błyszcząca
30
0.23
Blacha stalowa niklowana
20
0.11
Blacha stalowa walcowana
50
0.56
Brąz chropowaty
50 - 150
0.55
Brąz polerowany
50
0.1
Chrom polerowany
50
0.1
Cegła czerwona porowata
20
0.88 - 0.93
Gips
20
0.8 - 0.9
Materiał
13
Lakier emaliowany
20
0.85 - 0.95
Lód kryształ
-10
0.98
50 - 100
0.02
Miedź utleniona
50
0.6 - 0.7
Papier biały
20
0.7 - 0.9
Papier czarny matowy
20
0.94
20 - 400
0.95 - 0.97
Porcelana glazurowana
20
0.92
Srebro czyste polerowane
200
0.02
Warstwa wody na powierzchni metalowej
20
0.98
0 - 100
0.95 - 0.98
30
0.98 - 1.0
Miedź polerowana
Sadza
Woda (warstwa o grubości większej niż
0.1 mm)
Skóra ludzka
14
Detektor podczerwieni
Jest przetwornikiem energii promieniowania podczerwonego na inną
wielkość fizyczną np. prąd, napięcie, zmianę rezystancji lub
pojawienie się ładunku.
Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były
wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od – 70ºC
(rzadko,) do – 200ºC (najczęściej).
Detektory w kamerach termowizyjnych mogą też być pojedyncze,
linijkowe lub budowane w postaci matryc (FPA – Focal Plane Array)
, składających sic np. z 320 x 240 pojedynczych detektorów
(pikseli).
15
Dynamicznie rozwija się gałąź związana z detektorami
bolometrycznymi opartymi na matrycach FPA (Focal Plane
Array) gdzie materiałem sensora jest BST ( Barium Strontium
Titanate).
Zaletą tego typu matryc jest możliwość pracy w temperaturze
pokojowej, a zatem nie wymagają one skomplikowanych
układów chłodzenia do bardzo niskich temperatur (np. ciekłym
azotem)
Promieniowanie
Podłoże
detektora
Procesor
krzemowy
Matryca
detektorów
Matryca detektorów
Procesor Si
Warstwa aktywna
Słupek
indowy
16
Gotowy do pracy moduł kamery obserwacyjnej opartej na
matrycy FPA
17
Schemat zasady działania systemu termowizyjnego
1-badany obiekt, 2-obiektyw,
3- detektor termoczuły, 4-przetwornik analogowo-cyfrowy
5-jednostka nadrzędna, 6-monitor
18
Kamery termowizyjne Flir Systems energetyka,
przemysł, medycyna, budownictwo
http://www.kameratermowizyjna.com/kamery_termowizyjne_uniwersalne.html
19
20
Kamery Flir Systems idealnie współpracują z systemem iOS,
Android i na Amazon Kindle.
21
Kamery termowizyjne pomagają wykryć świńską grypę
Rosnąca wymiana międzynarodowa, migracja zarobkowa
zwiększyły ryzyko rozprzestrzeniania się chorób wirusowych.
„Obecnie Świat znów stoi w obliczu pandemii”.
Aby zmniejszyć niebezpieczeństwo rozprzestrzeniania się epidemii
wirusów, takich jak świńska grypa, SARS czy inne infekcje
wirusowe, publiczne służby zdrowia wdrażają, proste, bezstykowe,
nieinwazyjne i wiarygodne metody wykrywania podwyższonej
temperatury ciała ludzkiego.
22
Lotniska, szpitale, dworce, terminale,
itp. na całym świecie używają już
kamer termowizyjnych Flir Systems
do zbadania wszystkich osób
wchodzących i wychodzących z
placówek. Jest to szybka i
bezkontaktowa metoda, która jest
całkowicie bezpieczna zarówno dla
operatora kamery jak i osób
kontrolowanych.
Funkcja alarmu umiejscowiona w kamerze umożliwia
natychmiastową decyzję, czy człowiek wymaga dalszego badania:
wszystkie obszary, które są cieplejsze niż zadana wartość, mogą być
natychmiast wyświetlane na termogramie.
23
Zalety zastosowania kamer Flir Systems:
1. umożliwia kontrolę dużej liczby osób w dowolnym miejscu
i czasie,
2. podaje informacje o podwyższonej temperaturze w czasie
rzeczywistym,
3. uaktywnia kolor i dźwięk alarmu,
4. łatwe do skonfigurowania i użycia,
5. może być płynnie zintegrowany w przestrzeni publicznej
ze strumieniem ruchu pieszego,
6. rejestrują dane i je przechowują.
24
Gdzie można je wykorzystać?
1. Lotniska
2. Porty
3. Dworce kolejowe
4. Szpitale
5. Urzędy
6. Szkoły
7. Fabryki
8. Budynki handlowe
9. Sale Rozrywki
10 .Kluby
11. Miejsce konferencji
25
Zastosowania termowizji
Elektroenergetyka:
Podłączenie transformatora
Podłączenie przekładnika prądowego
Przekładniki prądowe
Listwa zaciskowa
26
Gazownictwo:
Nieszczelność podłączenia manometru
Podłączenie zaworu ręcznego
Energetyka cieplna:
Nieszczelność ogrzewania podłogowego
Uszkodzenia izolacji ciepłociągu
27
Budownictwo:
Budynek niedocieplony
Budynek docieplony
28
Wojsko:
Medycyna:
Ręczna Kamera Termowizyjna TKR-2
Ochrona obiekiektów:
29
Badanie kosmosu:
Mechanika:
Weterynaria:
Elektronika:
30
31
Kamera medyczna RS-TE-W
32
Kamery termowizyjne w walce z łuszczycą
Badania termowizyjne są w stanie uchwycić już początkowe etapy
łuszczycy. W miejscach powstawania wykwitów, pod skórą
następuje zwiększona cyrkulacja krwi, dzięki czemu są one
cieplejsze.
33
Termografia w kardiochirurgii
Termowizja daje możliwość oceny skuteczności kardioplegii,
uwidacznia upośledzoną drożność naczyń wieńcowych, daje
informacje o stopniu równomierności schładzania całego serca,
zarówno na powierzchni mostkowo-żebrowej jak i przeponowotylnej.
Obraz termowizyjny jest pomocny w odnalezieniu tętnic
wieńcowych do których mają być wykonane pomosty. Zwykle
tętnice są tuż pod nasierdziem przykryte tkanką tłuszczową. Gdy
tkanki tej jest więcej lub gdy tętnice przebiegają śródmięśniowo,
odnalezienie ich w tradycyjny (manualny) sposób staje się trudne.
Natomiast na obrazie termowizyjnym naczynia przewodzące zimny
płyn kardioplegiczny są doskonale widoczne. Badanie takie
bezpośrednio uzupełnia obraz koronarograficzny.
34
Zdjęcie serca:
Termogram:
35
Proces oziębiania serca:
Moment napływu ciepłej krwi do
naczyń wieńcowych poprzez
poprowadzony pomost z tętnicy
piersiowej wewnętrznej.
Serce doprowadzone do normalnej
temperatury 35-360C, podjęło
samoczynnie pracę elektryczną i
mechaniczną.
36
Kolejne fazy przywracania krążenia wieńcowego
Pierwsze 3 zdjęcia - sprawdzania przyszytego pomostu z tętnicy
piersiowej wewnętrznej do lewej tętnicy wieńcowej.
Kolejne 3 zdjęcia - proces odklemowania aorty i napływ ciepłej
krwi z krążenia pozaustrojowego do naczyń wieńcowych
37
Termografia jest również przydatna przy ocenie zmian
reumatycznych w ortopedii, w zwyrodnieniach kręgosłupa,
chorobie wibracyjnej i zapaleniach stawów.
Zapalenie nerwu - wyraźne podwyższenie temperatury prawej strony
38
W wykrywaniu zmian w naczyniach obwodowych w kończynach dolnych i górnych.
Obserwujemy różnice w rozkładzie temperatury związane z
zaburzeniami przepływu krwi.
Zapalenie żył, wyraźna
niesymetria.
Zmniejszony przepływ krwi w
palcach pomiędzy lewą a prawą
stroną prawej ręki.
39
Termowizja może stanowić uzupełnienie diagnostyczne do badań
rentgenowskich, USG i tomografii komputerowej, zwłaszcza w
razie trudności z wykryciem źródła bólu.
40
Termograficzna diagnostyka oparzeń
Budawa skóry
41
Pacjent 1 dzień po wypadku
5 dni po wypadku
przed złuszczeniem martwej skóry
42
Pacjent 2 dzień po wypadku
43