Підготувала викладач ___________________ Осадца О.М

Дисципліна: Основи біологічної фізики та медична апаратура

Тема лекції:

Теплове випромінювання біологічних об’єктів. Термографія.

Курс: 2

Спеціальність: 5.110102 “Сестринська справа”

Кількість навчальних годин: 2

Підготувала викладач ___________________ Осадца О.М.

Обговорено і затверджено на засіданні циклової комісії соціально-економічних дисциплін “____” _______________200__р., протокол № ___

Голова циклової комісії _________________ Т.О.Борисюк

Актуальність теми:

Тіло людини є джерелом інфрачервоного випромінювання. Інтенсивність цього випромінювання може слугувати діагностичним тестом для виявлення патологічних процесів в органах і тканинах. Теплове випромінювання використовують для отримання зображень приповерхневих судин, просві­чування м'яких біотканин, а також для аналізу розподілу температури по поверхні тіла.

Мета лекції:

Навчальна:

Описати механізм теплового випромінювання, його характеристики; назвати та пояснити основні види теплообміну організму з навколишнім середовищем; пояснити особливості теплового випромінювання тіла людини; описати температурну топографію тіла людина;розглянути суть інфрачервоного термографії та перспективність її використання в медицині; проінформувати про сучасні методи кріомедицини.

Розвиваюча: Розвивати в студентів увагу, уяву, пам'ять, логічне мислення, вміння аналізувати фізичні явища і величини сприяти розвитку вміння самостійно робити висновки та узагальнення

Виховна: Виховувати пізнавальний інтерес, науковий світогляд, спостережливість, дисциплінованість, любов до життя.

План лекції:

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

2. терморегуляція в живому організмі

3. ТЕМПЕРАТУРНА ТОПОГРАФІЯ ТІЛА ЛЮДИНИ

4. ІНФРАЧЕРВОНА ТЕРМОГРАФІЯ МІ

5. ІНФРАЧЕРВОНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЙОГО ВИКОРИСТАННЯ У МЕДИЦИНІ

Конспект лекції:

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Електромагнітне випромінювання тіла, зумов­лене збудженням його атомів і молекул внаслідок співударів під час їх теплового руху, називають тепловим або температурним. Воно властиве всім тілам, які мають температуру, вищу від абсолютного нуля.

Розглянемо кількісні характеристики тепло­вого випромінювання. Потік випромінювання з 1 м² поверхні називають енергетичною світністю R_e. У СІ вона вимірюється у Вт/м².

Енергетична світність, яка відповідає певному інтервалу довжин хвиль, пропорційна ширині цього інтервалу:

де r_λ — спектральна густина енергетичної світності тіла, що дорівнює відношенню енергетичної світності вузької ділянки спектра до ширини цієї ділянки (Вт/м³).

Повна енергетична світність тіла визначається за такою формулою:

Спектром випромінювання тіла називають залежність спектральної густини енергетичної світності від довжини хвилі.

Кожне тіло випромінює енергію і одночасно поглинає її від навколишніх тіл.

Здатність тіла поглинати енергію характеризу­ється коефіцієнтом поглинання, який дорівнює відношенню поглинутого тілом потоку випроміню­вання до падаючого потоку:

і назвати цю величину монохроматичним коефіці­єнтом поглинання.

Коефіцієнт поглинання може набувати значень від 0 до 1. Особливо добре поглинають випроміню­вання чорні тіла.

Тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці для усіх частот, називається абсолютно чорним тілом.

Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Ідеальною моделлю абсолютно чорного тіла є замкнена порожнина з невеликим отвором.

Промінь світла, потрапивши в порожнину, багаторазово відбивається від стінок, внаслідок чого інтенсивність випромінювання, яке виходить з порожнини, майже дорівнює нулеві. Тому вікна будинків з вулиці здаються чорними, хоча в кімнатах досить світло (відбивання світла від їхніх стін).

Поряд з поняттям абсолютно чорного тіла використовують поняття сірого тіла — такого тіла, коефіцієнт поглинання якого менший від одиниці і не залежить від довжини хвилі, а залежить від температури, матеріалу та стану поверхні тіла. Тіло людини вважають сірим тілом з коефіцієнтом поглинання α=0,9

Кірхгоф, спираючись на другий закон термоди­наміки та аналізуючи умови рівноважного випромінювання в ізольованій системі тіл, виявив кількісний зв'язок між спектральною густиною енергетичної світності та монохроматичним коефі­цієнтом поглинання тіл. Відношення спектральної густини енергетичної світності до монохроматич­ного коефіцієнта поглинання не залежить від природи тіла і є для усіх тіл універсальною функцією частоти (довжини хвилі) і температури (закон Кірхгофа):

де ε_λ - спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла.

Із закону Кірхгофа випливає, що спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла є універсальною функцією. Тому визначення залежності її від частоти та темпе­ратури є важливим завданням теорії теплового випромінювання. Й. Стефан та Л. Больцман частково виконали його, виявивши зв'язок між енергетичною світністю й температурою абсо­лютно чорного тіла. Згідно із законом Стефана-Больцмана енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його термодинамічної температури:

де σ — стала, яка дорівнює 5,67 10⁸ Вт/(м²К⁴).

Проте цей закон не пояснює спектрального складу випромінювання абсолютно чорного тіла Аналізуючи експериментальні криві залежності спектральної густини енергетичної світності від довжини хвилі за різних температур, можна зауважити нерівномірність у розподілі енергії. Усі криві мають максимум, який внаслідок зростання температури зміщується в бік коротких хвиль.

Рис. Криві залежності спектральної густини енергетичної світності від довжини хвилі за різних температур

У 1893р. Він, використовуючи закони термо- та електродинаміки, виявив залежність довжини хвилі λ_max, яка відповідає максимуму функції r_λ, від температури Т. Згідно із законом зміщення Віна

тобто довжина хвилі, що відповідає максимуму спектральної густини енергетичної світності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його термодинамічній температурі. Стала Віна b = 2,9*10^-3 м*К. Закони Стефана-Больцмана і Віна дають змогу, реєструючи випромінювання тіл, визначити їхні температури.

2. терморегуляція в живому організмі

Тіло людини має постійну температуру завдяки терморегуляції. Основою терморегуляції є тепло­обмін організму з навколишнім середовищем.

Теплообмін відбувається шляхом теплопровід­ності, конвекції, випаровування та випромінювання (поглинання) енергії тілом людини. Розподіл відданої енергії у названих вище процесах залежить від багатьох чинників: енергетичного обміну організму, середовища, одягу. Через малу тепло­провідність повітря теплообмін за рахунок теплопровідності незначний; 15...20% теплообміну людини здійснюється конвекцією. Випаровування відбувається з поверхні шкіри і легень, теплові втрати внаслідок цього становлять до 30%. Найбільше теплових втрат (50%) припадає на випромінювання з відкритих частин тіла та одягу. Основна частина цього випромінювання належить до інфрачервоного діапазону.

Максимум спектральної густини енергетичної світності, згідно зі законом Віна, припадає на довжину хвилі 9,5 мкм, якщо температура поверхні шкіри становить 32°С.

Енергетична світність великою мірою залежить від термодинамічної температури, тому навіть незначне підвищення температури поверхні тіла може зумовити таку зміну потужності випроміню­вання, яка фіксується приладами.

Довести це можна, використавши рівняння Стефана-Больцмана.

Продиференціюємо рівняння

Поділимо це рівняння на рівняння Стефана-Больцмана

Таким чином, відносна зміна енергетичної світності більша за відносну зміну температури в 4 рази.

Життя існує за температур досить вузького діапазону. Порівняно невелика кількість живих істот (ссавців) може підтримувати внутрішню температуру сталою. До таких істот належить також людина. У більшості людей у нормі температура (пахвинна) становить 36,6...36,8°С. Температура внутрішніх органів вища. Мак­симальною є температура печінки і нирок (38,0...39,0°С). Людина достатньо термостабільна, тому внаслідок підвищення температури навколишнього середовища на 10°С температура її тіла зростає лише приблизно на 0,2°С. Споживання кисню організмом людини під час підвищення температури тіла на кожний градус збільшується приблизно на 7%. Швидкість біохімічних реакцій в організмі зростає у 2 рази внаслідок підвищення температури на 10°С.

Теплота продукується в організмі в результаті хімічних процесів, зокрема окиснювальних. Окиснювальні процеси відбуваються в усіх клітинах тканин організму, але в одних тканинах ці процеси відбуваються інтенсивно (м'язи, печінка), а в інших — менш інтенсивно (хрящі, кістки, сухожилки). Температура середовища та тіла визначає інтенсивність хімічних процесів, що відбуваються в організмі.

Важливу роль у живому організмі відіграє його теплова адаптація. Під час охолодження тіла обмін речовин посилюється, енергія його зростає, вмикається механізм хімічної терморегуляції організму. Хімічні процеси в організмі є переважно екзотермічними. Температура визначає швидкість хімічних реакцій і водночас є одним із чинників, що контролюють ріст та метаболізм живого організму. Температура клітин з активним метаболізмом має бути вищою від температури навколишнього середовища.

Організм людини масою 70 кг за 24 год виробляє 2400 кілокалорій, що достатньо для того, щоб підвищити його температуру від 0 до 40°С. Проте температура тіла стала, що свідчить про постійну втрату теплоти.

В організмі людини регулювання температури за рахунок тепловіддачі відіграє важливу роль. Головна тепловіддаюча поверхня - поверхня шкіри, через яку передається близько 4/5 всієї теплоти. Тепловіддача суттєво залежить від площі поверхні тіла та його маси.

На стабільність температури організму суттєво впливають ліпіди їжі. З'ясовано, що підвищений вміст холестерину в їжі збільшує термостабіль­ність.

Яким чином температура зумовлює біохімічні зміни в організмі, цілком не з'ясовано. Ймовірно, що важливу роль у цьому відіграють гормони. Механізми терморегуляції активуються двома способами: подразненням термоцентрів та прямим подразненням центрів терморегуляції в мозку внаслідок зміни температури шкіри.

3. ТЕМПЕРАТУРНА ТОПОГРАФІЯ ТІЛА ЛЮДИНИ

Дані численних вимірювань свідчать, що температура тіла людини істотно коливається (5...6°С) в умовах спокою за різних температур середовища та різної інтенсивності м'язової ді­яльності.

Характерною особливістю температурної топо­графії шкіри людини є різниця між температурою тулуба та кінцівок. У людей похилого віку пахвинна температура така ж, як у людей середнього віку, а шкірна — дещо нижча. Характерно, що у немовлят температура шкіри трохи вища, ніж у дорослої людини. Це, можливо, залежить від напруженості, обміну речовин і енергії в період адаптації до зміненого середовища та недозрілості системи терморегуляції.

На температуру шкіри впливають також тем­пература середовища, вологість повітря, фізична та розумова праця, спожита їжа та ін. Така кількість чинників впливу ставить під сумнів можливість вимірювань абсолютних значень температури поверхні тіла з діагностичною метою.

У здорових людей за нормальної темпе­ратури тіла можна виявити асиметрію, яка вимірюється в десятих частках градуса. Під час хвороби асиметрія може істотно зростати, якщо ж хворому стає краще — температурна аси­метрія зменшується. Дослідження темпера­турних асиметрій на симетричних ділянках тіла особливо важливі. Такі дослідження можна провадити за допомогою рідкокристалічних термоіндикаторів, у чому й полягає контактна термографія.

Таким чином, температура та її розподіл на поверхні тіла є важливими характеристиками життєдіяльності організму, а її вимірювання має біологічне і медичне значення.

4. ІНФРАЧЕРВОНА ТЕРМОГРАФІЯ МІ

У медичній діагностиці поряд з термометрами застосовують термографію, яка грунтується на реєстрації теплового випромінювання тіла людини. Ще у Стародавній Греції визначали локалізацію глибинної пухлини таким чином: все тіло хворого покривали тонким шаром мулу і стежили, у якому місці мул висихає раніше. По суті, це не що інше, як термограма. Харді у 1954 р. довів, що шкіра людини цілком поглинає інфрачервоне випромі­нювання і має здатність до майже повного інфрачервоного випромінювання. На реєстрації цього випромінювання грунтується робота всіх сучасних термографічних приладів, які називають тепловізорами.

У тепловізорах інфрачервоне випромінювання шкіри сприймається оптичною системою камери, яка здійснює розгортку поля зору та фокусує це випромінювання на детекторі (приймачі) — основному елементі тепловізора. Детектор — це фотоопір — пристрій, який під впливом інфрачервоних променів змінює свій опір. У колі, в яке входить фотоопір, виникають електричні сигнали, які залежать від потоку випромінювання. Після підсилення ці сигнали регулюють інтен­сивність електричного пучка в трубці телевізійного пристрою. Пучок, розгорнений на екрані, дає зображення. На екрані виникає теплова картина, на якій світліші ділянки відповідають ділянкам тіла з підвищеною температурою. Висока частота розгортки дає змогу отримати на екрані дійсну теплову картину досліджуваної ділянки. За допомогою тепловізорів можна виміряти також абсолютні значення температури.

Цінність теплобачення у медичній діагностиці зумовлюють такі якості термографії, як об'єктив­ність, наочність, відсутність шкідливих побічних впливів та больового відчуття.

5. ІНФРАЧЕРВОНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЙОГО ВИКОРИСТАННЯ У МЕДИЦИНІ

Електромагнітне випромінювання у спек­тральному діапазоні 0,76 мкм—1 мм називають інфрачервоним (ІЧ).

За законом Віна цьому спектральному діапазону відповідає температурний у межах 3800-1,5 К. Таким чином, усі рідкі та тверді тіла за звичайних умов практично є джерелами 14-випромінювання.

За невисоких температур енергетична світність тіл мала, тому не всі тіла можна використати як джерела ІЧ-випромінювання. Через це поряд з тепловими джерелами ІЧ-випромінювання використовують також ртутні лампи та лазери. Близько 50% випромінювання Сонця теж лежить в ІЧ-ділянці спектра.

Лікувальні властивості ІЧ-випромінювання зумовлені його тепловою дією. Найефективнішим є короткохвильове ІЧ-випромінювання.

ІЧ-випромінювання проникає в тіло приблизно на 20 мм, тому більше прогріваються поверхневі шари. Терапевтичний ефект залежить від темпера­турного градієнта, що активізує діяльність терморегулюючої системи. Лікувальний ефект зумовлює посилення кровопостачання опроміненої ділянки.

Іншим прикладом використання ІЧ-випро­мінювання в діагностиці є фотографування в ІЧ-променях. За допомогою цього методу можна діагностувати шкірні та судинні захворювання.

Джерела інформації:

1. Основи медичної і біологічної фізики: Підручник для мед. ВНЗ І—ІІІ рів. акред. / Шевченко А.Ф. — К.: Медицина, 2001. — 656 с. + 2 с. кол. вкл.

2. Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика. — Львів: Світ, 2003.

Поиск по сайту: