УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЧАСТИ ТЕЛА ЖИВОГО МЛЕКОПИТАЮЩЕГО
APPARATUS AND METHOD FOR THERMAL IMAGING OF LIVING MAMMAL BODY PART

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к области термического формирования изображений, а в частности, к устройству и способу термического формирования изображений части тела живого млекопитающего, в частности человека, для определения представляющей интерес области такой части тела, на основании тепловых параметров, полученных из данных термического формирования изображений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Живым биологическим телам свойственна метаболическая активность. Метаболическая активность представляет собой совокупность химических реакций, поддерживающих жизнь в любом организме. Метаболическая активность включает преобразование энергии и веществ в организме - это два элемента, которые всегда присутствуют для поддержания жизни.
[0003] Метаболизм связан с выработкой тепла. Наблюдалось, что метаболизм здоровых клеток живого организма отличен от метаболизма опухолевых клеток - либо доброкачественных либо злокачественных опухолевых клеток, таких как раковые клетки, тем, что опухолевые клетки содержат больше тепловой энергии. Происходит передача этой тепловой энергии от тела в окружающую среду в виде тепла.
[0004] Питательные элементы и кислород, необходимые для роста опухолевых клеток, приводят к образованию новых кровеносных сосудов в дерме у основания опухоли, поскольку для эффективной пролиферации опухолевых клеток необходима соответствующая кровеносная система. Также известно явление, называемое опухолевой васкулярностью или гиперваскулярностью, то есть увеличенное количество или концентрация кровеносных сосудов в опухоли. Многие опухоли злокачественны вследствие гиперваскулярности, обеспечивающей быстрый рост. Степени опухолевой васкулярности могут быть квалифицированы как редкие, умеренные и выраженные. Опухолевая васкулярность также вызывает повышение температуры в части живого тела по сравнению со здоровой средой.
[0005] Следует понимать, что наличие воспаления в живом организме также приводит к локально более высокой температуре тела.
[0006] На протяжении многих лет было разработано и предложено несколько устройств для обнаружения аномалий в клетках живых организмов, таких как опухоли, на основе разницы в тепловой энергии, исходящей от опухолевых клеток, по сравнению со здоровыми клетками или тканями.
[0007] Международная патентная заявка WO 2015/159284 А1 раскрывает устройство и способ обнаружения рака, использующие активное термическое формирование изображений посредством нагревания или охлаждения исследуемого тела или ткани и последующего сбора тепловых данных по меньшей мере для доли нагретого или охлажденного таким образом тела.
[0008] Международная патентная заявка WO 2009/083974 А1 раскрывает способ и устройство для анализа тепловых изображений, полученных системой термического формирования пространственных изображений, в которой человек расположен на платформе относительно термографического формирователя изображений и дистанционно от него.
[0009] Международная патентная заявка WO 00/64332, эквивалентная патенту США №6950693, раскрывает устройство для термического формирования изображений части тела с использованием термооптической фольги, расположенной на рамке. Такая термооптическая фольга принимает разные цвета в зависимости от температуры фольги. Размещение термооптической фольги на части тела приводит к тепловому рисунку, представленному разными цветами, соответствующими различным тепловым состояниям части тела. Этот способ также называют термографией. Эти цвета отображены цифровой камерой видимого света.
[0010] В первом, или калибровочном, режиме термооптическая фольга и часть тела должны быть охлаждены до стандартизированной и постоянной температуры, ниже температуры тела, тем самым уменьшая влияние тепла поверхности или кожи части тела на окраску фольги, что обеспечивает возможность стандартизированных и воспроизводимых условий записи. В последующем, или регистрационном, режиме работы в конце заданного промежутка времени после начала калибровочного режима, цветную картину фольги фотографируют камерой, что указывает на перепады температуры на поверхности фольги, то есть на таким образом изображенной части тела.
[ООН] В заявке 2013/0331683 на патент США и заявке 28 22 636 на патент Германии раскрыто использование термооптической фольги, состоящей из пленки инкапсулированных жидких кристаллов (ELC).
[0012] В заявке 2007/0213617 на патент США раскрыта как система термического формирования пространственных изображений, в которой получают изображения на двух оптических длинах волн, то есть для первого непроникающего и второго проникающего инфракрасного излучения, исследуемой ткани и коррелируют их для обнаружения аномалии, так и обычная система термографического исследования ткани, содержащая окно или пластину, имеющую значительную теплоемкость для регулирования температуры ткани посредством охлаждения или нагрева исследуемого участка ткани.
[0013] Было отмечено, что способы и системы обнаружения предшествующего уровня техники, основанные на термического формирования пространственных изображений и термографии, меньше подходят для различения и обнаружения неоднородностей в исследуемой части тела. Термооптические пленки коммерчески доступны в нескольких диапазонах обнаружения, имея начальную регистрационную температуру, равную, например, 28°С, 30°С и 32°С.При температуре ниже начальной фольга полностью черная. Для целей обнаружения, исходя из физических свойств исследуемого тела, таких как масса тела, возраст, пол и т.д., должна быть выбрана конкретная термооптическая фольга. Неправильный выбор фольги может привести либо к чрезмерной окраске, либо к слишком малой окраске, которая не позволяет отслеживать и обнаруживать конкретные представляющие интерес области.
[0014] Как и при выборе подходящей фольги оценка окраски термооптической фольги требует квалифицированного и обученного персонала и в большой степени основана на ручной интерпретации, то есть натренированным глазом. Среди прочего, относительно высокая начальная температура термографического обнаружения делает методы термографической регистрации слишком малоизбирательными для обнаружения аномалий в клетках живых организмов, таких как опухоли, на основе разницы в тепловой энергии, исходящей от опухолевых клеток, по сравнению со здоровыми клетками или тканями. Эти методы также слишком нечувствительны для выявления опухолей глубоко под поверхностью или кожей части тела и, например, для определения степени васкуляризации.
[0015] Васкуляризация может быть эффективно обнаружена с помощью магнитно-резонансной томографии с использованием внутрисосудистого контрастного материала. Этот метод исследования, однако, инвазивен, относительно трудоемок и дорогостоящий и, как таковой, не подходит, например, для относительно быстрого и простого скрининга опухолевых клеток.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении улучшенных и простых в использовании устройства и способа для скрининга части тела живого млекопитающего для определения представляющей интерес области, в определенных областях или точках части живого тела, которые могут быть квалифицированы как опухолевые или потенциально опухолевые.
[0017] В соответствии с этим в качестве первого аспекта настоящего изобретения предложено устройство для получения тепловых изображений части тела живого млекопитающего, содержащее:
- поверхностную структуру накопления тепловой энергии для контакта с частью тела,
- термодатчик для получения тепловых изображений, отражающих накопление тепловой энергии по меньшей мере на части поверхностной структуры накопления тепловой энергии в регистрационном режиме работы устройства,
- модуль передачи тепловой энергии для передачи тепловой энергии в поверхностную структуру накопления тепловой энергии для ее приведения к опорной температуре в калибровочном режиме работы устройства, и
- схему управления, выполненную с возможностью контроля наличия части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии и управления передачей тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии в калибровочном режиме при наличии части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии для ограничения передачи тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии к части тела.
[0018] В устройстве согласно настоящему изобретению в регистрационном режиме его работы для целей формирования изображения тепловая энергия части тела передана и накоплена или удержана поверхностной структурой накопления тепловой энергии при нахождении ее в тепловом контакте с частью тела. Изображения этой передачи энергии, то есть локального изменения температуры по меньшей мере на части поверхностной структуры накопления тепловой энергии, непосредственно зарегистрированы из поверхностной структуры накопления тепловой энергии термодатчиком, работающим на поверхностной структуре накопления тепловой энергии, для захвата изображений, основанных на тепловой энергии, сохраненной или удержанной поверхностной структурой накопления тепловой энергии или удержания тепловой энергии.
[0019] Это обеспечивает улучшенную чувствительность и избирательность, то есть различительную способность устройства в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению, например, с термическим формированием пространственных изображений и косвенной визуализацией, благодаря окраске термооптической фольги. В последнем случае чувствительность устройства в значительной степени определена свойствами термооптической фольги для преобразования тепловой энергии в окраску фольги, причем ее свойства преобразования оказались недостаточными для целей настоящего изобретения.
[0020] В одном варианте реализации настоящего изобретения поверхностная структура накопления тепловой энергии содержит пластину или фольгу для накопления тепловой энергии с плоской или изогнутой формой поверхности, в частности непрозрачную пластину или фольгу для накопления тепловой энергии.
[0021] Для выполнения цели настоящего изобретения пластина или фольга из полиэтилентерефталата (PET) с толщиной в диапазоне 0,1-1 мм, предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 0,7 мм, реализует и демонстрирует достаточно быстрый отклик поглощения и накопления тепловой энергии при исследовании части тела.
[0022] Полиэтилентерефталат представляет собой превосходный водо- и влагозащитный материал, устойчивый к растиранию спиртом, который важен для медицинских целей очистки и дезинфекции, механически прочный с достаточно высокой теплопроводностью для поглощения и накопления тепловой энергии и в высокой степени инертный, т.е. демонстрирующий отсутствие или незначительность взаимодействия с кожей исследуемой части тела. В качестве альтернативы двуосно-ориентированный полиэтилентерефталат может быть использован в качестве поверхностной структуры накопления тепловой энергии. Полиэтилентерефталат и двуосно-ориентированный полиэтилентерефталат могут быть покрыты на одной или обеих своих сторонах графитовым покрытием и могут быть металлизированы посредством испарения тонкой металлической пленки на их поверхности, такой как, например, алюминий, тем самым улучшая свойства поглощения и хранения тепловой энергии поверхностной структурой накопления тепловой энергии.
[0023] Перед записью тепловых изображений с поверхностной структуры накопления тепловой энергии для получения воспроизводимых условий записи в регистрационном режиме работы с помощью модуля передачи тепловой энергии поверхностную структуру накопления тепловой энергии приводят к опорной или начальной температуре в калибровочном режиме работы устройства согласно настоящему изобретению.
[0024] Для обнаружения степеней васкулярности, в отличие от известных устройств на основе термографии, было замечено, что часть тела, то есть площадь поверхности или область кожи, не должна быть приведена, т.е. быть охлаждена или нагрета до этой опорной или начальной температуры поверхностной структуры накопления тепловой энергии до формирования изображения. Охлаждение части тела уменьшает приток крови к аномалии, такой как опухоль, и при этом сужены капилляры кровоснабжения, что может затруднить, например, надежное обнаружение реального развития аномалии. С другой стороны, нагревание части тела может повышать или стимулировать кровоток в части тела в целом, уменьшая, таким образом, характерную разницу температуры аномалии по сравнению, например, с окружающей средой.
[0025] Для предотвращения этого в калибровочном режиме работы устройства в соответствии с настоящим изобретением должна быть ограничена передача энергии модулем передачи тепловой энергии в часть тела, присутствующую в структуре накопления тепловой энергии.
[0026] С этой целью устройство согласно настоящему изобретению содержит схему управления, которая предназначена для контроля наличия части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии. При наличии части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии схема управления контролирует передачу тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии в калибровочном режиме для ограничения передачи тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии к части тела. Таким образом, эффективно предотвращены нагрев или охлаждение части тела.
[0027] В варианте реализации устройства согласно настоящему изобретению передача тепловой энергии от модуля передачи тепловой энергии к поверхностной структуре накопления тепловой энергии ограничена тем, что модуль передачи тепловой энергии имеет ограниченную способность выработки тепловой энергии, согласованную с теплоемкостью, то есть способностью поглощения тепла поверхностной структурой накопления тепловой энергии для приведения поверхностной структуры накопления тепловой энергии к опорной температуре в отсутствие части тела.
[0028] Иными словами, мощность выработки тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии не достаточна для приведения поверхностной структуры накопления тепловой энергии к опорной температуре при нахождении в то же время части тела в тепловом контакте с поверхностной структурой накопления тепловой энергии. Тем самым автоматически и эффективно ограничена передача тепловой энергии частью тела.
[0029] В еще одном варианте реализации устройства согласно настоящему изобретению, в дополнение или в качестве альтернативы для ограниченной или лимитированной теплоемкости модуля передачи тепловой энергии, схема управления может работать с использованием по меньшей мере одного устройства из группы, содержащей:
- детектор приближения для обнаружения близости части тела к поверхностной структуре накопления тепловой энергии,
- контактный детектор для обнаружения физического контакта части тела с поверхностной структурой накопления тепловой энергии и
- детектор передачи тепловой энергии для обнаружения отклонения передачи тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии.
[0030] В калибровочном режиме работы устройства схема управления при обнаружении части тела на или вблизи поверхностной структуры накопления тепловой энергии одним или несколькими детекторами из детектора приближения, контактного детектора и детектора передачи тепловой энергии может работать на модуле передачи тепловой энергии для воздействия на выработку тепловой энергии посредством ограничения или прерывания, например, подачи электрической энергии на модуль передачи тепловой энергии, например, в случае электрического модуля передачи тепловой энергии. В дополнение или в качестве альтернативы схема управления может работать таким образом, что происходит передача тепловой энергия от модуля передачи тепловой энергии в поверхностную структуру накопления тепловой энергии, например, посредством изменения теплового сопротивления в тракте передачи тепловой энергии между ними.
[0031] В варианте реализации настоящего изобретения схема управления содержит устройство обработки данных, функционально соединенное с модулем передачи тепловой энергии, причем устройство обработки выполнено с возможностью:
- обеспечения работы модуля передачи тепловой энергии для передачи тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии к поверхностной структуре накопления тепловой энергии для приведения ее к опорной температуре в калибровочном режиме при отсутствии части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии, контролируемой схемой управления,
- обеспечения работы модуля передачи тепловой энергии для ограничения передачи тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии в калибровочном режиме при наличии части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии, контролируемой схемой управления, и
- обеспечения работы термодатчика в регистрационном режиме при нахождении поверхностной структуры накопления тепловой энергии при опорной температуре.
[0032] Для содействия правильному использованию и работе устройства согласно настоящему изобретению предусмотрен модуль сигнализации, функционально соединенный с устройством обработки, соответственно для выполнения операции сигнализации в калибровочном режиме и работы в регистрационном режиме. В частности, для обеспечения работы термодатчика в регистрационном режиме при поглощении и накоплении тепловой энергии поверхностной структурой накопления тепловой энергии от части тела, контролируемой схемой управления, и для индикации о завершении получения тепловых изображений.
[0033] В варианте реализации настоящего изобретения тепловые изображения получают многоточечным термодатчиком, в частности цифровой тепловизионной камерой пиксельного типа, расположенным удаленно от поверхностной структуры накопления тепловой энергии, для получения последовательных во времени тепловых изображений по меньшей мере на части поверхностной структуры накопления тепловой энергии. В частности, камера обладает пространственным разрешением, составляющим часть представляющей интерес области, которая должна быть определена, например, это коммерчески доступная цифровая инфракрасная камера высокого разрешения.
[0034] В одном варианте реализации настоящего изобретения термодатчик, в частности цифровой термодатчик, функционально соединен с устройством обработки данных или функционально соединен с еще одним внутренним или внешним устройством обработки данных для цифровой обработки полученных тепловых изображений и для определения представляющей интерес области посредством вычисления на основе серии полученных последовательных по времени тепловых изображений скорости поглощения или накопления тепла по меньшей мере на части поверхностной структуры накопления тепловой энергии. Скорость поглощения тепла может быть рассчитана как температурный градиент во времени, обнаруживающий тенденцию профиля температуры, вызванную поглощением и накоплением тепла в этой части поверхностной структуры накопления тепловой энергии.
[0035] Представляющая интерес область может быть определена, например, на основании того, соответствует ли скорость поглощения тепла заданному профилю значений скорости поглощения тепла. Представляющая интерес область может быть дополнительно или альтернативно определена, например, посредством вычисления на основании серии последовательных по времени тепловых изображений разностей температур по меньшей мере на части области поверхностной структуры накопления тепловой энергии, тепловые изображения которой были получены, и установления того, соответствуют ли эти разности температур заданному профилю разностей температур.
[0036] Для определения представляющих интерес области или областей, в частности, для скрининга части тела на наличие опухолевых или предопухолевых аномалий, в еще одном варианте реализации настоящего изобретения устройство обработки данных выполнено с возможностью вычисления формы и размера области поверхностной структуры накопления тепловой энергии, у которой скорость поглощения тепла и/или разности температур соответствуют заданному профилю.
[0037] Устройство согласно настоящему изобретению позволяет оценивать результаты регистрации в автоматическом режиме, получая повторяемые и надежные результаты, не обязательно требуя обученного персонала для оценки данных регистрации. Полученные данные могут быть подвергнуты нескольким методам фильтрации данных и методам анализа данных, включая методы корреляции, основанные на доступных извне данных, таких как данные, доступные в медицинских файлах или базах знаний, таких как медицинские библиотеки или тому подобное.
[0038] При использовании цифровой тепловизионной камеры пиксельного типа в качестве термодатчика в устройстве согласно настоящему изобретению скорость поглощения тепла и/или разности температур могут быть рассчитаны на основе пикселей или группы соседних пикселей. В одном варианте реализации настоящего изобретения профили скорости поглощения тепла, картины тепловых различий, формы и размеры таких полученных картин и дополнительная информация в поддержку определения представляющей интерес области обработаны устройством обработки данных с использованием соответствующей информации, хранящейся в цифровой базе знаний, удаленной или локальной базе знаний устройства.
[0039] Устройство может содержать дисплейный модуль, функционально соединенный с устройством обработки данных и расположенный для отображения на дисплейном модуле определенной представляющей интерес области в системе отсчета, представляющей, например, часть тела.
[0040] В одном варианте реализации устройства согласно настоящему изобретению модуль передачи тепловой энергии содержит расположенную с возможностью перемещения теплопроводную пластину, имеющую форму поверхности, приспособленную для термического контакта с поверхностной структурой накопления тепловой энергии, и термогенератор для приведения теплопроводной пластины к температуре для теплообмена с поверхностной структурой накопления тепловой энергии при нахождении пластины в тепловом контакте с ней для приведения поверхностной структуры накопления тепловой энергии к опорной температуре.
[0041] В частности, модуль передачи тепловой энергии может содержать теплоотвод, расположенный напротив теплопроводной пластины, а по теплоотводу распределены множество термоэлектрических компонентов, таких, как так называемые элементы Пельтье, распределенные по теплоотводу и присоединенные к нему. При работе модуль передачи тепловой энергии выполнен с возможностью приведения поверхностной структуры накопления тепловой энергии к опорной температуре в диапазоне от 20 до 30°С, предпочтительно в диапазоне от 24 до 26°С. Фактическая опорная температура может быть измерена с использованием термодатчика.
[0042] В качестве второго аспекта настоящее изобретение предлагает способ определения представляющей интерес области части тела живых млекопитающих на основе термического формирования изображений, включающий калибровочный режим работы для приведения тепловой поверхностной структуры накопления энергии к опорной температуре посредством передачи тепловой энергии к поверхностной структуре накопления энергии модулем передачи тепловой энергии и регистрационный режим работы, выполняемый после калибровочного режима работы для получения тепловых изображений, отражающих накопление тепловой энергии за счет поглощения энергии по меньшей мере на части поверхностной структуры накопления тепловой энергии, причем способ, управляемый устройством обработки данных, включает следующие этапы:
в калибровочном режиме работы:
- обнаружение наличия части тела на поверхностной структуре накопления тепловой энергии, и
- при ее наличии, управление передачей тепловой энергии модулем передачи тепловой энергии для ограничения передачи тепловой энергии к части тела,
- при ее отсутствии, приведение поверхностной структуры накопления тепловой энергии к опорной температуре,
в регистрационном режиме работы:
- получение последовательных во времени тепловых изображений части поверхностной структуры накопления тепловой энергии при сохранении тепловой энергии от указанной части тела в поверхностной структуре накопления тепловой энергии и
- вычисление на основании серии полученных последовательных по времени тепловых изображений представляющей интерес области на основе накопления тепловой энергии поверхностной структурой накопления тепловой энергии.
[0043] Эти и другие аспекты изобретения будут понятны и объяснены со ссылкой на вариант реализации, описанный ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0044] На ФИГ. 1 схематично показан вид в разрезе варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению.
[0045] На ФИГ. 2-5 показано устройство по ФИГ.1 в нескольких режимах работы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
[0046] На ФИГ. 6а и 6b показан пример кривой регистрации накопления тепловой энергии на поверхности накопления тепловой энергии в варианте реализации настоящего изобретения.
[0047] На ФИГ. 7 схематично показаны примеры представляющих интерес областей при отображении части тела, исследуемой с помощью устройства, показанного на ФИГ. 1-5.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0048] На ФИГ. 1 показан вид в разрезе варианта реализации устройства 10 для получения тепловых изображений части тела живого млекопитающего согласно настоящему изобретению. Устройство 10 содержит корпус 11, обычно состоящий из верхней части или стенки 12, противоположной нижней части или стенки 13, двух противоположных боковых частей или стенок 14, задней части или стенки 15 и открытой передней части или стенки 16, при рассмотрении в рабочем положении устройства 10, показанного на ФИГ. 1. Отверстие 17 в передней части 16 покрыто поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, такой как пластина или пленка накопления тепловой энергии, имеющая форму плоской или изогнутой поверхности, в частности, непрозрачная пластина или пленка для накопления тепловой энергии при контакте с частью тела, подлежащей визуализации.
[0049] В корпусе 11, вблизи его задней части 15, расположен термодатчик 19 с полем зрения 20, направленным к поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии, для получения тепловых изображений, отражающих накопление тепловой энергии по меньшей мере от части поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии в регистрационном режиме работы устройства 10.
[0050] Корпус 11, то есть его стенки 12, 13, 14, 15, 16 сконструированы и расположены таким образом, чтобы, по возможности, например избегать максимально возможного излучения тепловой энергии в направлении термодатчика от внешних источников тепла.
[0051] Любой коммерчески доступный термодатчик 19, подходящий для захвата серии тепловых или температурных изображений поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии с достаточной точностью может быть рассмотрен для использования в настоящем изобретении. В варианте реализации настоящего изобретения термодатчик 19 выполнен в виде многоточечного термодатчика для определения поверхностных пятен или точек, то есть пикселей, поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, в частности в виде цифровой тепловизионной камеры пиксельного типа, выполненной с возможностью получения последовательных по времени тепловых изображений по меньшей мере на части поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии. В частности, должна быть использована камера с пространственным разрешением для формирования изображения части представляющей интерес области, такая как коммерчески доступная цифровая инфракрасная камера высокого разрешения.
[0052] Для целей настоящего изобретения применима любая пластина или фольга, которая достаточно быстро поглощает и накапливает или удерживает или аккумулирует тепловую энергию. Термин «достаточно быстро» должен быть истолкован в свете получения термодатчиком 19 серии последовательных во времени тепловых изображений, то есть, что поверхностная структура 18 накопления тепловой энергии обладает тепло про водя щи ми и теплопоглощающими свойствами для накопления тепла от части тела, контактирующей с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, для вычисления скорости поглощения или скорости передачи тепловой энергии из исследуемой части тела, например, с использованием изображений, снятых термодатчиком в конкретный период времени.
[0053] В практическом варианте реализации настоящего изобретения изображения получают с относительно высокой скоростью с интервалом между последовательными регистрациями примерно 10-100 мсек. Общее время регистрации при исследовании или скрининге части тела в регистрационном режиме составляет от 30 до 60 секунд.
[0054] В варианте реализации настоящего изобретения было доказано, что пластина или фольга из полиэтилентерефталата с толщиной в диапазоне 0,1-1 мм, предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 0,7 мм, сочетают относительно небольшую удельную теплоемкость с достаточно быстрым откликом при поглощении и сохранении или накоплении тепловой энергии от исследуемой части тела. Пластина или фольга могут быть покрыты с одной или обеих сторон тонким графитовым покрытием. Для локализации представляющей интерес области в части тела по полученным изображениям поверхностная структура 18 накопления тепловой энергии должна быть в достаточной степени механически устойчивой, то есть должна обеспечивать достаточное сопротивление деформации, создаваемой силой, с которой часть тела контактирует с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии. Полиэтилентерефталат или двуосно-ориентированный полиэтилентерефталат сочетает относительно малую толщину поверхности, например 0,2 мм, с высокой механической стойкостью к деформации или прочностью.
[0055] В корпусе 11 установлен модуль 21 для передачи тепловой энергии, выполненный для передачи тепловой энергии на поверхностную структуру 18 накопления тепловой энергии для ее приведения к опорной температуре в калибровочном режиме работы устройства 10.
[0056] В варианте реализации, показанном на ФИГ. 1, модуль 21 передачи тепловой энергии состоит из расположенной с возможностью перемещения теплопроводной пластины 22, имеющей форму поверхности, приспособленную для полного контакта с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, и термогенератора 23 для приведения теплопроводной пластины 22 к температуре для теплообмена с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии при нахождении пластины в тепловом контакте с ней. Это выполняют для приведения поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии к опорной температуре в диапазоне 20-30°С, предпочтительно в диапазоне 24-26°С, например, при исследовании части тела человека.
[0057] В варианте реализации настоящего изобретения модуль 21 передачи тепловой энергии содержит теплоотвод 24, расположенный напротив теплопроводной пластины 22, так что термогенератор 23 расположен между теплопроводной пластиной 22 и теплоотводом 24 и состоит из множества термоэлектрических компонентов 25, таких как так называемые элементы Пельтье, распределенные по теплоотводу.
[0058] Элемент Пельтье или термоэлектрический тепловой насос представляет собой твердотельное активное устройство, переносящее тепло с одной стороны устройства на другую с потреблением электрической энергии в зависимости от направления электрического тока, протекающего через устройство. Коммерчески доступные элементы Пельтье могут быть использованы либо для нагрева, либо для охлаждения объекта и также называются тепловым насосом Пельтье, твердотельным холодильником или термоэлектрическим охладителем.
[0059] В показанном варианте реализации модуль 21 передачи тепловой энергии шарнирно поддерживается на нижней стенке 13 и вблизи передней стенки 16 корпуса 11 по всей его длине, при рассмотрении в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, то есть между боковыми стенками 14 корпуса 11. Для перемещения модуля 21 передачи тепловой энергии из положения вблизи нижней стенки 13, как показано на ФИГ. 1, в положение для контакта с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии вблизи передней стенки 16 корпуса 11, средство привода выполнено с поворотной опорой и работает на ней, как указано позиционным обозначением 26. Подходящие средства 26 привода могут представлять собой электрический двигатель, например серводвигатель.
[0060] Термодатчик 19, термогенератор 23, то есть его термоэлектрические компоненты 25, и средство 26 привода функционально соединены со схемой 30 управления для управления работой устройства 10. Схема 30 управления может содержать программируемое устройство 31 обработки данных, такое как микроконтроллер, микропроцессор или микрокомпьютер или тому подобное.
[0061] В одном из вариантов реализации настоящего изобретения модуль 21 передачи тепловой энергии имеет ограниченную способность выработки тепла, согласованную с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, например, для приведения поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии к опорной температуре в отсутствии части тела. Это ограничивает передачу тепловой энергии от модуля 21 передачи тепловой энергии к части тела, контактирующей с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии в калибровочном режиме работы устройства, например, для предотвращения случайного нагрева или охлаждения части тела до его исследования в регистрационном режиме работы устройства 10.
[0062] В еще одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 10 содержит один или множество детекторов 27 приближения для обнаружения близости части тела на поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии или рядом с ней, например, фотоэлектрический детектор, инфракрасный детектор, емкостный детектор и тому подобное. Контактный детектор 28 для обнаружения физического контакта части тела с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, такой как тензометрический детектор для измерения деформации, создаваемой частью тела, контактирующей с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии, и/или детектор 29 передачи тепловой энергии, такой как детектор температуры, для обнаружения отклонения передачи тепловой энергии модулем 21 передачи тепловой энергии, например, на основании скачка температуры или скачка энергопотребления термогенератора 23.
[0063] Для целей управления и обеспечения работы детекторы 27, 28, 29 функционально соединены со схемой 30 управления. Схема 30 управления выполнена с возможностью, например отключения или прерывания работы термогенератора 23 при обнаружении наличия части тела в непосредственной близости от поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии и/или контакта части тела с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии и/или обнаружения аномалии при передаче тепловой энергии детектором 29 передачи тепловой энергии от модуля 21 передачи тепловой энергии в калибровочном режиме работы устройства 10.
[0064] В одном варианте реализации устройство 10 может содержать модуль 32 сигнализации, функционально соединенный со схемой 30 управления, то есть его устройством 31 обработки, соответственно для выполнения операции внешней сигнализации устройства 10 в калибровочном режиме и работы в регистрационном режиме. В частности, для выполнения операции сигнализации термодатчика 19 в регистрационном режиме работы устройства 10 при накоплении тепловой энергии поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии из части тела, контролируемой устройством 10, и для индикации о завершении получения тепловых изображений термодатчиком 19. Модуль 32 сигнализации может содержать любой модуль сигнализации акустического, оптического или другого типа.
[0065] Следует отметить, что схема 30 управления может работать в так называемом автономном режиме, в котором происходит обработка данных, зарегистрированных термодатчиком 19, схемой 30 управления, то есть ее устройством 31 обработки данных, в соответствии с алгоритмом обработки или алгоритмами для вычисления представляющей интерес области на исследуемой части тела из серии последовательных по времени тепловых изображений, полученных термодатчиком 19 из хранилища тепловой энергии поверхностью 18 накопления тепловой энергии в регистрационном режиме работы устройства 10. С этой целью схема управления может управлять устройством 33 отображения для представления представляющей интерес области, вычисленной таким образом, например, графическим способом и/или поддерживаемой таблицей измеренных и/или рассчитанных результатов. Схема 30 управления и устройство 31 обработки данных, модуль 32 сигнализации и устройство 33 отображения могут быть встроены в корпус 11 устройства 10 или могут быть выполнены в виде отдельного модуля, расположенного удаленно от устройства 10, но функционально соединенного с ним.
[0066] Вместо или в дополнение к работе схемы 30 управления в автономном режиме, данные, измеренные термодатчиком 19 и/или рассчитанные устройством 31 обработки, могут быть обработаны в устройстве обработки, внешнем по отношению к схеме 30 управления, например, во внешнем компьютере, к которому схема 30 управления подключена, например, через сеть передачи данных и интерфейс 34 данных. Интерфейс 34 данных также может служить в качестве ввода/вывода, например, для управления работой устройства 10 и/или программирования устройства 31 обработки данных.
[0067] Работа устройства 10 для исследования части 35 тела схематически показана на ФИГ. 2-5, на которых показана часть устройства 10 по ФИГ. 1 для иллюстрации нескольких режимов работы устройства в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Для ясности детекторы 27, 28, 29, схема 30 управления, модуль 32 сигнализации и устройство 33 отображения не показаны.
[0068] В целях иллюстрации работы изобретения показана часть 35 тела, содержащая неоднородность 36, такую как опухоль под поверхностью или кожей 37 части 35 тела, выделяющую тепловую энергию, излучаемую в виде тепла, схематически обозначенную стрелками 38. Происходит передача тепла 38 от части 35 тела в окружающую среду. Понятно, что в общем случае неоднородность 36 заранее не известна, и ее необходимо обнаружить посредством исследования части 35 тела согласно настоящему изобретению и/или определить, квалифицировать ли эту неоднородность как представляющую интерес область.
[0069] На первом этапе или в калибровочном режиме работы устройства 10, как показано на ФИГ. 2, модуль 21 передачи тепловой энергии перемещен средством 26 привода в положение, в котором теплопроводная пластина 22 контактирует с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии. Модуль 21 передачи тепловой энергии управляется схемой 30 управления для передачи тепловой энергии к поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии, для приведения ее к опорной температуре в отсутствии части 35 тела. Таким образом, часть 35 тела размещена на таком расстоянии от поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, что модуль 21 передачи тепловой энергии не воздействует на температуру части 35 тела или не изменяет ее. Отсутствие части тела контролирует любой один или более датчиков 27, 28, 29, как объяснено выше. Передача тепловой энергии ограничена при обнаружении присутствия части 35 тела на указанной поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии, контролируемой схемой 30 управления.
[0070] Цель калибровочного режима работы состоит в возвращении температуры поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии 18 к опорной или начальной температуре. Модуль 21 передачи тепловой энергии удерживают в положении, показанном на ФИГ. 2, в течение достаточно продолжительного времени для обеспечения того, что вся поверхностная структура 18 накопления тепловой энергии доведена до опорной температуры. В целом, модуль 21 передачи тепловой энергии работает для охлаждения поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии до опорной температуры в диапазоне от приблизительно 20°С до 30°С.
[0071] Отсутствует необходимость предварительного задания опорной температуры, но ее можно определить с помощью термодатчика 19 по множественным точечным измерениям, распределенным по поверхности поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии. Важно, чтобы после задания вся поверхность поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии была при одинаковой температуре.
[0072] На втором этапе, показанном на ФИГ. 3, модуль 21 передачи тепловой энергии выключен и перемещен в положение около нижней стенки 13 корпуса 11. Теперь часть 35 тела приводят в контакт с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии. О начале этого этапа может сигнализировать модуль 32 сигнализации, указывающий на приведение поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии к опорной температуре и возможное перемещение модуля 21 передачи тепловой энергии от поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии.
[0073] В случае, когда опорная температура поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии ниже температуры части тела, например части тела живого человека с температурой тела, например от 35 до 38°С, будет происходить передача тепловой энергии от части 35 тела к поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии, что приводит к постепенному повышению ее температуры. В случае, когда опорная температура в начале регистрационного режима выше температуры тела, будет происходить уменьшение температуры поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии.
[0074] На третьем этапе или в регистрационном режиме работы термодатчик 19 используют для регистрации тепловой энергии, исходящей из части 35 тела, которая накапливается в поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии. Следует понимать, что накопленная тепловая энергия в той области поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, которая контактирует с тем участком кожи 37, где происходит обмен тепловой энергией 38 с неоднородностью 36, будет отлична от других участков поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии. Работа термодатчика 19 схематически обозначена пунктирными линиями 20, представляющими поле зрения термодатчика 19.
[0075] В регистрационном режиме работы термодатчик 19 работает для получения серии последовательных по времени тепловых изображений из поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии при контакте части 35 тела с поверхностной структурой 18 накопления тепловой энергии. Изображения, то есть данные, представляющие полученные изображения, могут быть сохранены и обработаны в схеме 30 управления, то есть в устройстве 31 обработки данных, и/или на сервере или устройстве обработки и хранения данных, удаленном от места выполнения исследования части 35 тела устройством 10.
[0076] Количество изображений и частота, с которой изображения получены термодатчиком, и/или общее время регистрации могут быть предварительно заданы или определены динамически или адаптированы на основе измерений температуры или, например, на основе предварительной оценки уже полученных изображений.
[0077] На четвертом этапе, по завершении регистрационного режима, о чем может сигнализировать, например, модуль 32 сигнализации, регистрация термодатчиком 19 остановлена и часть тела может быть удалена с поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, как показано на ФИГ. 5.
[0078] После очистки поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии может быть выполнено новое исследование согласно этапам, описанным выше на ФИГ. 2-5.
[0079] Тепловые изображения, полученные термодатчиком 19, обработаны устройством 31 обработки данных схемы 30 управления и/или удаленным устройством обработки данных для определения неоднородности 36, в частности для определения того, можно ли квалифицировать неоднородность как представляющую интерес область 36 в части 35 тела в соответствии с предварительно заданным профилем или профилями.
[0080] С этой целью, в варианте реализации настоящего изобретения, из серии полученных последовательных по времени тепловых изображений вычисляют скорость поглощения тепла по меньшей мере для части поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, где происходит накопление тепловой энергии, отличное, например, от других участков поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии. Как указано выше, в случае, когда часть 35 тела имеет температуру тела выше опорной температуры поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, следует понимать, что в области и вокруг области поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, которая контактирует с тем участком части 35 тела, где происходит обмен тепловой энергией 38 с неоднородностью, накопление тепловой энергии в поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии будет отлично от других участков поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии.
[0081] Эти другие участки будут либо демонстрировать постепенное повышение температуры за счет сбора тепловой энергии из части 35 тела, либо постепенное увеличение или уменьшение температуры в зависимости от температуры окружающей среды в тех точках или участках поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, которые не контактируют с частью 35 тела. Представляющая интерес область теперь определена на основе того, соответствует ли скорость поглощения тепла заданному профилю или профилям значений скорости поглощения тепла. Скорость поглощения тепла рассчитана как градиент температуры во времени.
[0082] Приведенная ниже Таблица 1 показывает, в качестве примера, регистрацию разностей температур в выбранной области поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии для восемнадцати соседних точек, пронумерованных 1-18, поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, как определено посредством термодатчика 19. В случае использования цифровой тепловизионной камеры пиксельного типа в качестве термодатчика 19 в устройстве согласно настоящему изобретению скорость поглощения тепла и/или разности температур могут быть рассчитаны на основе пикселей или группы соседних пикселей, образующих соседние точки. Например, значения длины, ширины или диаметра точки могут составлять, например, от 0,2 до 5 мм.
[0083] В столбце «Время» Таблицы 1 время, прошедшее между двумя последовательными регистрациями изображений термодатчиком 19, указано в миллисекундах [мсек]. В показанном примере это время составляет 55 мсек. В столбце «Разность температур» указана разность температур, регистрируемая термодатчиком 19 в течение периода времени 55 мсек. Иными словами, разность температур в °С измерена между моментом окончания регистрации изображения и моментом начала получения следующего изображения в конкретной точке, указанной его номером в первом столбце Таблицы 1. Отрицательная разность температур указывает на падение температуры в определенной точке поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии. Температура калибровки поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии в этом примере составляет 20°С, как указано в столбце «Температура калибровки». Нормальная или абсолютная температура части 35 тела составляет 35,5°С, как указано в столбце «Абсолютная температура».
[0084] В столбце «Скорость поглощения тепла» скорость поглощения тепла рассчитана как градиент температуры во времени, то есть как разность температур, разделенная на значение времени. Скорость поглощения тепла выражена в единицах [°С/сек]. Обратите внимание, что в точке 15 зарегистрирована большая разность температур (5°С) в течение 25 мсек. Для избежания больших чисел время регистрации термодатчиком автоматически ограничено значением 25 мсек.
[0086] Рассчитанная скорость поглощения тепла изображена на графике 50, показанном на ФИГ. 6а. На горизонтальной оси отложен номер точки, а на вертикальной ось отложены значения скорости поглощения тепла, выраженные в единицах °С/сек. Острый пик 51 на графике 50 вокруг точек 14, 15, 16 явно отличен от линии линейной регрессии или линии тренда скорости поглощения тепла в точках 1-18, изображенной пунктирной линией 52. Сопоставляя пик 51 с положением части 35 тела, расположенной напротив поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, можно видеть, что точки 14, 15, 16 соответствуют неоднородности 36 в части 35 тела. Поскольку пик 51 превышает пороговое значение скорости поглощения тепла или профиль 53, показанный посредством пунктирной линии на ФИГ. 6а, эта область поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии квалифицирована как представляющая интерес область согласно настоящему изобретению.
[0088] В Таблице 2, в дополнение к Таблице 1, показаны дополнительные измеренные и рассчитанные результаты скорости поглощения тепла для части 35 тела, однако относящиеся к другой ее области, т.е. представленной точками с номерами 81-98.
[0089] Рассчитанная скорость поглощения тепла изображена на графике 55, показанном на ФИГ. 6b. На горизонтальной оси отложен номер точки, а на вертикальной ось отложены значения скорости поглощения тепла, рассчитанные для конкретной точки и выраженные в единицах °С/сек. Область возрастания 59 на графике 55 вокруг точек 82-87 отлична от линии линейной регрессии или линии 56 тренда, изображенной пунктирной линией. При сопоставлении области, представленной точками 82-87, с исследуемой частью 35 тела, можно видеть, что это соответствует дополнительной неоднородности 39 в части 35 тела, как показано на ФИГ. 7. На ФИГ. 7 схематично показана часть 35 тела при виде спереди на устройстве 33 отображения, при рассмотрении со стороны термодатчика 19. Из графика 55 на ФИГ. 6b видно, что область 59 возрастания не выходит за пределы профиля 58, обозначенного штрихпунктирной линией и, следовательно, не может быть квалифицирована как представляющая интерес область согласно настоящему изобретению.
[0090] На обеих ФИГ. 6а и 6b профиль 53, 58 для определения представляющей интерес области показан в виде прямой линии. Однако также возможно определить такой профиль, как, например, изогнутая линия или линия другой формы или область другой формы. Кроме того, профиль может быть автоматически адаптирован на основе физических свойств тела или исследуемой части тела, таких, как возраст, масса тела, пол и т.д.
[0091] В другом варианте реализации настоящего изобретения представляющая интерес область определена посредством вычисления, на основе серии полученных последовательных по времени тепловых изображений, разностей температур по меньшей мере на части поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, контактирующей с частью тела 35, и в котором представляющая интерес область определена на основании того, соответствуют ли разности температур заданному профилю или профилям разностей температур.
[0092] Посредством задания профиля скорости поглощения тепла и/или профиля разностей температур в форме окружения области графика устройство обработки данных может определять представляющую интерес область посредством вычисления на основе выполненных измерений, то есть регистраций, проведенных термодатчиком 19, формы и/или размера области поверхностной структуры накопления тепловой энергии, при которой скорость поглощения тепла и/или разность температур соответствуют заданному профилю, содержащему или представляющему конкретную форму и размер.
[0093] Для определения неоднородностей и представляющих интерес областей, помимо расчета профилей поглощения тепла и/или диаграмм разности тепла на основе регистраций, полученных с помощью термодатчика 19, может быть использована информация, доступная из цифровой базы знаний, либо удаленных баз знаний, либо локальных баз знаний, содержащих информацию в поддержку определенной представляющей интерес области. Такая информация может содержать, например, предыдущие расчеты тех же или сопоставимых частей тела, профилей и медицинской информации.
[0094] Соотнесение части 35 тела, то есть ее географического положения, с позициями или точками на поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии может быть выполнено посредством получения общего температурного изображения части 35 тела термодатчиком 19 посредством указания внешнего контура 40 части 35 тела от наружного температурного маркера 41, расположенного в части 35 тела, или от известной области температуры в части тела, такой как, например, сосок мужской или женской груди. Внешний маркер 41 представляет собой, например, этикетку или наклейку из материала, имеющего тепловые характеристики, отличные от части 35 тела, такого как кусок металла, например, алюминия. Это необходимо для определения положения маркера 41 на тепловых изображениях термодатчика 19. Форма маркера 41 предпочтительно отклонена от формы аномалии. Круглые, треугольные, квадратные или другие математические формы или контуры маркеров могут быть использованы для легкого обнаружения.
[0095] В случае прозрачной поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии, такой как поверхностная структура из полиэтилентерефталата, визуальное изображение части тела, снабженной маркером или маркерами, может быть получено с использованием термодатчика и/или отдельной визуальной камеры (не показана), которая позиционно соотнесена с термодатчиком 19.
[0096] Понятно, что этапы калибровки, регистрации и анализа зарегистрированных данных могут быть выполнены полностью автоматически, без участия человека.
[0097] Изобретение, кроме того, относится к компьютерной программе, то есть к компьютерному программному продукту, хранящемуся/распространяемому на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе или как часть другого аппаратного обеспечения, но может также быть распространен в других формах, таких как сигнал через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
[0098] Изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании в соответствии с его вариантом реализации. Эта иллюстрация и описание должны быть рассмотрены только в иллюстративных целях и целях создания примера. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами реализации.
[0099] Например, модуль 21 передачи тепловой энергии может быть перемещен для скольжения в сторону от отверстия 11 или апертуры 11 или перед ними, или может быть повернут вдоль другой боковой стенки. Кроме того, в контексте настоящего изобретения могут быть использованы дополнительные, по сравнению с явно раскрытыми выше, методы математического анализа и анализа данных для определения представляющей интерес области на основании регистрации термодатчиком, например, с помощью известных методов регрессии для расчета тенденций в накоплении тепловой энергии в поверхностной структуре 18 накопления тепловой энергии. Для соотнесения результатов регистрации термодатчиком из поверхностной структуры 18 накопления тепловой энергии и фактического положения части 35 тела на ней могут быть получены, например, трехмерные изображения части 35 тела.
[0100] Специалистам в данной области техники будут понятны другие варианты раскрытых вариантов реализации, но они включены в прилагаемую формулу изобретения на основе практического применения заявленного изобретения и/или на основании изучения описания, чертежей и формулы изобретения. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль не исключает множественного числа. Один процессор или другое цифровое обрабатывающее устройство способны выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения, а признаки, перечисленные во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, могут быть объединены. Позиционные обозначения в формуле изобретения приведены лишь в иллюстративных целях.