Возможности современных матричных тепловизионных комплексов, работающих в диапазоне 3-5 мкм для диагностики и мониторинга лечения заболеваний

ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ МАТРИЧНЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ

КОМПЛЕКСОВ, РАБОТАЮЩИХ В ДИАПАЗОНЕ 3-5 МКМ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА ЛЕЧЕНИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ

В.П. Калинушкин (vkalin@kapella.gpi.ru), В.А. Юрьев (ИОФ РАН), А.И. Алехин, (ЦКБ РАН), А.В. Пронин, Л.С. Пронина (ООО «Тепловизионные Системы»), С.И. Ляпунов, Г.В. Мусарова (ЗАО «Матричные технологии»).

В данной работе описаны результаты обследования пациентов с различными патологиями сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата, щитовидной, молочной и предстательной желез с помощью тепловизионного комплекса «МЕД-ИК».

Выявлены заболевания, диагностику и мониторинг лечения которых можно вести с помощью этого и других тепловизионных комплексов с аналогичными техническими характеристиками. Созданы базы данных, включающие в себя термограммы, соответствующие ряду патологий, указанных выше органов. Рассмотрены возможные направления дальнейших исследований.

Интерес к исследованию температурного поля человека проявился с давних времен. Известно, что температура является одной из важнейших характеристик функционального состояния человека. Поэтому она на протяжении многих лет используется в медицинской практике в качестве первоочередного критерия для диагностики различных заболеваний. В настоящее время в медицине в основном используется измерение температуры в одной (или в двух-трех) точках человеческого тела. В то же время представляется достаточно очевидным, что знание температуры по всему телу позволит резко увеличить возможности функциональной диагностики. В настоящее время наиболее совершенным способом регистрации пространственного распределения температур является способ, реализующий возможности метода инфракрасной (ИК) термографии. Этот метод основан на регистрации собственного теплового излучения человеческого тела.

В настоящее время серийно выпускаются тепловизоры с чувствительностью 0,01-0,03°С и пространственным разрешением в доли миллиметра, работающие в телевизионном режиме. Технические возможности этих приборов позволяют широко использовать их в клинической медицине. Однако, несмотря на появление монографий, статей и других публикаций в области медицинской термографии, эти приборы пока еще не заняли достойного места в практической медицине наряду с уже существующими методами функциональной диагностики.

Одной из основных причин этого положения является то, что достоверность диагностики тех или иных заболеваний по температурному полю человека должна быть подтверждена исследовательскими работами в различных областях клинической медицины. Действительно, тепловизор регистрирует тепловое излучение, идущее с поверхности человеческого тела. Получаемые термограммы представляют собой тепловые проекции тех или иных органов на кожный покров. При этом на результаты обследований оказывают влияние многие факторы: психофизиологическое состояние человека, расстояние от исследуемого органа до поверхности кожи (которое существенно различается у разных людей), прием лекарственных препаратов, физические нагрузки, влияние внешней среды и проч. Отметим также, что известная информация о механизме и величине теплопроводности биологических тканей человека не позволяет сделать точных расчетов тепловой проекции того или иного органа на кожу. (Более того, по наблюдениям авторов статьи, тепловая картина поверхности тела человека весьма слабо зависит от толщины жироваго слоя!) Кроме того, отсутствует достоверная информация о температуре того или иного органа человека в норме и в патологическом состоянии. В результате, критериев, позволяющих достоверно

оценить состояние того или иного органа или системы с помощью тепловизоров (термограмм), в настоящее время недостаточно.

Целью данной работы является определение диагностических возможностей матричных охлаждаемых тепловизоров, работающих в диапазоне 3-5 мкм, с температурной чувствительностью несколько сотых градуса Цельсия и числом пикселей - 50-100 тысяч. В качестве инструмента исследований использовался медицинский исследовательский тепловизионный комплекс «МЕД-ИК», технические характеристики которого типичны для современных матричных охлаждаемых тепловизоров, работающих в диапазоне 3-5 мкм. Возможности этого комплекса подробно описаны в [1]. Отметим, что с большой степенью достоверности можно полагать, что полученные результаты распространяются на все матричные тепловизоры с аналогичными характеристиками.

Клинические исследования проводились в Центральной клинической больнице РАН «Узкое». Основное внимание уделялось обследованию пациентов с известными диагнозами, установленными в больнице традиционными медицинскими методами (УЗИ, рентген, доплеграфия, лабораторные анализы и т.д.) Для получения термограмм органов в нормальном состоянии исследовались также люди, не имеющие патологий тех или иных органов. Результаты тепловизионных обследований сравнивались с результатами известных медицинских методов. Обследования проводились в медицинских кабинетах, оборудованных в соответствие с требованиями, предъявляемыми к кабинетам термографических исследований. Комплекс «МЕД-ИК» (и сходные с ним приборы) может работать в широком диапазоне условий, однако для проведения правильных измерений и корректной интерпретации результатов необходимо работать в помещении со стабильной температурой 20°-22°С, без сквозняков и резких перепадов температуры, что вполне соответствует параметрам стандартного медицинского кабинета или палаты. Пациент должен в течение ~15 минут находиться либо в этом помещении, либо в помещении с аналогичной температурой для адаптации к условиям измерений. Время обследования обычно не превышает нескольких минут и не сопровождается неприятными ощущениями и неудобствами для пациента.

1. Первоначально остановимся на диагностике заболеваний сердечнососудистой системы. По этому направлению было обследовано 127 пациентов с поставленными с помощью традиционных методов диагнозами и ~50 человек, не имеющих выраженных патологий сосудов. Было установлено, что прилегающие к поверхности человеческого тела сосуды грудной клетки, верхних и нижних конечностей хорошо визуализируются с помощью используемого в данной работе комплекса «МЕД-ИК». Возможности этого комплекса позволяют определять значение температуры в любой точке тепловой проекции сосуда на кожу, проводить усреднение по любой площади, строить зависимости температуры от координаты, времени, архивировать результаты, передавать их в любую информационную сеть и т.д. Отметим, что такими же возможностями для обработки результатов обладают большинство современных тепловизионных комплексов.

Проведенные нами исследования показали, что с помощью тепловизионных комплексов можно вести диагностику таких заболеваний как варикозные заболевания вен, вегето-сосудистая дистония, синдром Рейно, облитерирующий эндоартериит и диабетическая ангиопатия. У всех (~95%) пациентов, которым были поставлены соответствующие диагнозы, были обнаружены в результате термографических обследований отклонения от термограмм сосудов в нормальном состоянии. Эти патологии хорошо укладывались в известную клиническую картину этих заболеваний. На основании статистической обработки полученных результатов (по каждому заболеванию обследовалось не менее 20 пациентов с

поставленным диагнозом) были созданы базы данных, состоящие из термограмм сосудов в нормальном состоянии и сосудов, подверженных одному из указанных выше заболеваний. Эти базы данных, с нашей точки зрения, уже сейчас могут быть использованы в качестве основы как для дальнейших клинических испытаний, так и для выявления лиц, которых необходимо отправить на дополнительное обследование, а также как база для научно-исследовательких работ, направленных на выявление связи между состоянием органов и тепловым полем человека. Отметим, что круг заболеваний сосудистой системы, которые можно выявлять с помощью современных матричных охлаждаемых тепловизоров, не ограничивается приведенным выше списком. В него включены только те заболевания, по которым обследовалось более 20 пациентов с заранее установленным диагнозом. По нашим оценкам все заболевания сосудов и процессы, происходящие в них, приводящие к изменениям температуры более чем на 0,3°С в области с линейными размерами > 0,5 см2, могут быть зарегистрированы с помощью тепловизоров класса комплекса «МЕД-ИК».

Остановимся теперь на некоторых возможностях современной тепловизионной техники, которые существенно увеличивают ее практическую ценность. В силу того, что тепловизионные обследования абсолютно неинвазивны, не требуют практически никаких расходных материалов, экспресны, могут проводиться с любой частотой и в режиме реального времени, тепловизионная техника может широко применяться для мониторинга лечения сосудистых заболеваний и оценки воздействия различных процедур и процессов на сосудистую систему.

То, что матричные тепловизоры работают в телевизионных режимах, позволяет использовать их для контроля в реальном времени различных операций и процедур на сосудах, например, визуально контролировать ввод тех или иных препаратов в сосуды.

2. Остановимся теперь на заболеваниях опорно-двигательного аппарата. Эти работы проводились по аналогичной схеме. Было обследовано 197 пациентов с установленными с помощью стандартных методов диагнозами и примерно 40 человек, не имеющих патологии опорно-двигательного аппарата. Как и следовало ожидать, все процессы, происходящие в тех элементах опорно-двигательного аппарата, находящихся сравнительно недалеко от поверхности человеческого тела и приводящие к изменению к изменению температуры, надежно регистрируются с помощью матричной тепловизионной техники. Проведенные в данной работе исследования показали, что с помощью тепловизионной техники можно выявлять следующие заболевания: остеохондроз шейного, грудного и поясничного отделов позвоночника, радикулиты различной этиологии, миозиты, заболевания суставов.

Как и в случае заболеваний сердечно-сосудистой системы, практически всегда, когда указанные выше заболевания выявлялись с помощью стандартных медицинских методов, наблюдались патологии в термограммах, которые соответствовали известной клинической картине заболеваний. Также на основе статистического анализа были созданы базы данных термограмм элементов опорно-двигательного аппарата в нормальном состоянии и элементов, подверженных одному из указанных выше заболеваний. Как и в случае заболеваний сосудов, в указанный выше список включены только те заболевания, по которым удалось набрать достаточное (> 20) число пациентов с заранее поставленным диагнозом. Нет сомнений, что любые заболевания и процессы, вызывающие изменения температуры элементов опорно-двигательного аппарата более, чем на 0,3°С, могут быть зарегистрировать с помощью современной матричной тепловизионной техники.

Эта техника также позволяет вести эффективный мониторинг лечения и контролировать воздействие различных процедур. Возможность дистанционной работы в телевизионном режиме позволяет в режиме реального времени вести сопровождение операций и процедур в режиме реального времени (например, визуально контролировать правильность выбора области воздействия).

3. Заболевания щитовидной железы. Было обследовано 53 пациента с установленными известными методами диагнозами образований в щитовидной железе. У пациентов с поставленными диагнозами заболеваний щитовидной железы они проявлялись практически всегда в виде области с повышенной температурой. Это открывает перспективы использования тепловизионной техники как для диагностики заболеваний щитовидной железы, так и для контроля воздействия различных препаратов и процедур. Так же как и в предыдущих случаях, созданы базы данных типичных термограмм щитовидной железы в различных состояниях. Абсолютная неинвазивность обследования и возможность получения объективной численной информации позволяют рассчитывать на создание методик массового профилактического осмотра, что немаловажно, учитывая высокую распространенность этого типа заболеваний, и существующую в настоящее время необходимость для постановки диагноза относительно сложных анализов.

4. Заболевания предстательной железы. По этому направлению было обследовано 8 пациентов с различными стадиями заболеваний, что не позволяет делать окончательные выводы. Тем не менее, можно утверждать, что термограммы предстательной железы в нормальном состоянии и на различных стадиях заболевания отличаются качественно. Недостаточная статистика не позволяет сделать окончательных выводов, однако перспективность продолжения работ в этом направлении не вызывает сомнений.

Результаты этой работы позволяют утверждать, что современные матричные охлаждаемые тепловизоры, работающие в диапазоне 3-5 мкм могут быть эффективно использованы для диагностики и мониторинга лечения широкого круга заболеваний, который может быть существенно расширен в результате проведения дальнейших научно-исследовательских работ. По нашему мнению, проведение дальнейших работ позволит разработать тепловизионные методы диагностики практически всех заболеваний органов, находящихся на сравнительно небольших расстояниях от поверхности тела и приводящих к изменению их температуры больше, чем на 0,3°С. Возможности тепловизионной техники для диагностики и мониторинга лечения в случае разработки надежных диагностических критериев будут существенно превосходить известные методы. Необходимо отметить также, что тепловизионные методы в отличие, например, от анамнеза и пальпации позволяют получать объективную информацию, которую можно выражать и в численных (количественных) данных и передавать в любые информационные сети, в том числе телекоммуникационные системы.

Учитывая также абсолютную неинвазивность метода, простоту и низкую стоимость обследований, широкие возможности обработки информации и передачи ее в информационные сети можно утверждать, что вероятность создания, эффективной тепловизионной методики диспансерных обследований, включающей при необходимости методы телемедецины, достаточно велика. Широкое же внедрение такой методики должно существенно повысить эффективность диспансеризаций и профилактических медицинских осмотров.

1. Н.Г. Гончаров, А.И. Алехин, С.И. Ляпунов, А.В. Пронин, В.П. Калинушкин, «Автоматизированный медицинский исследовательский комплекс»Мед-ИК», Здравоохранение и медицинская техника, 2005 г., №10, 36-38.