Термометрия

Температуру тела человека, как диагностический показатель здоровья, использовали еще во времена Гиппократа. И до сих пор мы, прикосновением руки можем предположить, нормальная у нас температура тела или она повысилась, и мы заболеваем. Для этого нам достаточно приложить тыльную поверхность кисти ко лбу и оценить наши тепловые ощущения. Правда, после этого, мы, конечно, проверяем правильность наших предположений. С этой целью проводим измерение температуры тела ртутным термометром, установив его в подмышечную область. Мы так привыкли к этому обязательному атрибуту нашей домашней аптечки, что даже не можем себе представить, что когда-то было иначе. Но ведь было. Правда, в очень давние времена, т.к. ртутный термометр известен уже с XVI века нашей эры.

То же самое относится и к оценке локальной, местной температуры в какой-то области нашего тела. Вспомните, что Вы делаете, если появились боли в каком-то участке тела, самопроизвольно или в результате полученной легкой травмы. Правильно! Сначала обследуем «больное» место нашими глазами: нет ли царапины, раны, не увеличилась ли эта область в размерах, а затем обязательно обследуем это место и руками. Мы хотим убедиться, нет ли локальной болезненности в этой области при прикосновении к коже, надавливании пальцами. И, конечно, уточним, не изменилось ли состояние температуры в этом участке. Если в результате подобного обследования установлено, что имеется местная болезненность, припухлость, да еще эта зона теплее, чем соседние участки или по сравнению с симметричной областью, то подобные признаки нас настораживают и заставляют предпринимать какие- то действия.

Формирование поверхностной температуры тела

Основным источником тепла в организме теплокровных животных и человека являются экзотермические реакции, возникающие при расщеплении молекул органических веществ, главным образом, углеводов и жиров, составляющих основу пищевых продуктов. В результате экзотермических биохимических процессов в клетках и тканях всех внутренних органов и систем образуется метаболическая энергия и тепло, вырабатываемое в большом количестве (50-100 ккал/ч).
Большая часть (около 53%) метаболической энергии поступает из внутренних органов (главным образом печени) и скелетных мышц, головного мозга (около 18%), и обеспечивает жизнедеятельность живого организма. Тепло распределяется внутри организма посредством его переноса с током крови (конвекции), осуществляемой артериальной и венозной циркуляцией.

Жизнедеятельность человека протекает в непрерывном тепловом обмене с окружающей средой. Количество тепла, выделяющееся в состоянии покоя в комфортных условиях, называется уровнем основного обмена (приблизительно 8000 кДж (125-175 Вт) или 160 кДж на 1 м 2 поверхности тела в 1 час).

Человек – неравновесная термодинамическая система. Работа этой системы направлена на поддержание постоянной температуры внутри организма. Ткани дистальных отделов конечностей (кисти и стопы) и поверхность лица являются специализированными областями физической теплоотдачи (теплорегуляции). При изменении внешних и внутренних условий теплообмена раньше и значительнее, чем в других областях, изменяется температура кожи дистальных отделов конечностей.

Главными температурными рецепторами кожи являются многочисленные нервные окончания. Информацию об изменении наружной температуры гипоталамус получает от около 150 000 периферических холодовых терморецепторов кожи (колбочки Краузе) и 16 000 тепловых рецепторов (тельца Руффини). Температурные рецепторы кожи расположены в различных слоях (холодовые терморецепторы — преимущественно на глубине 200- 400 мкм, тепловые – на глубине 400-600 мкм), что обеспечивает способность их реагировать как на температуру, так и на тепловой поток и его направление.

Температурное распределение по поверхности тела человека обусловлено преимущественно температурой кожи, которая определяется объемом кожного кровотока, собственной теплопроводностью, температурой ближайших (на расстоянии 1-2 см от поверхности кожи) внутренних органов, определяющих периферический кровоток.
Тепло, вырабатываемое организмом в процессе жизнедеятельности, от центральных областей через кожные покровы отводится в окружающую среду. Кожа — это граница раздела между телом и средой. Температура кожи определяется собственными физическими процессами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность– это передача тепла от более теплых внутренних органов через мышцы и жировую клетчатку к поверхности кожи. Основной фактор, блокирующий передачу тепла на поверхность, — ткань подкожно-жировой клетчатки, обладающая высокими теплоизолирующими свойствами.

Конвекция — это перенос тепла, который формируются в нашем организме в процессе его жизнедеятельности, по всему органам тела человека с током крови.
Основным способом регуляции интенсивности теплообмена кожи с внешней средой является изменение уровня периферического кровотока в сосудах кожи. Кратковременное увеличение температуры приводит к выраженному перераспределению кровотока к местам локализации артерио-венозных анастомозов, при сужении которых кровь преимущественно распределяется в поверхностных капиллярах, увеличивая теплообмен. Это сопровождается ростом кровотока сначала в коже подушечек пальцев рук (кровоток может возрасти даже на 600%), в ушных раковинах, ладонях, а затем стопах, а также расширением вен. Расширение артериол, напротив, уменьшает поверхностный кровоток.

Нормальный кожный кровоток составляет около 7% от сердечного выброса, и его изменение является первой реакцией на изменение температуры в пределах комфортных условий. Величина его нестабильна и меняется как при изменении температуры окружающей среды, так и при изменениях внутренней температуры. При малом уровне кровотока (около 1 мл/мин на 100 г ткани) температура кожи близка к температуре окружающей среды, а с его ростом (100 мл/мин на 100 г ткани) приближается к температуре внутренних органов. По расчетным данным изменения кожного кровотока от 2 до 5 мл/см2/мин ведут к изменению температуры кожи на 2о С.

Регуляция кровотока в густой сети капилляров кожи обеспечивается вегетативной симпатической нервной системой. Она способствует расширению или сужению просвета капилляров вплоть до полного их закрытия, что обеспечивает регуляцию температуры конкретных участков кожи и всего организма в целом. В норме в коже человека симметричные участки имеют одинаковый кровоток, картина которого устойчива и воспроизводима у каждого индивида.

Симпатическая нервная система анатомически тесно связана с соматической чувствительной нервной системой. Рецепторы симпатической нервной системы возбуждается в том же анатомическом участке, что и чувствительная порция соматической нервной системы, и дает ответную «сомато-симпатическую реакцию» через изменение кровотока в коже. Нервные связи между кожей и внутренними органами реализуются через рефлексы (висцеро-кожные), протекающие по типу аксон–рефлексов, либо сегментарных и проекционных рефлексов.

Излучение — это распространение тепла с поверхности кожи в окружающую среду. Тепловое излучение кожи зависит от функционального ее состояния, обусловленного физиологическими механизмами регулирования теплоотдачи и активностью локальных метаболических процессов.
Таким образом, колебания температуры кожных покровов обусловлены тем, что кожа, с одной стороны, подчиняется физическим законам и адаптируется к изменениям температуры окружающей среды, с другой, сама является средой, через которую совершается регуляция температуры тела.
В нормальных условиях равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей обеспечивает постоянство температуры тела (изотермию). Температура внутренней среды остается постоянной в чрезвычайно узких температурных границах и равна 37,0±1,0°С с определенным суточным ритмом.

Механизмы формирования температурных нарушений

Поверхностная температура тела человека в норме неодинакова в различных областях. Например, температура лица, головы, туловища всегда выше, чем температура на руках и ногах. Более того, даже на каждой из этих частей тела она не монотонна и есть локальные участки с разными её значениями. Подобное распределение участков с разными значениями температуры носит строго симметричный характер, т.е. температура конкретных участков правой половины тела и правых конечностей существенно не отличается от значений температуры симметричных областей левой половины.
Важно подчеркнуть, что эти закономерности характерны для всех людей, что служит основой для диагностики заболеваний по локальным изменениям поверхностной температуры в симметричных участках.

Регистрация температурных аномалий

Необходимость в объективной оценке локальной температуры вызвало появление методов её точного и быстрого измерения. В настоящее время существуют различные устройства, которые можно разделить на контактные и дистанционные, и соответствующие методы измерения температуры. Они позволяют тонко улавливать даже начальные стадии воспалительных, сосудистых и некоторых опухолевых процессов.
Мы сочли целесообразным дать общие представления о механизмах формирования температуры в организме человека и общие положения, которые бы отражали конкретные условия проведения обследований, исходя из анатомо-функциональных особенностей формирования тепловой картины различных областей в норме, а также при возникновении конкретных видов патологии.

Различают две разновидности температуры тела человека: поверхностная температура кожных покровов и тепловое радиояркостное излучение, идущее с кожных покровов. Первый вариант температуры регистрируется приборами контактного действия, второй – приборами, способными регистрировать тепловое (инфракрасное) излучение.

Измерение температуры контактными приборами

В этом случае регистрируется температура кожных покровов тех участков, к которым приложен прибор. Таким образом, принцип измерения приборами контактного действия заключается в прогревании кожными покровами нашего тела чувствительного элемента прибора. Учитывая, что наша температура имеют более высокие значения, а температура чувствительного элемента ниже и соответствует комнатной, то измерение осуществляется за счет теплопроводности, т.е. по кондуктивному механизму переноса тепла.

К контактным методам относятся ртутный термометр, термисторы и термопары, термочувствительные пленки, в частности, содержащие жидкие холестерических кристаллы.

Ртутный термометр представляет собой тонкую, запаянную с обеих сторон капиллярную трубку, из которой выкачан воздух. На нижнем конце этой трубки находится резервуар, заполненный ртутью. На планочке, к которой прикреплена трубка, нанесена шкала с делениями от 34 до 42 градусов Цельсия. Каждый градус подразделён на 10 меньших делений по 0,1^oС.

Хорошо знакомый всем термометр медицинский отличается от обычного ртутного термометра тем, что просвет на месте перехода капиллярной трубки в резервуар для ртути сужен и искривлён, что затрудняет движение ртути в этом колене. Поэтому, при нагревании ртуть медленнее достигает своего максимального уровня, но зато после прекращения нагревания ртутный столбик сам по себе не опускается, а продолжает показывать максимальную цифру на температурной шкале, до которой он дошёл. Поэтому, такой термометр еще называют максимальным. Чтобы столбик ртути опустился обратно в резервуар, ртутный термометр надо встряхнуть. Ртутный термометр остаётся наиболее распространённым прибором для измерения температуры тела.

Медицинский транзисторный термометр. В его основе – термический резистор, устройство, сопротивление которого изменяется с температурой.
Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры). Это датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов, обычно металлических проводников, реже полупроводников.

При соприкосновении с кожными покровами сопротивление термистора изменяется и отклоняет стрелка прибора. Этот прибор позволяет измерять температуру пациента за 4-5 сек. с погрешностью ±0,05°С.

Достоинства и недостатки контактных методов.

Медицинский термометр. По своим показателям наиболее близок к газовому термометру, который признан эталонным термометром. Поэтому, считается, что ртутный термометр точнее остальных термометров измеряет температуру тела. Низкая цена делает его доступным практически любому покупателю (обычно цена ртутного термометра не превышает 25-50 рублей). Допускает дезинфекцию, поэтому подходят для медицинских учреждений.
Основные недостатки: значительная продолжительность измерения — не менее 10 минут, содержит опасную для здоровья ртуть (около 2 граммов) и при этом легко разбивается.
Именно по этой причине ртутный термометр для измерения температуры тела в некоторых странах запрещён. Данная мера позволяет существенно сократить количество токсичной ртути, попадающей с мусором в окружающую среду.

Медицинский транзисторный термометр и термопара. Они имеют явное преимущество — позволяют определить показатели температуры с высокой точностью и очень быстро.

Однако, все эти контактные методы имеют главный недостаток. Они оценивают температуру всего организма по однократному измерению ее параметров в областях, где в норме она всегда строго постоянная. Это область подмышечной ямки, полость рта, прямая кишка!

Измерение температуры дистантными приборами

Другим вариантом оценки температуры является измерение тепловой излучательной способности тела человека.

В этом случае регистрируется не сама поверхностная кожная температура, а тепловое излучение, идущее с поверхности кожи от нашего тела, и поэтому она получила название радиояркостной температуры.

Попробуем объяснить это на примерах. Каким образом мы понимаем, что в деревенской избе жарко натоплена печка. Мы только вошли в дом, еще не дотронулись до ее стенок, а уже на расстоянии чувствуем, что она «пышет» жаром. Вот это и есть тепловое излучение.

Вы скажете, так это же печка. Её специально топили дровами, а мы то – люди, у нас всё по другому. Нет! То же самое. Представьте себе, что жарким летним днем вы едете в транспорте, где душно и много пассажиров. Вспомните свои ощущения. Правильно! Вам кажется, что ваш сосед, который стоит рядом с вами – это «раскаленная печка», и он тоже источник сильного тепла. Нечто подобное мы испытываем после парной бани, когда кожа у нас красная и горячая. В этом состоянии мы даже можем прыгнуть в снег или искупаться в проруби и не заболеть. Просто в этом случае в первые секунды, 1-2 минуты с холодной водой или снегом контактирует не наша кожа, а тепловая прослойка, которая сформировалась вокруг нашего разгоряченного тела.

Вот это и есть тепловое излучение нашего тела. Оно всегда присутствует, и мы постоянно отдаем его в окружающую среду. Просто в обычных условиях наше тепловое излучение имеет небольшую интенсивность и его можно зарегистрировать только специальными приборами, основным элементом которых являются высокочувствительные приемники – инфракрасные детекторы.

Чтобы понять, как эти приборы могут улавливать тепловое излучение не только от всего тела человека, но и от небольших по площади конкретных участков, что и необходимо для медицинской диагностики различных заболеваний, рассмотрим механизмы формирования радиояркостной температуры более подробно.

Радиояркостная температура

Каждое нагретое тело, в том числе и тело человека, является источником излучения по широкому спектру электромагнитного излучения, в том числе и особого вида, которое называется тепловым излучением. Человек, как биологическое тело, имеющее температуру в интервале от 31 до 42°С, является источником преимущественно инфракрасного теплового излу­чения, на который приходится около 85% всей тепловой энергии, продуцируемой нашим телом.

Именно поэтому значения радиояркостной температуры на 1-2 градуса ниже значений поверхностной кожной температуры, измеренной контактными методами.

Остальная часть теплового излучения приходится на другой спектральный интервал — сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон, в частности, сантиметровый и дециметровый.

Известно, что интенсивность собственного электромагнитного излучения тканей в инфракрасном диапазоне определяется температурой кожи. Однако, измерение теплового излучения тела человека в инфракрасном диапазоне дает истинную температуру только самого верхнего слоя кожи толщиной в доли миллиметра. Поэтому, измерение мощности электромагнитного излучения тканей пациента в этом диапазоне позволяет неинвазивно выявлять тепловые аномалии в основном кожных покровов, и только в ряде случаев — расположенные на глубине нескольких сантиметров.

О температуре подлежащих тканей и органов в инфракрасном диапазоне длин волн можно судить опосредованно и только когда температурные изменения “проецируются” на кожные покровы. Для оценки глубинной температуры необходимо использовать другие специальные приборы – медицинские СВЧ радиотермометры.

Тепловое излучение с точки зрения физики

Тепловое излучение возникает в результате возбуждения частиц вещества, содержащих электрические заряды (атомов, молекул, ионов и др.) Оно занимает особое место среди других видов излучения, благодаря его свойству находиться в равновесии с внутренней энергией излучающего тела. Это означает, что повышение температуры тела, вызванное поглощением тепла, компенсируется понижением его температуры, связанным с излучением энергии, (температуры, связанной с излучением энергии), что обеспечивает постоянство температуры нашего организма. В зависимости от температуры объекта, излучаемая электромагнитная энергия имеет не только неодинаковую величину, но и характеризуется разной длиной волны колебаний, т.е. имеет особые свойства, проявляемые в процессе дальнейшего взаимодействия с веществом.

Тепловое излучение, возникающее благодаря движению электронов, имеющих малую массу и удерживаемых в положении равновесия значительными силами, имеет достаточно высокую частоту электромагнитных колебаний. В повседневной жизни мы часто используем свойство электромагнитных волн переносить информацию на большие расстояния (радио, телевидение). Эти качества волн используются и в медицине.

Электромагнитные волны распространяются по всему объему тела организма, достигают поверхности и, пройдя через кожу, частично излучаются в окружающую среду. Интенсивность этих процессов пропорциональна температуре тела, а, следовательно, его излучательной способности.

Истории открытия

В 1832 году Фарадей высказал предположение о существовании электромагнитных волн. В 1865 году Максвелл теоретически доказал, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, из чего ученый сделал вывод, что и свет представляет собой, по существу, электромагнитные волны. Герц в 1888 году в опытах подтвердил правильность теории Максвелла. Эти научные открытия позволили доказать, что рентгеновские лучи, гамма лучи, ультрафиолетовые лучи, лучи, формирующие видимый спектр света, инфракрасные и радиоволны различных диапазонов длин волн (миллиметровый, сантиметровый, дециметровый, метровый) – все это различные диапазоны электромагнитных колебаний с длиной волны от нуля до бесконечности. Причем, на этой шкале электромагнитных волн между двумя соседними диапазонами нет резкой границы.

Поскольку движение частиц хаотическое, они создают и электромагнитные колебания различной длины. Коренное различие, определяющее свойства конкретного диапазона, заключается в длине волны. В частности, электромагнитные колебания с длиной волны в диапазоне от 0,38 до 0,76 мкм (микрометров) соответствуют области чувствительности глаз человека и, действуя на сетчатку глаз, вызывают ощущение света — видимый спектр света, состоящий из гаммы цветов от красного до фиолетового (красный – оранжевый – желтый – зеленый – голубой – синий – фиолетовый). Со светом всегда связывалось ощущение тепла. За фиолетовой частью видимого спектра света находятся невидимые ультрафиолетовые лучи, имеющие длину меньше 0,38 мкм. За красной частью спектра находятся невидимые инфракрасные лучи, имеющие длину больше 0,76 мкм.

Инфракрасное или тепловое излучение – также один из частных видов электромагнитных волн. На существование невидимых глазом тепловых лучей, указывал еще в 1791 год французский философ и физик Пьер Прево. Однако, честь их открытия в 1800 году принадлежит английскому физику Уильяму Гершелю, который дал им название “инфракрасные лучи”, т.е. лежащие за красной частью видимого спектра света. Нижняя граница инфракрасного излучения лежит в том участке спектра, где глаз перестает видеть (около 0,780 мкм), а верхняя – примыкает к области микроволн (около 1 мм).

Создание первой так называемой “тепловой картины” стало возможным в 1840 г. в результате работ сына Уильяма Гершеля – сера Джона Гершеля. Получение изображения основывалось на различной скорости испарения тонкой пленки масла под воздействием сфокусированного на ней теплового излучения и наблюдении интерференционной картины в отраженном свете. Серу Джону Гершелю удалось также получить примитивную запись тепловой картины на бумаге, которую он назвал “термограммой”.

Известно, что ткани человека, как и любого нагретого тела, излучают электромагнитные колебания в широком диапазоне частот (инфракрасном, миллиметровом, сантиметровом), но основная часть — около 85% всей тепловой энергии, приходится на инфракрасный диапазон. Интенсивность теплового излучения тела человека в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне на несколько порядков меньше, чем в ИК части спектра. В частности, на длине волны 17 см она меньше в 10 раз.

При прочих равных условиях, чем больше длина волны, тем больше глубина, с которой можно регистрировать температурные возмущения. Именно поэтому для регистрации тепловых сигналов в СВЧ диапазоне требуется аппаратура с более высокой чувствительностью. Преимуществом данного диапазона измерений является то, что глубина проникновения излучения гораздо больше, и можно получать данные о температурных параметрах от внутренних органов и структур тела человека, однако, значительно уменьшается пространственная разрешающая способность, вследствие чего нельзя получить тепловой портрет исследуемой области.

Инфракрасная термометрия

Прорывом в оценке исследования радиояркостной температуры различных объектов, в том числе и тела человека, в инфракрасном диапазоне длин волн, стало появление в конце 60-х годов прошлого века медицинского тепловидения.

Основным элементом всех дистанционных методов регистрации ИК лучей является чувствительный приемник инфракрасного излучения.

Данные приборы преобразуют невидимые глазом человека излучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем вновь преобразуется в видимое изображение объекта. В зависимости от повышения или понижения местной температуры на фоне привычных очертаний органа или конечности, усиливается или, напротив, ослабевает свечение тканей в области патологии.
Тепловизионный метод отличается абсолютной безопасностью, простотой и быстротой обследования, отсутствием каких бы то ни было противопоказаний. Инфракрасная термография является уникальным неинвазивным методом диагностики и контроля состояния больного при нарушениях, имеющих широкий диапазон. Это – надежный, воспроизводимый метод, не уступающий по чувствительности и специфичности другим диагностическим методам.

Тепловидение даёт одновременное представление об анатомо-топографических и функциональных изменениях в поражённой зоне. Когда на мониторе создается тепловой портрет объекта, то с помощью условных различий яркости или окраски элементов видимого изображения отмечается разница температур его участков.

Информация взята с сайта разработчиков ЗАО «СЕМ^®-Технолоджи» www.cem-tech.ru