Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno1 Přednášky z lékařské biofyziky Biosignály a jejich zpracování, měření teploty Systém Obecný pojem, který vyjadřuje obvykle nějaké uspořádání prvků a vztahů mezi nimi Definice: Systém je dvojice množin (P,V), kde P je množina prvků a V je množina vztahů mezi nimi. Příklady systémů: Fylogenetická klasifikace živočichů Blokové schéma mikroskopu Metabolické dráhy https://www.healthcentral.com/condition /thyroid/thyroid-gland-overview Jak souvisí signály a systémy? Systém je zdrojem signálu Signál je průchodem systému modifikován Modifikace záměrná: zpracování signálu, filtrace Modifikace nežádoucí: poruchy, šum Co je to šum? Ve zpracovávání signálu může šum znamenat data bez významu, tedy data, která nejsou použita pro přenos signálu a jsou jen produkována jako nechtěný vedlejší produkt jiných aktivit. 4 Co to je biosignál? Zjednodušeně lze říci, že jej chápeme jako měřenou hodnotu napětí U, která poskytuje biologickou informaci. Příklady: EKG je U(t) biosignál, který poskytuje informaci o fyziologii nebo patologii srdce. U sonogramu je biosignál U napětí, které vzniká v elementárním elektroakustickém měniči v důsledku zachycení odrazu ultrazvuku od tkáňové struktury Digitální rentgenový snímek je biosignál U(x, y), u kterého hodnota napětí odpovídá každému pixelu o souřadnicích (x,y). 3-D MRI obraz je biosignál U(x,y,z), u kterého hodnota napětí odpovídá každému voxelu o souřadnicích (x, y, z) v těle pacienta. 5 Druhy biosignálů (obecněji chápané) ▪ Můžeme je registrovat v důsledku spontánní aktivity biologického systému -nativní signály anebo jako důsledek nějakých úmyslných podnětů - evokované signály. ▪ Z hlediska současné medicíny – nejčastěji znázorňujeme biosignály v podobě závislosti napětí na čase a poloze ▪ AKTIVNÍ (vlastní, generované): zdrojem energie je sám biologický objekt, např. EKG. ▪ PASIVNÍ (modulované): vznikají při interakci „vnější“ energie s biologickým objektem, např. rtg snímek, MRI obraz, ultrazvukový obraz. ▪ Příčina aktivních elektrických biosignálů: Živá buňka transportuje ionty přes membránu a vytváří na ní takto napětí, které se může měnit v čase. Většina buněk ve tkáních však nevytváří elektrické napětí synchronně, nýbrž víceméně náhodně. Většinou je tudíž výsledné napětí nulové – náhodná napětí se vzájemně ruší. Je-li mnoho buněk synchronně aktivních, vytvářejí výsledné napětí, které je dobře měřitelné. Např. při svalové kontrakci většina buněk vlákna jeví stejnou a synchronní elektrickou aktivitu a na svalu se objevuje měřitelné elektrické napětí. Biosignál Proces zpracování biosignálů – „elektrické povahy“ Snímání zesílení a úprava zobrazení a záznam EKG, EMG, EEG, membránový potenciál, ... • Snímací elektrody • Zesilovač, propusti, filtry, vzorkovací zařízení, A/D převodník (viz další snímek) • Záznamové zařízení – monitor, paměťová media – hdd, flash pamět, optická media Odpadá nutnost převést vlastní fyzikální rozměr biosignálu do podoby „napětí“. Co ale v případě takových fyzikálních veličin jako je rychlost, tlak, síla??? Proces zpracování biosignálů – „mechanické povahy“ Snímání zesílení a úprava zobrazení a záznam mechanoelektrický převodník + A/D převodník A/D př. = Analogový signál digitální signál (spojitý) (diskrétní) mechanoelektrický př. = mechan. signál signál elektr. povahy Vzorkovací frekvence f Nyquistova frekvence fN max. 2 fN = f Shannon-Nyquist-Kotelnikův teorém říká:„Vzorkovací frekvence musí být více alespoň dvojnásobkem, největší frekvence vzorkovaného signálu.“ lidské ucho vnímá max. 22 kHz => vzorkovací frekvence 44,1 kHz. http://cnx.org měření a registrace mechanických veličin Vzorkování signálu vzorkování signálu v čase – jde o odběr vstupního signálu v definovaných okamžicích, daných vzorkovacími impulsy kvantování vzorků v úrovni – odebraný vzorek je zaokrouhlen na hodnotu odpovídající nejbližší kvantovacíúrovni kódování - kvantované hodnoty jsou vyjádřeny čísly v určitém kódu vzorkovací frekvence Kvantování signálu - v libovolném okamžiku nabývá pouze konečného počtu hodnot a ke změně hodnoty signálu může dojít v libovolném čase. Proces diskretizace oboru hodnot signálu. Digitální signál - je vzorkovaný a následně kvantovaný. Vzorky, mohou nabývat pouze omezeného počtu hodnot- posloupnost celých čísel. Při převodu A na D signál → ztráta informace. Řešení → Zvyšováním vzorkovacího kmitočtu a počtu úrovní kvantizace. Binární soustava Nuly a jedničky ? TTL (transistor-transistor-logic; tranzistorově-tranzistorová logika) je technologie logických integrovaných obvodů, vycházející z použití bipolárních křemíkových tranzistorů. Původní obvody technologie TTL používají napájecí napětí 5 V (± 0.25 až 0.5 V), z čehož vyplývá pro logickou jedničku napětí přibližně 5 V, pro logickou nulu napětí přibližně 0 V. Napětí 0 V až 0,8 V se interpretuje jako logická 0, napětí 2 V až 5 V se interpretuje jako logická 1. Na výstupu by měl TTL nebo TTL kompatibilní obvod zajistit napětí pro logickou jedničku napětí 2,7 V až 5 V, pro logickou nulu 0 až 0,3 V. Současná (2021) digitální logika většinou používá nižší napěťové hladiny (3.3 V; 2.5 V, 1.8 V i nižší). Převod čísla 57: Dokud je číslo větší než 0 dělíme dvěma a zapisujeme zbytky po dělení v opačném pořadí, než jsme je vypočetli: Různé napěťové kódování binárních signálů Záznam obrazové informace 13 CCD Charge-coupled device, Willard Boyle a George E. Smith v roce 1969, 2009 NC Fotoelektrický jev – „fotoefekt“, elektrony jsou uvolňovány z látky v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou. Foton při nárazu do atomu, excituje elektron http://www.kenrockwell.com/canon/6d/D3S_9073-0600.jpg Polovodiče – volné elektrony vedou proud CCD - elektroda je od polovodiče izolována vrstvou oxidu křemičitého – izolant. Elektrony nemohou být odvedeny. http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_1760.gif 17 Digitální plošné snímače obrazu – Flat panel detektory Fotodiodové světelné senzory z amorfního křemíku (aSi) Plošný snímač obrazu je složen z řady velmi malých senzorů. Luminiscenční vrstva CsI (iodid cesný, nutná pro snížení pacientské dávky, protože aSi neabsorbuje dobře rentgenové záření Elektrický signál Přímá digitalizace – vrstva amorfního selenu Nepřímá digitalizace – aSi, CsI V případě diskrétní konvoluce lze jádro chápat jako tabulku (konvoluční maska), kterou položíme na příslušné místo obrazu. Každý pixel překrytý tabulkou vynásobíme koeficientem v příslušné buňce a provedeme součet všech těchto hodnot. Tím dostaneme jeden nový pixel. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c5/Konvoluce_2rozm_diskretni.jpg/330px-Konvoluce_2rozm_diskretni.jpg Co měříme? - průměrný lineární koeficient zeslabení µ mezi rentgenkou a detektorem 2D projekce- Měření absorpce rtg záření v řadě detektorů kolmo k podélné ose těla a při natočení systému rentgenka-detektor kolem osy těla CT https://radiologykey.com/physics-and-instrumentation-in-doppler-and-b-mode-ultrasonography/ 20 Sonografie SPECT Jedno-fotonová emisní tomografie – gamma isotopy (99Tc) Detektor (gamma kamera) s kolimátorem obíhá kolem pacienta a detekuje rozložení radiofarmaka v těle. 21 22 Měření biosignálů elektrické povahy Aktivní biosignály: vždy potřebujeme zařízení, které se skládá ze tří částí: A) Snímací elektrody: umožňují vodivé spojení vyšetřované části těla s měřicím systémem. (EKG) B) Zařízení na zpracování signálu (včetně zesilovače, AD převodníku, filtrů pro odstranění šumu a nežádoucích frekvencí atd.) C) Záznamové zařízení (dnes obvykle monitor nebo zapisovač/tiskárna) Pasivní biosignály (též aktivní neelektrické): snímací elektrody jsou nahrazeny čidly - měniči (např. čidla rtg záření u digitálního rtg přístroje nebo teplotní čidla). Elektrody EKG na jedno použití 23 Monitorování biosignálů na jednotce intenzivní péče 24 Elektrody pro měření aktivních biosignálů Polarizovatelné (elektrody vytvářejí proměnlivý vlastní kontaktní potenciál v důsledku elektrochemické reakce) nebo nepolarizovatelné (mají konstantní vlastní potenciál) ➢Polarizovatelné elektrody: měření je nepřesné, protože elektrodové napětí je proměnlivé, např. v důsledku vlhkosti (pocení), chemického složení okolního prostředí atd. Většina polarizovatelných elektrod se vyrábí z ušlechtilých kovů. V případě koncentrační polarizace se v okolí elektrody mění koncentrace iontů v důsledku elektrochemických procesů. V případě chemické polarizace dochází k uvolňování plynů na povrchu elektrod. ➢Nepolarizovatelné elektrody: přesné měření biopotenciálů. V praxi se nejčastěji používá elektroda stříbrochloridová (Ag-AgCl). 25 Snímací elektroda (misková, nepolarizovatelná) Insulant = izolant 26 Elektrody pro měření aktivních biosignálů ➢Makro- nebo mikroelektrody. Mikroelektrody se používají pro měření biopotenciálů jednotlivých buněk. Mají malý průměr hrotu (<0,5 m) a jsou vyrobeny z kovu (polarizovatelné) nebo skla (nepolarizovatelné). Skleněné mikroelektrody jsou kapiláry s otevřeným koncem, naplněné elektrolytem o standardní koncentraci. ➢Povrchové elektrody jsou kovové destičky různého tvaru a velikosti. Dobrý elektrický kontakt je zajišťován vodivým gelem. Jejich tvar je často miskový. ➢Vpichové elektrody se používají pro snímání biopotenciálů z malých oblastí tkáně. Vyrábějí se z ušlechtilých kovů a používají zejména pro měření svalových biopotenciálů nebo dlouhodobé snímání potenciálů srdečních či mozkových. 27 Bipolární a unipolární dvojice elektrod Při bipolární aplikaci jsou obě elektrody diferentní, tj. umístěné do elektricky aktivní oblasti. Při unipolární aplikaci je jedna elektroda diferentní (maloplošná), umístěná v elektricky aktivní oblasti. Druhá elektroda je indiferentní (většinou velkoplošná), umístěná v elektricky neaktivní oblasti. Výjimka: Wilsonova svorka používaná v EKG. Bipolární elektrodový pár při EKG – zobrazení 1. končetinového svodu (lead I) Během šíření akčního potenciálu myokardem vznikají v oblastech rozhraní rozdílného potenciálu místní elektrické proudy, to vede ke vzniku elektromagnetického pole. Elektrokardiogram 47 EEG Elektroencefalografie ➢-vlny: f = 8-13 Hz, amplituda (A) max. 50 V. Tělesný a duševní klid. ➢-vlny: f = 15 - 30 Hz, A = 5 - 10 V. Zdraví lidé za plné bdělosti. ➢ϑ- vlny: f = 4 - 7 Hz, A > 50 V. Fyziologické u dětí, u dospělých patologické. ➢- vlny: f = 1 - 4 Hz, A = 100 V. Za normálních okolností se vyskytují v hlubokém spánku. V bdělém stavu jsou patologické. V záznamu EEG se mohou objevit i vzory elektrické aktivity, charakteristické pro různá mozková onemocnění. Např. komplexy hrot-vlna u epilepsie. Mozkové biopotenciály mohou být spontánní nebo evokované (vyvolané). Evokované potenciály mohou být způsobeny stimulací sensorickou (zrak, sluch) nebo přímou, např. impulsy magnetického pole. Poznámka: Při uvádění frekvencí a amplitud jednotlivých „vln“ je literatura velmi nejednotná. 48 Colour Brain Mapping (barvy představují intenzitu elektrické aktivity jednotlivých částí mozku) Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) 52 Artefakty Definice: Prvky (rysy) signálu, které nevznikají v cílové tkáni. Vznikají pohybem pacienta, působením elektromagnetického pole v prostředí (rušením, např. 50 Hz síťová frekvence, mobilní telefony), v důsledku pocení etc. Specifickým problémem může být nesprávné umístění (přehození) elektrod, např. u svodů EKG. Elektrodový systém musí být pečlivě kontrolován. 53 EKG Artefakty 50Hz střídavého proudu superponováno na signál EKG Svalový třes Pohyb izoelektrické linie v důsledku pohybu pacienta, nečistých elektrod, uvolněných elektrod… http://mauvila.com/ECG/ecg_artifact.htm Přehozené svody končetinové hrudní Lékař musí poznat!!!!!! 55 Některé artefakty EEG Artefakt způsobený pulzovou vlnou: pohyb elektrody vzniká v důsledku pulzování tkáně pod elektrodou. Artefakt způsobený EKG signálem: Elektrody snímají i EKG. Oba druhy artefaktů jsou snadno rozpoznatelné, protože jsou periodické. http://www.brown.edu/Departments/Clinical_Neurosciences/louis/artefct.html 56 Měření teploty MOTTO: Jestliže je nějaká část lidského těla teplejší nebo i chladnější než okolní části, je nutné hledat ohnisko nemoci v tomto místě. Hippokrates 57 Hlavní důvody pro měření teploty ➢Sledování nemocných pacientů ➢Sledování fyziologický (psychofyziologických) reakcí ➢Sledování léčby hypertermií ➢Laboratorní experimenty Problémy, které musíme při měření teploty brát v úvahu: ➢ přesnost ➢ doba odpovědi (ustálení teplotního údaje) ➢ invazivita ➢ tepelná kapacity a vodivost čidla 58 Termometrie – bodové měření teploty ➢ Kontaktní ➢ Bezkontaktní Termografie – sleduje rozložení hodnot teploty na povrchu těla ➢ Kontaktní – tekuté krystaly ➢ Bezkontaktní – Termovize (jiná přednáška) Měření teploty v diagnostice 59 Kontaktní termometrické metody 1) Metody založené na teplotní roztažnosti (dilataci) různých látek - kapalinové teploměry - rtuť a alkohol 2) Metody založené na změnách elektrických vlastností vodičů nebo polovodičů - odporové teploměry - termistory - termočlánky Bezkontaktní termometrické metody - radiační teploměr Měření teploty v diagnostice 60 Lékařský maximální teploměr - rtuťový: Má zúženou kapiláru, která brání návratu rtuti do rezervoáru Nevýhoda: dlouhá doba odpovědi (doby nutné pro stabilizaci teplotního údaje – 3-5 min.) V lékařské praxi se již nepoužívá kvůli toxicitě rtuti (Galinstan). Lékařský rychloběžný teploměr: Lihová náplň – kapilára není zúžena, teplota se musí odečítat během měření (in situ), doba odpovědi max. 1 min. Dilatační teploměry 61 Kapalinové teploměry Maximální a rychloběžné teploměry Orální nebo axilární maximální Rektální rychloběžný 62 Digitální teploměr ODPOROVÉ SNÍMAČE - TERMISTOR Čidlem a tedy převodníkem teploty je (elektrický) odpor Elektrický odpor je závislý na teplotě (pro převod musíme znát VA charakteristiku – není lineární). Materiály měrného odporu: Mn, Pt, Ni, Cr, Cu nebo slitiny Rh-Fe, PtRh-Fe, CrNi. Teplotní závislost odporových senzorů teploty Termočlánek Pracují na principu vzniku termoelektrického napětí v místě (bodě) spojení (svaru) dvou vhodných materiálů s rozdílným termoelektrickým potenciálem. Vlastnostmi použitých kovů je pak dán i pracovní rozsah měřených teplot. Seebeckův jev - převod tepelné energie na elektrickou. V teplejší části vodiče mají nositelé náboje větší energii a difundují do chladnějších míst ve větším množství než nositelé z chladnějších míst Termočlánky jsou složeny (spojené svařením, pájením) vždy ze dvou kovů různého materiálu. V uzavřeném obvodu protéká proud pouze tehdy, pokud mají spoje různou teplotu. Při rozpojení obvodu můžeme naměřit napětí, které bude závislé na rozdílu teplot na spojích U= α . (t2 – t1) Používají se pro rozsah teplot od -50 až do + 650°C KAPALNÉ KRYSTALY • Citlivost – okolo 0,1 ºC • Výchozí teplota –teplota, při níž začíná změna barvy • Teplotní interval – 25 - 42 ºC • Prostorové rozlišení - množství rozeznatelných barev • Tepelná setrvačnost – doba setrvání barvy po změně teploty Zápatí prezentace 66 https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.scirp.org%2Fhtml%2F7- 1010105_42466.htm&psig=AOvVaw0RT6Z8OJxpaIdB_E09Q8BU&ust=1624443337458000&source=images&cd=vfe&ved=0CAoQjR xqFwoTCLjAqJKBq_ECFQAAAAAdAAAAABAL https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.sciencephoto.com%2Fmedia%2F264184%2Fview%2Fliquid- crystal-thermography-of-a-back- injury&psig=AOvVaw0RT6Z8OJxpaIdB_E09Q8BU&ust=1624443337458000&source=images&cd=vfe&ved=0CAoQjRxqFwoTCLjAqJ KBq_ECFQAAAAAdAAAAABAX 67 Teploměr s IR čidlem pro měření teploty „z ucha“ Výměnný hygienický nástavec Ušní teploměr Ušní teploměry: Jejich principem je měření infračerveného záření, které je vyzařováno z oblasti bubínku. Teplotní údaj se získává pouze jednu sekundu po přiložení čidla k distálnímu konci zvukovodu. Tyto přístroje jsou velmi vhodné pro malé děti, měření je rychlé a jemné. 68 Infračervené radiační teploměry pro běžné použití (i nelékařské) Některé IR teploměry jsou vybaveny laserovým zaměřováním měrného bodu. Elektromagnetické spektrum • IR-A (760 nm – 1,4 μm) • IR-B (1,4 – 3 μm) • IR-C (3 – 1000 μm) Zdroje infračerveného záření • 760 nm – 1mm • Ve vakuu se šíří rychlostí světla a platí pro něj stejné zákony jako pro viditelné světlo (lom a odraz, interference,…) • infračervené záření může generovat hmota s teplotou vyšší než je absolutní nula (0K) • velikost zářivého toku generovaného tepelným zdrojem, spektrální složení a směr šíření závisejí na vlastnostech a teplotě zdroje. (zvýšení teploty = vzrůst energie zářivého toku, kratší vlnové délky ) • infračervená radiace je proud fotonů • Pro infračervené záření platí zákony vlnové optiky (odraz, lom,..) • ideální těleso, které pohlcuje veškerou radiaci na něj dopadající, bez ohledu na vlnovou délku a úhel, pod kterým na těleso dopadá • pokud je AČT zdrojem radiace je ideální absorber i emiter radiace • vyzařuje na všech vlnových délkách při dané teplotě maximální dosažitelnou energii zářivého toku • Pro infračervené záření platí zákony vlnové optiky (odraz, lom,..) Absolutně černé těleso Stefan-Boltzmannův zákon Wienův posunovací zákon spektrální měrná zářivost Lλ,T spektrální intenzita vyzařování Mλ,T ·π :∂λ Vztahy mezi jednotlivými zákony   0 celkový zářivý výkon Me,T 0 Planckův vyzařovací zákon Planckův vyzařovací zákon ]μmcmsr[W e λ C (T)L λT Ce,λ 121 5 1 1 2 ---  - = • základní zákon tepelného vyzařování AČT • Záření o frekvenci f může být vyzařováno, nebo pohlcováno jen po kvantech energie o velikosti e = h . f . L……… spektrální měrná zářivost h........Planckova konstanta 6,6256 · 10-34[J · s] kB....... Boltzmannova konstanta 1,3807 · 10-23[J · K-1] c......... rychlost světla 2,9979 · 108[m · s-1] C1......1. vyzařovací konstanta 1,191 · 10-16[W · m2] C2......2. vyzařovací konstanta 1,4388 · 10-2[K · m] Bk ch ChcC == 2 2 1 2 , Planckův vyzařovací zákon spektrální měrná zářivost L (výkon generovaný z jednotky plochy povrchu zdroje na dané vlnové délce do jednotkového prostorového úhlu) při absolutní teplotě zdroje T [K] v energetickém tvaru Spektrální intenzita vyzařování absolutně černého tělesa M v energetickém tvaru: ]12 -- = mcmWTLTM ee   )[,(),( ,, spektrální měrná zářivost L (výkon generovaný z jednotky plochy povrchu zdroje na dané vlnové délce do jednotkového prostorového úhlu) při absolutní teplotě zdroje T [K] v energetickém tvaru • V grafu jsou vidět křivky spektrální měrné zářivosti [W.sr-1.m-2.m-1] pro 3 různé teploty [K]. (300,350 a 400K) Planckův vyzařovací zákon Stefan-Boltzmanův zákon ][)( 24 = cmWTTM ee  • Vyjadřuje intenzitu vyzařování AČT. • Výsledná intenzita vyzařování černého tělesa je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty (T): • σ = 5,6697.10-8 W.m-2.K-4 • Lze vyjádřit integrací Planckova vyzařovacího zákona: ][ 15 2 ),()( 244 32 45 0 , -  ===  cmWTT hc k dTMTM eee    • Závislost celkového zářivého výkonu [mW.cm-2] na teplotě [K]. Stefan-Boltzmanův zákon Wienův posunovací zákon ][28980 ),( max , KmT TMe ==      • maximum spektrální intenzity vyzařování se mění v závislosti na teplotě, odpovídající vlnovou délku lze stanovit vyhledáním lokálního extrému odpovídajících funkcí • z toho vyplývá, že čím je těleso teplejší, tím vyzařuje na kratších vlnových délkách a tedy na vyšších frekvencích • Závislost vlnové délky [μm] na teplotě [K]. Wienův posunovací zákon Emisivita - ε vyjadřuje zhoršení vyzařovacích vlastností zdroje ve srovnání s absolutně černým tělesem koeficient emisivity nabývá hodnot 0 až 1. koeficient emisivity je závislý na: typu materiálu zdroje vlastnostech povrchu zdroje vlnové délce teplotě materiálu směru vyzařování AČT ),( ),( ),( , , TM TM T e zdrojee      = Koeficient emisivity materiál teplota v °C spektrum emisivita kůže lidská 32 T 0,98 dřevo 17 SW 0,98 voda destilovaná 20 T 0,96 cihla (červená, hrubá) 20 T 0,88–0,93 papír bílý 20 T 0,7–0,9 voda sníh –10 T 0,85 titan leštěný 1000 T 0,36 stříbro leštěné 100 T 0,03 Konstrukce • IR radiometrické systémy pracují na principu srovnávání neznámé měřené intenzity vyzařování snímaného objektu se známou intenzitou vyzařování vnitřního referenčního zdroje • systém vyhodnocuje diferenci mezi zářivým tokem snímaného objektu a zářivým tokem referenčního zdroje (Φ-Φref) • detektor je střídavě ozařován radiačním signálem ze snímaného objektu a radiačním signálem od optického modulátoru – referenčního zdroje • zavádění referenčního signálu časově odpovídá zpětnému běhu optických rozkladových prvků skeneru do výchozích bodů řádku, snímku Detektory detektor IR záření v infrazobrazovacích systémech převádí zářivou energii na jiné formy energie (na elektrický signál) selektivní (fotonové) neselektivní (tepelné) IR detektory bolometrické mikro- bolometrické mozaikové mikrobolometrické Selektivní - fotonové detektory • využívají přímé přeměny dopadajícího záření na elektrický náboj, elektrický proud • kvantové detektory jsou polovodičové systémy (tellurid rtuťnokademnatý HgCdTe) • dopadající záření přímo excituje elektrony • jejich počet a tedy i velikost výstupního elektrického signálu je úměrný intenzitě záření • nutnost chlazení Selektivní - fotonové detektory  m Q ch g c  . = Základem je fotoelektrický jev: je-li energie elektronu ve valenčním pásmu, která mu byla předána fotonem záření, dostatečná k překonání zakázaného pásma Qg , elektron opustí valenční pásmo a pohybuje se v pásmu vodivostním (vznik párů elektron-díra). Minimální energie fotonu (vlnová délka) je dána šířkou zakázaného pásma. λc........mezní vlnová délka Qg.......zakázané pásmo energie [eV] Bolometrické detektory • tepelné detektory • v závislosti na ohřátí (absorpce energie IČ záření) se mění vlastnosti materiálů (elektrický odpor detektorů) • charakteristická veličina: teplotní součinitel odporu α: • odpor elektrických vodičů s rostoucí teplotou stoupá: α má kladnou hodnotu • odpor R[Ω] elektrických polovodičů s rostoucí teplotou T[K] klesá: α má zápornou hodnotu FLIR ONE gen 2 Vybavení pro měření IR na Biofyzikálnímu ústavu LF MU, Brno FLIR B200 Fluke Ti30 Seek Thermal Workswell WIC-640 Infratec VarioCam HD Flir i7 Dias CS 500 TERMOGRAM A. 160x120 B. 320x240 C. 640x480 D. 640x512 fotonový InSb E. 1344x784 fotonový Rozlišení termogramů Využití v průmyslu, stavebnictví a energetice Tepelné izolace Tepelný most- únik tepla Biofyzikální ústav LF MU Uzávěr vodovodního Biofyzikální ústav LF MU Teplotní rozdíl mezi polystyrenem zateplenou stavbou (vpravo) a běžnou fasádou. Tepelná ztráta radiátoru a nedoléhavého okna Inspekce materiálů Chybný elektrický rozvod - inspekce "Electrical fault" by Hotflashhome - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electrical_fault.jpg#medi aviewer/File:Electrical_fault.jpg Vadný elektrický kontakt http://bradyinfrared.com/wp-content/uploads/2011/03/electrical- panel-scans.jpg Využití IRT ve veterinární medicíně Paznehty Kontrola přiměřeného utažení obvazu – první případ jeho nadměrné utažení se zamezením proudění krve do končetiny snímky použity z prospektů firmy FLIR Využití v medicíně Výhody bezkontaktní termografie neinvazivnost jednoduchost bezpečnost pro pacienta i obsluhu nízká cena vyšetření Nevýhody bezkontaktní termografie ̶ Příprava pacienta a parametry okolního prostředí (ordinace) ̶ Emisivita a povrch snímaného objektu ̶ Rozdílná hodnota teploty jednotlivých částí těla v rámci populace – variabilita ̶ Srovnávací metoda ̶ Měření pouze povrchové teploty •chorobou postihnuté místo vydává jiné množství tepla než okolité zdravé tkáně •na termogramu se to projeví změnou v rozdělení teploty tělesného povrchu, co může být hodnoceno jako nespecifický příznak nemoci •Neochlupený a suchý povrch lidského těla se chová jako téměř dokonalé černé těleso a to nezávisle na barvě pokožky – nutné dodržet protokol měření pacienta! Monitorování zvýšené teploty / horečky • termovizní kontroly na letištích (chřipkové epidemie) Zápatí prezentace 105 Tchaj-wan Letiště Taipei – 4/2019 Zápatí prezentace 106 107 Metodika aplikace pro screening horečky https://workswell.cz/infrakamera-pro-screening-onemocneni-infekce-nejen-na-letiste/ Historie termografie Počátky v 50. letech 20. století https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666506920300420 Sportovní medicína Zápatí prezentace 111 Fyzioterapie Tendiopatie achilovy šlachy Infrared thermography in the diagnosis of Achilles tendinitis. A randomized double-blind pilot clinical trial Zápatí prezentace 112 Zhmoždění loktu zánět v oblasti lůžka nehtu palce Sledování antihistaminické aktivity Stimulace a sledování teploty pomocí kapsaicin u Oftalmologie Skleritida (zánět bělimy) – vyšši teplota Keratitida (zánět rohovky oka) – nižší teplota 115 Vliv čočky a ochlazení oka po vyjmutí čočky (obr B a obr C) plísňový rohovkový vřed na levém oku, který vyvolal zvýšení teploty rohovky o 1,2 ◦C Detekce karcinom prsu "BreastCancerRightSamplel" by Philiphoekstra (talk) (Uploads) - Transferred from en.wikipedia to Commons.. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:BreastCancerRightSamplel.jpg#mediaviewer/File:BreastCancerRightSamplel.jpg Dynamická termografie National Taiwan University – Imaging center Mercer J. Medical Imaging Research Group, Department of Clinical Medicine, Faculty of Health Sciences, UiT - The Arctic University of Norway, Tromsø Mercer J. Medical Imaging Research Group, Department of Clinical Medicine, Faculty of Health Sciences, UiT - The Arctic University of Norway, Tromsø 6 dní po resekci Efekt prolnutí snímků http://www.medical-thermography.com/IMAGE%20GALLERY/bilde%205.jpg Mercer J. Medical Imaging Research Group, Department of Clinical Medicine, Faculty of Health Sciences, UiT - The Arctic University of Norway, Tromsø spolupráce Biofyzikální ústav LF MU Radiologická klinika FN Brno Termoablace tkáně – ireverzibilní elektroporace Termoablace tkáně – ireverzibilní elektroporace Teplota končetin u zdravé populace: průměrný rozdíl ≤ 0,5 °C Ischemická choroba dolních končetin Pacienti s diabetem mellitus II. typu Příklad končetinové ischémie • Muž 46 let, kuřák • Klaudikace 200m, přítomny klidové bolesti • Pulsace: bilat. AF+, AP+, LDK: ADP+, ATP+, PDK: ADP+, ATP+ (slabě) • Snímek před provedením PTA • Průměrný rozdíl teplot ∆T = 3,3 °C • Hospitalizace indikována na základě klaudikací a CTAg vyšetření • Termogram pořízen při hospitalizaci pacienta a dva dny po zákroku • Zároveň stanovena hodnota ABI (index kotník-paže), ≥ 0,9 • Pozorovány byly změny mezi končetinami po revaskularizačním zákroku Hodnocení revaskularizace dolních končetin Revaskularizace pomocí endovaskulární intervence https://myhealth.alberta.ca/Health/_layouts/15/healthwise/media/medical/hw/h9991299_003.jpg http://www.bpac.org.nz/BPJ/2014/April/img/systolic-pressure.jpg PDK: prům. T= 30,8 °C LDK: prům. T= 31,5 °C PDK: prům. T= 30,3 °C LDK: prům. T= 29,6 °C PDK: prům. T= 33,3 °C LDK: prům. T= 30,9 °C PDK: prům. T= 31,6 °C LDK: prům. T= 28,0 °C PTA Výsledky – klinická část Raynaudův syndrom http://www.medical-thermography.com/IMAGE%20GALLERY/bilde%207.jpg Paréza n. ulnaris spolupráce Biofyzikální ústav LF Dětská neurologická klinika, FN Brno Paréza n. ulnaris – chladový test (3min) spolupráce Biofyzikální ústav LF Chirurgická klinika, FN Brno Resekce karcinomu tlustého střeva http://www.atlasofpelvicsurgery.com/8SmallBowel/2SmallBowelResectionWithEnd-to-andAnastomosisUsingtheGambeeTechnique/cha8sec2.html http://us.diagnosticgreen.com/wp-content/uploads/sites/5/2016/07/DxGreen-USA-Product_web2-1024x682.jpg http://novadaq.com/wp-content/uploads/2016/09/new-pinpoint-camera-web.png http://novadaq.com/wp-content/uploads/2016/09/product-pinpoint-front.png Angiografie za použití indocyanové zeleně (ICG) vs Termokamera Angiografie za použití indocyanové zeleně (ICG) vs Termokamera Využití – karcinom jícnu Karcinom jícnu je 6 v pořadí u mortalitity pacientů (nádorová onemocnění) Léčba Primárně- radiační terapie, chemoterapie Chirurgická léčba – Vždy doporučena po primární léčbě Esophagektomie – základní chirurgická léčba Pacient 1Výsledky Pacient 2Výsledky Pacient 3 Výsledky Co je skutečně a co zpracování software Chladové testy v průběhu měření Sledování teploty při kauterizaci Autoři: Obsahová spolupráce: Poslednírevizeaozvučení:březen2021 Vojtěch Mornstein, Jan Dvořák, Věra Maryšková Carmel J. Caruana, Ivo Hrazdira