Úskalí termografického měření v medicíně

Souhrn

Infračervené termografické zobrazení patří mezi bezkontaktní měřící metody a je vhodné zejména k získání teplotních parametrů různých objektů. Díky tomu je často používáno v průmyslu, klinické medicíně a výzkumu. Princip této metody spočívá v detekci elektromagnetického záření o energiích korespondujících s teplotou analyzovaného objektu. Použití termografických systémů k měření povrchové teploty ovšem může být zatíženo výraznými chybami. Mezi základní patří chybné nebo nedostatečné zohlednění parametrů, které ovlivňují hodnotu teploty zobrazeného objektu. Těmito faktory jsou například zrcadlená teplota, emisivita či teplota prostředí. V textu je dokumentován vliv některých z těchto možných chyb na výsledný termogram a to především v souvislosti s měřením v humánní medicíně. Zároveň jsou uvedeny postupy pro jejich eliminaci či minimalizaci.

Klíčová slova:
emisivita, povrchová teplota, termokamera, termografické měření

Úvod

Elektromagnetické záření lze rozdělit do několika druhů na základě jeho frekvence, vlnové délky, resp. energie fotonů. Omezíme-li se na oblasti vlnové délky mezi 760 nm a 1 mm, jde o tzv. infračervené záření, též označované jako záření tepelné, které je vyzařováno veškerou hmotou o teplotě větší než několik kelvinů. Teplo může být přenášeno vedením (kondukce), prouděním (konvekce) a zářením (radiace). Posledního případu využívají právě termografické systémy. Dramatický vývoj v oblasti elektronických snímacích čipů umožnil v posledních letech výrazně vyšší rozlišovací schopnost těchto zařízení a rovněž zaznamenávání v reálném čase. Historicky první termografický snímek člověka zdokumentoval roku 1928 Czerny ve Frankfurtu nad Mohanem [1]. Začlenění termografie do medicínské oblasti nastalo roku 1952 v Německu [2], tehdejší přístroje ovšem byly velmi nákladné a s nízkým rozlišením. Ekonomickou stránku zmiňuje i Hrazdira a Maryšková ve své publikaci z roku 1999 [3]. Největší rozmach pak nastává koncem 20. století, kdy se termografie začala využívat v řadě klinických oborů. Vzhledem k asymetrickému rozložení teploty těla v případě jedince a především vzájemná rozdílnost povrchové teploty každého z nás [4-8] vyvolává, v případě diagnostiky pomocí termografických systémů, neustálé dohady o jejich prospěšnosti. Přehled studií a zároveň údaje o reprodukovatelnosti výsledků naměřených pomocí termografických kamer uvádí Zaproudina a kol. [9]. Ve své práci vyhodnocuje právě tepelnou symetrii mezi lidmi. Zmiňuje i možné okolní vlivy při měření.

Pro termografické systémy se i přesto nalezla řada uplatnění například v případě pacientů s onemocněním diabetes mellitus. Zjistilo se, že tzv. syndrom diabetické nohy a jeho příznaky mají určitou spojitost s teplotou končetiny [10-12]. Infračervenou termografii pro tuto problematiku pak použil Bharara, který se zaměřil na diabetickou neuropatii [13]. Huang a kol. se nedávno soustředili na pacienty s ischemickou chorobou dolních končetin. Termografické měření v kombinaci se stanovením hodnoty ABI (ankle brachial index) považuje za jednu z dalších vhodných metod pro diagnózu ischemické končetiny [14]. Další zajímavé uplatnění bylo prokázáno ve studii v Japonsku. Termografie byla použita pro snímání teploty závislé na průtoku krve v případě extrakraniálního-intrakraniálního bypassu [15]. Jisté využití bylo popsáno i ve studiích týkajících se dýchacích cest, kdy je termografií možné měřit dechový objem například v nasální oblasti [16, 17].

Jak již bylo zmíněno v úvodu, právě snížení pořizovacích nákladů na termografické kamery způsobilo jejich značné rozšíření, a tak se s nimi můžeme setkat nejen v lékařství, ale i v mnoha technických oborech. Na druhou stranu se může stát, že se tyto systémy dostanou do rukou i nedostatečně proškoleným osobám, což by leckdy mohlo vést až k mylným výsledkům. V případě termografických systémů je velmi nutné uvažovat řadu aspektů, které mohou výrazně ovlivnit naměřené hodnoty. Klíčové faktory a jejich vliv na výsledné měření jsou obsahem tohoto článku.

Materiál a metody

Ve studii bylo použito kamery FlirB200 (Flir Systems, Danderyd, Sweden). Tento termografický systém je vybavený nechlazeným mikrobolometrickým detektorem o rozlišení 200x150 bodů, se spektrální citlivostí v oblasti 7,5-13 μm a objektivem o zorném úhlu 25°. Teplotní citlivost přístroje je výrobcem deklarována na hodnotě 0,08 °C a absolutní přesnost měření je udána ± 2 °C nebo ± 2 % z naměřené hodnoty. Tento přístroj byl použit pro nasnímání pracovních snímků, které byly podrobeny analýze popsané dále v textu.

K tomu sloužil Flir QuickReport 1.2 (Flir Systems, Danderyd, Sweden), freeware určený k analýze a zpracování dat termografických snímků získaných přístroji Flir. Umožňuje nastavení odražené teploty, emisivity, teploty prostředí, vlhkosti, rozsahu zobrazených teplot, formátu obrazu, apod. Tento program byl použit pro veškeré zpracování presentovaných dat a analýzu obrazu pro zisk teplotních údajů při změnách odražené teploty a emisivity.

Fyzikální základy termografie

Chyby, kterých je možné se dopustit během stanovení teploty analyzovaného objektu pomocí termografických metod, přímo souvisí s fyzikální podstatou tohoto procesu. Svoji roli zde zajisté hraje i stránka instrumentální v podobě vlastního termografického zařízení, např. přesnost kalibrace či neměnnou citlivost senzoru během opakovaných měření. Tuto oblast ale v našem případě zanedbejme nebo lépe, považujme za bezchybnou a nevykazující jakékoliv odchylky během procesu měření.

V takovémto případě jsme schopni omezit se pouze na chyby vzniklé nevhodným nastavením vnějších parametrů při dodatečném zpracování termogramu, či nevhodném postupu při měření a manipulaci s měřeným objektem. V podstatě zásadní vlastností snímaných povrchů je jejich specifická emisivita a reflexivita [18].

Pro pochopení základů termografie je třeba znát Wienův a Stefanův-Boltzmannův zákon. Wienův zákon říká, že vlnová délka elektromagnetického záření emitovaného černým tělesem vyznačující se maximální intenzitou se snižuje se zvyšující se termodynamickou teplotou, tj. teplejší těleso je charakterizováno kratší vlnovou délkou nebo vyšší frekvencí emitovaného záření:

kde λ_max je vlnová délka emisního maxima, T je teplota tělesa a b je Wienova konstanta. Stefanův- Boltzmannův zákon říká (2), že celková energie E₀ vyzářená z černého tělesa na jednotku plochy za jednotku času je přímo úměrná čtvrté mocnině termodynamické teploty černého tělesa T:

kde σ je Stefanova-Boltzmannova konstanta. Tuto konstantu lze odvodit pomocí vzorce:

kde k je Boltzmannova konstanta, h je Planckova konstanta a c je rychlost světla ve vakuu. Objekt, který neabsorbuje všechno dopadající záření (někdy je označován jako šedé těleso) je charakterizován emisivitou ε<1. Energie E šedého tělesa je potom přímo úměrná emisivitě, termodynamické teplotě:

Vyčíslením hodnoty emisivity lidské pokožky se zabývala řada autorů již od 30. let 20. století [19-29]. Nejpřesněji ji stanovil Steketee, kterému se podařilo naměřit 0,98 ± 0,01 [30]. Za jedno z aktuálních měření hodnoty emisivity pro lidskou pokožku pak můžeme považovat mexickou studii z roku 2009, kdy za pomocí CO₂ laserového paprsku byla naměřena hodnota 0,976±0,006 [31]. Jestliže máme tuto hodnotu přesně definovanou, může být měření korektní.

Teplota objektu je poté definována jako:

přičemž q_ck, je součet hustoty tepelných toků mezi objektem a termografickým zařízením (obsahuje složku danou vlastní teplotou analyzovaného objektu a složku odraženou, původem v okolí o teplotě T_od – pro jednoduchost ji označujeme jako „odraženou teplotu“).

Chyby při termografickém měření

První oblast možných chyb, kterých se může uživatel termografických systémů pro měření absolutní teploty dopustit, zahrnuje následující faktory, které figurují jako proměnné v teoretickém vzorci pro výpočet povrchové teploty T: ε emisivita povrchu měřeného objektu, T_pr teplota termografické techniky, T_od odražená teplota z okolí. Mezi další faktory ovlivňující hodnotu naměřené povrchové teploty objektu a citlivost měření patří emisivita prostředí mezi měřeným objektem a termografickou technikou, obsah aerosolových a prachových částic v tomto prostředí či transparence daného objektu vůči elektromagne-tickému záření.

Poslední zmiňované parametry mají, s ohledem na oblast lékařského využití, malý vliv na měřenou hodnotu povrchové teploty. Lze s trochou nadsázky říci, že měřicí vzdálenost mezi objektem a vyšetřujícím vždy určuje zorný úhel objektivu a velikost vyšetřovny a tyto jsou téměř vždy srovnatelné. Kvalitu ovzduší a vlhkosti lze taktéž v případě interiérových měření zanedbat, s ohledem na předpoklad dodržení standardních hygienických limitů na pracovišti lékaře. Do jisté míry můžeme z výčtu kritických faktorů vyloučit teplotu prostředí, ve kterém je termografická technika a zároveň i její vlastní teplotu. Uvažujeme-li, že jsou povětšinou tato měření prováděna v prostředí o standardní pokojové teplotě a tím pádem, při vzájemném porovnání za téměř shodných podmínek.

Na druhou stranu se bude vliv prostředí uplatňovat například při přemístění termografické techniky mezi prostředími o rozdílné teplotě. V takovémto případě je nezbytně nutné vyčkat několik minut pro dokonalé temperování celého termografického přístroje na teplotu prostředí (zde hrají roli i takové faktory, jako je nesourodá teplota na ploše tepelného senzoru, zamlžení optiky, teplotní hystereze tepelných senzorů přístroje apod.). Co bylo záměrně ignorováno, je vliv hloubky tepelného zdroje ve tkáni organismu. Tento fakt jistě změní hodnotu povrchové teploty absolutně, není ale schopen ovlivnit proces měření a analýzy termogramu. Je tedy vhodnější tento efekt komentovat v příslušných diskusích věnujících se vhodnosti či nevhodnosti termografické techniky pro měření jednotlivých orgánů a částí organismu, což není hlavním obsahem této práce.

Výrazné chyby se můžeme dopustit, jestliže budeme ignorovat korekci emisivity pro příslušný povrch analyzovaného objektu. V případě emisivity lze hovořit o jednom z klíčových faktorů určujících validitu naměřené hodnoty povrchové teploty. Ve zjednodušeném výkladu lze říci, že emisivita nabývající číselně hodnoty v intervalu od 1 limitně do 0, určuje podíl odražené elektromagnetické vlny z celkového toku elektromagnetické energie z povrchu analyzovaného objektu. Platí, že tělesa charakterizovaná emisivitou povrchu o hodnotě 1 vykazují nulovou odrazivost elektromagnetických vln.

Pro exaktnější popis je možno využít rovnici (5), kde je vliv emisivity na povrchovou teplotu jasně zřetelný. Vyslovme tedy otázku, zda lze měřit povrchovou teplotu s dostatečnou přesností bez znalosti hodnoty emisivity tohoto povrchu. Lze odpovědět simulací situace, kdy bude měřena povrchová teplota pro různé části objektu při různém nastavení emisivity (za předpokladu znalosti odražené teploty a jejím konstantním nastavením).

Možným nástrojem pro realizaci této analýzy je komerční software vyvinutý výrobcem termogra-fického přístroje. Výsledek tohoto postupu a získaná data jsou na Obr. 1, kde je jasně vidět změna absolutní hodnoty povrchové teploty pro různé body o reálně rozdílné teplotě na analyzovaném termogramu. Z daného grafu na Obr. 1 možno rozpoznat tendenci výraznější změny hodnoty teploty v závislosti na klesající hodnotě emisivity pro body, jejichž teplota je vzdálenější (v kladném či záporném smyslu) od teploty nastavené v softwaru jako teplota odražená. Taktéž je znatelné, že změna povrchové teploty vypočtená s použitím softwaru není v závislosti na změně emisivity konstantní. Její nárůst je strmější v oblasti nižších hodnot emisivity.

S ohledem na tuto skutečnost lze vyvodit závěr, že v případě shodnosti teploty měřeného objektu a teploty odražené, je možno do jisté míry zanedbat vliv emisivity. Totéž platí při úvaze, že analyzovaný objekt bude mít emisivitu velmi blízkou hodnotě jedna (typická hodnota emisivity doporučená pro výpočty při měření teploty lidské kůže je 0,98).

K jinému závěru ale dospějeme, pokud budeme uvažovat situaci, kdy došlo k měření povrchu o emisivitě s hodnotou blízkou jedné, ovšem tento povrch byl ošetřen látkou, která je charakterizována nižší hodnotou emisivity.

I v případě, že tato látka vytvoří pouze velmi slabou vrstvu na povrchu kůže, je schopna svojí nižší emisivitou změnit hodnoty povrchové teploty naměřené pomocí termografické techniky Obr. 3. Zda dojde ke změně ve smyslu kladném či záporném, určuje vzájemné postavení reálných teplot měřeného objektu a teplota okolí, tj. odražená teplota.

V případě, že bude dodržena během procesu analýzy termografického obrazu podmínka zadání adekvátní hodnoty emisivity, je druhou nutnou podmínkou vhodné zadání hodnoty odražené teploty. Tento parametr je možno zadat povětšinou i v těch nejjednodušších softwarech dodávaných s termografickou technikou a má výrazný vliv na výslednou měřenou teplotu.

Graf na Obr. 2 ukazuje, jak se změní teplota jednoho bodu v měřeném objektu při nastavení různých odražených teplot. Tyto hodnoty teplot jsou stanoveny pro různé hodnoty emisivity povrchu. Z grafu je zřejmé, že čím větší rozdíl je mezi teplotou odraženou a teplotou objektu (či prostředí – například těleso umístěné po dostatečně dlouhou dobu v místnosti o teplotě 20 °C v přímém optickém dosahu otevřené lednice, žárovky, osoby či otevřeného okna), tím větší je nárůst či pokles hodnoty teploty zobrazené v termogramu. Z grafu na Obr. 2 je vidět, že i rozdíl teplot o hodnotě 10 °C se u objektů o nižší emisivitě projeví výrazným posunem teplot.

Při úvaze, která z chyb – zda špatné nastavení emisivity, či nevhodně zadaná odražená teplota – bude mít větší dopad na výsledné určení teploty, se lze pozastavit také nad tím, jak se tyto parametry objektu/měření projeví. V případě špatného nastavení emisivity se toto nastavení projeví pouze u povrchu, který je touto emisivitou charakterizován. Bráno z jiného úhlu pohledu, v případě nastavení emisivity do termografického přístroje či ve většině optimalizovaných softwarů, je tato hodnota nastavena globálně pro celý termogram. Tím pádem oblasti, které jsou charakterizovány jinou hodnotou emisivity, je nutno analyzovat separátně, jinak opět dojde v některých částech termosnímku ke zkreslení povrchové teploty. V případě odražené teploty, která je shodná pro celý povrch předmětu i termogramu, je její vliv na výslednou naměřenou teplotu dán emisivitou příslušné části povrchu.

Další chybou, která může ovlivnit termografické měření, v tomto konkrétním případě zejména v oblasti medicíny, je předchozí dotyk jiného předmětu v oblasti zájmu měření teploty. Typickým příkladem může být např. manipulace vyšetřované oblasti pacienta, kdy ji vyšetřující přímým dotykem ovlivní. Dále pak odstraňování obvazových materiálů nebo i otěr při čištění. V tomto případě hraje roli i předchozí oblečení o těsných rozměrech (vzniká porucha prokrvení), obuv apod. Zde bude opět platit pravidlo aklimatizace, dostatečné časové prodlevy před vlastním měřením a vhodnost porovnání symetrických částí těla s cílem zjištění tepelných abnormalit.

Konkrétní příklady

Měření povrchové teploty hliníkové desky s povrchem ošetřeným látkou v podobě ultrazvukového gelu, masti a hydratačního krému. Teplota povrchu byla měřena po časové prodlevě nutné ke sjednocení teploty nanesených látek s teplotou hliníku a rovněž po jejich zaschnutí (zabránění zkreslení teploty vypařovacím teplem). Měření bylo provedeno při stálé pokojové teplotě, v prostředí odražené teploty -2 °C a 23 °C. Surová, jakkoliv dodatečně v softwaru nezpracovaná data s jednotnou emisivitou 0,98 a bez korekce odražené teploty jsou zobrazena na Obr. 3. V prezentovaných termogramech je názorně demonstrován vliv různé emisivity pro analyzovaný povrch, projevující se rozdílnou teplotou mezi povrchem hliníku (výrazně nižší hodnota emisivity) a povrchem ošetřeným. Taktéž je patrný rozdíl mezi povrchovými teplotami při různých zrcadlených teplotách prostředí v případě, že tyto vstupní podmínky nejsou zahrnuty do procesu zpracování termogramu.

Změna povrchové teploty způsobená dotykem jiného předmětu je ukázána na Obr. 4. V tomto případě jde o horní končetinu, na kterou byly přiloženy prsty. Na kůži je patrné zanechaní výrazného tepelného otisku. Z úvahy vyplývá, že tento otisk byl způsoben jednak možným přenosem tepla, jednak změnou teploty po mechanickém tlaku na tkáň (ovlivněním krevního zásobení při delší aplikaci tlaku).

Závěr

Termografie je jednou z metod, které mohou být účinným pomocníkem moderního lékaře, zejména při potřebě určení teploty povrchu těla. Je však nutné uvažovat, že tato metoda je, i přes bezespornou výhodu bezkontaktního měření, limitována některými faktory. Vždy je třeba dívat se na získaný údaj jako na údaj o pouze povrchové teplotě a zvážit, zda byly dodrženy všechny podmínky korektního výpočtu, mezi které patří zadání odražené teploty a údaj emisivity povrchu. Termografické systémy jsou ideálním nástrojem pro vytváření teplotních map a to díky velkému množství měřených bodů, pro které je určena teplota v konkrétním, velmi krátkém časovém úseku.

Využití termografické techniky v současné praxi lékaře, bez ohledu na jeho specializaci, se odvíjí od její finanční dostupnosti a univerzálnosti jejího použití pro diagnostické účely. V otázce finanční dostupnosti srovnáním současného stavu s léty nepříliš dávnými dospějeme k odpovědi, že cenově se termografická technika vyvíjí ku prospěchu uživatele. V celém spektru dostupných termografických technik lze samozřejmě najít modely, jejichž cena převyšuje finanční možnosti zájemců, zároveň lze ale najít i modely s cenou srovnatelnou s jinými běžnými drobnými přístroji z oblasti medicíny. Dokonce lze tvrdit, že při porovnání ceny s výkonovými parametry jednotlivých termografických přístrojů současnosti a minulosti bude tento poměr o mnoho příznivější pro současné přístroje. Do tohoto hodnocení lze zahrnout i druhý faktor, tj. univerzálnost použití. Vlastní možnosti využití termografické techniky jsou pevně dané a neměnné, časový posun změnu fyzikálních principů neumožňuje. Co je ale v případě posunu v čase zřetelné, je minimalizace, zvětšení citlivosti a rozlišovací schopnosti přístrojů. Tímto se uživateli dostane přístroje, který je lehký, mobilní, bez nadměrných nároků na údržbu a s minimálními provozními náklady.

S ohledem na předešlá fakta lze tvrdit, že budoucnost termografické techniky nespočívá v přístrojovém vybavení využívaném pouze v nadstandardně finančně zajištěných experimentálních laboratořích, ale budeme se s ní stále více setkávat i v běžné lékařské praxi. Proto je nutné, aby i běžný uživatel bez hlubokých fyzikálních znalostí byl obeznámen se všemi úskalími a chybami spojenými s použitím termografických technik, kterých je nutné se vyvarovat a zabezpečit tím validitu měřených dat.

Mgr. Vladan Bernard, Ph.D.

Ústav lékařské biofyziky

Lékařská fakulta

Masarykova univerzita

Kamenice 5, 625 00 Brno, Česká republika

E-mail: vbernard@med.muni.cz