лаборатория 142 - многоканальная радиотермография

eldis.gif (2426 bytes)

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ КАРТИРОВАНИЕ

МНОГОКАНАЛЬНАЯ РАДИОТЕРМОГРАФИЯ

Организм человека - уникальная саморегулирующаяся система. Ее нормальное состояние (здоровье) поддерживается непрерывной работой, функционированием внутренних органов и распределенных общеорганизменных систем: кровотока, биоэнергетики тканей, электрического возбуждения нервов, мышц и др. Физические поля и излучения организма - это фактически "рабочий шум" систем жизнеобеспечения.

Другими словами, это возможность наблюдать организм в собственном свете, причем, различные виды полей и излучений позволяют наблюдать функционирующий организм как бы через разные "окна". В одном - инфракрасном - видно функционирование капиллярного кровотока в коже. В другом, радиотепловом, - биоэнергетика (уровень метаболизма, теплопродукция) и кровоток в глубине организма, в частности, в коре головного мозга. В третьем, акустотепловом, - теплопродукция мышц и внутренних органов. В четвертом, магнитном, организм (и одежда) наиболее прозрачны и "видно" состояние биоэлектрического возбуждения мозга, сердца, мышц и др. Такой подход - получение информации по собственным сигналам объекта в радиофизике называют пассивным дистанционным зондированием.

На основе опыта, накопленного в Институтах Российской Академии Наук, а также в ряде конверсионных предприятий при дистанционном зондировании Космоса, Земли и Океана, созданы новое поколение медицинской аппаратуры и методов функциональной диагностики, основанные на динамическом картировании физических полей и излучений организма человека: электрических, магнитных, инфракрасных, радиотепловых, акустических и оптических.

Эти методы, получившие название "функциональной визуализации" (FUNCTIONAL IMAGING), дают возможность обнаружить ранние функциональные предвестники заболеваний.

Наша аппаратура позволяет врачу наблюдать на экране персонального компьютера в виде цифрового фильма функционирование вышеуказанных основных систем жизнеобеспечения как в естественной изменчивости, так и в ответ на различные физиологические тесты.

Функциональное картирование организма по его собственным сигналам является абсолютно чистым, невоздействующим, что открывает большие перспективы в наше экологически напряженное время. Разработанная аппаратура и программное обеспечение позволяют наблюдать изображения интересующих областей организма в "собственном свете" в различных диапазонах длин волн, строить по ним функциональные карты, характеризующие функциональное состояние микроциркуляции и метаболизма в биологических тканях, биоэлектрическую активность сердца, мозга, мышц и др.

В современной медицине преобладают методы морфологической структурной диагностики, вершина которых современный томограф, позволяющий наглядно выявить место "поломки" в организме. Однако, задолго до "поломки" в саморегулирующейся системе должно нарушаться функционирование. Выявить где и что функционально "барахлит" - задача нашей аппаратуры и методов. Это ранняя функциональная диагностика ("до томографа"). Кроме того, наша аппаратура позволяет контролировать и тем самым "подгонять под пациента" ход лечебных процедур с целью восстановления устойчивого функционирования организма. Это необходимо в реабилитационных клиниках в период между томографическими обследованиями (при поступлении пациента и его выписке).

Таким образом, открываются принципиально новые возможности выявления патологии на самых ранних стадиях, создания специализированных банков функциональных изображений - "предвестников" патологии. речь идет фактически о новой, наиболее естественной медицинской технологии. Области применения этой новой аппаратуры и технологии охватывают практически всю медицину - от пренатальной до геронтологии.

Возможности естественного функционального мониторинга по собственным динамическим изображениям организма незаменимы:

при реанимации
в реабилитационных клиниках
в геронтологических клиниках
при испытаниях фармпрепаратов
при оптимизации дозировки фарма- и физиотерапии

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ.

В ходе диагностики и лечения практически всех заболеваний существенный интерес для медиков представляет температура, ее распределение и динамика изменений по телу человека.

Одним из наиболее распространенных приборов, позволяющих визуализировать температурные поля человека, является инфракрасный тепловизор (типа AGA, Радуга, ТВ-03 и др.). Эти приборы позволяющие регистрировать, наблюдать и анализировать на экране монитора распределение температурных полей по поверхности кожи, основаны на приеме собственного теплового излучения тела человека в инфракрасном диапазоне длин волн.

Инфракрасная термография применяется при диагностике различных видов онеологических, неврологических, сосудистых и других заболеваний уже на протяжении более 15 лет и здесь накоплен к настоящему времени значительный опыт в ОНЦ РАМН, ИНХ РАМН и других ведущих медицинских учреждениях [1, 2, 3]. Имеется значительный опыт также в проведении исследований и оценке радиотермографических изображений [1, 4, 5].

Следует заметить, что применяемая обычно ИК-термография имеет дело в лучшем случае с набором статических изображений участков поверхности тела, либо непосредственно пораженных, либо являющихся зонами тепловой или рефлекторной проекции внутренних патологически измененных органов, что связано с очень сильным затуханием волн инфракрасного диапазона в теле человека. Все глубинные процессы могут находить отражение в температурных полях кожи только в результате действия тех или иных механизмов теплопередачи.

Для исследования температурных распределений в глубине тела, необходимо применение приборов, принимающих собственное тепловое излучение человека на более длинных волнах, например, в радиодиапазоне [4].

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РАДИОТЕРМОГРАФ

Принцип действия прибора для регистрации и визуализации глубинных тепловых полей тела человека - радиотермографа - основан на приеме собственного теплового (планковского) излучения тела человека в дециметровом диапазоне длин волн. Основой прибора является высокочувствительный многоканальный приемник - радиометр - на входах которого подключены контактные антенны-аппликаторы. Антенны-аппликаторы устанавливаются на интересующей исследователя области тела или головы человека. Для эффективного приема сигналов антенны должны иметь хороший электродинамический контакт (малый коэффициент отражения) и быть согласованными по импедансу (волновому сопротивлению) с телом человека. Так как волновое сопротивление зависит от величины диэлектрической проницаемости вещества, а тело человека имеет усредненные значения диэлектрической проницаемости 40 - 60, то размеры антенн существенно уменьшаются относительно размеров для свободного пространства. Соответственно улучшается и разрешающая способность. Так, в частности, для длины волны в свободном пространстве 40 см длина волны в теле человека составляет 5 - 7 см. При этом можно получить разрешающую способность в 2,5 - 3,5 см.

Многоканальный радиотермограф представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из высокочувствительного приемника дециметрового диапазона волн (радиометра), комплекта антенн-аппликаторов (по числу каналов) с устройствами крепления на голове и теле человека, персонального компьютера типа IBM и пакета программного обеспечения. Передача информации с радиометра на компьютер осуществляется в цифровом виде через стандартный порт RS-232. В приборе предусмотрен светодиодный контроль качества установки антенн-аппликаторов на теле (голове) человека. Имеются датчики температуры кожи под антеннами и датчик комнатной температуры. Калибровка прибора производится путем установки всех антенн в термостат с физраствором. По двум температурам термостата вычисляются соответствующие коэффициента для рассчета температур по каждому каналу.

Основные параметры радиотермографа:

рабочий диапазон волн 40 см

число каналов 12

флуктуационная чувствительность 0,1 К за 2 сек

время опроса всех каналов 0,9 с

Программное обеспечение радиотермографа позволяет:

вести медицинскую картотеку с регистрацией данных пациента, его текущего диагноза, истории болезни и других служебных записей;

- осуществлять поиск пациента по его фамилии, выводить на экран дисплея список сеансов, проведенных с данным пациентом в разное время, для их просмотра и обработки,

- проводить сеансы исследования глубинных тепловых полей с визуализацией в виде температурных графиков, изображения температурных полей в псевдоцветах и возможностью обработки получаемых данных в реальном масштабе времени в процессе сеанса;

- проводить обработку изображений температурных кривых и распределений тепловых полей (временное сглаживание, устранение артефактных участков, фильтрация и др.).

- сохранять полученную информацию на диске, а также распечатывать результаты исследований на принтере.

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ КАРТИРОВАНИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОБЫ.

Многоканальный радиотермограф позволяет снимать температурную информацию одновременно с нескольких точек на теле пациента (в соответствии с числом каналов),как с поверхности тела, так и с его глубинных структур, и строить "радиотепловые карты" - динамические распределения интенсивности радиотеплового излучения [6,7]. В этом его новизна и преимущество перед применяемыми до сих пор одноканальными радиотермографическими системами (например, фирмы Brucker, ФРГ) позволяющими регистрировать температурные поля только путем перестановки приемных антенн-аппликаторов по поверхности интересующей области исследования тела или головы [5]. При этом имеют место погрешности, вызванные различной степенью согласования антенн с телом, временные "уходы" аппаратуры и т.д. Оценка физиологического состояния рганизма производится посредством анализа "радиотепловых карт" до функциональной нагрузки (фоновое состояние) и их изменений, вызванных воздействием физиологической пробы [1]. В качестве одной из таких проб применяется глюкозная нагрузка. Метод основан на экспериментально доказанной теории повышения углеводного обмена в злокачественных опухолях. Для "усиления" термографического ответа используется фармакологическая проба с глюкозной нагрузкой [2].

Исследования с помощью многоканальной дециметровой радиометрии обеспечивают регистрацию радиотеплового излучения тканей с глубины до 2 - 4 см при работе по телу человека и до 1,5 - 2,5 см при исследованиях головного мозга. Реальная глубина исследования тепловых полей данным методом может быть существенно больше за счет теплопередачи в тканях тела. кроме того, увеличение температурнрго контраста в паталогической области позволяет "видеть" информацию с больших глубин. При этом каждым каналом прибора регистрируется интегральное излучение из цилиндрической области, ограниченной в сечении апертурой антенны, что и определяет пространственное разрешение. Используя метод мультипликации при просмотре отснятых кадров, можно отслеживать динамику изменения тепловых полей в опухоли.

Для радиотермографии изображение синтезируется следующим образом: перед началом сеанса на экран дисплея выводится сменная маска исследуемой области тела или головы человека, в соответствии с которой устанавливаются антенны-аппликаторы; полученные от всех антенн сигналы интерполируются по поверхности исследуемого участка и результат интерполяции налагается на маску. Затем выбирается "кадр", относительно которого ведутся наблюдения за изменениями температурных полей до и после глюкозной нагрузки, и по нему выравнивают температуру. Таким образом получаемые карты температурных полей показывают относительные изменения глубинной температуры в области пораженного органа.

Наблюдение динамики изменений тепловых полей позволяет обойти ряд сложностей, возникающих в радиодиапазоне и связанных с измерением абсолютных температур тела человека при оценке воздействия физиологической пробы. Влияние внешних факторов и, следовательно, функционирование отдельных областей организма, отличающихся уровнями кровотока и метаболизма тканей, оцениваются по сопоставлению временных характеристик изменения теплового излучения в различных точках наблюдаемого поля.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ТЕРМОКАРТИРОВАНИЯ В РАДИОДИАПАЗОНЕ.

Ниже приведены конкретные примеры возможностей использования многоканальной радиотермографии в медицинской практике.

ИССЛЕДОВАНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Исследования проводились с использованием 12-канального радиотермографа в диапазоне длин волн 40 см совместно с Институтом нейрохирургии АМН. Испытуемый садился на кресло, установленное в экранированной камере и у него на голове с помощью специально разработанного "шлема" размещались антенны-аппликаторы. Далее производилась запись радиотепловой информации при воздействии различных физиологических тестов. Так на рисунке 1 показана радиотепловая карта головы человека при курении сигареты. Наблюдается снижение температуры в левой затылочной области (синие тона цветовой шкалы на рисунках соответствуют более низким температурам, красные, желтые и белые - более высоким температурам). В правой части рисунка пркдставлен график изменения во времени температуры в точке, отмеченной стрелкой на температурной карте. При этом, скорость 'восстановления' температурной кривой после окончания курения отражает состояние кровеносных сосудов головы (чем быстрее происходит восстановление, тем лучше 'работает' сосудистая система). На рисунке 1а представлена последовательность 'кадров' во времени для того же теста. Программное обеспечение позволяет показывать не экране компьютера эту последовательность кадров, наложенную на маску объекта (в данном случае - головы) в виде мультфильма и, тем самым, позволяет наблюдать развитие процессов изменения тепловых полей во времени. Рисунок 2 показывает распределение тепловых полей при обычно применяемой в нейрохирургической практике пробе Матаса (пережатие сонной артерии). В данном случае пережималась левая сонная артерия, что вызывало снижение температуры в соответствующей области мозга. Температурный график справа отражает динамику изменения температуры в процессе и после пережатия. На рисунке 2а приведено распределение тепловых полей в коре головного мозга испытуемого при решении арифметической задачи (в данном случае задание на последовательное вычитание: 680 - 17 -17 - ...). Подобного рода исследования могут быть весьма полезными при оценке состояния головного мозга у людей, страдающих различными психо-неврологическими расстройствами в результате перенесенных заболеваний, травм, стрессов и др. При этом, в отличие от таких известных видов исследований как компьютерная томография, УЗИ, ЯМР-томография данный вид исследований абсолютно безвреден и может повторяться сколько угодно часто. В настоящее время в ИРЭ РАН, совместно с Институтом высшей нервной деятельнгости РАН, ведутся работы по исследованию функционального состояния головного мозга у лиц получивших малые дозы радиации - участников ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС [11 - 13].

ЛИТЕРАТУРА.

В.Л. Анзимиров, Н.А.Архипова и др. Динамическое термморадиокартирование коры головного мозга при функциональных нагрузках.- Радиотехника, 1991, 8, с.74.
Абушахманова А.Х., Ленская О.П., Богдасаров Ю.Б., Наркевич Б.Я. Способ диагностики опухолей молочной железы. А.с. N 1328952. Приоритет изобретения от 3 июля 1985 г.
Габуния Р.И., Анциферов С.С., Ленская О.П., Куртев Н.Д., Богдасаров Ю.Б. Использование метода автоматизированного анализа тепловых изображений медико-биологических объектов. Тезисы доклада на IV Симпозиуме по применению математических методов и ЭВМ в в медико-биологических исследованиях. Гагра, 1985, с. 215
Barret .,Myers R. Subcutaneous temperature: a method of noninvasive sensing. - Science, 1975, v.190,p.669.
Богдасаров Ю.Б., Каплан М.А. и др. Предварительные результаты исследований онкологических больных с использованием термографической аппаратуры ИК- и радиодиапазонов.- В сб. трудов Всесоюзной конференции "Методические вопросы определения температуры биологических объектов радиофизическими методами".-М., 1985, с.61.
Э.Э.Годик, Ю.В.Гуляев Человек глазами радиофизики.- Радиотехника, 1991, 8, с.51.
Godik E.,Guljaev Yu. Functional Imaging of Human Body. - Dynamic mapping of physical E-M fields signals a breakthrough in medical diagnostics. - IEEE Engineering in Medicine and Biology, v.10, N4, December 1991, p.21-29.
Дубынина В.П., Сельский А.Г. Возможности динамической радиотермографии дополненной фармакологической пробой (с глюкозой) в дифференциальной диагностике рака легкого и других органов.- 5-й национальный конгресс по болезням органов дыхания, Москва, 14-17 марта 1995 года, Сборник-резюме.
Сельский А.Г., Дубынина В.П., Плющев В.А. Применение динамического термокартирования в радиодиапазоне при дифференциальной диагностике онкологических заболеваний.- Международная конференция "Радиоэлектроника в медицинской диагностике", Москва, 17 - 19 октября 1995г., Доклады
Сельский А.Г., Фишер А.М., Дубынина В.П. и др. Возможности применения динамического термокартирования в радио- и инфракрасном диапазонах в онкологической клинике. Радиотехника, 1995, No9, с. 85 - 89.
Н.Б. Холодова, Г.Д. Кузнецова, А.Г. Сельский, В.И. Пасечник, В.И. Трушин, А.В. Янович. Радиотепловое картирование головного мозга в отдаленные сроки после лучевого воздействия // Журнал неврологии и психиатрии, ?4, 1999, с. 56 - 57
Е.В. Петрова, Н.Б. Холодова, А.Г. Сельский, В.И. Пасечник, А.В. Янович. Динамическое исследование температурных полей головного мозга человека.- Физиология человека, 2001, т.27, ?1, с.23 - 30.
A.G. Selsky, V.I. Passechnik, A.G. Kuznetsova, A.V. Gabova Dynamic Radiothermomapping for Examination of Brain Neurocirculatory Diseases. - 11^th Nordic Meeting on Cerebrovascular Diseases and 2^nd Biennal Kuopio Symposium on Ischaemic Stroke. Kuopio, Finland, August 11 - 14, 2001, Abstracts.