1. Promieniowanie termiczne, podstawowe parametry fizyczne (pojemność cieplna, ciepło właściwe, przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna, inercja cieplna, efuzyjność cieplna; modele zastępcze)
Promieniowanie termiczne - jest to promieniowanie które emituje ciało mające temperaturę większa od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o konkretnym widmie częstotliwościowym. Przykładem tego promieniowania jest podczerwień. Termografia wykorzystuje obrazowanie w średniej podczerwieni.
90% zakresu emitowanego przez nasze ciało należy do podczerwieni.
Zakres podczerwieni to 760 nm – 1 mm.
Pojemność cieplna C jest to stosunek ilości energii dostarczonej do naszego ciała w postaci ciepła do odpowiadającego tej energii przyrostu temperatury.
C = ΔQ/ΔT [J/K].
Ciepło właściwe Cw jest to pojemność cieplna przypadająca na jednostkę masy ciała m.
Cw = C/m = ΔQ/(m*ΔT) [J/kg*K].
Przewodność cieplna k charakteryzuje zdolność jakiegoś materiału do przewodzenia ciepła w stanie ustalonym. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.
K = (ΔQ/Δt)*(L/S*ΔT) [W/m*K]
S – pole przekroju poprzecznego ciała
ΔT – różnica temperatur w kierunku przewodzenia
L – długość ciała
Prędkość zmian temperatury :
α T.
α – dyfuzyjność cieplna [m2/s].
α = k/(ρ*Cw)
Określa ona zdolność ciała do przewodzenia ciepła w warunkach nieustalonych.
Inercja cieplna β2 oznacza podatność ciała na zmianę temperatury pod wpływem temperatury otoczenia.
β2 = k*ρ*Cw .
Efuzyjność cieplna β (pierwiastek z inercji).
Modele zastępcze:
Pojemność cieplna C.
Rezystancja termiczna R.
Termiczna stała czasowa 1/RC.
2. Własności emisyjne ciał stałych
Wsp. emisji ελ = (energia prom. λ emitowana przez ciało o temp. T)/(energia CDC o temp.
T)
Wsp. odbicia ρλ = (energia odbitego prom. λ)/(energia padającego prom. λ) Wsp. absorpcji αλ = (energia zaabsorbowanego prom. λ)/(energia padającego prom. λ) Wsp. transmisji τλ = (energia przepuszczonego prom. λ)/(energia padającego prom. λ)
3. „Okno przepuszczalności”
Pasmo [µm]
Emisja CDC,
Kontrast
Zastosowanie
T = 290 [W/m2]
Okno 1
3 – 5
4,1
0,039
Dla gorętszych obiektów, lepszy
kontrast
Okno 2
8 - 13
127
0,017
Pomiar w temperaturze pokojowej,
ze względu na większą czułość
Związane z tłumieniem ...
4. Przepływ ciepła w strukturach warstwowych, równanie przewodzenia ciepła (postać „fizyczna” i „biologiczna” (Pennesa)) i sposoby rozwiązań
Równanie przewodzenia ciepła (postać biologiczna)
Cw*ρ*(delta T(x,y,z,t)/delta t) = k*nabla2T(x,y,z,t) + Qb + Qm + Qz .
Qb – Gęstość mocy cieplnej dostarczonej lub odprowadzonej przez łoże naczyniowe tkanki
[W/m2].
Qm – Gęstość mocy cieplnej dostarczonej przez metabolizm.
Qz – Gęstość mocy cieplnej dostarczonej przez zródła zewnętrzne.
Qb = η*wb*ρb*cb*(Tt – T).
wb – objętościowy przepływ krwi.
η – współczynnik wymiany ciepła między tkanką a krwią tętniczą (0<=η<=1).
Tt , T – Temperatura tkanki i temperatura krwi tętniczej.
Rozwiązanie równania biologicznego przepływu ciepła:
Analityczne (metoda szeregów Fouriera).
Numeryczne ( metoda elementów skończonych).
Fizyczne równanie przewodzenia ciepła.
Div(k*grad(T)) – Cw*ρ*(delta T/delta t) = -q(Pit).
Przepływ ciepła w strukturach warstwowych - postać fizyczna: czasowo – przestrzenny rozkład temperatury wyznacza się rozwiązując równanie przepływu ciepła
5. Detektory promieniowania termicznego (termiczne, fotonowe), czułość widmowa detektorów
Detektory termiczne – promieniowanie pochłaniane zgodnie z wsp. pochłaniania α
(absorpcji). Pochłanianie na powierzchni skutkuje wzrostem o ΔT i pojawieniem się sygnału U proporcjonalnego do zaabsorbowanej energii.
Detektory fotonowe – Na powierzchnie fotoczułą pada kwant promieniowania, to zwiększa prąd poprzez zwiększenie nośników prądu (zjawisko fotoelektryczne).
Współczynnik wydajności kwantowej procesu (η). Zewnętrzny efekt fotoelektryczny lub generacja par dziura – elektron w półprzewodnikach.
Czułość widmowa detektora Rλ określa stosunek zmiany sygnału elektrycznego ΔU a wejściu detektora do wyjścia.
Rλ = ΔU/Eλ [I/W].
Detektory stosowane w praktyce:
Pojedyncze detektory
Linijki zawierające kilkadziesiąt detektorów
Dwuwymiarowe matryce FPA
Układy optyczne detektorów:
Powierzchnie odbijające
Soczewki
Pokrycia antyodbiciowe
6. Schemat blokowy termografu, układy optyczne, tor pomiarowy, natężenie promieniowania
Schemat blokowy:
obiekt, promieniowanie, atmosfera, układ optyczny, detektor (system obrazowania), system akwizycji danych i wizualizacji
układy optyczne:
1) powierzchnie odbijające – materiały wykonane z glinu, złota lub srebra, naparowywane na odpowiednio wypolerowanym podłożu.
2) soczewki – wykonane z różnych substancji, w zależności od tego, dla jakiego zakresu fal mają mieć największą przepuszczalność. Zdolność skupiająca soczewki jest oprócz tego uzależniona również od ośrodka.
3) pokrycia antyodbiciowe – służą temu, by całe padające promieniowanie było wprowadzane do układu. Warstwą antyodbiciową pokrywa się powierzchnie soczewek i okienek.
obiekt, soczewka, detektor
natężenie promieniowania:
AM (cos
λ
θ)
I =
2
l
A – powierzchnia obiektu
Mλ – egzytancja
θ – kąt między kierunkiem obserwacji
a normalną powierzchni A
7. Parametry
detektorów
(wykrywalność
widmowa,
wykrywalność
temperaturowa, minimalna wykrywalna różnica temperatury)
Znormalizowana wykrywalność widmowa Dλ jest to stosunek sygnału do szumu znormalizowanego względem pasma częstotliwościowego układu pomiarowego i powierzchni detektora względem określonej długości fali.
Wykrywalność temperaturowa DT jest to stosunek sygnału do szumu przy zmianie temperatury ΔT zródła (CDC) o 1 stopień celsjusza.
DT = (Δν/N)*(sqrt(Aλ*Ω*Δf)/ΔT)
Ω - kąt bryłowy widzenia detektora.
8. Termografia statyczna i dynamiczna
Statyczna:
Wymaga starannego przygotowania pacjenta.
Konieczna jest szczegółowa analiza termogramów.
Różne standardy i kryteria oceny rany oparzeniowej w różnych ośrodkach.
Dynamiczna:
Określenie własności obiektu podczas zjawisk przejściowych (chłodzenia i ogrzewania).
Parametrami termografii dynamicznej są: sygnał wejściowy (moc zródła ciepła), charakterystyka sygnału (analogowy, harmoniczny), czas narastania, liczba powtórzeń.
Badanie prowadzi do wyznaczenia modelu strukturalnego obiektu.
9. Techniki badań dynamicznych
Impulsowa.
Impulsowo – fazowa.
Synchroniczna.
Impulsowa – rejestracji termogramu dokonujemy najczęściej w fazie chłodzenia. Np.
pobudzenie prostokątne o jednej częstotliwości.
Synchroniczna – pobudzenie harmonicznym strumieniem ciepła o częstotliwości f.
Wyznaczamy amplitudę i kąt przesunięcia fazowego odpowiedzi.
10. Zalety termografii
Jest techniką czasu rzeczywistego.
Nieinwazyjność.
Nie wymaga bezpośredniego kontaktu z badanym obiektem.
Rozkład temperatur można mierzyć w skali mikroskopowej.
Możliwe jest obrazowanie w 3-D.
11. Zastosowania termografii
Diagnostyka zatok.
Zapalenie nerek.
Zapalenie jelita.
Termografia w onkologii ( rak skóry, kości, gruczołu sutkowego).
Rozpoznawanie zakrzepicy żył oraz przewlekłego zapalenia żył.
Ocena ognisk zapalnych układu oddechowego.