Применение инфракрасного излучения и тепловидения в медицине

Тепловое действие инфракрасных лучей и их физиотерапевтическое применение. Лечение солнечным светом — гелиотерапия — применялось еще в глубокой древности и вплоть до сегодняшнего дня является важным и действенным физиотерапевтическим средством. Инфракрасные лучи были открыты в 1800 году (в тексте источника указано: открыты в 1900 году). Это электромагнитные волны с длиной волны от 780 нм до 4,2 · 10⁵ нм. Инфракрасные лучи не вызывают зрительного ощущения у человека, однако глаза некоторых животных — например, змей и тараканов — чувствительны к этой области спектра.

Исследования показали, что более 70% электромагнитного излучения Солнца приходится на долю инфракрасных лучей. Падая на мягкие поверхности ткани организма, инфракрасные лучи проникают в них на довольно значительную глубину (8–12 мм) и почти полностью поглощаются. Это оказывает существенное влияние на течение всех биологических процессов.

Естественно, что в прошлом, когда еще не было надежных технических средств для получения инфракрасных лучей, медицина в основном использовала для лечебных целей солнечный свет. Использование длинноволновой части солнечного света давало возможность, например, уменьшить нагноительный период при заболеваниях оспой, а коротковолновая часть спектра оказалась полезной при лечении волчанки и т. д.

Аппаратурное обеспечение инфракрасной физиотерапии. В качестве лечебной тепловой процедуры применяются лампочки накаливания. Как показано на рис. 91, изображена лампа Минина, представляющая собой металлический рефлектор с лампой накаливания небольшой мощности (до 50 Вт). Она используется в домашних условиях. На рис. 92 показана используемая в клинических условиях лампа большой мощности (до 1000 Вт) с рефлектором — лампа соллюкс. На рис. 93 изображена световая ванна, интенсивно облучающая все туловище больного, — такой метод лечения применяется тогда, когда рекомендовано обильное потоотделение.

Рис. 91. Лампа Минина.

Рис. 92. Лампа соллюкс.

Рис. 93. Световая ванна.

Для получения инфракрасных лучей используется лампа инфраруж (как показано на рис. 94), в рефлекторе которой установлен нагревательный элемент H. При температуре элемента порядка 400 °C максимум энергии излучения размещен в инфракрасной части спектра.

Рис. 94. Лампа инфраруж.

Тепловидение и термографическая диагностика в медицинской практике. Человеческий глаз слеп в инфракрасной области спектра. А между тем информация о температурной картине вокруг нас весьма необходима. Чтобы компенсировать «инфракрасную слепоту», люди вынуждены ориентироваться в мире теплового света буквально на ощупь. Мать, обеспокоенная болезненным видом ребенка, прикладывает к его лбу губы. Рабочие электромашиностроительных заводов, собрав статор электрического генератора, нагревают его токами Фуко и принимаются ощупывать огромную деталь: ищут горячие участки — признак плохой изоляции между металлическими пластинами.

Сделать человеческий глаз зрячим для тепловых лучей очень трудно. И все же после долгих поисков созданы различные аппараты, среди них — тепловизоры.

Принцип работы и физические основы тепловизора. Преодолеть трудности удалось следующим приемом. Искусственный инфракрасный глаз разглядывает не сразу всю тепловую картину, развертывающуюся перед ним, а словно читает ее буква за буквой, строка за строкой. Каждая «буква» — небольшой участок рассматриваемого объекта или природного ландшафта, практически — точка. «Черный» свет от этой точки, пройдя через оптическую систему, попадает на крохотную площадку, покрытую слоем фотосопротивления. Это и есть «сетчатка» искусственного глаза. Чтобы увеличить его чувствительность и оградить от посторонних тепловых воздействий, ее непрерывно охлаждают жидким азотом.

Взглянет аппарат на точку — ее изображение спроецируется на «сетчатку». Если точка горячая, «черные» лучи, посланные ею, окажут более энергичное воздействие на чувствительный слой, в большей степени уменьшат сопротивление току, который проходит через него. Значит, в этот момент увеличится сила электрического сигнала. Меньше нагрета точка — через сопротивление пройдет ослабленный электрический ток.

Эти электросигналы усиливаются и подаются в электронно-лучевую трубку, примерно такую же, как в телевизорах. Луч воспроизводит на экране трубки точку, видимую аппаратом, за ней другую, третью — всю строку, а затем строка за строкой всю открывающуюся перед инфракрасным глазом картину. Изображение на экране можно сфотографировать, а можно заставить электронный луч рисовать инфракрасные образы прямо на электрохимической бумаге.

Клиническое значение термографии и жидких кристаллов. Очень интересна область применения тепловидения — медицина. Дело в том, что тело человека, если взглянуть на него в инфракрасной области спектра, буквально светится, сияет, будто электрические огни ночью. Это и не удивительно: каждый квадратный сантиметр человеческой кожи непрерывно излучает около 40 Вт лучистой энергии — столько же, сколько средней величины электрическая лампа. Но главное в том, что «сияние», а следовательно, и температура неодинаковы в разных участках тела и зависят от индивидуального анатомического строения, физиологических процессов, происходящих в данный момент.

Если кожу человека протереть спиртом, вымазать черной краской (такая уж технология этих экспериментов) и сверху покрыть еще слоем так называемого жидкого кристалла — органического соединения на основе холестерина, то произойдет удивительное: человек превратится в живую радугу. В самых горячих местах жидкий кристалл будет светиться фиолетовым светом, там, где кожа прохладнее, — синим, и так до красного... Вот эти радужные переливы как раз и интересуют медиков: ведь еще Гиппократ говорил, что если одна часть тела теплее или холоднее обычного, то она больна. Следовательно, внеся поправки на индивидуальные особенности теплового свечения тела человека, можно по инфракрасной картине кожи судить о состоянии здоровья пациента, о нарушениях в работе внутренних органов.

Но метод жидких кристаллов сложен и неудобен. Для подготовки же к тепловизионному обследованию пациенту достаточно раздеться. Сегодня с помощью ученых Государственного оптического института тепловизионные и термографические центры созданы в нескольких ленинградских медицинских учреждениях. Специалисты Института скорой помощи имени Джанелидзе используют черные лучи для исследования переломов, вывихов, ран, ушибов, нарушений периферического кровообращения и наблюдения за ходом заживления поврежденных тканей — все это отражается в виде тепловых узоров на коже.

Но особенно энергично развиваются исследования, связанные с использованием инфракрасных излучений для диагностики, клинической оценки и наблюдения за лечением злокачественных и доброкачественных опухолей. Некоторые виды опухолей теплее окружающих тканей на 1,5–2 °C, а иногда и на 4 °C. На экране тепловизора этот участок тела выглядит как яркое пятно. Тепловой глаз порой замечает такие мелкие опухоли (диаметром по несколько миллиметров), которые трудно выявить другим способом.

Эти приборы уже имеются в лабораториях. Установка внешне проста: состоит она из передающей камеры, просмотрового устройства и блока питания. Обнаженный пациент минут десять «привыкает» к температуре лаборатории, затем становится в нескольких метрах от тепловизора. Инфракрасное излучение тела попадает на чувствительный элемент приемника лучистой энергии и преобразуется здесь в электрические сигналы. Пройдя усилитель, сигналы попадают в управляющий электрод электронно-лучевой трубки, как в обычном телевизоре. На экране кинескопа — четкая термографическая картина: у «теплых» участков тела светлый цвет, у менее «теплых» — серый, у нормальных — черный.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.