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LABORATORIO DI FISICA MEDICA : LA TELETERMOGRAFIA DIGITALE
Sommario
La Termografia
L’Imaging Termico
Misure di Temperatura
Propagazione del Calore
Radiazione da Corpo Nero
Sensori di Radiazione Termica Infrarossa
Applicazioni Mediche Della Termografia
Esempi di TeleTermografia Digitale Funzionale
Il laboratorio di TeleTermografia
Standardizzazione delle Misure Termografiche
LA TERMOGRAFIA
Con termografia o imaging infrarosso si intende la rappresentazione grafica dello stato termico di
un corpo o meglio, la rappresentazione grafica della mappa della temperatura di un corpo , ottenuta
sfruttando la naturale emissione termica del corpo.
Lo studio della distribuzione della temperatura corporea e dei modi in cui tale distribuzione cambia
(più in generale la termoregoalzione corporea) è importante poiché tali processi sono legati ad
informazioni di tipo
fisiologico,
funzionale,
anatomico
patologico
MISURE di TEMPERATURA
Ogni dispositivo per la misura della temperatura è caratterizzata da parametri che definiscono la
bontà degli strumenti adoperati allo scopo. I più importanti sono:
Risoluzione Termica = Capacità
distinguere differenti temperature
di
Risoluzione Temporale = tempo minimo
necessario all’acquisizione del dato
Sensibilità = rapidità di variazione
dell’output del sensore al variare della
temperatura misurata
Risoluzione Spaziale =
discriminare punti vicini
23
°C
32
capacità
di
L’IMAGING TERMICO
L’imaging termico consiste dunque nella realizzazione di mappe che riportano punto per punto la
temperatura dell’oggetto. Per ottenere un’immagine delle distribuzione termica di quell’oggetto, per
esempio di una mano, è necessario:
Applicare una griglia alla mano
Leggere le temperature su ciascuna maglia della griglia per mezzo di un opportuno sensore
Associare un colore ad ogni valore di temperatura (falsi colori)
Colorare la griglia con i colori opportuni
23
°C
32
PROPAGAZIONE del CALORE
Per ottenere informazioni circa la temperatura del corpo di cui si vuole realizzare l’imaging termico,
è necessario che il sensore di temperatura in qualche modo “interagisca” con il corpo. Poiché la
quantità di calore che i corpi scambiano dipende anche dalla loro temperatura, ricordiamo che i
corpi possono scambiare energia attraverso 3 processi:
Conduzione (che richiede il contatto tra
gli oggetti e quindi, nel nostro caso tra
corpo e sensore)
Convezione (che presuppone scambio
di materia tra corpo e sensore)
Irraggiamento (checonsiste
nell’emissione di energia termica
attraverso onde elettromagnetiche di
caratteristiche specifiche)
Proprio quest’ultima forma di trasmissione del calore è alla base dell’imaging termico.
Dunque,NELL’IMAGING TERMICO SI SFRUTTA L’IRRAGGIAMENTO TERMICO DEI
CORPI, CHE PRODUCE RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA NELLA BANDA
DELL’INFRAROSSO.
In particolare, la banda dell’infrarosso è
generalmente suddivisa in 4 settori:
Infrarosso Vicino, da 0.75 a 3 mm
Infrarosso medio, da 3 a 6 mm
Infrarosso lontano, da 6 a 15 mm
Infrarosso estremo, da 15 a 100 mm
RADIAZIONE da CORPO NERO
Un sensore infrarosso converte la potenza termica irradiata da un oggetto in un segnale, sfruttando
le leggi della radiazione da corpo nero (blackbody radiation).
Per CORPO NERO si intende un qualsiasi oggetto capace di assorbire ed emettere radiazione
elettromagnetica di qualsiasi lunghezza d’onda.
Le leggi della radiazione da corpo nero (blackbody radiation) sono:
L’energia emessa non è costituita da emissione continua, ma per “quanti”, chiamati fotoni, di
energia
La legge di Planck stabilisce come varia la potenza irradiata nell’unità di superficie in funzione
della lunghezza d’onda della radiazione e della temperatura del corpon nero
La legge di Stefan-Boltzmann esprime come tale potenza per unità di superficie dipenda dalla
superficie del corpo nero e dalla quarta potenza della sua temperatura. Infine , la legge degli
spostamenti di Wien ci dice a quale lunghezza d’onda è collocato il massimo della potenza emessa
dal corpo nero ad un data temperatura.
Le leggi della radiazione da corpo nero (blackbody radiation) sono:
•
L’energia emessa non è costituita da emissione continua, ma per “quanti”, chiamati fotoni,
di energia
Q = h c /l = hn[Joule]
•
La legge di Planck
:
rlb = [2phc2/l5(ehc/lKT-1)]⋅ 10-6
[W/(m2 mm)]
•
La legge di Stefan-Boltzmann
•
La legge degli spostamenti di Wien:
:
rb = sT4
lmax = 2898/T
[W/m2]
[mm]
SENSORI DI RADIAZIONE TERMICA INFRAROSSA
Sfruttando le proprietà dei semiconduttori e le leggi dell’irraggiamento viste innanzi sono stati
costruiti dei sensori di temperatura fotonici non a contatto caratterizzati da:
breve tempo di risposta
elevata sensibilità
elevata risoluzione spaziale
non perturbano lo stato fisiologico della parte da misurare
sono integrabili in dispositivi digitali
sono integrabili per la realizzazione di strutture piane bidimensionali (matrici) di sensori
permettono il monitoraggio in tempo reale di piccole variazioni di temperatura, consentendo
di studiare i processi di adattamento termico in particolari condizioni (IMAGING
INFRAROSSO FUNZIONALE).
ALCUNE APPLICAZIONI MEDICHE DELLA TERMOGRAFIA
La termografia è stata ampiamente utilizzata nella diagnostica per immagini, in settori diversi, con
risultati alterni.
La disponibilità dei nuovi termografi, completamente digitali e a cui è quindi possibile affiancare la
potenza di calcolo dei computer con specifici software, permette però lo sviluppo di nuove
applicazioni mediche della termografia, ad esempio in campo chirurgico.
ESEMPIO DI SOFTWARE PER ELABORAZIONE DI IMMAGINI TERMOGRAFICHE
Ecco un esempio di immagini termografiche ad alta risoluzione elaborate al computer. I colori rossi
indicano alte temperature, mentre i blù temperature più basse.
ESEMPIO DI TELETERMOGRAFIA DIGITALE FUNZIONALE
La TeleTermografia Digitale permette la registrazione dei processi di adattamento della temperatura
cutanea.
Nel filmato è mostrato come avviene
il recupero termico dopo stress da
freddo della mani di un soggetto
normale.
Nella figura è invece riportato
l’andamento della temperatura di
ciascun dito della mano destra. Lo
studio di queste curve, sulla base di
modelli fisico-matematici, consente
l’estrazione di parametri diagnostici
altamente specifici.
Esempi di controllo termoregolatorio locale
Lesione muscolare
Valvole artero-venose incompetenti
STRUMENTAZIONE DISPONIBILE PRESSO IL LABORATORIO DI
TELETERMOGRAFIA DIGITALE
Teletermocamera AEG 256 PtSi
Matrice di 256 x 256 sensori fotovoltaici PtSi
Campo Termico: 5 – 50 °C;
Risoluzione Spaziale: 0,30 mm2
Banda spettrale: 3 – 5 mm ;
Sensibilità : 0.02 °C;
Il laboratorio di TeleTermografia Digitale del Centro Universitario Istituto Tecnologie Avanzate
Biomediche ITAB, dell’Università degli Studi di Chieti è dotato di un’apparecchiatura
d’avanguardia estremamente compatta, i cui parametri tecnici sono riportati in figura, e che si presta
allo studio dinamico in tempo reale dei processi di adattamento termico, come mostrato nel filmato
del raffreddamento delle mani.
STANDARDIZZAZIONE DELLE MISURE TERMOGRAFICHE
Le misure termografiche devono tenere in conto:
Omeotermia – Sistema di Termoregolazione
Esistenza di pattern termografici genrali cui si sovvrappongonon pattern specifici
Aumento del consumo metabolico con l’attività e conseguente aumento della temperatura.
Ruolo della perfusione sanguigna nel controllo della temperatura del corpo
L’imaging termico deve essere realizzato in condizioni controllate, sia per quanto riguarda
l’ambiente (temperatura, umidità e ventialzione della stanza di misura), sia per quanto riguarda il
soggetto (affaticamento muscolare, azione di sostanze vasomotorie e comfort psico-fisico).
LEMISURETERMOGRAFICHE
STANDARDIZZAZIONE.
SEGUONO
RIGIDI
PROTOCOLLI
DI