Лекция по курсу РТМ-Диагностика
Часть 1
Основы радиотермометрии.
Устройство и правила эксплуатации медицинского радиотермометра
РТМ-01-РЭС
(Пособие для врача)
Настоящее пособие предназначено для врача, применяющего или собирающегося применять медицинский радиотермометр для диагностики различных заболеваний. Описано место радиотермографии в ряду других диагностических процедур, физические основы радиотермографии, устройство и особенности радиотермометра РТМ-01-РЭС. Особое внимание уделено принципам диагностики онкологических заболеваний.
Радиотермография является новым, развивающимся направлением в диагностике, в особенности для обнаружения онкологических заболеваний.
Метод основан на измерении температуры внутренних тканей по интенсивности их теплового излучения в микроволновом диапазоне.
Метод радиотермографии (далее РТМ) обладает рядом преимуществ по сравнению с общепринятыми методами диагностики. К этим преимуществам относятся:
- неинвазивность;
- полное отсутствие ионизирующих и других излучений и, как следствие, полная безвредность метода;
- высокая информативность.
Основные диагностические методы, применяемые при диагностике онкологических заболеваний можно условно разбить на три группы, показанные на схеме (рис. 1).
Рис. 1.
Отметим некоторые особенности приведенных групп диагностических методов. В первую группу включены физические методы исследования.
Эти методы исследования эффективны при сформировавшейся опухоли, имеющей четкие границы. К сожалению, средние размеры обнаруживаемых физическими методами опухолей (для рентгеновской диагностики, например, маммографии, это 1-2 см) соответствует стадии развития опухоли, когда опухоль может давать метастазы.
Кроме того, неизбежная лучевая нагрузка не позволяет проводить систематические скрининговые исследования в группах риска чаще, чем раз в полгода.
Имеется еще ряд особенностей физических методов исследований, ограничивающих их возможности. Например, в области маммологии, рентгеновские исследования мало эффективны у молодых женщин ввиду высокой плотности ткани молочной железы и, как следствие, малой контрастности рентгеновского изображения.
Во второй группе диагностических методов наиболее достоверны данные гистологических исследований, однако, они применяются обычно интраоперационно либо на постоперационном этапе хирургического лечения.
Применение онкомаркеров в настоящее время развивается, однако они разработаны для диагностики онкологических заболеваний в ограниченном количестве органов и применение их не всегда эффективно.
К третьей группе относятся тепловые методы исследования. Впервые температура человеческого тела (оральная температура) была измерена в Германии в 1851 году с помощью одного из первых образцов появившихся ртутных термометров. С тех пор исследование температуры тела и ее динамики вошли в арсенал традиционных диагностических средств. Неинвазивное измерение температуры внутренних органов было начато сто лет спустя благодаря развитию приборов ночного видения инфракрасного диапазона в течении второй Мировой войны.
При этом измерялась температура кожи, которая благодаря процессам теплопередачи в известной мере отображала температуру внутренних органов. Спустя еще 20 лет (1972г.) были проведены первые опыты по измерению температуры внутренних тканей (опухолей молочной железы) по их собственному тепловому излучению в микроволновом диапазоне. Эти опыты оказались успешными, так как для этого диапазона длин волн ткани тела относительно прозрачны.
Отличительной особенностью тепловых методов исследования является их полная безвредность при высокой информативности.
Некоторые специфические особенности этих методов рассмотрены ниже, здесь отметим только, что температурные аномалии внутренних тканей, порождаемые воспалительными процессами, усиленной пролиферацией клеток в предраковый период или анаэробным распадом глюкозы в малигнизированной опухоли зачастую предшествуют структурным изменениям, обнаруживаемым при физических методах исследования.
Информативность тепловых методов исследования иллюстрируется на рис. 2, где представлены сравнительные результаты обнаружения рака молочной железы, полученные в одном из ведущих онкологических центров г. Москвы.
Рис. 2. Выявляемость рака молочной железы, %
Тепловые методы диагностики и динамика опухолевых процессов
Рассмотрим некоторые известные данные по динамике развития опухолевых процессов и их связь с тепловыми методами исследования.
Динамика развития опухоли характеризуется временем удвоения объема (массы, числа клеток) в опухоли. Это время удвоения (ВУ) является величиной постоянной для данного пациента, несмотря на большую вариабельность ВУ (от 3 дней до сотен дней у разных пациентов). Биологическая история развития опухоли может быть разделена на доклинический и клинический периоды. Граница между периодами условна и определяется существующими диагностическими возможностями, поэтому представляется естественным закономерности, изученные в клиническом периоде отнести и к периоду доклиническому (постоянство ВУ для данного пациента).
Развитие опухолевого процесса показано на рис. 3.
Рис.3.
При постоянном ВУ
процесс развития на всех стадиях носит экспоненциальный характер. Следует
отметить, что при сохранении формы опухоли в процессе ее роста удвоению
объема опухоли соответствует линейное увеличение размеров в 
= 1.26 раз, что следует из простых геометрических соотношений.
Известно так же, что опухоли с малым ВУ характеризуются бо'льшим удельным тепловыделением (Вт/см3), чем опухоли с большим ВУ. Это естественно, так как при бурном развитии опухоли повышаются энергетические затраты и тепловыделение растет.
Эта закономерность представлена на рис. 4.
Рис. 4.
Таким образом, наиболее опасные опухоли (опухоли с малым ВУ) при тепловых методах диагностики будут выявлены в первую очередь, т.е. при тепловых методах диагностики происходит естественная селекция больных с бурным ростом опухоли. По имеющимся данным такие больные составляют до 1/4 всех пациентов, страдающих раком молочной железы.
Для лучшего понимания физики тепловых исследований рассмотрим процессы переноса тепла в биообъекте.
Как и во всяком физическом теле, тепло распространяется от более горячих к более холодным областям. При этом существует три механизма переноса тепла: теплопередача, конвекционные процессы и излучение. В случае биообъекта роль конвекционных процессов играют процессы кровообращения.
Каждый из механизмов переноса тепла в биообъекте играет свою роль в процессе тепловых диагностических исследований.
На рисунке 5 изображены процессы теплопередачи от внутренних слоев тела к коже и далее в окружающее пространство при отсутствии внутренних температурных аномалий.
Рис. 5.
У человека, как и у других теплокровных животных существуют области внутри организма , где благодаря гомеостазу поддерживается стабильная температура, примерно соответствующая температурам, получаемым при измерениях ртутным термометром в аксиллярной, оральной или ректальной областях (36,5° С - 37,0° С). К областям со стабильной внутренней температурой относятся центральная нервная система, органы грудной клетки, абдоминальная область, отчасти плечи и бедра.
При комфортной окружающей температуре воздуха 20° С - 25° С кожа охлаждается до температуры 32° С - 33° С и имеется температурный градиент между внутренними тканями и кожей.
Этот градиент температуры, а также его изменение при изменении окружающей температуры изображен на рис. 6.
Рис. 6.
В инфракрасном и радиодиапазоне процессы излучения определяются законом Планка, который определяет интенсивность излучения как функцию абсолютной температуры и частоты излучения.
На рис. 7 показана интенсивность излучения как функция частоты для температуры 310К (33° С).
Рис. 7.
При температурах, характерных для биообъектов максимум излучения приходится на область частот 1013Гц, что соответствует длине волны 10 микрон, т.е. инфракрасным лучам. Частоты радиодиапазона, используемые в радиотермографии (108 - 109 Гц) лежат на склоне планковского распределения и интенсивность их излучения примерно на 5 порядков меньше, чем в инфракрасном диапазоне. Это определяет особенности построения аппаратуры в соответствующих диапазонах.
Отметим также, что для инфракрасного излучения биоткани являются непрозрачным и это излучение затухает практически полностью на глубине в несколько микрон.
В радиодиапазоне прозрачность (величина затухания) в биологических тканях зависит от содержания воды в тканях. По этому принципу ткани могут быть разделены на две группы. К группе тканей с малым затуханием относятся жировые и костные ткани (малое содержание воды). В этих тканях излучение затухает на 20 - 30% на каждый сантиметр глубины ткани.
К группе тканей с сравнительно большим затуханием относятся кожа и мышечные ткани (большое содержание воды). В них излучение затухает примерно вдвое на каждый сантиметр глубины ткани.
Отметим еще некоторые особенности теплового излучения. Тепловое излучение образуется благодаря хаотическому движению огромного количества молекул и в связи с этим носит неупорядоченный (шумовой) характер.
На границе биоткань - окружающая среда происходит отражение излучения, связанное с излучательной способностью* тела законом Кирхгофа:
e = 1 - r, где
e - излучательная способность тела;
r - коэффициент отражения.
Отметим, что в инфракрасном диапазоне величина r мала (0,03 - 0,05), тогда как в радиодиапазоне величина r достигает уровня 0,4 - 0,5. Эти закономерности определяют построение диагностической аппаратуры.
Диагностический комплекс РТМ - 01 – РЭС
Рассмотрим построение диагностического медицинского радиотермографа на примере диагностического комплекса РТМ-01-РЭС.
РТМ-01-РЭС предназначен для измерения внутренней (глубинной) температуры тканей по их естественному тепловому излучению в микроволновом диапазоне и измерению температуры кожных покровов по их тепловому излучению в инфракрасном диапазоне.
Упрощенная блок-схема аппаратуры показана на рис. 8.
В состав аппаратуры входят: антенна (аппликатор), радиодатчик, датчик температуры кожи, блок обработки информации, персональная ЭВМ (ПЭВМ).
Рис. 8
* По другой терминологии -"степенью нечерноты" тела. Для "абсолютно черного" тела ε=1.
Измерение внутренней температуры производится контактным способом. При этом антенна (1) прикладывается к коже пациента на проекции исследуемого органа или его части.
Мощность шумового сигнала в радиодиапазоне, поступающая на вход антенны, составляет Р = ε К Т B, где
к - постоянная Больцмана (1,38 х 10-23 Дж/град);
Т - усредненная температура внутренних тканей (градусы Кельвина);
B - полоса частот радиоприема (Гц);
ε - излучательная способность.
При полосе частот В= 100МГц (108Гц) и температуре тканей 310К эта мощность составляет примерно 4 х 10-13 Вт.
Эта величина чрезвычайно мала и может быть измерена только при использовании специальных методов приема и обработки сигналов.
Мощность излучения строго пропорциональна температуре тела, поэтому мощность излучения может определяться при прочих неизменных условиях в градусах температуры.
Непосредственно за антенной установлен выключатель (2), который переключается из замкнутого в разомкнутое состояние 1000 раз в секунду.
При замкнутом состоянии
переключателя сигнал проходит через плечи
а - в циркулятора и усиливается в радиометрической части прибора
(4). При разомкнутом состоянии выключателя (2) в плечо с циркулятора
(3) поступают шумы от нагреваемого резистора (5), которые отражаются от
выключателя (2) и через плечи а - в циркулятора (3) также попадают
на вход радиометра (4). В радиометре происходит усиление сигналов и сравнение
их мощности (температуры) при двух положениях переключателя (2). Напряжение,
пропорциональное разности температур ткани и нагреваемого резистора (5)
нагревает резистор до тех пор, пока указанные температуры не сравняются.
Измерение внутренней температуры тканей заменяется измерением температуры нагреваемого резистора, что упрощает построение аппаратуры. На нагреваемом резисторе установлен преобразователь температура - напряжение. Напряжение с выхода преобразователя поступает на переключатель режимов (8) и далее на аналогово-цифровой преобразователь (11), служащий для связи с ПЭВМ.
Кроме того, описываемая схема компенсирует отражения, происходящие на границе биообъект - антенна.
На рис. 9 показано, как это происходит.
Рис. 9.
Мощность шумов биообъекта с температурой Тп достигает границы биообъекта и попадает в антенну, уменьшившись на величину 1-r, согласно закону Кирхгофа. Часть шумов Тп r отражается и поглощается в биообъекте.
Со входа приемника на границу раздела поступают шумы с температурой Тп (см. выше). Часть их с температурой Тп (1 - r) поглощается в биообъекте, а другая часть отражается с уровнем Тп r. Нетрудно убедиться, что при сложении сигналов, попадающих в антенну их температура составляет Тп.
Таким образом, отражение на границе среды компенсируется даже при разных температурах биообъекта.
Для измерения температуры кожи применен бесконтактный (дистанционный) метод измерений. Плотность излучения с поверхности, нагретой до абсолютной температуры Т составляет:
М = ε s (Т 4 - Т1 4), где
ε - κоэффициент теплоотдачи;
s - постоянная Стефана - Больцмана (5,67 х 10-8 Вт/ (м2 К4);
Т1 - температура среды, находящейся в тепловом равновесии с исследуемой поверхностью, К.
Инфракрасный датчик температуры (10) состоит из оптической системы, формирующей поле обзора поверхности, механического прерывателя потока лучей, тела сравнения, нагретого до температуры Т1 и радиометрической части.
Диаметр пятна на коже пациента, в котором исследуется температура, зависит от расстояния между датчиком и кожей.
При расстоянии в 10 см диаметр пятна составляет примерно 1,5 см, при расстоянии в 1 см диаметр пятна составляет примерно 0,5 см. Эти расстояния на практике устанавливаются с помощью несложных механических приспособлений (вставок).
Благодаря действию механического прерывателя 24 раза в секунду происходит сравнение температуры кожи и тела сравнения.
Результаты измерения поступают в виде постоянного напряжения на переключатель (8) и далее на общий аналого-цифровой преобразователь (11).
В ПЭВМ, состоящей из процессора (12), монитора (13) и принтера (14) осуществляются следующие операции:
- фиксация данных пациента;
- фиксация анамнеза;
- фиксация данных измерений температуры, привязанных к позиции датчиков.
Данные по температуре обрабатываются и могут быть отображены на мониторе или принтере в следующих видах:
- в виде термограммы;
- в виде поля температур.
Для диагностики рака молочной железы имеется специальная диагностическая программа, позволяющая установить признаки рака молочной железы, путем сравнения распределения температур у больных с верифицированным раком и текущими данными.
Особенности работы радиотермографа
Рассмотрим некоторые особенности работы радиотермографа при измерениях в радио и инфракрасном диапазонах, т.е. измерениях внутренней температуры и температуры кожи.
При измерениях внутренней температуры в радиодиапазоне измерения температура складывается из трех составляющих:
- температуры кожи;
- вклада температурного градиента;
- вклада температурной аномалии (при ее наличии).
Рассмотрим связь между индицируемыми величинами температур при измерениях внутренней температуры радиодатчиком и температуры кожи инфракрасным датчиком и распределением истинной (термодинамической) температуры в глубине тканей.
При измерениях радиодатчиком индицируется так называемая яркостная температуры. Ее величина лишь косвенно отражает температуру внутренних тканей и происходит это по следующей причине. Если мысленно разделить исследуемую ткань на плоские тонкие слои, параллельные поверхности кожи, то мощность излучения каждого слоя в радиодиапазоне будет зависеть от физической температуры слоя и потерь излучения в нем. Вклад излучения каждого слоя в яркостную температуру будет зависеть также от величины потерь в тканях от слоя до поверхности кожи.
Таким образом, яркостная температура, воспринимаемая антенной, устанавливаемой на поверхность кожи будет зависеть от температурного профиля (т.е. изменения температуры в функции от глубины зондирования Z ) и электрофизических свойств тканей, т.е. величины погонных потерь, о чем было сказано выше.
На рис. 10 показан температурный профиль при наличии температурной аномалии, расположенной на глубине Z 0.
Рис. 10.
Как видно из рисунка яркостная температура формируется следующим образом. При отсутствии температурной аномалии яркостная температура состоит из величины Тк (температура кожи) и вклада, который дает градиент температуры. При типичной разнице Тви - Тк = 2,5 ° С (Тви - внутренняя температура в области, где она может считаться постоянной) вклад от градиента температуры составляет примерно 1 - 1,5° С и остается постоянным при неизменной температуре кожи.
Таким образом, в норме, внутренняя яркостная температура всегда превышает температуру кожи.
При патологии (наличии температурной аномалии) картина меняется.
На рис 11 показаны расчетные значения яркостной температуры и температуры кожи для различной глубины расположения температурной аномалии Zо при неизменных следующих параметрах:
- превышение температуры новообразования над температурой окружающих тканей D T = 2° С,
- размер температурной аномалии по полуспаду температуры 2 см.
Рис. 11.
Следует отметить, что при температурных аномалиях, расположенных на небольшой глубине, температура кожи может превышать яркостную температуру, индицируемую радиодатчиком. Это явление имеет определенную диагностическую ценность.
Остановимся на технике измерений внутренней температуры и температуры кожи.
Стабильные результаты измерений обеспечиваются, если техника измерений неизменна.
Аппаратура РТ-01-РЭС спроектирована таким образом, что в ней отсутствуют какие-либо органы регулировки.
За исключением сетевого выключателя, оперативные переключения режимов работы осуществляются клавишами на передней панели блока БОИ “РАДИОДАТЧИК” и “ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ КОЖИ” путем легкого прикосновения.
Информация о выбранном режиме работы отображается световым сигналом на панели индикатора температуры.
Отметим, что при первичном включении аппаратуры режим “РАДИОДАТЧИК” устанавливается автоматически.
Таким образом, внимание врача может быть полностью сосредоточено на процессе измерений.
Как ясно из предыдущего изложения, температура воздуха в помещении влияет как на температуру кожи, так и на яркостную температуру. Поэтому в помещении должна поддерживаться температура 20 - 25° С, а желательным диапазоном является 21 - 23° С.
Следует обратить также внимание на полное отсутствие сквозняков в помещении.
По тем же причинам перед началом обследования температура кожи пациента должна принять стабильное значение, для этого пациент должен некоторое время (ориентировочно 10 минут) адаптироваться к окружающей температуре.
При исследовании внутренней температуры нет необходимости в применении каких либо веществ, улучшающих контакт рабочей поверхности антенны с кожей, как это принято при ультразвуковых исследованиях. Достаточно, чтобы антенна прилегала к коже всей рабочей поверхностью, а плотность прижатия обеспечивалась весом радиодатчика, который, как правило, устанавливается вертикально.
При использовании ПЭВМ место установки датчика подсказывается мнемонической схемой на экране монитора. Наличие кнопки “ЗАПИСЬ” на радиодатчике делает процесс ввода температур автоматизированным.
Для повышения точности измерения температуры в радиоканале производится процесс накопления. Этот процесс в среднем длится около 10 секунд. Окончание процесса (установление стабильных показаний) может быть отмечено по индикатору БОИ, либо по мнемонической схеме на экране монитора.
Лишь после этого может быть осуществлен ввод данных с помощью кнопки “ЗАПИСЬ”. Точный момент ввода данных соответствует отпусканию кнопки.
Измерение температуры кожи может осуществляться в двух режимах, в зависимости от диаметра пятна на коже, в пределах которого температура усредняется. Как уже было упомянуто, диаметр пятна зависит от расстояния между инфракрасным датчиком и кожей, что обеспечивается применением вставок разной длины. При короткой вставке (диаметр пятна 5 мм) исследуется температура кожных новообразований, при длинной вставке (диаметр пятна 15 мм) получаются дополнительные данные о внутренней температуре.
Во вставках имеются широкие прорези, позволяющие проконтролировать место установки датчика.
Благодаря высокой интенсивности сигнала в инфракрасном диапазоне время накопления значительно сокращено и не превышает 1 с.
Пользование кнопкой “ЗАПИСЬ” на датчике температуры кожи аналогично пользованию кнопкой на радиодатчике.
Как упоминалось выше, измеряемые температуры лишь косвенно отображают термодинамическую температуру внутренних тканей. Поэтому при диагностике патологий различного происхождения применяется ряд специальных диагностических методов.
а) Наличие достаточно большого статистического материала по температуре какого-либо органа для нормы и для верифицированных случаев заболевания позволяет обнаружить патологию по отклонению температуры от средней температуры для здоровых людей. Этот метод применяется обычно в сочетании с другими методами.
б) Исследование парных органов (молочные железы, почки, яичники) производится методами измерения очаговой термоасимметрии, т.е. отысканием мест на проекции органа, где разность температур максимальна. Этот метод позволяет в ряде случаев определить локализацию температурной аномалии. Для исследования молочных желез имеется специальная диагностическая программа. На рис 12 показано поле внутренних температур пациентки страдающей раком молочной железы.
При рассмотрении полей внутренних температур необходимо учитывать следующую закономерность. Размеры температурных аномалий всегда превышают размеры новообразования, которое определяется при рентгеновском, ультразвуковом исследовании или пальпации. Это объясняется тем, что ткани вокруг новообразования или другого источника с повышенной температурой нагреваются за счет теплопередачи и общего тока крови.
Рис 12. Поле внутренних температур больной К., 57 лет. Рак левой молочной железы (доклиническая форма)
в) Исследование протяженных органов (позвоночник, конечности). При использовании этого метода определяется градиент температуры вдоль органа.
На рис.13 Показано поле внутренних температур шейного отдела позвоночника.
Рис. 13
г) Метод сравнения температуры исследуемых точек по сравнению с температурой окружающих тканей. Этот метод может применяться в совокупности с другими методами и как самостоятельный метод при исследовании кожных новообразований.
д) Полная безвредность тепловых исследований позволяет наблюдать развитие патологических процессов в динамике. На рис.14 и 15 показана положительная динамика в процессе консервативного лечения мастита.
Рис.14. Поле внутренних температур больной П., 46 лет. Острый мастит, до лечения.
Рис.15. Поле внутренних температур больной П., 46 лет. После консервативного лечения.
Некоторые результаты клинических испытаний комплекса РТМ-01-РЭС
Клинические испытания комплекса были проведены во всех крупных онкологических центрах Москвы, под руководством ведущих российских специалистов.
1) Филиал № 1 Маммологического диспансера;
Главный маммолог КЗ г. Москвы, Президент ассоциации “Маммология” к.м.н. Пинхосевич Е.Г.;
Заведующая филиалом № 1 Московского маммологического диспансера
д.м.н., проф. Бурдина Л.М.
2) Городская клиническая больница № 40
Профессор Могилевский И.Л.
3) Всероссийский Онкологический Научный центр РАМН им. Блохина
д.м.н., проф. Комов
д.м.н., проф. Хайленко В.С.
к.м.н. Керимов Р.А.
к.м.н. Ориновский М.
4) Онкологический диспансер Комитета Здравоохранения г. Москвы
Главный онколог Комитета Здравоохранения г. Москвы
д.м.н., профессор Сдвижнов А.М.
Заместитель главного врача, к.м.н. Бяхов М.Ю.
5) Центр амбулаторной диагностики и лечения опухолевых и предопухолевых состояний Московского Научно- Исследовательского Онкологического Институт им. П.А.Герцена.
Заведующая амбулаторным отделением, к.м.н. Богданова Н.М.
Проведенные испытаниях показали высокая чувствительность
РТМ-01, при диагностики рака молочной железы (90%).
Испытания в Онкологическом диспансере КЗ г. Москвы показали способности РТМ-01-РЭС выявлять пролиферативные формы мастопатии и фиброаденомы.
Исследования эффективности прибора проводились слепым методом. Диагностические данные прибора сравнивались, как правило, с данными гистологических пост операционных исследований.
Предметом испытаний являлось выявление рака молочной железы.
Напомним смысл критериев, служащих для определения эффективности прибора.
Такими критериями являются:
- чувствительность
- точность
- специфичность.
Все полученные данные диагностики могут быть разбиты на следующие категории:
- истинноположительные (ИП);
- истинноотрицательные (ИО);
- ложноположительные (ЛП);
- ложноотрицатеоьные (ЛО).
См. рис.16.
Тогда:
Чувствительность метода:
Точность метода: 
, где N - число всех обследований.
Специфичность метода:
Рис.16
Результаты клинических испытаний РТМ-01-РЭС по выявляемости рака молочной железы показаны на рис.17.
Рис.17.
В заключение отметим, что успех применения метода радиотермографии в большой мере зависит от заинтересованности врача и точность диагностики повышается вместе с накопленным опытом.
Составил ведущий научный сотрудник Вайсблат А.В.
На правах рукописи.
www.resltd.ru Copyright © 2001 ФИРМА РЭС. Идея и дизайн V.I.