Termometrie pro termoterapii Kozmík Martin

Rozdělení Obecně ji dělíme na dvě principielní metody: 1. invazivní 2. neinvazivní Čidla pro měření teploty jsou důležitým prvkem hypertermické soustavy

Invazivní termometrie v klinické praxi je zpravidla nutné alespoň jednu ze sond umístit invazivním způsobem pod povrch biologické tkáně sondy mají podobu injekční jehly, do které je umístěno zpravidla několik čidel (3 –7)měřících teplotu ve svém nejbližším okolí

Invazivní termometrie V současné době nejpoužívanější typy čidel: 1. termočlánek 2. termistor 3. optický sensor

Termočlánky Princip je založen na Seebeckově jevu ( objeven v roce 1821) eAB = α.T - α…Seebeckův koeficient, je fcí teploty

Termistory Jedná se o tepelně závislý odpor Oproti termočlánku je velmi citlivý, ale na druhou stranu taky nelineární – není problém, protože většinou měříme malé rozsahy teplot Většinou realizovány polovodičovým materiálem se záporným teplotním koeficientem Charakteristiky jsou velmi individuální, proto je nutná kalibrace, která se musí poměrně často opakovat

Termistory Skutečná charakteristika termistorů bývá aproximována tzv. Steinhart-Hartovou rovnicí: 1/T = A + B.lnR + C.ln2R Někdy se používá jednodušší aproximace: T = B/(A.lnR) – C - tato je ale méně přesná

Termistory - komplikace Při používání kovových čidel pro měření teploty mohou vzniknout některé jevy, které komplikují spolehlivost měření 1. interakce mezi kovovým čidlem a vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem – vf elmag. pole pak ohřívá kovové čídlo, kovové čidlo naopak ovlivňuje rozložení elmag. pole Obrana: umístit čidlo kolmo na směr vektoru intenzity elmag. pole (velmi složité)

Termistory - komplikace 2. vliv vedení tepla kovovými přívody – v důsledku toho můžeme naměřit hodnotu, která nebude odpovídat jen bodu ve kterém měříme, ale i hodnotě v blízkém okolí

Optické senzory Princip činnosti optického teploměru: teploměr vysílá do optického vlákna signál z laseru o definovaném výkonu. Na konci vlákna je umístěna koncovka, jejíž činitel odrazu se mění v závislosti na teplotě, podle hodnoty výkonu odraženého zpět do teploměru pak lze vyhodnotit teplotu v okolí koncovky

Neinvazivní termometrie Metoda, kterou měříme teplotu pod povrchem těla, aniž bychom do kůže vpichovali jehly s teplotními čidly Cílem je nejen získat teplotu v jednom či několika bodech, ale mít taky možnost získat informaci o třídimenzionálním rozložení teploty v libovolném bodu celé sledované oblasti

Neinvazivní termometrie V současné době je několik technický řešení, které více nebo méně umožňují tento způsob měření teploty Mezi nejvíce diskutované metody patří mikrovlnná radiometrie, nukleární magnetická rezonance a metoda použití ultrazvuku Nejlepší variantou by bylo použití metody magnetické rezonance, ale jedná se o metodu velmi nákladnou U použití ultrazvuku vzniká problém umístění dané sondy – ovlivnění vodním bolusem

Mikrovlnná radiometrie V současné době nejpoužívanější způsob neinvazivního měření teploty Využívá se nejen v technických aplikacích (měření stavu budov, teplotní rozložení plošných spojů, vysoušení materiálů…), ale především taky v medicíně, a to pro diagnostiku a léčbu nádorových onemocnění

Mikrovlnná radiometrie ( Infrared Thermometry ) Historie

Historie Infračervené záření objevil již v roce 1666 Isaac Newton Sluneční záření nechal procházet skleněným hranolem, na kterém docházelo k lomu světla s tím, že každá barva světla prostoupila s jinou vlnovou délkou, a proto se světla stejných barev šířila ve stejném směru a tak vznikla za rozhraním hranolu duha

Historie V roce 1800 pak na měření Newtona navázal William Herschel, který změřit jakou elektromagnetickou energii vyzařuje každá z barev William Herschel také zjistil, že energii vyzařuje i záření, které nebylo viditelné Na počátku 20.století se touto problematikou zabýval Planck, Stefan, Boltzmann, Wien a Kirchhoff, kteří dále definovali účinky elektromagnetického spektra a kvantovou fyziku, a vymysleli rovnice popisující IR záření.

IR radiace Je známo, že všechna tělesa o teplotě vyšší než je absolutní nula (tj. 0 K) vyzařují do svého okolí elektromagnetickou energii, která je vytvářena tepelným pohybem elektronů v materiálu, z něhož je těleso vytvořeno. V roce 1901 Max Planck určil základní vztah mezi teplotou a vyzařovacím spektrem černého tělesa:

Planckův vyzařovací zákon Kde: P…výkon vyzářený do prostorového úhlu Ω h…Planckova konstanta h = 6,63.10-34 Js f…frekvence c…rychlost světla k…Boltzmanova konstanta k= 1,38.10-23 J/K T…absolutní teplota B…šířka kmitočtového pásma

Planckův vyzařovací zákon

Mikrovlnná radiometrie Mikrovlnný radiometr je přístroj, který umožňuje měřit šumový výkon vyzářený sledovaným objektem Jde o extrémně citlivý přijímač umožňující snímat anténou tepelný šum, který do svého okolí vyzařuje každý objekt o teplotě vyšší než absolutní nula. Hustota výkonu tohoto šumu je úměrná teplotě snímaného objektu.

Mikrovlnný radiometr

Mikrovlnný radiometr Jeho citlivost ΔT udává nejmenší změnu šumové teploty na vstupu radiometru, která může být indikována na jeho výstupu:

Mikrovlnný radiometr Chceme-li dosáhnout vyšší citlivosti radiometru, znamená to použít radiometr s velkou šířkou pásma Bvf a zároveň s dostatečně dlouhou integrační dobou tau Výkonová hustota přijímaného šumu je obvykle velmi malá – radiometr musí obsahovat zesilovače s poměrně velkým ziskem – řádově 100 dB a více Měření radiometrem je pak značně komplikováno fluktuacemi vlastního šumu zesilovače a také nestabilitami jeho zesílení, které jsou vzájemně nekorelované

Mikrovlnný radiometr Citlivost reálného radiometru je pak dána vztahem:

Dickeův radiometr Umožňuje průběžnou kalibraci. Většina dnes používaných radiometrů pracuje na jeho principu Schéma:

Dickeův radiometr Ze vztahu je patrné: pro dosažení co nejvyšší citlivosti je třeba zvolit šumovou teplotu referenčního šumového zdroje Tref co nejblíže předpokládané šumové teplotě antény TA

Lékařské využití mikrovlnné radiometrie Diagnostika nádorových onemocnění Řízení termoterapeutické soustavy ad 1.) je známo, že teplota nádorové tkáně bývá vyšší než teplota zdravé tkáně. Toho se využívá pro vyhledávání nádorů pomocí radiometru, který umožňuje měřit teplotu bezkontaktním způsobem

Využití radiometru v onkologii Diagnostika nádorů Diagnostika nádorů s přídavným ohřevem Radiometr jako neinvazivní teploměr pro hypertermii

Diagnostika nádorů Radiometr je využit pro vyhledávání lokalit s vyšší teplotou, kde by mohl být nádor Vzhledem k malému teplotnímu rozdílu mezi v nádoru a ve zdravé tkáni není tato diagnostika dostatečně spolehlivá, a to zejména při vyhledávání nádorů hlouběji pod povrchem

Diagnostika nádorů s přídavným ohřevem Rozdíl teploty mezi zdravou tkání a místem, kde se nalézá nádor, se dá zvýšit právě přídavným ohřevem Využívá se tak rychlejšího nárůstu teploty v nádoru Ale i tento způsob se používá spíše jen na povrchové lokality

Radiometr jako neinvazivní teploměr pro hypertermii Radiometr je využíván k monitorování teploty při léčbě onkologických pacientů hypertermií

Mikrovlnný radiometr Kmitočet radiometru Teplota změřená radiometrem odpovídá v hloubce 8 GHz 0.3 cm 2.45 GHz 1 cm 434 MHz 2 cm 100 MHz 3 – 4 cm 27 MHz 5 – 6 cm

Zdroje informací Prof. Ing. Jan Vrba, CSc: Lékařské aplikace mikrovlnné techniky, 2003 www.inframet.pl Marcel Kreidl: Měření Teploty – senzory a měřící obvody, 2005