Диагностика в инфракрасном диапазоне

Можем ли мы увидеть черную кошку в темной комнате? Да, можем. Но только в том случае, если воспользуемся современной тепловизионной техникой. Об области применения этих важных для науки устройств подробно рассказал на своей лекции ведущий сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Аржанова Борис Вайнер. Лекция была приурочена к Седьмой межрегиональной конференции «Современные подходы к организации юннатской деятельности», состоявшейся в стенах Института цитологии и генетики СО РАН в ноябре этого года. 

Принцип работы тепловизора понять не сложно. Подобными «устройством», кстати, давно уже пользуются некоторые животные. Так, комар хорошо чувствует тепло, исходящее от человека. Гремучая змея с помощью терморецепторов «видит» в темноте крадущуюся мышь. Каждое нагретое тело, объясняет Борис Вайнер, испускает невидимые нашему глазу инфракрасные лучи. Их-то и воспринимает прибор, выдавая свою особую картинку окружающих предметов. На черно-белом изображении самые теплые участки выглядя самыми светлыми. Самые холодные, наоборот, выглядят темными. С помощью компьютера можно получить и цветное изображение. Тогда всё теплое будет окрашиваться в «теплые» красноватые тона, а холодное - приближаться к «холодному» синему цвету.

Когда мы направляем тепловизор на кошку, сидящую в темной комнате, она отчетливо просматривается светлым силуэтом на фоне темных стен. Когда же она убегает с насиженного места, на термограмме какое-то время отображаются светлые пятна – это, как мы понимаем, участки, нагретые животным.

Надо сказать, что современный тепловизор – прибор очень чувствительный, который может фиксировать разницу температур даже в долях градуса (до трех сотых). Если вы ночью наблюдаете с его помощью за каким-то крупным животным (например, за слоном), вы в состоянии даже разглядеть оставленные этим существом свежие экскременты. Точнее, вы их увидите отчетливо, поскольку они имеет более высокую температуру, чем поверхность тела животного, а потому будут выделяться хорошо заметными светлыми пятнами на относительно темном фоне. Таким примеры, замечает Борис Вайнер, наглядно демонстрируют возможности тепловизора.

Особенно примечательна фиксация так называемого теплового следа. Выше мы уже сказали о тепловых следах, оставляемых кошкой. Но точно такой же тепловой след остается и от человеческой руки, когда мы просто прикасаемся к одежде. На теплограмме появляется четкий светлый силуэт, который постепенно – в течение полуминуты - исчезает  по мере охлаждения поверхности. И наоборот, если человек коснется телом более холодного предмета, то на участке соприкосновения с этим предметом также останется заметный след (то есть этот участок будет выглядеть более темным). По словам Бориса Вайнера, никакой другой прибор, кроме тепловизора, не в состоянии зафиксировать подобные тепловые эффекты.

Изначально тепловизионная техника предназначалась для военных, чтобы из космоса фиксировать пуски ракет. Аналогичным образом тепловизионной техникой могут воспользоваться и экологи. Например, она позволяет зафиксировать сброс вредных отходов в водоемы. Поскольку температура отходов выше температуры воды, на теплограмме водоема появляется светло-розовый шлейф на холодном темно-синем фоне водной поверхности.

В наше время с этой техникой очень хорошо знакомы строители. В принципе, диагностика зданий на предмет утечек тепла является сейчас основной сферой «гражданского» применения таких приборов. Точно так же выявляются потери тепла и у различных машин, например, обследуется обшивка самолетов гражданской авиации. То же можно сказать и о сфере энергетики, где с помощью тепловизора вы в состоянии оперативно выявить проблемные контакты, которые, как известно, постоянно нагреваются. Удобство работы с таким оборудованием в том, что оно позволяет всё это делать  дистанционно. Вам не нужно специально проверять каждый контакт с помощью инструментов. Достаточно лишь взглянуть на теплограмму, чтобы оценить общую картину. В принципе, точно так же можно диагностировать любую электронику.

Но это еще не всё. Как выясняется, тепловизоры можно успешно применять и для медицинской, и для ветеринарной  диагностики, а также для «обследования» растений.

Прежде, чем мы рассмотрим подобные примеры, необходимо подчеркнуть принципиально важный принцип работы тепловизоров. Как подчеркнул Борис Вайнер, их ни в коем случае нельзя путать с так называемыми приборами ночного видения, которые сегодня популярны у военных, а также у охотников. Прибор ночного видения работает подобно радиолокатору: он испускает лучи в инфракрасном диапазоне, а затем улавливает их отражение от предметов. То есть, он просто позволяет видеть  предметы в темноте - видеть их в инфракрасной подсветке (то есть предметы на самом деле освещены, но только невидимыми для наших глаз лучами). Однако такие приборы совсем не показывают нам распределения температур, то есть все те нюансы, которые связаны с излучением самих предметов. Такое по силам только тепловизору.

Дело в том, объясняет Борис Вайнер, что тепловизор ничего не излучает, а лишь «воспринимает» излучение от предметов. В этом плане его можно рассматривать как прекрасное, совершенно неопасное средство диагностики. В отличие, скажем, от рентгена, пронизывающего ваше тело вредными лучами, вы можете проходить тепловизионное обследование сколько угодно раз без всякого риска.

Спрашивается, чем может помочь тепловизор при диагностике? Как мы уже сказали, этот прибор хорошо показывает разницу температур, в том числе – на теле человека или животного. Специалисту такие данные могут сказать о многом, поскольку они отражают процессы, происходящие в организме. Борис Вайнер привел примеры из ветеринарии. Так, на одной термограмме показаны передние ноги лошади. Очень хорошо видно, что в районе левого копыта температура сильно повышена. Причина – воспаление. То есть в этом месте идет активный биологический процесс, из-за чего и происходит повышение температуры. Точно так же с помощью тепловизора можно отличить больную собаку от здоровой. Скажем, у здоровой собаки нос холодный, а глаза теплые. Соответственно, если мы обнаружим на термограмме иную картину, то она должна нас насторожить.

Несколько слов о медицинской диагностике. Известно, что при некоторых заболеваниях начинают холодеть кончики пальцев. Иногда вообще нарушается правильный ток крови, что незамедлительно сказывается на разнице температур отдельных участков тела. Вряд ли у вас найдется градусник, способный зафиксировать указанный процесс. Зато всё это хорошо отражается на теплограммах. Например, такая диагностике может показать, что одна ступня у пациента холоднее другой. Понятно, что речь идет об ухудшении кровоснабжения той ступни, которая оказалась холоднее.

Кстати, в ИФП СО РАН проводили интересный эксперимент, когда снимали теплограмму с человека, выполняющего физические нагрузки. После первых минут работы на велотренажере температура поверхности тела становится холоднее. Это, уточняет Борис Вайнер, напрямую связано с потоотделением. При перегрузках же происходило обратное (то есть наша «система охлаждения» уже не справляется с таким разогревом). Кроме того, с помощью тепловизора мы в состоянии рассмотреть и отдельные локальные участки, показывающие работу потовых желез. Выяснилось, что не все потовые железы работают одинаково. Есть, скажем так, активные участки, а есть и «пустые», где пот не выделяется. Специалисту данный факт также дает пищу для размышлений, помогая при установлении диагноза.

Интересно, что в ходе экспериментов с животными (например, с крысами) было установлено, что во время сна у них периодически меняется температура отдельных частей тела (лапок, хвоста и т.д.). Причем, без всякого внешнего воздействия. Возможно, во сне происходят какие-то нервные реакции. Тепловизор, таким образом, открывает чуть ли не целое направление исследований для биологов. Можно, например, исследовать «профиль дыхания» животного (на основе вдоха-выдоха), а затем на его основе осуществить анализ внутреннего состояния и даже создать математическую модель.

Исследования такого рода только начинаются. Когда-нибудь, будем надеяться, тепловизор укажет биологам не только новый путь, но и станет для биологии тем, чем телескоп стал для астрономии. И главное, что в распоряжении сибирских ученых на сегодняшний день есть самое передовое оборудование, созданное в наших же институтах. Действительно, союз физики и биологии способен привести к прорыву.

Олег Носков