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1 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

2 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 capacità di 23 C 32

3 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

4 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.

5 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

6 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 : rb = st4 [W/m2] La legge degli spostamenti di Wien: lmax = 2898/T [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

7 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.

8 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

9 STRUMENTAZIONE DISPONIBILE PRESSO IL LABORATORIO DI TELETERMOGRAFIA DIGITALE Teletermocamera AEG 256 PtSi Matrice di 256 x 256 sensori fotovoltaici PtSi Banda spettrale: 3 5 mm ; Sensibilità : 0.02 C; Campo Termico: 5 50 C; Risoluzione Spaziale: 0,30 mm2 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

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