pro termoterapiipro termoterapii

Kozmík MartinKozmík Martin

RozděleníRozdělení

Obecně ji dělíme na dvě principielní metody:Obecně ji dělíme na dvě principielní metody:

1. invazivní 1. invazivní 2. neinvazivní2. neinvazivní

Čidla pro měření teploty jsou důležitým prvkem Čidla pro měření teploty jsou důležitým prvkem hypertermické soustavyhypertermické soustavy

Invazivní termometrieInvazivní termometrie

v klinické praxi je zpravidla nutné alespoň v klinické praxi je zpravidla nutné alespoň jednu ze sond umístit invazivním jednu ze sond umístit invazivním způsobem pod povrch biologické tkáně způsobem pod povrch biologické tkáně

sondy mají podobu injekční jehly, do které sondy mají podobu injekční jehly, do které je umístěno zpravidla několik čidel (3 –je umístěno zpravidla několik čidel (3 –7)měřících teplotu ve svém nejbližším 7)měřících teplotu ve svém nejbližším okolíokolí

Invazivní termometrieInvazivní termometrie

V současné době nejpoužívanější typy V současné době nejpoužívanější typy čidel:čidel:

1. termočlánek1. termočlánek

2. termistor2. termistor

3. optický sensor3. optický sensor

TermočlánkyTermočlánky

Princip je založen na Seebeckově jevu ( objeven Princip je založen na Seebeckově jevu ( objeven v roce 1821)v roce 1821)

eeABAB = α.T = α.T

- α…Seebeckův koeficient, je fcí teploty- α…Seebeckův koeficient, je fcí teploty

TermistoryTermistory

Jedná se o tepelně závislý odporJedná se o tepelně závislý odpor

Oproti termočlánku je velmi citlivý, ale na druhou Oproti termočlánku je velmi citlivý, ale na druhou stranu taky nelineární – není problém, protože stranu taky nelineární – není problém, protože většinou měříme malé rozsahy teplotvětšinou měříme malé rozsahy teplot

Většinou realizovány polovodičovým materiálem Většinou realizovány polovodičovým materiálem se záporným teplotním koeficientemse záporným teplotním koeficientem

Charakteristiky jsou velmi individuální, proto je Charakteristiky jsou velmi individuální, proto je nutná kalibrace, která se musí poměrně často nutná kalibrace, která se musí poměrně často opakovat opakovat

TermistoryTermistory

Skutečná charakteristika termistorů bývá aproximována Skutečná charakteristika termistorů bývá aproximována tzv. Steinhart-Hartovou rovnicí:tzv. Steinhart-Hartovou rovnicí:

1/T = A + B.lnR + C.ln1/T = A + B.lnR + C.ln22RR

Někdy se používá jednodušší aproximace:Někdy se používá jednodušší aproximace:

T = B/(A.lnR) – CT = B/(A.lnR) – C

- tato je ale méně přesná- tato je ale méně přesná

Termistory - komplikaceTermistory - komplikace

Při používání kovových čidel pro měření teploty Při používání kovových čidel pro měření teploty mohou vzniknout některé jevy, které komplikují mohou vzniknout některé jevy, které komplikují spolehlivost měřeníspolehlivost měření

1. interakce mezi kovovým čidlem a 1. interakce mezi kovovým čidlem a vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem – vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem – vf elmag. pole pak ohřívá kovové čídlo, kovové vf elmag. pole pak ohřívá kovové čídlo, kovové čidlo naopak ovlivňuje rozložení elmag. polečidlo naopak ovlivňuje rozložení elmag. pole

Obrana: umístit čidlo kolmo na směr vektoru Obrana: umístit čidlo kolmo na směr vektoru

intenzity elmag. pole (velmi složité)intenzity elmag. pole (velmi složité)

Termistory - komplikaceTermistory - komplikace

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

Optické senzoryOptické senzory

Princip činnosti optického teploměru: Princip činnosti optického teploměru:

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

Neinvazivní termometrieNeinvazivní termometrie

Metoda, kterou měříme teplotu pod Metoda, kterou měříme teplotu pod povrchem těla, aniž bychom do kůže povrchem těla, aniž bychom do kůže vpichovali jehly s teplotními čidlyvpichovali jehly s teplotními čidly

Cílem je nejen získat teplotu v jednom či Cílem je nejen získat teplotu v jednom či několika bodech, ale mít taky možnost několika bodech, ale mít taky možnost získat informaci o třídimenzionálním získat informaci o třídimenzionálním rozložení teploty v libovolném bodu celé rozložení teploty v libovolném bodu celé sledované oblastisledované oblasti

Neinvazivní termometrieNeinvazivní termometrie

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

Mikrovlnná radiometrieMikrovlnná radiometrie

V současné době nejpoužívanější způsob V současné době nejpoužívanější způsob neinvazivního měření teplotyneinvazivního měření teploty

Využívá se nejen v technických aplikacích Využívá se nejen v technických aplikacích (měření stavu budov, teplotní rozložení (měření stavu budov, teplotní rozložení plošných spojů, vysoušení materiálů…), plošných spojů, vysoušení materiálů…), ale především taky v medicíně, a to pro ale především taky v medicíně, a to pro diagnostiku a léčbu nádorových diagnostiku a léčbu nádorových onemocnění onemocnění

Mikrovlnná radiometrieMikrovlnná radiometrie( Infrared Thermometry )( Infrared Thermometry )

HistorieHistorie

HistorieHistorie

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

HistorieHistorie

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

IR radiaceIR radiace

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

Planckův vyzařovací zákonPlanckův vyzařovací zákon3

2

2 1

1hf

kT

hfP B

ce

Kde: P…výkon vyzářený do prostorového úhlu ΩKde: P…výkon vyzářený do prostorového úhlu Ω h…Planckova konstanta h = 6,63.10h…Planckova konstanta h = 6,63.10-34-34 Js Js

f…frekvencef…frekvence c…rychlost světla c…rychlost světla k…Boltzmanova konstanta k= 1,38.10k…Boltzmanova konstanta k= 1,38.10-23 -23 J/KJ/K T…absolutní teplotaT…absolutní teplota B…šířka kmitočtového pásmaB…šířka kmitočtového pásma

Planckův vyzařovací zákonPlanckův vyzařovací zákon

Mikrovlnná radiometrieMikrovlnná radiometrie

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

Mikrovlnný radiometrMikrovlnný radiometr

Mikrovlnný radiometrMikrovlnný radiometr

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

2 1nfs s

vf vf

BT T T

B B

Mikrovlnný radiometrMikrovlnný radiometr

Chceme-li dosáhnout vyšší citlivosti radiometru, Chceme-li dosáhnout vyšší citlivosti radiometru, znamená to použít radiometr s velkou šířkou znamená to použít radiometr s velkou šířkou pásma Bpásma Bvfvf a zároveň s dostatečně dlouhou a zároveň s dostatečně dlouhou integrační dobou tauintegrační dobou tauVýkonová hustota přijímaného šumu je obvykle Výkonová hustota přijímaného šumu je obvykle velmi malá – radiometr musí obsahovat velmi malá – radiometr musí obsahovat zesilovače s poměrně velkým ziskem – řádově zesilovače s poměrně velkým ziskem – řádově 100 dB a více100 dB a víceMěření radiometrem je pak značně Měření radiometrem je pak značně komplikováno fluktuacemi vlastního šumu komplikováno fluktuacemi vlastního šumu zesilovače a také nestabilitami jeho zesílení, zesilovače a také nestabilitami jeho zesílení, které jsou vzájemně nekorelovanékteré jsou vzájemně nekorelované

Mikrovlnný radiometrMikrovlnný radiometr

Citlivost reálného radiometru je pak dána Citlivost reálného radiometru je pak dána vztahem: vztahem:

2

2 2r s

GT T T

G

Dickeův radiometrDickeův radiometr

Umožňuje průběžnou kalibraci. Umožňuje průběžnou kalibraci.

Většina dnes používaných radiometrů pracuje Většina dnes používaných radiometrů pracuje na jeho principuna jeho principu

Schéma:Schéma:

Dickeův radiometrDickeův radiometr

2

224RD A ref

GT T T T

G

Ze vztahu je patrné: pro dosažení co nejvyšší Ze vztahu je patrné: pro dosažení co nejvyšší citlivosti je třeba zvolit šumovou teplotu citlivosti je třeba zvolit šumovou teplotu referenčního šumového zdroje Treferenčního šumového zdroje Trefref co nejblíže co nejblíže

předpokládané šumové teplotě antény Tpředpokládané šumové teplotě antény TAA

Lékařské využití mikrovlnné Lékařské využití mikrovlnné radiometrieradiometrie

Diagnostika nádorových onemocněníDiagnostika nádorových onemocnění

Řízení termoterapeutické soustavyŘízení termoterapeutické soustavy

ad 1.) je známo, že teplota nádorové tkáně ad 1.) je známo, že teplota nádorové tkáně bývá vyšší než teplota zdravé tkáně. Toho bývá vyšší než teplota zdravé tkáně. Toho se využívá pro vyhledávání nádorů se využívá pro vyhledávání nádorů pomocí radiometru, který umožňuje měřit pomocí radiometru, který umožňuje měřit teplotu bezkontaktním způsobemteplotu bezkontaktním způsobem

Využití radiometru v onkologiiVyužití radiometru v onkologii

Diagnostika nádorůDiagnostika nádorů

Diagnostika nádorů s přídavným ohřevemDiagnostika nádorů s přídavným ohřevem

Radiometr jako neinvazivní teploměr pro Radiometr jako neinvazivní teploměr pro hypertermiihypertermii

Diagnostika nádorůDiagnostika nádorů

Radiometr je využit pro vyhledávání lokalit Radiometr je využit pro vyhledávání lokalit s vyšší teplotou, kde by mohl být nádors vyšší teplotou, kde by mohl být nádor

Vzhledem k malému teplotnímu rozdílu Vzhledem k malému teplotnímu rozdílu mezi v nádoru a ve zdravé tkáni není tato mezi v nádoru a ve zdravé tkáni není tato diagnostika dostatečně spolehlivá, a to diagnostika dostatečně spolehlivá, a to zejména při vyhledávání nádorů hlouběji zejména při vyhledávání nádorů hlouběji pod povrchempod povrchem

Diagnostika nádorů s přídavným Diagnostika nádorů s přídavným ohřevemohřevem

Rozdíl teploty mezi zdravou tkání a Rozdíl teploty mezi zdravou tkání a místem, kde se nalézá nádor, se dá zvýšit místem, kde se nalézá nádor, se dá zvýšit právě přídavným ohřevemprávě přídavným ohřevem

Využívá se tak rychlejšího nárůstu teploty Využívá se tak rychlejšího nárůstu teploty v nádoruv nádoru

Ale i tento způsob se používá spíše jen na Ale i tento způsob se používá spíše jen na povrchové lokalitypovrchové lokality

Radiometr jako neinvazivní Radiometr jako neinvazivní teploměr pro hypertermiiteploměr pro hypertermii

Radiometr je využíván k monitorování Radiometr je využíván k monitorování teploty při léčbě onkologických pacientů teploty při léčbě onkologických pacientů hypertermiíhypertermií

Mikrovlnný radiometrMikrovlnný radiometr

Kmitočet radiometruKmitočet radiometru Teplota změřená Teplota změřená radiometrem odpovídá v radiometrem odpovídá v hloubcehloubce

8 GHz8 GHz 0.3 cm0.3 cm

2.45 GHz2.45 GHz 1 cm1 cm

434 MHz434 MHz 2 cm2 cm

100 MHz100 MHz 3 – 4 cm3 – 4 cm

27 MHz 27 MHz 5 – 6 cm5 – 6 cm

Zdroje informacíZdroje informací

Prof. Ing. Jan Vrba, CSc: Lékařské Prof. Ing. Jan Vrba, CSc: Lékařské aplikace mikrovlnné techniky, 2003aplikace mikrovlnné techniky, 2003

www.inframet.plwww.inframet.pl

Marcel Kreidl: Měření Teploty – senzory a Marcel Kreidl: Měření Teploty – senzory a měřící obvody, 2005měřící obvody, 2005