Учёные Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН создали тепловизоры, способные снимать «термофильмы» с частотой 100 кадров в секунду. С помощью таких установок можно выявлять патологии кровообращения, дыхания и эффективно изучать системную реактивность организма человека и животных
Сибирские ученые создали медицинский тепловизор

Тепловизор и медицина

В 1956—1957 годах канадский хирург доктор Лоусон опубликовал свои классические работы, посвященные диагностике рака молочной железы с использованием тепловизионного принципа, что спровоцировало бум интереса к медицинскому применению такого метода. Было организовано множество исследований, проводились скрининги населения, в которых участвовали многие тысячи людей. Однако в итоге был получен отрицательный результат: к середине 1980-х врачи пришли к убеждению, что достоверно рак таким способом диагностировать нельзя.

Новый всплеск интереса к этому методу пришёлся на середину 1990-х. Именно тогда появились первые матричные тепловизоры. Они в режиме высокого быстродействия обеспечивали чувствительность в десять раз лучшую, чем предыдущее поколение, и имели хорошую разрешающую способность, дающую фотографическое качество изображения. Так тепловидение начало новую эру в медицине.

В 1996 году, практически одновременно с зарубежными аналогами, матричный тепловизор был создан в ИФП СО РАН. С тех пор в институте было изготовлено более 50 таких приборов, переданных в различные научные и медицинские организации. Разумеется, изначальную конструкцию аппарата все время дорабатывают и модифицируют.

«Тепловизор — это, пожалуй, самый безвредный из всех диагностических инструментов на Земле. В медицине он воспринимает собственное тепловое излучение человека, ничем не воздействуя на организм. При использовании приборов ИФП СО РАН измерение происходит с частотой 100 кадров в секунду, что позволяет обследовать подвижные объекты и изучать процессы, быстро изменяющиеся во времени. Это открывает возможность успешно применять тепловидение — к примеру, для обследования маленьких детей, которых невозможно заставить усидеть на месте», — рассказывает ведущий научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, профессор НГУ, доктор физико-математических наук Борис Григорьевич Вайнер.

Диана Хомякова Борис Вайнер с тепловизором

Как это работает

С активным применением тепловидения исследователи ИФП СО РАН изучают системную реактивность организма (реакции на внешние воздействия, как правило, неожиданные). В спокойных условиях каждый человек обладает определённой индивидуальной поверхностной температурной картиной. Если эти условия «потревожить», проявляется реакция, которая с высокой чувствительностью регистрируется тепловизионным прибором. Проводя подобные измерения, исследователи ИФП СО РАН обнаружили интересный эффект: если воздействовать на одну руку, реагирует весь организм, в первую очередь — конечности. Например, пережимают манжеткой предплечье — и синхронно, абсолютно с той же амплитудой начинают остывать другая рука и обе ноги. Как только снимают нагрузку — все конечности синхронно нагреваются. У некоторых людей это происходит так, у других реагируют только руки, у третьих — лишь одна, подвергнутая воздействию, рука.

«Это демонстрирует, что люди дифференцируются по типу так называемой системной реактивности организма. А она определяет многое. К примеру, идёт человек по улице, вдруг из-за угла на него громко гавкнула собака. Один перенесет это спокойно, у другого — инфаркт из-за повышенной рефлекторной реакции сосудов», — поясняет исследователь.

В основном в мире интерпретируют статические изображения, получаемые с помощью тепловизоров. В ИФП же изучают именно динамические ответы организма на внешние воздействия. Помимо осуществления тепловизионного наблюдения за изменениями температуры кожи, исследователи синхронно и в одном и том же сеансе измеряют артериальное давление, частоту сердечных сокращений, скорость распространения пульсовой волны по артерии, температуру ядра организма, дыхательный ритм, профиль дыхания. «Это, во‑первых, привносит новые знания в науку о живых объектах, а, а во-вторых, позволяет разработать диагностические тесты для разнообразных заболеваний, — отмечает Борис Вайнер. — Мы предложили и успешно применяем при исследовании людей и животных новый, основанный на использовании современного тепловидения, метод мониторинга легочного дыхания, который в разы, а в ряде случаев — в сотни раз чувствительнее аналогичных методов диагностики, применяемых сегодня в биомедицине».

Ученые поставили перед собой задачу дать врачам и биологам новую методологию, которой нет в мире, и убедить их внедрить её в свою практику (медицина, как известно, очень консервативна). Исследователи ИФП СО РАН интенсивно сотрудничают с Центром новых медицинских технологий Академгородка, ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН, в экспериментальной лаборатории Национального медицинского исследовательского центра им. Е. Н. Мешалкина системные реакции организма изучают на животных — поросятах и кроликах. Интересными объектами для тепловизионного анализа оказались также лабораторные крысы, на которых научный коллектив совместно проводит разнообразные физиологические исследования.


Будущее тепловизионных технологий

Параллельно с развитием экспериментальной методологии учёные применяют и совершенствуют совместную математическую обработку данных, синхронно полученных по разным измерительным каналам. Частота сердечных сокращений, дыхание, температура тела и другие характеристики организма сводятся воедино и статистически обрабатываются с целью обнаружения корреляции и согласованности различных физиологических показателей.

«В конечном итоге хотелось бы создать медицинское оборудование, которое с высокой информативностью показывало бы врачу текущее состояние организма пациента и само бы осуществляло анализ полученных данных. Например, у нас есть идея измерительной аппаратуры для тепловизионного наблюдения за новорожденными или неподвижными больными (к примеру, находящимися в состоянии глубокой комы). По задумке, программа анализирует профиль дыхания и, если видит, что он патологически изменился (к примеру, наблюдается длительное апноэ — остановка дыхания), поднимает тревогу, — рассказывает Борис Вайнер. — Однако для разработки целенаправленных медицинских методик нам необходимы гранты, которые позволили бы реализовать более тесный контакт со специализированными медицинскими учреждениями. Сейчас тепловизор и всё сопутствующее оборудование сосредоточены, в основном, в лаборатории нашего института. Мы проводим с их помощью много интересных исследований, публикуем статьи в высокорейтинговых журналах и научные монографии. Но вывезти в клинику такое «железо» можно себе позволить лишь на 1—2 дня, что мы периодически и делаем. К сожалению, систематические клинические испытания, которые сопровождались бы накоплением достаточной статистики, возможны лишь при адекватной финансовой поддержке этих работ, которую нам пока еще не удалось получить. Однако могу сказать, что за годы совместной работы с участием физиков, медиков, физиологов мы получили значимые результаты и уверены, что наша методика позволит разработать принципиально новые критерии для ранней диагностики заболеваний (в том числе — социально значимых)».