Температурний сканер для електронної контактної термографії

Реферат: Температурний сканер для електронної контактної термографії являє собою матрицю з масиву телеметричних мікропроцесорних датчиків-перетворювачів "температура/цифровий код", підключених через загальну шину до комп'ютера і розташованих на одному з кінців паралельних просторово рознесених стрижнів. При цьому кожен датчик підключено до шини через теплову розв'язку і мідні проводи у вигляді циліндричної пружини, а вся система стрижнів з датчиками захищена рухливим кожухом таким чином, що датчики висуваються оператором за межі кожуха при реєстрації розподілу температури і автоматично утоплюються в паузах між вимірами. UA 78920 U (12) UA 78920 U UA 78920 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до діагностичної термографічної апаратури, призначеної для візуалізації термофізіологічних аномалій, обумовлених запальними процесами або посиленим ангіогенезом при онкологічних захворюваннях, і може знайти широке застосування при організації масових профілактичних обстежень. На цей момент накопичено досить багато даних про істотну роль термографії в питанні ранньої діагностики онкологічних захворювань. Наприклад у дослідженні (The Biomedical Engineering Handbook-Third Edition-Medical Devices and Systems, Chapter 25 - Infrared Imaging of Breast. - 2006. - CRC Press; www.breastthermographv.com/articles/BT%20Overview%20Chap% 2025.pdf. [1]) підсумовано результати тепловізійних термографічних обстежень молочних залоз більш ніж 300000 жінок за 30 років і зроблено висновок, що термографія здатна виявити ознаки формування рака молочної залози на кілька років раніше, ніж методики, засновані на реєстрації структурних змін (ультрасонографія, рентгенівська мамографія). Паралельно із широко розповсюдженою дистанційною інфрачервоною термографією (теплобаченням) розвивалася електронна контактна термографія. У цій методиці розподіл температури на поверхні тіла реєструвався за допомогою аналогових термоперетворювачів "температура/аналоговий електричний сигнал" (термопари, термометри опору, p-n-переходи та ін.), що перебували у безпосередньому тепловому контакті з досліджуваною ділянкою тіла. Матричні сканери із згаданими вище аналоговими датчиками мають передумовою застосування для комутації датчиків мультиплексорів, аналого-цифрових перетворювачів і безлічі сполучних ланцюгів, що сильно ускладнює конструкцію й знижує надійність і точність досліджень (Патент Німеччини DE10017900A1, G01N 25/18, 11.01.2001 [2]; D. Giansanti, G. Maccioni, G.E. Gigante. A comparative Study for the Development of a Thermal Odoscope for the Wearable Dynamic Thermography Monitoring. Medical Engineering and Physics, v. 28, pp. 363-371, 2006 [3]). Якісний прорив у доступності й результативності контактної термографії відбувся після розробки пристроїв з матричними сканерами на основі мініатюрних мікропроцесорних перетворювачів "температура/цифровий код" (Деклараційний патент України № 70110А, А61В 5/00, 26.12.2003; патент України № 70110, А61В 5/01, 27.08.2007 [4]; патент Російської Федерації № 2276965 А61В 5/01, 26.12.2003 [5]; патент України на корисну модель № 25896 А61В 5/00, 5/001, 27.08.2007 [6]), при цьому виявився цілий ряд корисних якостей у порівнянні з дистанційною термографією: - вимір температури в кожній точці тіла проводиться прямим способом, через що сильно ослаблений вплив перешкод від навколишнього середовища; - відпадає процедура калібрування термографів, а повірка спрощується завдяки використанню стандартних еталонних термометрів опору; - контактний термограф простий в експлуатації, має стабільні метрологічні характеристики, малі габарити й вагу; - вартість контактного термографа в кілька разів нижче вартості інфрачервоного тепловізора; - може бути легко організований мобільний варіант для масового скринінга та профогляду. На основі патентів [4-6] розроблений і серійно випускається термограф контактний цифровий ТКЦ-1 (В.В. Приходченко, Ю.В. Думанский, О.В. Приходченко, В.А. Белошенко, В.Д. Дорошев, А.С. Карначев. Применение контактного цифрового термографа ТКЦ-1 в диагностике заболеваний молочных желѐз. Руководство для врачей. - Донецк: Изд. "Вебер", 2007. - 191 с. [7]), призначений для мамологічного скринінгу. Результати успішного використання ТКЦ-1 у медичній практиці наведені наприклад у роботах (В.В. Приходченко, О.В. Приходченко, В.А. Белошенко, В.Д. Дорошев, А.С. Карначев. Повышение эффективности отборочного этапа селективного скрининга заболеваний молочной железы. Медико-соціальні проблеми сім'ї. 2009, - Т. 14, № 4. -. 20-25 [8]; В.В. Приходченко, О.В. Приходченко, В.О. Білошенко, О.С. Карначов, В.Д. Дорошев, О.І. Калініна. Можливості контактної цифрової термографії в ранній доклінічній діагностиці раку молочної залози. Онкологія. - Т. 13, № 2. - С. 125-129 [9]). При обстеженні безсимптомних жінок були досягнуті наступні показники: чутливість 92,4 %, специфічність 86,0 %, точність 90,6 %. Зроблено висновок, що контактна цифрова термографія дозволяє визначати як функціональний стан тканини молочної залози, так і діагностувати передпухлинні стани й рак на ранній, іноді доклінічній, стадії. Відомий сканер для цифрової контактної термографії, використовуваний у приладі ТКЦ-1 [6]. У цьому матричному сканері 36 мініатюрних мікропроцесорних датчиків розміщені у квадратних отворах плоскої склотекстолітової плати товщиною 0,25 мм так, що утворюють просту квадратну решітку 6×6 із кроком 10 мм. Сканер має жорстку конструкцію. Прогин плати запобігається стільниковою підпіркою. 1 UA 78920 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Сканер [6] призначений для термографування поверхні молочних залоз шляхом послідовного позиціювання на суміжних ділянках. Через піддатливість тканин молочних залоз жорстка конструкція не перешкоджає їх термографуванню, оскільки всі датчики надійно контактують із поверхнею. Головним недоліком аналога [6] є неможливість термографування ділянок тіла зі складною топологією й малою піддатливістю, таких, як область шиї в місці розташування щитовидної залози, область спини в місці розташування хребта, суглоби й т.і., оскільки частина датчиків не буде контактувати з поверхнею. Інший, менш істотний, недолік полягає в існуванні кінцевої теплопровідності між датчиками, що, незважаючи на ряд вжитих заходів, може приводити до згладжування термічних аномалій у результаті теплової дифузії. Реалізований в [6] інший, гнучкий, сканер з датчиками, розміщеними в центрі шайб, наклеєних на полімерну композитну тканину, також має істотні недоліки при термографуванні складних поверхонь. У такій конструкції не можна отримати необхідну просторову розподільну здатність (реалізований крок 20 мм) і зменшити паразитну теплопровідність між датчиками, і, крім того, досягти малої інерційності, яка визначає продуктивність термографування при масовому скринінгу. Як найближчий аналог, що збігається з корисною моделлю, що заявляється, по призначенню та ряду ознак, прийнятий пристрій, запропонований у патенті [5]. Загальною ознакою найближчого аналога і корисної моделі, що заявляється, стосовно до поставленої задачі контактного термографування ділянок тіла зі складною топологією поверхні є: - вимір температури контактним способом за допомогою мікропроцесорних цифрових телеметричних датчиків, підключених до загальної шини; - вимір температури у великій кількості точок; - розміщення датчиків на стрижнях, що мають можливість незалежного осьового переміщення; Найближчому аналогу [5] властиві істотні недоліки. По-перше, не передбачені міри, що мінімізують паразитний теплопідвід до датчиків по сполучним проводам і стрижням. По-друге, відсутній захист від теплової радіації і механічних ушкоджень стрижнів. Запропонованим у прототипі рішенням притиску датчиків до поверхні тіла також властиві недоліки. У варіанті притиску за допомогою пригрузів сканер повинен бути розташований завжди вертикально, що різко обмежує область його використання. В іншому варіанті притиск здійснюється сильфонами при подачі в них повітря підвищеного тиску. Це рішення є складним і не дозволяє реалізувати малий крок квадратної решітки матриці сканера, тобто забезпечити необхідну просторову розподільну здатність. Задачею запропонованої корисної моделі є створення матричного сканера для електронної контактної термографії, придатного для ефективного термографування ділянок тіла зі складною топологією поверхні з метою діагностики захворювань внутрішніх органів, розташованих під цими поверхнями. Прикладами такого застосування може бути діагностика захворювань, у тому числі онкологічних, щитовидної залози, хребта, великих суглобів. Можна перелічити основні вимоги до конструкції такого сканера: - сканер повинен дозволяти робити термографування шляхом послідовного позиціювання, особливо у випадку обстеження великих площ, наприклад хребта; - пристрій повинен забезпечувати надійний контакт із поверхнею при перепаді висот до 20 мм у межах площі матриці; - паразитний тепловідвід від датчиків по сполучним проводам і стрижням повинен бути мінімізований, щоб не спотворювати початкового розподілу температури; - маса елементів сканера, до яких прикріплені датчики, повинна бути мінімальною для зменшення теплової інерційності; - сполучні ланцюги між датчиками і шиною повинні витримувати без обривів велику кількість циклів переміщення датчиків; - теплопровідність між сусідніми датчиками повинна бути мінімальною, щоб не впливати на початковий тепловий контраст температурної карти поверхні тіла; - відстань між сусідніми датчиками повинна бути мінімально припустимою для застосованих датчиків з метою досягнення гарної просторової розподільної здатності; - матриця датчиків повинна бути надійно захищена від механічних ушкоджень у паузах між обстеженнями й від радіаційних теплових перешкод при термографуванні. Перелік креслень: Фіг. 1 Конструкція стрижня з мікропроцесорним датчиком. Фіг. 2 Конструкція блока стрижнів сканера за п. 3 формули. Фіг. 3 Загальний вигляд сканера за п. 3 формули. Фіг. 4 Робоче й неробоче положення датчиків сканера за п. 3 формули. 2 UA 78920 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фіг. 5 Конструкції стрижнів і блоку стрижнів сканера за п. 4 формули. Фіг. 6 Загальний вигляд сканера за п. 4 формули. Фіг. 7 Робоче та неробоче положення датчиків сканера за п. 4 формули. У запропонованому сканері кожен мікропроцесорний датчик розташований на кінці окремого стрижня циліндричної форми. На фіг. 1 представлений поздовжній розріз такого стрижня для сканера за п. 3 формули корисної моделі. Датчик 1 типу DS18B20U у корпусі SOP розмірами 3×3×1 мм вмонтований підпайкою у квадратному отворі 3×3 мм мініатюрної круглої печатної плати 2 діаметром 5,5 мм із фольгованого склотекстоліту товщиною 0,25 мм. Кінцева частина порожнистого стрижня 3 з поліаміду діаметром 6 мм має товщину стінок 0,25 мм, мінімально припустиму з міркувань механічної міцності. Таке рішення необхідно для мінімізації тепловідводу від датчика по стрижню та зменшення маси елементів, що контактують зі шкірою. Плата з датчиком уклеєна в порожнистий стрижень. Сполучні проводи 4, що відходять безпосередньо від датчика, виконані з нержавіючої сталі, що дозволяє зменшити тепловідвід по проводах приблизно в 25 разів у порівнянні із проводами з міді. Оскільки датчики є цифровими, підвищений електричний опір проводів з нержавіючої сталі не впливає на їхню роботу. Для запобігання замикань центральний провод ізольований фторопластовою трубкою 5. Цей тепловий місток закінчується печатною платою 6, до якої підпаяні мідні ізольовані багатожильні проводи типу МГТФ 0.03 7, скручені в джгут, що з'єднують датчик із шиною. На стрижні передбачена лиска 8, що у загальній конструкції сканера після складання служить для запобігання провороту стрижня. Оскільки тепловий контраст на поверхні тіла людини визначається конкуренцією внутрішнього тепловиділення й природної терморегуляції за рахунок радіації, випару води і конвекції, то сканер для контактної термографії не повинен істотно порушувати природну тепловіддачу. Відомо (Физиология человека, под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько, М, Медицина, 2003. - 656 с. [10]), що частка тепловідводу за рахунок радіації є визначальною й становить близько 70 % загального тепловідводу. При температурі зовнішнього середовища 22 °C радіаційне тепловідведення дорівнює 75В т/кв.м, а в перерахуванні на площу контакту стрижня діаметром 6 мм зі шкірою - 2,2 мВт. Прості оцінки паразитного кондуктивного тепловідводу по матеріалу стрижня (поліамід з коефіцієнтом теплопровідності =0,38В т/К*м) приводять до величини 0,11 мВт, а по трьох проводах з нержавіючої сталі (=16 Вт/К*м) близько 0,03 мВт. Таким чином, завдяки ухваленому рішенню, загальний тепловідвід становить 0,14 мВт, що не порушує істотно теплову карту при контактному термографуванні. При відсутності ж теплового містка навіть тонкі мідні проводи діаметром 0,1 мм привели б до загального тепловідводу 0,9 мВт, що становить істотну частку природного тепловідводу і, отже, спотворив би теплову мапу. На фіг. 2 зображена загальна конструкція блока з 16 стрижнів, представлених на фіг. 1 (матриця 4×4 датчики із кроком 8 мм). Стрижні 3 мають можливість поздовжнього переміщення у відповідних отворах двох плат 9, виконаних для зменшення тертя із фторопласта. Плати 9 скріплені між собою стійками 10. Дві пластинки 11 не перешкоджають переміщенню стрижнів, але запобігають їх провороту. Зворотно-поступальне переміщення стрижнів забезпечує об'ємний полімерний пружний елемент 12, що складається з декількох шарів і виконаний наприклад з пінополіуретану або пінополіетилену. У шарі, що примикає до стрижнів, є 16 отворів 13 для пропуску джгутів 7 зі скручених проводів МГТФ, що виходять із кожного стрижня, а в інших шарах є отвори 14 більшого діаметра, у яких розміщуються продовження цих же джгутів, яким придана форма циліндричної пружини 8. Така форма вивідних проводів необхідна для запобігання їхніх обривів при багаторазових поздовжніх переміщеннях стрижнів у процесі термографування, тобто для забезпечення довговічності сканера. Пружний елемент підпирається платою 15, що стійками 16 скріплена із платою 9. Плата 15 виконана з фольгованого склотекстоліту, до її печатних доріжок підпаяні вивідні проводи всіх датчиків, щоб організувати загальну шину. Печатна плата закрита кришкою 17, у якій передбачено отвір 18 для кабелю, що з'єднує плату з комп'ютером. Загальний вигляд сканера з матрицею 4×4 показаний на фіг. 3. Описаний вище блок з 16 стрижнів розташований з можливістю поздовжнього переміщення усередині трубчастого циліндричного кожуха 19, що виконує дві функції. По-перше, завдяки внутрішній металізації захищає датчики від радіаційних теплових перешкод. По-друге, він захищає стрижні з датчиками від механічних ушкоджень. Кожух прикріплений до рукоятки 20 пістолетного типу, у пазу якої розташований штовхач 21, з'єднаний шарніром 22 із блоком стрижнів. Якщо оператор надавлює на штовхач 21, блок стрижнів висувається з кожуха, і проводиться термографування. Якщо ж натискання припиняється, то завдяки зворотній пружині, розміщеній в рукоятці, блок 3 UA 78920 U 5 10 15 20 25 30 35 40 стрижнів автоматично повертається усередину кожуха. На фіг. 4 показані ці два положення стрижнів: внизу - робоче, вгорі - неробоче. На фіг. 5 представлена конструкція стрижнів сканера за п. 4 формули і їхній монтаж у блоці (показані тільки два стрижні). Необхідні термодинамічні властивості, такі як мала теплопровідність і мала маса, у цьому випадку забезпечуються попередніми конструктивними рішеннями. Відмінність полягає в наступному. Кожен полімерний стрижень 3 закінчується тонкостінною металевою трубкою 23 зі сплющеним кінцем 24. Усередині трубки проходить джгут сполучних проводів датчика, що виводиться назовні через отвір 25 на бічній поверхні трубки. На платі 26 розташовані фторопластові втулки 27 для досягнення малого тертя при поздовжньому переміщенні стрижнів. Пружний елемент, що забезпечує зворотно-поступальний рух, є індивідуальним для кожного стрижня й виконаний у вигляді циліндричної пружини 28. Джгуту після виходу із трубки також надається форма циліндричної пружини для запобігання обривів проводів при багаторазових рухах стрижня. У довгасті отвори плати 29 входять розплющені кінці 24 трубок, що запобігає провороту стрижнів. Плата 29 виконана з фольгованого склотекстоліту й має печатні провідники для організації загальної шини. Загнуті кінці 30 трубок обмежують переміщення стрижнів в одну сторону, а плата 31 - в іншу. Плати 26, 29, 31 з'єднані між собою стійками (на фіг. 5 не показані). Описана конструкція має перевагу в порівнянні з попередньою в тому, що усунуто такий недолік, як старіння полімерного матеріалу пружного елемента. На фіг. 6 показаний загальний вигляд сканера з матрицею 8×8 датчиків із кроком 8 мм. У цьому випадку металізований усередині кожух 32 має прямокутну форму. Висування блока стрижнів з датчиками в робоче положення проводиться оператором натисканням кнопки 33 на рукоятці 34, а фіксація в робочому положенні здійснюється шляхом утримання з дуже незначним зусиллям кнопки 35. При завершенні термографування оператор відпускає кнопку 35 і блок стрижнів автоматично повертається усередину кожуха. На фіг. 7 показані ці два положення стрижнів: внизу - робоче, вгорі - неробоче. Перераховані ознаки варіантів сканерів становлять суть корисної моделі, оскільки є необхідними й достатніми в вирішенні поставленої задачі високоточного контактного термографування поверхні тіла зі складною топологією для діагностики запальних та онкологічних захворювань за методикою, запропонованою в патентах [4, 5]. Сканер з матрицею 4×4 датчики розроблений для термографування захворювань щитовидної залози, і випробування показали його придатність, тому що, незважаючи на складну топологію форми шиї у різних пацієнтів, забезпечувалося надійне прилягання датчиків. Область щитовидної залози перекривалася 4-6 позиціюваннями. Сканер з матрицею 8×8 датчиків має подвійне призначення. Оскільки він забезпечує кращу просторову розподільну здатність, ніж сканер приладу ТКЦ-1, то дозволяє підвищити якість термографування молочних залоз, особливо у випадку термічних аномалій малих площ, які можуть походити від неглибоко залягаючих пухлин, розміром 3-5 мм. Інше призначення, що випливає з можливості обстеження поверхні зі складною топологією, - це термографування хребта у вертебрологічній практиці. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Температурний сканер для електронної контактної термографії, переважно для діагностики запальних та онкологічних захворювань, призначений для реєстрації розподілу температури ділянок тіла зі складною топологією поверхні, що являє собою матрицю з масиву телеметричних мікропроцесорних датчиків-перетворювачів "температура/цифровий код", підключених через загальну шину до комп'ютера і розташованих на одному з кінців паралельних просторово рознесених стрижнів, що мають можливість незалежного зворотно-поступального осьового переміщення, який відрізняється тим, що кожний датчик підключено до шини через теплову розв'язку і мідні проводи у вигляді циліндричної пружини, а вся система стрижнів з датчиками захищена від механічних ушкоджень і радіаційних теплових перешкод рухливим кожухом таким чином, що датчики висуваються оператором за межі кожуха при реєстрації розподілу температури і автоматично утоплюються в паузах між вимірами. 2. Температурний сканер за п. 1, який відрізняється тим, що стрижні є порожнистими і виконані з полімерного матеріалу з низькою теплопровідністю, наприклад поліаміду. 3. Температурний сканер за п. 1, який відрізняється тим, що зворотно-поступальне осьове переміщення всіх стрижнів забезпечується загальним пружним елементом, виконаним з полімерного матеріалу, наприклад пінополіуретану, пінополіетилену. 4 UA 78920 U 5 4. Температурний сканер за п. 1, який відрізняється тим, що зворотно-поступальне осьове переміщення кожного стрижня забезпечується індивідуальним пружним елементом у вигляді циліндричної пружини. 5. Температурний сканер за п. 1-4, який відрізняється тим, що теплові розв'язки виконані із проводів з низькою теплопровідністю, наприклад з нержавіючої сталі, манганіну, константану. 5 UA 78920 U 6 UA 78920 U 7 UA 78920 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8