Возможности человеческих органов чувств ограничены, и все же благодаря техническим достижениям мы можем заглянуть за пределы видимого мира, увидеть незримое, например тепловые лучи. Тепловидение как способ информации об окружающем мире завоевывает все новые области применения в технике, биологии и медицине. В основу статьи легла лекция директора Института теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук Генриха Романовича Иваницкого, прочитанная им на IX Международной школе-конференции "Биология - наука XXI века" в городе Пущино весной 2005 года.
За порогом зримого
Чуть ли не 7/8 всей информации от окружающего мира человек получает благодаря зрительным впечатлениям. Многие повседневные выражения речи восходят своими этимологическими корнями к зрительным ощущениям. Например, дела для нас бывают "ясными", "очевидными"; случается, мы кого-то в чем-то "подозреваем", что-то "имеем в виду", наконец, у каждого из нас есть определенное "мировоззрение". И если мы говорим "мироощущение", то подразумеваем чаще всего именно "мировоззрение". Никому в голову не придет такое нелепое истолкование этого термина, как "мирообоняние". А почему, собственно, нелепое? Разве полностью исключена встреча с разумными существами, у которых сильнее всего развито иное чувство? Скажем, обоняние и слух, как у собаки. Кстати, зрение у собак действительно куда слабее, чем у человека, и, кроме того, собака плохо различает цвета. А вот у дождевого червя, хотя он ощущает направление света, главную роль в процессах восприятия играет осязание. У муравья - особое топохимическое чувство, в котором обоняние сочетается с осязанием.
Итак, основной опорой в человеческом "мироощущении" служит зрение. Между тем возможности глаза далеко не беспредельны. Если учесть, что шкала длин известных электромагнитных колебаний простирается от миллионных долей нанометра до сотен километров, видимый диапазон выглядит каплей в море - безбрежном море электромагнитных волн. А ведь человеку было бы интересно и весьма полезно получать сведения о самых разнообразных процессах, которые лежат за порогом непосредственных ощущений. Возникает задача - видеть незримое. И не просто видеть, а подробно изучать невидимые явления, используя богатство возможностей человеческого глаза и мозга, например, различать "цвета", узнавать и классифицировать различные объекты.
Речь пойдет об инфракрасном излучении, диапазон длин волн которого лежит за пределами диапазона видимого света в микронной области. Тепловизионная техника (иначе ее называют тепловидение, термовидение или инфракрасное видение) появилась в прошлом веке, но 20-30 лет назад использовалась главным образом для военных целей - наведения высокоточного оружия на объекты, излучающие тепло. Сегодня она имеет все основания стать одной из главных информационных технологий с обширной областью применения. В биологии это - исследование теплопродукции живых организмов и отдельных органов в зависимости от суточных и сезонных циклов. В медицине - диагностика сосудистых, воспалительных и опухолевых заболеваний, наблюдение за эффективностью лечения, экспресс-контроль при карантинных мероприятиях. Тепловизионная техника позволяет вести противопожарный мониторинг лесных массивов и торфяников, следить за состоянием вулканов, наблюдать с воздуха за смещением зон мерзлоты, степей и пустынь, миграцией животных. В технике тепловизоры нужны для того, чтобы контролировать работу машин и механизмов, транспорт энергии, теплоизоляцию зданий и сооружений.
С помощью тепловизора можно измерить температуру в каждой точке рассматриваемого объекта, но ключевая часть термина "тепловидение" есть "видение" (в данном случае - это синоним зрения). Видение - это информационный процесс, позволяющий обозреть объект целиком, выделить его существенные признаки, распознать и классифицировать. Принцип действия тепловизионных приборов основан на преобразовании естественного теплового излучения от объектов в видимое и даже цветное изображение. На экране может быть создана цветная картина, где окраска элементов изображения определяется разницей температур соответствующих участков наблюдаемого объекта. Разумеется, окраска условная, но она отражает температурный рельеф объекта. Правда, не все исследователи любят иметь дело с условно цветными портретами. Некоторые предпочитают черно-белые - это вопрос вкуса и привычки.
Обязательное условие формирования изображения - температурный контраст между объектом и фоном, а в пределах контура объекта - между его отдельными элементами. В современном поколении тепловизоров нет оптико-механических разверток изображения, поэтому они имеют большое быстродействие, малые габариты и энергопотребление, кроме того, отличаются бесшумной работой при высоком отношении сигнал/помеха и позволяют производить цифровую обработку изображения в реальном масштабе времени.
В инфракрасных лучах
В солнечном свете присутствуют почти все волны электромагнитного диапазона, но не все доходят до Земли. По пути к Земле полоса длин волн солнечного спектра сужается. Атмосфера защищает все живое от гибели. Ко роткие волны поглощаются озоновым слоем, а длинные - молекулами углекислого газа и парами воды. Три четверти солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, приходится на диапазон длин волн от 0,3 до 0,11 мкм. Фотобиологические процессы на Земле происходят в основном в диапазоне длин волн от 0,3 до 0,9 мкм. Естественно задать вопрос: почему для зрения не доступны более короткие и длинные волны? Ответ содержится в величине их энергии. Эта энергия определяется по классической формуле, которая сегодня известна даже школьникам: E = hc / λ
где Е - энергия фотона (кванта), h - постоянная Планка (1,58.10-34 кал.сек; 1кал=4,2 Дж), с - скорость света (3.1010 см/сек), λ - длина волны света.
Из этой формулы видно, что чем меньше длина световой волны, тем выше энергия. Для волн короче 0,3 мкм удельная энергия превышает 95 ккал/моль. При такой энергии возникают повреждения молекул белков и нуклеиновых кислот. У волн длиннее 1,8 мкм (инфракрасное излучение), напротив, энергии оказывается недостаточно, чтобы вызвать в светочувствительном пигменте (родопсине) фотохимический процесс. Допустимая энергия светового восприятия для большинства живых существ лежит в диапазоне от 15 до 65 ккал/моль, что соответствует диапазону длин волн от 0,44 до 1,9 мкм. Зрение человека и многих живых организмов реализуется в более узком диапазоне: 0,38 до 0,75 мкм (от фиолетового до красного). Лучи, длина волны которых выходит за пределы этого диапазона, хотя и влияют на живое (иногда весьма пагубно), для нас невидимы. Короткие волны мы не ощущаем, а инфракрасные лучи чувствуем, но не глазами.
У человека имеются два вида инфракрасных рецепторов, разбросанных по телу. Около 150 000 рецепторов сообщают нам о возможности потерять тепло при соприкосновении с холодными предметами. Это холодовые рецепторы. Примерно 16 000 рецепторов информируют нас о получении тепла от горячих предметов (тепловые рецепторы). Большая часть тепловых рецепторов находится в коже: на кончиках пальцев, носа и на сгибе локтя. Холодовые рецепторы в основном расположены в коже верхней губы, носа, подбородка, груди, лба и пальцев.
Чувствительность тепловых рецепторов высокая, но они изолированы от малых внешних колебаний температуры. Если поверхность кожи повреждена, то прикосновение этого участка даже к слабо нагретым предметам вызывает ощущение, граничащее с болью.
Некоторые виды живых организмов могут видеть в инфракрасном диапазоне. Например, ямкоголовых змей природа одарила устройством восприятия инфракрасных лучей. Человеку же самому пришлось изобретать методы их обнаружения и наблюдения. Тепловидение появилось, когда были созданы специальные материалы с низкой энергией выхода электронов, способные реагировать на длинноволновые лучи инфракрасного диапазона.
Плоские матрицы из таких инфракрасных фотоприемников могут быть выполнены на основе многих материалов. Известны матрицы из халькогенидов свинца, соединений кадмий-ртуть-теллур, антимонида индия, силицида платины, смесей на основе кремния и германия, на основе многослойных структур с квантовыми ямами на базе так называемых детекторов QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector).
Увидеть окружающий мир в тепловых лучах человеку удалось еще до создания тепловизоров. В первой половине прошлого века была создана фотопластинка, чувствительная к инфракрасному свету. Результат ее использования оказался интересным. В качестве примера посмотрим на две фотографии на стр. 4, снятые одновременно. Для первой (слева) была использована стандартная цветная фотопластинка, чувствительная к свету видимого диапазона, для второй (справа) - фотопластинка, чувствительная к красному и инфракрасному свету. Вторая фотография сделана через фильтр, который пропускает лишь красные и инфракрасные лучи.
Синее небо на инфракрасной фотографии получилось темным, так как в целом атмосфера плохо пропускает инфракрасные лучи. Та часть этих лучей, которая тем не менее прошла через воздух, отклоняется от прямолинейного пути в гораздо меньшей степени, чем синие лучи, поэтому в инфракрасном свете стали хорошо видны дальние предметы, закрытые дымкой, например горы на заднем плане. Пары воды не только поглощают, но рассеивают инфракрасные лучи, поэтому на правой фотографии появились облака, которые не были видны на левой. В то же время трава и деревья, сильно отражающие инфракрасные лучи, получились светлыми. Они выглядят так, как если бы были покрыты снегом. Хлорофилл растений не поглощает темно-красные и инфракрасные лучи. Весь ландшафт на нижней фотографии изменил свой облик.
«А комар-то злится, злится, прямо на нос ей садится…»
Факт, что некоторые членистоногие, например комары и клещи, обладают повышенной чувствительностью к инфракрасному излучению, известен давно. Люди с глубоким залеганием кровеносных капилляров под кожным покровом в силу пониженной температуры кожи меньше расположены к укусам паразитов. Если рядом находятся два человека, у которых температуры поверхности тела различаются, то более теплый человек оказывается окруженным облаком комаров, а другого они почти не кусают. Теплая жертва, сопротивляясь укусам паразитов, продолжает разогреваться, в результате все больше паразитов слетаются к ней, и человеку приходится спасаться бегством.
Комары-самки находят теплокровную жертву с помощью двух неподвижных антенн, чувствительных к тепловому инфракрасному излучению, и изменяют направление полета до тех пор, пока сигналы от обеих антенн не уравняются. Антенны начинают реагировать на тепло за несколько метров от жертвы. На близком расстоянии в дело вступают обонятельные рецепторы. Некоторые насекомые, например американский клоп-хищнец вида Rhodnius prоlixus, обходятся только одной, но подвижной антенной. На тепло у них реагирует утолщенный нос-хоботок, чувствительный к инфракрасному излучению. Сканирование пространства с помощью хоботка позволяет клопу найти путь к жертве. Однако такую инфракрасную чувствительность назвать зрением в нашем человеческом смысле трудно. Скорее насекомые-паразиты обладают не зрением, а хорошо организованной системой наведения на жертву. Этого вполне хватает для выживания и размножения, а любоваться окружающим миром в инфракрасных лучах им нет необходимости.
Рекордсменами инфракрасного восприятия следует признать уже упоминавшихся ямкоголовых змей. У них по обе стороны головы, между носом и глазами, имеются два конических углубления, обрамленных по краям клетками, чувствительными к инфракрасному излучению. Разнесение этих двух ямок на поверхности головы на некоторое расстояние обеспечивает своеобразную бинокулярность восприятия теплового источника и позволяет змее "вычислять" направление прыжка для поражения лягушки или грызуна. Как показывают эксперименты, змеи могут улавливать изменение температуры в 0,0018°C. Такой температурной чувствительностью пока не обладают даже тепловизоры третьего поколения. Наиболее распространенные матричные инфракрасные камеры имеют чувствительность до 0,02°C, с временным разрешением 100-200 кадров в секунду и пространственным разрешением 0,03-0,05 мм. Лучшие образцы уже достигли пространственного разрешения 640х512 пикселей при размере пикселя до 20x20 мкм и с временным разрешением до 8000 кадров в секунду. В ближайшее время ожидается появление на рынке камер четвертого поколения с матрицей до 960x1280 пикселей и амплитудным разрешением до 0,001°C.
Свет очей
В глазах позвоночных, в том числе и человека, не обнаружено ни инфракрасных, ни холодовых рецепторов. Еще древние греки выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами. "Свет очей" (сохранившееся со времен Платона выражение) использовали для объяснения зрительного восприятия предметов. Древняя трактовка механизмов зрения человека была наивной и неправильной, хотя у некоторых ночных животных глаза действительно могут светиться отраженным светом в видимом диапазоне длин волн.
Глаза у человека также светятся, но в инфракрасном диапазоне. Их свечение более интенсивное, чем свечение кожи. Температура лица в области глаз достигает в норме 36,5°C. Причина этого свечения связана с тем, что глаз содержит шесть хотя и небольших, но интенсивно работающих мышц и разветвленную систему кровоснабжения. При открытом веке глаза излучают в пространство тепло, как появляющееся за счет окислительных процессов в мышцах, так и приносимое кровью. Ограничивая порог чувствительности тепловизора, можно получить изображение, когда светятся только глаза человека.
С помощью компьютера мы можем увеличить любую часть инфракрасного изображения, чтобы рассмотреть его подробнее. Оказывается, нечто подобное существует и в живой природе. У птиц в районе центральной ямки толщина сетчатки тоньше и рецепторные клетки лежат в этом углублении. По-видимому, назначение углубления состоит в некотором увеличении изображения, попадающего на это место, так как показатель преломления сетчатки больше, чем стекловидного тела. В природе много удивительных изобретений, но мы начинаем осознавать их смысл после того, как поставим перед собой задачу создать совершенный прибор с теми же функциями.
Чтобы не видеть призраков
Первичные процессы, происходящие в сетчатке человека, изучены хорошо. Однако в строении глаза есть одна странная особенность, которая вызвала удивление у физиологов и физиков. Даже выдающийся физик лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей известной лекции говорил: "…светочувствительные клетки расположены в сетчатке в глубине, так что, прежде чем попасть на рецепторы, свет должен пройти через несколько слоев других клеток. Сетчатка как бы вывернута наизнанку! В общем, некоторые вещи в устройстве глаза кажутся великолепными, а некоторые - просто глупыми".
Далее в той же лекции Р. Фейнман описывает глаз осьминога: "Сетчатка у осьминога, как оказалось, представляет собой тоже часть мозга, и образовалась она при эмбриональном развитии, как у позвоночных животных, но имеется одно очень интересное и поразительное отличие. Чувствительные к свету клетки расположены в ней не позади слоев других клеток, как у нас, а непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а клетки, занимающиеся вычислением, - позади них. Теперь мы, по крайней мере, видим, что в расположении клеток в нашем глазу глубокого смысла нет. В другой раз природе пришлось исправить свою ошибку!"
Однако эта особенность в устройстве нашего глаза не так плоха, как показалось Р. Фейнману. Осьминоги древнее позвоночных животных, и дело не в том, что природа исправляла в конструкции их глаза свою ошибку. Природа не ошибается, а если ошибается, то организм вымирает. В вывернутых наизнанку глазах человека есть глубокий смысл.
Для надежного зрения и распознавания образов рецепторы должны находиться в среде с практически постоянной или медленно меняющейся температурой. В противном случае быстрые колебания температуры вокруг рецепторов будут вызывать изменение скорости биохимических реакций, а соответственно и чувствительности глаза, что приведет к появлению ложных зрительных иллюзий-призраков, которых в реальности нет.
Человек - существо теплокровное. Температура на поверхности тела переменчива и зависит от скачков температуры и влажности внешней среды. Совсем другое дело - внутренняя температура тела человека. Ее регулирует особый орган - гипоталамус. Он расположен в нижней части мозга рядом с гипофизом и местом разветвления главной артерии, несущей кровь от сердца к мозгу. Гипоталамус играет роль опорного термостата, который реагирует на малейшие изменения температуры внутри организма, даже на выпитую чашку горячей или холодной воды. Его задача - поддерживать внутреннюю температуру неизменной. Это обходится нам весьма дорого: на стабилизацию температуры расходуется значительная часть энергии - до 83-84%.
Основным регулирующим температуру элементом служит кровь. Нагрев крови обеспечивается теплопродукцией клеток органов, потребляющих наибольшее количество кислорода и соответственно выделяющих за счет окислительных процессов большое количество тепла. Известно, что температура артериальной крови человека в сравнительно широком диапазоне температур внешней среды (в воздухе от -6,7 до +32°C, а в воде от +26 до +32°C) выравнивается за счет ее движения и остается практически постоянной (≈37°C).
Природе пришлось упрятать рецепторный слой нашей сетчатки глубоко на дно глазного яблока для того, чтобы содержать его при постоянной температуре. Другое дело осьминог - головоногий моллюск. Температура его тела равна температуре окружающей воды. Вода служит нагревателем, охладителем и стабилизатором, поэтому рецепторные клетки глаза осьминога находятся снаружи его сетчатки.
Что касается инфракрасной техники, то и для нее важна стабильность температуры чувствительных элементов. До недавнего времени подавляющее большинство тепловизионных систем включали в себя довольно сложные специальные устройства - стабилизаторы температуры светочувствительной матрицы (например, газовая холодильная машина, работающая по замкнутому циклу Сплит-Стирлинга). Современные тепловизоры имеют более удобную термоэлектрическую стабилизацию температуры.
Горячее или холодное
Вам когда-нибудь приходилось читать текст в сумерках или жмуриться от ослепляющего света фар встречной машины? Тогда вы должны знать, что возможности нашего глаза ограничены не только спектральным диапазоном электромагнитных волн, но и определенным диапазоном интенсивностей света. Существует два способа расширения диапазона интенсивностей света. Чтобы видеть предметы и при ярком освещении, и в сумерках у нас в сетчатке глаза имеются два вида рецепторов - колбочки и палочки, а также динамическая система регулировки зрачка. Сетчатка глаза человека содержит 6,5 миллиона колбочек и 110-124 миллиона палочек. Матрица лучших на сегодняшний день тепловизоров имеет 960x1280 чувствительных элементов, что составляет величину порядка 1,25 миллиона рецепторов. Величины близкие, хотя глаз пока выигрывает в этом соревновании. Однако есть другое принципиальное отличие.
Наша сетчатка имеет четыре вида рецепторов (три вида колбочек и один вид палочек) с разной чувствительностью как к интенсивности света, так и к его спектральным характеристикам. Колбочки дают нам возможность при хорошем освещении видеть мир цветным, а палочки - при низком освещении - черно-белым. Световым потоком управляет диафрагма зрачка. В темноте зрачок открывается, на свету закрывается с помощью мышц-сфинктеров. Правда, круглый зрачок таким способом нельзя уменьшить в достаточной степени, чтобы обеспечить защиту от очень яркого света. У змей природа "изобрела" щелевидный зрачок, который существенно упрощает конструкцию.
Как известно, цветное телевидение также основано на комбинированной матрице из разных рецепторов. Мозаику элементов с разной чувствительностью к излучению можно сделать и в матрице тепловизора. Однако для восприятия инфракрасных лучей такой необходимости нет, поскольку существует более простое техническое решение, основанное на динамическом управлении однотипными рецепторами.
В инфракрасном диапазоне длин волн для определения горячего и холодного не обязательно иметь два вида рецепторов - тепловых и холодовых, можно обойтись и одним, но управляемым. В этом случае надо быстро и периодически менять во времени его чувствительность и запоминать текущее значение сигнала. Затем сравнивать путем вычитания полученное максимальное значение со средней его величиной, а разностное значение с учетом его знака (теплое или холодное) использовать как результат регистрации. В конструкции многих тепловизоров заложен именно такой принцип расширения диапазона измерений потока тепла, идущего от каждой точки наблюдаемого объекта. Обычно подобную схему регистрации инфракрасных излучений называют болометрической.
Вернемся к змеям. У ямкоголовой змеи четыре глаза, два - на голове для наблюдения в видимом диапазоне длин волн, два - ниже этих глаз, специально для регистрации инфракрасного излучения. В поисках добычи змеи бесшумно ползут в темноте и обследуют окрестность, стараясь уловить все, что теплее или холоднее окружающей среды. Затем змея, используя перекрывающиеся конические поля теплового зрения, может определить расстояние до лягушки, которая, в результате испарения влаги с поверхности ее кожи, холоднее, чем земля, или спящей теплокровной птицы, которая теплее фона. Змея на тепловом фоне видит все, что холоднее или теплее фона. Ее разнесенные на некотором расстоянии два тепловых "глаза", в отличие от антенн комара, позволяют определить позу, размеры и главное - расстояние до жертвы.
Кто там спрятался?
Чтобы животное могло спрятаться от хищника, природе пришлось изрядно потрудиться. Приведем лишь один пример - мимикрия, то есть наличие и изменение защитной окраски у животных в зависимости от фона. В видимом свете спектры отражения хлорофилла зеленых растений и пигментов, обеспечивающих покровительственную защитную окраску у зеленых животных (попугаев, лягушек, насекомых), почти тождественны, хотя эти пигменты и хлорофилл различаются по своему химическому составу. Для тех хищников, которые воспринимают только видимый диапазон длин волн, зеленые живые организмы почти незаметны на фоне листвы. Некоторые животные (например, хамелеоны), попадая на новый фон, могут даже активно подстраивать свою спектральную окраску под видимую часть спектра фона.
Гораздо сложнее спрятаться от хищника, имеющего инфракрасное зрение. Инфракрасное видение основано на тепловом самоизлучении объектов, а наблюдение в видимом диапазоне - на отражении, поглощении или рассеивании излучения от внешнего источника на объекте. Для обычного зрения внешний источник излучения - необходимость, а для тепловидения - помеха. При наблюдении в видимом диапазоне длин волн устранение внешнего источника делает объект невидимым ("темная комната"). При инфракрасном видении, наоборот, устранение внешних тепловых источников повышает контраст объекта и его излучающих тепло элементов . Достоинства тепловидения проявляются в полной мере, когда темно, прохладно и нет дополнительных источников тепла.
Если температура фона не равна температуре объекта или во времени не меняется (либо меняется медленно), то постоянно излучающий тепло объект будет обнаружен и опознан. Естественно, возникает вопрос: существуют ли ширмы, за которыми может спрятаться жертва от инфракрасного восприятия хищника? Краткий ответ: да. Полный требует пояснений. Для примера возьмем два материала: металл, например латунь, и картон. Их коэффициенты теплопроводности сильно отличаются друг от друга: у латуни теплопроводность большая (0,26 кал/см·сек·град), а у картона - маленькая (0,00012 кал/см·сек·град).
Если ширму сделать из латунной фольги, то это будет для теплого объекта изотермический экран. Тепловое излучение от объекта быстро "размазывается" по латуни в силу ее большой теплопроводности. Силуэт источника инфракрасного излучения не появится, хотя нагрев ширмы по сравнению с внешней средой будет свидетельствовать, что за ней скрывается какой-то теплый объект. Если ширму сделать из картона, то при малой ее толщине тепловое излучение объекта не будет полностью "размазываться" по поверхности ширмы. На ней проявится силуэт источника инфракрасных лучей, хотя и заметно расфокусированный. Если ширму сделать из гетерогенного материала типа теплового волновода, у которого по разным направлениям теплопроводность отличается (в глубину она должна быть большой, а по поверхности малой), то такой экран будет почти прозрачным для инфракрасных лучей. На его поверхности появится четкий силуэт теплового источника, скрывающегося за ним.
Если между ширмой и источником теплового излучения находится воздух, то есть теплый объект непосредственно не касается экрана, то характеристическое время обнаружения теплого объекта за экраном возрастет: оно зависит от теплопроводности и конвекции воздуха, а также от объема помещения, закрываемого этим экраном. Коэффициент теплопроводности воздуха - небольшой, даже меньше, чем у картона (0,000057 кал/см·сек·град). В воздухе тепло в основном переносится не путем теплопроводности, а за счет конвекции, то есть перемещения масс теплого воздуха вверх, а холодного вниз. Если тепловой источник касается экрана, то время его обнаружения зависит только от параметров экрана. Короче, с помощью тепловизора в некоторых случаях можно видеть даже сквозь стену.
Кожа человека по своей пропускной способности похожа на тепловой волновод, у которого по разным направлениям теплопроводность отличается. Однако этот волновод управляемый и в зависимости от условий внешней среды может менять свои характери стики (например, открытием потовых пор или изменением интенсивности дыхательных процессов), предохраняя организм как от перегрева, так и от переохлаждения. С помощью тепловидения можно увидеть даже раскрытие отдельных потовых отверстий.
Температурные показатели тепловой "машины" человека
Остановленный кадр тепловидения в отличие от остановленного кадра телевидения не только фиксирует мгновенную картинку, но и дает энергетический тепловой портрет объекта. Интегральная теплопродукция человека зависит от охлаждения его тела и в среднем составляет 370 ккал/ч. На участках открытой поверхности тела человека разница температур может достигать 7°C. Наименьшая температура регистрируется в ногах - в области стопы (≈27°C), а сравнительно высокая - в глазной впадине (≈36,4°C) и на шее, в области сонной артерии (≈34°C). Изменение температуры человека служит показателем сбоев в его тепловой "машине". Повышение температуры даже на градус - это уже явный признак патологии, хотя заболевание может сопровождаться и меньшим повышением температуры.
До появления тепловидения в медицинской практике использовали в основном четыре способа измерения температуры в тех местах тела, которые сравнительно защищены от воздействия внешней среды. Измерения производились, как правило, контактными термометрами либо в подмышечной впадине, либо под языком, либо в наружном слуховом проходе, либо в прямой кишке. Температура под языком в норме равна ≈36,7°C – 36,8°C, при измерении под мышкой - в норме "36,6°C – 36,8°C. Наибольшая температура - в прямой кишке, там в норме ≈37°C. Сейчас появились бесконтактные дистанционные термометры. Однако топография температур на различных участках тела в своей совокупности несет гораздо больше полезной информации о состоянии организма, чем измерение температуры в любой одной точке.
Любопытно отметить (если это не миф), что лекари Древнего Египта обмазывали тела своих пациентов тонким слоем красной глины и по изменению цвета глины, по мере ее высыхания, наблюдали распределение температуры кожного покрова тела. Так что тепловизионная диагностика - это воплощение на современном уровне идеи, которой несколько тысяч лет.
Для любознательных слушателей и читателей, которые хотят понять физико-химические основы жизни, полезно напомнить, что для синтеза 38 грамм-молей АТФ - универсального аккумулятора энергии живой клетки - не только "сжигается" 1 грамм-моль глюкозы, но и восстанавливается до воды 6 грамм-молей кислорода. То есть для полного синтеза АТФ скорость поступления в каждую клетку молекул О2 должна быть в 6 раз выше, чем скорость поступления молекул глюкозы. 45% энергии сжигаемой глюкозы переходят в тепло, что составляет 310 ккал на грамм-моль глюкозы. Остальные 55% энергии запасаются клеткой впрок в виде связей АТФ, а затем используются ею для биосинтеза, активного транспорта и актов подвижности. Коэффициент полезного действия мышечной клетки порядка 30%. Из 380 ккал, аккумулированных АТФ, 266 ккал переходит в тепло. Вся энергия, которая переходит в тепло, в сумме и составляет уже упоминавшуюся величину 83-84%.
Если нет дефицита в глюкозе, то на 6 грамм-молей О2 будет преобразовываться в тепло 570-580 ккал. В покое потребляется не более 10-15% кислорода, содержащегося в крови, а остальная его часть циркулирует в артериально-венозном кровотоке. Это наша кладовая кислорода на случай весьма активной работы, когда приходится попотеть.
Нагрев крови обеспечивается теплопродукцией клеток органов, потребляющих наибольшее количество кислорода и выделяющих большое количество тепла. Потребление кислорода клетками разных тканей различается; например, клетки скелетных мышц в покое потребляют 1,6-2,4 микролитра О2 на 1 г веса ткани в минуту, печени - 19-33; головного мозга - 35; почек - 50-60; сердца - 70-100 (в покое). Таким образом, в одних органах происходит нагрев крови, в других - ее относительное остывание.
Суточные и сезонные колебания внутренней температуры человека составляют не более 0,1-0,6°C (наименьшая - ночью летом, наибольшая - во второй половине дня зимой). У женщин в период овуляции температура часто повышается на 0,6-0,8°C. Кроме того, известно, что интегральная температура левой половины тела у людей в 54% случаев выше, чем правой. Возможно, это связано с асимметричным расположением сердца.
Однако наряду с нагревом есть и системы охлаждения, например системы регуляции окислительных процессов, потовыделения и интенсификации дыхания. Они имеют генетическую основу и расовые особенности. Так, у эскимосов по сравнению с жителями юга при внешней температуре 17°C интенсивность теплопродукции может повышаться весьма существенно - от основного уровня 55 кал/(м2·ч) на 22 кал/(м2·ч). У африканцев, наоборот, минимизирована теплопродукция и сильно варьирует интенсивность функционирования системы охлаждения путем раскрытия потовых отверстий, и температура кожи имеет более выраженные суточные и сезонные колебания. У белой расы регуляция смешанная.
Охлаждение организма может происходить не только в результате потовыделения, но и посредством изменения ритма дыхания. Интенсификация дыхания блокирует повышение температуры за счет охлаждения легких. Выдыхаемый воздух нагревается в легких и увлажняется, забирая часть тепла из организма. Поверхность легких покрыта влагой, но одновременно защищена от высыхания. По мере выдоха горячего и влажного воздуха в трахею он начинает охлаждаться, и часть воды, содержащейся в нем, конденсируется в дыхательных путях. В целом этот процесс происходит с затратой тепла.
В обычных условиях человек использует всего 20% объема своих легких. Кроме того, существенную роль играет депонирование кислорода гемоглобином. Кислородная емкость гемоглобина человека высокая и равна 1,78 мл на 1 г гемоглобина. При глубоком вдохе человек может задержать дыхание на выдохе до 2,5 минуты (известно, что это время тренированные ныряльщики могут находиться под водой). Помимо этой регуляции существует еще регуляция ритма сердца. При задержке дыхания у многих людей возникает так называемая брадикардия (замедление сердечного ритма).
Существенную роль играют генетические особенности людей и их тренированность. Например, аборигены высокогорья имеют большую емкость легких, значительный объем выдыхаемого воздуха, а также некоторую гипертрофию правого желудочка сердца. Такие же анатомо-физиологические параметры наблюдаются и у спортсменов с развитой системой дыхания.
Таким образом, накопленный опыт позволяет утверждать, что термопродукция человека, его тепловой портрет могут дать квалифицированному специалисту много ценной информации о функционировании различных систем организма.
Одевайтесь по сезону
Одежда - это наша тепловая изоляция. В зависимости от своей теплопроводности она по-разному пропускает инфракрасные лучи и защищает нас от перегрева и переохлаждения. Средняя температура кожи раздетого человека при температуре воздуха в помещении около 26°C близка к 27,2°C. Обычно мы одеваемся так, чтобы при более низких температурах внешней среды сохранить среднюю температуру на этом уровне.
Креп, хлопчатобумажные ткани, шерстяные свитера - комфортны. Они хорошо пропускают воздух и тепло, но как раз поэтому плохо защищают от паразитов, имеющих повышенную инфракрасную чувствительность (комаров, мух, клещей и т.п.).
Сатин и нейлон, наоборот, менее комфортны, препятствуют терморегуляции организма, плохо пропускают тепло, но по этой причине заметно снижают вероятность быть искусанными паразитами. Цвет одежды также играет роль в интенсивности пропускания инфракрасных лучей. Блестящие ткани (шелк, нейлон) пропускают меньше тепловой энергии.
С помощью тепловидения можно обнаружить различные предметы под одеждой человека, но надежность и скорость их обнаружения зависят от материала одежды.
У вас болят ноги?
Еще И. Ньютон сказал, что при изучении наук примеры часто полезнее правил. Здесь мы рассмотрим некоторые примеры использования тепловидения в биомедицине,основанные на нашем опыте.
Пример первый: ранняя диагностика сосудистых поражений. К таким патологиям относится, прежде всего, варикозное расширение вен ног. Процент людей, страдающих этим недугом, велик, хотя в разных странах он различается почти в два раза. В Японии им страдает 25% населения, в США - 35%, в европейских странах - 53%, в России количество больных также колеблется около 50%. Если удается обнаружить заболевание на ранних стадиях, то не более 30% пациентов требуют последующего хирургического вмешательства, остальные могут пройти реабилитацию с помощью медикаментозных средств. Тепловидение является весьма эффективным методом такой диагностики.
Пример второй: контроль за динамикой циркуляции крови в капиллярах ног. Тепловизор регистрирует распределение температуры не только на поверхности кожи. В силу того, что кожа является своеобразным тепловым волноводом, удается увидеть все источники, интенсивно выделяющие тепло в глубине ткани. Резкое понижение температуры ног свидетельствует о плохом кровоснабжении конечностей, ухудшении микроциркуляции крови и приводит к болевым, порою весьма резким ощущениям при ходьбе. Ухудшение микроциркуляции крови ног может происходить по разным причинам, в том числе из-за так называемого атероматозного поражения стенок микрососудов.
Более 20 лет назад нами разработан газотранспортный кровезаменитель перфторан на основе перфторорганической эмульсии. В 1997 году налажено его производство. Наряду со многими клиническими применениями перфторан используется и для улучшения микроциркуляции крови (см. "Наука и жизнь", 1999, № 2).
При разработке перфторана размер частичек эмульсии был выбран более чем в 100 раз меньше размера эритроцита, поэтому частички эмульсии могут проникать даже в сильно сжатые капилляры и доставлять кислород в ткань. При этом сжатые капилляры начинают раскрываться, что постепенно обеспечивает нормальный обмен кислорода на углекислый газ. Кроме того, частички перфторана служат сорбентом, который очищает стенки микрососудов, увеличивая тем самым русло капилляра. Если поток плазмы крови с перфтораном через капилляры восстановлен, то и небольшого кислородного переноса может оказаться достаточно, чтобы процесс ишемии повернуть вспять.
Список примеров успешного использования тепловидения в медицине можно продолжать - он весьма длинный, но пора подвести итоги. Итак, тепловидение - это быстрый, безвредный, неконтактный и безболезненный для пациента способ выяснить правду о функционировании тепловой "машины" организма.
Размышления о грядущем
Тепловидение - это не только прорыв в медицине и технике, но и повод задуматься о пути, по которому ведет человечество наукоемкий технократический XXI век. Мир, который видим мы, отличается от мира пчелы или муравья, от мира лягушки или стрекозы. Одни живые организмы не видят цветов, другие - неподвижных предметов, третьи видят мир плоским, как экран телевизора. Но, теряя одно измерение мира, они приобретают другое. Удастся ли человеку когда-нибудь с помощью интеллекта, сконструировав технику, расширяющую возможности нашего восприятия, единым взглядом охватить мир целиком во всем его многообразии или это утопия?
Можно попытаться создать совершенный синтезатор различных картин мира, а затем отобразить эти изображения с помощью какого-нибудь хитроумного устройства в единую картину. Но сможем ли мы воспринять эту единую картину мира? Скорее всего, нам не хватит рецепторных возможностей нашего мозга. Возможно, в такой задаче есть и принципиальные ограничения. Мы просто не сможем ее осознать.
Кроме того, мы знаем, что не существует одинакового восприятия мира даже в диапазоне наших естественных органов чувств, потому что каждый из нас живет в своем мире. Никогда два человека (если это не клон типа однояйцовых близнецов) не будут одинаково воспринимать и синтезированную картину единого мира. А главное, мы должны быть уверены, что техника, заменяющая чувства, приведет к расширению наших возможностей, а не заведет нас в тупик.
Пока достижения тепловидения, открывшие новые горизонты не только в видении инфракрасного мира, но и в познании сенсорных механизмов животных, расширили наши чувственные восприятия. Люди уже научились извлекать из увиденного практическую пользу. Это вселяет оптимизм, хотя и не отвечает на поставленные вопросы.
Исследования, о которых рассказано в статье, выполнялись в рамках большой научной программы Российской академии наук "Фундаментальные науки - медицине 2003-2005 годов" по разделу "Разработка и усовершенствование средств и методов диагностики". Программа была поддержана Министерством промышленности и науки Московской области. В работе вместе с автором принимали участие сотрудники кабинета системной биотермографии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Научном центре биологических исследований РАН (г. Пущино): А. А. Деев, И. Б. Крестьева, Е. П. Хижняк, Л. Н. Хижняк.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Значительная часть солнечного излучения приходится на инфракрасный диапазон. Снимки Солнца, сделанные через светофильтр, пропускающий только красные и инфракрасные лучи, позволяют увидеть распределение более и менее горячих мест на поверхности Солнца. Темные участки соответствуют меньшей температуре.
Илл. 2. Один и тот же ландшафт, сфотографированный в лучах видимого диапазона длин волн (слева) и через фильтр, пропускающий красную и инфракрасную области длин волн (справа). Эти фотографии были опубликованы в первой половине ХХ века в книге "The Universe of Light" ("Вселенная света"), написанной известным популяризатором науки английским физиком Уильямом Генри Брэггом (1862-1942).
Илл. 3. Два портрета с условной раскраской областей, соответствующих разным температурам. Изображения получены с помощью тепловизора в инфракрасном диапазоне длин волн 3-5 микрон, температурная чувствительность около 0,02°C. Слева - портрет здорового человека; справа - человека с повышенной температурой из-за острого респираторного заболевания.
Илл. 4. Американский клоп-хищнец Rhodnius prolixus (другое название - клоп-триатомида), обитающий в тропиках Южной и Центральной Америки, помимо двух обычных тонких усиков имеет утолщенный хоботок - продолжение головы. Этот подвижный нос-хоботок чувствителен к инфракрасному излучению. Клоп-хищнец кусает человека около глаз или в губы, то есть там, где температура максимальная, поэтому иногда его называют "поцелуйный клоп". Укус небезобиден, поскольку клоп переносит болезнь Чагаса. Фото WHO/TDR/Stammers.
Илл. 5. Змея, используя органы теплового зрения, может увидеть контуры, размеры и определить расстояние до другого животного, например до лягушки, которая холоднее, чем земля, из-за испарения влаги с поверхности кожи (слева), или до теплокровной мыши, которая теплее фона (справа).
Илл. 6. Глаз содержит шесть мышц (а), интенсивная работа которых приводит к тепловыделению (на рисунке цифрами обозначены: 1 - наружная прямая мышца, 2 - внутренняя прямая мышца, 3 - верхняя прямая мышца, 4 - верхняя косая мышца, 5 - нижняя косая мышца, 6 - нижняя прямая мышца). Дополнительное тепло приносит кровь, поскольку глаз имеет разветвленную систему кровоснабжения (б); цифрами обозначены: 1 - длинная задняя артерия, 2 - вортикозные вены, 3 - большой круг кровообращения радужки, 4 - короткие задние цилиарные артерии, 5 - передние цилиарные артерии, 6 - цилиарные нервы. Изображение глаз в инфракрасном диапазоне (г) отличается от обычного (в). Тепловой профиль глаз показывает изменение температуры вдоль линий, проходящих от височного края века к переносице (д).
Илл. 7. Источник тепла, спрятанный за ширмой, дает разное тепловое изображение, в зависимости от экранирующего материала. На латунном экране тепловое излучение "размазывается" по поверхности. На экране из картона появляется размытый силуэт источника тепла. Экран из гетерогенного материала со свойствами теплового волновода позволяет получить четкое изображение источника.
Илл. 8. Один из способов терморегуляции организма - открытие каналов потовых желез в коже. На изображении, полученном с помощью тепловизора, отверстия каналов на пальцах руки выглядят темными точками. Внизу показан температурный профиль по линиям 1 и 2 на двух пальцах: провалы соответствуют падению температуры в потовых каналах. Температурное разрешение 0,02°C; пространственное разрешение до 30 мкм, l - расстояние в пикселях.
Илл. 9. Тепловидение позволяет проводить раннюю диагностику поражений сосудов. Варикозное расширение вен, незаметное при внешнем осмотре, четко проявляется на инфракрасном изображении. Температурный профиль показывает повышение температуры в бедренной области левой ноги, l - расстояние в пикселях.
Илл. 10. Последовательность кадров показывает изменения потоков, образующихся в воде и наблюдаемых с помощью тепловизора в инфракрасном диапазоне 8-12 мкм. В видимом диапазоне света эти потоки практически не видны. Вода температурой 36°C налита в прямоугольный пластмассовый резервуар размером 35х24х2 см. По мере ее остывания за счет испарения происходит метаморфоза потоков движения воды и изменение их структуры. Температура в комнате 21,5°C. В левом нижнем углу каждого кадра указано время в секундах, прошедшее с начала съемки, в правом нижнем углу - температура воды в градусах Цельсия.
