Методы термометрии и контроля температуры в медицинской физике
Температура является одной из ключевых физиологических переменных, контролируемых в ходе медицинских процедур, включая гипертермию, криотерапию, диагностику воспалительных процессов и мониторинг послеоперационного состояния. Точное измерение температуры критически важно для предотвращения повреждения тканей и оптимизации терапевтического эффекта.
Существует множество методов термометрии, каждый из которых обладает своими преимуществами и ограничениями. В медицинской физике используются как контактные, так и бесконтактные методы термометрии.
Контактные методы предполагают прямой физический контакт измерительного зонда с тканью.
Термопары представляют собой соединение двух разнородных металлов, генерирующее термо-ЭДС в зависимости от разности температур между спаем и свободными концами. Это один из наиболее широко применяемых методов для инвазивной термометрии, особенно в онкотермии и радиочастотной гипертермии.
RTD (resistance temperature detectors) работают на основе изменения сопротивления металлов (чаще всего платины) при изменении температуры. Термисторы, как правило, изготавливаются из оксидов металлов и обладают высокой температурной чувствительностью в узком диапазоне температур.
Метод основан на использовании изменения свойств светового сигнала в оптоволокне при изменении температуры. Часто используется в МРТ-среде благодаря полной электромагнитной совместимости.
Бесконтактные методы особенно востребованы при поверхностной термометрии, а также при невозможности инвазивного доступа.
ИК-термометры измеряют тепловое излучение, испускаемое поверхностью тела, в инфракрасном диапазоне спектра.
Основана на измерении собственного электромагнитного излучения тканей в СВЧ-диапазоне (1–10 ГГц). Глубина проникновения может достигать нескольких сантиметров.
Использует чувствительность магнитно-резонансного сигнала к температуре. Принцип основан на:
Температурной зависимости химического сдвига протонов (преимущественно воды)
Т2-релаксации и диффузионных свойств
Фазовом методе: изменения фазы МР-сигнала в зависимости от температуры
Преимущества: высокая точность (до 0,1 °C), визуализация температуры в реальном времени
Недостатки: высокая стоимость, необходимость наличия МР-томографа
Применение: МР-направляемая фокусированная УЗ-гипертермия, термотерапия головного мозга
Измерение температуры должно сопровождаться активным контролем и стабилизацией, особенно в процедурах гипертермии и абляции. Основные методы:
Для гомогенного прогрева тканей важно формирование теплового профиля, соответствующего заданной дозе.
Поведение температуры в тканях определяется законами теплопереноса:
Уравнение био-heat transfer (уравнение Пеннa):
$$ \rho c \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla (k \nabla T) + \rho_b c_b w_b (T_b - T) + Q_{\text{met}} + Q_{\text{ext}} $$
где:
Теплоотвод кровотоком: существенно влияет на локальную эффективность прогрева
Анизотропия теплопереноса: характерна для некоторых тканей (например, мышц)
Современная термометрия в медицинской физике — это высокоточная, многокомпонентная система, обеспечивающая безопасность и эффективность термических медицинских процедур. Выбор метода определяется клинической задачей, глубиной расположения мишени, допустимой инвазивностью и необходимой точностью контроля температуры.