Человек так же, как и большинство млекопитающих, относится к организмам с практически постоянной температурой тела, т. е. к гомойотермным (теплокровным). В отличие от пойкилотермных (хладнокровных) организмов, адаптирующих свой организм к температуре окружающей среды, организм человека поддерживает практически одинаковую температуру тела при любых внешних температурах. Терморегуляция обеспечивает нормальное функционирование всех органов и систем человека и является частью гомеостаза [1]. Терморегуляция обеспечивается балансом между процессами теплопродукции и тепловыведения, теплопродукция — в основном экзотермическими химическими процессами, происходящими во внутренних органах, таких как печень, мозг и сердце, а также сокращением скелетной мускулатуры (частный случай — дрожание при гипотермии) [2]. Тем не менее ткани человека, непосредственно соприкасающиеся с внешней средой, практически не участвуют в теплопродукции, их температура ниже внутренней температуры тела и может изменяться в бóльших пределах. Основным «переносчиком» тепла в организме является кровь, которая передает излишки тепла от внутренних органов покровным тканям, функционирующим как своеобразный радиатор [3]. Тепловыведение обеспечивается четырьмя путями: конвекцией, кондукцией, излучением и испарением. Конвекция обеспечивается контактом с окружающей воздушной средой и усиливается при движении воздуха. Кондукция — процесс непосредственной передачи тепла контактирующему с телом человека предмету. Испарение обеспечивает отвод тепла из организма при потоотделении. Наконец, излучение, или радиация, — процесс отдачи тепла с поверхности тела путем инфракрасного (ИК) излучения. Необходимо отметить, что влияние данных физических процессов на тепловыведение имеет ситуативный характер; к примеру, в случае, когда температура окружающей среды превышает температуру поверхности тела, организм получает, а не отводит тепло путем излучения и кондукции (или конвекции) и единственным путем тепловыведения остается испарение секрета потовых желез [2, 4]. В условиях комнатной температуры (21—23 °С) и относительной влажности (в пределах 40—60%) около 60% тепла выводится из организма путем радиации, около 20% — путем испарения и 15—20% — путем конвекции; кондукция в данном случае ситуативна и зависит от соприкосновения тела с предметами окружающей среды [5].
Нарушение системы терморегуляции ведет к изменению температуры тела [6]. Как гипер-, так и гипотермия являются признаками ряда патологических процессов. Наиболее частой причиной гипертермии является воспаление, при этом гипертермия может быть локальной, т. е. возникающей непосредственно в очаге воспаления, и генерализованной, т. е. охватывающей весь организм [7, 8]. Одним из частных случаев локальной гипертермии является фаза воспаления при раневом процессе.
Все тела, чья температура выше абсолютного нуля, испускают электромагнитное излучение, называемое термическим. Испускательная способность поверхности — это суммарная энергия, переходящая через поверхность тела во внешнюю среду. Испускательная способность абсолютно черного тела (АЧТ) описывается при помощи формулы Планка:
где φ — испускательная способность, λ — длина волны, Т — абсолютное значение температуры, ħ — постоянная Планка, с — скорость света, k— константа Больцмана. Интеграция формулы Планка для всех частот выражается законом Стефана—Больцмана, описывающим абсолютную испускательную способность АЧТ [9]:
где σ — константа Стефана—Больцмана. Испускательная способность АЧТ снижается пропорционально температуре, и длина волны максимальной испускательной способности двигается в сторону увеличения при падении температуры в соответствии с законом Вина:
λmaxT = 0,002898,
где λmax— максимальная длина волны (в метрах) максимальной испускательной способности при заданной температуре Т (в Кельвинах).
Коэффициент поглощения αv — доля принимаемого излучения, поглощаемого за единицу времени относительно единицы толщины тонкого слоя. Для любого тела с постоянной температурой испускаемая энергия должна быть сбалансирована поглощенной из внешней среды. По закону Кирхгофа, для любой однородной среды, поддерживающей одинаковую температуру, коэффициенты испускания и поглощения для любого спектрального диапазона равны отношению испускательной способности поверхности тела к испускательной способности АЧТ. Эта связь позволяет охарактеризовать испускательную способность тела как:
Испускательная способность кожи человека относительно постоянна и составляет 0,98±0,01 при длинах волн в диапазоне от 2 до 14 мкм [11]. Таким образом, человеческая кожа ведет себя как АЧТ в этом диапазоне длин волн, и термическое излучение происходит на поверхности эпидермиса из-за высокого коэффициента абсорбции (2,5—3 мм–1) при длинах волн от 2,2 до 5 м. В 1973 г. J. Steketee подтвердил на основании испытаний in vitro и in vivo, что испускательная способность не отличается для черной и белой кожи, а также для ожогов [12]. Таким образом, ИК-термограф измеряет температуру только внешнего поверхностного слоя кожи.
Температура поверхности кожи человека в обычных условиях составляет около 300 К, максимальная испускательная способность при этом приходится на длину волн чуть ниже 10 мкм. Излучение с длиной волны 10 мкм в значительной степени поглощается стеклом и может быть сфокусировано лишь при помощи линз, сделанных из особых материалов, таких как германий. Для восприятия такого излучения также требуются изготовленные особым образом компоненты, к примеру из микромашинного силикона. Ранние образцы ИК-камер имели большие габариты и были неудобными в использовании. Для их функционирования требовалось охлаждение жидким азотом, и они могли использоваться только при горизонтальной ориентации. Основными преимуществами современных ИК-камер являются низкая стоимость, высокое разрешение получаемого изображения, компактные размеры и отсутствие необходимости в специальном охлаждении [13].
Для здорового человека характерна контралатеральная симметрия в температурном распределении кожи. Асимметрия выше определенного уровня предполагает патологию. В 1986 г. S. Uematsu провел термографическое исследование 32 здоровых добровольцев и выяснил, что средняя разница температур между симметричными участками тела не превышает 0,24 °С. Самая высокая температура кожи характерна для лобной области (34,5 °С), самая низкая — для пальцев ног (27,1 °С). Температура пальцев рук и ног нестабильна даже для одного и того же индивида [14]. K. Mabuchi и соавторы предположили, что относительное распределение температуры более важно, чем абсолютная температура. Ими был разработан метод оценки симметричности распределения температур, основанный на разделении участков тела на трапеции и сравнении средних температур контралатеральных трапеций [15].
Метод ИК-термографии нашел применение во многих областях медицины. Первым опытом использования метода с диагностической целью можно считать работу R. Lawson (1957) [16], который применил термографию для диагностики рака молочной железы (РМЖ). В настоящее время в ряде стран ИК-термография является скрининговым методом выявления данного заболевания наряду с маммографией [17]. Метод применялся также в кардиологии [18], ревматологии [19, 20], спортивной медицине [21, 22], эпидемиологии [23] и других областях.
Самые ранние попытки измерения температуры глазной поверхности предпринимались еще в 19-м веке. В 1876 г. H. Dohnberg применил контактную термометрию ртутным градусником для определения температуры передней поверхности глаза [24]. В период с 1876 г. до 1960-х годов ряд авторов предлагали свои методы применения контактной термометрии в офтальмологии. Тем не менее их результаты были недостаточно точны ввиду необходимости использования анестетиков и кондукции тепла от термоэлемента к аваскулярной роговице.
Впервые ИК-термографию в офтальмологии применил R. Mapstone в 1968 г. Автор получил среднюю температуру поверхности глаза, равную 34,8±0,3 °С. Недостатком исследования являлось измерение температуры в одной точке, без построения температурной карты различных отделов передней поверхности глаза [25]. В дальнейшем N. Efron и соавторы определили, что после акта моргания геометрический центр роговицы имеет температуру 34,3±0,7 °С. Температура повышалась к периферии роговицы, достигая максимального увеличения на 0,45 °С в области лимба. Сразу же после моргания геометрический центр роговицы начинал остывать со скоростью 0,033±0,024 °С/с в течение первых 15 с. Интересно, что испытуемые, чья роговичная температура опускалась медленнее, демонстрировали способность обходиться без моргания дольше [26]. Р. Morgan и соавторы установили, что 95% населения имеют различия между температурами правого и левого глаза до 0,6 °С. Таким образом, односторонний патологический процесс диагностируется при наличии различия с другим глазом более чем на 0,6 °С [27].
При исследовании температуры глаза важно учитывать ряд параметров, способных оказать влияние на полученные результаты: температуру помещения, где проводится измерение; время суток и возраст субъекта исследования. Было установлено, что температура поверхности глаза обратно пропорциональна возрасту и уменьшается в среднем на 0,01 °С/год с возможным ускорением уменьшения после 50 лет [28].
В 1999 г. Н. Bissen-Miyajima и соавт. оценивали термический эффект трех факоэмульсификаторов и лазерных наконечников (стандартных, MicroTip и Mackool) на разрез роговицы, основываясь на положении наконечника. Исходя из данных ИК-термографии, авторы сделали вывод о том, что первые два наконечника оказывают большее термическое действие на структуры передней камеры [29]. В 2010 г. С.Ю. Копаев и В.Г. Копаева [30] провели похожее исследование, но внесли много дополнений: помимо степени нагревания наконечников, они определили характер распространения теплового воздействия в разных средах (воздух, жидкая среда в условиях ирригации и аспирации и жидкая среда без ирригации и аспирации, на свиных глазах). В работе использовались факоэмульсификатор «Миллениум» и лазерная установка «Ракот» с разными режимами работы, температура регистрировалась портативным тепловизором. Авторы резюмировали, что использование лазерных установок для хирургии катаракты более термобезопасно даже в случае кратковременного отключения аспирации и ирригации, так как лазерное воздействие приводило лишь к локальной гипертермии без распространения на другие элементы среды.
Кроме того, Е.И. Герасимова и соавт. [31] использовали метод ИК-термографии для оценки течения послеоперационного периода факоэмульсификации катаракты. Авторы оценивали разность температуры здорового и оперированного глаза. На основании измерений они сделали вывод о том, что ИК-термография может использоваться для мониторинга течения послеоперационного периода, а динамика температуры на оперированных глазах может говорить об интенсивности воспалительного процесса.
M. Sniegowski и cоавт. [32] использовали метод термографии для оценки разницы температуры поверхности глаза между здоровыми глазами с нативным хрусталиком и глазами пациентов с артифакией. 56 глаз разделили на 3 группы: в 1-ю группу были включены глаза с катарактой, во 2-ю — глаза с прозрачным хрусталиком, в 3-ю — с артифакией. Авторы выявили некоторое повышение температуры поверхности глаза после экстракции катаракты, а также тенденцию к снижению температуры поверхности глаза с возрастом, однако малая выборка и высокая возрастная неоднородность не позволили сделать четких выводов на основании этого исследования.
По данным ряда авторов, термография также может быть использована как метод оценки различных патологических состояний, связанных с глаукомой. Было доказано, что повышение внутриглазного давления (ВГД) приводит к уменьшению ретробульбарного кровотока и снижению температуры глазной поверхности [33, 34].
Кроме того, было предложено использование термографии в дополнение к другим методам мониторинга функционального состояния фильтрационной подушки после синустрабекулэктомии (биомикроскопия, ультразвуковая биомикроскопия, оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия). В хорошо функционирующей подушке влага движется из склерального лоскута в субконъюнктивальное пространство. В 2009 г. S. Kawasaki и соавт. [35] предложили новый параметр — снижение температуры фильтрационной подушки (СТФП), вычисляемый по формуле СТФП = (средняя температура назальной и темпоральной бульбарной конъюнктивы) — (температура фильтрационной подушки). Исследуемые глаза были разделены на группы нормального и повышенного ВГД в соответствии с результатами тонометрии после операции. Параметр СТФП для группы с нормальным уровнем ВГД был выше, чем для группы с повышенным ВГД, но не коррелировал с морфологической характеристикой фильтрационных подушек, составленной на основе биомикроскопии с использованием Индианской шкалы оценки фильтрационных подушек (Indiana Bleb Appearance Grading Scale). Похожий результат получили М. Klamann и соавт. [36], применив другую модель термографа. Авторы также ввели новый параметр СТФП10с, основанный на измерении СТФП на протяжении 10 с после последнего мигательного движения с целью компенсации возможного охлаждения глазной поверхности.
Целью исследования A. Sodi и соавт. [37] являлось выявление термографического профиля пациентов с возрастной макулярной дегенерацией (ВМД) и сравнение с группой контроля того же возраста без ВМД для определения возможных гемодинамических нарушений, которые могут быть вовлечены в патогенез данного заболевания. Различий в термограммах разных групп ВМД обнаружено не было, но было выявлено статистически достоверное различие между глазами контрольной группы и глазами с ВМД. По мнению авторов, данный результат свидетельствует в пользу ишемической гипотезы патогенеза ВМД.
Y. Hara и соавт. [38] предложили использовать термографию для оценки эффективности топической противоаллергической терапии при аллергическом конъюнктивите. Температура поверхности нижней бульбарной конъюнктивы измерялась методом бесконтактной термографии до и через 30 мин после контакта с аллергеном. После инстилляции аллергена температура повышалась в значительно большей мере на глазах без топической противоаллергической терапии. Увеличение температуры также коррелировало со степенью проявления аллергического конъюнктивита, определенного при биомикроскопии.
Термография может быть использована как метод диагностики при опухолях глаза. В монографии А.Ф. Бровкиной описаны методики получения и способы интерпретации термографической картины доброкачественных и злокачественных опухолей век и орбиты. Доброкачественные опухоли, как правило, изо- или гипотермичны, в то время как злокачественные демонстрируют выраженную гипертермию (до 2,0°С разницы с симметричным непораженным участком). Термографическая картина злокачественных опухолей, как отмечает автор, может быть также использована как прогностический фактор и как метод контроля эффективности проводимой терапии. Критерием эффективности лечения злокачественной опухоли в данном случае послужит снижение ее температуры и площади гипертермического очага. Важно отметить, что в этом отношении злокачественные опухоли глаза очень сходны с РМЖ и злокачественными опухолями в других органах [39].
Впервые применение термографии при эндокринной офтальмопатии (ЭОП) описали T. Chang и соавт. [40]. Авторы предложили использовать метод для оценки выраженности воспалительных явлений при ЭОП и влияния пульс-терапии метилпреднизолоном. Температура слезного мясца, медиальной и латеральной части бульбарной конъюнктивы и нижнего века в группе ЭОП была значительно выше, чем в контрольной группе. После пульс-терапии температура исследуемых областей значительно понизилась, что четко коррелировало с клиническими данными. Результаты их исследования были подтверждены S. Shih и соавт. [41]. Авторы также определили, что использование термографии совместно с оценкой клинических данных позволяет лучше описать возможный исход пульс-терапии метилпреднизолоном, чем только оценка клинических данных (82,81 и 66,63% точности соответственно).
C. DiMaria и соавт. [42] предложили 5 новых параметров для оценки выраженности воспалительного процесса при ЭОП. Использование комбинации из всех 5 параметров позволило добиться большей точности (94% чувствительности и 92% специфичности). Авторы заключили, что метод термографии имеет диагностическую ценность при ЭОП, но для его введения в клиническую практику необходимо дальнейшее исследование на больших группах пациентов.
Известно, что именно испарение слезной пленки приводит к снижению температуры глазной поверхности. Следовательно, термография может быть использована как диагностический метод для ряда состояний, связанных с нарушением слезной пленки, таких как синдром «сухого глаза» (ССГ). Впервые потенциал использования термографа для диагностики этого заболевания был описан P. Morgan и соавт. в 1995 г. [43]. В группе пациентов с ССГ было отмечено увеличение средней температуры глазной поверхности, а также больший градиент температур. J. Craig и соавт. [44] получили похожие результаты. В их исследовании пациенты с ССГ демонстрировали более высокую скорость испарения слезы, больший градиент температур в центральной зоне роговицы и более низкую стабильность слезной пленки.
Специально созданный термограф использовали в своем исследовании T. Su и соавт. [45] для определения пространственного (величина компактности) и временного распределения температуры глазной поверхности у пациентов с ССГ и контрольной группы. Параметры были получена в течение 6 с после мигательного движения. Специфичность и чувствительность этих двух параметров для разделения двух исследуемых групп составила 83 и 84%. T. Kamao и соавт. [46] также исследовали уменьшение температуры во времени. Специфичность и чувствительность метода составили 83 и 80% соответственно.
Тем не менее исследования других авторов свидетельствуют о том, что существенная разница между средней температурой поверхности глаза не наблюдается для пациентов с ССГ при сравнении с контрольной группой [47, 48].
Корреляция между температурой глазной поверхности и ее колебаниями и анатомическими параметрами глаза была исследована C. Purslow и J. Wolffsohn. Их находки поддерживают теорию о том, что температурное излучение поверхности глаза в основном зависит от характеристик слезной пленки. Толщина и кривизна роговицы, а также глубина передней камеры в меньшей степени влияют на термографическую картину [49].
L. Tan и соавт. [50] определяли достоверность термографии в диагностике ССГ. В данном исследовании был получен коэффициент достоверности между разными снимками и разными сроками исследования. Для диагностики ССГ был разработан «алмазный» метод, основанный на исследовании в 5 точках. Авторы заключили, что предложенный ими метод решает проблему термографии глазной поверхности при азиатском типе разреза глаз и позволяет получить наиболее достоверные средние результаты. Кроме того, термография показала высокий уровень достоверности как метод диагностики ССГ [51].
Противоречия между описанными исследованиями могут быть обусловлены изучением разнородных (по тяжести проявлений) групп больных, а также несоответствием использованных параметров исследования: в ряде исследований температура определялась после закрывания глаз на разные промежутки времени. Во время закрывания глаз их поверхность могла быть прогрета контактом с пальпебральной конъюнктивой. Тем не менее определение снижения температуры глазной поверхности после открывания глаз и градиента температур представляются в настоящее время достоверными критериями, которые могут быть использованы в диагностике ССГ. Несмотря на то что дистанционная термография представляет только косвенные данные о характеристике слезной пленки, метод имеет преимущества, основанные на его неинвазивности и высокой чувствительности перед большинством других, широко распространенных в настоящее время [52].
Метод ИК-термографии для диагностики патологии придатков глаза, несмотря на большое количество исследований применения в офтальмологии и медицине, все же остается недостаточно изученным, но представляется весьма перспективным. С целью стандартизации получаемых данных и для исключения противоречий целесообразно максимально возможным образом исключить влияние внешних факторов, таких как температура внешней среды, влажность, потоки воздуха, переотражение сигнала.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сведения об авторах
Рейн Елена Сергеевна — аспирант
e-mail: elenarein01@gmail.com