Termografia in Campo Medico

LA TERMOGRAFIA E LA TRASMISSIONE DEL CALORE

Tutta la teoria della termografia si basa sui Fondamenti di trasmissione del calore è dunque bene prima di affrontare qualunque utilizzo di una termocamera conoscere a fondo come il calore si trasmette nei vari oggetti.

Il calore ovvero l’energia termica viene trasmessa secondo tre principi fondamentali:

• Trasmissione per Conduzione
• Trasmissione per Convezione
• Trasmissione per Irraggiamento

In generale non esiste in natura una trasmissione di calore secondo solo uno dei tre principi ma in genere il calore viene trasmesso secondo tutti e tre principi nello stesso momento ed in maniera interconnessa tra di loro in modo indipendentemente l’uno dall’altro.

Tutto in natura tende a raggiungere un equilibrio di forze e di energie infatti anche per la termodinamica vale lo stesso principio: se in un’ambiente si trovano oggetti a diversa temperatura, è esperienza comune constatare che quelli più caldi tenderanno a raffreddarsi cedendo calore mentre quelli più freddi tendono a riscaldarsi col calore di quelli che si trovano ad una temperatura superiore i due o più oggetti tendono dunque a raggiungere un equilibrio termico.

LE TRE LEGGI FISICHE CHE REGOLANO LA TRASMISSIONE DEL CALORE A BASE DELLA TEORIA DELLA TERMOGRAFIA:

• legge di Fourier => CONDUZIONE
• legge di Newton =>CONVEZIONE
• legge di Maxwell – Hertz e Plank => IRRAGGIAMENTO

La termografia si basa sui principi fondamentali della trasmissione del calore: Q = energia termica totale – Qt = Energia Termica per Trasmissione – Qr= Energia Termica per Riflessione – Qc= Energia Termica per Conduzione

LE TRE LEGGI FISICHE CHE REGOLANO LA TRASMISSIONE DEL CALORE A BASE DELLA TEORIA DELLA TERMOGRAFIA:

• legge di Fourier => CONDUZIONE
• legge di Newton =>CONVEZIONE
• legge di Maxwell – Hertz e Plank => IRRAGGIAMENTO
• ▷CONDUZIONE: la conduzione del calore dipende dalla conduttività termica del materiale di cui è fatto l’oggetto, maggiore è la conduttività e minore sarà la resistenza termica che il calore incontra nel suo trasferimento (si ricorda che la resistenza termica è l’inverso della conduttività).
• La quantità di calore che si sposta per conduzione attraverso un materiale dipende dalla differenza di temperatura ai due estremi del materiale stesso. La conduzione del calore è descritta dalla legge di Fourier:
• Qt = k (Ti – Te) / L
• Dove Q è il calore; k è il coefficiente di conducibilità termica; Ti e Te rappresentano le due temperature, ad esempio per una parete sono la temperatura interna ed esterna ed L è la larghezza della parete.
• ▷CONVEZIONE: la trasmissione del calore per convezione è tipica dei fluidi, sia liquidi sia gassosi. Il motore che induce la trasmissione per convenzione è la differenza di temperatura tra un oggetto e quella del fluido o dell’ambiente che lo circondano.
• La trasmissione del calore per convezione è descritta mediante legge di Newton:
• Qc = α (To – Tf)
• Dove Q rappresenta il flusso di calore per convezione, α il coefficiente di trasferimento del calore per convezione, To la temperatura dell’oggetto e Tf la temperatura del fluido in cui è immerso.
• L’effetto di convezione aumenta se si aumenta la velocità del fluido nel quale è immerso l’oggetto, in questo caso si parla di convezione forzata, quando invece non è presente nessuna forzatura, si parla di convezione naturale.
• IRRAGGIAMENTO: la trasmissione del calore per irraggiamento rappresenta la radiazione termica che proviene dall’oggetto in esame verso l’ambiente o verso un altro corpo o l’ambiente che lo circondano.
• La teoria della trasmissione del calore per irraggiamento è di fondamentale importanza per la termografia infatti ogni indagine termografica è possibile solo grazie a questo principio base di trasmissione del calore e pertanto gli dedichiamo un approfondimento a parte leggi dunque: Termografia e Irraggiamento del Calore

CONSIDERAZIONI GENERALI PER LA MISURAZIONE TERMOGRAFICA

Ad una prima osservazione, la termocamera può essere scambiata per una videocamera, per la presenza di un’interfaccia intuitiva e di funzioni facilmente accessibili tramite l’uso di un joystick e di pulsanti posti sul corpo macchina. Tuttavia il suo utilizzo non è così semplice come scattare una foto. La termocamera consente di misurare e rappresentare la radiazione infrarossa emessa da un oggetto. La radiazione è in funzione della temperatura superficiale dell’oggetto. La termocamera è in grado di calcolare e visualizzare tale temperatura. La radiazione rilevata dalla termocamera non dipende soltanto dalla temperatura dell’oggetto, ma anche, come già detto nel paragrafo precedente, dalla sua emissività. Bisogna però considerare, che la radiazione ha origine anche nelle zone circostanti l’oggetto e viene riflessa sull’oggetto stesso. La radiazione emessa dall’oggetto e quella riflessa variano anche in base all’assorbimento atmosferico . Per rilevare la temperatura con precisione, è opportuno ovviare agli effetti provocati dalla presenza di diverse sorgenti di radiazione. Questa procedura viene eseguita automaticamente in tempo reale dalla termocamera. Tuttavia è necessario, per una migliore e più precisa acquisizione dei valori, impostare alcuni parametri fondamentali.

Emissività. É il parametro cardine dell’oggetto esaminato, è necessario che tale parametro venga impostato correttamente. Riassumendo, l’emissività è la misura che si riferisce alla quantità di radiazione termica emessa da un oggetto, comparata a quella emessa dal perfetto corpo nero. Generalmente, i materiali di cui sono composti gli oggetti e i trattamenti effettuati sulle superfici presentano emissività comprese tra 0,1 e 0,95. I metalli hanno un emissività bassa, che aumenta solo con l’aumentare della temperatura. I non metalli hanno un emissività abbastanza elevata, che però diminuisce con la temperatura. Una superficie lucida, ad esempio uno specchio, ha un valore inferiore a 0,1, mentre una superficie ossidata o verniciata ha un livello di emissività superiore. La cute umana è caratterizzata da un livello di emissività pari a 0,95 (FLIR Systems, 2009). Studi condotti da Blumberg et al. (2002) su dei piccoli sauri (Paroedura pictus) hanno utilizzato la stessa emissività della cute umana anche nei rettili.
Temperatura ambientale. Viene utilizzata per bilanciare la radiazione riflessa nell’oggetto e quella emessa dall’atmosfera tra la termocamera e l’oggetto. Se l’emissività è bassa, la distanza molto elevata e la temperatura dell’oggetto è relativamente simile a quella dell’ambiente, risulta particolarmente importante impostare e bilanciare correttamente la distanza.

Distanza. Serve a bilanciare l’assorbimento della radiazione tra l’oggetto e la termocamera dovuto alla “trasmittanza”, che diminuisce all’aumentare della distanza. Bisogna ricordarsi che l’infrarosso attraversa un mezzo prima di arrivare allo strumento (i gas dell’atmosfera terrestre hanno anch’essi proprietà termiche) e quindi si deve tenerne conto (FLIR Systems, 2009).

Umidità. Influisce per una certa misura sulla trasmittanza e per questo, è necessario impostarla. Per brevi distanze e con un’umidità relativa normale, è possibile utilizzare il valore predefinito pari al 50% (FLIR Systems, 2009).

IN MEDICINA

L’applicazione della termografia in medicina si basa sulla correlazione tra le condizioni funzionali del corpo e la temperatura interna dello stesso. Di norma il corpo è in grado di mantenere la propria temperatura ad un livello costante, anche se le condizioni termiche esterne variano. Il calore prodotto si disperde all’esterno principalmente attraverso la pelle che emana energia termica nell’ambiente circostante  come qualsiasi altro corpo con una temperatura superiore allo zero assoluto).  La termocamera le rileva e crea delle immagini, dalle quali si possono individuare le temperature corporee superficiali. Già questo, è un buon strumento diagnostico, applicato come tale in alcune situazioni. È rapido, non invasivo e affidabile. Si possono individuare degli hot spot, dando in tempo reale una mappa visiva dei gradienti termici esistenti sulla superficie corporea. Il metabolismo tissutale e la circolazione ematica hanno un ruolo cardine nella regolazione della temperatura corporea che è a sua volta regolata dai sistemi nervoso ed endocrino. Visualizzando le immagini termografiche si possono evidenziare in questo modo alterazioni del flusso sanguigno sottostante, aumentato o diminuito, conseguenza di causa patologica o di un alterazione fisiologica del soggetto. I segni cardini dell’infiammazione sono: arrossamento, tumefazione, calore della parte infiammata, dolore, alterazione funzionale (rubor, tumor, calor, dolor, functio lesa). Essendo il sintomo “calor”, causato dal’iperemia, si può usare la termografia per individuare e diagnosticare con largo anticipo tali patologie (Ludwiget, 2013). La termografia ha però un limite, non è in grado di rilevare specifiche patologie, ma ci può però aiutare nella loro localizzazione, quindi facilitare l’iter diagnostico.

MEDICINA UMANA

In medicina umana la termografia è utilizzata come strumento diagnostico collaterale per la diagnosi precoce e non invasiva in oncologia, angiologia e cardiologia, nefrologia, gastroenterologia, patologie endocrine (diabete e patologie della ghiandola tiroidea), malattie infettive e dell’apparato respiratorio; inoltre, per i disordini della colonna vertebrale e delle articolazioni.

Oncologia

• Diversi autori hanno valutato la capacità della termografia nella diagnostica delle neoplasie. In ordine cronologico:
• Gottlob et al. (1975), le basi per l’identificazione di una massa tumorale;
• Tapernoux e Hessler (1977), correlazione tra ipertermia e malignità dei melanomi in circa i 2/3 dei casi esaminati;
• Nyirjesy (1982), diagnosi del carcinoma mammario;
• Karmadin e Kuzmichev (1983), diagnosi differenziale tra gozzo e tumore tiroideo;
• Gardani et al. (1983), diagnosi di tumori ossei e dei tessuti molli, lo studio continuò per un decennio e diede il risultato che la tecnica aveva una buona sensibilità (81,5%);
• Louis et al. (1982) e Gautherie (1983) associano la mammografia all’esame termografico aumentando l’accuratezza e la sensibilità della diagnosi;
• Eddie e Sudharsan (2004) migliorano ulteriormente la tecnica avvalendosi di un modello matematico adeguato al seno femminile, con la riduzione dei falsi negativi e i falsi positivi.

Malattie Infettive: la SARS

Durante l’epidemia che colpì Taiwan, da metà aprile a metà giugno 2003, vennero monitorate più di 70.000 persone con l’uso della termografia, lo screening di massa rilevava lo stato febbrile in soggetti sospetti affetti della sindrome respiratoria acuta grave (SARS), visto che l’ipertermia (>38°C), è il sintomo principale nelle persone affette (Chiu et al., 2005). Inoltre Ng et al. (2004) ebbero la possibilità di correlare le varie regioni del viso con la temperatura interna del corpo. L’analisi statistica mostrò una correlazione tra i valori termografici e le misurazioni della temperatura del orecchio, molto rappresentativa di quella interna. Misero a confronto la temperatura massima rilevata nella regione dell’occhio e quella della regione della fronte, individuando che la prima era migliore della seconda. Effettuarono un test ROC, presero a caso un soggetto febbrile e verificarono se avesse un valore termografico maggiore rispetto ad un qualsiasi individuo con temperatura normale, questo si rilevò vero per il 97,2% dei casi.

 Neuroscienze

Si possono studiare, tramite l’uso dell’imaging infrarosso, anche alcuni processi afferenti al sistema nervoso simpatico che presiede alle reazioni involontarie, come la risposta a stimoli elettrici o psicogeni: è interessante osservare la distribuzione termica cutanea del soggetto in base allo stato emotivo, ad esempio in condizioni di stress o disagio (Merla et al., 2001; Pavlidis et al., 2000).

 Pneumotorace

E’ una complicazione rischiosa per la sopravvivenza del paziente che può derivare da un trauma, dalla ventilazione meccanica, o da una procedura invasiva. E’ stata ipotizzata la capacità della termografia ad infrarosso nel rilevare questa condizione, identificando i cambiamenti della temperatura superficiale a livello del torace ad essa associati. E’ stato condotto uno studio su ratti ai quali fu provocato un pneumotorace sperimentale a destra, a sinistra o bilaterale, seguito delle scansioni termografiche della porzione interessata, senza conoscere dove fosse localizzata la lesione. La presenza del pneumotorace era caratterizzata da una consistente diminuzione della temperatura superficiale della regione quando paragonata a quella del controllo e in questo modo fu possibile identificare correttamente tutti i casi, dimostrando come questa tecnica fosse in grado di rilevare rapidamente e accuratamente i cambiamenti della temperatura superficiale toracica associati al pneumotorace sperimentale (Rich et al., 2004).

 Andrologia

La termografia ad infrarosso nello studio dell’apparato riproduttore maschile è stata spesso impiegata per valutare l’area testicolare e scrotale. Visto che la vitalità del seme è influenzata dal calore, questa tecnica trova un utile applicazione nello studio dell’infertilità, evidenziando temperature anormali sugli organi esaminati (Amiel et al., 1976; Coppola et al., 1984). Il varicocele influenza la termoregolazione scrotale per la dilatazione venosa ed il conseguente reflusso che lo caratterizza e ha come conseguenza una riduzione della potenziale fertilità. Il varicocele monolaterale è associato a differenze >0,5°C nella temperatura cutanea a livello del plesso pampiniforme o del testicolo rispetto alla parte controlaterale. Il varicocele bilaterale si caratterizza invece per ipertermia rispetto al controllo sano. La metodica è specifica (98%) e sensibile (100%) e permette di rilevare varicoceli asintomatici, ma con spermiogramma non normale (Coulter et al., 1988).

 Malattie reumatiche

L’artrite caratterizza la maggior parte delle malattie reumatiche e la termografia si è dimostrata efficace nell’individuare e misurare il calore proveniente dalla zona infiammata,si è notato,però, che regioni anatomiche diverse possono dare sensibilità differenti dello strumento. Akerman e Koop (1988) studiarono l’artrite reumatoide a livello di articolazione temporo-mandibolare (ATM), evidenziando che l’infiammazione si manifestava attraverso un’elevata temperatura superficiale sopra quest’ultima. Tuttavia in uno studio precedente Paterson et al., (1978), presero in considerazione l’articolazione del ginocchio di alcuni pazienti con la stessa patologia, ebbero risultati differenti; quindi la termografia non si rilevò utile per la diagnosi di tale patologia. La differenza tra le due esperienze può dipendere dal fatto che la temperatura superficiale vicino all’articolazione del ginocchio non è in stretta correlazione con la temperatura intrarticolare. Infatti, le ossa che formano l’articolazione del ginocchio sono molto più grandi di quelle che formano l’ATM e le dimensioni possono influenzare il trasferimento di calore tra la cavità dell’articolazione e la cute.

Tunnel carpale

Ming et al. (2005) condussero uno studio in cui eseguirono scansioni termografiche alle mani di due gruppi, il primo conteneva pazienti a cui era stata diagnosticata clinicamente la sindrome da tunnel carpale, l’altro con volontari sani che fungevano da controllo. I risultati ottenuti mostravano differenze sostanziali tra i due gruppi: le temperature nell’area di distribuzione del nervo mediano erano molto differenti; come molto diverse erano pure le temperature tra l’area di distribuzione del nervo mediano e quella dell’ulnare nelle mani dei pazienti con la sindrome da tunne carpale. La sensibilità e la specificità erano entrambe molto alte, indicando la termografia come possibile strumento di indagine collaterale per la diagnosi di questa patologia, soprattutto in una fase precoce.

 MEDICINA VETERINARIA

La prima pubblicazione in cui si parla di termografia veterinaria fu nel lontano 1964 quando Smith pubblicò Applications of thermography in veterinary medicine in cui mostrava le prime termografie fatte ad un cavallo. Da quel momento la termografia in medicina veterinaria ha fatto molti passi avanti ed è stata sempre di più utilizzata come strumento diagnostico collaterale in molte specie.

 Il cavallo sportivo

L’interesse per la termografia e i suoi possibili utilizzi nell’ambito dell’ippica cominciò all’incirca del 1963 ed aumentò ancora di più con l’avvento delle termocamere portatili, di minori dimensioni, maggiore risoluzione e minor costo. Soprattutto nella diagnosi di patologie che affliggono il cavallo da sempre, quali quelle del sistema locomotore e quindi delle ossa, dei legamenti, dei tendini, delle articolazioni e dei muscoli (Turner, 2001). Altre applicazioni possibili possono essere: la ricerca di metodi illegali per migliorarne fraudolentemente il rendimento del cavallo, che sfuggono alla comune ricerca anti-doping (Eddy, 2001); come le iniezione di composti irritanti per accentuare la flessione dell’arto, le anestesie locoregionali, l’infiltrazione di potenti analgesici nell’area lesa o le nevrectomie dei nervi palmari e digitali. Queste procedure, come già detto, sfuggono ai controlli, ma danno delle variazioni di temperatura che possono persistere anche per 8 giorni e non durano meno di un giorno, evidenziabili con la termografia. Purtroppo questo tipo di indagine non è ancora abbastanza specifica, dal momento che evidenzia sì le variazioni termiche dell’area, senza però, identificarne le cause e questo non basta per squalificare un cavallo da una competizione. Altra interessante applicazione è la differenziazione tra cavalle gravide e vuote, le prime hanno una temperatura del fianco più alta rispetto alle seconde indipendentemente dalle condizioni ambientali e suggerendo così che la termografia è uno strumento utile nella diagnosi o nella conferma di gravidanza in tarda gestazione in alcune specie animali (Bowers et al. 2009). Ricordiamo che, oltre alla non invasività, l’applicazione della termografia in questo campo offre il vantaggio di ridurre l’esposizione a radiazioni ionizzanti (sia per il paziente che per l’operatore) che si hanno con l’utilizzo della radiografia impiegata convenzionalmente per rilevare le patologie del cavallo sportivo.

Fonte:

http://tesi.cab.unipd.it/44127/1/Martin_Andrea_(2).pdf