Сетчатка и ИК излучение

«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 20×20 мкм и с временным разрешением до 8000 кадров в секунду. В ближайшее время ожидается появление на рынке камер четвертого поколения с матрицей до 960×1280 пикселей и амплитудным разрешением до 0,001°C.

Видимая часть спектра

“…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.

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.

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.

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.

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.

Эта часть спектра при высокой яркости вызывает ощущение ослепления, сопровождающееся болью в глазах и спазмом век.

Ощущение боли является результатом резкого напряжения цилиарных мышц при сужении зрачков. Описаны 2 случая иридодиализа вследствие освещения глаз лучами света большой яркости [Мандицевский (Mandicevski, 1935)].

Наибольшая интенсивность светового раздражителя, при дальнейшем увеличении которой возникает болевое ощущение, носит название верхнего порога светового ощущения: это та яркость света, которая явно «слепит».

У рабочих, подвергающихся воздействию лучей высокой яркости, могут возникнуть поражения сетчатки; это, видимо, является следствием того, что оптическая система глаза вместе с видимыми лучами спектра преломляет сопутствующие им практически в условиях производства короткие инфракрасные лучи.

Такие поражения сетчатки наблюдались у осветителей кинофабрик, нарушавших правила техники безопасности при установке осветительных приборов (Ц. М. Иоффе, 1936). То же было отмечено у работников, занятых плавкой металла в лаборатории Известны случаи острого повреждения сетчатки светом вольтовой дуги при электросварке, при коротком замыкании и у работников плавильных печей.

Такие поражения сетчатки локализуются обычно в области желтого пятна и влекут за собой значительное понижение центрального зрения. В свежих случаях при исследовании глазного дна отмечается очень легкий отек сетчатки;

в более поздних стадиях изменения пораженной области не всегда удается уловить; иногда остаются видимыми точечные желтоватые очажки, сопровождающиеся нередко пигментацией этого участка. Прогноз во всех случаях сомнительный.

Подобные повреждения желтого пятна известны уже давно как последствия солнечного ожога при наблюдении солнечного затмения незащищенным глазом, часто с более тяжелым исходом.

Сообщения о профессиональных поражениях сетчатки у рабочих, подвергающихся длительному воздействию лучей большой яркости, редки; они могут протекать в виде диссеминированного хориоретинита. Два таких случая наблюдались у работниц квар-цедувного цеха электролампового завода, которые работают в защитных очках, ограждающих глаза от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Однако поток лучистой энергии видимой части и инфракрасной части спектра, проникающий через светофильтр в глаза, оставался чрезвычайно высоким, так как работницы пользовались в связи с высокими требованиями к точности работы недостаточно темными очками.

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 960×1280 чувствительных элементов, что составляет величину порядка 1,25 миллиона рецепторов.

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.

Предлагаем ознакомиться:  Разрыв сетчатки глаза: причины, симптомы и лечение

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.

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.

Инфракрасный участок спектра

Вредное действие лучистой энергии является следствием слишком высокой интенсивности источника излучения; характер повреждения глаза зависит от преобладания или изолированного воздействия того или иного участка спектра в потоке лучистой энергии и от длительности его действия.

В условиях производства мы чаще всего встречаемся с преимущественным воздействием определенного участка спектра. Этим обусловливается специфичность поражений глаз у лиц разных профессий.

К профессиональным заболеваниям, связанным с преимущественным воздействием инфракрасного участка спектра, относится катаракта стеклодувов, или катаракта рабочих горячих цехов (стеклодувов, плавильщиков, кузнецов и др.).

Катаракта стеклодувов является одним из первых заболеваний, которое связывалось с профессией; оно упоминается в литературе о производстве венецианского стекла в XV веке. В офтальмологической литературе первые указания на связь катаракты с работой у стекловаренной печи относятся к 1786 г. [Венцель (Wenzel)].

Выяснение этиологии этой катаракты прошло сложный путь. Основную роль в этиологии ее приписывали общей дегидратации организма рабочих, явлениям венозного застоя при выдувании стекла [Петерс (Peters, 1930)], высокой яркости видимого участка лучистой энергии [Ф. О.

Евецкий, 1890; Майхефер (Meyhofer, 1888)]. Предположение о причастности невидимых лучей — ультрафиолетовых — впервые высказано в 1889 г. (Видмарк). С 10-х годов нашего века Фохт (Vogt, 1933), Краупа (Kraupa, 1928), Шнидер (Schnyder, 1926), Гольдман (Goldmann, 1930) доказали роль теплового излучения в развитии катаракты.

Возможность прижизненного микроскопического исследования хрусталика открыла в последние десятилетия новую страницу в вопросе морфологии катаракты стеклодувов; этому вопросу посвящено множество работ (Шнидер, Краупа, Фохт и др.).

Клиническая форма профессиональной тепловой катаракты в начальном периоде отличается характерными особенностями. Первые помутнения появляются у заднего полюса в кортикальных слоях в виде мелкой, резко очерченной пыли, постепенно сливающейся и образующей плотное колечко или помутнение в виде блюдечка у заднего полюса.

В дальнейшем помутнения продвигаются по оси хрусталика кпереди. Нередко при биомикроскопическом исследовании обнаруживают единичные вакуоли и золотистый кристаллический блеск (рис. 158). При созревании катаракты эти характерные особенности постепенно теряются, и в результате этого становится трудно отличить профессиональную катаракту от старческой.

Рис. 158. Тепловая катаракта (в проходящем свете).

Одним из характерных симптомов повреждения хрусталика у рабочих горячих цехов является отщепление зонулярной пластинки передней капсулы хрусталика; отщепление пластинки происходит в области зрачка, где отслоившиеся части ее флотируют в виде прозрачных пленок, чаще с завернутыми краями (рис. 159).

Рис. 159. Отщепление зонулярной пластинки передней капсулы хрусталика у рабочих горячих цехов. Прозрачная пластинка флотирует в передней камере в области зрачка.

Такое расположение пластинок отличает их от старческих, от отслоек зонулярных пластинок при глаукоме, когда они бывают расположены позади радужки; пластинки при этом бывают более мелкие, чем при профессиональном повреждении, и, отрываясь, могут быть обнаружены и на передней поверхности радужки, и в углу передней камеры.

Отщепление зонулярной пластинки у рабочих горячих цехов может явиться ранним признаком профессионального поражения хрусталика, так как отмечается иногда ранее, чем помутнение субстанции хрусталика. В настоящее время в связи с улучшением условий труда в горячих цехах (механизация, воздушные и водяные завесы) выраженная профессиональная катаракта рабочих горячих цехов наблюдается редко (Ю. Д. Каплан, 1931, 1935).

Лечение

Хирургическое удаление катаракты.

Профилактика

  1. Ношение защитных очков-светофильтров (у литейщиков очки прикрепляются к полям фетровой шляпы).
  2. Охлаждающие водяные и воздушные завесы между источником тепла и рабочим местом.
  3. Устройство воздушных душей на рабочем месте и др.

Ионизирующее излучение

К этому коротковолновому участку спектра относятся рентгеновы лучи, излучение элементов с естественной радиоактивностью (радий, мезоторий, радиоторий и др.) и излучение искусственных радиоактивных элементов (кобальт, фосфор и др.).

Основные виды работ, при которых возможно воздействие ионизирующих излучений, следующие: гамма-дефектоскопия металлов; применение

радиоактивных изотопов (изотопами называются атомы элементов, имеющие один и тот же атомный номер и отличающиеся атомным весом) для контроля производственных процессов и при научных исследованиях; применение светящихся красок постоянного действия;

использование для производственных и научных целей мощных высоковольтных и ускорительных установок; применение атомных реакторов на атомных электростанциях. В сельском хозяйстве радиоактивные изотопы применяются при изучении процессов усвоения удобрения растениями, в медицине — для лечения и диагностики различных заболеваний.

Ионизирующая радиация способна вызывать повреждения всех тканей глаза; повреждение тканей может быть последствием непосредственного облучения глаза, а также результатом общего воздействия на организм как одно из проявлений лучевой болезни.

При непосредственном облучении глаз конъюнктива дает резкую реакцию. Появляется гиперемия, отек, инфильтрация, изъязвление и некроз конъюнктивы. Заживление очень вялое; остаются плотные рубцы, часты телеангиэктазии.

На роговице наблюдаются эрозии; может развиться вяло протекающий ланнус и паренхиматозный кератит с образованием стойких помутнений. В тяжелых случаях наступает некроз ткани и прободение роговой оболочки.

Хрусталик

проявляет высокую чувствительность к ионизирующему излучению; помутнения его развиваются после длительного латентного периода. Длительность скрытого периода равна в среднем (по наблюдениям у жертв атомного взрыва в Японии) 2–4 годам (Кандори, Масуда), по данным Мильнера — от 2 до 12 лет (цит. по Н. А. Вишневскому, 1958; В. В. Преображенскому, 1957; Б. Д. Поляку, 1955).

В производственных условиях помутнения хрусталика могут быть вызваны и изолированным участком ионизирующих лучей: рентгеновыми лучами, гамма-, бета-лучами и быстрыми нейтронами.

По клинической форме лучевая катаракта сходна с катарактой стеклодувов; она, как и тепловая катаракта, появляется вначале у заднего полюса хрусталика, под капсулой, в виде мелкой зернистости или вакуолей.

Зернистость постепенно принимает вид колечка (или «пончика»). В этой стадии катаракта на остроту зрения не влияет. При дальнейшем развитии помутнения распространяются кпереди; аксиально, а также и по экватору (рис. 160).

Рис. 160. Катаракта, вызванная воздействием лучей Рентгена. Видна мелкая зернистость и вакуоли. Зернистость скапливается в виде колечка или «пончика».

Процесс помутнения может остановиться на любой стадии, а в отдельных случаях катаракта достигает полной зрелости. Такие катаракты давно отмечены у рентгенологов, особенно у рентгенотехников. В последние годы встречаются описания таких катаракт у рабочих промышленности и работников лабораторий.

Лучевая катаракта профессионального характера, вызванная воздействием ионизирующих лучей, привлекла внимание с 1948 г., когда такие катаракты были обнаружены в Америке у физиков, работающих у циклотрона;

к настоящему времени описано свыше 20 случаев профессиональных лучевых катаракт. Кроме того, обнаружено большое количество лучевых, катаракт у лиц, пострадавших при атомном взрыве в Хиросиме и Нагасаки.

Особенно сильным катарактогенным действием обладают повторные облучения малыми дозами нейтронов. От начала облучения в таких случаях до обнаружения катаракты проходит около 3 лет.

Минимальные дозы, вызывающие образование катаракты, точно не установлены; они близки к эритемным и эпиляционным.

Лучевые катаракты описаны и при острой лучевой болезни, развившейся у пострадавших при взрыве уранового котла. В одном из этих случаев катаракта развилась на одном глазу через 32 месяца, на втором — через 58 месяцев. Эти поражения касаются в основном научных работников молодого возраста (около 30 лет).

Патогенез лучевой катаракты недостаточно выяснен. Повреждающее действие излучений связывают с нарушением обмена веществ хрусталика.

При воздействии ионизирующих лучей на сетчатку наблюдается дегенерация ее нервных элементов, очаги отека и кровоизлияния. У работниц, занятых нанесением радиоактивных светящихся составов на циферблаты, а также у сотрудников научных лабораторий в отдельных случаях наблюдалось постепенное развитие центрального хориоретинита со стойким понижением зрения.

В последние годы большое внимание уделяется катарактогенному действию радиоволн сантиметрового диапазона, имеющих широкое применение в разных областях науки и техники (С. Ф. Белова, 3. В. Гордон, 1956; С. Ф. Белова, 1960).

Лечение

Хирургическое лечение дает хороший результат при зрелых катарактах. Экспериментально было выявлено профилактическое действие цистеина. В настоящее время широко изучается лечебное действие цистеина на помутнение хрусталика.

Профилактика

Максимальное снижение дозы облучения, укрытие источника излучения, автоматизация, дистанционное управление аппаратурой, уменьшение времени общего и местного облучения.

Ц. М. ИОФФЕ И Ю. Д. КАПЛАН

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.

Предлагаем ознакомиться:  Клиника герпесвирусного увеита

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.

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.

Общие сведения о лучистой энергии

Под лучистой понимают энергию, распространяющуюся в виде электромагнитных волн, которые отличаются длиной и частотой колебаний. Более длинные волны обладают меньшей частотой колебаний, более короткие волны — большей частотой колебаний (рис. 154).

Рис. 154. Схема излучения спектра.

Длина волн в длинноволновом участке спектра (лучи Герца) обозначается единицей метрической системы — километр, сантиметр, миллиметр; в более коротком участке — в микронах (мк = ?) и миллимикронах (ммк = m?;

В условиях производства значение имеют следующие виды излучения:

  1. лучи Герца с длиной от нескольких километров до нескольких миллиметров; эти волны встречаются на производстве при высококачественном нагреве металлов и диэлектриков, при изготовлении и эксплуатации генераторов высоких и ультравысоких частот;
  2. инфракрасные лучи с длиной волны от 373 до 0,76 ?, исходящие от нагретого оборудования и материалов; эти лучи встречаются в промышленности наиболее часто;
  3. видимые лучи с длиной волны от 0,76 до 0,4 ?;
  4. ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 400 m?, до 76 А; они встречаются в промышленности главным образом при электросварке;
  5. рентгеновы лучи с длиной волны от 20 А и приблизительно до 71 X;
  6. лучи радия с длиной волны от 71 до 19 X. Они встречаются при добыче и применении радиоактивных веществ.

Проницаемость сред глаза для разных участков спектра различна (рис. 155). Действие на глаз наиболее длинноволнового участка спектра мало изучено.

Рис. 155. Проницаемость (тканей) глаза для лучей спектра

а — волны Герца; б — длинные инфракрасные лучи; в — короткие инфракрасные лучи; г — видимые лучи; д — короткие ультрафиолетовые лучи; е — Икс-лучи (X)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?

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.

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”.

Предлагаем ознакомиться:  Подозрения на глаукому Синдром пигментной дисперсии

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.

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.

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.

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.

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.

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%.

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.

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.

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.

Таким образом, накопленный опыт позволяет утверждать, что термопродукция человека, его тепловой портрет могут дать квалифицированному специалисту много ценной информации о функционировании различных систем организма.

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: ранняядиагностика 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.

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.

Ультрафиолетовые лучи

в основном поглощаются роговицей.

Эти лучи вызывают заболевание глаз, называемое электроофтальмией; оно проявляется после скрытого периода 6–8 часов и протекает с острой болью, блефароспазмом и обильным слезотечением. Глаза резко раздражены, отмечается гиперемия и хемоз конъюнктивы, перикорнеальная инъекция. Эпителий роговицы местами отечен, биомикроскопически видны мелкие эрозии (рис. 156).

Рис. 156. Роговая оболочка при электроофтальмии. Эпителий отечен; местами мелкие эрозии.

При соответствующем лечении процесс заканчивается бесследно через 1–2 суток.

Описаны тяжелые случаи кератоирита у подсобных слесарей, работавших на электросварке без защиты глаз. Частое заболевание электроофтальмией приводит к понижению волосковой чувствительности роговицы; может также развиться хроническая электроофтальмия, которая характеризуется резкой гиперемией конъюнктивы глазных яблок в области глазной щели и астенопическими явлениями (Ц. М. Иоффе, 1936, и др.).

В производственных условиях электроофтальмия наблюдается при недостаточной защите глаз у электросварщиков, подсобных слесарей, киноработников. У киноактеров, лишенных возможности носить защитные очки, течение острой электроофтальмии бывает более длительным, но также протекает без осложнений.

Лечение

Прохладные примочки из воды или 1% раствора соды. Показан 0,5% раствор дикаина 3–4 раза в день. Вкапывание вазелинового или сладкого миндального масла через 1–2 часа.

Пребывание в затемненном помещении.

Профилактика

  1. Для электросварщиков щитки или шлемы с соответствующими светофильтрами. Для защиты окружающих рекомендуется электросварку проводить в отдельных кабинах. При работе на крупных объектах необходимо изолировать электросварку при помощи переносного защитного экрана. Инструктаж рабочих. Плакат, предупреждающий об опасности наблюдения за электросваркой незащищенными глазами.
  2. Для работников Заполярья и в высокогорных местностях обязательное ношение защитных очков.
  3. То же для работников других профессий, занятых у источников света, богатых ультрафиолетовыми лучами.
  4. Для актеров кино установка светофильтров перед источниками света.
Загрузка ...
Adblock detector