В связи с пандемией коронавируса, на тепловизоры возник большой спрос. Ими повсеместно оборудуют аэропорты, вокзалы, офисные центры и иные публичные учреждения. Приборов не хватает, телефоны организаций, где их производят, разрываются от звонков потенциальных покупателей. Действительно ли тепловизоры помогают выявить коронавирус, и чем еще они полезны, мы поинтересовались у ведущего научного сотрудника Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН профессора Новосибирского государственного университета, доктора физико-математических наук Бориса Григорьевича Вайнера. 


Борис Вайнер 

— Почему тепловизоры стали столь популярными? Они позволяют лишь выделить из толпы людей, у которых повышена температура тела, или способны разглядеть еще и пораженные органы?
 
— Тепловизор достаточно достоверно может распознавать людей с повышенной температурой тела. Это мы в свое время проверяли экспериментально (пример на иллюстрации). Однако считать, что око тепловизора способно проникнуть в легкие или другие органы, нельзя. Ткани человека, в составе которых много воды, непрозрачны для тепловизионного инфракрасного излучения. Если легкие поражены, узнать об этом бывает возможным лишь косвенно. При сильном воспалении внутренний орган разогрет выше нормы, теплота достигает поверхности тела, увеличивает температуру кожи, что и попадает под прицел тепловизионной камеры. Однако уверенно определить при этом, что воспалено — легкие или, например, межреберные мышцы, — однозначно не всегда удается.
 
Следует принимать во внимание и следующие нюансы. Если бы всех пассажиров, вышедших из самолета или поезда, направили в зал, дали им спокойно посидеть хотя бы полчаса и лишь потом проинспектировали тепловизором, это позволило бы выделить людей с относительно высокой температурой. Однако реальная картина на транспортных узлах несколько иная. Вот человек только что нес тяжелую ручную кладь или ссорился с попутчиками. Такие физические нагрузки и эмоции отражаются на кровообращении, в частности на кровоснабжении лица, сосуды которого в подобных случаях способны расшириться. И тогда возникает высокая вероятность допустить ошибку — принять вполне здорового человека за больного. 
 
Кроме того, при физических нагрузках часто происходит интенсивное испарение пота, понижающее температуру кожи. Этот фактор способен на некоторое время «оздоровить» заболевшего. Или другой пример: перед посещением вашей редакции я прошелся по улице без перчаток, слегка охладив при этом кисти рук. На входе в помещение контролеры навели пирометр (прибор для дистанционного измерения температуры) на тыльную сторону моей кисти и... с удовлетворением отметили, что я здоров. Даже если бы у меня в этот момент был жар, кисть не успела бы так быстро нагреться, чтобы сообщить пирометру об нем. Поэтому нельзя утверждать, что принцип тепловизионной регистрации позволяет однозначно выявить всех больных в потоке. Но при совместном применении с другими диагностическими технологиями его роль вполне оправданна. Особенно на первой, предварительной стадии такого выявления.
 
Что касается коронавируса, осложняющим фактором здесь является еще и то, что для этой инфекции, как утверждают специалисты, характерно не слишком значительное повышение температуры тела. В среднем, ее уровень составляет 37,2—37,3 оС, а такой жар часто встречается и у вполне здоровых людей.
 
— Чем отличаются упомянутые Вами пирометры от тепловизоров?
 
— Пирометр, как и тепловизор, наделен способностью дистанционно измерять температуру. Однако его оптика обычно нацелена лишь на небольшую удаленную от наблюдателя область поверхности объекта. Чтобы издалека в нее попасть, в пирометры встраивают лазер, дающий видимую глазу метку, которая показывает место измерения. Пирометры успешно используют, к примеру, для определения температуры соединений на линиях электропередач, в строительстве, на производственных площадках. Главное отличие их от тепловизоров в том, что в пирометре оптика фокусирует интересующий объект, как правило, на одиночный фотоэлемент. В современном же тепловизоре таких фотоэлементов встроено в виде плоской матрицы десятки и сотни тысяч. Благодаря этому мы получаем возможность видеть двумерную температурную картину. Тепловизор — это, по сути, та же цифровая видеокамера, только вместо видимого она показывает нам тепловое изображение объекта. Тепловизионная матрица существенно дороже одиночного фотоэлемента, поэтому такие приборы стоят гораздо больше, чем пирометры.
 
Пирометр для контроля температуры тела на входе в президиум СО РАН 
   Пирометр для контроля температуры тела на входе в президиум СО РАН
 

— Для каких целей предназначены тепловизоры, разработанные в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН?
 
— Я буду говорить о той модели тепловизоров, разработку которой мы начали и почти сразу стали активно использовать в биомедицине уже около четверти века тому назад. Это тепловизоры с охлаждаемым матричным детектором на основе арсенида индия. 
 
Сейчас мы параллельно развиваем два направления исследований, где по ряду проблем продвинулись в мире дальше других — это физико-химическое и биомедицинское. Первое относится к химической физике и связано с изучением адсорбции и десорбции молекул газа на твердых поверхностях. Здесь же совместно с ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» и другими научными организациями мы успешно ведем работы по изучению ряда каталитических реакций. 
 
При адсорбции молекул газа на поверхности твердого тела выделяется теплота. При десорбции твердотельные образцы охлаждаются. В катализе много реакций протекает с выделением теплоты. Динамику таких температурных изменений способен с высочайшей точностью регистрировать тепловизор, что мы убедительно смогли продемонстрировать в научных публикациях. Отличительной стороной этих сорбционно-каталитических исследований является то, что мы изучаем процессы не при высоких (сотни градусов Цельсия), типичных для катализа, а при комнатных температурах. Для этого мы создали уникальную, не имеющую аналогов, экспериментальную автоматизированную систему, с помощью которой выявляем интересные эффекты буквально при каждой загрузке образцов. Чтобы не испытывать каждый образец по отдельности, мы применяем подход, при котором в реактор загружается не один, а целая «библиотека» (около 10) структур одновременно. Широкое поле обзора тепловизионной камеры позволяет видеть сразу все образцы, при этом регистрируя их индивидуальную динамическую реакцию на действие реагентов синхронно с временным разрешением в сотую долю секунды. Такой прием существенно увеличивает производительность труда и повышает достоверность результатов.
 
Второе ведущее направление наших исследований — применение современного тепловизионного метода к актуальным задачам биомедицины. Конечно, лечением наш институт не занимается. Актуальной научной проблемой, решаемой нами в этой сфере, служит разработка физических, математических и технических основ современной методологии, основанной на широчайших и пока еще многими не осознанных возможностях тепловидения нового поколения.
 
Давно стало понятным, что классические тепловизионные диагностические признаки, такие как температурный контраст и термоасимметрия тела, не содержат достаточной информации о заболевании. Мы внедряем в биомедицинское тепловидение так называемый интервентный подход, идея которого состоит в следующем: для того чтобы организм сам сообщил о своих проблемах, нужно его слегка потревожить. Это можно сделать с помощью локального нагрева, непродолжительного пережатия сосудов конечности, изменения темпа или кратковременной задержки дыхания и иных воздействий. Защищаясь, организм активизирует свои жизнеобеспечивающие системы, что выражается в изменении частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, в виде температурных реакций и так далее. Вот тут-то с помощью наших приборов мы его и захватываем врасплох, расставляя капканы на физиологические отклики, которые он в такие минуты проявляет. 
 
Основное преимущество нашего инновационного подхода — синхронное непрерывное измерение и сохранение в памяти компьютера большого числа (порядка 10) физиологических показателей организма, динамически изменяющихся в ходе интервентного диагностического сеанса. При этом в комплексе с тепловидением мы применяем электрокардиографию, оригинальный, предложенный нами, метод измерения скорости пульсовой волны в лучевой артерии, измерение артериального давления, частоты дыхания и другие технологии. К слову, метод сорбционно-усиленной инфракрасной термографии, разработанный нами для анализа дыхания, кратно, а в отдельных случаях даже в десятки и сотни раз, превышает по чувствительности иные известные методы подобных измерений. Он прекрасно работает и на животных, что мы вместе с биологами показали, исследуя лабораторных свиней, кроликов и крыс. 
 
— Для чего нужно такое комплексное исследование?
 
— Когда кому-то требуется узнать что-то о своем организме, он идет к терапевту, и тот выдает целую стопку направлений на обследования. Очевидно, что в интервалах между такими диагностическими процедурами пациент может попасть под влияние разнообразных внешних факторов, способных коренным образом изменить на некоторое время состояние его организма — ими могут быть выкуривание сигареты, эмоциональный всплеск, пробежка до кабинета врача и другие. 
 
У нас же вся совокупность диагностических приемов применяется синхронно. А значит, информация об организме поступает в единый временной период, когда все физиологические показатели заведомо связаны между собой. Сердечно-сосудистая, дыхательная, терморегуляторная и другие системы находятся в это время в синхронном взаимодействии друг с другом. При интервентном возбуждении организм самостоятельно выбирает оптимальный путь к восстановлению гомеостаза, что, безусловно, отражается на динамике измеряемых показателей. Ожидается, что траектория восстановления здорового организма отличается от организма больного. Отметим, что все воздействия и сам процесс измерений у нас строго автоматизированы и проводятся под управлением компьютерной программы. Это делает исследования воспроизводимыми и не зависящими от человеческого фактора.
 
Мы ожидаем, что дальнейшая совместная математическая, статистическая и компьютерная обработка совокупности таких синхронно измеренных показателей может привести к принципиально новым критериям диагностики. Такого инновационного подхода в медицине пока еще не предпринималось. Сейчас мы обсуждаем с новосибирскими институтами математического профиля вопросы обработки биоданных. Если с помощью нового подхода мы научимся отличать больных людей от здоровых, то в дальнейшем речь может идти уже и о ранней диагностике серьезных заболеваний.
 
 
 

— Из чего состоит ваш исследовательский комплекс? Можно ли будет в дальнейшем оборудовать подобными устройствами медицинские учреждения?
 
— Сегодня комплекс включает в себя три компьютера, высокочувствительный (0,03 градуса) и быстродействующий (100 кадров в секунду) тепловизор, оригинальную систему с варьируемой скоростью подачи и сброса воздуха и другое оборудование. В медицину он попадет лишь после необходимых клинических испытаний с подтверждением безопасности, диагностической значимости и других характеристик, на основании чего будет получено разрешение Минздрава РФ на серийное производство и применение в медицинской практике. 
 
Созданный нами в ИФП СО РАН прототип функционально вполне полноценен. Но в таком виде он еще не может быть передан в больницы, поскольку должен удовлетворять необходимым потребительским требованиям. Мы не занимаемся вопросами создания клинического варианта устройства по банально простой причине: эта работа требует финансирования. 
 
— Вы работаете совместно с медиками?
 
— То, о чем я рассказал — это исключительно результат разработок и исследований, выполненных нами в ИФП СО РАН. Работы были поддержаны грантами РФФИ и правительства Новосибирской области. В то же самое время мы постоянно находимся в тесном контакте с учеными из медицинских учреждений. Сейчас работаем над совместным проектом РФФИ с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, не теряем связей с ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Национальным медицинским исследовательским центром имени академика Е. Н. Мешалкина. А начинали свою тепловизионную биомедицинскую историю совместно с Центральной клинической больницей СО РАН и клиникой «Медсанчасть-168». Наша пока еще нереализованная мечта — провести систематические исследования на базе одной из профильных специализированных (скажем, пульмонологической) клиник. Главное здесь — продемонстрировать на примере хотя бы одного заболевания действенность новой методологии, а уж потом этот список расширять. Но беда состоит в том, что и такое мероприятие требует ощутимых денежных затрат.
 
— В связи с пандемией коронавируса на тепловизоры сейчас большой спрос (даже во время этого интервью Б. Г. Вайнеру позвонили с вопросом о возможности приобрести в ИФП СО РАН медицинский тепловизор. — Прим. ред.). Может ли ваш институт удовлетворить эту потребность и начать выпускать необходимые приборы? 
 
— Созданные нами тепловизоры — не из простых. Они слишком чувствительны и высокопроизводительны для того, чтобы стоимость их изготовления была низкой. Каждое изделие — отдельная скрупулезная и отчасти ручная работа, которую не поставишь на поток. В результате цена изделия получается весьма высокой, речь идет о миллионах. Конечно, при выпуске такого оборудования имеются также и количественные ограничения. 
 
Совсем недавно был образован консорциум, нацеленный на развитие биомедицинского направления в тепловидении. В него вошли организации из разных регионов: Институт теплофизики УрО РАН, Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, Уральский государственный медицинский университет, ИФП СО РАН, Томский политехнический университет и ряд других. Консорциум генерирует, в частности, новые задачи для применения тепловизоров. Одна из них (она пока обсуждается) — устанавливать малогабаритные неохлаждаемые приборы в кабинах автомобилей, чтобы, когда у водителя случается сердечный приступ, обморок или что-то подобное, автопилот, принявший управление, помогал бы остановить машину и вызвать помощь. Одной из задач консорциума, особая важность которой проявилась в нынешней ситуации с коронавирусом, является разработка высокоэффективных диагностических методик, основанных на применении современного тепловидения.
 
В заключение скажу, что число задач для тепловизионного метода неисчерпаемо. Всё вокруг нас непрерывно нагревается и охлаждается, и видеть эти процессы издалека, конечно, важно. Что касается текущей обстановки, когда слова «коронавирус» и «тепловидение» следуют рядом друг с другом, необходимо грамотно осознавать, что даже самый совершенный тепловизор не способен диагностировать коронавирус. Однако оказать неоценимую помощь в предварительном выявлении и контролировании состояния больных он может. Причем прекрасно справится с этой ролью, даже находясь не в двух метрах, а на гораздо большем расстоянии от носителя вируса.
 
Беседовала Диана Хомякова
 
Фотографии предоставлены Борисом Вайнером
 

Похожие новости

  • 15/08/2019

    Итоги конкурса на получение стипендии Президента Российской Федерации в 2019-2021 годах для молодых ученых и аспирантов

    Итоги конкурса на получение стипендии Президента Российской Федерации в 2019-2021 годах для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики.
    1161
  • 20/05/2019

    Городские дни науки-2019: КЛАССный учёный

    С 2017 года в рамках городских дней науки проходят выездные лекции для школьников — проект «КЛАССный ученый». Он создан для того, чтобы ученики разных школ Новосибирска узнали, что такое настоящая наука, какие работы в разных областях знаний сейчас находятся на передовом её крае, а также вживую пообщались с исследователями из научных институтов, вузов и образовательных организаций нашего города.
    1417
  • 29/10/2016

    Избрание сибирских учёных в Российскую академию наук

    ​​По итогам тайного голосования участников проходящего в Москве Общего собрания РАН учёные Сибирского отделения большинством голосов получили статус членов Академии.   «Эти выборы особенные, ― отметил президент РАН академик Владимир Евгеньевич Фортов.
    4968
  • 13/12/2018

    Инновации как новый виток развития

    ​Инновации — одна из самых перспективных точек роста Новосибирской области. Сегодня их все охотнее внедряют как государственные, так и коммерческие компании. Задел на будущее— Одним из самых ярких моментов в инновационном секторе Новосибирской области в 2018 году, безусловно, является разработанный План развития Новосибирского научного центра как территории с высокой концентрацией исследований и разработок — «Академгородок 2.
    1376
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    3651
  • 24/10/2018

    Около 100 фундаментальных исследовательских проектов представлено в Новосибирской области в рамках Фестиваля науки

    ​Презентация проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Новосибирской области, прошла в регионе 24 октября в рамках VI Фестиваля науки. Представленные проекты представляют большую ценность для фундаментальной науки и развития экономики региона.
    1875
  • 05/09/2019

    Академгородок 2000-х. Начало нового века

    ​2000—2010-е годы для Академгородка — время яркое и бурное. Необходимо было восстановиться после кризиса 1990-х и подготовить территорию для развития будущего. Именно в эти годы появилось жилье для молодых ученых, были построены Технопарк, общежития и новый корпус Новосибирского государственного университета.
    772
  • 16/06/2016

    Стали известны имена 30 молодых учёных – обладателей премий мэрии Новосибирска

    ​​Координационный совет по поддержке деятельности молодых учёных под председательством мэра Новосибирска Анатолия Локтя определил имена победителей конкурса на соискание премий мэрии в сфере науки и инноваций для молодых учёных и специалистов.
    6157
  • 04/03/2020

    Вручены награды победителям конкурса «Академина»

    ​​На площадке «Точка кипения» в Технопарке новосибирского Академгородка (Академпарке) состоялся финал конкурса «Академина». Конкурс проводится в четвертый раз женскими организациями Новосибирской области при поддержке Сибирского отделения РАН, министерства науки и инновационной политики НСО, министерства образования НСО, Совета ректоров вузов региона.
    1567
  • 09/01/2020

    28 молодых ученых СО РАН получили поддержку правительства Новосибирской области

    ​​Перед Новым годом подвели итоги конкурсов, направленных на поддержку научно-исследовательской деятельности молодых ученых. В правительстве региона были вручены дипломы лауреатам конкурсов именных премий, именных стипендий и грантов.
    740