2. Física do Infravermelho
A Luz Que Nossos Olhos Não Vêem
O QUE É O INFRAVERMELHO?
N
ossos olhos são capazes de detectar ondas de luz visíveis. Luz visível é
uma das poucas formas de radiação que conseguem penetrar a
atmosfera e ser detectada na superfície da Terra. Porém, existem
formas de radiação que não podem ser vistas. Na verdade, apenas uma
pequena parte de todas as espécies de radiação pode ser vista. Essas formas de
radiação podem ser dispostas no chamado espectro eletromagnético.
O espectro eletromagnético inclui raios gama, X, ultravioleta, visível,
infravermelho, microondas e ondas de rádio. A única diferença entre esses tipos
de radiação são as suas freqüências e seus comprimentos de onda. Os
comprimentos de onda aumentam e as freqüências (assim como as energias e as
temperaturas) diminuem à medida que se percorre o espectro partindo dos
raios gama em direção às ondas de rádio. Todas essas formas de radiação
viajam a velocidade da luz (300.000.000 metros por segundo, no vácuo). Além
da luz visível, ondas de rádio, alguma radiação infravermelha e uma pequena
quantidade de radiação ultravioleta também atingem a superfície terrestre a
partir do espaço. Felizmente, nossa atmosfera bloqueia as demais ondas, muitas
Espectro Eletromagnético
Quando se olha o mundo, se vê ondas de luz visível (ou radiação visível). Existem, porém, muitas outras formas de
radiação que não podem ser vistas. Esses tipos são os raios gama, raios-X, ultravioletas, infravermelhos,
microondas e ondas de rádio. Juntamente com a luz visível, todos esses tipos de radiação compõem o chamado
Espectro Eletromagnético, que é o espectro completo das radiações. Luz é feita de ondas que vibram seus campos
magnético e elétrico. É por isso que se usa o termo radiação eletromagnética. Radiação eletromagnética viaja em
ondas com diferentes comprimentos de onda, energias e freqüências.
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das quais seriam danosas, se não letais, à vida
na Terra.
Radiação infravermelha está, no espectro
eletromagnético, entre a luz visível e as
microondas. Ondas infravermelhas apresentam
comprimentos de onda maiores que os das
ondas visíveis e menores que os das
microondas, e apresentam freqüências que são
menores que as das ondas visíveis e maiores
que as das microondas. Simplificadamente os
raios infravermelhos podem ser classificados
em três categorias: curtos, médios e longos.
Infravermelhos
curtos
estão
na
parte
infravermelha do espectro mais próxima à luz
visível e os infravermelhos longos referem-se
aos raios presentes na região infravermelha do
espectro mais próxima à região das microondas.
Infravermelhos médios ocupam a região entre a
dos infravermelhos curtos e longos.
Todos os corpos emitem infravermelho quando
acima do zero absoluto (–273ºC). Do mesmo
modo, uma pedra de gelo ou um iceberg
emitem infravermelho.
A vibração molecular cessa a zero absoluto (o Kelvin =
-273oC). Qualquer temperatura acima de 0oK produz
movimento molecular e a quantidade de energia radiada
liberada é proporcional a quarta potência da temperatura
absoluta, como expressa na equação de STEFANBOLTZMAN.
E = εσT4
E = energia total emitida (Watts por metro
quadrado)
ε = emissividade
σ = constante de proporcionalidade = 5,672x108 -2 -4
W K
T = temperatura absoluta em graus K
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Comprimento de onda e
freqüência.
Comprimento de onda é a
distância entre duas ondas
consecutivas. Pode ser medida,
por exemplo, vendo-se a distância
de um pico a outro. Os
comprimentos de onda na faixa de
luz visível variam entre 400 a 700
bilionésimos de metro. O espectro
eletromagnético como um todo,
porém,
abrange
desde
1
bilionésimo de metro (raios gama)
até alguns metros (algumas ondas
de rádio). Freqüência é o número
de ondas que passa por um ponto
do espaço a cada segundo. A
freqüência da luz visível varia
entre 430 trilhões de ondas por
segundo (vermelho) e 750 trilhões
de ondas por segundo (violeta). O
espectro eletromagnético, como
um todo, apresenta freqüências de
menos de 1 bilhão de ondas por
segundo (ondas de rádio) e
freqüências maiores que 3 bilhões
de ondas por segundo (raios
gama). Ondas de luz são ondas de
energia e a quantidade de energia
em uma onda é proporcional à sua
freqüência. Comprimento de onda
aumenta, enquanto freqüência e
energia diminuem à medida que
se percorre o espectro partindo
dos raios gama em direção às
ondas de rádio.
Todas
as
radiações
eletromagnéticas
viajam
a
velocidade da luz (300.000.000
metros por segundo no vácuo).
Objetos espaciais enviam radiação
eletromagnética em todos os
comprimentos de onda, de raios
gama a ondas de rádio. Cada tipo
de radiação (ou luz) traz
informações únicas de tal sorte
que, para obter uma completa
visualização do universo, precisase estudá-lo por todas as suas
formas de luz, usando todas as
partes
do
espectro
eletromagnético. Quase tudo que
se conhece sobre o universo foi
resultado de estudos que estudou
a radiação eletromagnética emitida
ou refletida por objetos espaciais,
inclusive luz infravermelha.
Assim, nosso corpo brilha como uma estrela, emitindo raios infravermelhos em
todas as direções com intensidade de uma lâmpada de cerca de 70-110 W.
Porém, esta é uma luz não visível.
A fonte primária de radiação infravermelha é o calor. Essa é a radiação
produzida pelo movimento dos átomos e moléculas de um objeto. Quanto mais
alta a temperatura, mais movimento de átomos e moléculas há e mais radiação
infravermelha é produzida por eles. Qualquer objeto que apresente uma
temperatura acima do zero absoluto (0 Kelvin ou -273,15ºC) emite radiação
infravermelha. À temperatura de zero absoluto, toda movimentação atômica e
molecular cessa. Mesmo objetos que aparentam estar muito frios, como um
cubo de gelo, por exemplo, emitem radiação
infravermelha. Quando um objeto não chega a ser
quente suficiente para emitir luz visível, ele vai emitir a
maior parte de sua energia na forma de infravermelho.
Carvão queimando, por exemplo, pode não gerar luz,
mas emite radiação infravermelha que pode ser sentida
como calor. Quanto mais quente for o objeto, mais
radiação infravermelha ele vai emitir. A imagem
infravermelha de uma nave espacial pousando mostra
como a parte inferior da nave aqueceu durante a reentrada.
Seres humanos, à temperatura corporal normal,
irradiam principalmente infravermelho com um
comprimento de onda em torno de 10 micrômetros (1
micrômetro equivale a um milionésimo de 1 metro). Na
imagem ao lado, as áreas vermelhas são as mais quentes,
seguidas pelas amarelas, verdes e azuis (mais frias).
A imagem ao lado mostra um gato em
infravermelho. As áreas amarelo-esbranquiçadas são
as mais quentes e as áreas em violeta são as mais frias.
Essa imagem é capaz de mostrar um animal
doméstico visto de uma forma diferente, de forma
que se possam obter informações que não poderiam
ser obtidas com uma fotografia normal, com luz
visível. Note, por exemplo, o focinho frio e os olhos,
boca e orelha quentes.
A equação mais importante na prática de termografia infravermelha é uma fórmula derivada da fórmula
de STEFAN-BOLTZMAN:
E = εσ (Tc4 - Ta4)
E = energia transferida (Watts por metro quadrado)
ε = emissividade
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σ = constante de proporcionalidade = 5,672x10-8W-2K-4
Tc = temperatura absoluta do corpo ou objeto (K)
Ta = temperatura absoluta do ambiente (K)
A equação demonstra que a energia transferida de um corpo para o ambiente é dependente da diferença de
temperatura. Se há uma diferença térmica significativa entre o corpo e o ambiente haverá uma grande
transferência de energia. Fisiologicamente esta perda de calor será detectada e iniciará mecanismos
homeostáticos que influenciarão o termograma. Condições mínimas de equilíbrio são necessárias para
permitir a determinação da energia normal transferida para o ambiente.
Alguns animais, como cobras cascavéis, possuem sensores de calor
infravermelho que podem perceber outros animais, como ratos, a um metro de
distância. Isso permite a essas cobras encontrar animais de sangue quente,
mesmo na mais profunda escuridão, detectando o calor infravermelho emitido
por eles.
A radiação infravermelha está presente no cotidiano. Apesar de
humanos serem incapazes de percebê-la, a pele pode senti-la como
nervos sensíveis à temperatura podem mensurar a diferença
temperatura corporal e a temperatura ambiente. Usa-se, também,
infravermelha ao operar um controle remoto de televisão.
os olhos
calor. Os
entre a
radiação
Como a luz visível, que é dividida em cores, o espectro de emissão de
infravermelho pode ser didaticamente dividido em:
1.
2.
3.
4.
5.
Próximo
Curto
Médio
Longo
Distante
O comprimento exato desta divisão é arbitrário e confuso ainda entre diferentes
doutrinadores. Mas é certo, que a faixa de radiação de raios de infravermelho é
40 vezes maior do que a de luz visível, isto é, fornece muito mais informação
(cores) do que a luz visível.
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a) Infravermelho longo
Considerando o corpo humano, foi demonstrado há cerca de 100 anos atrás que
em um ambiente mais frio que o corpo, muito do excesso de calor bioquímico é
dissipado por radiação (RUBNER, 1894; GUYTON, 1992). Contudo, nenhum
detector infravermelho era disponível naquela época e a relação entre radiação
infravermelha e temperatura ainda não era compreendida. A termometria sem
contato, por monitorização da radiação associada ao calor do corpo humano,
teve que esperar pelo advento da física quântica. Além disso, devido à baixa
energia e baixa intensidade da radiação pelo corpo negro emitido pela
temperatura da pele, a teletermometria biológica não foi prática até o
desenvolvimento de detectores quânticos infravermelhos sensíveis e precisos
(ANBAR, 1987).
Para entendermos a estreita relação entre temperatura e radiação dissipada,
primeiro devemos entender que, a qualquer temperatura, um corpo em questão
emite radiação (fótons/cm2) em várias freqüências e comprimentos de onda,
dado pela curva de Plank, abaixo:
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Curva de Planck
Assim, podemos observar claramente que, para nosso corpo em análise, a pele
humana, a uma faixa de temperaturas entre 30 a 34ºC, a região de melhor
radiação será nos comprimentos de onda entre 7,5 a 13 µm (mais precisamente
entre 9,57 a 9,41 µm). Espectro este que se caracteriza justamente pelo
infravermelho (o qual varia desde 0,7 a 14 µm, aproximadamente), conforme
podemos notar no gráfico abaixo:
Conclui-se então que a emissão de raios infravermelhos pelo corpo humano é
maior na faixa espectral do infravermelho longo, entre 7,5 a 13 µm. Também
denominado de far infrared (FIR) ou long wave infrared (LWIR).
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De acordo com a lei de Planck, a emissão máxima a 36,6ºC é de 9,3 µm.
Desta forma, é importante que os instrumentos médicos de infravermelho
operem nesta faixa.
Equipamentos que trabalham na região entre 3 a 5 µm (infravermelho médio)
são mais apropriados para corpos de temperatura acima de 100ºC, e não para
estudo do corpo humano.
A Figura acima mostra que todos os objetos emitem energia IR no espectro entre 1 – 25 µm. A energia
total emitida é a área abaixo da curva. Quanto maior a temperatura maior a proporção de energia radiante
emitida próxima do λmax e o comprimento máximo de onda emitido de energia se dirige ligeiramente em
direção aos comprimentos de ondas mais curtos. Se a temperatura aumenta ainda mais, além do pico
demonstrado na Figura, o espectro de emissão de energia se aproximará da luz visível e o objeto brilhará
vermelho com a energia emitida. Para fins de termografia é suficiente notar que um objeto a 37oC
(temperatura do corpo humano) emite energia sobre um largo espectro com um máximo de energia
emitida a 9,3 µm. A curva difere em todos os pontos e a área abaixo da curva que representa o total de
energia radiante emitida, é proporcional se medida de 1–5 µm, 1-10 µm ou 1-20 µm.
A janela atmosférica não é importante para medidas em curta distância como as
realizadas na sala de exame. Diferente do que ocorre quando se realiza medidas
de corpos a grande distância este valor deve ser corrigido na câmera (distance)
para que o valor da temperatura seja o mais preciso possível.
A radiação IR não é absorvida pelo ar seco assim tem quase uma faixa infinita. Porém é
absorvida pela umidade do ar e reirradiada. Embora tenha pequenas conseqüências para a área
médica isto reduzirá tanto a resolução espacial quanto térmica com o aumento da distância.
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Os raios de infravermelho são invisíveis a olho nu e indicam na verdade o grau
de agitação molecular, também denominada de energia cinética. A temperatura é
resultado do movimento das partículas de que é composta uma substância. A
temperatura é tanto maior quanto maior a energia desta movimentação.
A temperatura do corpo humano normal é de 36,6±0,7 °C (98,2±1,3°F). Em
outras palavras, mais calor representa maior fluxo sanguíneo e vice-versa.
A onda de raio infravermelho longo
apresenta diversas características além
do alto comprimento de onda, entre 7,5 e
13 µm, também: baixa freqüência (3x1012
– 4,3x1014 Hz), alta velocidade (300.000
m/sec) e intensidade
(amplitude)
variável.
É a intensidade que realmente é mensurado pelo sensor e que corresponde à
energia que é transferida em determinado intervalo de tempo. É o quanto de
calor passa por uma superfície, dividido pelo tempo e pela área, W/m2. É o que
se define como brilho na imagem.
A condução de calor não é uma característica exclusiva apenas do
infravermelho, mas sim de todos os tipos de ondas. Ao contrário do que se
poderia imaginar, a luz visível transfere mais energia térmica do que o próprio
infravermelho na mesma intensidade, pois quanto menor o comprimento de
onda, maior sua energia.
Em resumo, a câmera de imagem IR converte a energia irradiada pela superfície
de um corpo em uma imagem visível, é o que se denomina espectroscopia no
infravermelho longo.
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b) Sensibilidade das mãos
Enquanto o imageamento infravermelho é capaz de detectar diferenças de 0,1ºC
a 0,05ºC entre dois pontos com 1 mm de distância, nosso cérebro é incapaz de
perceber diferenças menores de 2ºC, apesar das terminações nervosas da pele
humana responderem a mudanças térmicas tão pequenas quanto 0,009ºC.
Em outras palavras, atualmente um sensor térmico é 20 a
40 vezes mais sensível que nossa mão para detectar 2
pontos a 1 mm de distância.
Para piorar isto ainda mais, nossa percepção térmica não é muito precisa,
podemos muitas vezes considerar uma maçaneta mais fria do que uma peça de
madeira, apesar das duas estarem à mesma temperatura. Quanto menor a
diferença térmica, menor a sensibilidade. Isto se deve ao fato da diferença de
condutividade, capacidade térmica e geometria do objeto.
Na semiótica clínica o dorso da mão é utilizado para acessar a
temperatura.
Contudo, o estado de percepção térmica da mão também varia
com estado do avaliador. Fatores como jejum, sono e horário do
dia também podem influenciar na sensibilidade das mãos.
c) Emissividade da pele
Se a mão for transiluminada com luz branca,
vários comprimentos de ondas serão atenuados
em diferentes graus. A menor atenuação ocorre
na região do espectro da luz vermelha e menos
ainda do infravermelho longo. Por este motivo a
mão aparece vermelha como na figura ao lado.
A pele humana é um excelente emissor e
absorvedor
de
energia
infravermelha
independente da sua cor. A eficiência é de 94 a
99%, o que é indicado pela emissividade (e) média
de 0,978. Quando um corpo atinge 100% é definido como corpo negro. No caso
da pele humana ela é quase um corpo negro ideal.
Também devemos observar que a análise de Plank se baseia para o chamado “corpo negro”, ou
melhor, um corpo que não apresenta qualquer refletividade de radiações externas, e que irradia sua
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energia interna a uma taxa de 100%. No caso da pele, pesquisas constatam que podemos considerar a
mesma com uma taxa de irradiação de 97-99%, e de reflexão de apenas 1-3%. Ou melhor, a pele irradia
97-99% de sua energia interna (como um corpo negro o faria a 100%), e reflete somente 1-3% da energia
externa irradiada sobre a mesma, a qual é proporcional à temperatura do ambiente.
Os primeiros esforços pesquisados que apontaram para a importância da emissão infravermelha
da pele humana e então iniciaram a era da moderna teletermometria foram os estudos de HARDY, em
1934 (HARDY, 1934a,b,c,d; 1936). Levaram outros 30 anos antes da tecnologia permitir aperfeiçoar esta
importante idéia em muitos laboratórios pelo mundo.
Primeiramente observando-se a pele como um corpo negro ideal (emissividade de 100%,
conforme já observado), temos que entre 30o e 35o C, o fluxo de fótons emitidos pela pele é de no
máximo, respectivamente, 1,58 a 1,69 x 1017 fótons/cm2 por segundo. Assim, como tivemos esse aumento
no fluxo em um intervalo de 5ºC, o fluxo de fóton aumenta de 100 x 0,11/(1,58 x 5) = 1,39% por oC.
Escrevendo-se de outra forma, podemos assim notar que para uma variação de 1% na
emissividade, ou fluxo de fóton, teremos uma variação estimada de 0,7ºC na temperatura da pele).
Em conseguinte, analisando-se a pele humana de forma mais realista, supõe-se que devido à
mesma ser composta de uma grande variedade de componentes orgânicos, todos eles são fortemente
absorvidos na região do infravermelho. A pele absorve cerca de 97-99% da radiação eletromagnética
incidente na sua camada mais superficial (<10 µm de espessura) (WOODROUGH, 1982; ANBAR,
1994a). Em outras palavras, na região entre 9 a 10 µm, a pele simula um corpo negro de emissividade de
cerca de 97-99% e uma refletividade correspondente (refletividade = 1 – emissividade) de somente 1-3%.
O efeito da refletividade na acurácia da mensuração térmica depende da média de temperatura do
ambiente, especialmente da refletividade infravermelha e da temperatura das superfícies que revestem o
objeto mensurado. A correção da temperatura aparente da pele pela sua refletividade na faixa do 10 µm é
relativamente pequena se o ambiente tiver uma temperatura uniforme que é algo menor do que da pele
viva; esta condição é geralmente a encontrada em ambiente de clinicas convencionais de imagem térmica.
Tal componente real apresenta uma leve correção de nosso modelo anterior, onde a pele era comparada a
um corpo negro perfeito, de somente 0,1oC por % de emissividade reduzida.
Esta estimativa teórica da correção térmica é próxima (dentro de 10%) a correção necessária
para um detector infravermelho de banda larga; comumente usado. Se comparar o fluxo de fóton
detectado por um detector infravermelho HgCdTe de banda larga na faixa de 8 a 13 µm, obter-se-á para
32oC e 22oC um fluxo de 8,40x1017 e 7,20x1017 fotóns/cm2 por segundo, respectivamente (CARTER,
1992). As mudanças do fluxo de fóton acima de 10oC na faixa entre 8 a 13 µm é, assim, 100x1,2/7,40 =
16,2%, que é comparável às mudanças de 18,2% (0,25/1,37 = 0,182) na faixa entre 9 a 10 µm. Na
realidade, mesmo se a temperatura mensurada do ar na sala de exame é aproximadamente 22oC (71oF), o
fluxo infravermelho ambiental, que é refletido da pele, corresponde a um aumento da temperatura de 3 a
5oC, devido as emissões infravermelhas da aparelhagem aquecida e das pessoas (incluindo o paciente
examinado) que são refletidas pelas superfícies do ambiente (ANBAR, 1994a). Isto reduz a correção para
a baixa emissividade da pele de 30 a 50% (isto é, cerca de 0,05oC a menos por % de emissividade
reduzida). Em resumo, o comportamento não ideal da pele como um corpo negro não afeta fortemente a
acurácia da teletermometria infravermelha da pele sob condições de mensurações clínicas.
Desde que a alta qualidade das câmeras comerciais permitiu uma precisão de <0,005oC e uma
acurácia de 0,02oC, deve-se assumir que a emissividade cutânea permanece constante dentro de 0,1%
durante um exame e que a temperatura ambiente permanece constante dentro de 0,2oC, uma presunção
que pode ser verificada somente usando-se uma câmera que provê ambas, emissividade e dados de
temperatura. A duração de um exame pode ser alguma coisa entre alguns segundos e algumas semanas,
no caso de um seguimento terapêutico. Também o ambiente deve permanecer em constante emissão
(ambas, temperatura e emissividade) durante o exame, para evitar artefatos nas mensurações térmicas. Em
qualquer caso, é fácil de aceitar que estas suposições com uma emissividade de 97% a 10 µm do que com
baixa emissividade substancialmente de 70% a 6 µm (HOUDAS, 1982).
A emissividade da pele não é uniforme, áreas com reflectividade relativamente
maior podem se mostrar como áreas mais frias. É o caso de superfícies úmidas
onde o valor da emissividade deve ser corrigido na câmera para menos. Os
artefatos que podem diminuir a emissividade são: ulcerações, crostas, pêlos,
suor, talco, loções, óleos, pomadas, desodorantes, água etc.
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Novamente, objetos podem absorver ou refletir a energia radiante que incide sobre eles. Se um objeto
reflete toda a energia radiante no espectro da luz visível, sua cor é branca, se ele absorve toda a luz visível,
ele é preto. Igualmente, se um objeto absorve toda a radiação IR ele é denominado corpo negro. Um
corpo negro, que recebe energia radiante, deve converter aquela energia em outra forma ou reemití-la, às
vezes em outro comprimento de onda. Este é o princípio no qual um objeto negro se torna aquecido sob a
luz solar. Ele absorve energia do espectro da luz visível e converte em energia térmica. Ele então irradiara
energia do espectro da luz visível e convertera em energia térmica. Ele então irradiará mais energia no
espectro IR. Se um objeto tem alta reflectância, isto é, pouca energia é absorvida, então ele terá baixa
emissividade; se um objeto tem baixa reflectância, ele irá absorver energia radiante, reemitindo-a, e então,
terá alta emissividade (ε, epsilon).
A pele humana tem uma alta emissividade na faixa do IR, próxima àquela do corpo negro. Nas equações
apresentadas anteriormente, a emissividade (ε, epsilon) aproxima-se de um e geralmente pode ser
considerada 96-100%. Além do mais, uma vez que o fator é uma constante para muitas condições na pele
normal tem pouca significância na interpretação. Certas condições, porém a emissividade da pele humana
pode mudar significativamente. Nestes casos, embora o valor numérico seja indeterminado, o papel da
emissividade deve ser considerado. Um erro na emissividade tão pequeno quanto 0,02 pode representar
um erro na temperatura próximo a 0,5oC.
Outro detalhe importante que pode alterar a emissividade é a inclinação da
câmera maior do que 40º em direção do objeto, o que deve ser evitada sempre.
Uma consideração prática em termografia médica é o
ângulo de visão para detecção térmica. Como descrito
anteriormente, é normal muita radiação IR na superfície
dos objetos, com exceção de objetos planos e polidos
que vão proporcionar microsuperfícies radiantes em
todas as direções. Devido sua textura, a pele irradia
amplamente em muitos ângulos. Isto possibilita filmar
em incidências padrões (anterior, posterior, lateral),
melhor do que em contínuo arco ao redor do corpo.
Embora, quanto mais inclinado o ângulo menor é a
proporção de energia radiante em direção ao detector.
Isto é particularmente verdadeiro quando o ângulo
aumenta 40o (superfície ou plano). Esta consideração é
importante quando a temperatura na periferia do objeto
esta sendo filmada e avaliada. Se o detector não está
perpendicular ao plano do objeto, a diferença no ângulo
incidente para as duas superfícies, a formada entre o
detector e a superfície cutânea, são a soma de ambos os
ângulos e pode representar uma significativa distorção
da resolução térmica.
1.1 Sensor Infravermelho
Como demonstrado nas Figuras anteriores a 37ºC a maior parte da energia IR
radiada de um objeto está na faixa de 2-25 µm. Diversos detectores
(radiômetros) foram desenvolvidos para quantificar e registrar o fluxo de
energia radiante em faixas do IR médio e longo, como o de índio-antimônio
(InSb) e mercúrio-cádmio-telúrio (HgCdTe). Eles se diferenciam em sua
praticidade, custo, viabilidade, sensibilidade, velocidade e eficiência.
A função de um detector IR é converter a radiação incidente em outra forma de
energia que seja proporcional à energia IR e mensurável em unidades.
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Modernos detectores convertem energia IR em energia elétrica que pode ser
amplificada e mensurada utilizando-se tecnologia convencional. Os detectores
respondem ao aumento de temperatura devido aumento da vibração de
moléculas. Esta atividade molecular libera elétrons em proporções a radiação
absorvida. Obviamente, a temperatura ambiente, elétrons são constantemente
liberados produzindo um sinal elétrico constante. Um excesso de energia
radiante maior que o meio irá aumentar o sinal somente na proporção do
aumento de temperatura. Assim, para pequenas diferenças térmicas, o sinal
aproximará de um, e é denominado ruído. Para maximizar a eficiência de um
radiômetro, o sinal espontâneo deve ser reduzido, para que a energia IR
originada produza o máximo sinal possível. Um ótimo sinal, ou seja, baixo nível
de ruído é obtido resfriando-se o detector a temperaturas mais baixas possíveis.
Antigamente muitos equipamentos de termografia resfriavam seu detector com
nitrogênio líquido (LN2, -196oC). Outros utilizavam a evaporação do gás
argônio (Ar) ou Hélio (He) comprimido. Porém, modernos equipamentos
resfriam os detectores com aparelhos piezoelétricos de refrigeração.
Pequenas e portáteis, as câmeras atuais de infravermelho são compostas de um
detector infravermelho tipo plano focal (FPA – focal plane array) microbolômetro
de quarta geração sem refrigeração, um mecanismo de escaneamento eletroóptico e controles eletrônicos. Faz uma imagem de 120x120 a 640x480 pequenos
pontos no campo visual. Assim, quando o sinal eletrônico é mostrado na tela de
raio cátodo, a imagem escaneada de 16-bits resultante contém de 14.400 a
307.200 pontos de informação, dependendo do tipo de sensibilidade do sensor
que está sendo utilizado.
Quanto ao tamanho da área de medição, a uma distância de 1 m entre a câmera
e o objeto, cada ponto representa uma medida precisa correspondente a uma
área de superfície cutânea de 1 mm2, esta é denominada resolução espacial
(spatial resolution). Em outras palavras, possui resolução espacial (IFOV) de 1,3 a
0,65 mrad, para visualização de pontos quentes de 14 mm a distâncias de 10
metros, com lente padrão e sem lentes adicionais (telescópicas ou grande
angulares). Algumas ainda com recurso de ampliar a imagem (zoom digital) até 8
vezes.
Atualmente com sensores mais avançados de sensibilidade extremamente alta,
de menos 20 mK a 30°C com uma freqüência de imagem de 9 até 60 Hz e
medições ultra-precisas, pode-se aplicá-lo além da medição térmica cutânea,
também na avaliação estática de detalhes anatômicos e funcional da perfusão de
órgãos e tecidos.
Mais avançado ainda são os sensores do tipo Quantum Well Infrared Photodetector
(QWIP) que fornecem sensibilidade extremamente alta, de menos 20 mK a 30°C
com uma freqüência de imagem de 50/60 Hz, ideal para aplicações que
requerem medições ultra-precisas, como detalhes anatômicos e avaliações da
perfusão de órgãos e tecidos.
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É impossível obter a energia radiante de todo um objeto em uma única imagem isto porque os
detectores convertem a energia incidente mais em sinal elétrico do que em imagem fotográfica. Em vez
disso, discretos pontos são visualizados em seqüência e toda a imagem do objeto é copiada como um
acúmulo de discretos pontos em um tubo de raios catódicos lado a lado de forma a escanear todo o objeto.
Como ocorre na imagem de TV. Cada ponto deve ter energia suficiente para excitar o detector e liberar
elétrons. O tamanho do menor ponto suficiente para excitar o detector depende do material do detector,
temperatura, distância, ângulo e assim por diante, como já comentado. O maior ponto também é
importante. O acúmulo de pontos muito grandes irá obscurecer a discriminação térmica e espacial.
Evidências sugerem que para termografia médica um tamanho máximo de pelo menos 2 mm para o
diâmetro do ponto é suficiente para resolução térmica e espacial. Os equipamentos de termografia médica
moderna comumente consideram um ângulo de no mínimo cerca de 1,3 mrads. Isto significa que eles
capturam uma imagem instantaneamente de um tamanho de aproximadamente 1 mm de diâmetro a uma
distância de 1 m do detector. Este tamanho está apropriado com os limites de resolução necessários para a
prática de termografia médica.
O sinal elétrico amplificado de um detector IR pode ser registrado e
quantificado de várias maneiras. Inicialmente a resposta elétrica a informação
térmica é mostrada no monitor como intensidade. Um forte sinal,
representando alta energia radiante de um objeto, produzirá um ponto
brilhante (branco) na tela, contrastando com um baixo sinal (negro) de fundo.
Os pontos acumulados representam a composição de uma imagem. Os sinais de
saída podem ser interrompidos em faixas proporcionais de sinais detectáveis e
cada segmento pode ser representado por uma única cor utilizando-se de
recursos eletrônicos padrões (escala de cinza “gray” ou do ferro “iron”) ou
escalas multicoloridas (“rainbow”). Assim uma imagem multicolorida,
representando discretas faixas térmicas (isotermas), pode ser vista em um
monitor colorido. Esta imagem pode ser gravada em forma de vídeo digital por
software dedicado do computador para posterior análise.
Cada ponto detectado pode ser digitalmente armazenado por um
computador. Pode-se assim gravar, trazer de volta e quantificar comparações de
qualquer ponto ou região dentro da imagem digitalizada. Nestas comparações
entre imagens, se devem tomar precauções como utilizar a mesma referência
térmica.
Considerações práticas
Sem levar em conta a captação de energia radiante de um objeto sólido
angulado, ou curvado, diversas considerações práticas influem na utilização
médica da termografia. Primeiro, a energia é emitida de um ponto em diversas
direções. Grande parte da energia é emitida em uma linha normal
(perpendicular) a superfície que está sendo filmada, mas a quantidade de
energia captada é, obviamente, dependente da distância do detector com a
superfíce. Esta observação é análoga a captação de luz visível pelo olho. Quanto
mais perto estamos de um objeto, dentro de limites, mais luz nosso olho irá
captar e mais clara ficará a imagem percebida. Por esta razão é mais prático
estar o mais próximo possível do objeto. Uma vez que um ponto é de
aproximadamente 1 mm a 1 m de distância uma aproximação maior que 1 m
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começa a por em risco a resolução. Distâncias maiores que 1 m irão aumentar a
área do objeto contribuindo com o sinal térmico e também diminuindo a
resolução espacial e térmica. Por outro lado, se a imagem ocupa menos que a
metade da tela do monitor, a nitidez (resolução espacial) fica prejudicada.
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