2. Física do Infravermelho

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1 2. Física do Infravermelho A Luz Que Nossos Olhos Não Vêem O QUE É O INFRAVERMELHO? Nossos 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 ( 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. 1

2 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 = -273 o C). Qualquer temperatura acima de 0 o K produz movimento molecular e a quantidade de energia radiada liberada é proporcional a quarta potência da temperatura absoluta, como expressa na equação de STEFAN- BOLTZMAN. E = εσt 4 E = energia total emitida (Watts por metro quadrado) ε = emissividade σ = constante de proporcionalidade = 5,672x10-8 W -2 K -4 T = temperatura absoluta em graus K 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 ( 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. 2

3 Assim, nosso corpo brilha como uma estrela, emitindo raios infravermelhos em todas as direções com intensidade de uma lâmpada de cerca de 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 (Tc 4 - Ta 4 ) E = energia transferida (Watts por metro quadrado) ε = emissividade 3

4 σ = constante de proporcionalidade = 5,672x10-8 W -2 K -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 os olhos humanos serem incapazes de percebê-la, a pele pode senti-la como calor. Os nervos sensíveis à temperatura podem mensurar a diferença entre a temperatura corporal e a temperatura ambiente. Usa-se, também, radiação infravermelha ao operar um controle remoto de televisão. Como a luz visível, que é dividida em cores, o espectro de emissão de infravermelho pode ser didaticamente dividido em: 1. Próximo 2. Curto 3. Médio 4. Longo 5. 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. 4

5 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/cm 2 ) em várias freqüências e comprimentos de onda, dado pela curva de Plank, abaixo: 5

6 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). 6

7 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 λ max 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 37 o C (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. 7

8 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 (3x ,3x10 14 Hz), alta velocidade ( 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/m 2. 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. 8

9 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 9

10 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 30 o e 35 o C, o fluxo de fótons emitidos pela pele é de no máximo, respectivamente, 1,58 a 1,69 x fótons/cm 2 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 o C. 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 0,1 o C 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 32 o C e 22 o C um fluxo de 8,40x10 17 e 7,20x10 17 fotóns/cm 2 por segundo, respectivamente (CARTER, 1992). As mudanças do fluxo de fóton acima de 10 o C 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 22 o C (71 o F), o fluxo infravermelho ambiental, que é refletido da pele, corresponde a um aumento da temperatura de 3 a 5 o C, 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 0,05 o C 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 <0,005 o C e uma acurácia de 0,02 o C, 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 0,2 o C, 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. 10

11 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 %. 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 0,5 o C. 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 40 o (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. 11

12 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 (LN 2, -196 o C). 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 a 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 mm 2, 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. 12

13 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 13

14 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. 14