Stanisław. MARZEC Wacław WITTCHEN BADANIE METODĄ TERMOWIZYJNĄ ZMIAN TEMPERATURY SKÓRY EKSPONOWANEJ NA PROMIENIOWANIE PODCZERWONE STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań zmian temperatury skóry dłoni wolontariuszy napromienianej podczerwienią pasma IRA. Rejestrowano rozkład temperatury na eksponowanej powierzchni i jej zmiany podczas ekspozycji, stosując metodę termowizyjną. Otrzymane wyniki poddano obróbce statystycznej i przedstawiono w postaci tabelarycznej oraz graficznej. Stwierdzono przydatność metody termowizyjnej do rejestracji zmian temperatury skóry w trakcie ekspozycji na podczerwień, jeżeli do ekspozycji nie stosuje się promieniowania o długościach fal z zakresu czułości spektralnej używanej kamery termowizyjnej oraz gdy wartości natężenia napromienienia nie są zbyt wysokie. Słowa kluczowe: promieniowanie podczerwone, promieniowanie nielaserowe, IRA, termowizja, skóra, zagrożenie promieniowaniem dr Stanisław MARZEC e-mail: s-marzec@imp.sosnowiec.pl Zakład Szkodliwości Fizycznych Instytut Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego w Sosnowcu inż. Wacław WITTCHEN e-mail: : wwittchen@imz.gliwice.pl Zespół Metrologii i Projektowania Urządzeń Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006
52 S. Marzec, W. Wittchen 1. WSTĘP Promieniowanie podczerwone pochłonięte przez skórę lub oko powoduje wzrost temperatury tkanek. Skóra obejmuje znacznie większą powierzchnię niż oko i prawdopodobieństwo jej narażenia na promieniowanie podczerwone jest znacznie większe niż oka. Jednak uszkodzenie oka jest uznawane za znacznie istotniejszy problem, któremu poświęcono o wiele więcej badań. Uważa się, że uszkodzenie termiczne skóry jest bolesne, lecz ulega zagojeniu, często nie pozostawiając oznak, poza tym w skórze znajdują się receptory ciepła, których nie ma w oku, sygnalizujące nadmierny wzrost temperatury i ostrzegające przed uszkodzeniem termicznym skóry [1]. Stało się to przyczyną lekceważenia narażenia skóry na promieniowanie podczerwone, do tego stopnia że w państwach Unii Europejskiej, w tym również w Polsce ustalono dopuszczalne wartości narażenia skóry na podczerwień źródeł nielaserowych jedynie dla czasów ekspozycji nie przekraczających 10 sekund [2, 3], a w Stanach Zjednoczonych w ogóle nie ustalono takich wartości [6]. Według doniesień literaturowych [1], badania skutków narażenia skóry na podczerwień były prowadzone głównie dla promieniowania laserowego, którego parametry różnią się istotnie od promieniowania źródeł klasycznych, np. przemysłowych [4]. W badaniach wpływu promieniowania podczerwonego na temperaturę skóry istotne znaczenie ma sposób pomiaru temperatury skóry. Powinien on być wystarczająco dokładny, szybki i nie zakłócać procesu narażenia skóry. Klasyczne metody, np. z użyciem termopar, dają jedynie punktowy pomiar temperatury, a przy tym wprowadzają zakłócenia w procesie nagrzewania skóry. Najlepsza do tego celu wydaje się być metoda termowizyjna. W celu sprawdzenia przydatności tej metody do określenia temperatury skóry ludzkiej eksponowanej na promieniowanie podczerwone, wykonano próbne badania termowizyjne. 2. MATERIAŁ I METODA Metoda termowizyjna polega na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne z zamianą mocy promieniowania na stopień jasności lub barwę obrazu.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie... 53 Uzyskane obrazy termowizyjne (termogramy) obrazują rozkład temperatury w postaci pól określonego koloru. Istnieje również możliwość komputerowej analizy obrazów termalnych celem wyznaczenia wartości temperaturowych w zadanych obszarach. Metoda ta umożliwia zbadanie rozkładu temperatury na określonej powierzchni w sposób bezkontaktowy, nie zakłócając przebiegu eksperymentu [7]. Wyznaczano wartości temperatury skóry ludzkiej w trakcie jej ekspozycji na promieniowanie podczerwone. Przeprowadzono próbne badania na dorosłych wolontariuszach obojga płci o normalnej skórze białej. Eksponowano zewnętrzną powierzchnię dłoni na podczerwień, z jednoczesną rejestracją temperatur w odstępach czasowych co 1 sekundę. Źródłem promieniowania była lampa żarowa o mocy 250 W z bańką rubinową, emitująca głównie promieniowanie z zakresu IRA. Stosowano ekspozycje o natężeniach 500, 1000, 2000 i 3000 W/m 2. Wielkość ekspozycji regulowano poprzez zmianę odległości lampy od napromienianej powierzchni. Czas ekspozycji ograniczano do około 1 minuty lub do momentu odczucia parzenia. Badania przeprowadzano w pomieszczeniu zamkniętym, bez wymuszonego ruchu powietrza, w temperaturze pokojowej i wilgotności około 50 %. Do pomiaru temperatury skóry użyto kamery termowizyjnej THERMA CAM PM 595 firmy FLIR SYSTEMS AB z wbudowanym obiektywem 24 0, o następujących parametrach [5]: zakres pomiarowy: od 40 do 2000 0 C, rozdzielczość termiczna : 0,1 0 C, dokładność systemu: ± 2 0 C, 2 %, rozdzielczość geometryczna : 320 x 240 (76840 pikseli), zakres spektralny: 7,5 13,0 μm, typ detektora : bolometryczny FPA, zapis obrazów : PCMCIA (14 bitowy zapis cyfrowy). Do analizy obrazów termalnych wykorzystano program komputerowy AGEMA REPORT 5.4.1 pracujący pod nadzorem systemu operacyjnego Windows 98. W trakcie pomiaru źródło promieniowania, kamera termowizyjna i dłoń pozostawały nieruchome. Podstawową konfigurację systemu termowizyjnego wykorzystanego do eksperymentu badawczego przedstawiono na rys. 1. Osobom poddanym badaniom nagrzewano wierzchnią część dłoni promiennikiem podczerwieni z jednoczesną rejestracją temperatur w odstępach co 1 sekundę. Wyniki badań uzyskano w postaci termogramów które poddano dalszej analizie komputerowej. Jako narzędzia analitycznego użyto tzw. zadanego obsza-
54 S. Marzec, W. Wittchen ru z którego wyznaczono wartości temperaturowe. Przyjęto współczynnik emisji skóry 0,98. Rys. 1. Konfiguracja systemu termowizyjnego THERMA CAM PM 595 [6] 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań uzyskano w postaci termogramów, które poddano dalszej analizie komputerowej. Jako narzędzia analitycznego użyto tzw. zadanego obszaru, z którego wyznaczono wartości temperaturowe. Przyjęto współczynnik emisji skóry 0,98. Przykładowy termogram obrazujący pole temperaturowe przedstawiono na rys. 2, a przykładowy arkusz pomiarowy w tab. 1. Podane na rysunku wartości temperatur dotyczą zaznaczonego na termogramie obszaru. AR01 oznacza temperatury (maksymalną, minimalną lub średnią) oraz odchylenie standardowe dla pierwszego pomiaru (odczytu w momencie startu). W arkuszu pomiarowym podano temperatury skóry podczas ekspozycji dłoni, dla zadanego, zaznaczonego na termogramie, tego samego obszaru pomiarowego.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie... 55 TERMOGRAM AR01 36,4 C 35 30 25 21,9 C PARAMETRY Data pomiaru: 06-06-29 Czas pomiaru: 10:06:37 NR termogramu: Seq002.img Woluntariusz: 001-K Promiennik: 2000 W/m2 Wartości temperatur AR01 : max 36,1 C AR01 : min 34,0 C AR01 : avg 35,0 C AR01: stdev 0,3 C Rys. 2. Rozkład pola temperaturowego na powierzchni dłoni TABELA 1 Przykładowy arkusz pomiarowy dla jednej serii pomiarów Data pomiarów: 29 czerwca 2006 Promiennik 2000 W/m 2 (woluntariusz 001-K) Zestawienie temperatur [ o C] Nr termogramu Godzina Wsp. emisji Temp. max Temp. min Temp. średnia Odchylenie stand. Seq002.img 10:06:37 0,98 36,1 34,0 35,0 0,3 Seq003.img 10:06:38 0,98 37,0 34,9 35,8 0,3 Seq004.img 10:06:39 0,98 37,8 35,3 36,4 0,4 Seq005.img 10:06:40 0,98 38,4 35,5 36,9 0,4 Seq006.img 10:06:41 0,98 39,1 35,9 37,4 0,5 Seq007.img 10:06:42 0,98 39,7 36,1 37,7 0,6 Seq008.img 10:06:43 0,98 40,2 36,3 38,1 0,6 Seq009.img 10:06:46 0,98 41,5 36,8 39,1 0,8 Seq010.img 10:06:47 0,98 41,9 37,0 39,4 0,9 Seq011.img 10:06:48 0,98 42,2 37,2 39,7 0,9 Seq012.img 10:06:48 0,98 42,6 37,2 39,9 1,0 Seq013.img 10:06:49 0,98 42,9 37,3 40,2 1,0 Seq014.img 10:06:50 0,98 43,5 37,5 40,6 1,1 Seq015.img 10:06:51 0,98 43,8 37,6 40,7 1,1 Seq016.img 10:06:52 0,98 43,9 37,7 41,0 1,2 Seq017.img 10:06:53 0,98 44,3 37,8 41,2 1,2 Seq018.img 10:06:54 0,98 44,5 38,1 41,5 1,3 Seq019.img 10:06:54 0,98 45,0 38,2 41,7 1,3 Seq020.img 10:06:55 0,98 45,3 38,3 42,0 1,4 Seq021.img 10:06:56 0,98 45,6 38,5 42,3 1,4 Seq022.img 10:06:57 0,98 45,8 38,5 42,5 1,5 Seq023.img 10:06:58 0,98 46,2 38,7 42,7 1,5 Seq024.img 10:06:59 0,98 46,5 38,8 43,0 1,6 Seq025.img 10:07:00 0,98 46,8 38,9 43,2 1,6 Seq027.img 10:07:02 0,98 47,2 39,1 43,5 1,7 Seq028.img 10:07:03 0,98 47,7 39,3 43,8 1,7
56 S. Marzec, W. Wittchen Zbiorcze wyniki badań termowizyjnych zestawiono w tab. nr 2 TABELA 2 Zestawienie otrzymanych wyników badań Lp Natężenie napromienienia [W/m 2 ] Zarejestrowana temperatura skóry [ 0 C] Czas pomiaru [s] Ilość termogramów 1 500 34,8 42,2 65 66 141 2 1000 35,3 46,8 61-89 150 3 2000 34,3 48,5 22-29 81 4 3000 34,9 47,3 11-14 42 Na podstawie danych pomiarowych można wyznaczyć czasowe przebiegi zmian temperatury narażonej skóry (minimalnej, maksymalnej lub średniej) oraz odchylenie standardowe dla poszczególnych wolontariuszy i opisać je funkcją matematyczną. Przykładowe zmiany temperatury skóry poddanej działaniu promieniowania podczerwonego przedstawiono na rys. 3. 46 44 42 Temperatura skóry [oc] 40 38 36 34 32 Natężenie napromienienia 3 000 W/m2 2 000 W/m2 1 000 W/m2 500 W/m2 30 0 20 40 60 80 Czas narażenia [s] Rys. 3. Zmiany średniej temperatury skóry narażonej na promieniowanie podczerwone Z przedstawionych na rys. 3 krzywych wynika, że im wyższe jest natężenie napromienienia, tym temperatura skóry szybciej wzrasta i osiąga większe wartości, przy czym szybkość wzrostu nie zależy od temperatury początkowej skóry.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie... 57 4. PODSUMOWANIE Wykonane badania miały na celu sprawdzenie przydatności metody termowizyjnej do wyznaczania zmian temperatury skóry poddanej działaniu promieniowania podczerwonego. Termowizja pozwala na zdalny, bezdotykowy pomiar temperatury powierzchniowej, polegający na analizie promieniowania podczerwonego docierającego do detektora. W przypadku użytej w badaniach kamery, analizowane przez jej detektor widmo obejmuje promieniowanie o długościach fal 7,5 13 μm, leżące poza zasadniczym pasmem promieniowania lampy służącej do nagrzewania skóry. Umożliwiło to dokładny i niezakłócony pomiar zmian temperatury skóry narażonej na promieniowanie IRA, w trakcie jej ekspozycji. Wydaje się, że zastosowanie tej metody do analogicznego badania temperatury skóry eksponowanej na promieniowanie leżące w zakresie czułości kamery uniemożliwiłoby taki pomiar. Na szczęście, przemysłowe źródła podczerwieni emitują bardzo niewielki odsetek promieniowania o tych długościach fal, nie mający praktycznego znaczenia dla nagrzewania skóry. Drugim ograniczeniem stosowania użytego sprzętu może być pomiar temperatury skóry narażonej na bardzo duże wartości natężenia napromienienia, powyżej 10 000 W/m 2, powodujące bardzo szybki wzrost temperatury. W przypadku tak dużego narażenia pomiar temperatury użytą kamerą, o stałej czasowej 1 s, byłby obarczony zbyt dużym błędem. Do rejestracji szybkich zmian temperatury wymagany jest sprzęt o małej stałej czasowej lub specjalne interfejsy, pozwalające na wykonanie kilkudziesięciu pomiarów temperatury w ciągu sekundy. LITERATURA 1. Biological effects of infrared radiation. NIOSH technical report. Cincinati, 1982. 2. Dyrektywa 2006/25/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 r w sprawie minimalnych wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa dotyczących narażenia pracowników na ryzyko spowodowane czynnikami fizycznymi (sztucznym promieniowaniem optycznym). Dz.U. Unii Europejskiej L 114/38 z dnia 27.4.2006. 3. ICNIRP Guidelines: Guidelines on limits of exposure to broad band incoherent optical radiation (0,38 to 3 m). Health Physics 73(3), 539 554, 1997. 4. Marzec S.: Zasady oceny higienicznej promieniowania podczerwonego. Bezp. Pracy 9, 6-10,1991. 5. Materiały firmy FLIR Systems AB
58 S. Marzec, W. Wittchen 6. Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents. ACGIH 1998. 7. Wittchen W.: Zastosowanie badań termowizyjnych we współczesnej technice pomiarowej, Sprawozdanie IMŻ, S-00211/BS, 1988, (niepublikowane) Rękopis dostarczono, dnia 08.09.2006 r. INVESTIGATION BY THERMOVISION METHOD OF SKIN TEMPERATURES CHANGES DURING EXPOSURE ON INFRARED RADIATION S. MARZEC, W. WITTCHEN ABSTRACT In this article presented the results of investigations the skin temperatures of hand, exposure by IR-A radiation. Resolution of the skin temperature and its changes during exposure has been recording by thermovision method. Received results, after statistical analyse, presented in figures i tables forms. Ascertained usefulness this thermovision method to recording of skin temperatures during his exposure to IR radiation, if to exposure non using of radiation within range of the thermovision camera sensitivity and value of the IR radiance is to high. Dr n. przyr. Stanisław Marzec jest kierownikiem Pracowni Promieniowania Niejonizującego w Instytucie Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego w Sosnowcu. Zajmuje się badaniem skutków zdrowotnych narażenia na promieniowanie optyczne. Inż. Wacław Wittchen jest specjalistą w Zespole Metrologii i Projektowania Urządzeń w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Zajmuje się wykorzystaniem techniki termowizyjnej w wielu dziedzinach, głównie w hutnictwie.