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(Mit der folgenden Beschreibung ihres Projektes hat das Team der Jufo-AG die 3. Runde des Ideenfang-Wettbewerbs
erreicht und nimmt damit am Finale im Rahmen der IdeenExpo 2011 teil, die vom 27.08. - 04.09. auf dem
Messegelände in Hannover stattfindet.)
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Thermische Untersuchung durchblutungsfördender Maßnahmen
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von Kim von Scheidt und Julia Ingwersen,
zusammen mit Lucas Jürgens, Julia Bienert, Henrike Reinecke, Malte Misfeldt, Pia Lübke und Rebecca Lühmann
(Arbeitsgemeinschaft Jugend forscht des Christian-Gymnasiums Hermannsburg)
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Aufnahmen im Bereich des sichtbaren Lichtes
(oben) und als Infrarotaufnahme (unten). Die
IR-Aufnahme zeigt ein Falschfarbenbild, wobei die
einzelnen Farben unterschiedliche Temperaturen wiedergeben.
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Unsere Augen nehmen ein große Vielfalt von Farben
wahr. Unsere Sinneszellen in der Netzhaut erlauben
uns, alle Farben des Regenbogens in kleinsten
Abstufungen zu unterscheiden. Es gibt aber
Lebewesen, die Farben sehen können, die unserem
Auge verschlossen bleiben.
Licht gehört zu den elektromagnetischen Wellen,
und zu jeder Farbe des Regenbogens gehört eine
bestimmte Wellenlänge. Unser Auge ist so
eingerichtet, dass es nur Wellenlängen im Bereich
von 0,4 bis 0,8 Mikrometern sehen kann. (Zum
Vergleich: ein menschliches Haar ist ca. 50
Mikrometer dick). Schmetterlinge aber können auch
noch ultraviolettes Licht sehen, dessen Wellenlänge weniger als
0,4 Mikrometer beträgt, damit sehen sie noch
Farben, wo unser Auge bereits versagt, dafür
können sie rotes Licht kaum noch erkennen.
Licht entsteht, wenn Elektronen in den kleinsten
Teilchen der Materie, den Atomen, Energie abgeben.
Ist die Energie hoch, wird Licht mit einer kurzen
Wellenlänge ausgesandt, ist die Energie niedrig,
hat es eine größere Wellenlänge.
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Jeder Gegenstand besteht aus Atomen, die sich
immer ein wenig bewegen, Je größer die
Temperatur der Körper ist, desto stärker
bewegen sich die Atome. Damit haben die
Elektronen auch mehr Energie zur Verfügung, die
sie als Licht abgeben können. Je heißer ein
Körper also ist, desto kürzer wird die
Wellenlänge des ausgesandten Lichtes. (mehr...
zur Physik)
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Infrarotstrahlung
» unsichtbar
» transportiert Wärme
» abhängig von der Temperatur
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Erweitertes Lichtspektrum von Ultraviolett (UV) bis
Infrarot (IR)
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Die Sinneszellen unseres Auges reagieren nur auf die
drei Grundfarben rot, grün und blau. Der
Farbeindruck einer bestimmten Farbe entsteht durch
die Mischung der verschiedenen Farbanteile.
Wird eine Szene mit einer Glühlampe beleuchtet,
zeigt das Bild einer Digitalkamera einen Rotstich,
während die gleiche Aufnahme bei Sonnenlicht
"blauer" wirkt. Das liegt daran, dass die
Glühlampe mit ca. 2400 °C deutlich kühler ist als
das Licht der Sonne mit ca. 5600 °C, man spricht
deshalb auch von einer "Farbtemperatur"
des Lichtes. Die kühlere Lichtquelle erzeugt
prozentual mehr rotes als blaues Licht, was bei dem
Bild zu einem Farbstich führt.
Interessanterweise macht unser Auge einen
automatischen "Weißabgleich", nach
einiger Zeit erscheint uns sogar bei Kerzenlicht ein
weißes Blatt Papier wieder weiß, obwohl es
eigentlich eher rötlich ist, wie man mit einer
Digitalkamera leicht beweisen kann.
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Aufnahmen bei Glühlampenlicht (oben), bei
Tageslicht (mitte) und als Falschfarbenbild (unten).
Das obere Bild zeigt einen Rotstich, weil die
Temperatur der Glühlampe niedriger ist als
die Temperatur der Sonne. Bei dem Falschfarbenbild
wurden die Farben willkürlich neu zugeordnet.
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Farben sehen
» das Auge unterscheidet nur drei
Grundfarben
» Farben lassen sich digital leicht
verändern
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Da bei der digitalen Bildwiedergabe die Farben als
Zahlen gespeichert werden, kann man ganz leicht
sogenannte "Falschfarbenbilder" erzeugen,
indem man die Zahlen nach einem beliebigen System
neu zuordnet. Man erkennt dabei ganz deutlich, dass
wir dann erheblich größere Probleme haben, die
aufgenommene Szene noch richtig zu erfassen.
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Wie jede normale Digitalkamera auch hat eine
IR-Kamera einen Bildsensor, der aus einzelnen Pixeln
besteht.
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Digital- (oben) und IR-Photo (unten) des gleichen
Motivs in 16-facher Vergößerung, man erkennt
deutlich die geringere Bildauflösung der IR-Kamera.
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IR-Bildaufnahme
» Pixelweise Temperaturmessung
» geringere Bildauflösung als normale
Kameras
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Bei Digitalkameras hat man z.B. Sensoren mit 2592
x 1944 Pixeln, man spricht dann von einem 5
Megapixel-Sensor. Sie reagieren nur auf das Licht,
das auch mit dem Auge wahrgenommen werden kann.
IR-Kameras haben eine deutlich geringere
Auflösung, z.B. nur 140 x 140 Pixel, das entspricht
0,0196 Megapixel. Sie sind unempfindlich für
normales Licht, "sehen" dafür aber das
erheblich langwelligere Licht der
Infrarot-Strahlung.
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Die einzelnen Pixel einer IR-Kamera messen die
Temperatur des erfassten Bildpunktes.
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Jedes Pixel der IR-Kamera entspricht einem winzig kleinen
Thermometer. Bei der Aufnahme werden die
Temperaturen als "Bild" gespeichert (mehr
zur Temperaturmessung...). Bei
der Bilddarstellung wird die von jedem Pixel gemessene Temperatur
von einer Software in eine Farbe für dieses Pixels umgerechnet.
Je nach Art der Umrechnung erhält man eine andere Farbverteilung.
(Falschfarbendarstellung), Umrechnungstabellen
lassen sich als sogenannte "Paletten"
speichern.
Auch Graustufenbilder sind möglich, doch das menschliche Auge kann Farben besser unterscheiden als Helligkeiten.
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Drei verschiedene Falschfarbendarstellungen ein
und derselben IR-Aufnahme.
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Pferdesalbe
» erst kühlen, dann wärmen?
» nur "gefühlt" oder messbar?
» wie lange wirkt sie?
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Wer wollte nicht schon einmal wissen wie es in seinem Inneren wirklich aussieht oder was in seinem Inneren wirklich vor sich geht? Wenn wir Sport machen, merken wir die höhere Aktivität unseres Herzens und nach dem Sport oft
schmerzende Muskeln: Der Muskelkater ist da.
Wir wollten herausfinden, inwieweit durchblutungsfördernde
Mittel auf Cremebasis unseren Körper verändern. Dabei wurden mehrere
mit einer Creme präparierten Probanden mit einer Infrarot-Kamera
fotografiert.
Doch wirken Cremes wirklich auf eine physische Art? Oder spielt uns unser Körper
nur einen Streich? Mit verschiedenen Salben gingen wir dem Phänomen der
bekannten “Pferdesalbe” auf den Grund, die angeblich einen kühlenden und einen wärmenden Effekt garantieren soll. Ist das wahr? Oder ist das nur ein Werbespruch?
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Messverfahren |
Für unsere Messreihen verwenden wir eine
Infrarot-Kamera vom Typ FLIR i50.
Sie ist auf einem Stativ montiert, damit wir während der Aufnahmen ein
Verwackeln der Bilder vermeiden und immer die
gleiche Stelle auf der Haut aufnehmen. Um eine allergische Reaktion des Probanden auszuschließen wird dieser
zuvor nach möglichen Allergien befragt.
Der Proband wird in eine angenehme Sitzposition gebracht, da er für etwa eine Stunde still sitzen muss. Anschließend wird
mit einer Schablone eine genau abgemessene Menge
Salbe auf dem Unterarm aufgetragen. Bislang
verwendeten wir „Pferdesalbe“ und als Vergleich „Hot-Thermo-Dura“. Nun werden im Minutentakt Bilder von
der Probenstelle angefertigt. Je nach Intensität der Creme kann die Messung bis zu einer Stunde dauern. Gefühlte Veränderungen der Probanden
werden protokolliert, um auch einen eventuellen psychischen Einfluss zu
erfassen.
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Temperaturentwicklung einer mit
"Pferdesalbe" behandelten Hautstelle
innerhalb von 30 Minuten
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Datenverarbeitung |
Ein Paletten-Editor erlaubt die Festlegung einer
Falschfarbenskala, mit der die einzelnen
Temperaturunterschiede besonders deutlich
hervorgehoben werden könn.
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Die Aufnahmen werden von der Kamera per USB-Kabel auf den Computer übertragen. Mit der zugehörigen Software zur Kamera (FLIR Quick Report 1,2 SP 1) werden diese anschließend verarbeitet. Um
Temperaturverläufe auf dem jeweiligen Bild besser erkennen zu können,
werden Farbpaletten verwendet, die
Temperaturunterschiede besonders deutlich
hervorheben. Die Bilder werden außerdem mit einem Messraster versehen, mit
dem einzelne Messpunkte punktgenau abgelesen und dann in einer Excel-Tabelle dokumentiert werden können. Die Tabellen werden am Ende grafisch dargestellt. So
können verschiedene Cremes schnell miteinander verglichen werden.
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Messergebnisse |
Messraster für die punktgenaue Vermessung der
einzelnen Aufnahmen
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Grafische Darstellung des Temperaturverlaufs an
Messpunkt C2 bei zwei verschiedenen Probanden nach
Behandlung mit "Pferdesalbe"
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Bereits während der Versuchsaufnahmen merken die Probanden, dass unterschiedliche Salben eine unterschiedlich starke Wirkung auf ihrem Arm bewirken. Die Probanden
beschreiben bei der Pferdesalbe während der Aufnahmen das Gefühl, dass ihre Haut
anfangs deutlich abzukühlt und sich erst im weiteren Verlauf
erkennbar erwärme. Dies können wir mit unseren
Messungen bestätigen.
Wie in der Werbung beschrieben hat die Pferdesalbe also tatsächlich einen kühlenden und einen wärmenden Effekt.
Für Hot-Thermo-Dura geben die Probanden jedoch an,
dass sich ein stetig erwärmender und reizender
Effekt zeige. Auch hier zeigen die Messungen, dass die Durchblutung in dem Messbereich wesentlich erhöht wird. Die
etwas unterschiedliche Wirkung der beiden Salben lässt sich auf die Inhaltsstoffe zurückführen. |
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Mit einfachen Modellversuchen z.B. mit
Ohr-Thermometern oder handelsüblichen
Infrarot-Thermometern kann man die Wirkungsweise von
IR-Kameras darstellen und Vergleichsmessungen
durchführen. Dabei zeigt sich, dass es durchaus
Anwendungsgebiete gibt, bei denen der Einsatz einer
IR-Kamera nicht erforderlich ist.
Andererseits liefert die IR-Kamera in Echtzeit
beeindruckende Bilder von Dingen und Vorgängen, die
dem menschlichen Auge verborgen bleiben. Die
einzusetzende Software erlaubt einen schnellen
kommentierten Ausdruck der aufgenommenen Bilder, die
Besucher mit nach Hause nehmen können.
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Untersuchung von Alltagsgegenständen
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Zahlreiche Alltagsgegenstände wie Handys oder
MP3-Player erzeugen bei ihrem Betrieb Wärme, die
über das Gehäuse abgegeben wird.
Mit einer IR-Kamera kann man die
"Hot-Spots" sichtbar machen und die
Temperatur der einzelnen Stellen genau bestimmen.
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Warme und kalte Stellen eines Handys im Sendebetrieb
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Warum schwitzen wir?
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Wenn es warm ist, neigt der Menschen zum Schwitzen.
Damit versucht der Körper, sich abzukühlen.
In einem einfachen Versuch tupft man auf die Haut
Wasser oder verdünnten Alkohol. Neben dem dabei
auftretenden Kältegefühl erlaubt die IR-Kamera den
direkten Nachweis, wie weit sich die Haut dabei
abkühlt.
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Abkühlung durch Verdunstung
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Unterschiedliches Reflexionsvermögen
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Viele Oberflächen reflektieren Wärmestrahlung ganz
anders als das normale Licht. So überdeckt das
reflektierte IR-Licht das vom Bildschirm eines
Monitors abgegebene Licht so stark, dass das
eigentliche Monitorbild nicht mehr zu erkennen ist.
Solche Experimente zeigen, dass man bei
IR-Aufnahmen von reflektierenden Oberflächen
besonders aufpassen muss, das man nicht
versehentlich die reflektierte Umgebung erfasst.
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Reflektiertes Infrarot-Bild auf einem
Monitorbildschirm
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Kalte oder warme Hand?
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Manche Menschen haben immer kalte Hände, andere
dagegen nicht. Wie groß sind die Unterschiede
wirklich und welche Stellen sind besonders
kalt?
Statt sich auf den eigenen Eindruck (oder den
anderer) zu verlassen, erlaubt die IR-Kamera eine
genaue Bestimmung der Temperaturen an den einzelnen
Stellen der Hände. Medizinisch bedeutsam werden
solche Aufnahmen, wenn sie auf eine
Duchblutungsstörung hinweisen.
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Kalte und warme Hand im unmittelbaren Vergleich
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Wie kalt ist es am Himmel?
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Selbst an einem warmen Sommertag nimmt die
Temperatur der einzelnen Luftschichten stark mit
zunehmender Höhe ab.
Da auch die Luft selbst eine Temperatur hat und
diese in Form von Wärmestrahlung abgibt, kann man
diesen Temperaturverlauf mit einer IR-Kamera
untersuchen und sogar die Temperatur von Wolken
messen.
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Temperaturverlauf eines bewökten Himmels
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Wie arbeitet eine IR-Kamera?
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In einem einfachen Modellversuch kann man mit einem
einfachen Ohr-Thermometer, das ebenfalls mit einem
IR-Sensor arbeitet, die Funktionsweise der
IR-Kamera nachvollziehen.
Dazu misst man unter Verwendung eines Messrasters
eine Oberfläche mit unterschiedlichen Temperaturen
(z.B. durch Kühl- oder Heizelemente) punktweise aus
und überträgt die Messwerte in eine entsprechende
Messtabelle. Ein Vergleich mit einem IR-Photo der
gleichen Oberfläche bestätigt die Ergebnisse.
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Versuchsaufbau zur Nachbildung einer IR-Kamera mit einem
Ohr-Thermometer mit einem Messraster (unten rechts
im Bild)
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Handabdrücke sichtbar gemacht
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Legt man für einige Sekunden seine Hand auf eine
Oberfläche, wird ein Teil der Handwärme
übertragen.
Aufnahmen mit der IR-Kamera zeigen, dass dieser
Handabdruck auch noch nach längerer Zeit
nachgewiesen werden kann.
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Handabdruck auf einer Tischplatte nach 15 und 90 s Sekunden
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