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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.)

Thermische Untersuchung durchblutungsfördender Maßnahmen

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)
Inhalt:
Ich sehe was, was Du nicht siehst
Farben können täuschen
Bildauflösung der IR-Kamera
Versuche mit Salben 
Ergebnisse
Experimentiermöglichkeiten

Exkurse:
    Strahlung glühender Körper
    Bolometrische Temperaturmessung
Tasse mit heißer Flüssigkeit auf einer nicht polierten Tischplatte, die Reflexion ist nur im IR-Licht zu sehen

Ich sehe was, was du nicht siehst


Aufnahmen im Bereich des sichtbaren Lichtes  (oben) und als Infrarotaufnahme (unten). Die IR-Aufnahme zeigt ein Falschfarbenbild, wobei die einzelnen Farben unterschiedliche Temperaturen wiedergeben.

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. 

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)

Infrarotstrahlung

» unsichtbar

» transportiert Wärme

» abhängig von der Temperatur


Erweitertes Lichtspektrum von Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR)
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Farben können täuschen

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.

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. 

Farben sehen

» das Auge unterscheidet nur drei Grundfarben

» Farben lassen sich digital leicht verändern

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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Bildauflösung der IR-Kamera

Wie jede normale Digitalkamera auch hat eine IR-Kamera einen Bildsensor, der aus einzelnen Pixeln besteht.


Digital- (oben) und IR-Photo (unten) des gleichen Motivs in 16-facher Vergößerung, man erkennt deutlich die geringere Bildauflösung der IR-Kamera.

IR-Bildaufnahme

» Pixelweise Temperaturmessung

» geringere Bildauflösung als normale Kameras

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.

 

Die einzelnen Pixel einer IR-Kamera messen die Temperatur des erfassten Bildpunktes.
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.
 

Drei verschiedene Falschfarbendarstellungen ein und derselben IR-Aufnahme.
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Versuche mit Salben

Pferdesalbe

» erst kühlen, dann wärmen?

» nur "gefühlt" oder messbar?

» wie lange wirkt sie?
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.
  
Temperaturentwicklung einer mit "Pferdesalbe" behandelten Hautstelle innerhalb von 30 Minuten
Datenverarbeitung

Ein Paletten-Editor erlaubt die Festlegung einer Falschfarbenskala, mit der die einzelnen Temperaturunterschiede besonders deutlich hervorgehoben werden könn.
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.
Messergebnisse

Messraster für die punktgenaue Vermessung der einzelnen Aufnahmen

Grafische Darstellung des Temperaturverlaufs an Messpunkt C2 bei zwei verschiedenen Probanden nach Behandlung mit "Pferdesalbe"

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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Experimentiermöglichkeiten

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.

 

Untersuchung von Alltagsgegenständen
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.


Warme und kalte Stellen eines Handys im Sendebetrieb
Warum schwitzen wir?
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.


Abkühlung durch Verdunstung
Unterschiedliches Reflexionsvermögen
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.


Reflektiertes Infrarot-Bild auf einem Monitorbildschirm
Kalte oder warme Hand?
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.

 
Kalte und warme Hand im unmittelbaren Vergleich
Wie kalt ist es am Himmel?
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.

 
Temperaturverlauf eines bewökten Himmels
Wie arbeitet eine IR-Kamera?
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.


Versuchsaufbau zur Nachbildung einer IR-Kamera mit einem Ohr-Thermometer mit einem Messraster (unten rechts im Bild)
Handabdrücke sichtbar gemacht
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.


Handabdruck auf einer Tischplatte nach 15 und 90 s Sekunden
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