Измерение температурных и диэлектрических характеристик сред в СВЧ диапазоне с помощью антенн-аппликаторов

Новые методики прецизионных измерений подповерхностной температуры и структуры исследуемой среды открывают широкие возможности применения СВЧ-радиометрии в науке и народном хозяйстве (медицине, сельскохозяйственном производстве, текстильной промышленности и т. д.). Эти методики позволяют на самых ранних стадиях обнаружить и измерить слабоконтрастные температурные и структурные изменения исследуемого объекта. Температурный режим и структура исследуемой среды являются важными характеристиками объекта, позволяющими диагностировать протекающие в нем процессы, контролировать функционирование его систем и делать оценки свойств материала. Разработанные в диссертационной работе методики были использованы при изучении одного из наиболее сложных объектовживых тканей человека и животных. Применение прецизионных методов СВЧрадиометрии в медицине обосновано их неинвазивностью, безвредностью, достаточной точностью, легкостью и быстротой получения значительного количества независимой информации, способствующей эффективной диагностике. В настоящее время за рубежом и в нашей стране теоретические и экспериментальные работы в этом направлении продолжаются и интенсивно развиваются.

Отклонения от нормы температуры тканей биологического объекта проявляется часто на ранних стадиях заболевания, когда изменения структуры или плотности тканей слабо выражены и не могут быть обнаружены рентгеновскими или ультразвуковыми методами. Однако существующие и широко используемые неинвазивные средства (аппликационные датчики — термопары, терморезисторы и термочувствительные жидкокристаллические пленки) и (дистанционные приборыинфракрасные тепловизоры), как правило, позволяют определить только поверхностную температуру, которая слабо связана с процессами, протекающими на глубине и подвержена сильному влиянию окружающей среды. Значительно более информативной является, так называемая глубинная интегральная температура, которую чаще называют просто глубинной. Она представляет собой взвешенную сумму температур разных по глубине слоев исследуемого участка (см. гл.1). Методики СВЧрадиометрии, измеряя глубинную температуру, позволяют на ранних стадиях заболевания обнаружить нарушение локального температурного режима в организме человека или животного и осуществлять безвредный постоянный контроль этих областей с целью анализа динамики внутренних процессов, контроля эффективности лечения и возможного раннего обнаружения структурных изменений. Существуют факторы, которые затрудняют использование СВЧ — термометрии в научных исследованиях, медицине и народном хозяйстве, а также создание новых методик и аппаратуры:

• точности измерения и представление результатов измерения не позволяют достаточно эффективно использовать существующие методики;

• методики измерений и аппаратура достаточно сложна, дорогостоящая и требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

• на точность измерения существенно влияют индустриальные помехи, которые иногда делают невозможным применение данного метода вне экранированных помещений.

В настоящей диссертации, на основе теоретического и экспериментального исследований основных радиофизических процессов, сделана попытка уменьшить, а в некоторых случаях, исключить влияние перечисленных выше факторов.

В результате теоретического исследования процесса измерения собственного излучения биологических тканей показано существенное влияние излучательной способности и структуры исследуемого объекта, а так же подсветки окружающей среды. Выполнен сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта (Глава 1).

На основе анализа эквивалентных электрических схем, моделирующих физические процессы в системе антенна-среда предложена методика теоретической оценки обобщенных характеристик антенн — аппликаторов. Показано влияние диэлектрических свойств среды на характеристики приемной антенны (Глава 2).

Теоретический анализ методических погрешностей и погрешностей измерения позволили разработать основные требования как к вновь разрабатываемой методике измерений, так и к основным узлам измерительного прибора. Погрешности, вызванные изменчивостью параметров антенны — аппликатора (полосы частот, коэффициента отражения, температуры антенны, КПД антенны), которые в свою очередь обусловлены вариациями температуры антенны — аппликатора и структуры биоткани. В целях минимизации такого рода погрешностей необходимо иметь калибровочные эталонные излучатели, диэлектрические свойства которых достаточно близки соответствующим свойствам исследуемого объекта. Для этого необходимо знать структуру исследуемой среды. Предложена оригинальная методика определения структуры слоистой среды. Методика основана на измерении модуля коэффициента отражения для двух или трех антенн — аппликаторов, параметры которых согласованны с разными средами. Это позволило, с одной стороны получать информацию о структуре среды, а с другой стороны, уменьшить погрешности измерения температуры. В условиях теплового контакта антенны — аппликатора с полупространством кожно-мышечной ткани проведен теоретический анализ возмущения термодинамических и радиационных температур измеряемой среды для стационарного и нестационарного режимов теплообмена. Предложена и теоретически обоснована оригинальная одночастотная методика определения профиля температуры исследуемой среды (авт. св. 40]). В основе методики положена зависимость толщины эффективно излучающего слоя исследуемой среды от типа антенны и принимаемого антенной спектра пространственных волн. В отличие от многочастотной методики, малый ассортимент и стоимость измерительной и калибровочной аппаратуры (только один комплект) позволяют значительно облегчить практическую реализацию методики. Возможность проведения всей процедуры измерения в течение одного короткого теплового контакта, позволяет получить прецизионные точности измерения глубинных температур, что обеспечивает хорошее восстановление профиля температуры. (Глава 3).

Представлены разработанные и изготовленные радиометр, антенныаппликаторы, калибровочные излучатели и измерительный стенд, с помощью которых были получены основные экспериментальные результаты в условиях, как лаборатории, так и животноводческих хозяйств и медицинских лечебных учреждений.

Рассмотрен атгоритм обработки сигналов и функциональная схема радиометра (авт. св. [32−35, 50]) для прецизионных измерений глубинной температуры и коэффициента отражения. Проведен анализ стабильности основных характеристик радиометра применительно к разработанному алгоритму обработки сигналов. Предложена конструкция антенны — аппликатора (авт. св. [49]), на базе которой в соответствии с выработанными рекомендациями и санитарными требованиями разработаны антенны для структурных измерений и профиля температуры. Описаны экспериментальные исследования и результаты измерений основных характеристик антенн — аппликаторов (КСВ, КПД, коэффициент рассеяния, модифицированные весовые функции).

Обсуждаются принципы создания твердых и жидких моделей биологических тканей для изготовления калибровочных эталонных излучателей. Предложен состав 7 сред для жидких и твердых эталонных излучателей. Рассмотрены особенности температурной калибровки радиотермометра.

Предложена методика измерения весовых функций антенн в жидких средах. Разработана конструкция и изготовлен стенд для экспериментальных исследований весовых функций антенн — аппликаторов. По данным глубинных температур мышцы бедра человека, измеренных в условиях лаборатории с помощью трех антеннаппликаторов на частоте 1,5 ГГц, с использованием экспериментально полученных на стенде значений весовых функций, был получен профиль температуры близкий к реальному.

Обсуждаются методики калибровки радиотермометра в режиме измерения структуры исследуемой среды. Показана реализация предложенных методик измерения и калибровки толщины слоев в трехслойной среде, состоящей из кожной, жировой и мышечной тканей. (Глава 4).

Используя разработанные методики и прибор, были проведены измерения глубинных температур в условиях медицинских учреждений, а также промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Измерения подтвердили расчетные точности и высокую информативность полученных данных, а также показали, что разработанный прибор может использоваться вне экранированных помещений (больничные палаты, коровники и т. д.) и эксплуатироваться средним медицинским и техническим персоналом (Глава 5).

Основные результаты сравнительного анализа дистанционной и аппликационной методик представлены в таблице 1.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие основные научные результаты.

1. Развита методика проведения модельных расчетов СВЧ излучения биологических тканей. Даны оценки толщины эффективно излучающего слоя однородной и неоднородной биологической ткани по заданному значению его веса в суммарном излучении.

2. Выполнен сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта. На основании которого показано, что в подавляющем большинстве случаев аппликационная методика обеспечивает лучшую точность измерения абсолютных значений радиационных температур, чем дистанционная, хотя и не лишена определенных недостатков.

3. Развита методика оценки характеристик антенн — аппликаторов на основе анализа эквивалентных электрических схем, моделирующих физические процессы в системе антенна-среда.

4. Выполнен теоретический анализ методических погрешностей измерения глубинной температуры аппликационной методикой. Развиты методические подходы, которые обеспечивают минимизацию методических погрешностей измерения глубинной температуры.

5. Предложена методика теоретических расчетов максимальных значений погрешностей измерения глубинных температур, обусловленных процессами теплообмена в системе антенна-среда. Даны оценки этих погрешностей. Предложены способы их минимизации.

6. Предложена одночастотная методика измерения температурного профиля по глубине. В основе методики лежит прием СВЧ мощности антеннамиаппликаторами с различным спектром пространственных волн. Дана методика калибровки антенн — аппликаторов для таких измерений.

7. Предложена одночастотная методика оценки толщины отдельно взятого слоя в слоистой структуре биологической ткани. Методика основана на измерении коэффициентов отражения двух или более антенн — аппликаторов, характеристики которых были оптимизированы для работы в средах с определенными волновыми сопротивлениями.

8. Разработана функциональная схема радиометра, в которой предложен способ измерения модуля коэффициента отражения, значение которого интегрировано по полосе частот СВЧ тракта радиометра. Измерения модуля коэффициента отражения происходит в едином процессе приема СВЧ мощности от объекта. Полученные значения слабо зависят от возможных нестабильностей параметров радиометра. По измеренным значениям модуля коэффициента отражения в радиотермометре реализована процедура автоматического преобразования значений яркостных температур в глубинные температуры среды. На основании предложенной схемы в лаборатории ИРЭ РАН был изготовлен опытный образец радиотермометра — РТ-20, работающий на частоте 1,5 ГГц. В дальнейшем, по этой же схеме, в НПО «Сатурн», г. Киев был осуществлен выпуск малой серии радиотермометров — РТД-8, работающих на частоте 3,8 ГГц.

9. Разработана конструкция, технология изготовления и методика контроля параметров антенн — аппликаторов на керамической подложке.

10. Предложены жидкие и твердые среды, которые хорошо моделируют биологические ткани и позволяют создать эталонные калибровочные излучатели.

11. Предложена методика определения пространственных весовых функций антеннаппликаторов. Разработан и изготовлен для этих целей специальный измерительный стенд.

12. Развита методика температурной калибровки радиотермометра, позволяющая повысить точность измерения.

13. Показана возможность реализации, в условиях лаборатории, одночастотной методики восстановления профиля температуры живых биотканей.

14. Показана эффективность использования радиотермометра и методик для измерения глубинных температур коров. Продемонстрирована возможность автоматизации процесса получения значения ректальной температуры по данным глубинной температуры животных, что может обеспечить простую реализацию автомата выявления больных животных.

15. Показана эффективность использования радиотермометра и методик измерения глубинных температур в неонатологии. Продемонстрирована высокая информативность глубинных температур при ранней диагностике гипоксических поражений головного мозга у недоношенных детей.

16. Многократные циклы измерений, проведенных в условиях больничных палат и коровников, показали, что разработанный прибор может использоваться вне.