Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика материальных сред

Актуальность проблемы.

Диагностика неоднородных материальных сред актуальна в различных областях науки и техники. Особо стоит отметить такие направления, как физика плазмы, медицина, материаловедение, дефектоскопия и геологоразведка. Информация о структуре, физических характеристиках материальных объектов и протекающих в них динамических процессах имеют важное как фундаментальное, так и прикладное значение. Практическую ценность представляют бесконтактные (дистанционные) способы диагностики, позволяющие проводить изучение объектов без нарушения их внутренней структуры.

В настоящее время освоено большое количество способов изучения материальных сред. На базе классических методов ультразвуковой, рентгеновской и оптической диагностики, широко применяемых в науке и технике, разработаны медицинские приборы для визуализации биологических тканей, позволяющие на ранних стадиях выявлять множество заболеваний, сопровождающихся морфологическими изменениями пораженного органа или его части. Особо стоит отметить магниторезонансную томографию, первоначально разработанную для нужд химического анализа. В последнее время широкое развитие получила электроимпедансная [1,2] и магнитоиндукционная [3,4] томография, позволяющие визуализировать распределение электрической проводимости внутри объектов различной природы. Для исследования структуры поверхности материальных сред разработаны различные виды микроскопии, с помощью которых получают растровые изображения поверхностей объектов с высоким пространственным разрешением [5]. Необходимо отметить такой вид микроскопии, как ближнепольная, разрешающая способность которой превосходит фундаментальный рэлеевский критерий. Реализация данного вида микроскопии может осуществляться в различных частотных диапазонах, в частности, оптическом [6] и СВЧ [7] диапазонах, с возможностью наблюдать поверхностные структуры, размеры которых во много раз меньше длины волны электромагнитного поля.

Перечисленные методы изучения материальных сред отличаются друг от друга, в первую очередь, способом зондирования среды. Для рентгеновской и оптической диагностики это, соответственно, рентгеновское и оптическое излучениеУЗИ использует акустические волнымагниторезонансная томография основана на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. В соответствии с этим, результаты визуализации отражают рассеивающую и поглощающую способность среды соответственно по отношению к рентгеновскому. оптическому и ультразвуковому излучениюМРТ проводит визуализацию на основе насыщенности объекта водородом и особенности его магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Таким образом, каждая методика обладает своей спецификой, и, соответственно, ограниченной областью применения. Поэтому нельзя утверждать, что определенный метод является абсолютным и универсальным.

В настоящее время одним из перспективных способов диагностики неоднородных сред является резонансное ближнепольное СВЧ-зондирование. С его помощью можно проводить исследования электродинамических характеристик (диэлектрическая проницаемость и проводимость) объектов различной физической природы [7−10]. Комплексная диэлектрическая проницаемость является важной характеристикой материальных объектов. Значение этой величины зависит от физической природы объекта, его свойств, структурного и физико-химического состава и может быть использовано в диагностических целях. Исследование нестационарных процессов в средах также может проводиться на основе изучения их динамически меняющихся электродинамических параметров. В медицинских приложениях знание комплексной диэлектрической проницаемости биологических тканей является одним из необходимых условий при диагностике структурных изменений организма человека, в частности при локализации воспалительных и опухолевых процессов. Однако для этих целей необходимо применять неинвазивные методики, позволяющие определить область патологии в неоднородной структуре тканей. Данное требование может быть выполнено при реализации томографии биологических тканей на основе измерения их электродинамических характеристик.

Для обеспечения гарантированной точности и достоверности определения электрофизических характеристик материальных сред требуется соответствующая инструментальная база, учитывающая специфические особенности диагностируемых объектов. Это заставляет взглянуть под новым углом на многие, ставшие уже классическими, методы измерений диэлектрических характеристик, на основе положительно зарекомендовавших себя резонаторов на отрезке коаксиальных и двухпроводных линий передач. Основное достоинство данных устройств — их миниатюрность и. как следствие, высокая чувствительность, а также простота в изготовлении, гибкие функциональные возможности и разнообразие конструкторских решений.

Поясним основные принципы, на которых базируется резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика. Область среды, находящейся в ближнем поле зондирующей электрически малой антенны, оказывает влияние на ее импеданс. Если антенна включена в качестве нагрузки в резонансную систему, то по смещению резонансной частоты и изменению добротности можно судить об электродинамических характеристиках среды вблизи антенного устройства. Для целей томографии подповерхностных неоднородностей система должна быть модифицирована таким образом, чтобы можно было изменять эффективную глубину зондирования или характерный масштаб локализации квазистатического электрического поля в среде. Для томографии трёхмерно неоднородной среды, основанной на методах одномерной подповерхностной диагностики, измерения должны быть дополнены двумерным сканированием вдоль поверхности. Таким образом, исходными данными для решения обратной задачи резонансной ближнепольной СВЧ-томографии являются результаты измерения резонансных характеристик датчика при двумерном сканировании над поверхностью среды его измерительной части, представляющей собой систему электрически малых антенн с разными глубинами зондирования. Обратная задача для неоднородного полупространства в общем случае чрезвычайно сложна, является некорректной и требует применения методов регуляризации, основанных на использовании дополнительной априорной информации о точном решении. Ближнепольная СВЧ-томография, в отличие от волновых методов, позволяет восстанавливать субволновые детали профилей параметров среды.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является развитие и экспериментальная реализация метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред. Рассматриваются такие задачи, как диагностика нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной плотности, бесконтактная диагностика плотности плазмы и электронной частоты столкновений в разрядах при атмосферном давлении, подповерхностная диагностика сред, содержащих сильно контрастные объекты, а также актуальная в медицинской практике задача резонансной ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей.

Научная новизна.

1. Развита методика исследования нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной концентрации, с помощью резонансного СВЧ-зонда. Экспериментально и теоретически изучено пространственное распределение колебаний плотности плазмы возбуждаемых магнитной рамочной антенной в нижнегибридном диапазоне частот.

2. Развита и впервые реализована методика бесконтактной диагностики параметров плазмы атмосферного давления с помощью ближнепольного СВЧ-зондирования. На базе резонансного СВЧ-зонда разработана диагностическая система, позволяющая проводить исследования плазмы через диэлектрическую стенку разрядной камеры. Экспериментально изучена динамика плотности плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении. Достоверность полученных результатов показана с помощью теоретических оценок и метода «отсечки» СВЧ-излучения совместно с численным моделированием прохождения СВЧ-волн через слой плазмы с учётом конкретной конфигурации излучателя и параметров экспериментальной установки.

3. Впервые экспериментально реализован метод подповерхностной ближнепольной СВЧ-диагностики сред с пространственно локализованными неоднородностями. Разработана система резонансных измерительных систем с разными глубинами зондирования для изучения неоднородных структур. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных неоднородностей с резкими границами, расположенных в однородном полупространстве. Восстановлены диэлектрическая проницаемость, геометрические размеры и глубина залегания инородных включений по результатам измерения резонансных характеристик датчиков при их двумерном сканировании над поверхностью среды.

4. Развита экспериментальная и теоретическая база для реализации ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Проведены исследования эффекта «прижима», характеризующегося зависимостью показаний ближнепольного измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта, и найдены конструктивные решения, позволяющие свести к минимуму его негативное влияние. Разработаны новые измерительные системы для ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Развита теория резонансных датчиков. Получены выражения, связывающие параметры резонансных характеристик диагностических систем с параметрами плоскослоистых сред и сред с монотонным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

5. Продемонстрирована диагностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования в дерматологии. Установлены различия комплексной диэлектрической проницаемости тканей кожи при разных дерматозах. Показана возможность контроля ремиссии заболеваний в случае, когда нет визуальных изменений.

6. Впервые продемонстрированы возможности ближнепольной СВЧ-диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации. Исследованы электродинамические характеристики паренхимы почек и консервирующей их жидкости в условиях тепловой и холодовой ишемии в динамике по времени. Установлена связь электродинамических параметров консервирующей жидкости и тканей органа со степенью его жизнеспособности.

7. На основе метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования реализовано новое устройство для определения влажности бумагиразработана система контроля плотности кипящего слоя и её динамики в условиях промышленных установок.

Научная и практическая ценность.

В ходе выполнения диссертационной работы развит метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред.

Развитая методика диагностики нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной плотности, имеет важное прикладное значение при изучении плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории.

Предложенная система контроля плотности кипящего слоя и её динамики во времени может найти применение в реальных промышленных установках.

Разработанная диагностическая система для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления может быть использована в промышленных и лабораторных плазмохимических установках для измерений плотности плазмы и электронной частоты столкновений, а также в космических приложениях, в том числе, для диагностики параметров плазменной оболочки, окружающей спускаемый космический аппарат при его вхождении в плотные слои атмосферы.

Развитая методика подповерхностной диагностики сред, содержащих сильно контрастные объекты, может быть использована в различных практических приложениях, в частности, в археологи, дефектоскопии, для создания системы поиска пластиковых мин и т. д.

Построенная теория резонансной ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей является основой для визуализации структуры тканей кожного покрова и реализации принципиально новой в медицинской практике способа неинвазивной диагностики структурных изменений в организме человека, в частности, воспалительных и опухолевых процессов.

Публикации и апробация результатов.

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах ИПФ РАН, докладывались на Международных конференциях «Microwave & Telecommunication Technology» (Севастополь, Украина, 2005 — 2007, 2012), X Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Московская область, пансионат «Университетский»,.

2005), X и XII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород. 2005, 2007). Международных конференциях «Antenna Theory and Techniques» (Львов, 2009; Киев. 2011), XXI Симпозиуме по радиолокационному зондированию природных сред (Санкт-Петербург,.

2006), 11-ой Научной конференции по радиофизике (Нижний Новгород. 2007), Научно-практической конференции, посвященной памяти профессора A. J1. Машкиллейсона (Москва, 2006), Форуме национального альянса дерматологов и косметологов (Ростов-на-Дону. 2007), III Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк. 2008), Международном симпозиуме «Intramolecular Dynamics, Symmetry and Spectroscopy» (Zurich, Switzerland, 2008), III Конгрессе дерматовенерологов (Казань. 2009). XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» (Звенигород, 2010). 2-ой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2011).

По результатам исследований, составивших основу диссертации, опубликована 29 научных работ [1−29] (включая 7 статей в рецензируемых изданиях, 13 работ в сборниках трудов всероссийских и международных конференций, 6 тезисов докладов, 1 патент и 2 препринта).

Личный вклад автора.

Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены в соавторстве, однако вклад автора во все исследования, которым посвящена диссертация, является определяющим. Автору принадлежит решающая роль в планировании и проведении экспериментов, разработке диагностических систем, выборе экспериментальных методик, интерпретации экспериментальных данных, разработке теоретических моделей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Развитая методика измерения нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме с помощью резонансного СВЧ-зонда позволяет регистрировать относительные возмущения электронной плотности порядка 10″ 5 — 10″ 6 в плазме с концентрацией 1010−1012 см" 3. Высокая чувствительность метода достигается путем регистрации на выходе измерительной системы амплитудно-модулируемого сигнала на частоте флуктуаций плотности.

2. Метод резонансного СВЧ-зонда, при соответствующей модификации, может эффективно использоваться для бесконтактной диагностики газоразрядной плазмы атмосферного давления. С его помощью можно проводить измерения величины отношения плотности плазмы N к электронной частоте столкновений v. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, удается восстановить значения //иув процессе разряда.

3. Подповерхностная диагностика сред с инородными включениями методом ближнепольной СВЧ-диагностики может быть осуществлена путем глубинного зондирования среды квазистатическим электрическим полем системы электрически малых антенн. В качестве ближнепольной антенны удобно использовать два параллельных отрезка провода, расстояние между которыми определяет характерный масштаб локализации зондирующего поля в среде.

4. Ближнепольная СВЧ-томография биологических тканей может осуществляться системой резонансных датчиков с ближнепольными антеннами в виде краевых емкостей цилиндрических конденсаторов с разными зазорами между внешним и центральным проводниками. Связь между резонансными характеристиками измерительных систем и импедансными свойствами зондирующих элементов получается посредством анализа системы телеграфных уравнений для комплексных амплитуд тока и напряжения в резонаторе датчиков методом последовательных приближений. Система интегральных уравнений для нахождения электродинамических параметров среды получается путем сопоставления выражений для импедансов ближнепольных антенн датчиков с соответствующими данными, найденными по результатам ближнепольных измерений.

5. Метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования можно эффективно использовать в ряде прикладных задач: для неинвазивной диагностики кожных патологий, для экспресс-диагностики жизнеспособности трансплантатов, для диагностики степени неоднородности кипящего слоя.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, а также списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 102 наименований. Общий объем работы — 161 страница, включая 68 рисунков и 6 таблиц.

Основные результаты:

1. Развита методика измерения малых возмущений электронной плотности в плазме низкого давления с помощью резонансного СВЧ-зонда. Продемонстрирована высокая чувствительность метода, позволяющая регистрировать относительные возмущения электронной плотности порядка 10″ 5 — 10″ 6 в плазме с концентрацией 1010—1012 см" 3. Высокая чувствительность метода достигается путем регистрации на выходе измерительной системы амплитудно модулируемого сигнала на частоте флуктуаций плотности. Возможности метода продемонстрированы при исследованиях генерации волн рамочной антенной в нестационарной магнитоактивной плазме.

2. Развита и впервые реализована методика бесконтактной диагностики параметров плазмы атмосферного давления с помощью ближнепольного СВЧ-зондирования. На базе резонансного СВЧ-зонда разработана диагностическая система, позволяющая проводить исследования плазмы через диэлектрическую стенку разрядной камеры.

3. Показано, что для плазмы атмосферного давления, ближнепольная СВЧ-диагностика позволяет находить мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости плазмы или величину отношения концентрации электронов к электронной частоте столкновений N/v. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, по результатам ближнепольных измерений удается восстановить значения N и v. Возможности метода продемонстрированы при изучении временной динамики плотности плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении.

4. Впервые экспериментально реализован метод подповерхностной ближнепольной СВЧ-диагностики сред с пространственно локализованными неоднородностями. Разработана система резонансных измерительных систем с разными глубинами зондирования для изучения неоднородных структур. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных инородных включений с резкими границами. Достигнута пятипроцентная точность определения диэлектрических и геометрических параметров исследуемых объектов.

5. Для исследования биологических тканей изучен эффект «прижима», характеризующийся зависимостью показаний ближнепольного измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта. Найдены конструктивные решения и разработаны измерительные системы, позволяющие свести к минимуму негативное влияние «прижима» путем использования зондирующего элемента в виде цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем.

6. Построена электродинамическая модель измерительной системы для ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Разработана схема решения соответствующей обратной задачи в приближении плоскослоистых сред и сред с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

7. Показана диагностическая и прогностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования для ряда прикладных задач:

• Изучена комплексная диэлектрическая проницаемость тканей кожи при дерматозах и показано, что электродинамические характеристики кожи даже при отсутствии визуальных изменений в области патологии отражают ремиссию заболевания, что использовано для неинвазивной диагностики кожных патологий.

• Показана возможность оценки состояния органов для трансплантации по значениям электродинамических характеристик тканей трансплантатов и консервирующей их жидкости, что использовано для экспресс-диагностики жизнеспособности органов при трансплантации.

• Разработана система диагностики степени неоднородности кипящего слоя применительно к условиям промышленных установок.