Акустический термометр

 

Использование: в медицинской или ветеринарной технике, в частности в устройствах для измерения глубинной температуры тела человека и животного. Сущность изобретения: устройство содержит приемник 1 акустического излучения с камерой 2 модулятора, заполненной иммерсионной жидкостью. Модулятор выполнен в виде обтюратора с датчиком 6 его положения. Также в устройстве имеется преобразователь 8 акустического излучения в электрический сигнал, измеритель 11 температуры камеры модулятора, термостабилизатор 13 камеры модулятора, измеритель 15 температуры поверхности исследуемого объекта, последовательно соединенные с преобразователем 8 высокочастотный полосовый фильтр 17, квадратный детектор 18, синхронный детектор 19, фильтр 20 низких частот, сумматор 23 и блок 24 регистрации и индикации и блок 22 регулирования полосы пропускания фильтров. Модулятор и преобразователь 8 размещены внутри приемника на акустической оси с входным акустически прозрачным окном камеры 2. В многоканальном варианте выполнения устройство включает один или несколько дополнительных каналов, преобразователи 8 которых размещены в корпусе приемника 1, 11 - 13 - 23; 15 - 13. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской и ветеринарной технике и может быть использовано для неинвазивного измерения глубинной температуры в теле человека и животных.

Известны контактные и бесконтактные устройства для неинвазивного измерения температуры тела человека и животных, использующие собственное электромагнитное излучение этих объектов. Большую глубинность обеспечивает СВЧ-радиометрия, использующая прием собственного электромагнитного излучения тела человека либо животного в диапазоне дециметровых волн (3-60 см) [1] Можно регистрировать сигналы изменения температуры с глубины 2-3 см, применяя контактную антенну-аппликатор, однако из-за большого размера приемной антенны пространственная разрешающая способность устройств невелика.

Преодолеть недостатки измерения глубинной температуры, связанные с малой глубинностью или низкой разрешающей способностью можно, если использовать регистрацию другого типа собственного теплового излучения тела акустического в мегагерцевом диапазоне частот.

Известно устройство для дистанционного измерения температуры, использующее пассивную регистрацию теплового акустического излучения и содержащее преобразователь-датчик акустического излучения, который включен на вход анализатора спектра. Таких каналов может быть несколько. Устройство также содержит источник шума, например нагреваемое сопротивление, с которым может производиться сравнение принимаемого акустического сигнала и который позволяет тем самым производить абсолютную калибровку температуры [2] Устройство имеет следующие недостатки: дрейф параметров преобразователя во времени, что делает невозможным с достаточной точностью измерение температуры тела; собственные тепловые шумы преобразователя и их изменение при изменении его температуры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является акустический термометр, реализующий модуляционный принцип регистрации теплового акустического излучения [3] Устройство содержит приемник акустического излучения с камерой модулятора, заполненной иммерсионной жидкостью, систему синхронного детектирования, включающую последовательно соединенные высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор, синхронный детектор, фильтр низких частот, а также измеритель температуры камеры модулятора, блок регистрации и индикации, причем вход системы синхронного детектирования подключен к выходу приемника акустического излучения, содержащего последовательно установленные на акустической оси входное акустически прозрачное окно, обтюратор, снабженный датчиком его положения, подключенным к опорному входу синхронного детектора, и преобразователь акустического излучения в электрический сигнал.

Однако известный акустический термометр имеет недостаточную точность, поскольку не позволяет исключить влияние отражений на границе раздела датчик-тело, что дает значительные ошибки в определении абсолютного значения глубинной температуры тела; не измеряет термодинамическую температуру поверхности исследуемого тела, что затрудняет выбор оптимального режима работы системы; может вызывать сильные физиологические реакции при прикосновении приемника к телу, что может исказить значения измеряемой глубинной температуры; снабжен лишь одним преобразователем акустического излучения, что делает невозможным при одиночном измерении рассчитать распределение температуры в глубине тела.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения глубинной температуры, получаемой путем регистрации теплового акустического излучения, выходящего из тела человека или животного.

Это достигается тем, что в акустический термометр дополнительно введены термостабилизатор камеры модулятора с задатчиком температуры и исполнительным элементом, измеритель температуры поверхности исследуемого объекта и сумматор, при этом выход измерителя температуры камеры модулятора подключен к первому управляющему входу термостабилизатора камеры модулятора и к одному из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, выход измерителя температуры поверхности объекта подключен к второму управляющему входу термостабилизатора камеры модулятора, а выход сумматора подключен к входу блока регистрации и индикации, причем исполнительный элемент термостабилизатора камеры модулятора находится в тепловом контакте с иммерсионной жидкостью.

В частных случаях выполнения устройство может дополнительно содержать блок регулирования полосы пропускания фильтров и выполняться многоканальным для получения пространственного распределения температуры в исследуемом объекте.

В предложенном устройстве реализуется модуляционный принцип регистрации теплового акустического излучения, для чего на один и тот же преобразователь поочередно подаются акустические сигналы от исследуемого тела и от другого тела с известной температурой, а разностный сигнал, пропорциональный разности абсолютных температур тела и эталона, выделяется путем синхронного детектирования. Такой прием позволяет уменьшить влияние дрейфов преобразователя и предусилителя и резко повышает пороговую чувствительность акустического термометра.

В изобретении для того, чтобы дополнительно уменьшить дрейфы преобразователя, применена термостабилизация преобразователя. Для уменьшения влияния отражений от поверхности тела на измеряемое значение глубинной температуры, температуры преобразователя и среды, через которую он контактирует с телом, сделаны равными. Эта температура принята близкой к термодинамической температуре измеряемого тела и может либо задаваться извне, либо управляться в соответствии с температурой поверхности объекта. Для обеспечения термостабилизации в акустический термометр введены система измерения термодинамических температур тела, а также система термостабилизации.

Используя датчики, настроенные на разные частоты, которым соответствуют разные глубины, с которых принимается акустическое излучение из глубины исследуемого тела, можно решить обратную задачу: найти пространственное распределение термодинамических температур по набору "акустических" температур, измеренных несколькими акустическими термометрами. Этот результат можно также получить, применяя несколько преобразователей, ориентированных по-разному относительно поверхности тела.

Акустический термометр может включать электронно-вычислительную машину, состоящую из интерфейса, клавиатуры, монитора, процессора и регистрирующего устройства. В этом случае ЭВМ может выполнять те же функции, которые описаны выше, кроме того, с ее помощью можно использовать более сложные алгоритмы обработки данных акустической температуры и более сложные алгоритмы управления температурой модулятора, например не по температуре поверхности тела, а по более сложной временной зависимости от этой величины.

На фиг.1 приведена схема акустического термометра; на фиг.2 схема выполнения акустического термометра многоканальным.

Акустический термометр (фиг.1) содержит приемник 1 акустического излучения в виде корпуса с камерой 2 модулятора, заполненной иммерсионной жидкостью 3 и снабженной входным акустически прозрачным окном, выполненным, например, из тонкой пленки высокомолекулярного полимера. На акустической оси с окном 4 в полости камеры 2 размещен модулятор в виде обтюратора 5, снабженный датчиком 6 его положения. Обтюратор имеет привод 7, размещенный вне камеры 2 модулятора. Кроме основной своей функции прерывания акустического сигнала от объекта он также выполняет функции мешалки иммерсионной жидкости в термостате. На акустической оси в противоположной стенке камеры 2 модулятора размещен преобразователь 8 акустического излучения в электрический сигнал.

Преобразователь 8 может иметь согласующие и защитные слои 9. Внутри камеры 2 размещены датчик 10 измерителя 11 температуры камеры модулятора и исполнительный элемент 12 термостабилизатора 13 камеры модулятора. На внешней поверхности камеры 2 в непосредственной близости от акустически прозрачного окна 4 размещен датчик 14 измерителя 15 температуры поверхности исследуемого объекта 16.

С преобразователем 8 последовательно соединены высокочастотный полосовой фильтр 17, квадратичный детектор 18, синхронный детектор 19 и фильтр 20 низких частот, образующие систему 21 синхронного детектирования. Для изменения ширины полосы пропускания фильтров 17 и 20 имеется блок 22 регулирования полосы пропускания. На второй опорный вход синхронного детектора 19 подается опорный сигнал от датчика 6 положения обтюратора. Выход фильтра 20 подключен к одному из входов сумматора 23, к второму его входу подсоединен выход измерителя 11 температуры камеры модулятора. Этот же сигнал поступает и на первый управляющий вход термостабилизатора 13 камеры модулятора. Для осуществления режима термостабилизации модулятора по температуре поверхности исследуемого тела выход измерителя 15 температуры поверхности объекта подключен к второму управляющему входу термостабилизатора 13 камеры модулятора. Представление и запись информации об измеряемых параметрах осуществляется в блоке 24 регистрации и индикации. На вход этого блока подается сигнал с выхода сумматора 23, а также сигналы о температуре камеры модулятора и поверхности объекта с соответствующих измерителей 11 и 15.

Акустический термометр, реализующий многоканальный прием, содержит один или несколько дополнительных измерительных каналов, каждый из которых включает размещенный в корпусе приемника 1 преобразователь 8', последовательно соединенные с преобразователем высокочастотный полосовой фильтр 17', квадратичный детектор 18', синхронный детектор 19', фильтр 20' низких частот, блок 22' регулирования полосы пропускания фильтров, сумматор 23' и блок 24' регистрации и индикации.

Блоки 24 (24') размещены в одном корпусе, образуя общий блок 25.

Особенностью выполнения многоканального акустического термометра является управление системами синхронного детектирования от одного и того же датчика 6 положения обтюратора. То же касается и сумматоров 23 (23'), на вторые управляющие входы которых поступает одинаковый сигнал от измерителя 11 температуры камеры модулятора, поскольку все преобразователи 8 (8') находятся в одинаковых температурных условиях вследствие соприкосновения с одной и той же термостатирующей жидкостью 3.

Акустический термометр (фиг.1) работает следующим образом.

Шумовой акустический сигнал, интенсивность которого пропорциональна абсолютной температуре, из глубины исследуемого объекта 16, например от опухоли 26, через акустически прозрачное окно 4 попадает внутрь камеры 2 модулятора и распространяется по иммерсионной жидкости 3 в сторону преобразователя 8.

Если обтюратор 5 находится в открытом состоянии, этот сигнал попадает на преобразователь 8 и преобразуется в нем в электрический сигнал. Если обтюратор 5 находится в закрытом состоянии, на вход преобразователя 8 попадает тепловое акустическое излучение из камеры 2 модулятора. Электрическое напряжение, генерируемое преобразователем 8 в каждую из фаз положения обтюратора 5, подается на вход системы 21 синхронного детектирования. Одновременно с вращением обтюратора 5 датчик 6 положения обтюратора вырабатывает опорный сигнал. Электрический сигнал с его выхода имеет форму меандра, положительная фаза которого соответствует определенному положению обтюратора 5, например открытому. Этот сигнал подается на второй вход синхронного детектора 19.

В системе 21 синхронного детектирования сигнал проходит через высокочастотный полосовой фильтр 17, детектируется в квадратичном детекторе 18. Поскольку квадрат напряжения пропорционален квадрату акустического давления, т. е. интенсивности звука, которая пропорциональна абсолютной температуре, электрически сигнал на выходе квадратичного детектора 18 пропорционален абсолютной температуре исследуемого объекта 16 или отличается от нее, если исходит из какого-либо участка тела с иной температурой, например из опухоли 26, если обтюратор 5 открыт, и абсолютной температуре модулятора, если обтюратор 5 закрыт. Напряжение с выхода квадратичного детектора 18 продается на первый вход синхронного детектора 19. На выходе синхронного детектора 19 напряжение пропорционально разности абсолютных температур исследуемого объекта 16 и модулятора. Оно подается на вход фильтра 20 низких частот, с его выхода сигнал подается на первый вход сумматора 23.

Чтобы получить абсолютную температуру исследуемого объекта 16, нужно полученную на выходе синхронного детектора 19 разность температур сложить с напряжением, пропорциональным температуре модулятора. Его получают следующим образом. Датчик 10 измеряет температуру иммерсионной жидкости 3 в камере модулятора, и сигнал с него подается на вход измерителя 11, с выхода последнего напряжение подается на второй вход сумматора 23. Таким образом, на выходе сумматора 23 вырабатывается электрическое напряжение, пропорциональное глубинной температуре исследуемого объекта 16, которое поступает на вход блока 24 регистрации и индикации.

Постоянная температура модулятора поддерживается с помощью термостабилизатора 13 камеры модулятора. На его первый вход поступает напряжение с выхода измерителя 11 температуры камеры модулятора, а на второй вход электрическое напряжение с выхода измерителя 15 температуры поверхности объекта. Первое из этих напряжений представляет собой сигнал обратной связи, несущий информацию о температуре жидкости 3 в камере модулятора, второе напряжение несет информацию о температуре поверхности объекта 16.

В предлагаемом устройстве обеспечивается несколько режимов термостабилизации, выбираемых в блоке 13 термостабилизатора камеры модулятора: по температуре, задаваемой специальным задатчиком температуры (не показан), либо по температуре поверхности измеряемого объекта 16.

При работе в режиме термостабилизации по температуре поверхности объекта управление термостабилизатора 13 камеры модулятора осуществляется напряжением, снимаемым с выхода измерителя 15 температуры поверхности тела.

Диапазон рабочих температур модулятора составляет 27-42^оС. Термостабилизатор 13 камеры модулятора вырабатывает сигнал, подаваемый на исполнительный элемент 12. В качестве такового использовали транзистор КТ 852. Если температура жидкости 3 ниже заданной, то через транзистор пропускается электрический ток и он подогревается сам и подогревает жидкость 3 до тех пор, пока не устанавливается заданное значение температуры. После этого подаваемое на него напряжение убирается. Если же вследствие каких-либо причин температура жидкости 3 оказывается выше заданной, то ток через исполнительный элемент 12 падает до нуля, он перестает нагреваться и происходит остывание жидкости 3 за счет теплообмена с окружающей средой. Таким образом стабилизируется температура модулятора. В качестве исполнительного элемента 12 может быть использовано устройство, позволяющее как нагревать, так и охлаждать жидкость 3, например элемент Пельтье.

Температура поверхности объекта и/или температура модулятора контролируются с помощью блока 24 регистрации и индикации.

Регулирование полосы пропускания обоих фильтров 17 и 20 осуществляются блоком 22. Он содержит два автономных регулятора. Один из них регулятор полосы пропускания полосового фильтра 17 изменяет чувствительность акустотермометра и глубину, с которой он принимает акустическое излучение. Сужение полосы уменьшает чувствительность акустотермометра, выбор более низкочастотной полосы пропускания увеличивает глубинность прибора, поскольку при этом регистрируется более низкочастотное тепловое акустическое излучение. Регулятор полосы фильтра 20 низких частот определяет время интегрирования акустотермометра и тем самым его чувствительность, а также разрешающую способность во времени. Увеличение времени интегрирования, как известно, увеличивает пороговую чувствительность акустического термометра.

Таким образом, для получения информации о глубоких слоях необходимо выбрать более низкочастотную полосу пропускания полосового фильтра 17. Для получения максимальной чувствительности по температуре при заданной глубинности акустического термометра необходимо максимально сузить полосу пропускания фильтра 20 низких частот.

Чтобы зарегистрировать быстропротекающие процессы, необходимо выбрать более широкую полосу пропускания фильтра 20 низких частот (это, однако, неизбежно приводит к снижению пороговой чувствительности акустического термометра).

В варианте, рассчитанном на применение компьютера (функциональная схема не приводится), выходные и входные сигналы, подаваемые в блок 24 (25) регистрации и индикации, заводятся в компьютер через интерфейс. С клавиатуры компьютера в процессор подаются команды на регулировки полос пропускания фильтров в блок 22, команды начала и конца измерений, выдачи зарегистрированных сигналов на монитор и на принтер. В этом случае ЭВМ может выполнять те же функции, которые описаны выше, а кроме того, с ее помощью можно использовать более сложные алгоритмы обработки данных акустической температуры и более сложные алгоритмы управления температурой модулятора, например не по температуре поверхности тела, а по более сложной временной зависимости от этой величины. С помощью соответствующих программ можно производить временную фильтрацию, сглаживание, построение гистограмм, построение корреляционных зависимостей глубинной температуры и температуры поверхности тела, каталогизацию данных производить решение обратных задач по различным алгоритмам.

Функционирование многоканального акустического термометра (фиг.2) принципиально не отличается от описанного выше одноканального варианта. Тепловой акустический сигнал принимается несколькими преобразователями 8; каждый из которых подключен к своей системе синхронного детектирования и своему сумматору 23'. На выходе каждого из сумматоров 23' появляется сигнал "акустической" температуры, измеряемый соответствующим преобразователем в зависимости от той частоты, на которую он настроен и от той ориентации акустической оси чувствительности, которую он имеет относительно поверхности исследуемого объекта 16. Сетка диаграмм направленности нескольких преобразователей позволяет одновременно производить измерения глубинной температуры с разных точек поверхности исследуемого объекта и по разным направлениям в глубине его в зависимости от ориентации преобразователей, а также частот, на которые они настроены. Тем самым открывается возможность определения пространственного распределения температуры на разных глубинах путем решения соответствующей обратной задачи.

В качестве преобразователя может быть использован пьезокерамический, волоконно-оптический или иной преобразователь. Обтюратор может быть выполнен в виде диска с отверстиями из паронита либо другого материала с высокой механической прочностью, обладающего сильным поглощением ультразвуковых волн в диапазоне частот 1-10 МГц, он приводится во вращение с помощью электромотора ДПМ-25-Н1-02. Датчик 6 положения обтюратора может быть выполнен в виде тахогенератора либо в виде оптронной пары. В качестве регистратора использовался двухкоординатный самописец "Endim" с временной разверткой. Чувствительность шкалы самописца блока 24 регистрации и индикации составляла 400 мВ/град, цена деления временной шкалы 50 с/см.

В качестве регистрирующего устройства можно использовать различные одно-, двух- и трехканальные регистраторы либо компьютер.

Изобретение позволяет измерить изменение интегральной температуры в глубине сокращающейся мышцы человека, составляющее около 1^оС с точностью 0,14^оС при времени интегрирования 45 с и средней частоте акустического шумового сигнала 2 МГц.

Формула изобретения

1. АКУСТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий приемник акустического излучения в виде корпуса с камерой модулятора, заполненной иммерсионной жидкостью и снабженной входными акустически прозрачным окном, размещенные внутри приемника последовательно на акустической оси с окном модулятор с датчиком его положения и преобразователь акустического излучения в электрический сигнал, последовательно соединенные с преобразователем высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор, синхронный детектор, подключенный своим опорным входом к датчику положения модулятора, фильтр низких частот, а также измеритель температуры камеры модулятора и блок регистрации и индикации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены термостабилизатор камеры модулятора с задатчиком температуры и исполнительным элементом, измеритель температуры поверхности исследуемого объекта и сумматор, при этом выход измерителя температуры камеры модулятора подключен к первому управляющему входу термостабилизатора камеры и к одному из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, выход измерителя температуры поверхности объекта подключен к второму управляющему входу термостабилизатора камеры модулятора, а выход сумматора подключен к входу блока регистрации и индикации, причем исполнительный элемент термостабилизатора камеры модулятора находится в тепловом контаке с иммерсионной жидкостью.

2. Термометр по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен блок регулирования полосы пропускания фильтров, выходы которого подключены к соответствующим входам высокочастотного полосового фильтра и фильтра низких частот.

3. Термометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он содержит один или несколько дополнительных измерительных каналов, каждый из которых включает в себя размещенный в корпусе приемника акустического излучения преобразователь акустического излучения в электрический сигнал, последовательно соединенные с преобразователем высокочастотный полосовый фильтр, квадратичный детектор, синхронный детектор и фильтр низких частот, сумматор и блок регистрации и индикации, а также блок регулирования полосы пропускания фильтров, при этом опорные входы синхронных детекторов всех измерительных каналов и первые входы их сумматоров объединены, а выходы сумматоров дополнительных измерительных каналов подключены к входам соответствующих блоков регистрации и индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2