Многочастотный радиотермограф

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения радиотеплового излучения тел, в частности, в медицине, для измерения температурного поля внутренних тканей человека. Технический результат состоит в обеспечении изучения температурных полей в теле человека и их динамических изменений, возникающих при различных воздействиях и вследствие заболеваний. Для этого радиотермограф, содержащий N антенн одного диапазона частот, соединенных с N СВЧ-выключателями, N датчиков температуры, циркулятор, термостат, согласованную нагрузку, находящуюся в тепловом контакте с термостатом и подключенную к циркулятору, радиометрический приемник, содержит (k-1)N антенн дополнительных диапазонов частот, где k - число диапазонов частот радиотермографа, k генераторов шума, (k-1)×N+k дополнительных СВЧ-выключателей, (k-1)×N дополнительных датчиков температуры, (k-1) дополнительных циркуляторов, (k-1) дополнительных многоканальных измерителей температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и блок регистрации и индикации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения радиотеплового излучения тел, в частности, в медицине для измерения температурного поля внутренних тканей человека.

Основной задачей радиотермографа является определение температуры некоторого объема человеческого тела, определяемого глубиной проникновения СВЧ-энергии и диаграммой направленности антенны. Для эффективного приема сигналов антенны, устанавливаемые на интересующей исследователя области тела человека, должны быть согласованными по импедансу (волновому сопротивлению) с телом человека. На практике идеального согласования антенн с телом человека достичь не удается, что приводит к дополнительным погрешностям измерения радиояркостной температуры.

Известны многоканальные радиотермографы, например радиотермограф совместной разработки Института электроники Академии наук Болгарии и ИРЭ АН СССР (см. Экспресс-информация. Радиоэлектроника за рубежом, М., НИИЭИР, 1990, вып.5, с.21). Известный многоканальный радиотермограф содержит последовательно соединенные циркулятор, усилитель высокой частоты, полосовой фильтр, детектор, делитель низкой частоты и процессор.

Недостатком этого устройства является большая погрешность измерения радиотеплового излучения объекта.

Наиболее близким к данному техническому решению является многоканальный радиотермограф (см. RU 2085957, кл. G01R 29/08, 27.07.1997), содержащий N антенн, соединенных с N СВЧ-выключателями, N датчиков температуры, циркулятор, термостат, согласованную нагрузку, находящуюся в тепловом контакте с термостатом и подключенную к циркулятору, радиометрический приемник.

Недостатками указанного многоканального радиотермографа являются: недостаточная точность измерения радиояркостных температур тела человека, обусловленная тем, что в процессе измерений радиояркостных температур не учитывается рассогласование импедансов антенн и участков тела человека. Отсутствие контроля термодинамических температур поверхности исследуемых участков тела человека не позволяет определить вклад температурного градиента в измеренное значение радиояркостной температуры. Зондирование в одном диапазоне частот делает невозможным измерение радиояркостых температур, соответствующих разной глубине, и тем самым затрудняет определение истинных размеров патологий исследуемых участков тела.

Недостатком указанного радиотермографа является также отсутствие контроля в процессе измерений степени согласования антенн и коэффициента шума радиометрического приемника.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании многочастотного радиотермографа, позволяющего в процессе измерения радиояркостной температуры участков тела человека автоматически учитывать степень рассогласования антенн с телом человека, контролировать термодинамические температуры поверхности исследуемых участков тела человека, что позволяет определить вклад температурного градиента в измеренное значение радиояркостной температуры при одновременном зондировании в нескольких диапазонах частот и тем самым повысить точность измерений и обеспечить определение истинных размеров патологий исследуемых участков тела по глубине.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается также в создании многочастотного радиотермографа, позволяющего в процессе измерения радиояркостной температуры контролировать степень согласования антенн и коэффициент шума радиометрических приемников.

Указанный технический результат достигается тем, что радиотермограф, содержащий N антенн одного диапазона частот, соединенных с N СВЧ-выключателями, N датчиков температуры, циркулятор, термостат, согласованную нагрузку, находящуюся в тепловом контакте с термостатом и подключенную к циркулятору, радиометрический приемник, содержит (k-1)N антенн дополнительных диапазонов частот, где k - число диапазонов частот радиотермографа, k генераторов шума, (k-1)×N+k дополнительных СВЧ-выключателей, (k-1)×N дополнительных датчиков температуры, (k-1) дополнительных циркуляторов, (k-1) дополнительных многоканальных измерителей температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и блок регистрации и индикации, причем антенны дополнительных диапазонов частот соединены соответственно с первыми (k-1)×N дополнительными СВЧ-выключателями, выходы каждых N из первых kN СВЧ-выключателей, соединенных с антеннами одного и того же диапазона частот, соединены между собой и подключены соответственно к первым входам циркуляторов, согласованные нагрузки подключены соответственно к вторым входам циркуляторов, выходы циркуляторов подключены соответственно к входам радиометрических приемников, генераторы шума подключены соответственно к вторым k дополнительным СВЧ-выключателям, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, дополнительные согласованные нагрузки, циркуляторы, генераторы шума и радиометрические приемники находятся в тепловом контакте с термостатом, датчики температуры находятся в тепловом контакте с антеннами и подключены к входам многоканального измерителя температуры, выход которого подключен к первому входу контроллера, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, выходы радиометрических приемников соединены через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к второму входу контроллера, а блок регистрации и индикации подключен к контроллеру.

Указанный технический результат достигается также тем, что блок регистрации и индикации содержит k×N индикаторов рассогласования антенн и k индикаторов коэффициентов шума радиометрических приемников.

Используемый в изобретении метод неинвазивного измерения температуры тканей основан на регистрации собственного теплового излучения тканей в микроволновом диапазоне частот. Это позволяет измерять излучение, выходящее с глубины до нескольких сантиметров, интенсивность которого определяется абсолютной температурой в этом слое ткани. Съем информации осуществляется посредством контактных антенн, установленных на поверхности тела. Прибор регистрирует электромагнитное излучение, пропорциональное радиояркостной температуре, т.е. связанное с физической температурой тканей и степенью поглощения электромагнитных волн в них. Указанный метод, в частности, применяется для исследований в онкологии. Эффективность выявления патологий тканей повышается при использовании глюкозного теста, при котором происходит значительный разогрев в области, где расположена опухоль или ее метастазы. Эта методика основана на экспериментально доказанной теории повышения углеводного обмена в злокачественных опухолях.

Наблюдение динамики изменений тепловых полей позволяет обойти ряд сложностей, возникающих в радиодиапазоне и связанных с измерением абсолютных температур тела человека при оценке воздействия физиологической пробы. Влияние внешних факторов и, следовательно, функционирование отдельных областей организма, отличающихся уровнями кровотока и метаболизма тканей, оцениваются по сопоставлению временных характеристик изменения теплового излучения в различных точках наблюдаемого поля. Наблюдение динамики изменений тепловых полей позволяет обойти ряд сложностей, возникающих в радиодиапазоне и связанных с измерением абсолютных температур тела человека при оценке воздействия физиологической пробы. Используемый в изобретении метод эффективен также для изучения реакций коры головного мозга человека.

Основой радиотермографа является высокочувствительный радиометрический приемник, к входу которого подключаются антенны-аппликаторы. Антенны-аппликаторы устанавливаются на интересующей исследователя области тела или головы человека. Для эффективного приема сигналов антенны должны иметь хороший электродинамический контакт (малый коэффициент отражения) и быть согласованными по импедансу (волновому сопротивлению) с телом человека. Так как волновое сопротивление зависит от величины диэлектрической проницаемости вещества, а тело человека имеет усредненные значения диэлектрической проницаемости 40-60, то размеры антенн существенно уменьшаются относительно размеров для свободного пространства. Соответственно улучшается и разрешающая способность. Так, в частности, для длины волны в свободном пространстве 40 см длина волны в теле человека составляет 5-7 см. При этом можно получить разрешающую способность в 2,5-3,5 см.

Многочастотный радиотермограф позволяет снимать температурную информацию одновременно с нескольких точек на теле пациента (в соответствии с числом каналов) в нескольких диапазонах частот как с поверхности тела, так и с его глубинных структур, и строить "радиотепловые карты" - динамические распределения интенсивности радиотеплового излучения. Оценка физиологического состояния организма производится посредством анализа "радиотепловых карт" до функциональной нагрузки (фоновое состояние) и их изменений, вызванных воздействием физиологической пробы (глюкозный тест). Исследования с помощью многоканальной дециметровой радиометрии обеспечивают регистрацию радиотеплового излучения тканей с глубины до 2-4 см при работе по телу человека и до 1,5-2,5 см при исследованиях головного мозга. Реальная глубина исследования тепловых полей данным методом может быть существенно больше за счет теплопередачи в тканях тела, кроме того, увеличение температурного контраста в патологической области позволяет "видеть" информацию с больших глубин. При этом каждым каналом прибора регистрируется интегральное излучение из цилиндрической области, ограниченной в сечении апертурой антенны, что и определяет пространственное разрешение. Используя метод мультипликации при просмотре отснятых кадров можно отслеживать динамику изменения тепловых полей в опухоли.

На чертеже представлена структурная схема многочастотного радиотермографа, на которой приведены следующие обозначения:

1 - антенна;

2 - СВЧ-выключатель;

3 - датчик температуры;

4 - циркулятор;

5 - термостат;

6 - согласованная нагрузка;

7 - радиометрический приемник;

8 - генератор шума;

9 - многоканальный измеритель температуры;

10 - аналого-цифровой преобразователь;

11 - контроллер;

12 - блок регистрации и индикации;

13 - коммутатор.

Многочастотный радиотермограф работает следующим образом. Перед началом обследования k×N антенн многочастотного радиотермографа устанавливаются на интересующей исследователя области тела или головы человека. Антенны сгруппированы в пространстве таким образом, что в каждой группе присутствуют k антенн, соответствующих k диапазонам частот, например 43 см, 21 см и 10 см. Под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 включается первый СВЧ-выключатель 2, подключенный к первой антенне первой группы, при этом остальные СВЧ-выключатели находятся в выключенном состоянии. Излучение из глубины тела человека в радиочастотном диапазоне достигает раздела сред «тело человека - первая антенна» и, частично отражаясь, принимается первой антенной 1. Мощность принятого излучения пропорциональна так называемой радиояркостной температуре, по которой можно судить о глубинной термодинамической температуре.

Принятый шумовой сигнал из первой антенны 1 через первый выключатель 2 и первый циркулятор 4 поступает на вход первого радиометрического приемника 7. Одновременно мощность шума от согласованной нагрузки 6 через первый циркулятор 5 и первый СВЧ-выключатель 2 через первую антенну 1 попадает на раздел сред «первая антенна - тело человека», где, частично отражаясь, через первый СВЧ-выключатель 2 и циркулятор 4 добавляется к мощности шумового сигнала от тела человека и вместе с ней поступает на вход первого радиометрического приемника 7. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода первого радиометрического приемника 7 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов:

где К_ТР - обобщенный коэффициент передачи тракта усиления и обработки сигнала,

Т_ЧЕЛ - радиояркостная температура тела человека,

Т_ТЕРМ - температура термостата,

γ - коэффициент отражения мощности на границе раздела сред «тело человека - антенна 1»,

U₀ - константа, определяемая собственными шумами радиометрического приемника и параметрами детектора.

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 дополнительно к первому СВЧ-выключателю 2, подключенному к первой антенне первой группы, включается СВЧ-выключатель 2, подключенный к первому генератору шума. При этом остальные СВЧ-выключатели находятся в выключенном состоянии. Излучение из глубины тела человека в радиочастотном диапазоне достигает раздела сред «тело человека - первая антенна» и, частично отражаясь, принимается первой антенной 1. Мощность принятого шумового сигнала из первой антенны 1 через первый СВЧ-выключатель 2 и первый циркулятор 4 поступает на вход первого радиометрического приемника 7. Одновременно мощность шума от первого генератора шума 8 суммируется с мощностью шума первой согласованной нагрузки 6 и через циркулятор 4 и первый СВЧ-выключатель 2 попадает на раздел сред «первая антенна 1 - тело человека», где, частично отражаясь, через первый СВЧ-выключатель и первый циркулятор попадает на вход первого радиометрического приемника 7 и добавляется к шумовому сигналу от тела человека. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 7 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов мощности, которое может быть описано формулой:

где Т_ГШ - шумовая температура генератора шума.

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера выключаются первый СВЧ-выключатель 2 и СВЧ-выключатель 2, подключенный к первому генератору шума. Остальные СВЧ-выключатели находятся в также выключенном состоянии. При этом шумовой сигнал от первой согласованной нагрузки 6 через циркулятор 4 попадает на вход первого радиометрического приемника 7. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 7 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов мощности, которое может быть описано формулой:

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 включается СВЧ-выключатель 2, подключенный к первому генератору шума 8. При этом шумовой сигнал от согласованной нагрузки 6 суммируется с шумовым сигналом от первого генератора шума 8 и через первый циркулятор 4 поступает на вход первого радиометрического приемника 7. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 7 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов, которое может быть описано формулой:

Предварительная калибровка радиотермографа, т.е. выравнивание обобщенных коэффициентов передачи тракта усиления и обработки сигнала в каждом канале, производится путем установки всех антенн в жидкостной термостат 5, температура воды в котором поддерживается близкой к средней температуре тела человека, равной 36,6°С.

Из формул (1)-(4) при известных параметрах U_изм1, U_изм2, U_изм3, U_изм4, K_ТР, T_ТЕРМ, T_ГШ, U₀ следует, что

Это означает, что коэффициент отражения мощности на границе раздела сред «тело человека - первая антенна 1» полностью определяется по результатам четырех измерений, при этом автоматически учитывается степень рассогласования антенны с телом человека, за счет чего повышается точность измерения радиояркостной температуры.

Данные о значениях коэффициентов отражения антенн γ, вычисленные контроллером 12 по формуле (5), подаются на блок регистрации и индикации и отображаются на экране монитора. По величине измеренных коэффициентов отражения можно контролировать исправность антенн и правильность их установки на теле человека.

Сравнение измеренных значений коэффициентов отражения антенн с допустимым значением может быть произведено непосредственно контроллером. В этом случае индикация о неисправности каждой из антенн или ее некорректной установке на теле человека индицируется с помощью лампочки или светодиодного индикатора. Таким образом, блок регистрации и индикации 13 может содержать k×N индикаторов рассогласования антенн (не показаны).

Используя формулы (1)-(5), получаем:

Радиояркостная температура тела человека вычисляется контроллером 12 по формуле (6) при подстановке в нее четырех результатов измерений U_изм1, U_изм2, U_изм3, U_изм4 и известных параметров: Т_ТЕРМ, Т_ГШ.

Аналогичным образом последовательно во времени определяются радиояркостные температуры в других местах установки остальных антенн одного диапазона на теле человека.

Затем аналогичным образом последовательно во времени определяются радиояркостные температуры в местах установки антенн остальных k-1 диапазонов частот на теле человека.

Поскольку измеренное значение температуры тела в радиочастотном диапазоне определяется вкладом температуры поверхности тела, вкладом температурного градиента и вкладом температурной аномалии (при ее наличии), то для однозначного определения внутренней температуры тела необходимы данные о температуре поверхности тела в зоне измерения. Эти данные получают с помощью датчиков температуры 3. Антенны 1 имеют небольшие габариты и массу и располагаются непосредственно на теле человека. Поэтому датчики температуры, находящиеся в тепловом контакте с k×N антеннами 1, фактически измеряют термодинамические температуры поверхности тела человека в месте установки антенн. Контроллер 12 посредством порта, подключенного к многоканальному измерителю температуры 9, периодически опрашивает k×N датчиков температуры и вместе с вычисленными значениями глубинных температур передает эти значения по линии связи в блок регистрации и индикации 13.

Блок регистрации и индикации имеет в своем составе компьютер и монитор. Полученная информация архивируется в базе данных, при этом значения глубинных и поверхностных температур различных участков тела в k диапазонах частот индицируются на экране монитора псевдоцветами и в разных системах координат (по площади и по глубине). Компьютерная графическая обработка полученных данных в k диапазонах частот позволяет строить также трехмерные тепловые карты исследуемой области. Экранная информация периодически обновляется, например, раз в секунду.

Перед началом сеанса на экран дисплея выводится сменная маска исследуемой области тела или головы человека, в соответствии с которой устанавливаются антенны-аппликаторы; полученные от всех антенн сигналы интерполируются по поверхности исследуемого участка и результат интерполяции налагается на маску. Затем выбирается "кадр", относительно которого ведутся наблюдения за изменениями температурных полей до и после глюкозной нагрузки, и по нему выравнивают температуру. Таким образом, получаемые карты температурных полей показывают относительные изменения глубинной температуры в области пораженного органа.

По динамике изменения температур за некоторый промежуток времени, например 20 минут, в ответ на различные физиологические тесты, например глюкозный тест, по данным измеренных значений внутренних и поверхностных температур диагностируются различные заболевания и патологии, например злокачественные новообразования.

В соответствии с теорией электропроводности биологических тканей в их состав входят жидкие среды, в том числе электролиты. Известно, что поглощение радиоволн в жидких средах, а, следовательно, и в живых тканях человека уменьшается с увеличением длины волны. Это означает, что более длинным волнам в спектре собственного излучения тела человека соответствует большая глубина. Обработка полученных данных о радиояркостных температурах, полученных с помощью описанных выше измерений, одной и той же области тела, но в нескольких диапазонах частот дает информацию о размерах патологий тканей по глубине.

Основным параметром радиотермографа, определяющим его работоспособность, является чувствительность, которая выражается следующей формулой:

где α - коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы радиотермографа;

Т_ш - шумовая температура радиотермографа, К;

ΔF - полоса принимаемых частот, Гц;

Δf - полоса пропускания выходного фильтра, Гц.

Шумовая температура радиотермографа складывается из шумовой температуры антенны, шумовой температуры СВЧ-тракта до входа радиометрического приемника и шумовой температуры радиометрического приемника. Для повышения точности измерения радиояркостной температуры тела человека необходимо снижать шумовую температуру системы, которая в значительной степени определяется коэффициентом шума радиометрического приемника. Для повышения достоверности полученных измерений необходимо контролировать коэффициент шума радиометрического приемника и сравнивать его с допустимым значением.

Коэффициент шума F радиометрического приемника может быть вычислен по результатам измерения выходных шумовых сигналов U_изм3, U_изм4 при поступлении на его вход шума только от согласованной нагрузки и при подаче на вход радиометрического приемника суммарной мощности от согласованной нагрузки и генератора шума. Выходные сигналы в этих случаях описываются формулами (3) и (4). При этом используется стандартная методика автоматического измерения коэффициента шума четырехполюсника (см. Измерения в электронике. Справочник. Под ред. Доброхотова Б.А. Том.2, М. - Л., 1965, стр.111). Можно показать, что

В предлагаемом многочастотном радиотермографе контроллер вычисляет коэффициенты шума F радиометрических приемников, значение которых индицируется с помощью индикаторов, находящихся в блоке регистрации и индикации. Это дает оператору информацию об исправности приемников и тем самым повышает достоверность измерения радиояркостных температур.

В связи с тем, что диапазон измеряемых температур обычно не превышает 3°С, большое значение имеет стабильность параметров СВЧ-выключателей 2, 3, циркулятора 4, согласованной нагрузки 6, радиометрического приемника 7 и генератора шума 8, которая зависит от окружающей температуры. Поэтому для уменьшения погрешностей измерения радиояркостной температуры тела человека эти узлы многоканального радиотермографа размещены в термостате 5, температура которого поддерживается на уровне температуры тела человека, то есть близкой к 36,6°С. Поддержание заданной температуры термостата 5 осуществляется с помощью дополнительного датчика температуры (не показан), размещенного в термостате и подключенного к многоканальному измерителю температуры, и размещенного в термостате нагревательного элемента (не показан), включение и выключение которого осуществляется по команде контроллера.

В качестве микропроцессора в многочастотном радиотермографе может быть использован микроконтроллер типа AT89S8252 фирмы ATMEL, аналого-цифровой преобразователь AD 7818 фирмы ANALOG DEVICE или микроконтроллер семейства MCS-51.

В качестве многоканального измерителя температуры использовано устройство контроля температуры УКТ38-Щ4 фирмы «Овен», Россия.

Проведенные исследования показали большие диагностические возможности многочастотного радиотермографа, который позволяет изучать температурные поля в теле человека и их динамические изменения, возникающие при различных воздействиях и вследствие заболеваний.

1. Радиотермограф, содержащий N антенн одного диапазона частот, соединенных с N СВЧ-выключателями, N датчиков температуры, циркулятор, термостат, согласованную нагрузку, находящуюся в тепловом контакте с термостатом и подключенную к циркулятору, радиометрический приемник, отличающийся тем, что содержит (k-1)N антенн дополнительных диапазонов частот, где k - число диапазонов частот радиотермографа, к генераторов шума, (k-1)·N+k дополнительных СВЧ-выключателей, (k-1)·N дополнительных датчиков температуры, (k-1) дополнительных циркуляторов, (k-1) дополнительных многоканальных измерителей температуры, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и блок регистрации и индикации, причем антенны дополнительных диапазонов частот соединены соответственно с первыми (k-1)·N дополнительными СВЧ выключателями, выходы каждых N из первых kN СВЧ-выключателей, соединенных с антеннами одного и того же диапазона частот, соединены между собой и подключены соответственно к первым входам циркуляторов, согласованные нагрузки подключены соответственно к вторым входам циркуляторов, выходы циркуляторов подключены соответственно к входам радиометрических приемников, генераторы шума подключены соответственно к вторым дополнительным СВЧ-выключателям, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, дополнительные согласованные нагрузки, циркуляторы, генераторы шума и радиометрические приемники находятся в тепловом контакте с термостатом, датчики температуры находятся в тепловом контакте с антеннами и подключены к входам многоканального измерителя температуры, выход которого подключен к первому входу контроллера, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, выходы радиометрических приемников соединены через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к второму входу контроллера, а блок регистрации и индикации подключен к контроллеру.

2. Радиотермограф по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации и индикации содержит k·N индикаторов рассогласования антенн и к индикаторов коэффициентов шума радиометрических приемников.