Антенна-аппликатор для измерения температуры внутренних тканей биологического объекта
Владельцы патента RU 2744537:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (RU)
Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к методу радиотермометрии, основанному на неинвазивном выявлении температурных аномалий внутренних тканей биологических объектов путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения. Задачей изобретения является создание антенны-аппликатора, которая позволяет повысить чувствительность радиотермометра, одновременно упростить изготовление антенны за счет исключения заполнения диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости материала. Антенна-аппликатор содержит отрезок волновода, имеющего один закрытый конец, контактирующий с биологическим объектом, и систему возбуждения электромагнитных волн, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра. В закрытом конце волновода прорезана щель, а возбуждающее устройство выполнено в виде коаксиального кабеля, соединенного внешним и внутренним проводниками с противоположными сторонами щели. Отрезок волновода заполнен воздухом. Щель выполнена в виде двух секторов, соединенных вершинами. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники. Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно к методу радиотермометрии, основанному на неинвазивном выявлении температурных аномалий внутренних тканей биологических объектов путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения.
Изобретение может быть использовано в медицинской технике в аппаратуре для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей, мониторинга их состояния, выявления температурных изменений и тепловых аномалий внутренних тканей, в диагностических комплексах для ранней диагностики онкологических заболеваний, и при создании приборов для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей и ранней диагностики онкологических заболеваний.
Одной из важных задач современной медицины является разработка способов диагностики заболеваний внутренних органов. Известно, что интенсивность электромагнитного излучения тканей в дециметровом диапазоне частот пропорциональна их температуре. Учитывая, что ткани человека в этом диапазоне относительно прозрачны, фиксируя их электромагнитное излучение, можно выявлять тепловые изменения на глубине нескольких сантиметров. В настоящее время для этих целей используется способ радиотермометрии, позволяющий неинвазивно измерять яркостную температуру тканей человека путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения. Очевидно, что интенсивность принимаемого сигнала зависит от диапазона рабочих частот, свойств среды, в которой производится измерение, размера теплового источника, глубины его расположения и, в значительной мере, от антенны-аппликатора, используемой для приема собственного электромагнитного излучения биологической ткани.
Для измерения температуры внутренних тканей биологических объектов в известных системах радиотермометрии применяются различные типы антенн-аппликаторов (Седанкин М.К. Антенны-аппликаторы для радиотермометрического исследования тепловых полей внутренних тканей биологического объекта. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Э. Баумана. 2013, 247 с.)
Широко используются вибраторные антенны, у которых вибраторы изготовлены из тонкой пружинной проволоки (Рахлин В.Л., Алова Г.Е. «Радиотермометрия в диагностике патологии молочных желез, гениталий, предстательной железы и позвоночника». Препринт №253, Горький, 1988, НИРФИ, 1988, с. 52).
Подобные антенны могут быть снабжены проводящими штырями, контактирующими с кожей человека, при этом высота l, количество n штырей и расстояние между ними определяется из соотношений n>(l/d), где, 0,75<l/d<1,4 (патент на изобретение РФ №2049424 на Устройство для приема собственного радиотеплового излучения тела человека, опубл. 10.12.1995 г.).
Такие антенны хорошо прилегают к телу, просты в изготовлении и, главное, они почти не влияют на температуру кожи пациента в процессе измерения. К сожалению, подобные антенны обладают низкой помехозащищенностью и высоким уровнем поглощения электромагнитного поля в коже.
Аналогичный недостаток имеют микрополосковые кольцевые антенны, используемые в гипертермии. (Bahl I.J., Stuchly S.S., Stuchly М.А. «А New Microstrip Radiator for Medical Applications», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-28, No. 12, Dec. 1980).
Особенностью контактных антенн-аппликаторов является характер распределения поля, создаваемого такими антеннами в режиме передачи, который играет существенную роль. В ближней зоне, т.е. на расстояниях порядка λсреды\2π и менее энергия электрического поля у антенн электрического типа, т.е. вибраторных антенн, выше чем у антенн магнитного типа. (Петросян В.И., Синицын Н.И., Елкин В.А. Антенны-аппликаторы для резонансной волновой КВЧ/СВЧ - радиоспектроскопии природных образований. // Биомедицинская радиоэлектроника. 1999, №8, с. 36-41., Ю.Е. Седельников, B.C. Кубланов, О.В. Потапова. Сфокусированные антенны-аппликаторы в задачах диагностической радиотермометрии. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. №7. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jul18/4/text.pdf
Недостатком антенн-аппликаторов в виде щелевых антенн, аналогичных полуволновому вибратору является наличие металлического экрана, а также трудность согласования в широкой полосе частот. Наилучшим является выполнение антенны, сочетающей свойства электрического и магнитного вибратора. Таковым является широкоугольный вибратор, представляющий собой самодополняющую структуру (Panchenko, В.А., Kublanov, V.S., Baranov, S.A., Borisov, V.I., Sedelnikov, Y.E. Antenna for contact microwave radiometers for monitoring of the brain microwave radiation // 2017 International Applied Computational Electromagnetic Society Symposium. Italy, ACES. 2017, pp. 118-121. Антенна представляет собой симметричный вибратор, плечи которого имеют форму секторов с углом раствора порядка 90 градусов.
Недостатком ее является наличие излучения (приема) с направлений противоположных обследуемому объекту. От этого недостатка свободна антенна согласно A.H. Barrett&Ph. С. Myers, "SubcutaneousTemperature: А methodofNoninvasiveSensing", Science, Nov. 14, 1975, vol. 190, pp. 669-671). Антенна выполнена в виде прямоугольного волновода, открытого с одного конца. Волновод заполняют диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости.
Наиболее близким аналогом заявленной антенны-аппликатора является антенна-аппликатор для неинвазивного определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта [патент на изобретение РФ 2407429, Кл. А61В 5/01, A61N 5/02, G01N 22/00, G01K 13/00, опубл. 27.12.2010 г.], содержащая отрезок волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом, систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную в волноводе между закрытым концом волновода и диэлектриком, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра, датчик температуры кожи, расположенный у открытого конца волновода, выполненный с возможностью передачи информации на вычислительное устройство. Это изобретение позволяет одновременно измерять внутреннюю температуру и температуру кожи. Основной недостаток прототипа состоит в том, что заполнение волновода диэлектриком приводит к снижению чувствительности радиотермометра с указанной антенной вследствие тепловых потерь в диэлектрике с высоким значением диэлектрической проницаемости. Кроме того, изготовление волновода, заполненного диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости, представляет технологические трудности.
Задачей изобретения является создание антенны-аппликатора, которая позволяет повысить чувствительность радиотермометра за счет исключения заполнения диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости материала и одновременно улучшить технологичность антенны (упрощение изготовления).
Технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей отрезок волновода, имеющего один закрытый и противоположный открытый или закрытый конец и систему возбуждения электромагнитных волн, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра, закрытый конец волновода, контактирующий с биологическим объектом, содержит щель, возбуждающее устройство, выполненное в виде коаксиального кабеля, соединенного внешним и внутренним проводниками с противоположными сторонами щели. Отрезок волновода заполнен воздухом. Щель выполнена в виде двух секторов, соединенных вершинами.
На фиг. 1 показана антенна-аппликатор для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биологического объекта. Антенна содержит отрезок волновода 1, имеющего один закрытый конец 2, щель 3 и коаксиальный кабель 4. Конец волновода, противоположный закрытому концу выполнен в виде металлической или диэлектрической пластины 5
На Фиг. 2 показано выполнение щели в закрытом конце волновода. 6 - закрытый конец волновода, 7 - щель, 8 - коаксиальный кабель
На Фиг. 3 и Фиг. 4 показаны расчетная модель антенны, выполненная в среде электродинамического моделирования.
На Фиг. 5 - приведен расчетный график согласования антенны
Антенна-аппликатор для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биологического объекта показана на Фиг. 1 Антенна содержит отрезок волновода 1, имеющего один закрытый конец 2, щель 3 и коаксиальный кабель 4. Конец волновода, противоположный закрытому концу выполнен в виде металлической или диэлектрической пластины 5
Щель с присоединенным устройством возбуждения показаны на Фиг. 2
Антенна-аппликатор выполняется с размерами широкой стенки волновода 1, выбранными равными (0.5…0.75) длины волны во внутренних тканях биологического объекта. Волновод 1 выполняется из электропроводящего металла, например, меди с серебряным или позолоченным покрытием с размерами широкой стенки волновода, с размерами выбранными равными (0.5…0.75) длины волны во внутренних тканях биологического объекта.
Коаксиальный кабель имеет жесткую внешнюю оплетку, выполняется с использованием готовых кабелей, например, типа SR- 085 или SR- 141
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Антенна-аппликатор устанавливается на теле пациента. Выход антенны-аппликатора присоединен к входу радиотермометра (на чертеже не показан), осуществляющего измерение интенсивности радиотеплового излучения биологического объекта. Электромагнитная энергия, поступающая от биологического объекта, поступает на щель 3. Затем электромагнитная энергия поступает в систему возбуждения в виде коаксиального кабеля 4 и далее подается на вход приемной системы радиотермометра для регистрации и измерения интенсивности. Прием внешних излучений волноводом со стороны, противоположной торцевой стенке 2 со щелью 3 отсутствует, т.к. волновод имеет размеры поперечного сечения меньше критических значений (см., например, Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн М.: Сов. Радио 1979 г).
Достижение поставленной задачи изобретения, а именно повышения чувствительности радиотермометра за счет исключения заполнения диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости материала и одновременного улучшения технологичности (упрощение изготовления) реализуется в заявляемом устройстве следующим образом. Мощность собственного радиотеплового излучения характеризуется яркостной температурой Тя. Шумовая температура реальной антенны с потерями определяется выражением:
ТА=ηТя+(1-η)Т0
где η - КПД антенны, Т0 - абсолютная температура антенны.
Потери в диэлектрике снижают КПД антенны. Как правило, потери в диэлектрике возрастают при увеличении диэлектрической проницаемости. В антенне прототипе значение диэлектрической проницаемости материала, заполняющего волновод, составляет величину в несколько десятков. Такими свойствами обладают, например, керамические материалы. Изготовление волновода с керамическим заполнением требует, как минимум, механической обработки его, причем с высокой точностью. В заявляемом устройстве волновод имеет поперечные размеры выполняемые равными (0.5…0.75) длины волны во внутренних тканях биологического объекта со значением диэлектрической проницаемости порядка 40…60, т.е. 0.1 длины волны в воздухе. (Указанные оценки основаны на использовании известных данных о параметрах биологических тканей Gabriel С., Gabriel S. And Corthout E. The dielectric properties of biological issues: I. Literature survey / UK, Phys. Med. Biol., 41, 1996.). Поперечные размеры волновода меньше критических значений. Распространения электромагнитной энергии в нем практически не происходит. Соответственно, отсутствуют тепловые потери и КПД имеет большее значение по сравнению с прототипом.
Соответственно, в режиме приема будет обеспечен более эффективный прием собственного радиотеплового излучения.
Для подтверждения достигаемой цели изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны-аппликатора. Моделировалась антенна со следующими геометрическими размерами и параметрами диэлектрического материала пластины и параметрами биологической среды:
- Длина антенны: 33.80 мм.
- Диаметр - 40 мм
- Частота расчета: 500…1000 МГц.
- Параметр среды: ε=50, σ=0,7 См/м.
Модель антенны приведена на Фиг. 3 и Фиг. 4.
На фиг. 5 представлены расчетные зависимости по согласованию антенны.
1. Антенна-аппликатор для неинвазивного определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта, содержащая отрезок волновода, имеющего один закрытый конец и противоположный открытый или закрытый конец и систему возбуждения электромагнитных волн, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра, закрытый конец волновода, контактирующий с биологическим объектом, содержит щель, возбуждающее устройство, выполненное в виде коаксиального кабеля, соединенного внешним и внутренним проводниками с противоположными сторонами щели.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отрезок волновода заполнен воздухом.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что щель выполнена в виде двух секторов, соединенных вершинами.
