Устройство для свч-исследований

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Кемитет Российской Федерации пе патентам и товарным знакам (21) 4930590/14 (22) 22.04.91 (46) 30.11.93 Бюл. Йв 43-44 (71) Воронежский научно-исследовательский институт связи (72) Жеребятьев АМ„Золотухин АВ.; Древаль АВ.;

Заллетин IO.B. (73) Воронежский научно-исследовательский институт связи ($4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ-ИССЛЕДОВАНИЙ (57) Устройство для СВЧ-исследований относится к медицине и может иаюльзоваться для изучения фазовой структуры сердечного цикла Цепь изобретения — повышение помехоустойчивости Устройство для СВЧ-исследований содержит лоследовательно соединенные задающий генератор (I>) и (u) Щ ЗЗН@ т (51) 5 А61В5 5

СВЧ-энергии улравляемый усилитель высокой частоты, управляющий вход которого соединен с выходом модулирующего генератора, аттенюатор, направленный ответвитель, передающую и приемную антенны, блок линейной обработки сигнала, первый амплитудный детектор, первый фильтр нижних частот, второй амллитудн вт детектор. последовательно соединенные элемент задержки и второй фильтр нижних частот соединен с первым входом сумматора, а через N частотных каналов, каждый из которых содержит лоследовательно соединенные лолосовой фильтр и детектор, соединен с другими входами сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрациц выход генератора соединен с входами блоков вращения антенн. 2 ип

2003280

Изобретение относится к области медицины, а именно к области медицинской диагностической техники. и может быть использовано для неинвазивного изучения фазовой структуры сердечного цикла в клинической, физиологической, спортивной и авиакосмической медицине, Известны кинетокардиографические и ультразвуковые устройства для неинвазивного изучения фазовой структуры сердечного цикла (Андреев Л.Б, и Андреева Н.Б.

Кинетокардиография, Ростов-на-Дону, изво Ростовского университета, 1971). Однако кинетокардиографические устройства не обеспечивают достаточной точности измерения длительностей диастолических фаз сердечного цикла. Кроме того, эта точность сильно зависит от места фиксации датчика на грудной клетке, свойств самой клетки, особенностей сердца, т.к, прохождение силового сигнала через грудную клетку сопровождается искажениями амплитудных и фазовых характеристик (Андреев Л.Б. и Баэаренко Н.А. Анализ искажений кинетокардиограммы, вызываемых прохождением силового импульса сердца через грудную клетку и способ их устранения. Кардиология, 1962, т. 2, М 4, с, 75 — 79. Fenton Т.R., Vas

R.À. А cinetic analysis of heart motion. 1.

Biomech., 1977, vol, 10, M- 11, р, 789 — 797).

Ультразвуковые локаторы требуют поиска и точного распознавания нескольких клапанов. При этом у 16-40 людей ультразвуковая локация Сердца и магистральных сосудов затруднена из-за эмфиземы легких, окостенения реберных хрящей и узости межреберных промежутков. Кроме того, амплитудно-фазовые характеристики даже близко расположенных сегментов миокарда существенно отличаются друг от друга, поскольку пространственная динамика сердца не носит простого концентрического движения, а имеет весьма сложный, асимметричный по амплитуде и фазе характер (Сафонов lO,Ä. Фазовый анализ сердечного цикла у человека по ультразвуковой доплервальвулографии. Физиологический журнал

СССР, 1968, т, 54, N- 1, с. 113 — 119). Это снижает точность ультразвукового измереф ния длительностей фаз, быстрого изгнания и наполнения желудочков сердца.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому решению является устройство для СВЧ-исследований (1).

Однако прототип имеет недостаточно высокую помехоустойчивость. Так, он, воспринимает сигналы, попадающие иэ передатчика в приемник не только через исследуемый объект, а и сторонними путями. Сигналы, проходящие сторонними путями, являются помехами, Целью изобретения является увеличеwe помехоустойчивости.

Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор СВЧэнергии, управляемый усилитель высокой частоты, управляющий вход которого соединен с выходом модулирующего генератора, аттенюатор, направленный ответвитель, передающую и приемную антенны, блок линейной обработки сигнала, первый амплитудный детектор и первый фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого подключен к второму входу аттенюатора, второй вход направленного ответвителя соединен с входом второго амплитудного детектора, второй ФНЧ, блок регистрации, введены элемент задержки, вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора, а выход соединен с входом второго ФНЧ, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом блока регистрации, N частотных каналов, каждый из которых содержит соединенные последовательно полосовой фильтр и детектор, входы частотных каналов объединены и соединены с выходом второго амплитудного детектора, а выходы соединены с соответствующими входами сумматора, генератор, выход которого соединен с входами первого и второго устройств вращения диаграммы направленности.

35 При дополнительном поиске, проведенном авторами в соответствии с и, 52 Э3-1-74, не обнаружены объекты со сходными признаками отличительной части. Учитывая это, авторы считают, что предлагаемое решение

40 отвечает критерию "существенные отличия", Структурная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.

1, где введены следующие обозначения:

1 — задающий генератор СВЧ-энергии, 2 — управляемый усилитель высокой частоты, 3 — модулирующий генератор, 4 — аттенюатор, 5 — направленный ответвитель, 6— передающая антенна, 7 — приемная антен50 на, 8 — блок линейной обработки сигнала, 9 — первый амплитудный детектор, 10 — первый ФНЧ, 11 — второй амплитудный детектор, 12 — второй ФНЧ, 13 — блок регистрации, 14 — элемент задержки, 15—

55 сумматор, 16, 17 — устройство вращения диаграмм направленности. 18 — генератор, 19 — детектор, 20 — полосовой фильтр.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи. Устройство для СВЧ-исследований содержит последо2003280

55 вательно соединенные задающий генератор 1 СВЧ-энергии, управляемый усилитель

2 высокой частоты, управляющий вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 3, аттенюатор 4, направленный ответвитель 5, передающую 6 и приемную 7 антенны, блок линейной обработки сигнала

8, первый амплитудный детектор 9, первый

ФНЧ 10, выход которого подключен к второму входу аттенюатора 4, второй выход направленного ответвителя 5 соединен с входом второго амплитудного детектора 11, выход которого через соединенные последовательно элемент задержки 14 и второй

ФНЧ 12 соединен с первым входом сумматора 15, а через соединенные последовательно полосовые фильтры 20 и детекторы

19 соединены с входами сумматора 15, выход которого соединен с входом блока регистрации 13, выход генератора 18 соединен с входами первого 16 и второго 17 устройств вращения диаграммы направленности.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал с задающего генератора 1 СВЧ-энергии, промодулированный в усилителе 2 сигналом модулирующего генератора 3 проходит через управляемый аттенюатор 4 и излучается передающей антенной 6. Модуляция в усилителе" низкочастотным сигналом (f =300 кГц) используется в связи с тем, что спектр частот исследуемых процессов занимает полосу

0,1 — 20 Гц и его усиление в приемнике при малых уровнях сигналов целесообразно производить с использованием поднесущей, роль которой выполняет. сигнал модулирующего генератора 3.

Промодулированный по амплитуде в соответствии с деятельностью исследуемых органов сигнал принимается антенной 7 и поступает на вход блока 8 линейной обработки. Далее принятый сигнал детектируется амплитудным детектором 9, Отфильтрованная ФНЧ 10 низкочастотная составляющая подается на управляющий вход аттенюатора 4, регулировка затухания которого производится по принципу отрицательной обратной связи, Т.е. чем больше напряжение на выходе детектора 9, тем больше затухание аттенюатора 4 и меньше уровень мощности, излучаемой антенной 6 на пациента. Скорость регулирования этой мощности определяется полосой пропускания ФНЧ 10 (реально эта полоса равна

10 кГц) и выбирается существенно большей, чем скорость анализируемых процессов. При этом частота сигнала модулирующего генератора 3 (частота поднесущей) выбирается существенно выше ча5

50 стоты среза ФНЧ 10 (реально частота поднесущей не менее ЗОО кГц).

Таким образом. в соответствии с изменением затухания в анализируемых органах пациента с запаздыванием на 0,1 мс будет изменяться мощность, излучаемая антенной 6 на пациента, т,е. выходной уровень детектора 11, на который отводится в ответвителе 5 часть мощности, будет пропорционален величине затухания между приемной

7 и передающей 6 антеннами, Уменьшение излучаемой мощности начинается как только сигнал в приемной антенне 7 достигает уровня чувствительности приемной части устройства, состоящей из блоков 8, 9, 10. В дальнейшем уровень мощности в передающей антенне 6 меняется в соответствии с изменением затухания в исследуемом объекте, оставаясь при этом минимально достаточным для создания в приемной антенне 7 сигнала. соответствующего уровню чувствител ь ности.

Однако уровень мощности в передающей антенне 6 меняегся также и в coQTBOTствии с изменением затухания в посторонних объектах, находящихся в Непосредственной близости от рассматриваемого устройства для СВЧ-исследований, а также изменяется и в соответствии с присутствием или отсутствием этих объектов. Это объясняется наличием боковых лепестков в диаграммах направленности передающей 6 и приемной 7 антенн, при этом посторонние объекты играют роль ретрансляторов. Очевидно, что сигналы, попадающие в приемную антенну 7 не через исследуемый объект, являются помехами.

На фиг. 2, а показан полезный сигнал, регистрируемый блоком регистрации 13, при условии отсутствия помех; на фиг, 2, б показано как меняется затухание в постороннем обьекте. являющимся причиной появления помехи, при этом регистрирующий блок устройства-прототипа запишет сигнал, показанный на фиг. 2, в.

Рассмотрим, как осуществляется борьба с подобными помехами в предлагаемом устройстве. С помощью устройств вращения диаграммы направленности 16 и 17 осуществляется синхронное вращение вокруг оси, соединяющей центры раскрывов антенн 6 и 7, диаграмм направленности антенн 6 и 7. Частота вращения задается генератором 18 и вь1бирается порядка 200300 Гц. Вращение диаграммы направленности может осуществляться электрическим или механическим способом. При механическом вращении антенн 6, 7 в качестве генератора 18 может использоваться источник переменного напряжения. а в качестве уст2003280

30 тями.

55 роиств вращения диаграммы направленности 16 17 могут использоваться электродвигатели, частота вращения которых равна частоте генератора 18. Если посторонний объект не движется и его затухание постоянно, то в результате вращения диаграмм направленности на выходе передающей антенны 6 сигнал окажется промодулированным по амплитуде с частотой вращения

Fepaz (фиг. 2, r). Причиной появления модуляции с частотой вращения является отличие диаграмм направленности в ее поперечном сечении (т.е. перпендикулярном оси вращения) от круговой. Если поперечное сечение диаграммы направленности имеет один максимум и один минимум, то сигнал будет промодулирован с частотой

Рвращ, При поперечном сечении диаграммы направленности (два максимума, два минимума) сигнал будет промодулирован с частотой 2Рррдщ, При наличии и максимумов и N минимумов сигнал будет промодулирован с частотой МРвращ.

Другими словами, если диаграмма направленности в ее поперечном сечении отличается от круговой, то сигнал будет промодулирован несинусоидальным периодическим колебанием с частотой Fepa . Это колебание при разложении в ряд Фурье представляется суммой гармонических составляющих с частотами, кратными Fepaul

Цепочки из полосовых фильтров 20 и детекторов 19 служат для выделения этих состав. ляющих.

Если затухание в постороннем объекте изменяется по закону.фиг. 2, б, то сигнал с частотой вращения Р,р,щ. окажется промодулированным, как показано на фиг, 2, д, Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ-ИССЛЕДОВАНИЙ, содержащее последовательно соединенные задающий генератор СВЧ-энергии, управляемый усилитель высекой частоты, управляющий вход которого соединен с выходом модулирующего генератора, аттенюатор, направленный ответвитель, передающую и приемную антенны, блок линейной обработки сигнала, первый амплитудный детектор и первый фильтр нижних частот, выход которого соединен с вторым входом а тенюатора, второй выход направленного ответвителя соединен с входом второго амплитудного детектора, второй фильтр нижних частот, блок регистСигнал на выходе передающей антенны 6 при этом будет иметь вид как на фиг, 2, е. На выходе амплитудного детектора 11 выделяется огибающая этого сигнала. После ФНЧ вЂ” 12, не пропускающего колебания с частотами >ера ц и выше, сигнал будет иметь вид как показано на фиг, 2, в.

С выхода детектора 11 сигнал (фиг. 2, е) поступает на вход параллельно включенных цепочек полосовых фильтров 20 и амплитудных детекторов 19. Центральные частоты полосовых фильтров 20 равны Fepaul.

2Рвращ....., NFepa@. С помощью этих цепочек выделяется сигнал помехи (фиг. 2, ж), которым промодулированы частота вращения и ее гармоники. Полоса фильтра нижних частот детекторов 19 равна полосе ФНЧ 12.

Полярность детекторов 19 противоположна поля рности детектора 11. Элемент задержки 14 имеет время задержки, равное задержке сигнала в полосовых фильтрах 20.

Т.о, на сумматор 15 с выхода ФНЧ 12 поступает сигнал помехи, наложенный на полезный сигнал, а с выходов детекторов 19 поступает такой же по амплитуде сигнал помехи, но противоположный по фазе. floсле сложения на выходе сумматора 15 выделяется чистый полезный сигнал.

Итак, технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в более высокой помехоустойчивости, поскольку компенсируются сигналы, попадающие из передатчика в приемник сторонними пу(56) Авторское свидетельство

N. 1607773, кл, А 61 В 5/00. 1990, рации, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, введены элемент задержки, включенный между выходом второго амплитудного детектора и входом второго фильтра нижних частот, сумматор, N частотных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, входы каналов подключены к выходу второго амплитудного детектора, а выходы - к группе первых входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго ф ильтра нижних частот, а выход - с входом блока регистрации, а также генератор с подключенными к нему узлами поворота передающей и приемной антенн.

2003280