Способ диагностики и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится преимущественно к экспериментальной биологии и физиологии. Способ включает формирование сигнала СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный сигнал, излучение последнего на участок объекта, прием отраженного сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии. При этом для излучения сигнала используют волновод круглого сечения, загруженный набором диэлектрических вставок, причем у измерительного сигнала сдвигают фазу на угол π, а у опорного - на угол π/2, а по результирующему сигналу определяют величину комплексной диэлектрической проницаемости участка объекта. Устройство содержит генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечего трехдецибельного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения, третье - с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного сигнала, имеющего фазовый модулятор. Оба тракта выполнены с возможностью подстройки длины пути проходящих по ним сигналов. Сдвиг фазы на π в тракте измерительного сигнала и на π/2 в тракте опорного сигнала позволяет существенно повысить точность измерения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится преимущественно к экспериментальной биологии и физиологии, а именно к методам и средствам определения физических параметров исследуемого объекта, например сельскохозяйственных и лабораторных животных и т.п.

В настоящее время несмотря на необходимость в знании механизмов взаимодействия электромагнитных излучений с биообъектами существуют большие трудности достоверной регистрации информации. Поскольку требование невмешательства в текущие метаболические процессы является обязательным для получения такого рода информации, для целостного организма является затруднительным осуществить точную регистрацию его физических параметров с целью диагностических исследований.

Так, известны способы диагностики, включающие регистрацию физических параметров объекта [1] В данном случае существующие прямые способы регистрации взаимодействия потока электромагнитного излучения с объектом не дают достоверной картины или очень сложны.

Также известны способы диагностики, включающие регистрацию отраженного потока электромагнитного излучения в ВЧ и СВЧ диапазоне (в области десятков и сотен мегагерц), по величине которого регистрируют физические параметры объекта [2, 3] Однако для получения достоверной информации ни волноводные, ни резонаторные, ни квазиоптические методы неприменимы в силу их жестких требований к исследуемым образцам и фиксации образцов в пространстве.

Наиболее близким к заявленному является способ диагностики, включающий формирование сигнала СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный сигнал, излучение последнего на участок объекта, прием отраженного сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии [4] В данном случае измеряется только параметр фазы, что недостаточно для получения достоверной информации об объекте, кроме того, в ряде случаев регистрация вообще не позволяет получить сколь-нибудь достоверные сведения.

Также известно устройство для диагностики, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечего трехдецибельного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения, третье с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое с волноводным трактом опорного сигнала, имеющего фазовый модулятор, причем оба тракта выполнены с возможностью подстройки длины пути проходящих по ним сигналов, при этом волноводный тракт измерительного сигнала имеет облучатель, соответствующий модулятор, связанный с генератором низкой частоты и каждый тракт снабжен соответствующим короткозамыкателем [4] которое является наиболее близким к заявленному. Недостатки устройства соответствуют недостаткам способа и не позволяют получить необходимую достоверность и точность регистрации.

Технической задачей изобретения является повышение точности экспрессного определения физического параметра-диэлектрической проницаемости испытуемого объекта.

Указанная цель относительно способа достигается тем, что для излучения сигнала используют волновод круглого сечения, заглушенный набором диэлектрических вставок, причем у измерительного сигнала сдвигают фазу на угол π, а у опорного на угол p/2, а по результирующему сигналу определяют величину комплексной диэлектрической проницаемости участка объекта.

А относительно устройства указанная цель достигается тем, что устройство снабжено циркулятором и каждый из трактов снабжен соответствующим волноводным трансформатором, при этом в тракте опорного сигнала волноводный трансформатор включен между четвертым плечом ответвителя и соответствующим модулятором, а в измерительном тракте циркулятор включен между третьим плечом ответвителя и облучателем, а также посредством соответствующего волноводного трансформатора подключен к соответствующему фазовому модулятору, при этом блок измерения выполнен в виде квадратичного детектора и синхронного измерителя, к соответствующему входу которого подключен выход генератора низкой частоты, кроме того, облучатель выполнен в виде волновода круглого сечения, заглушенного набором диэлектрических вставок.

При этом волновод круглого сечения заглушен с открытого конца набором диэлектрических дисков толщиной менее половины длины волны в диэлектрике, которые выполняют функцию трансформаторов сопротивления и подбираются так, чтобы облучатель при облучении материала с заданными близкими к ожидаемым для испытуемых материалов отражательными свойствами и диэлектрической проницаемостью был хорошо согласован.

Поиск, проведенный по патентной и технической литературе, показал, что заявленные совокупности относительно способа и устройства неизвестны, то есть они соответствуют условию патентоспособности изобретения "новизна". Поскольку способ реализуется на основе известных приемов, а устройство на основе известных узлов, то заявленное соответствует условию "промышленная применимость". А так как в результате использования заявленного имеет место более высокий результат, неочевидный для специалиста, то заявленное соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена блок-схема устройства для диагностики, то есть для реализации заявленного способа.

Устройство включает генератор радиочастотных электромагнитных колебаний, например, генератор СВЧ 1, трехдецибельный направленный ответвитель 2, имеющий по два развязанных входа (1, 2) и выхода (3, 4), квадратичный детектор 3, измерительный волноводный тракт, образуемый облучателем 4, циркулятором 5, волноводным трансформатором сопротивлений 6, модулятором 7 и короткозамыкающим поршнем 8, волноводный тракт опорного сигнала, в который входят соответствующий волноводный трансформатор сопротивлений 9, фазовый модулятор 10 и короткозамыкающий поршень 11. Генератор низкой частоты, выполненный в виде низкочастотного импульсного генератора управляющего напряжения 12, подключен к модулятору 7 и соответствующему входу синхронного измерителя 13 на частоте генератора управляющего напряжения 12. Измеритель 13 и детектор 3 образуют блок измерения. При этом выход генератора СВЧ связан с первым плечом (входом) направленного ответвителя 2, второе плечо которого (вход 2) сообщен со входом детектора 3. Третье плечо (выход 3) сообщено с циркулятором, а четвертое (выход 4) сообщено с трансформатором 9, а последний подключен к модулятору 10, на который подается управляющий ток (не показано). Последний сообщен с короткозамыкателем в виде короткозамыкающего поршня 11. В измерительном волноводном тракте облучатель 4 выполнен в виде волновода круглого сечения, заглушенного набором диэлектрических вставок (дисков) толщиной менее половины длины волны в диэлектрике, которые выполняют функцию трансформаторов сопротивления и подбираются так, чтобы облучатель был хорошо согласован с облучаемой поверхностью объекта. Так, облучатель может быть заглушен четвертьволновым лейкосапфировым диском, который герметизирует волновод и выполняет функцию трансформатора, понижая приведенную к его внутренней плоскости диэлектрическую проницаемость материала и уменьшая внутреннее отражение. Оставшуюся часть отраженного сигнала, не скомпенсированную диском, компенсируют вторым трансформатором, состоящим, например, из фторопластовой прослойки, параметры которой подбирают до полного согласования. Положение этой прослойки фиксируется пенопластовой прослойкой. Данный облучатель 4 при полном согласовании и синфазности поля в раскрыве по сравнению с прямоугольным волноводом имеет более низкий уровень поля на краях, что приводит к снижению краемых токов и повышению стабильности работы устройства. Циркулятор 5 посредством трансформатора 6 сообщен с модулятором 7, сообщенным также с короткозамыкателем 8 в виде короткозамыкающего поршня 8. При этом циркулятор 5, перестраиваемый волноводный трансформатор 6, модулятор 7 и короткозамыкающий поршень 8 обеспечивают фазовый сдвиг сигнала на угол π, а перестраиваемый волноводный трансформатор 9, модулятор 10 и короткозамыкающий поршень 11 обеспечивают сдвиг отраженного сигнала на p/2, причем в обоих трактах сигнал можно сдвигать как в плюс, так и в минус.

Способ при работе устройства реализуется следующим образом. Радиочастотные колебания от генератора 1 поступают на первый вход трехдецибельного направленного ответвителя и передаются через выходы 3 и 4 в тракты измерительного и опорного сигналов. В тракте измерительного сигнала они отводятся циркулятором 5 к фазовому модулятору отраженного сигнала, образуемому трансформатором сопротивления 6, модулятором 7 и поршнем 8. Настройка трансформатора 6 и положение поршня 8 подбирают так, чтобы при переключении управляющего напряжения от генератора 12 на модуляторе уровень отраженного сигнала остался неизменным, а происходило изменение его фазы на угол π. Фазовый модулятор модулирует измерительный сигнал низкочастотным напряжением генератора 12, и сигнал через циркулятор 5 подводится к облучателю 4, отражается от испытуемого материала и через циркулятор 5 возвращается обратно в направленный ответвитель 2. Опорный сигнал отражается от фазового переключателя в виде трансформатора 9, модулятора 10 и поршня 11, настроенного так, чтобы при переключении управляющего напряжения модулятора 10 (от внешнего или внутреннего блока, который не показан) уровень отраженного сигнала оставался неизменным и происходило смещение его фазы на угол p/2. Отраженные измерительный и опорный сигналы складываются в направленном ответвителе 2 и поступают на квадратичный детектор 3, снимаемый с последнего сигнал измеряется синхронным измерителем 13. Результаты измерений в зависимости от положения переключателя сдвига фаз опорного сигнала (имеется на модуляторе 10) соответствуют действительной или мнимой составляющей измеряемого показателя (диэлектрической проницаемости облучаемой зоны объекта). Дальнейший сигнал может быть обработан на компьютере (не показан) и представлен в виде статистически достоверных показателей.

В процессе исследований применялся облучатель с углом раскрыва лейкосапфирового диэлектрического клина порядка 20 градусов, частота источника сигнала была не менее 30 ГГц, а мощность сигнала не превышала нескольких микроватт на квадратный сантиметр, причем для частот около 60 ГГц согласующая вставка может быть выполнена в виде четвертьволновой пластинки, что существенно упрощает понятие о составе отраженного излучения. Само излучение из круглого волновода представляет собой более "мягкое" условие в смысле сохранения его энергии на основной частоте. Также необходимым в процессе исследования условием было то, что среда при регистрации должна быть в значительной степени неоднородной (квазиоднородной). Это требование вытекает из условия корректности представления получаемых результатов в форме численных значений электродинамических параметров исследуемого вещества, величин действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости. Таким требованиям в большей мере соответствуют жидкие среды, кожные покровы и т.д. Эксперименты проводились на животных. Регистрировался комплексный коэффициент отражения (ККО) и фаза отраженного сигнала, по величинам которых рассчитывались величины действительной и мнимой компонент комплексной диэлектрической проницаемости участка объекта, на который воздействовали сигналом (рассчет проводился с использованием известного формульного аппарата). Поскольку в результате экспериментов на животных имелась возможность последующего детального исследования требуемых тканей, то результаты экспериментов были подтверждены такого рода данными. Кроме того, следует учесть, что регистрация на соответствующей частоте может существенно отличаться от регистрации такого же параметра на другой частоте сигнала, то есть сравнение данных необходимо было проводить исходя из действующего диапазона частот.

Результаты экспериментов.

Для тарировки устройства предварительные исследования были проведены на воде, поскольку для такого рода объекта имеются многочисленные экспериментальные данные в многочисленных источниках информации. Так, при температуре воды 25^oС для частоты 60 ГГц величины действительно и мнимой компонент диэлектрической проницаемости составляли εʹ = 11,8 и εʺ = 22,0, что совпадает с известными для этого диапазона параметрами с точностью до 2% При такого рода клинических регистрациях подобная точность практически недостижима при использовании других методов и устройств или требует существенного увеличения аппаратного обеспечения.

Исследования, проведенные на коже, показали, что в зависимости от выбранного участка кожного покрова значение действительной компоненты диэлектрической проницаемости может изменяться от 4 до 10, а значение мнимой - от 3 до 15, что также успешно согласуется с известными из литературы параметрами. Аналогичные исследования, проведенные на пузырчатой желчи, показали, что такого рода параметр, как мнимая составляющая, является диагностическим параметром, и при значении данного параметра более 19 можно обследуемого считать здоровым, при снижении этого параметра до 18 - подозревать желчнокаменную болезнь, дальнейшее уменьшение этого параметра до 17 позволяет диагностировать наличие желчнокаменной болезни с прогрессирующим камнеобразованием. Эксперименты по исследованию электродинамических параметров эритроцитарной массы крови собак в нормальном состоянии и в условиях экспериментального эндотоксикоза показали, что происходит уменьшение значения мнимой компоненты с 13 до 12, а это соответствует различию с вероятностью 99,9% в результате подсчета по соответствующим критериям. Аналогичные параметры имеют место и при исследовании фракций крови при экстракорпоральной гемокоррекции, причем, наиболее информативным показателем в данном случае так же является значение мнимой составляющей диэлектрической проницаемости. Следует также отметить, что в ряде случаев существенно наличие динамики процесса изменения ККО и фазы отраженного сигнала, по которой можно определить направление хода того или иного метаболизма. Так, искусственно вызванный раневый процесс/исследования проводились на животных/дополнительно корректировался биорегулирующей терапией. Измерения физических показателей на участке с развивающимся некрозом проводили в сравнении с аналогичными измерениями на здоровой коже такого же животного. В результате экспериментов выяснилось, что увеличение на 3 сутки после воздействия отношения значений амплитуд ККО дистального участка к аналогичному показателю на проксимальном участке более 2 свидетельствует о наличии отечности и тенденции в некротическом расплавлении мягких тканей, об этом же свидетельствует уменьшение отношения соответствующих значений фаз до 0,5. При дальнейшем стремлении указанных показателей к единице можно констатировать процесс формирования здоровой ткани. Таким образом, даже через защитные средства, например, повязку, можно с высокой степенью точности регистрировать развитие того или иного вида процессов, протекающих в ткани, что позволяет оперативно воздействовать на них.

Использование указанного способа и устройства позволяет эффективно регистрировать диэлектрические характеристики исследуемых объектов в лабораторных и полевых условиях, что особенно важно для биологических объектов, причем получать в высшей степени достоверные данные, кроме того, способ и устройство позволяет исследовать диэлектрические характеристики практически любого объекта, даже неживой природы, что находит широчайшее применение в экспериментальных исследованиях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий. М. Энергоатомиздат, 1994.

2. Steel M. Sheppard R. Physics in medicine and Bioiogy. Vol. 33, N 4, p. 467-472.

3. Foster K.R. Schwan Y.P. Dielectric propeties of tissues Handbook of biological effects of electromagnetic fields Ed.C.Polk, E.Postow. Cleveland: CRC Press, 1987, p.32-96.

4. Авторское свидетельство СССР N 1656475, 1991.

Формула изобретения

1. Способ диагностики, включающий формирование сигнала СВЧ-диапазона, деление его на опорный и измерительный сигнал, излучение последнего на участок объекта, прием отраженного сигнала, промоделированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии, отличающийся тем, что для излучения сигнала используют волновод круглого сечения, заглушенный набором диэлектрических вставок, причем, у измерительного сигнала сдвигают фазу на угол π, а у опорного на угол π/2, а по результирующему сигналу определяют величину комплексной диэлектрической проницаемости участка объекта.

2. Устройство для диагностики, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечего трехдецибельного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения, третье с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое с волноводным трактом опорного сигнала, имеющего фазовый модулятор, причем оба тракта выполнены с возможностью подстройки длины пути проходящих по ним сигналов, при этом волноводный тракт измерительного сигнала имеет облучатель, соответствующий модулятор, связанный с генератором низкой частоты, каждый тракт снабжен соответствующим короткозамыкателем, отличающееся тем, что оно снабжено циркулятором и каждый из трактов снабжен соответствующим волноводным трансформатором, при этом в тракте опорного сигнала волноводный трансформатор включен между четвертым плечом ответвителя и соответствующим модулятором, а в измерительном тракте циркулятор включен между третьим плечом ответвителя и облучателем, а также посредством соответствующего волноводного трансформатора подключен к соответствующему фазовому модулятору, при этом блок измерения выполнен в виде квадратичного детектора и синхронного измерителя, к соответствующему входу которого подключен выход генератора низкой частоты, кроме того, облучатель выполнен в виде волновода круглого сечения, заглушенного набором диэлектрических вставок.

РИСУНКИ

Рисунок 1