СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД Российский патент 1996 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изучении воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона на биологическую среду.

Известен способ исследования СВЧ воздействия на биологическую среду (БС) по а.с. СССР N 1357809, кл. G 01 N 22/00, опубл. 07.12.1987, заключающийся в облучении участков БС, находящейся в навитом вокруг части волновода капилляре, излучением различных частот СВЧ диапазона, пропускания БС через световод, зондировании ее оптическим излучением с регистрацией интенсивности прошедшего излучения. По изменению интенсивности оптического излучения, прошедшего через облученные и необлученные СВЧ излучением участки БС судят о биологической активности частоты СВЧ излучения.

Недостатками данного способа являются:
1. Ограниченная область применения способ напряжения к оптически мутным средам (суспензиям и эмульсиям). Кроме того, способ неприменим для релаксирующих БС со временем релаксации, меньшим времени прокачки БС через капилляр.

2. Малая производительность способ требует выполнения при измерениях различных во времени последовательных операций:
а) облучения на заданной СВЧ БС;
б) прокачки БС через капилляр после снятия СВЧ облучения и определения оптических свойств облученных и необлученных СВЧ участков БС;
в) изменения частоты СВЧ облучения;
г) повторная операция а)-в) при изменении частоты f СВЧ облучения с шагом Δf в требуемом интервале СВЧ.

3. Невысокая точность определения биологически активной частоты (БАЧ) - необходимость дискретного изменения частоты f СВЧ облучения с шагом Δf позволяет определить БАЧ с точностью не более ± Δf/2. Уменьшение Δf ведет к уменьшению производительности способа.

4. Невысокая информационность способ предусматривает определение только БАЧ и не позволяет дать количественную оценку величине отклика БС на СВЧ воздействие и оперативно определить биологически значимую экспозиционную дозу облучения.

Устройство для реализации способа (см. а.с. СССР N 1357809) содержит СВЧ генератор, выход которого подсоединен к ячейке для исследования БС, оптический генератор, последовательно соединенные фотоприемник, усилитель, регистрирующий прибор. В качестве ячейки для исследования БС используется капилляр в форме спирали, причем часть ее находится внутри волновода, часть вне волновода, а ось спирали параллельна оси волновода. Один конец спирали подсоединен к первому блоку регулирования давления, другой к одному концу световода, расположенного между оптическим генератором и фотоприемником. Другой конец световода подсоединен по входу капиллярной емкости, а к ее выходу подсоединен второй блок регулирования давления.

Недостатками данного устройства, такие как и вышеупомянутого способа, являются ограниченная область применения, малая производительность, невысокая точность и недостаточная информативность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ исследования БС, основанный на возбуждении в БС излучением различных частот СВЧ диапазона стоячей волны, освещении среды узким световым пучком, перемещении источника и приемника оптического излучения вдоль БС в направлении распространения СВЧ излучения и регистрации изменений оптической плотности БС. Положительный эффект в данном способе достигается за счет того, что на БАЧ возникает стоячая волна и БС, в результате чего ее оптическая плотность в узлах и пучностях стоячей волны отличается. Данный способ реализован в устройстве по а. с.СССР N 1309729, кл. G 01 N 22/00, опубл. 23.03.1989).

Недостатками данного способа являются:
1. Ограниченная область применения способ применим только для оптически прозрачных БС. Кроме того, он не применим для исследования быстрорелаксирующих БС со скоростью релаксации, большей скорости перемещения светового пучка вдоль БС в направлении распространения СВЧ волны.

2. Низкая производительность способ требует раздавленности во времени последовательного выполнения операций:
а) СВЧ воздействия на БС при одновременном оптическом зондировании с перемещением источника и приемника света вдоль БС с заданной скоростью;
б) дискретного изменения частоты f СВЧ возбуждения на величину Δf;
в) повторение операций а-б при изменении частоты f с шагом Δf в требуемом интервале СВЧ.

3. Невысокая точность определения значений БАЧ способ требует дискретного изменения частоты СВЧ облучения с шагом Δf, что обуславливает погрешность определения БАЧ не менее ± Δf/2.

4. Малая информативность способ позволяет определить только значения БАЧ. Устройство для исследования биологической среды, выбранной в качестве прототипа, содержит СВЧ-генератор, выход которого соединен с одним концом волноводной ячейки с окошками, в которой размещена кювета для биологической среды, выполненная из диэлектрического материала, а стенки кюветы и окошки волноводной ячейки оптически прозрачные, волноводная ячейка выполнена водой, причем расстояние между стенками ячейки и кюветы не менее толщины сжин-слоя СВЧ-излучения, ось кюветы совпадает с осью волноводной ячейки, к другому концу которой подсоединен короткозамыкатель, оптический генератор, размещенный на одной оси с фотоприемником, последовательно соединенный через усилитель со входом регистрирующего прибора, причем ось волноводной ячейки перпендикулярна оптической оси, синхронизатор, соединенный с управляющим входом СВЧ-генератора (см. а.с. СССР N 1309729, кл. G 01 N 22/00, опубл. 23.03.88).

Недостатком данного устройства, также как и реализуемого им способа, являются ограниченные информативность и область применения, обусловленная возможность использования устройства только для поиска БАЧ СВЧ диапазона оптически прозрачных БС, малое быстродействие и точность, вызванные необходимостью сканирования оптического излучения вдоль БС для каждой фиксированной частоты СВЧ генератора и дискретной его перестройкой по всей требуемой полосе СВЧ-возбуждения.

Целью настоящего изобретения является повышение точности, информативности, производительности и расширение области применения способа и устройства.

Достижение цели обеспечивается тем, что в способе исследования БС, включающем облучение БС СВЧ излучением на равных частотах и одновременное облучение оптическим излучением в направлении, отличном от направления распространения СВЧ волны, регистрацию изменений интенсивности прошедшего через среду оптического излучения как отклика БС и СВЧ возбуждения, облучение БС проводят пучком оптического излучения с шириной, превышающей длину стоячей волны и БС, интегрируют оптическое излучение, прошедшее через БС в направлении распространения пучка при плавном изменении частоты СВЧ возбуждения, а определение отклика БС осуществляют по зависимости интенсивности прошедшего через среду в направлении распространения пучка и проинтегрированного оптического излучения от частоты СВЧ возбуждения. Кроме того, способ отличается также тем, что для биологически активной частоты дополнительно проводят изменения мощности СВЧ-генератора и регулируют изменения интенсивности прошедшего через среду в направлении распространения пучка и проинтегрированного оптического излучения от мощности СВЧ-излучения. Достижение цели обеспечивается также тем, что в устройство для исследования биологических сред, предназначенных для реализации способа и связанным с ним единым изобретательским замыслом, содержащем СВЧ-генератор, выход которого соединен с одним концом волноводной ячейки с окошками, в которой расположена кювета для биологической среды, выполненная из диэлектрического материала, причем окошки волноводной ячейки и стенки кюветы оптически прозрачны, волноводная ячейка заполнена водой, расстояние между стенками кюветы и волноводной ячейки менее скин-слоя СВЧ-излучения, а ось кюветы совпадает с осью волноводной ячейки, к другому концу которой подсоединен короткозамыкатель, оптический генератор, размещенный на одной оптической оси, перпендикулярной оси ячейки, с фотоприемником, последовательно соединенным через усилитель со входом регистрирующего прибора, синхронизатор, соединенный с управляющим входом СВЧ-генератора, дополнительно имеет конденсаторную и фокусирующую линзы, расположенные соответственно по обе стороны кюветы так, что источник оптического излучения расположен в передней фокальной плоскости, а фотоприемник в задней фокальной плоскости фокусирующей линзы, регистрирующий прибор выполнен двухкоординатным, а выход синхронизатора соединен со вторым входом регистрирующего прибора. Указанные отличительные существенные признаки обуславливают соответствие заявляемых способа и устройства критерию "новизна".

Новый результат, неизвестный в науке и технике, заключается в том, что заявляемые технические решения позволяют в реальном масштабе времени определять не только наличие отклика биологической среды на СВЧ-излучение, но и количественно оценивать величину отклика. Операция интегрирования прошедшего сквозь объект в распространяющуюся вдоль оси пучка оптического излучения, регистрации его при непрерывном (плавном) изменении частоты СВЧ-излучения, признаки взаиморасположения конденсорной и фокусирующей линз являются новыми. В связи с этим заявляемые способ и устройство соответствуют критерию "существенные отличия". Положительный эффект заявляемых технических решений заключается в повышении информативности точности, производительности и расширение области применения способа и устройства.

С целью определения БАЧ операции способа осуществляют в следующей последовательности. Облучают БС СВЧ излучением, плавно меняя его частоту со скоростью, достаточной для взаимодействия БЧ и СВЧ излучением при одновременном облучении среды пучком света с шириной, превышающей длину стоячей волны, интегрируют оптическое излучение, прошедшее через среду и распространяющееся вдоль направления пучка света и определяют его интенсивность. При этом изменение частот СВЧ возбуждения осуществляют в требуемом интервале значений. Получают всю зависимость интенсивности прошедшего оптического излучения I от частоты СВЧ возбуждения f и анализируют ее, определяя тем самым отклик БС и СВЧ облучение в заданном интервале частот. При этом определяют:
модальность полосы (для полимодальных полос при возможном наличии нескольких близких биологически активных частот определит значения код как оценок биологически активных частот:
Для унимодальных полос и при возможности разложения полимодальных полос на унимодальные определяют:
математическое ожидание как оценку значения биологически активной частоты,
дисперсию как оценку полуширины биоактивной полосы.

Обработку результатов проводят по стандартным методикам (см. напр. Л. Закс. Статистическое оценивание. М. 1976, А.Н. Герасимович. Математическая статистика, Мн: 1983).

С целью определения биологически значимой мощности СВЧ облучения и зависимости величины отклика биологической среды от мощности СВЧ операции заявляемого способа осуществляют в следующей последовательности. Облучают БС СВЧ излучением на БАЧ, плавно изменяя его мощность при одновременном облучении среды пучком света с шириной, превосходящей длину стоячей волны, интегрируют оптическое излучение, прошедшее через среду в направлении распространения светового пучка и определяют его интенсивность. При этом изменение мощности СВЧ возбуждения осуществляют в диапазоне от нуля до мощности, соответствующей тепловому действию СВЧ облучения, а при необходимости и выше. Биологически значимую экспозиционную дозу при мощности СВЧ облучения определяют по началу изменения интенсивности регистрируемого оптического излучения
Во всех случаях отклик биологической среды на СВЧ возбуждение определяется в соответствии с уравнением
γ = I-I_o (1)
где I_o интенсивность света, прошедшего через биологическую среду и проинтегрированного в направлении распространения светового пучка в отсутствие СВЧ возбуждения;
I то же в присутствии СВЧ возбуждения.

На фигуре схематически изображено устройство, реализующее способ.

Устройство для реализации способа, предназначенном для исследовании БС, содержит СВЧ-генератор 1, выход которого соединен с одним концом волноводной ячейки 2 с окошками 3 и 4, в которой расположены кювета для БС 5, выполненная из диэлектрического материала, причем окошки волноводной ячейки и стенки кюветы оптически прозрачны, волноводная ячейка выполнена водой 6, расстояние между стенками кюветы и волноводной ячейки менее скин-слоя СВЧ излучения и ось кюветы совпадает с осью волноводной ячейки, к другому концу которой подсоединен короткозамыкатель 7, а также оптический генератор 8, размещенный на одной (оптической) оси с фотоприемником 9, последовательно соединенный через усилитель 10 со входом двухкоординатного регистрирующего прибора 10, причем оптическая ось перпендикулярна оси волноводной ячейки, дополнительно введены конденсаторная 12 и фокусирующая 13 линзы, расположенные соответственно по обе стороны кюветы так, что источник оптического излучения 8 находится в передней фокальной плоскости конденсаторной линзы 12, а фотоприемник в задней фокальной плоскости фокусирующей линзы 13. Управляющий выход СВЧ генератора 1 через синхронизатор 14 подключен ко входу X двухкоординатного регистрирующего прибора, причем синхронизатор 14 обеспечивает линейную по частоте либо мощности СВЧ возбуждения развертку оптического сигнала (вход Y на 11). В состав генератора СВЧ 1 входит аттенюатор для измерения мощности СВЧ.

Устройство работает следующим образом. Излучение оптического диапазона от источника 8 формируется в параллельный пучок линзой 12 и подается через окошко 3 волноводной ячейки 2 на исследуемую БС, находящуюся в кювете 5. Рассеянное в направлении распространения пучка излучение, пройдя окошко 4, собирается линзой 13 и подается на фотоприемник 9. Преобразованный фотоприемником сигнал, усиленный усилителем 10, подается на вход Y регистрирующего прибора и регистрируется как интенсивность I_o (см. ф-лу 1). Регистрирующий прибор предусматривает регулировку уровня I_o, так что 0 при отсутствии СВЧ возбуждения СВЧ в требуемом диапазоне. Генератором СВЧ 1 подает возбуждающее излучение заданной мощности на ячейку 2, плавно меняя частоту f СВЧ излучения в требуемом диапазоне частот от f_н до f_к со скоростью так, что эта скорость меньше скорости релаксации БС (известной либо предполагаемой). При возбуждении БС на БАЧ в нем, за счет СВЧ проводящей воды 6 и короткозамыкателя 7, возбуждается стоячая волна, изменяющая первоначальные оптические свойства БС, в частности распределение показателя преломления, что приводит к изменению интенсивности рассеянного в направлении распространения оптического излучения, которое интегрируется линзой 13, а затем регистрируется фотоприемником и отображается на двухкоординатном регистрирующем приборе 11 как интенсивность I (формула 1). Если частота СВЧ излучения не является БАЧ для данной БС, то исследуемая среда не изменяет своих свойств. Сигнал с управляющего выхода генератора СВЧ1 через синхронизатор 14 подается на вход Х регистрирующего прибора 11 и, в зависимости от выбранного режима исследования, обеспечивает развертку сигнала I либо по частоте СВЧ возбуждения I(f), либо по мощности СВЧ возбуждения на выбранной частоте I(W). В зависимости от заданной программы обработки, регистрирующий прибор 11 представляет результаты измерений либо в цифровой форме (в виде таблицы), либо в аналоговой форме (в виде графиков).

Таким образом, решение обладает рядом преимуществ перед прототипом:
1. Расширяет область применения измерение интенсивности оптического излучения, прошедшего через СВЧ возбужденную биологическую среду в направлении распространения светового пучка, ширина которого превосходит длину стоячей волны, позволяет исследовать суспензии и эмульсии (мутные среды). Кроме того, одновременно измерение интенсивности оптического излучения и возбуждение биологической среды СВЧ излучением позволяет исследовать быстрорелаксирующие среды.

2. Повышает производительность исключается операция синхронного перемещения источника и приемника оптического излучения вдоль оси волноводной ячейки при заданной частоте СВЧ возбуждения и повторение операции сканирования оптической части устройства при изменении частоты СВЧ возбуждения.

3. Повышает точность определения биоактивной частоты решение предполагает аналоговое изменение частоты СВЧ возбуждения, получение зависимости интенсивности проводящего через исследуемую среду и проинтегрированного в направлении распространения оптического излучения как функции частоты СВЧ возбуждения с последующим анализом полосы
γ = γ(f)
и определением значения биоактивной частоты как статистического параметра (математического ожидания) распределения γ(f).

4. Повышает информативность исследования биологически активной среды - дает возможность кроме значения биоактивной частоты исследовать формулу полосы γ(f), определить ее дисперсию и другие начальные и центральные моменты распределения γ(f), а также установить значение биологически значимой мощности и экспозиционной дозы СВЧ возбуждения и зависимость величины отклика γ( от мощности и экспозиции СВЧ возбуждения g(w)(.

Это, в свою очередь, дает возможности для разработки новых методов медицинской диагностики, основанных на количественных оценках отклика биологической среды на СВЧ возбуждение в заданном интервале частот.

Использование: при воздействии СВЧ излучения на биологическую среду (БС). Сущность изобретения: способ включает облучение БС различными частотами СВЧ диапазона и одновременное облучение оптическим излучением в направлении, отличном от направления распространения СВЧ возбуждения, регистрацию изменений интенсивности прошедшего через БС оптического излучения как отклика БС на СВЧ возбуждение. Новым является облучение БС пучком оптического излучения с шириной пучка больше длины стоячей волны в БС, возбуждаемой СВЧ излучением, интегрирование оптического излучения, прошедшего БС в направлении распространения пучка, регистрацию интенсивности проинтегрированного излучения при плавном изменении частоты СВЧ возбуждения в заданном диапазоне, регистрацию интенсивности проинтегрированного излучения на фиксированной биологически активной частоте при изменении мощности СВЧ излучения. Устройство, реализующее способ содержит СВЧ и оптический генераторы 1, 8, кювету 5, волноводную ячейку 2, короткозамыкатель 5, синхронизатор 14, фотоприемник 9, регистрирующий прибор 11. Конденсаторная линза 12 обеспечивает требуемую ширину пучка, фокусирующая линза 13 обеспечивает интегрирование излучения, прошедшего через кювету 5 в направлении распространения пучка. Способ и устройство повышают эффективность медицинской диагностики. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ исследования биологических сред, включающий облучение биологической среды различными частотами СВЧ-диапазона и одновременное облучение оптическим излучением в направлении, отличном от направления распространения СВЧ-возбуждения, регистрацию изменений интенсивности прошедшего через биологическую среду оптического излучения как отклика биологической среды на СВЧ-возбуждение, отличающийся тем, что облучение биологической среды оптическим излучением осуществляют пучком с шириной, большей длины стоячей волны, в биологической среде, индуцированной СВЧ-излучением, а излучение оптического диапазона, прошедшее через биологическую среду в направлении распространения светового пучка, дополнительно интегрируют и производят определение изменений его интенсивности при плавном изменении частоты СВЧ-возбуждения в заданном диапазоне. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно изменяют мощность СВЧ-излучения на биологически активной частоте и регистрируют изменение интенсивности прошедшего в направлении распространения и проинтегрированного оптического излучения. 3. Устройство для исследования биологических сред, содержащее СВЧ-генератор, выход которого соединен с одним концом волноводной ячейки с окошками, в которой размещена кювета для биологической среды, выполненная из диэлектрического материала, а стенки кюветы и окошки волноводной ячейки оптически прозрачны, волноводная ячейка заполнена водой, причем расстояние между стенками волноводной ячейки и кюветы не менее толщины скин-слоя СВЧ-излучения, ось кюветы совпадает с осью волноводной ячейки, к другому концу которой подсоединены короткозамыкатель, источник оптического излучения, размещенный на одной оптической оси с фотоприемником, последовательно соединенным с первым входом регистрирующего прибора, причем ось волноводной ячейки перпендикулярна к оптической оси, синхронизатор, отличающееся тем, что введены конденсорная и фокусирующая линза, расположенные соответственно по обе стороны от волноводной ячейки, при этом источник оптического излучения расположен в передней фокальной плоскости конденсорной линзы, а фотоприемник - в задней фокальной плоскости фокусирующей линзы, регистрирующий прибор выполнен двухкоординатным, выход синхронизатора соединен с вторым входом регистрирующего прибора.