ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК A61N5/00 A61N5/01 

Изобретение относится к области лучевой терапии, в частности к самонастраивающимся широкодиапазонным электромагнитным аппликаторам, и может найти применение в СВЧ-гипертермии и СВЧ-радиотермии для лечебных и диагностических целей или при работе с мелкими лабораторными животными для исследования воздействия СВЧ-энергии на живой организм и обеспечивает повышение эффективности воздействия электромагнитного излучения и повышение электромагнитной безопасности облучения за счет высокого уровня согласования излучающей апертуры электромагнитного аппликатора на любой фиксированной частоте в пределах диапазона его рабочих частот.

Известна конструкция электромагнитного аппликатора (1), содержащая излучающие апертуры, выполненные в виде волноводных секций, заполненных диэлектриком с малыми потерями и большой диэлектрической проницаемостью. Данный электромагнитный аппликатор, работая в достаточно широком диапазоне частот, не может обеспечить в этом диапазоне эффективного согласования излучающих апертур с биологической тканью (согласование имеет место только на некоторой фиксированной частоте), в связи с чем не достигается эффективный локальный прогрев области (объема) биологической ткани на заданной глубине или поверхности и тем самым увеличивается вероятность поверхностного ожога при гипертермии, возможность нежелательного электромагнитного облучения соседних от области участков биологической ткани, а также не обеспечивается достоверность результатов при исследовании влияния электромагнитного излучения на живые ткани. Эти недостатки связаны с тем, что размеры апертуры аппликатора имеют фиксированные значения, а физико-химические свойства биологической ткани колеблются в широких пределах, при этом диэлектрическая проницаемость является величиной тензорной. В конструкции отсутствуют широкополосные элементы подстройки.

Известна конструкция электромагнитного аппарата (2), содержащая ряд самостоятельных волноводных аппликаторов, снабженных устройствами регулирования положения, которые через распределительное устройство связаны с источником электромагнитной энергии, выполненном на генераторе качающейся частоты. Известный электромагнитный аппарат обеспечивает относительно равномерный прогрев объема биологической ткани со сложной формой границы контура и со сложным неоднородным распределением физико-химических свойств ткани по объему, за счет формирования необходимого закона частотного облучения, являющегося функцией распределения физико-химических свойств ткани по объему. Однако раскрывы электромагнитных аппликаторов аппарата, т.е. излучающие апертуры, работая в достаточно широком диапазоне частот, являются согласованными только на некоторой фиксированной частоте со своими облучаемыми объемами или участками биологической ткани, поэтому имеет место высокая вероятность поверхностного ожога при гипертермии, а также возможность нежелательного облучения электромагнитным полем здоровых участков биологической ткани.

Известна конструкция электромагнитного аппарата (3), содержащая излучатель, выполненный в форме круглого отверстия, прорезанного в внешнем металлическом экране, под которым расположен микрополосковый возбудитель, установленный на торец полого герметичного диэлектрического цилиндра, другой торец которого установлен на внутренней металлический экран и соединен с двумяпа трубками для циркуляции охлаждающей жидкости. Круглое отверстие является раскрывом антенны, непосредственно соприкасающееся с биологической тканью. Циркуляция охлаждающей жидкости необходима для избежания поверхностного ожога при гипертермии.

Недостатками известного технического решения являются невысокая эффективность воздействия электромагнитного облучения, формируемого аппликаторами, биологической ткани со сложной формой границы контура, расположенной на определенной глубине и со сложным законом распределения физико-химических свойств по объему ткани, а также невысокая электромагнитная безопасность электромагнитного аппарата. Это объясняется тем, что на границе соприкосновения излучающих апеpтур электромагнитных аппликаторов с биологической тканью имеют место отраженные волны, т.е. коэффициент отражения не равен нулю, поскольку диэлектрическая проницаемость биологической ткани является величиной комплексной, зависящей от физико-химических свойств ткани, а согласование может быть только на некоторой фиксированной частоте. Режим использования электромагнитного аппликатора является работа излучающей апертуры в ближней зоне в несогласованном режиме, т.е. имеют место отраженные волны со значительной амплитудой и случайной фазой, что приводит к изменению резонансной частоты излучающей апертуры, затягиванию частоты генератора, в свою очередь требует использования дополнительных развязывающих элементов; несогласование излучающей апертуры с биологической тканью приводит к необходимости повышения уровня мощности генератора для достижения необходимого результата, вследствие этого возникают нежелательные побочные явления, а именно облучение или прогрев близлежащих к облучаемой области тканей, значительному увеличению температуры контактируемой поверхности биологической ткани и соответственно к поверхностному ожогу при гипертермии и, следовательно, к необходимости повышения интенсивности охлаждения.

Предложенный электромагнитный аппарат, содержащий генератор СВЧ-энергии, соединенный отрезком линии передачи с микрополосковым возбудителем, установленным на торец герметичного диэлектрического цилиндра, другой торец которого соединен с двумя патрубками для циркуляции охлаждающей жидкости и установлен на внутренний металлический экран, с противоположной стороны микрополоскового возбудителя размещен внешний металлический экран с излучателем, выполненным в форме круглого отверстия, при этом генератор СВЧ-энергии выполнен с возможностью изменения частоты излучения, круглое отверстие излучателя выполнено в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин, каждая из которых снабжена ведомым и осевым штифтами, и поворотного кольца с радиальными прорезями под ведомые штифты, которое установлено с возможностью вращения во внешнем металлическом экране, снабженном отверстиями под осевые штифты, причем микрополосковый возбудитель выполнен в форме диска, а отрезок линии передачи выполнен на основе коаксиальной линии и установлен перпендикулярно микрополосковому возбудителю, при этом центральный проводник коаксиальной линии гальванически соединен с ним, а внешний проводник коаксиальной линии гальванически соединен с внутренним металлическим экраном.

Технический результат изобретения выражается в уменьшении частотной зависимости коэффициента отражения излучающей апертуры электромагнитного аппликатора от контактируемой поверхности облучаемой биологической ткани пpи одновременном уменьшении вероятности поверхностного гипертермического ожога и увеличении электромагнитной безопасности для биологического объекта в целом.

Для улучшения эксплуатационных возможностей электромагнитного аппликатора за счет электромеханической перестройки диаметра излучающего отверстия с управлением через электронный коммутатор при одновременном исключении присутствия обслуживающего персонала в зоне СВЧ-излучения в период перестройки, между внешним металлическим экраном и поворотным кольцом установлен исполнительный элемент, выполненный в виде металлического хомута, охватывающего поворотное кольцо, связанное с внешним металлическим экраном через элементы, передающие от устройства управления на концы хомута синхронные встречно направленные и разные по амплитуде электрические колебания.

Для обеспечения автоматического согласования (уменьшения коэффициента отражения) излучающей апертуры электромагнитного аппликатора с облучаемой биологической тканью, повышения точности определения физико-химического состава биологической ткани при диагностировании при одновременном уменьшении уровня излучаемой аппликатором СВЧ-мощности и использовании компьютерной системы обработки и управления аппликатором в разрыв отрезка линии передачи, соединяющий генератор СВЧ-энергии с микрополосковым возбудителем, включено согласующее устройство, содержащее последовательно соединенные датчик модуля, датчик фазы и блок сопряжения, который содержит перестраиваемые реактивные элементы соответственно последовательной и параллельной ветвей, причем параллельно перестраиваемому реактивному элементу последовательной ветви подключен датчик разности напряжений, выход которого подключен к первому входу блоку управления, при этом устройство содержит первый и второй исполнительные блоки, выходы которых подключены к перестраиваемым реактивным элементам последовательной и параллельной ветвей соответственно, первый выход блока управления подключен ко входу второго исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента параллельной ветви, а второй выход датчика фазы подключен ко входу первого исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента последовательной ветви и второму входу блока управления, третий вход блока управления подключен к второму выходу датчика модуля, при этом второй выход блока управления подключен к устройству управления.

На фиг.1 изображена конструкция электромагнитного аппликатора, на фиг.2
конструкция ирисовой диафрагмы с поворотным кольцом, на фиг.3 схема узла поворотного кольца с металлическим хомутом; на фиг.4 функциональная блок-схема самонастраивающегося управляемого согласующего устройства.

Электромагнитный аппарат (фиг.1 и 2) содержит генератор 1 СВЧ-энергии, соединенный отрезком линии передачи 2 с микрополосковым возбудителем 3, установленным на торец полого герметичного диэлектрического цилиндра 4, другой торец которого установлен на внутренний металлический экран 5 и соединен с двумя патрубками 6 для циркуляции охлаждающей жидкости, во внешнем металлическом экране 7 микрополоскового возбудителя 3 выполнен излучатель 8 в форме круглого отверстия. Круглое отверстие излучателя 8 выполнено в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин 9, каждая из которых снабжена ведомым 10 и осевым 11 штифтами, и поворотного кольца 12 с радиальными прорезями 13 под ведомые штифты 10, которое установлено с возможностью вращения во внешнем металлическом экране 7, снабженным отверстиями 14 под осевые штифты 11, причем микрополосковый возбудитель 3 выполнен в форме диска, а отрезок линии передачи 2 выполнен на основе коаксиальной линии и установлен перпендикулярно микрополосковому возбудителю 3, при этом центральный проводник 15 гальванически соединен с ним, а внешний проводник 16 гальванически соединен с внутренним металлическим экраном 5.

В электромагнитном аппарате (фиг.3) между внешним металлическим экраном 7 и поворотным кольцом 12 установлен исполнительный элемент 17, выполненный в виде металлического хомута, охватывающего поворотное кольцо 12, связанного с внешним металлическим экраном 7 через контактные элементы 18, передающие от устройства управления 19 на концы 20 исполнительного элемента 17 синхронно встречно направленные и разные по амплитуде колебания.

В электромагнитный аппарат (фиг.4) в разрыв отрезка коаксиальной линии передачи 2, соединяющей генератор 1 электромагнитной энергии с микрополосковым возбудителем 3, включено согласующее устройство, содержащее последовательно соединенные датчик модуля 21, датчик фазы 22 и блок сопряжения 23, который содержит перестраиваемые реактивные элементы 24 и 25 соответственно последовательной и параллельной ветвей, параллельно перестраиваемому реактивному элементу 24 последовательной ветви подключен датчик 26 разности напряжений, выход 27 которого подключен к первому входу 28 блока управления 29, устройство содержит первый и второй исполнительный блоки 30 и 31 соответственно, выходы 32 и 33 которых подключены к перестраиваемым реактивным элементам 24 и 25 последовательной и параллельной ветвям соответственно, первый выход 34 блока управления 29 подключен ко входу 35 второго исполнительного блока 31 перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви, второй выход 36 датчика фазы 22 подключен ко входу 37 первого исполнительного блока 30 перестраиваемого элемента 24 последовательной ветви и второму входу 41 блока управления 29, третий вход 38 блока управления 29 подключен к второму выходу 39 датчика модуля 21, второй выход 40 блока управления 29 подключен к устройству управления 19.

Электромагнитный аппарат работает следующим образом.

СВЧ-энергия от генератора 1 через отрезок коаксиальной линии передачи 2 поступает на дисковый микрополосковый возбудитель 3, возбуждает его, и возбужденная энергия излучается через излучатель 8, выполненный в виде круглого отверстия, который непосредственно соприкасается с биологической тканью. Охлаждение поверхности биологической ткани с целью избежания поверхностного ожога при гипертермии происходит по двум патрубкам 6, один из которых входной, а другой выходной, в герметичном диэлектрическом цилиндре 4 осуществляется циркуляция охлаждающей жидкости, в частности воды.

Коэффициент отражения от границы соприкосновения излучающего отверстия 8 аппликатора с биологической тканью является величиной частотно-зависимой, на модуль и фазу которого в свою очередь влияют эффективная диэлектрическая проницаемость подложки микрополоскового возбудителя 3ε_эфф, комплексная диэлектрическая проницаемость биологической ткани . Оптимальный диаметр излучающего отверстия 8 аппликатора, функционально зависящий от трех параметров f, ε_эфф, ε*m

Круглое излучающее отверстие 8 выполнено в виде ирисовой диафрагмы. При вращении поворотного кольца 12 с радиальными прорезями 13, в которые входят ведомые штифты 10, происходит смещение пластин 9 в радиальном направлении в зависимости от требуемого диаметра излучающего отверстия 8.

Изменяя частоту генератора 1 и варьируя диаметром излучающего отверстия 8, добиваются уменьшения коэффициента отражения от границы соприкосновения с биологической тканью. Таким образом, наличие двух степеней свободы регулирования параметров аппликатора позволяет уменьшить частотную зависимость коэффициента отражения излучающей апертуры электромагнитного аппликатора от контактируемой поверхности облучаемой биологической ткани и одновременно уменьшить вероятность поверхностного гипертермического ожога и увеличение электромагнитной безопасности для биологического объекта в целом.

Электромеханическое регулирование диаметра излучающего отверстия 8 происходит за счет подачи с устройства управления 19, выполненного, например, на основе электрического коммутатора на базе триггера, на контактные элементы 18, выполненные, например, на основе пьезоэлементов, синхронные встречно направленные и разные по амплитуде электрические колебания соответственно. Когда под действием амплитуды электрического колебания пьезоэлементы 18 удлиняются, концы хомута 17 сближаются, он плотно охватывает поворотное кольцо 12 и вместе с ним поворачивается на небольшой угол. Удлинение пьезоэлемента 18 определяется величиной амплитуды электрического колебания, т.е. один пьезоэлемент 18 с большей поданной на него амплитудой электрического колебания удлиняется больше, а другой пьезоэлемент 18 с поданной синхронно на него меньшей амплитудой электрического колебания удлиняется меньше, что и определяет направление вращения поворотного кольца 12, а это соответствует увеличению или уменьшению диаметра излучающего отверстия 8. При укорочении пьезоэлементов 18, а это происходит, когда электрические колебания сняты с них, концы хомута 17 расходятся, хомут разжимается и возвращается в исходное положение, освобождая при этом поворотное кольцо 12. Затем цикл повторяется. Для изменения направления вращения поворотного кольца 12 необходимо поменять местами амплитуды электрических колебаний, подаваемых на пьезоэлементы 18. Таким образом, электромеханическая перестройка диаметра излучающего отверстия 8 электромагнитного аппарата с управлением через электрический коммутатор 19 улучшает эксплуатационные возможности и одновременно исключает присутствие обслуживающего персонала в зоне СВЧ-излучения в период перестройки, а также возможность осуществлять компьютерную перестройку режимов работы электромагнитного аппарата.

При включении согласующего устройства электромагнитный аппарат работает следующим образом.

Сигнал от генератора 1 СВЧ-энергии поступает на вход согласующего устройства, т. е. на вход датчика модуля 21, а с выхода согласующего устройства, т. е. с перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви, СВЧ-энергия поступает на микрополосковый возбудитель 3, электромагнитно связанный с излучателем 8. Одновременно на перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви поступает отраженная от апертуры излучателя 8 электромагнитная энергия.

В начале настройки согласующее устройство может находиться в одном из двух состояний: в области сходимости или в области несходимости.

Если фазовый сдвиг на выходе согласующего устройства положительный (Φ≥ 0), то устройство находится в области сходимости. Если фазовый сдвиг на выходе отрицательный, то устройство находится как в области сходимости, так и в области несходимости. При этом для выхода согласующего устройства в область сходимости необходимо обеспечить на его входе фазовый сдвиг положительным (Φ≥ 0). В первом случае (область Φ≥ 0) настройка производится следующим образом. По сигналам с датчиков модуля 21 и фазы 22 блок управления 29 выдает команды первому исполнительному блоку 30, воздействующему на перестраиваемый реактивный элемент 24 последовательной ветви, и второму исполнительному блоку 31, воздействующему на перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви блока напряжения 23. Перестройка реактивных элементов 24 и 25 производится до тех пор, пока сигналы с датчиков модуля 21 и фазы 22 не станут равны нулю, что соответствует выходу согласующего устройства в точку согласования. Если в начале настройки фазовый сдвиг на выходе согласующего устройства отрицательный, то блок управления 29 подключает первый исполнительный блок 30 к датчику 26 разности напряжения. Датчик 26 разности напряжений сравнивает напряжения U_вх и U_св, где U_вх - напряжение на входе блока сопряжения 23, U_св напряжение на перестраиваемом реактивном элементе 24 последовательной ветви, при этом сигнал на выходе датчика 26 разности напряжений равен нулю при равенстве напряжений U_вх и U_св. Последнее имеет место при:
b₂₄+b_н= ± ∞
b₂₅+b_н=-b₂₅/2
где: b₂₄ реактивная проводимость перестраиваемого реактивного элемента 24 последовательной ветви; b₂₅ реактивная проводимость перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви; b_н - реактивная проводимость нагрузки. Под действием датчика 26 разности напряжений перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви изменяется до выхода устройства в состояние U_вх U_св, при котором устройство находится в области сходимости, т.к. Φ<< 0. Дальнейшее изменение фазы осуществляется подстройкой перестраиваемого реактивного элемента 24 последовательной ветви блока сопряжения 23, который постоянно соединен с датчиком фазы 22. В момент перехода фазы через ноль согласующее устройство переходит в область сходимости, и блок управления 29 отключает датчик разности напряжений 26 от первого исполнительного блока 30 и подключает датчик модуля 21. Дальнейшая настройка согласующего устройства происходит по тому же алгоритму до выхода устройства в точку согласования.

Таким образом, согласующее устройство обеспечивает согласование по реактивной и активной составляющим.

Использование: в области лучевой терапии, в частности в самонастраивающихся широкодиапазонных электромагнитных аппликаторах, может найти применение в СВЧ-гипертермии и СВЧ-радиометрии для лечебных и диагностических целей. Сущность изобретения заключается в уменьшении частотной зависимости коэффициента отражения излучающей апертуры от контактируемой поверхности биологической ткани, уменьшении вероятности поверхностного ожога при гепертермии, уменьшении электромагнитной безопасности для биологического объекта в целом. Электромагнитный аппарат содержит генератор 1 СВЧ-энергии, соединенный линией передачи 2 с микрополосковым возбудителем 3, выполненным в форме диска, установленном на торец полого герметичного диэлектрического цилиндра 4, другой торец которого установлен на внутренний металлический экран 5 и соединен с двумя патрубками 6 для циркуляции охлаждающей жидкости, во внешнем металлическом экране 7 выполнен излучатель 8 в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин 9, каждая из которых снабжена ведомым 10 и осевым 11 штифтами, и поворотного кольца 12 с радиальными прорезями 13 под ведомые штифты 10, которое установлено с возможностью вращения во внешнем экране 7, снабженным отверстиями 14 под осевые штифты 11. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электромагнитный аппарат, содержащий генератор СВЧ энергии, соединенный отрезком линии передачи с микрополосковым возбудителем, установленным на торец герметичного диэлектрического цилиндра, другой торец которого соединен с двумя патрубками для циркуляции охлаждающей жидкости и установлен на внутренний металлический экран, с противоположной стороны микрополоскового возбудителя размещен внешний металлический экран с излучателем, выполненным в форме круглого отверстия, отличающийся тем, что генератор СВЧ энергии выполнен с возможностью изменения частоты излучения, круглое отверстие излучателя выполнено в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин, каждая из которых снабжена ведомым и осевым штифтами, и поворотного кольца с радиальными прорезями под ведомые штифты, которое установлено с возможностью вращения во внешнем металлическом экране, снабженном отверстиями под осевые штифты, причем микрополосковый возбудитель выполнен в форме диска, а отрезок линии передачи выполнен на основе коаксиальной линии и установлен перпендикулярно микрополосковому возбудителю, при этом центральный проводник коаксиальной линии гальванически соединен с ним, а внешний проводник коаксиальной линии гальванически соединен с внутренним металлическим экраном. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что между внешним металлическим экраном и поворотным кольцом установлен исполнительный элемент, выполненный в виде металлического хомута, охватывающего поворотное кольцо, связанное с внешним металлическим экраном через контактные элементы, выполненные, например, на пьезоэлементах, передающие от устройства управления на концы исполнительного элемента синхронные встречно-направленные и разные по амплитуде колебания. 3. Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в разрыв отрезка линии передач, соединяющий генератор СВЧ энергии с микрополосковым возбудителем, включено согласующее устройство, содержащее последовательно соединенные датчик модуля, датчик фазы и блок сопряжения, который содержит перестраиваемые реактивные элементы соответственно последовательной и параллельной ветвей, причем параллельно перестраиваемому реактивному элементу последовательной ветви подключен датчик разности напряжений, выход которого подключен к первому входу блока управления, при этом устройство содержит первый и второй исполнительные блоки, выходы которых подключены к перестраиваемым реактивным элементам последовательной и параллельной ветвей соответственно, первый выход блока управления подключен к входу второго исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента параллельной ветви, а второй выход датчика фазы подключен к входу первого исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента последовательной ветви и второму входу блока управления, третий вход блока управления подключен к второму выходу датчика модуля, при этом второй выход блока управления подключен к устройству управления.