МЕДИЦИНСКИЙ РАДИОТЕРМОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к радиотермометрии (радиотермографии) и может быть использовано для диагностики путем неинвазивного обнаружения температурных аномалий пациента по их собственному радиоизлучению.

В последнее время получили распространение радиотермометры, использующие аппликационный метод, при котором датчик излучения, в качестве которого используется антенна, находится в непосредственном контакте с поверхностными тканями пациента (биологического объекта).

При этом для получения достоверной информации о величине внутренней температуры по тепловому радиоизлучению исследуемого объекта необходимо компенсировать отражения на границе антенна объект. Этого можно достигнуть путем использования в радиотермометре регулируемой подачи шума на вход антенны от управляемого генератора шума.

В числе подобных радиотермометров известно устройство для измерения физической температуры объекта по его микроволновому излучению (патент ФРГ N 2803480, кл. G 01 J 5/00, опубл. 28.11.84), содержащее антенну, которая через направленный ответвитель соединена с первым входом переключателя, выход генератора опорного напряжения модуляционного радиометра соединен с управляющим входом переключателя, а выход радиометра соединен через интегратор с управляющим входом генератора шума, первый выход которого соединен через аттенюатор с направленным ответвителем, второй выход через другой аттенюатор соединен со вторым входом переключателя, причем выход интегратора является выходом устройства.

Описанное устройство содержит ряд признаков, которые совпадают с существенными признаками заявляемого радиотермометра. К ним относятся: наличие антенны, модуляционного радиометра, у которого предусмотрен выход генератора опорного напряжения.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является "Нулевой медицинский радиотермометр на волну 30 см", описанный в [1] Данный радиотермометр содержит антенну, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, а выход модуляционного радиометра соединен с управляющим входом генератора шума, выход которого соединен с третьим плечом циркулятора, другой выход с индикатором температуры в виде измерительного прибора.

Признаками прототипа, которые совпадают с существенными признаками заявляемого устройства, являются антенна, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, устройство индикации температуры.

Описанные аналог и прототип, равно как и другие медицинские радиотермометры, в которых используется управляемый генератор шума для компенсации отражения теплового радиоизлучения на границе антенна объект, в реализации усложняются и имеют относительно высокую стоимость из-за необходимости термостатирования генератора шума и питания его от жестко стабилизированных источников напряжения (см. [1] с. 1398, 1399).

Это объясняется необходимостью поддержания строгого соответствия между мощностью шума генератора шума и показаниями индикаторного прибора, который измеряет параметры лишь косвенно связанные с мощностью шума.

Таким образом, по схеме прототипа не может быть реализован относительно простой и невысокой стоимости радиотермометр, что особенно существенно в связи с возрастающей потребностью в медицинских радиотермометрах.

Изобретение направлено на создание медицинского радиотермометра для измерения внутренней температуры биологического объекта аппликационным методом без использования генератора шума, что позволит упростить и соответственно уменьшить стоимость устройства, поскольку отпадает необходимость в термостатировании и использовании источников напряжения с высокими требованиями к их стабильности.

Указанный технический результат достигается тем, что медицинский радиотермометр, содержащий антенну, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, а также устройство индикации температуры, согласно изобретению введены резистор и датчик температуры, который находится в тепловом контакте с резистором, при этом вывод резистора соединен с выходом модуляционного радиометра через введенный развязывающий по высокой частоте элемент, например индуктивность, и с третьим плечом циркулятора через введенный конденсатор, а выход датчика температуры соединен с устройством индикации температуры.

При этом согласно изобретению по п. 2 резистор выполнен в виде резистивного слоя, который нанесен на диэлектрическую пластину, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, например из поликора, на другой стороне которой расположен датчик температуры, преимущественно полупроводниковый, и выполнены контактные площадки, к которым присоединены выводы датчика, при этом пластина с резистивным слоем и датчиком расположена на диэлектрическом основании микрополосковой платы, причем между пластиной со стороны резистивного слоя и основанием микрополосковой платы предусмотрена пластина из теплоизоляционного материала, например из пенопласта, резистивный слой соединен с полосковыми проводниками микрополосковой платы, которые являются выводами резистора, а контактные площадки выходом датчика температуры.

Измерение внутренних температур исследуемого объекта с помощью заявляемого радиотермометра осуществляется с учетом следующих процессов. Мощность теплового излучения объекта, пропорциональная температуре T_x объекта, поступает на границу раздела антенна объект, причем часть этой мощности, пропорциональная T_xГ², отражается от границы раздела (Г коэффициент отражения) и затухает в среде объекта, остальная часть мощности, пропорциональная T_x(1-Г²), поступает на выход антенны. Вместе с тем при подаче со стороны выхода антенны шума, мощность которого пропорциональна температуре Т_ш, часть мощности, пропорциональная температуре Т_шГ², отразится от границы раздела антенна объект, а пропорциональная Т_ш(1-Г²) будет поглощена исследуемым объектом. В результате принимаемая антенной мощность, выраженная через температуру, составит сумму
Т_x(1-Г²) + Т_шГ²
Отсюда следует, что если обеспечить выполнение условия Т_х=Т_ш, то отражения на границе антенна объект будут скомпенсированы и измерение Т_x заменяется на измерение Т_ш.

В заявляемом радиотермометре шумовые сигналы с температурой Т_ш создаются резистором, нагреваемым выходным сигналом модуляционного радиометра. Модулятор управляется сигналом генератора опорного напряжения радиометра. При открытом состоянии модулятора на вход радиометра через циркулятор поступает тепловой шум объекта с температурой Т_x(1-Г²) и шум нагретого резистора, отраженный от входа антенны с температурой Т_шГ².

Когда же модулятор закрыт, то на вход радиометра через циркулятор проходят шумы с температурой Т_ш. Модуляционный радиометр работает таким образом, что на его выходе образуется сигнал, пропорциональный разности температур между шумовой температурой антенны и температурой нагреваемого резистора. Этот сигнал управляет мощностью, выделяемой в резисторе, т.е. его температурой так, что уровни шумов на входе радиометра в режимах открытого и закрытого состояний модулятора выравниваются. Это означает, что достигнуто состояние, при котором Т_x=Т_ш, причем температура шумов на выходе резистора равна его физической температуре. Поэтому в установившемся режиме датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с резистором, выдаст в устройство индикации информацию о температуре объекта.

Введение развязывающего по радиочастоте элемента и конденсатора позволило осуществлять нагрев резистора сигналом с выхода радиометра и одновременно снимать с резистора радиочастотную мощность шума для подачи на циркулятор. В заявляемой совокупности признаков нагреваемый резистор использован для создания регулируемого шума и как элемент измерительного узла, образованного совместно с находящимся с ним в тепловом контакте датчиком температуры, который регистрирует температуру резистора и соответственно исследуемого объекта.

Таким образом, в заявляемом радиотермометре достигнуто измерение внутренней температуры объекта непосредственно по физической температуре нагреваемого резистора, отпадает необходимость в генераторе шума, при использовании которого требуется его термостатирование и питание от источников, обладающих высокой стабильностью. Тем самым изобретение позволяет упростить радиотермометр.

Для медицинских радиотермометров задается время измерения, составляющее единицы секунд. Такое небольшое время установления показаний температуры объекта достигается при весьма малых, миниатюрных размерах резистора. Это достигается, в частности, в конструкции, заявляемой по п.2 формулы, за счет выполнения резистора в виде резистивного слоя, нанесенного на диэлектрическую пластину с высокой теплопроводностью, которая обеспечивает тепловой контакт резистивного слоя с датчиком температуры, расположенным на другой стороне пластины. Благодаря присоединению выводов датчика к контактным площадкам устраняется приток тепла к датчику от проводов, идущих к устройству индикации температуры, присоединенных к тем же контактным площадкам, что способствует повышению точности измерения температуры. Пластина из теплоизоляционного материала, расположенная между пластиной с резистивным слоем и диэлектрическим основанием микрополосковой платы, препятствует утечке тепла от резистивного слоя на плату.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 показана блок-схема радиотермометра; на фиг. 2 конструкция узла резистор-датчик температуры (а - вид сбоку, б вид сверху); на фиг. 3 временные диаграммы сигналов; на фиг. 4 характеристика зависимости температуры резистора от управляющего напряжения на выходе радиометра; на фиг. 5 тепловая схема конструктивной реализации узла резистор-датчик температуры.

Медицинский радиометр содержит (фиг.1) антенну 1, вход которой предназначен для контакта с поверхностью исследуемого объекта, а выход через модулятор 2 соединен с первым плечом У-циркулятора 3, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра 4, у которого предусмотрен вывод генератора опорного напряжения, соединенный с управляющим входом модулятора 2, резистор 5 и находящийся с ним в тепловом контакте датчик температуры 6, при этом выход радиометра 4 соединен через развязывающий по СВЧ элемент, выполненный в виде индуктивности 7 (возможно также использование высокоомной четвертьволновой линии), с выводом резистора 5, который через конденсатор 8 соединен с третьим плечом циркулятора, другой вывод резистора 5 соединен с корпусом, а выход датчика 6 соединен с устройством индикации температуры 9. Модуляционный радиометр содержит малошумящий СВЧ усилитель, включающий полосно-пропускающие фильтры, 10, причем вход усилителя является входом радиометра 4, а выход соединен с входом амплитудного детектора 11, выход которого соединен через узкополосный усилитель низкой частоты 12 с входом перемножителя 13, другой вход которого соединен с генератором опорного напряжения 14, который подключен также к соответствующему выходу радиометра 4, а выход перемножителя 13 соединен с входом интегратора 15, выход которого соединен с усилителем постоянного тока 16, выход которого является выходом радиометра 4.

При этом резистор 5 и датчик температуры 6 выполнены в виде единой конструкции (фиг. 2), которая представляет собой микрополосковую плату, на керамическом основании 17 которой расположена теплоизоляционная пластина 18 из пенопласта, поверх нее пластина 19 из поликора, на которую нанесен резистивный слой 20, а с внешней стороны расположен датчик температуры 21 в виде интегральной транзисторной пары и выполнены контактные площадки 22, к которым присоединены выводы транзисторной пары.

Резистивный слой соединен с полосковыми проводниками 23, 24 микрополосковой платы, которые являются выводами резистора 5, а контактные площадки 22 являются выходом датчика температуры 6.

Медицинский радиометр работает следующим образом.

При поступлении на управляющий вход модулятора 2 с генератора опорного напряжения 14 радиометра 4 напряжения "меандр" (фиг. 3а) модулятор (в котором могут быть использованы, например p-i-n диоды) поочередно переходит в открытое и закрытое состояние.

Положительным импульсам "меандра" соответствует открытое состояние модулятора, отрицательным закрытое (фиг. 3б).

На вход антенны 1 от исследуемого объекта, имеющего мощность излучения с температурой Т_х, поступает, после отражения части мощности от границы антенна объект, мощность с температурой Т_х(1-Г²). При открытом модуляторе 2 эта мощность поступает через первое и второе плечи циркулятора 3 на вход радиометра 4. Вместе с тем нагреваемый сигналом с выхода радиометра резистор 5 создает шум с температурой Т_ш, который проходит через конденсатор 8, на третье и первое плечи циркулятора 3, открытый модулятор 2 на вход антенны 1, частично отражается от границы антенна объект с коэффициентом отражения Г, после чего уже отраженная мощность шума с температурой Т_шГ² проходит через первое и второе плечи циркулятора на вход радиометра при открытом модуляторе поступает суммарная мощность шумов с указанными температурами (огибающая шумов, см. фиг. 3в). Когда же модулятор закрыт (фиг. 3б) циркулятор 3 отключен от выхода антенны 1. При этом от нагреваемого резистора 5 на модулятор через третье и первое плечи циркулятора поступает мощность шума с температурой Т_ш, которая полностью отражается от закрытого модулятора и через первое и второе плечи циркулятора проходит на вход радиометра (фиг. 3в). Работа схемы на фиг. 3 рассматривается при соотношении Т_x > Т_ш.

Поступающие в радиометр шумовые сигналы усиливаются в малошумящем СВЧ-усилителе 10, детектируются амплитудным детектором 11 (фиг. 3г), усиливаются в узкополосном низкочастотном усилителе 12, настроенном на частоту модуляции, а снимаемая с его выхода первая гармоника сигнала (фиг. 3д) подается на вход перемножителя 13, на другой вход которого поступает напряжение "меандр" от генератора опорного напряжения 14, далее сигнал с выхода перемножителя (фиг. 3е) сглаживается в интеграторе 15 (фиг. 3и) и после усиления в усилителе постоянного тока 16 выходной сигнал радиометра 4, зависящий от разности мощности шумов на его входе в открытом и закрытом состояниях модулятора, поступает через развязывающую по СВЧ индуктивность 7 на нагреваемый резистор 5 и повышает его температуру до состояния, когда уровни шумов на входе радиометра в режимах открытого и закрытого модулятора выравниваются, т.е. достигается компенсация отражений от антенны, в результате чего измеренная с помощью датчика температуры 6 и устройства индикации 9 температура резистора будет равна температуре исследуемого объекта.

Мощность шумов на выходе резистора равна kT_ш Δf
где к постоянная Больцмана,
Т_ш физическая температура резистора,
Δf полоса частот радиометра по СВЧ.

Резистор 5 должен быть согласован с третьим плечом циркулятора 3 по всей полосе частот радиометра. При этом температура шума на выходе резистора будет равна его физической температуре.

Мощность шума и соответственно температура шума Т_ш на выходе резистора (третьем плече циркулятора) в зависимости от управляющего напряжения U, поступающего с выхода радиометра, при температуре окружающей среды Т_о представляет собой параболу, смещенную по оси ординат на величину Т_о (фиг. 4, сплошная линия). Для устранения неоднозначности измерений рабочую точку A выбирают на одной из ветвей параболы (на фиг. 4 правой), что достигается питанием усилителя постоянного тока напряжением одной полярности.

При измерении температуры окружающей среды до величины T_o+ΔT, (фиг. 4 пунктирная линия) и достаточно большом усилении радиометра рабочая точка перейдет в точку A' и температура шума на выходе резистора останется неизменной.

Описанная схема в целом работает как модуляционный нуль-радиометр с плавающей компенсацией отражений от антенны. Переходные процессы в такой схеме отражаются на времени установления температуры резистора и соответственно на времени измерения температуры исследуемого объекта. Это время определяется тепловой постоянной времени нагреваемого резистора совместно с постоянной времени радиометра (которая определяется интегратором).

Для медицинских радиотермометров время измерения не должно превышать 5-10 сек, что соответствует тепловой постоянной времени в единицы секунд. Это может быть обеспечено, если теплосодержание нагреваемого резистора вместе с пластиной, на которую он нанесен, будет небольшим, т.е. при их небольшом размере, при котором тепловая постоянная времени соизмерима с постоянной времени радиометра.

Такой результат достигается в заявляемой конструкции резистора с датчиком температуры (фиг. 2). В ней в качестве резистора использован резистивный слой 20, нанесенный на пластину 19, выполненную из поликора, который обладает малым тепловым сопротивлением (возможно использование нитрида алюминия) и обеспечивает тепловой контакт резистивного слоя с датчиком температуры 21, расположенном на другой стороне пластины 19. Теплоизоляционная пластина 18 из пенопласта, расположенная между резистивным слоем и керамическим основанием 17 микрополосковой платы, минимизирует отдачу тепла от резистивного слоя в сторону микрополосковой платы. Выводы резистивного слоя на полосковые проводники 23, 24 осуществлены тонкими, обладающими большим тепловым сопротивлением, проводниками, поэтому вся мощность управляющего сигнала, поступающего на выводы резистора, выделяется на резистивном слое. В качестве датчика температуры может быть использован, например, терморезистор или полупроводниковый датчик.

Из известных датчиков температуры наилучшие параметры (миниатюрность, точность измерения) имеют транзисторные датчики (одиночные транзисторные пары) [2, 3] В рассматриваемой конституции в качестве датчика использована интегральная транзисторная пара. Однако полупроводниковые датчики имеют высокое тепловое сопротивление 1000-2000^o/Вт, поэтому тепловое сопротивление проводящих проводов 20000-30000^o/Вт вносит погрешность в измерение температуры. В заявляемой конструкции этот недостаток устраняется, что иллюстрируется тепловой схемой, представленной на фиг. 5, где Т_ш - температура нагрева резисторного слоя, Т_пл тепловое поперечное сопротивление пластины 19, на которую нанесен резистивный слой 20, Т_тр тепловое сопротивление транзисторной пары, Т_в тепловое сопротивление выводов транзисторной пары. Если выводы транзисторной пары привести в тепловой контакт с пластиной 19, приварив их контактным площадкам 22, то приток тепла к транзисторной паре от проводов, идущих к устройству индикации температуры, прекращается, поскольку вводится тепловой шунт, показанной на фиг. 5 пунктиром.

В результате высокое тепловое сопротивление транзистора не вносит погрешность в измерение температуры.

При практической реализации узла резистор-датчик размеры резистора, выполненного в виде резистивного слоя, нанесенного на пластину из поликора, и датчик в виде бескорпусной транзисторной пары, расположенной на противоположной стороне пластины составили: длина и ширина по 4мм, толщина 1мм.

Электрический сигнал датчика, пропорциональный температуре, усиливается и индицируется в виде показаний температуры в устройстве индикации 16.

В качестве устройства индикации температуры может быть использован инструментальный усилитель с нормированным коэффициентом усиления, на выходе которого включен стрелочный, самопишущий или цифровой прибор.

В заявляемом техническом решении температура исследуемого объекта определяется непосредственно по физической температуре нагреваемого резистора, поэтому каких-либо дополнительно средств по стабилизации его температуры, как при использовании генератора шума, не требуется.

Необходимо только, чтобы температура окружающей среды не превышала нижнюю границу измеряемых температур (фиг.4), что выполняется в клинических условиях. Действительно, диапазон измеряемых радиотермометром температур составляет от 30 до 40^oC, при температуре окружающей среды от 18 до 26^oC, что необходимо для создания комфортных условий обследования пациента.

Таким образом, использование изобретения позволит, в сравнении с прототипом, упростить и соответственно существенно уменьшить стоимость медицинского радиотермометра за счет упразднения генератора шума, требующего термостатирования (термостата) и жестко стабилизированных источников его питания. Введенные же в заявляемое устройство узел резистор датчик температуры, индуктивность и конденсатор по своей схемной и конструктивной реализации значительно проще самого генератора шума, используемого в прототипе.

Литература
1. Троцкий В.С. Рахлин В.Л. "Нулевой медицинский радиотермометр на волну 30 см.", известия ВУЗов, серии XXX Радиофизика вып. 11, 1987, издание Горьковского университета.

2. Фогельсон И. Б. Транзисторные термодатчики, М. "Советское радио", 1972.

3. Дж. Кар "Проектирование и изготовление электронной аппаратуры", М. "Мир", 1986, с. 170-174с

Использование: для диагностики путем неинвазивного обнаружения температурных аномалий внутренних органов биологического объекта по их собственному радиоизлучению. Сущность изобретения: медицинский радиотермометр содержит антенну, соединенную через модулятор с первым плечом У-циркулятора. Второе плечо У-циркулятора соединено с входом модуляционного радиометра. Выход генератора опорного напряжения модуляционного радиометра соединен с управляющим входом модулятора. Резистор и датчик температуры расположены с возможностью теплового контакта. Вывод резистора соединен с выходом модуляционного радиометра через введенный развязывающий по радиочастоте элемент и с третьим плечом циркулятора через введенный конденсатор. Выход датчика температуры соединен с устройством индикации температуры. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Медицинский радиотермометр, содержащий антенну, соединенную через модулятор с первым плечом Y-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, и устройство индикации температуры, отличающийся тем, что в него введены резистор и датчик температуры, расположенные с возможностью взаимного теплового контакта, при этом вывод резистора соединен с выходом модуляционного радиометра через введенный развязывающий по радиочастоте элемент и с третьим плечом циркулятора через введенный конденсатор, а выход датчика температуры соединен с устройством индикации температуры. 2. Радиотермометр по п.1, отличающийся тем, что резистор выполнен в виде резистивного слоя, нанесенного на диэлектрическую пластину, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, а датчик температуры расположен на другой стороне пластины с выполненными на ней контактными площадками, к которым присоединены выводы датчика температуры, при этом диэлектрическая пластина с резистивным слоем и датчиком температуры расположена на диэлектрическом основании микрополосковой платы, между диэлектрической пластиной со стороны резистивного слоя и диэлектрическим основанием микрополосковой платы установлена пластина из теплоизоляционного материала, а резистивный слой соединен с полосковыми проводниками микрополосковой платы, выполненными в виде выводов резистора. 3. Радиотермометр по п.1, отличающийся тем, что в нем развязывающий по радиочастоте элемент выполнен в виде индуктивности. 4. Радиотермометр по п.2, отличающийся тем, что в нем в качестве материала с высокой теплопроводностью использован поликор, датчик температуры выполнен полупроводниковым, а в качестве теплоизоляционного материала использован пенопласт.