УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ СВЧ Российский патент 1997 года по МПК A61B5/04 

Изобретение относится к области медицины и предназначено для ранней диагностики онкозаболеваний человека с помощью СВЧ-сигналов.

Известна СВЧ-установка для измерения параметров сердца человека (Хитров Ю. А. Шестиперов В.А. СВЧ в медицине. Обзор, сер.1 Электроника СВЧ, вып. 16, 1983). СВЧ-установка содержит регистрирующее устройство, векторный вольтметр, СВЧ-генератор, направленный ответвитель и облучатель.

Недостатком установки является невозможность ранней диагностики заболеваний человека.

Известна экспериментальная установка СВЧ-интроскопии (Хитров Ю.А. Шестиперов В.А. СВЧ в медицине. Обзор, вып. 16, 1983, с.49). Установка состоит из осциллографа, антенны, усилителя, измерителя мощности и волновода с фигурным фланцем.

Недостатком установки СВЧ-энтроскопии является сложность компьютерной обработки данных, высокая ее стоимость и невозможность ранней диагностики онкозаболеваний человека.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство СВЧ для диагностики отека мозга (615, 47. 621.3.029. Дж.С. Лин, М.Дж. Кларк Диагностика отека мозга с помощью СВЧ. ТИИЭР, т. 70, 1982, с. 127). Это устройство совпадает с предлагаемым изобретением по наибольшему качеству существенных признаков и является прототипом. Оно содержит источник СВЧ-излучений (генератор СВЧ-сигналов), две антенны (аппликаторы), направленный ответвитель, векторный вольтметр и самописец.

Основным недостатком прототипа является невозможность ранней диагностики онкозаболеваний человека, так как он предназначен только для контроля отека мозга.

Таким образом, рассмотренные аналоги и прототип не решают задачу ранней диагностики онкозаболеваний человека и для устранения перечисленных недостатков необходимо предложенное устройство ранней диагностики онкозаболеваний с помощью СВЧ.

Технический результат заключается в обеспечении ранней диагностики всех видов онкозаболеваний человека путем сравнения измеренных поляризационных характеристик СВЧ-излучений, прошедших через здоровую и больную ткань.

Технический результат достигается тем, что в устройство диагностики онкозаболеваний человека с помощью сверхвысокой частоты, содержащее источник СВЧ-излучателя, излучающий и приемный аппликаторы и векторный вольтметр, соединенный с блоком обработки сигнала и регистрации, дополнительно введены переключатели, каждый из которых соединен с соответствующим двухканальным аппликатором, и контролер, а блок обработки сигнала и регистрации содержит интерфейс, соединенный с ЭВС, связанный соответствующими выходами с принтером, дисплеем и входом контроллера, при этом первый вход переключателя излучающего аппликатора соединен с первым входом векторного вольтметра, а второй с первым выходом контроллера, второй вход контроллера соединен с входом переключателя приемного аппликатора, выход которого подключен к первому входу векторного вольтметра, при этом второй вход соединен с источником СВЧ-излучения, а второй выход подключен к интерфейсу.

Достижение технического результата осуществление ранней диагностики онкозаболеваний основано на измерении с помощью предложенного устройства следующих поляризационно-фазовых параметров СВЧ-сигналов:
1. E¹¹Φ¹¹,E¹²Φ¹²,E²²Φ²²,E²¹Φ²¹.
где "E" и "Φ" амплитуды и фазы поляризационных компонент СВЧ-поля.

2. P¹ E¹¹/E¹²; P² E²²/E²¹,
где P коэффициент поляризации.

3. ΔΦ¹ = Φ¹¹-Φ¹²; ΔΦ²= Φ²²-Φ²¹,
где ΔΦ разность фаз поляризационно-ортогональных составляющих.

4. β₁= 0,5•ΔΦ₁; β₂= 0,5•ΔΦ₂,
где β угол наклона эллипса поляризации СВЧ-сигнала.

где П степень поляризации сигналов СВЧ.

6. Относительные коэффициенты поляризации:
K_E1 E¹¹/E²²; K_E2 E¹²/E²¹;
K_p= P¹/P²; KΔΦ = ΔΦ¹-ΔΦ².
7. Поляризационные параметры Стокса:

8. Относительные параметры Стокса:

На основании набора статистики в натуральных условиях, используя пациентов, вырабатывают критерии и градуируют поляризационные параметры, наделяя их медико-биологической информацией.

Необходимо программное обеспечение автоматизированного определения поляризационных параметров при облучении тканей и органов ортогональными видами поляризации СВЧ-сигналов для анализа обработки и документирования данных.

В соответствии с алгоритмом обработки поляризационных параметров, выделяются признаки, которые сравниваются с эталонными числами, заложенными в память ЭВС для здорового и больного человека, и на основании такого сравнения классифицируют измеренные параметры объекта по типу "Норма" или "Патология".

На чертеже приведена схема устройства диагностики онкологических заболеваний с помощью СВЧ, где 1 излучающий двухканальный аппликатор; 2 - приемный двухканальный аппликатор; 3 переключатель излучающих каналов; 4 - переключатель приемных каналов; 5 контроллер ЭВС для управления работой переключателей 3 и 4; 6 векторный вольтметр; 7 ЭВС, сопряженная с векторным приемником 6; 8 дисплей ЭВС; 9 принтер ЭВС; 10 источник СВЧ-излучения (генератор СВЧ); 11 интерфейс канала общего пользования (КОП); 12 блок обработки и регистрации сигналов.

Из чертежа следует, что излучающий двухканальный аппликатор 1 и приемный двухканальный аппликатор 2 соединены с соответствующими выходами переключателей излучающих каналов 3 и входами переключателей приемных каналов 4, а входы переключателей 3 и 4 соединены с выходами контроллера 5.

Один вход векторного вольтметра 6 соединен с выходом переключателя приемных каналов 4, а выход векторного вольтметра 6 соединен с входом переключателя излучающих каналов 3.

ЭВС 7 своим одним выходом связан с входом контроллера 5, а другой выход ЭВС 7 соединен с входом дисплея 8 и второй выход ЭВС 7 связан с принтером 9. Источник СВЧ-излучения 10 соединен с входом векторного вольтметра 6, выход которого через интерфейс 11 соединен с ЭВС 7. Блок обработки и регистрации сигналов 12 включает ЭВС 7, дисплей 8, принтер 9 и интерфейс 11.

Предложенное устройство работает следующим образом.

С помощью источника СВЧ-сигналов и излучающего аппликатора 1 формируется СВЧ-сигнал заданной рабочей частоты и поляризации для облучения органа пациента. После прохождения сигнала через орган пациента с помощью приемного аппликатора 2 осуществляется селекция поляризационных параметров, которые поступают на вход комплексного коэффициента прохождения путем сравнения измеренного сигнала с опорным, поступающим на векторный вольтметр 6 от источника СВЧ-излучения 10.

Для осуществления автоматизированной работы устройства с помощью ЭВС 7 и контроллера 5 выдаются управляющие сигналы на переключатели каналов 3 и 4 излучающего 1 и приемного 2 аппликаторов.

Весь цикл измерений параметров сигналов СВЧ состоит из четырех тактов, каждый такт имеет длительность 100 м/с, пауза между тактами равна 100 м/с.

В первом такте к объекту (фантому) подключается 1-й канал излучения СВЧ-сигнала и 1-й канал аппликатора приема к векторному вольтметру 6.

Во 2-м такте подключается также 1-й канал излучающего аппликатора 1 к объекту и уже 2-й канал приемного аппликатора к векторному вольтметру.

В третьем такте к объекту подключается 2-й канал излучающего аппликатора 1, а к вольтметру тот же 2-й канал приемного аппликатора сигналов СВЧ, в 4-м последнем такте сигналов СВЧ также подключается к объекту тот же 2-й канал излучающего аппликатора 1 и 1-й канал приемного аппликатора 2 к вольтметру 6.

Измеренные в течение цикла (700 м/с) комплексные коэффициенты прохождения (их амплитуды и фазы)
E¹¹Φ¹¹,E¹²Φ¹²,E²²Φ²²,E²¹Φ²¹.
По каналу общего пользования (коп) в двоичном коде поступают через систему сопряжения (интерфейс 11) на вход ЭВС 7 для последующей обработки.

Предложенное устройство СВЧ-диагностики онкозаболеваний устраняет все недостатки прототипа благодаря использованию введенных существенных признаков; является "интеллектуальным" устройством нового поколения, в котором впервые в медицине и диагностике используются основы нового научного направления ранней диагностики онкозаболеваний человека "Медико-биологическая радиополяризация", основанного на определении с помощью СВЧ-излучений и приема поляризационно-фазовых параметров, несущих ценную информацию о раннем онкозаболевании организма.

По сравнению с прототипом предложенное устройство диагностики онкозаболеваний позволяет:
1. Существенно увеличить информативность сигналов СВЧ для диагностики.

2. Автоматизировать управление устройством и отдельными частями его, работать в адаптивном режиме и реальном масштабе времени.

3. Автоматизировать получение, обработку, воспроизведение и документирование данных.

4. Получить большой банк данных в процессе набора статистики и удобное использования этих данных для решения диагностики онкозаболеваний.

5. Осуществить постоянное наблюдение за лечением и ходом заболеваний.

6. Изучить механизм возникновения предракового состояния и других признаков заболеваний и патологии.

7. Проводить фундаментальные научные исследования ранней диагностики онкозаболеваний всех органов человека для создания и совершенствования медицинских автоматизированных комплексов и малогабаритных устройств диагностики.

В отличие от ультразвука электромагнитное излучение СВЧ проходит через кости и через воздух.

СВЧ-излучение имеет ряд преимуществ перед рентгеноскопией, так как рабочие уровни мощности (меньше 10 мкВт/см²) представляют минимальную опасность для здоровья человека.

Распространение СВЧ-волн зависит в основном от молекулярной диэлектрической проницаемости ε, а не от плотности ткани, определяемой при рентгеновском излучении.

Молекулярная диэлектрическая проницаемость тканей изменяется от 5 до 50, в то время как плотность мягких тканей меняется в пределах нескольких процентов.

Широкий диапазон изменения диэлектрической проницаемости указывает на возможность получения большого эффекта и лучшей идентификации тканей.

Установлено, что в результате появления раковых новообразований в тканях наблюдается изменение количества содержания воды и протеинов в клетках, а также изменение проводимости и диэлектрической проницаемости тканей и деформация самих тканей, т.е. изменение их структуры.

Таким образом, прошедшее СВЧ-поле через здоровую и больную ткань имеет различные поляризационные характеристики.

По изменению значений поляризационно-фазовых параметров можно судить о степени заболевания тканей и органов пациента.

Реальные органы человека представляют собой достаточно сложные объекты, поляризационные свойства которых не поддаются теоретическому расчету, а определяются в основном экспериментально с помощью только автоматизированного исследовательского комплекса и при наличии ЭВС. Задаваясь параметрами поляризации падающей волны определяют состояние органа (среды) на основании измерительных поляризационных параметров СВЧ-поля на выходе предполагаемого устройства.

Экспериментальные исследования, проведенные с использованием тканей и фантомов (моделей и тканей), показали:
результаты поляризационных измерений сильно зависят от поляризации падающей волны;
потери СВЧ-энергии в органах человека в зависимости от рабочей частоты колеблются от 12 до 22 дБ;
значения поляризационно-фазовых параметров, измеренных предложенным устройством, свидетельствуют о высокой информативности их и чувствительности, о наличии анизотропности тканей и органов, о различии электрофизических свойств тканей, о различии их внутренней структуры;
возможность использования поляризационных параметров для ранней диагностики онкозаболеваний человека.

Следует отметить широкие возможности предложенного устройства для ранней диагностики не только онкозаболеваний и не только человека.

Для реализации рассматриваемой аппаратуры в медицине заключен договор на разработку отдельных устройств с Краснодарским заводом радиоизмерительных приборов ПО "Импульс" в 1992 г.

В настоящее время рассматриваемое устройство под руководством Миннауки РФ разрабатывается в Таганрогском радиотехническом университете в НИР "Прогноз" 1992 1993 гг.

Подобное устройство за рубежом не разработано.

Изобретение относится к области медицины и предназначено для ранней диагностики онкозаболеваний человека с помощью СВЧ-сигналов. Для достижения технического результата, заключающегося в обеспечении ранней диагностики всех видов онкозаболеваний человека, основанное на сравнении поляризационных характеристик СВЧ-излучений, прошедших через здоровую и больную ткани, в устройство диагностики онкозаболеваний, содержащее излучающий и приемный аппликаторы, источник СВЧ-излучения, векторный вольтметр и самописец, введены переключатели каналов, контроллер, интерфейс и ЭВМ с дисплеем и принтером. В предложенном устройстве использовано новое научное направление "Медико-биологическая радиополяриметрия", основанное на измерении и анализе полиризационно-фазовых параметров СВЧ-сигналов. Приведенные с помощью устройства экспериментальные исследования подтверждают возможность использования поляризационных параметров СВЧ-сигналов для ранней диагностики онкологических заболеваний человека. 1 ил.

Устройство диагностики онкологических заболеваний человека с помощью сверхвысокой частоты, содержащее источник СВЧ-излучения, излучающий и приемный аппликаторы и векторный вольтметр, соединенный с блоком обработки сигнала и регистрации, отличающееся тем, что дополнительно введены переключатели, каждый из которых соединен с соответствующим двухканальным аппликатором, и контроллер, а блок обработки сигнала и регистрации содержит интерфейс, соединенный с ЭВМ, связанной соответствующими выходами с принтером, дисплеем и входом контроллера, при этом первый вход переключателя излучающего аппликатора соединен с первым выходом векторного вольтметра, а второй с первым выходом контроллера, второй выход контроллера соединен с входом переключателя приемного аппликатора, выход которого подключен к первому входу векторного вольтметра, при этом его второй вход соединен с источником СВЧ-излучения, а второй выход подключен к интерфейсу.