ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1998 года по МПК A61N5/00 A61N5/01 

Изобретение относится к области лучевой терапии, в частности к электромагнитным медицинским аппликаторам и может найти применение в СВЧ-гипертермии и СВЧ-радиометрии для диагностических и лечебных целей с целью выявления наличия инородных биологических образований в объеме однородной биологической ткани, определения размеров объема инородной биологической ткани, ее толщину и глубину расположения от поверхности однородной биологической ткани, определения наличия инородных биологических, тканей вытянутой нитеобразной формы (метастазов) и их расположение в объеме однородной биологической ткани, а также ее размеры включая толщину и глубину расположения от поверхности однородной биологической ткани, определения диэлектрической проницаемости биологической ткани, определение температуры объема биологической ткани при гипертермии, определения температуры объема биологической ткани, граничащей с объемом биологической ткани, подвергающейся гипертермическому воздействию, оперативно определять изменения физико-химического состава объема биологической ткани, включая и жидкие при различных видах исследований, как, например, при медикаментозном воздействии или при потреблении различных продуктов питания, определение поляризационных свойств биологической ткани.

Известна конструкция электромагнитного аппарата (патент США N 4397313, кл. A 61 N 5/01, 1986), содержащая набор волноводных излучателей в виде антенной решетки и через распределительное устройство, соединенных с источником электромагнитной энергии. Волноводные излучатели соединены с устройством регулирования положения, которое позволяет располагать их в соответствии с контуром области биологической ткани.

Недостатком данного электромагнитного аппарата является однофункциональное его применение, а именно для гипертермии объемов биологической ткани.

Наиболее близким техническим решением - прототипом является электромагнитный аппарат (авт. св. СССР N 1799604, кл. A 61 N 5/01, 1992), содержащее набор волноводных излучателей, выполненных в виде антенной решетки, каждый из которых разводкой питания объединен на распределительное устройство, выполненное в виде частотно-селективного электромагнитного регистратора, выполненного в виде объемного метаболического резонатора в форме прямого эллиптического цилиндра, во вторые фокусы которого установлены выходные регистраторы в виде тепловизоров.

При следующих достоинствах известного технического решения, а именно; визуального определения частотных свойств объема биологической ткани, визуального определения распределения спектрального поглощения СВЧ энергии по объему биологической ткани и возможности определения диэлектрической проницаемости биологической ткани в широком диапазоне частот, оно обладает следующими недостатками : невозможность выявления наличия инородных биологических образований в объеме однородной биологической ткани, невозможность определения размеров объема инородной биологической ткани, ее толщины и глубины расположения от поверхности биологической ткани, невозможность определения наличия инородных биологических тканей вытянутой нитеобразной формы формы (метастазов) и их расположение в объеме однородной биологической ткани, а также ее размеры включая толщину и глубину расположения от поверхности биологической ткани, невозможность определения температуры объема биологической ткани, невозможность определения температуры объема биологической ткани граничащей с объемом биологической ткани подвергающейся гипертермическому воздействию, невозможность определения состава объема биологической ткани включая жидкие при различных видах исследований, как, например, при медикаментозных или при употреблении разлитых продуктов питания, невозможность определения поляризационных свойств биологической ткани.

Заявленное техническое решение является новым, так как оно неизвестно из уровня техники, поскольку неизвестны электромагнитные аппараты выполненные на плоских микрополосковых антенных решетках с нечетным количеством излучателей, в которых в единой апертуре объединено два независимых по функциональному назначению и развязанных по разводке питания антенных модуля, первый антенный модуль - это центральный излучатель плоской микрополосковой антенной решетки, выполненный в форме квадрата со стороной равной половине длины волны и возбуждаемый в углу отрезком коаксиальной линии передачи, является излучающим с диагональной (под углом 45 градусов) ориентацией вектора напряженности электрического поля, второй антенный модуль - это приемная плоская антенная решетка содержащая четное количество излучателей апертуры электромагнитного аппарата, центры которых размещены в узлах прямоугольной координатной сетки, и разделенные между собой по каждой ветви зазорами одинаковой ширины, средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки являются активными, так как к ним подключены контактные элементы, средние излучатели выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого равна половине длины волны, другая сторона равна длине волны и по этой стороне средние излучатели электромагнитно через зазор связаны с пассивными излучателями, выполненными в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, разводка питания выполнена в виде крестообразного ортогонального соединения четырех отрезков микрополосковых линий, к которой подключены контактные элементы, отрезки первой и второй выходных линий передачи подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания, обеспечивающие раздельный прием двух линейно поляризованных ортогональных между собой сигнала, контактные элементы, в зависимости от функционального назначения и алгоритма обработки принимаемого сигнала, выполняются в виде металлического штыря или на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах, и соответственно такое выполнение плоской микрополосковой антенной решетки, ее возбуждение, разводка питания, коммутация и электродинамические процессы протекающие в таких структурах по настоящее время в литературе не описаны. Следовательно, заявленное техническое решение с очевидностью не вытекает из ранее известных свойств излучающих структур, используемых в электромагнитных аппаратах, поскольку в них используется частотный принцип обработки сигнала и соответственно исследуются частотные свойства биологической ткани, в то время, как в заявленном техническом решении обработка принимаемого сигнала осуществляется по поляризационным параметрам, т.е. заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как явным образом не следует из уровня техники.

В известное устройство, содержащее следующую совокупность признаков, присущих известному и заявленному техническим решениям, а именно: набор излучателей в виде антенной решетки и разводку питания, введена следующая отличительная совокупность признаков, достаточная во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны и признаки характеризующие изобретения в частных случаях, связанных с точками подключения контактных элементов к излучателям, количеством контактных элементов подключаемых к излучателям, видом выполнения контактных элементов, подключением коммутаторов к отрезкам выходных линий передачи соответственно, по пп. 2-8 формулы изобретения.

По п. 1 формулы изобретения - антенная решетка выполнена в виде плоской микрополосковой антенной решетки, содержащей нечетное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника, и разделенных между собой зазорами одинаковой ширины, центры излучателей размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и их боковые кромки расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки, причем центральный излучатель выложен в форме квадрата, сторона которого равна половине длины волны, а средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки соответственно, выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона излучателя равна половине длины волны, остальные излучатели плоской антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом центральный излучатель в углу, в точке пересечения одной и другой его смежных боковых кромок, подключен к отрезку коаксиальной линии передачи центрального излучателя, а к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке расположенной на одной боковой кромке, длиной равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными боковыми кромками центрального излучателя соответственно, подключены контактные элементы, гальванически соединенные одними концами с соответствующими им средними излучателями, а вторыми концами с разводкой питания, содержащей микрополосковый квадрат, сторона которого равна половине длины волны, и четыре отрезка микрополосковых линий передачи подключенных соосно к середине каждой стороны квадрата соответственно, при этом взаимно перпендикулярные оси разводки питания расположены параллельно центральным ветвям прямоугольной координатной сетки соответственно, и лежат в одной плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости диэлектрических подложек антенной решетки и разводки питания, при этом отрезок коаксиальной линии передачи центрального излучателя проходит через центр микрополоскового квадрата разводки питания, внешний проводник которого гальванически соединен с ним и с его внешним земляным экраном, причем отрезки первой и второй выходных линий передачи подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания соответственно, а длина двух других отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания ограничивается точкой подключения соответствующего ему второго конца контактного элемента крайнего среднего излучателя центральных ветвей прямоугольной координатно сетки.

Технический результат по п. 1 формулы изобретения выражается в расширении функциональных возможностей электромагнитного аппарата за счет объединения в одной апертуре плоской микрополосковой антенной решетки излучателя, излучающего электромагнитную энергию от генератора СВЧ на биологическую ткань с наклонной 45 градусной ориентацией вектора напряженности электрического поля относительно прямоугольной координатной сетки и, приемной антенной решетки, осуществляющей двухканальный, развязанный между собой, прием отраженной от биологической ткани электромагнитной энергии по двум взаимно ортогональным, соответствующих осям прямоугольной координатной сетки, составляющим ориентации вектора напряженности электрического поля.

Заявленный технический результат по п. 1 формулы изобретения достигается за счет следующей причинно следственной связи между совокупностью существенных признаков: антенная решетка выполнена в виде микрополосковой антенной решетки с нечетным количеством излучателей в форме прямоугольника, разделенных зазорами одинаковой ширины, центры излучателей размещены в узлах прямоугольной координатной сетки, центральный излучатель выполнен в форме квадрата со стороной равной половине длины волны, в углу которого подключен отрезок коаксиальной линии передачи, средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки выполнены в форме прямоугольника одна сторона которого равна половине длины волны, другая равна длине волны, остальные излучатели выполнены в форме квадрата со стороной равной длине волны, к одной боковой кромке волновой длины каждого среднего излучателя подключен контактный элемент, соединяющий средние излучатели с разводкой питания, содержащей микрополосковый квадрат со стороной равной половине длины волны, к которому соосно к середине каждой стороны подключено четыре отрезка микрополосковых линий, из которых к продолжению двух соседних подключены первая и вторая выходные линии передачи соответственно, а длина двух других соседних отрезков микрополосковых линий передачи ограничена точкой подключения контактного элемента соответствующего ему крайнего среднего излучателя. Такая совокупность признаков обеспечивает независимый режим излучения центрального излучателя и независимый режим приема плоской микрополосковой антенной решеткой, отраженной от биологической ткани электромагнитной энергии, вектор напряженности электрического поля которой представляется в виде суперпозиции двух координатно ориентированных векторов - один с вертикальной, а другой с горизонтальной ориентациями в принятой системе прямоугольной координатной сетки с последующим развязанным построчным и постолбцовым суммированием к соответствующим средним излучателям центральных ветвей антенной решетки и результирующим синфазным суммированием в соответствующих отрезках микрополосковых линий передачи разводки питания, выполнение центральной части разводки питания в форме квадрата обеспечивает развязку сигналов по составляющим векторов принимаемой электромагнитной энергии.

По п. 2 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 1 формулы изобретения - контактные элементы подключены к средним излучателям одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины.

Технический результат по п. 2 формулы изобретения выражается в выявлении наличия инородных биологических образований в объеме однородной биологической ткани, определение его границ и размеров, толщины и глубины расположения от поверхности однородной биологической ткани, выявление наличия инородных биологических тканей вытянутой нитеобразной формы (метастазов), определение их границ расположения в объеме однородной биологической ткани, размеров, включая толщину и глубину расположения от поверхности однородной биологической ткани, определение диэлектрической проницаемости объема биологической ткани, определение температуры объема биологической ткани.

Заявленный технический результат по п. 2 формулы изобретения достигается за счет того, что контактные элементы подключены к средним излучателям одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины. Такое подключение контактных элементов формирует суммарную диаграмму направленности (карандашнообразной формы) плоской микрополосковой антенной решетки.

По п. 3 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 1 формулы изобретения - контактные элементы подключены к средним излучателям двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, в углу в точке пересечения одной боковой кромки со смежной боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, при этом к средним излучателям двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромке волновой длины.

Технический результат по п. 3 формулы изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и выражается в возможности определения температуры объема биологической ткани, граничащей с объемом биологической ткани, подвергающейся гипертермическому воздействию (тепловому прогреву электромагнитной энергией), в возможности определения изменения физико-химического состава объема биологической ткани граничащей с объемом биологической ткани подвергшейся предварительному воздействию, например медикаментозному или при употреблении различного вида продуктов питания, с последующим гипертермическим воздействием на нее.

Заявленный технический результат по п. 3 формулы изобретения достигается за счет того, что контактные элементы подключены к средним излучателям двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, в углу в точке пересечения одной боковой кромки со смежной боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, при этом к средним излучателям двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной, координатной сетки контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины. Такое подключение контактных элементов формирует разностную диаграмму направленности (воронкообразной формы) плоской микрополосковой антенной решетки.

По п. 4 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 1 формулы изобретения - к каждому среднему излучателю двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя, соответственно, подключено по два контактных элемента, один в точке расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины, а второй в углу в точке пересечения одной боковой кромки со смежной боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучатся соответственно, а к каждому среднему излучателю двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины.

Технический результат по п. 4 формулы изобретения выражается в расширении функциональных возможностей и заключается в возможности формирования, как суммарной, так и разностной диаграмм направленности второго антенного модуля электромагнитного аппарата путем переключения соответствующих контактных элементов.

Заявленный технический результат по п. 4 формулы изобретения достигается за счет того, что к каждому среднему излучателю двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя, соответственно, подключено по два контактных элемента, один в точке, расположенной на середине одной боковой кромки, а второй в углу в точке пересечения одной боковой кромки со смежной боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, а к каждому среднему излучателю двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины.

По п. 5 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 2-3 формулы изобретения - контактные элементы выполнены в виде металлических штырей.

Технический результат по п. 5 формулы изобретения заключается в конкретизации выполнения контактных элементов для заявленных технических решений по п. 2-3 формулы изобретения, а именно в виде метаболических штырей.

По п. 6 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 2-4 формулы изобретения - контактные элементы выполнены на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах.

Технический результат по п. 6 формулы изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и выражается:
по п. 2 формулы изобретения: в возможности формирования двух переключаемых электрическим путем режимов работы электромагнитного аппарата - первый режим соответствует подключению средних излучателей к разводке питания и технический результат соответствует техническому результату п. 2 формулы изобретения, второй режим соответствует отключению средних излучателей от разводки питания, в этом режиме все микрополосковые излучатели второго антенного модуля становятся пассивными, а в результате этого электромагнитный аппарат работает только в режиме излучения центрального излучателя первого антенного модуля, при этом все пассивные излучатели второго антенного модуля электромагнитно связаны с центральным излучателем и в результате этого увеличивается его апертура и соответственно сужается диаграмма направленности, увеличивается коэффициент усиления, технический результат в этом случае заключается в расширении функциональных возможностей.

по п. 3 формулы изобретения: в возможности формирования двух переключаемых электрическим путем режимов работы электромагнитного аппарата - первый режим соответствует подключению средних излучателей к разводке питания и технический результат соответствует техническому результату п. 3 формулы изобретения, второй режим соответствует отключению средних излучателей от разводки питания, в этом случае электромагнитный аппарат работает также, как и электромагнитный аппарат во втором режиме п. 2 формулы изобретения и достигается тот же самый технический результат - расширение функциональных возможностей.

По п. 4 формулы изобретения: в возможности формирования трех переключаемых электрическим путем режимов работы электромагнитного аппарата - первый режим соответствует подключению средних излучателей к разводке питания по п. 2 формулы изобретения и технический результат соответствует техническому результату по п. 2 формулы изобретения, второй режим соответствует подключению средних излучателей к разводке питания по п. 2 формулы изобретения и технический результат соответствует техническому результату по п. 3 формулы изобретения, третий режим соответствует подключению средних излучателей к разводке питания по п. 4 формулы изобретения, в этом случае осуществляя электрической путем попеременную коммутацию точек подключения контактных элементов к разводке питания можно формировать любой из перечисленных выше режимов работы электромагнитного аппарата, технический результат выражается в расширении функциональных возможностей.

По п. 7 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 4 формулы изобретения - контактные элементы, подключенные к каждому среднему излучателю двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, выполнены на полупроводниковых СВЧ диодах, а контактные элементы подключенные к средним излучателям двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, выполнены в виде металлических штырей. Технический результат по п. 7 формулы изобретения выражается в расширении функциональных возможностей и выражается в возможности оперативного переключения электрическим путем диаграмм направленности электромагнитного аппарата - с суммарной диаграммы направленности на разностную и обратно, расширяя тем самым функциональные возможности за счет повышения информативности.

По п. 8 формулы изобретения: электромагнитный аппарат по п. 2 и 6 формулы изобретения - отрезки первой и второй выходных линий передачи подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания соответственно, через отдельные двухпозиционные коммутаторы, при этом входные каналы коммутаторов подключены к отрезкам микрополосковых линий передачи разводки питания, первые выходные каналы коммутаторов подключены соответственно к отрезкам первой и второй выходных линий передачи, а вторые выходные каналы коммутаторов к согласованным нагрузкам. Технический результат по п. 8 формулы изобретения выражается в расширении функциональных возможностей и выражается в возможности оперативного переключения электрическим путем двух режимов работы электромагнитного аппарата, а именно: первый режим соответствующий п. 2 и 6 формулы изобретения, когда отрезки микрополосковых линий передачи разводки питания соединены с отрезками выходных линий передачи и достигаемый технический результат соответствует техническому результату п. 2 и 6 формулы изобретения, второй режим соответствующий п. 2 и 6 формулы изобретения, когда отрезки микрополосковых линий передачи разводки питания нагружены на согласованные нагрузки и соответственно каждый средний активный микрополосковый излучатель второго антенного модуля электромагнитного аппарата через разводку питания нагружен на согласованную нагрузку, что обеспечивает повышение эффективности электромагнитного излучения в активном режиме электромагнитного аппарата - только излучение.

На фиг. 1 изображена конструкция электромагнитного аппарата с контактными элементами, подключенными в середины боковых кромок средних излучателей и отрезком коаксиальной линии передачи к центральному излучателю; на фиг. 2 изображена конструкция электромагнитного аппарата с контактными элементами, подключенными в углах средних излучателей и отрезком коаксиальной линии передачи к центральному излучателю; на фиг. 3 изображена конструкция электромагнитного аппарата с контактными элементами, подключенными в середины боковых кромок и углы средних излучателей и отрезком коаксиальной линии передачи к центральному излучателю; на фиг. 4 изобразив конструкция разводки питания с подключенными к ней двухпозиционными коммутаторами; на фиг. 5 изображена конструкция подключения контактного элемента к микрополосковому излучателю и микрополосковым проводникам разводки питания и на фиг. 6 инструкция подключения отрезка коаксиальной линии передачи центрального излучателя.

Электромагнитный аппарат содержит плоскую микрополосковую антенную решетку 1, содержащую нечетное количество излучателей, размещенных в узлах прямоугольной координатной сетки, излучатели выполнены в форме прямоугольника и разделены между собой зазорами 2 одинаковой ширины, боковые кромки излучателей расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки. Центральный излучатель 3 выполнен в форме квадрата, сторона которого равна половине длины волны, а средние излучатели 4 одной и другой центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки соответственно, выполнены в форме прямоугольника, одна сторона 7 которого, параллельная соответствующей центральной ветви 5, 6 прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона 8 излучателя 4 равна половине длины волны, остальные излучатели 9 плоской микрополосковой антенной решетки 1 выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны. Центральный излучатель 3 в углу 10 в точке пересечения одной и другой его смежных боковых кромок 11 и 12 соответственно, подключен к отрезку коаксиальной линии передачи 13 центрального излучателя 3. К каждому среднему излучателю 4 одной и другой центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки соответственно, в точке 14 расположенной на середине одной боковой кромки 7, длиной равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными боковыми кромками 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, подключены контактные элементы 15, гальванически соединенные одними концами 16 с соответствующими им средними излучателями 4, а вторыми концами 17 с разводкой питания 18, содержащей микрополосковый квадрат 19, сторона которого равна половине длины волны и четыре отрезка микрополосковых линий передачи 20, 21, 22 и 23 подключенных соосно к середине каждой стороны микрополоскового квадрата 19 соответственно, при этом взаимно перпендикулярные оси 24 и 25 разводки питания 18 расположены параллельно центральным ветвям 5 и 6 прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки 1 соответственно, и лежат в одной плоскости, расположенной перпендикулярно плоскостям диэлектрических подложек микрополосковой антенной решетки 1 и разводки питания 18, при этом отрезок коаксиальной линии передачи 13 центрального излучателя 3 проходит через центр микрополоскового квадрата 19 разводки питания 18, внешний проводник 26 отрезка коаксиальной линии передачи 13 гальванически соединен с микрополосковым квадратом 19 и с его внешним земляным экраном 27. Отрезки первой и второй выходных линий передачи 28 и 29 подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи 20 и 21 разводки питания 18 соответственно, а длина двух других отрезков микрополосковых линий передачи 22 и 23 разводки питания 18 ограничена точкой подключения соответствующего ему второго конца 17 контактного элемента 15 крайнего среднего излучателя 4 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки.

Электромагнитный аппарат (фиг. 2) - контактные элементы 15 подключены к средним излучателям 4 двух смежных лучей 30 и 31 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, в углу 32 в точке пересечения одной боковой кромки 7 со смежной боковой кромкой 33, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, к средним излучателям 4 двух других смежных лучей 34 и 35 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, контактные элементы 15 подключены в точке 14, расположенной на середине одной боковой кромки 7.

Электромагнитный аппарат (фиг. 3) - к каждому среднему излучателю 4 двух смежных лучей 30 и 31 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, подключено по два контактных элемента 15, один в точке 14, расположенной на середине одной боковой кромки 7, а второй контактный элемент 15 в углу 32 в точке пересечения одной боковой кромки 7 с смежной боковой кромкой 33, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, к средним излучателям 4 двух других смежных лучей 34 и 35 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, контактные элементы 15 подключены в точке 14, расположенной на середине одной боковой кромки 7.

Электромагнитный аппарат - контактные элементы 15, подключенные к средним излучателям 4 двух смежных лучей 30 и 31 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, выполнены на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах, а контактные элементы 15, подключенные к средним излучателям 4 двух других смежных лучей 34 и 35 центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки, выполнены в виде металлических штырей.

Электромагнитный аппарат (фиг. 4) - отрезки первой и второй выходных линий передачи 28 и 29 подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи 20 и 21 разводки питания 18 соответственно, через отдельные двухпозиционные коммутаторы 36, при этом входные каналы 37 коммутаторов 36 подключены к отрезкам микрополосковых линий передачи 20 и 21 разводки питания 18, первые выходные каналы 38 коммутаторов 36 подключены соответственно к отрезкам первой и второй выходных линий передачи 28 и 29, а вторые выходные каналы 39 коммутаторов 36 к согласованным нагрузкам 40.

Подключение контактных элементов 15 к средним микрополосковым излучателям 4 и микрополосковым линиям передачи 20-23 разводки питания 18 изображено на фиг. 5-6.

Электромагнитный аппарат работает следующим образом.

СВЧ энергия от источника через отрезок коаксиальной линии передачи 13 поступает на центральный излучатель 3. В центральном излучателе 3, выполненным квадратной формы со стороной равной половине длины волны и с точкой подключения возбуждающего элемента в углу 10, возбуждаются две ортогональные и сдвинутые по фазе на 90 градусов составляющие электрического тока, суперпозицией которых является результирующая составляющая электрического тока, ориентированная по диагонали излучателя 3, проходящей через его угол 10, т. е. под углом 45 градусов в принятой системе центральных ветвей 5 и 6 прямоугольной координатной сетки. Таким образом, излученная электромагнитная энергия центральным излучателем 3, первым антенным модулем, на биологическую ткань имеет линейную поляризацию с ориентацией вектора напряженности электрического поля E соответствующего ориентации результирующей составляющей электрического тока на центральном излучателе 3, т.е. под углом 45 градусов.

Микрополосковая антенная решетка равноценно принимает волны с любой ориентацией вектора напряженности электрического поля E в секторе углов (от 0 до 90 градусов), определяемым одной и другой смежными боковыми кромками 11 и 12 центрального излучателя 3 соответственно, в принятой прямоугольной координатной сетке. Каждый средний излучатель 4, являющийся активным по боковым кромкам 7, длиной равной длине волны, электромагнитно связан по этим активным кромкам 7 через зазоры 2 с лежащими с ним на одной ветви прямоугольной координатной сетки пассивными излучателями 9, со стороной квадрата равной длине волны. При такой системе возбуждения и электромагнитной связи между излучателями 4 и 9 плоская микрополосковая антенная решетка 1 представляет собой две независимых системы линеек излучателей, в центре каждой из которых расположен активный излучатель 4: первая система линеек излучателей - линейки излучателей ориентированы параллельно ветви 5 прямоугольной координатной сетки, и вторая система линеек излучателей - линейки излучателей ориентированы параллельно ветви 6 прямоугольной координатной сетки, причем каждый пассивный излучатель 9 антенной решетки, выполненный квадратной формы, смежной парой боковых кромок одновременно входит в состав первой и второй систем линеек излучателей. Каждая система линеек излучателей имеет свою ориентацию линейного вектора поляризации электрического поля. Так система линеек излучателей, продольные оси которых ориентированы параллельно ветви 5 прямоугольной координатной сетки, имеет направление вектора параллельное ветви 5, а система линеек излучателей, продольные оси которых ориентированы параллельно ветви 6 прямоугольной координатной сетки, имеет направление вектора параллельное ветви 6.

Отраженная от биологической ткани электромагнитная энергия падает на систему излучателей плоской микрополосковой антенной решетки, возбуждает на каждом излучателе составляющую электрического тока, которая раскладывается на каждом излучателе на две составляющие электрического тока: одна составляющая электрического тока - это проекция параллельная одной центральной ветви 5 прямоугольной координатной сетки, другая составляющая электрического тока - это проекция параллельная другой центральной ветви 6 прямоугольной координатной сетки. Составляющая электрического тока параллельная ветви 5 возбуждает систему линеек излучателей, продольные оси которых ориентированы вдоль этой же ветви 5 прямоугольной координатной сетки, а составляющая электрического тока параллельная ветви 6 возбуждает систему линеек излучателей, продольные оси которых ориентированы вдоль этой же ветви 6. В каждой возбужденной линейке излучателей одной и другой ветвей суммарный сигнал выделяется на соответствующем ей среднем активном излучателе 4 и через контактные элементы 15 , выполненные в виде металлических штырей и подключенных в середины боковых кромок 7, формируя суммарную диаграмму направленности микрополосковой антенной решетки (фиг. 1), поступает в разводку питания 18, причем каждой системе линеек излучателей соответствует своя соосно соединенная пара отрезков микрополосковых линий 20,22 и 21,23 развязанных между собой за счет включения в точке их пересечения микрополоскового квадрата 19, синфазно суммируются в соответствующей им паре отрезков микрополосковых линий передачи 20,22 и 21,23, и поступают на выходные линии передачи 28 и 29, которые соединены с отрезками микрополосковых линий передачи 20 и 21 разводки питания соответственно. Прохождение отрезка коаксиальной линии передачи 13 центрального излучателя 3 через центр микрополоскового квадрата 19 и гальваническое соединение внешнего проводника 26 с квадратом 19 и внешним земляным экраном 27 обеспечивает повышение уровня развязки пересекающихся отрезков микрополосковых линий передачи 20,22 и 21,23 разводки питания 18.

Таким образом, электромагнитный аппарат в режиме работы на отраженной энергии от биологической ткани имеет три информативных составляющих, а именно: принятый отраженный сигнал от биологической ткани имеет две информативные амплитудные составляющие и третью информативную угловую составляющую сигнала облучающего биологическую ткань. При работе с исследуемой биологической тканью с двумя идентичными электромагнитными аппаратами, устанавливая один под другим с расположением между ними исследуемой биологической тканью, с юстированными между собой и установленными с возможностью вращения каждого из них вокруг своей оси, проходящей перпендикулярно диэлектрической подложке электромагнитного аппарата и возможность менять угол наклона падающей волны, т. е. менять угол наклона апертуры электромагнитного аппарата, появляются дополнительные информативные составляющие, обработка которых должна проводиться по соответствующим алгоритмам определяемым методикой исследования биологической ткани.

Используя различные методики экспериментов и соответствующие им алгоритмы обработки информативных электрических и угловых составляющих обеспечивает достижение заявляемых технических результатов.

Подключение контактных элементов 15 к средним излучателям 4, расположенных на смежных лучах 30 и 31 в углах 32, а на лучах 34 и 35 в середине боковой кромки 7, и выполнение их в виде металлических штырей, формирует разностную или воронкообразную диаграмму направленности микрополосковой антенной решетки, что в свою очередь дополнительно увеличивает информативность принимаемого сигнала (фиг.2).

Подключение контактных элементов 15 к средним излучателям 4, расположенных на смежных лучах 30 и 31, в углах 32 и в середине боковой кромки 7 и выполнение контактных элементов на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах, а на лучах 34 и 35 в середине боковой кромки 7 и выполнение контактных элементов 15 в виде металлических штырей дополнительно расширяет функциональные возможности электромагнитного аппарата за счет коммутации электрическим путем диаграммы направленности микрополосковой антенной решетки электромагнитного аппарата (фиг. 3). При выполнении контактных элементов 15, подключенных ко всем средним излучателям 4 микрополосковой антенной решетки на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах еще дополнительно расширяет функциональные возможности электромагнитного аппарата - возможности коммутации электрическим путем режимов работы, так дополняется режим перевода электромагнитного аппарата в режим только излучения центрального излучателя и сужение его диаграммы направленности за счет отключения всех средних излучателей 4 от разводки питания 18. Подключение двухпозиционных коммутаторов 36 между выходными линиями передачи 28 и 29 и отрезками микрополосковых линий 20 и 21 разводки питания 18 позволяет нагружать средние излучатели 4 на согласованные нагрузки, что позволяет повысить эффективность электромагнитного аппарата в режиме только излучения путем выравнивания диаграммы направленности центрального излучателя и тем самым обеспечение локализации облучаемого объема биологической ткани.

Таким образом электромагнитный аппарат является многофункциональным за счет большой информативности измеряемых им параметров при диагностических исследованиях биологической ткани, а также позволяет осуществлять контроль состояния биологической ткани при гипертермии. Причем все это можно проводить в едином цикле работы с биологической тканью по заранее разработанному алгоритму управления электромагнитным аппаратом, заключающемся в последовательности управления полупроводниковыми диодами - контактными элементами, т. е. в коммутации средних излучателей и разводки питания, и с разработкой соответствующих алгоритмов обработки выходных параметров, обработку которых и управление электромагнитным аппаратом можно осуществлять с применением ПЭВМ.

Изобретение относится к области лучевой терапии, в частности к электромагнитным медицинским аппликаторам, и может найти применение в СВЧ-гипертермии и СВЧ-радиометрии для диагностических и лечебных целей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет объединения в одной апертуре облучающей и двухканальной приемной микрополосковых антенн, электрической коммутацией параметров антенн. Электромагнитный аппарат содержит плоскую микрополосковую антенну решетку, содержащую нечетное количество излучателей в форме прямоугольников разделенных зазорами. Центральный излучатель выполнен в форме квадрата с полуволновой стороной, в углу которого подключен отрезок коаксиальной линии передачи, средние излучатели выполнены в форме прямоугольника, стороны которого выполнены волновой и полуволновой длины соответственно, остальные излучатели выполнены в форме квадрата с волновой стороной. К каждому среднему излучателю в середину боковой кромки подключены контактные элементы соединенные с разводкой питания, которая содержит микрополосковый квадрат с полуволновой стороной и соосно соединенных с ним четыре отрезка микрополосковых линий передачи, две из которой подключены к отрезкам выходных линий передачи соответственно. 7 з.п. ф-лы 6 ил.

1. Электромагнитный аппарат, содержащий набор излучателей в виде антенной решетки и разводку питания, отличающийся тем, что антенная решетка выполнена в виде плоской микрополосковой антенной решетки, содержащей нечетное количество излучателей, выполненных в форме прямоугольника и разделенных между собой зазорами одинаковой ширины, а центры излучателей размещены в узлах прямоугольной координатной сетки и их боковые кромки расположены параллельно соответствующим осям этой координатной сетки, причем центральный излучатель выполнен в форме квадрата, сторона которого равна половине длины волны, а средние излучатели одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки соответственно выполнены в форме прямоугольника, одна сторона которого, параллельная соответствующей центральной ветви прямоугольной координатной сетки, равна длине волны, а другая смежная с ней сторона излучателя равна половине длины волны, остальные излучатели плоской микрополосковой антенной решетки выполнены в форме квадрата, сторона которого равна длине волны, при этом центральный излучатель в углу, в точке пересечения одной и другой его смежных боковых кромок подключен к отрезку коаксиальной линии передачи центрального излучателя, а к каждому среднему излучателю одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на одной боковой кромке длиной, равной длине волны и лежащей на одной прямой с одной и другой смежными боковыми кромками центрального излучателя соответственно подключены контактные элементы, гальванически соединенные одними концами с соответствующими им средними излучателями, а вторыми концами с разводкой питания, содержащей микрополосковый квадрат, сторона которого равна половине длины волны, и четыре отрезка микрополосковых линий передачи, подключенных соосно к середине каждой стороны микрополоскового квадрата соответственно, при этом взаимно перпендикулярные оси разводки питания расположены параллельно центральным ветвям прямоугольной координатной сетки микрополосковой антенной решетки соответственно и лежат в одной плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости диэлектрических подложек микрополосковой антенной решетки и разводки питания, при этом отрезок коаксиальной линии передачи центрального излучателя проходит через центр микрополоскового квадрата разводки питания, внешний проводник которого гальванически соединен с ним и с его внешним земляным экраном, причем отрезки первой и второй выходных линий передачи подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания соответственно, а длина двух других отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания ограничена точкой подключения соответствующего ему второго конца контактного элемента крайнего среднего излучателя центральных ветвей прямоугольной координатной сетки. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы подключены к средним излучателям одной и другой центральных ветвей прямоугольной координатной сетки в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что контактные элементы подключены к средним излучателям двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, в углу в точке пересечения одной боковой кромки волновой длины со смежной с ней боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, при этом к средним излучателям двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что к каждому среднему излучателю двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно подключено по два контактных элемента, один в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины, а второй контактный элемент в углу в точке пересечения одной боковой кромки волновой длины со смежной с ней боковой кромкой, дальней по отношению к одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, а к каждому среднему излучателю двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки контактные элементы подключены в точке, расположенной на середине одной боковой кромки волновой длины. 5. Аппарат по пп.2 и 3, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены в виде металлического штыря. 6. Аппарат по пп.2 4, отличающийся тем, что контактные элементы выполнены на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах. 7. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что контактные элементы, подключенные к каждому среднему излучателю двух смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, расположенных по обе стороны одной и другой смежных боковых кромок центрального излучателя соответственно, выполнены на полупроводниковых коммутационных СВЧ диодах, а контактные элементы, подключенные к средним излучателям двух других смежных лучей центральных ветвей прямоугольной координатной сетки, выполнены в виде металлических штырей. 8. Аппарат по пп.2 и 6, отличающийся тем, что отрезки первой и второй выходных линий передачи подключены к продолжению двух соседних отрезков микрополосковых линий передачи разводки питания соответственно через отдельные двухпозиционные коммутаторы, при этом входные каналы коммутаторов подключены к отрезкам микрополосковых линий передачи разводки питания, первые выходные каналы коммутаторов подключены соответственно к отрезкам первой и второй выходным линиям передачи, а вторые выходные каналы коммутаторов подключены к согласованным нагрузкам.