Система и способ радиочастотного исследования биообъекта Российский патент 2023 года по МПК A61B5/05 A61B5/507 G01N29/46 

Область техники

Изобретение относится к области медицины, а именно к радиотехническим методам исследования биообъекта.

Уровень техники

Попытки создания диагностических систем органов человека с помощью радиотехнических методов предпринимались достаточно давно [1-11, 14].

Однако, исследователи и разработчики таких систем сталкивались с основным противоречием, связанным с тем, что высокие требования по разрешению, соизмеримые с разрешением в КТ, достигались в сверхширокой полосе частот, с применением ультракоротких импульсов, с центральной частотой их спектра в несколько ГГц и выше, что ограничивало глубину проникновения в ткани несколькими мм (фиг. 1).

С другой стороны, работа систем на относительно низких частотах, хотя и решала задачу глубины проникновения, не давала возможности даже приблизится по разрешению к другим технологиям медицинской визуализации (КТ, ЯМР, рентген и УЗИ).

При этом, известно исследование (ДАВИДОВИЧ М.В. О ПРОНИКНОВЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТКАНЬ ЧЕЛОВЕКА. Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине. 2020, номер 1, стр. 124-126), согласно которомуизучали проникновение электромагнитного излучения в ткань человека в диапазоне от радиочастотного до оптического. В результате выяснилось, что область наилучшего проникновения соответствует дециметровым волнам, а затем с ростом частоты проникновение ухудшается.

В уровне техники известны устройство и способ формирования микроволнового изображения, позволяющие получить изображение на основе справочных таблиц уровня серого, используя значения энергии для генерации значений уровня серого. Изображение, соответствующее биологическим тканям, генерируется в соответствии со значениями уровня серого (US 20170007149 A1).

Также известны устройство и способ для обнаружения опухолевых масс, плевральных выпотов и кист с использованием времяпролетной рефлектометрии и диэлектрической спектроскопии (WO 2022137108 A).

Однако в известных решениях пациент находится в непосредственной близости от диагностического аппарата.

Известны система и способ радиочастотной томографии с использованием зондирующих импульсов микроволнового излучения в диапазоне 300-800 МГц синхронно спереди и сзади объекта с последующей обработкой сигналов (RU 2769968 C1). Данное решение принято за прототип. Недостатком известного изобретения является необходимость использования двух антенн и необходимость проводить измерения в экранированном помещении.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат настоящего изобретения заключается получении данных о радиочастотном спектребиообъектав реальном масштабе времени.

Технический результат достигается за счет системы радиочастотного исследования биообъекта, включающей блок обработки данных, соединенный с широкополосной приемо-передающей антенной решеткой, выполненной для зондирования посредством зондирующих импульсов микроволнового излучения в диапазоне 300-800 МГц, с формой моноцикла Гаусса, с мгновенной полосой 500 МГц и с длительностью менее 1 нс, при этом блок обработки данных, выполнен с возможностью получения откликов в виде ответных сигналов, принятых антенной решеткой от помещения без биообъектаи от помещения с биообъектом, причем блок обработки выполнен с возможностью вычитания принятых ответных сигналов с последующим преобразованием полученной разности в частотный спектр с применением быстрого Фурье-преобразования.

Технический результат достигается за счет способа радиочастотного исследования биообъекта, в котором посредством системы радиочастотного исследования биообъекта

- для первичной калибровки системы замеряют отклик от ультракороткого импульса, причем облучение производят со спектром в диапазоне 300-800 МГц во временной области помещения без биообъекта;

- замеряют отклик от того же ультракороткого импульса в том же помещении при фронтальном направлении облучения биообъекта, находящегося внутри помещения,

- получают и сохраняют полученные отклики от помещения без биообъектаи от помещения с биообъектом, размещенным перед широкополосной приемо-передающей антенной решеткой в пределах ее диаграммы направленности,

- а затем посредством блока обработки данных системы преобразуют полученные отклики в матрицы

- отклик, полученный в помещении без биообъекта,

- отклик, полученный в помещении с биообъектом;

- вычитают из матрицы отклика, полученного в помещении с биообъектом, матрицу отклика, полученного в помещении без биообъекта, и

- получают матрицу отклика биообъекта:

которую при помощи быстрого Фурье-преобразования преобразуют в частотный спектр

где S1, S2, … Sn - спектры - спектральные плотности, отдельных органов биообъекта.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Глубина проникновения СВЧ излучения в человеческие ткани в зависимости от частоты;

Фиг. 2. Схема реализации способа;

Фиг. 3. Индивидуальные спектры СВЧ излучения шести добровольцев в зависимости от возраста и состояния органов;

Фиг. 4. Частотная повторяемость максимумов в индивидуальных спектрах СВЧ излучения шести добровольцев в зависимости от возраста и состояния органов.

Осуществление изобретения

С помощью широкополосной приемо-передающей антенной решетки 1 (Фиг. 2), построенной на основе радиофотоники (РОФАР) [12], для первичной калибровки системы замеряют отклик от ультракороткого импульса специальной формы - моноцикла Гаусса [16, 17]: где: А - амплитуда импульса, τ - временная константа, причем - полная длительность двухполярного импульса моноцикла Гаусса, при облучении помещения без биообъекта. Затем измеряют отклик от того же ультракороткого импульса в том же помещении при фронтальном направлении облучения биообъекта 2 (Фиг. 2), находящегося внутри помещения. Причем, спектр возбуждающих импульсов [17], где: - круговая частота, что дает кратное увеличение отклика сигнал/шум и сигнал/помеха [12, 16] и КПД всей системы. Полный охват тела биообъекта (пациента) диаграммой направленности антенны [12] увеличивает отношение сигнал/шум и сигнал/помеха (фиг. 2).

Далее проводят вычитание откликов с дальнейшим преобразованием этого разностного сигнала в частотный спектр с применением быстрого Фурье-преобразования.

Посредством блока обработки данных системы преобразуют полученные отклики в матрицы

- отклик, полученный в помещении без биообъекта,

- отклик, полученный в помещении с биообъектом.

Далее, вычитают из матрицы отклик, полученного в помещении с биообъектом, матрицу отклика, полученного в помещении без биообъекта, и получают матрицу отклика биообъекта, которую при помощи быстрого Фурье-преобразования преобразуют в частотный спектр где S1, S2,…Sn - спектры (спектральные плотности) отдельных органов биообъекта. В результате отпадает необходимость проводить измерения в экранированном помещении даже несмотря на наличие значительных помех.

После чего проводится сравнение полученного сигнала от конкретного биообъекта(в частности, человека) со среднестатистической картиной излучения нормально функционирующих органов.

Исследование проведено на 6 добровольцах и ее результаты отражены на Фиг. 3 и Фиг. 4.

Система не оказывает вреда исследуемого, т.к. средняя мощность и плотность потока мощности облучения (несколько мВт), в сотни раз меньше излучения сотового телефона.

Достигнутые высокие отношения сигнал/шум и сигнал/помеха (более 30 дБ) и устойчивость к внешним воздействиям обеспечивают высокую достоверность измерений, приближающихся к 100% (фиг. 4).

Источники информации

1. S.C. Hagness, A. Taflove, J.E. Bridges; "Two-dimensional FDTD analysis of a pulsed microwave confocal system юг breast cancer detection: fixed-focus and antenna-array sensors", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Volume 45, Issue 12, Dec. 1998 Page(s):1470-1479.

2. Meaney P.M., Fanning M.W., Li D., Poplack S.P. and Keith D.P.A Clinical Prototype for Active Microwave Imaging of the Breast // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2000. - V. 48 - NO. 11. - p. 1841-1853.

3. G. Bindu, A. Lonappan, V. Thomas, С.K. Aanandan, and К.T. Mathew, "Active microwave imaging for breast cancer detection", Progress In Electromagnetics Research, PIER 58, 149-169, 2006.

5. Tommy Gunnarsson, "Microwave imaging of biological tissues: applied toward breast tumor detection", Malardalen University Licentiate Thesis No. 73, April 2007

6. System and Methods for Microwave Tomography: Pat. US 2009/0040952 A1 Cover M.B., Andersen D.R. - US 16/070,724; Заявл. 12.02.2009.

7. Serguei Semenov, "Microwave tomography: review of the progress towardsclinical applications", Phil. Trans. R. Soc. A 2009 367, 3021-3042. doi:10.1098/rsta.2009.0092

8. Wafer scale sensor ultra-wideband array for tissue diagnosis: Pat. US 2015/0241552/F. Mohamadi- US20141419111820140226; Заявл 26.02.2014.

9. Microwave tomography system: Pat. US 2019/0021626/ Garsia H.C., Gouzouasis I., Kallos E. and all. - US 16/070,724; Заявл. 17.01.2017.

10. UWB microwave imaging system with a novel calibration approach for breast cancer detection: Pat. US 2019/0175053 / M.R. Mahfouz - US 16273,747; Заявл. 13.06.2019.

12. Зайцев Д.Ф., Андреев В.М., Биленко И.А., Березовский А.А. Владиславский П.Ю., Гурфинкель Ю.Б., Цветкова Л.И., Калиновский В.С, Кондратьев Н.М., Косолобов В.Н., Курочкин В.Ф., Слипченко С.О., Смирнов Н.В., Яковлев Б.В. Первая радиофотонная фазированная антенная решетка (РОФАР) //Радиотехника - 2021 г. - Т.85 - №4 - с. 153-164.

13. Система и способ радиочастотной томографии: Патент России №2769968 /Д.Ф. Зайцев. - №2022102362; Заявл. 02.02.2022.

14. Yuan L., Li J. Extractionand Denoisingof Human Signatureon Radio Frequency Spectrums //IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). - 2023. 06.01. - p. 1-7. -DOI: 10.1109 / ICCE56470.2023.)0043377.

15. Иванов М.С. Методы спектрального анализа в Сб. Наука, техника и образование // Москва. - 2019. - №8(61). - с. 33-38.

16. Радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн: Патент России №2674074 /Д.Ф. Зайцев. - №2018106464; Заявл. 21.02.2018.

17. Full Duplex Ultrawide-Band Communication System and Method: Patent USAUS5687169 /Larry W.Fullerton. - №426429; Заявл. 27.04.1995.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к системе радиочастотного исследования биообъекта и способу радиочастотного исследования биообъекта. Система радиочастотного исследования биообъекта включает блок обработки данных, соединенный с широкополосной приемо-передающей антенной решеткой, выполненной для сканирования биообъекта посредством зондирующих импульсов микроволнового излучения в диапазоне 300-800 МГц, с формой моноцикла Гаусса, с мгновенной полосой 500 МГц и с длительностью менее 1 нс. Блок обработки данных, выполнен с возможностью получения откликов в виде ответных сигналов, принятых антенной решеткой от помещения без биообъекта и от помещения с биообъектом. Блок обработки выполнен с возможностью вычитания принятых ответных сигналов с последующим преобразованием полученной разности в частотный спектр с применением быстрого Фурье-преобразования. В способе для первичной калибровки системы замеряют отклик от ультракороткого импульса, причем облучение производят со спектром в диапазоне 300-800 МГц во временной области помещения без биообъекта. Также в способе замеряют отклик от того же ультракороткого импульса в том же помещении при фронтальном направлении облучения биообъекта, находящегося внутри помещения. Также в способе получают и сохраняют полученные отклики от помещения без биообъекта и от помещения с биообъектом, размещенным перед широкополосной приемо-передающей антенной решеткой в пределах ее диаграммы направленности. Затем посредством блока обработки данных системы преобразуют полученные отклики в матрицы - отклик, полученный в помещении без биообъекта, - отклик, полученный в помещении с биообъектом, Далее в способе вычитают из матрицы отклика, полученного в помещении с биообъектом, матрицу отклика, полученного в помещении без биообъекта, и получают матрицу отклика биообъекта: которую при помощи быстрого Фурье-преобразования преобразуют в частотный спектр где S1, S2,…Sn - спектры - спектральные плотности отдельных органов биообъекта. Технический результат настоящего изобретения заключается получении данных о радиочастотном спектре биообъекта в реальном масштабе времени. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система радиочастотного исследования биообъекта, включающая блок обработки данных, соединенный с широкополосной приемо-передающей антенной решеткой, выполненной для сканирования биообъекта посредством зондирующих импульсов микроволнового излучения в диапазоне 300-800 МГц, с формой моноцикла Гаусса, с мгновенной полосой 500 МГц и с длительностью менее 1 нс, при этом блок обработки данных, выполнен с возможностью получения откликов в виде ответных сигналов, принятых антенной решеткой от помещения без биообъекта и от помещения с биообъектом, причем блок обработки выполнен с возможностью вычитания принятых ответных сигналов с последующим преобразованием полученной разности в частотный спектр с применением быстрого Фурье-преобразования.

2. Способ радиочастотного исследования биообъекта, в котором посредством системы по п. 1:

- для первичной калибровки системы замеряют отклик от ультракороткого импульса, причем облучение производят со спектром в диапазоне 300-800 МГц во временной области помещения без биообъекта;

- замеряют отклик от того же ультракороткого импульса в том же помещении при фронтальном направлении облучения биообъекта, находящегося внутри помещения,

- получают и сохраняют полученные отклики от помещения без биообъекта и от помещения с биообъектом, размещенным перед широкополосной приемо-передающей антенной решеткой в пределах ее диаграммы направленности,

- а затем посредством блока обработки данных системы преобразуют полученные отклики в матрицы

- отклик, полученный в помещении без биообъекта,

- отклик, полученный в помещении с биообъектом;

- вычитают из матрицы отклика, полученного в помещении с биообъектом, матрицу отклика, полученного в помещении без биообъекта, и

- получают матрицу отклика биообъекта:

которую при помощи быстрого Фурье-преобразования преобразуют в частотный спектр

где S1, S2,…Sn - спектры - спектральные плотности отдельных органов биообъекта.