МНОГОКАНАЛЬНЫЙ МНОГОЧАСТОТНЫЙ РАДИОТЕРМОГРАФ Российский патент 2024 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для получения данных о функциональном состоянии различных органов человека и о наличии патологий.

Известны медицинские приборы, принцип действия которых основан на методе микроволновой радиотермометрии, которые используются для неинвазивного выявления температурных аномалий в глубине тела человека, что позволяет по данным этих измерений диагностировать различные патологии, в том числе злокачественные новообразования.

К таким приборам относится, например, многоканальный радиотермограф (см. RU 2310876 кл. G 01 R 29/08, A61B, 18.04.2006), содержащий n антенн, соединенных с n СВЧ - выключателями, дополнительный СВЧ- выключатель, n датчиков температуры, циркулятор, термостат, согласованную нагрузку, находящуюся в тепловом контакте с термостатом и подключенную к циркулятору, выход которого подключен к входу радиометрического приемника.

Недостатками указанного многоканального радиотермографа являются: недостаточная точность измерения радиояркостных температур тела человека, обусловленная тем, что в процессе измерений радиояркостных температур не учитывается рассогласование импедансов антенн и участков тела человека, отсутствие контроля термодинамических температур поверхности исследуемых участков тела человека, что не позволяет определить вклад температурного градиента в измеренное значение радиояркостной температуры, а также зондирование в одном диапазоне частот, что делает невозможным измерение радиояркостых температур, соответствующих разной глубине, и тем самым затрудняет определение истинных размеров патологий исследуемых участков тела.

В свою очередь многочастотные многоканальные радиотермографы достаточно эффективны в области диагностики онкологических и других заболеваний, вызывающих локальные изменения внутренней температуры биологических тканей, поскольку они обеспечивают возможность 3D-визуализации тепловых аномалий в глубине тела человека,

Наиболее близким к данному техническому решению является многочастотный радиотермограф (см. RU 2328751 кл. G 01 R 29/08, 14.08.2006), содержащий n антенн, n датчиков температуры, многоканальный измеритель температуры, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, блок регистрации и индикации, термостат, размещенные в термостате k генераторов шума, k СВЧ-выключателей и k СВЧ-циркуляторов, выходы которых соединены со входами k радиометричесих приемников.

Недостатком прототипа является его низкая помехозащищенность, что делает невозможным проведение процедур диагностики вне экранированных помещений.

Недостатком прототипа также является низкая надежность и высокое энергопотребление, обусловленные применением большого числа радиометрических приемников, содержащих активные элементы - СВЧ-усилители.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании помехозащищенного и энерго-экономичного прибора для неинвазивного выявления и 3D-визуализации тепловых аномалий в глубине тела человека, что повышает эффективность диагностики широкого спектра патологий, в том числе диагностики злокачественных новообразований на ранней стадии.

Указанный технический результат достигается тем, что радиотермограф содержит n антенн, n датчиков температуры, многоканальный измеритель температуры, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, блок регистрации и индикации, подключенный к контроллеру, термостат, размещенные в термостате k СВЧ-циркуляторов, где k-число рабочих диапазонов частот радиотермографа, k согласованных нагрузок, подключенных к СВЧ- циркуляторам, k генераторов шума, k СВЧ-выключателей, согласованные нагрузки подключены соответственно к циркуляторам, генераторы шума подключены соответственно к входам СВЧ-выключателей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, циркуляторы, согласованные нагрузки, генераторы шума и СВЧ-выключатели находятся в тепловом контакте с термостатом, датчики температуры подключены к входам многоканального измерителя температуры, выход которого подключен к контроллеру, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, содержит также n симметрирующих устройств, входы которых подключены соответственно к антеннам, n коаксиальных фидерных линий, входы которых подключены соответственно к выходам симметрирующих устройств, n-канальный СВЧ-переключатель, n входов которого соединены с выходами n коаксиальных фидерных линий, первый k–канальный СВЧ переключатель, вход которого подключен к выходу n-канального СВЧ-переключателя, выходы первого k–канального СВЧ переключателя подключены соответственно ко входам СВЧ-циркуляторов, выходы которых подключены к входам второго k-канального СВЧ-переключателя, выход которого подключен к входу СВЧ-усилителя, имеющего диапазон рабочих частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа, выход СВЧ-усилителя соединен с входом третьего k-канального СВЧ-переключателя, выходы которого соединены соответственно с входами k полосовых СВЧ-фильтров, выходы которых подключены соответственно к входам четвертого k-канального СВЧ-переключателя, к выходу которого подключен СВЧ-детектор, к выходу которого подключены вход линии задержки и вход ограничителя амплитуды, выход линии задержки через дополнительный СВЧ - выключатель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя , выход ограничителя амплитуды подключен к формирователю стробирующих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом дополнительного СВЧ-выключателя, управляющие входы СВЧ-переключателей подключены к выходам контроллера, выход СВЧ-детектора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу передающего оптоэлектронного модуля, выход которого подключен ко входу волоконно-оптической линии связи, выход которой связан со входом приемного оптоэлектронного модуля, выход которого подключен к контроллеру, СВЧ-переключатели, СВЧ-усилитель, полосовые фильтры, находятся в тепловом контакте с термостатом, каждая из антенн и каждый СВЧ-усилитель имеют рабочий диапазон частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа, антенны имеют диапазон рабочих частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа, антенны имеют симметричную конструкцию и совместно с симметрирующими устройствами размещены в металлических корпусах, открытых с одной стороны, корпус термостата выполнен из металла, а на внешние поверхности корпусов антенн, внешнюю поверхность коаксиальных фидеров и внешнюю поверхность корпуса термостата нанесено покрытие из материала, поглощающего электромагнитное излучение.

На фигуре приведены следующие обозначения:

1 – антенна;

2 – датчик температуры;

3 –– многоканальный измеритель температуры;

4 -контроллер;

5 – аналого-цифровой преобразователь;

6 –блок регистрации и индикации;

7 – термостат;

8 – циркулятор;

9 – согласованная нагрузка;

10 – генератор шума;

11 – СВЧ-выключатель;

12 – симметрирующее устройство;

13 – коаксиальная фидерная линия;

14 – n-канальный СВЧ переключатель;

15 –первый k- канальный СВЧ переключатель;

16 – второй k- канальный СВЧ переключатель;

17 – СВЧ-усилитель;

18 – третий k- канальный СВЧ переключатель;

19 - СВЧ-полосовой фильтр;

20- четвертый k- канальный СВЧ переключатель;

21- линия задержки;

22 - ограничитель амплитуды;

23 - дополнительный СВЧ-выключатель;

24 - СВЧ-детектор;

25 - формирователь стробирующих импульсов;

26 - передающий оптоэлектронный модуль;

27 - волоконно-оптическая линия связи;

28 - приемный оптоэлектронный модуль;

29 - корпус антенны;

30 - покрытие из материала, поглощающего электромагнитное излучение.

Многоканальный многочастотный радиотермограф работает следующим образом. Перед началом обследования пациента n антенн (антенн-аппликаторов) 1 располагаются непосредственно на теле пациента, например на голове или молочной железе. При этом корпуса антенн 29 открытой стороной (апертурой) направлены к телу человека. Для подключения антенн 1 к–канальному СВЧ переключателю 14, расположенном в термостате 7, служат коаксиальные фидерные линии 13. Схему расположение антенн на теле пациента выбирает врач исходя из интересующей области обследования и рекомендаций медицинских методик.

В соответствии с заранее заданной программой под воздействием управляющего сигнала контроллера 4 n-канальный СВЧ переключатель 14 подключает к входу k-канального СВЧ 15 переключателя одну из n антенн 1 посредством симметрирующего устройства 12 и коаксиальной фидерной линии 13. Антенна 1 является широкополосной и имеет рабочий диапазон частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа.

Антенна 1 принимает собственное электромагнитное излучение тела человека в своем рабочем диапазоне частот. Мощность принятого излучения пропорциональна так называемой радиояркостной температуре, по которой можно судить о глубинной термодинамической температуре.

Согласно закону Планка, мощность P теплового электромагнитного излучения, принимаемого антенной

P=K Т_Р Δf,

где Т_Р - измеряемая радиояркостная температура, Δf – полоса пропускания радиотермографа, которая определяется полосой пропускания полосовых СВЧ-фильтров 19, K - коэффициент пропорциональности. Таким образом, измеряя уровень собственного излучения тела человека в заданном диапазоне частот в зонах расположения антенн, можно определить глубинные температуры тела в этих зонах.

При подключенной одной из n антенн 1 и отключенных остальных антеннах последовательно во времени с помощью k - канальных переключателей 15, 16, 18 и 20 в СВЧ тракт последовательно во времени синхронно включаются циркуляторы 8 и полосовые фильтры 19, соответствующие k рабочим диапазонам частот радиотермографа.

Усиление сигнала до заданного уровня осуществляется СВЧ усилителем 17. Усилитель 17 является малошумящим и широкополосным, его полоса рабочих частот перекрывает k диапазонов рабочих частот радиотермографа. Применение в радиотермографе только одного СВЧ-усилителя позволяет уменьшить энергопотребление и соответственно перегрев элементов СВЧ-тракта, что способствует повышению точности измерения радиояркостных температур.

Процесс измерения радиояркостой тепературы в каждом диапазоне рабочих частот радиотермографа и автоматизированного контроля степени рассогласования антенн 1 с телом человека осуществляется следующим образом.

В определенные временные интервалы в соответствии с сигналами контроллера к первым входам циркуляторов 8 последовательно во времени подключаются поочередно n антенн 1.

В определенные моменты времени с помощью СВЧ-выключателей 11 ко вторым (нижним) входам циркулятора 8 подключаются генераторы шума 10, при этом все антенны отключаются.

В определенные моменты времени ко вторым входам циркулятора 8 подключены только согласованные нагрузки 9, при этом все антенны отключаются.

В определенные моменты времени ко вторым входам циркуляторов 8 подключаются генераторы шума 10, а к первым входам циркуляторов 8 – антенны 1. Поскольку температура генератора шума 10 во много раз превышает температуру согласованной нагрузки, то в этом случае влиянием согласованной нагрузки 9 пренебрегают.

В результате измерения напряжений шумовых сигналов на выходе СВЧ-детектора 24 за соответствующие временные интервалы для каждой из n антенн и каждого из k диапазонов частот получаем амплитуды напряжений сигналов:

, (2)

, (3)

. (4)

, (5)

где Т_Р - измеряемая радиояркостная температура, r – коэффициент отражения на границе раздела сред «антенна-тело человека», T_Н –температура согласованной нагрузки циркулятора 8, S - крутизна вольт-градусной характеристики СВЧ тракта от входа n-канального СВЧ-переключателя 14 до выхода СВЧ-детектора 24, T_ГШ - температура генератора шума 10, U₀ – смещение шкалы напряжений на выходе детектора 21.

Решая систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными, получаем:

, (6)

, (7) , (8)

. (9)

Таким образом, Т_Р, r, S и U₀ полностью определяются по результатам четырех измерений амплитуд напряжений, при этом автоматически учитывается степень рассогласования антенны с телом человека, что повышает точность измерения радиояркостной температуры.

Сигналы, описываемые формулами (2)-(5) с помощью аналого-цифрового преобразователя 5 преобразуются в цифровую форму и посредством передающего оптоэлектроного модуля 26, волоконно-оптической линии связи 27, приемного оптоэлектроного модуля 28 подаются на вход котроллера 4.

При «опросе» n антенн в k диапазонах рабочих частот радиотермографа получаем nk отсчетов радиояркостных температур. Вычисление значений радиояркостных температур осуществляется в контролере 4 по формуле (6). С выхода контроллера 4 данные об измеренных глубинных температурах тела человека, измеренные в k частотных диапазонах, поступают в блок регистрации с индикации 6, в качестве которого используется компьютер, где осуществляется дополнительная обработка информации с одновременной визуализацией на экране монитора тепловых карт на различной глубине тела человека, соответствующих различным диапазонам частот радиотермографа, также протоколирование результатов обследования в памяти компьютера.

Анализируя тепловые карты, врач определяет наличие тепловых аномалий (повышение температуры) внутренних тканей и делает вывод о наличии патологий. Как правило, тепловые аномалии связаны с развитием новообразований, в том числе и злокачественных. Применение метода микроволновой радиотермометрии в медицинской практике при использовании многоканальных многочастотных радиотермографов, является эффективным средством выявления злокачественных новообразований на ранней стадии.

Поскольку измеренное значение температуры тела человека в радиочастотном диапазоне определяется вкладом температуры поверхности тела, вкладом температурного градиента и вкладом температурной аномалии (при ее наличии), то для однозначного определения внутренней температуры тела необходимы данные о температуре поверхности тела в зоне измерения. Эти данные получают с помощью датчиков температуры 2. Антенны 1 имеют небольшие габариты и массу и располагаются непосредственно на теле человека. Датчики температуры 2, измеряют термодинамические температуры поверхности тела человека в месте установки антенн 1. Датчики температуры 2 могут быть выполнены в виде дистанционно расположенных инфракрасных датчиков. Сигналы с датчиков температуры 2 подаются на входы многоканального измерителя температуры 3. Контроллер 4 посредством порта, подключенного к многоканальному измерителю температуры 3 периодически опрашивает n датчиков температуры и вместе с вычисленными значениями глубинных температур передает эти значения на блок регистрации и индикации 13, в качестве которого может использоваться компьютер, имеющий в своем составе монитор.

Анализируя тепловые карты глубинных температур и карты температур кожи, врач определяет наличие тепловых аномалий (повышение температуры) внутренних тканей и делает вывод о наличии патологий. Как правило, тепловые аномалии связаны с развитием новообразований, в том числе и злокачественных. Применение метода микроволновой радиотермометрии в медицинской практике при использовании многоканальных многочастотных радиотермографов, является эффективным средством выявления злокачественных новообразований на ранней стадии.

В контроллере 4 вычисляются также коэффициенты отражения каждой из n антенн 1 в каждом из k частотных диапазонов и индицируются в блоке регистрации и индикации 6. По величине измеренных коэффициентов отражения на входе радиотермографа можно контролировать исправность антенн 1 и правильность их установки на теле человека (плотность прилегания к коже).

В контроллере 4 вычисляются также S - крутизна вольт-градусной характеристики СВЧ тракта от входа n-канального СВЧ-переключателя 14 до выхода СВЧ-детектора 24, по величине которой можно судить о исправности тракта.

Для повышения помехоустойчивости радиотермографа в нем применена схема подавления импульсных помех, включающая в себя линию задержки 22, ограничитель амплитуды 23, дополнительный СВЧ выключатель 24 и формирователь стробирующих импульсов 25.

Сигнал, соответствующий собственному электромагнитному излучению тела человека в радиочастотном диапазоне имеет шумообразную форму. Сигнал, поступающий с выхода СВЧ – детектора 21, в общем случае содержит как полезный сигнал, так и импульсы помех, амплитуда которых может существенно превышать амплитуду полезного шумового сигнала. Эти импульсы подвергаются ограничению по амплитуде в ограничителе амплитуды 23 и далее подаются на вход формирователя стробирующих импульсов 25. Сигнал, поступающий с выхода СВЧ – детектора 21, через линию задержки подается на дополнительный СВЧ – выключатель 24. Стробирующие импульсы, подаваемые на управляющий вход дополнительного СВЧ-выключателя 24 переводят его в выключенное состояние во время поступления импульсов помех. Линия задержки 22 компенсирует запаздывание стробирующих импульсов, поскольку на их формирование необходимо определенное время. Таким образом, на вход аналого-цифрового преобразователя 5 поступает полезный шумовой сигнал, «очищенный» от импульсов помех, что приводит к повышению помехоустойчивости радиотермографа.

Повышение помехоустойчивости радиотермографа обеспечивается также применением для передачи данных между выходом аналого-цифрового преобразователя 5 и контроллером 4 волоконно-оптической линии связи 27, а также передающего и приемного оптоэлектронных модулей 26 и 28.

Применение в радиотермографе экранирующих копусов 29 антенн 1 ограничивает поступление внешних помех на вход радиотермографа. Применение симметричных антенн 1 и симметрирующих устройств 12 обеспечивает эффективное подавление синфазных помех, поступающих на вход радиотермографа.

Выполнение корпуса термостата 7 из металла и размещение на внешних поверхностях корпусов 29 антенн 1, на внешних поверхностях коаксиальных фидеров 13 и на внешней поверхности корпуса термостата 7 материала 30, поглощающего электромагнитное излучение в диапазонах рабочих частот радиотермографа, обеспечивает повышение помехоустойчивости и делает возможным проведение диагностики методом микроволновой радиотермометрии вне экранированных помещений.

В качестве антенн многоканального многочастотного радиотермографа могут быть использованы экранированные симметричные печатные антенны-аппликаторы типа «бабочка» или в виде двухзаходной спирали Архимеда на основе материала RO3210, имеющие перекрытие рабочего диапазона частот не менее 3.

В качестве материала, поглощающего электромагнитное излучение, может быть применен, например, материал Eccosorb MF-190.

В СВЧ-усилителе могут быть использованы, например, микросхемы фирмы Infineon типа BGB741L7ESDE6327XTSA1, имеющие диапазон рабочих частот от 30 МГц до 5 ГГц, коэффициент усиления 19дБ и коэффициент шума 1дБ.

В качестве контроллера 4 в многоканальном многочастотном радиотермографе может быть использован микроконтроллер типа АТ89S8252 фирмы ATMEL, аналого-цифровой преобразователь АD 7818 фирмы ANALOG DEVICE или микроконтроллер семейства MCS-51. В качестве многоканального измерителя температуры использовано устройство контроля температуры УКТ38-Щ4 фирмы «Овен», Россия.

Приемный и передающий оптоэлектронные модули реализуются с использованием плат Аrduino, на которых соответственно устанавливаются стандартные лазерные излучатели и фото-приемные элементы.

Предлагаемый многоканальный многочастотный радиотермограф энергетически экономичен, имеет помехозащищенную конструкцию, что делает возможным применение его вне экранированных помещений, и может эффективно применяться в медицине для неинвазивной диагностики злокачественных новообразований на ранней стадии их развития.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к медицинским радиотермографам. Технический результат – повышение помехоустойчивости и уменьшение энергопотребления. Результат достигается тем, что предложена конструкция многоканального многочастотного радиотермографа, которая в отличие от прототипа содержит только один СВЧ-усилитель, а также схему подавления импульсных помех, включающую в себя линию задержки, ограничитель амплитуды, дополнительный СВЧ выключатель и формирователь стробирующих импульсов. 1 ил.

Многоканальный многочастотный радиотермограф, содержащий n антенн, n датчиков температуры, многоканальный измеритель температуры, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, блок регистрации и индикации, подключенный к контроллеру, термостат, размещенные в термостате k СВЧ-циркуляторов, где k-число рабочих диапазонов частот радиотермографа, k согласованных нагрузок, подключенных к СВЧ-циркуляторам, k генераторов шума, k СВЧ-выключателей, согласованные нагрузки подключены соответственно к циркуляторам, генераторы шума подключены соответственно к входам СВЧ-выключателей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, согласованные нагрузки, генераторы шума и СВЧ-выключатели находятся в тепловом контакте с термостатом подключены к входам многоканального измерителя температуры, выход которого подключен к контроллеру, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, отличающийся тем, что содержит n симметрирующих устройств, входы которых подключены соответственно к антеннам, n коаксиальных фидерных линий, входы которых подключены соответственно к выходам симметрирующих устройств, n-канальный СВЧ-переключатель, n входов которого соединены с выходами n коаксиальных фидерных линий, первый k–канальный СВЧ переключатель, вход которого подключен к выходу n-канального СВЧ-переключателя, выходы первого k–канального СВЧ переключателя подключены соответственно ко входам СВЧ-циркуляторов, выходы которых подключены к входам второго k-канального СВЧ-переключателя, выход которого подключен к входу СВЧ-усилителя, имеющего диапазон рабочих частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа, выход СВЧ-усилителя соединен с входом третьего k-канального СВЧ-переключателя, выходы которого соединены соответственно с входами k полосовых СВЧ-фильтров, выходы которых подключены соответственно к входам четвертого k-канального СВЧ-переключателя, к выходу которого подключен СВЧ-детектор, к выходу которого подключены вход линии задержки и вход ограничителя амплитуды, выход линии задержки через дополнительный СВЧ-выключатель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход ограничителя амплитуды подключен к формирователю стробирующих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом дополнительного СВЧ-выключателя, управляющие входы СВЧ-переключателей подключены к выходам контроллера, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу передающего оптоэлектронного модуля, выход которого подключен ко входу волоконно-оптической линии связи, выход которой связан со входом приемного оптоэлектронного модуля, выход которого подключен к контроллеру, СВЧ-переключатели СВЧ-усилитель, полосовые фильтры, находятся в тепловом контакте с термостатом, антенны имеют диапазон рабочих частот, перекрывающий k рабочих диапазонов частот радиотермографа, антенны имеют симметричную конструкцию и совместно с симметрирующими устройствами размещены в металлических корпусах, открытых с одной стороны, корпус термостата выполнен из металла, а на внешней поверхности корпусов антенн, внешней поверхности коаксиальных фидеров и внешней поверхности корпуса термостата нанесено покрытие из материала, поглощающего электромагнитное излучение.