Измерение температурных и диэлектрических характеристик сред в СВЧ диапазоне с помощью антенн-аппликаторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Физические основы СВЧ термометрии.

1.1. Радиотепловое излучение биологических тканей.

1.2. Электрические свойства биологических тканей.

1.3. Модели радиотеплового излучения биологических тканей.

1.4. Сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта.

ГЛАВА 2. Модельные представления системы среда - аппликационная антенна.

2.1. Электрические и магнитные поля в системе антенна - среда.

2.2. Эквивалентная схема системы антенна - среда.

ГЛАВА 3. Методика измерения температуры и диэлектрических свойств среды.

3.1. Методические погрешности измерения глубинной температуры.

3.2. Измерение глубинной температуры в условиях теплообмена в системе антенна-среда.

3.3. Измерение профиля температуры по глубине. Теоретические основы одночастотной методики.

3.4. Методика определения структуры слоистой среды.

ГЛАВА 4. Разработанные приборы и экспериментальные исследования в лаборатории.

4.1. Радиометры.

4.2. Антенны - аппликаторы.

4.3. Температурная калибровка радиотермометра и измерение электрических характеристик антенны - аппликатора.

4.3.1. Среды для моделирования биологических тканей.

4.3.2. Измерение параметров антенн - аппликаторов.

4.3.3. Температурная калибровка радиотермометра.

4.4. Калибровка СВЧ измерителя толщины слоев

4.5. Определение весовых коэффициентов антенн - аппликаторов.

4.6. Эксперименты по оценке температурного профиля.

ГЛАВА 5. Применение радиотермометра в животноводстве и медицине.

5.1. Применение радиотермометра в животноводстве.

Новые методики прецизионных измерений подповерхностной температуры и структуры исследуемой среды открывают широкие возможности применения СВЧ-радиометрии в науке и народном хозяйстве (медицине, сельскохозяйственном производстве, текстильной промышленности и т.д.). Эти методики позволяют на самых ранних стадиях обнаружить и измерить слабоконтрастные температурные и структурные изменения исследуемого объекта. Температурный режим и структура исследуемой среды являются важными характеристиками объекта, позволяющими диагностировать протекающие в нем процессы, контролировать функционирование его систем и делать оценки свойств материала. Разработанные в диссертационной работе методики были использованы при изучении одного из наиболее сложных объектов -живых тканей человека и животных. Применение прецизионных методов СВЧ -радиометрии в медицине обосновано их неинвазивностью, безвредностью, достаточной точностью, легкостью и быстротой получения значительного количества независимой информации, способствующей эффективной диагностике. В настоящее время за рубежом и в нашей стране теоретические и экспериментальные работы в этом направлении продолжаются и интенсивно развиваются.

Отклонения от нормы температуры тканей биологического объекта проявляется часто на ранних стадиях заболевания, когда изменения структуры или плотности тканей слабо выражены и не могут быть обнаружены рентгеновскими или ультразвуковыми методами. Однако существующие и широко используемые неинвазивные средства (аппликационные датчики - термопары, терморезисторы и термочувствительные жидкокристаллические пленки) и (дистанционные приборы -инфракрасные тепловизоры), как правило, позволяют определить только поверхностную температуру, которая слабо связана с процессами, протекающими на глубине и подвержена сильному влиянию окружающей среды. Значительно более информативной является, так называемая глубинная интегральная температура, которую чаще называют просто глубинной. Она представляет собой взвешенную сумму температур разных по глубине слоев исследуемого участка (см. гл.1). Методики СВЧ -радиометрии, измеряя глубинную температуру, позволяют на ранних стадиях заболевания обнаружить нарушение локального температурного режима в организме человека или животного и осуществлять безвредный постоянный контроль этих областей с целью анализа динамики внутренних процессов, контроля эффективности лечения и возможного раннего обнаружения структурных изменений. Существуют факторы, которые затрудняют использование СВЧ - термометрии в научных исследованиях, медицине и народном хозяйстве, а также создание новых методик и аппаратуры:

• точности измерения и представление результатов измерения не позволяют достаточно эффективно использовать существующие методики;

• методики измерений и аппаратура достаточно сложна, дорогостоящая и требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

• на точность измерения существенно влияют индустриальные помехи, которые иногда делают невозможным применение данного метода вне экранированных помещений.

В настоящей диссертации, на основе теоретического и экспериментального исследований основных радиофизических процессов, сделана попытка уменьшить, а в некоторых случаях, исключить влияние перечисленных выше факторов.

В результате теоретического исследования процесса измерения собственного излучения биологических тканей показано существенное влияние излучательной способности и структуры исследуемого объекта, а так же подсветки окружающей среды. Выполнен сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта (Глава 1).

На основе анализа эквивалентных электрических схем, моделирующих физические процессы в системе антенна-среда предложена методика теоретической оценки обобщенных характеристик антенн - аппликаторов. Показано влияние диэлектрических свойств среды на характеристики приемной антенны (Глава 2).

Теоретический анализ методических погрешностей и погрешностей измерения позволили разработать основные требования как к вновь разрабатываемой методике измерений, так и к основным узлам измерительного прибора. Погрешности, вызванные изменчивостью параметров антенны - аппликатора (полосы частот, коэффициента отражения, температуры антенны, КПД антенны), которые в свою очередь обусловлены вариациями температуры антенны - аппликатора и структуры биоткани. В целях минимизации такого рода погрешностей необходимо иметь калибровочные эталонные излучатели, диэлектрические свойства которых достаточно близки соответствующим свойствам исследуемого объекта. Для этого необходимо знать структуру исследуемой среды. Предложена оригинальная методика определения структуры слоистой среды. Методика основана на измерении модуля коэффициента отражения для двух или трех антенн - аппликаторов, параметры которых согласованны с разными средами. Это позволило, с одной стороны получать информацию о структуре среды, а с другой стороны, уменьшить погрешности измерения температуры. В условиях теплового контакта антенны - аппликатора с полупространством кожно-мышечной ткани проведен теоретический анализ возмущения термодинамических и радиационных температур измеряемой среды для стационарного и нестационарного режимов теплообмена. Предложена и теоретически обоснована оригинальная одночастотная методика определения профиля температуры исследуемой среды (авт. св.[40]). В основе методики положена зависимость толщины эффективно излучающего слоя исследуемой среды от типа антенны и принимаемого антенной спектра пространственных волн. В отличие от многочастотной методики, малый ассортимент и стоимость измерительной и калибровочной аппаратуры (только один комплект) позволяют значительно облегчить практическую реализацию методики. Возможность проведения всей процедуры измерения в течение одного короткого теплового контакта, позволяет получить прецизионные точности измерения глубинных температур, что обеспечивает хорошее восстановление профиля температуры. (Глава 3).

Представлены разработанные и изготовленные радиометр, антенны -аппликаторы, калибровочные излучатели и измерительный стенд, с помощью которых были получены основные экспериментальные результаты в условиях, как лаборатории, так и животноводческих хозяйств и медицинских лечебных учреждений.

Рассмотрен атгоритм обработки сигналов и функциональная схема радиометра (авт. св. [32-35, 50]) для прецизионных измерений глубинной температуры и коэффициента отражения. Проведен анализ стабильности основных характеристик радиометра применительно к разработанному алгоритму обработки сигналов. Предложена конструкция антенны - аппликатора (авт. св. [49]), на базе которой в соответствии с выработанными рекомендациями и санитарными требованиями разработаны антенны для структурных измерений и профиля температуры. Описаны экспериментальные исследования и результаты измерений основных характеристик антенн - аппликаторов (КСВ, КПД, коэффициент рассеяния, модифицированные весовые функции).

Обсуждаются принципы создания твердых и жидких моделей биологических тканей для изготовления калибровочных эталонных излучателей. Предложен состав 7 сред для жидких и твердых эталонных излучателей. Рассмотрены особенности температурной калибровки радиотермометра.

Предложена методика измерения весовых функций антенн в жидких средах. Разработана конструкция и изготовлен стенд для экспериментальных исследований весовых функций антенн - аппликаторов. По данным глубинных температур мышцы бедра человека, измеренных в условиях лаборатории с помощью трех антенн -аппликаторов на частоте 1,5 ГГц, с использованием экспериментально полученных на стенде значений весовых функций, был получен профиль температуры близкий к реальному.

Обсуждаются методики калибровки радиотермометра в режиме измерения структуры исследуемой среды. Показана реализация предложенных методик измерения и калибровки толщины слоев в трехслойной среде, состоящей из кожной, жировой и мышечной тканей. (Глава 4).

Используя разработанные методики и прибор, были проведены измерения глубинных температур в условиях медицинских учреждений, а также промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Измерения подтвердили расчетные точности и высокую информативность полученных данных, а также показали, что разработанный прибор может использоваться вне экранированных помещений (больничные палаты, коровники и т.д.) и эксплуатироваться средним медицинским и техническим персоналом (Глава 5).

Основные результаты сравнительного анализа дистанционной и аппликационной методик представлены в таблице 1.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные научные результаты.

1. Развита методика проведения модельных расчетов СВЧ излучения биологических тканей. Даны оценки толщины эффективно излучающего слоя однородной и неоднородной биологической ткани по заданному значению его веса в суммарном излучении.

2. Выполнен сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта. На основании которого показано, что в подавляющем большинстве случаев аппликационная методика обеспечивает лучшую точность измерения абсолютных значений радиационных температур, чем дистанционная, хотя и не лишена определенных недостатков.

3. Развита методика оценки характеристик антенн - аппликаторов на основе анализа эквивалентных электрических схем, моделирующих физические процессы в системе антенна-среда.

4. Выполнен теоретический анализ методических погрешностей измерения глубинной температуры аппликационной методикой. Развиты методические подходы, которые обеспечивают минимизацию методических погрешностей измерения глубинной температуры.

5. Предложена методика теоретических расчетов максимальных значений погрешностей измерения глубинных температур, обусловленных процессами теплообмена в системе антенна-среда. Даны оценки этих погрешностей. Предложены способы их минимизации.

6. Предложена одночастотная методика измерения температурного профиля по глубине. В основе методики лежит прием СВЧ мощности антеннами -аппликаторами с различным спектром пространственных волн. Дана методика калибровки антенн - аппликаторов для таких измерений.

7. Предложена одночастотная методика оценки толщины отдельно взятого слоя в слоистой структуре биологической ткани. Методика основана на измерении коэффициентов отражения двух или более антенн - аппликаторов, характеристики которых были оптимизированы для работы в средах с определенными волновыми сопротивлениями.

8. Разработана функциональная схема радиометра, в которой предложен способ измерения модуля коэффициента отражения, значение которого интегрировано по полосе частот СВЧ тракта радиометра. Измерения модуля коэффициента отражения происходит в едином процессе приема СВЧ мощности от объекта. Полученные значения слабо зависят от возможных нестабильностей параметров радиометра. По измеренным значениям модуля коэффициента отражения в радиотермометре реализована процедура автоматического преобразования значений яркостных температур в глубинные температуры среды. На основании предложенной схемы в лаборатории ИРЭ РАН был изготовлен опытный образец радиотермометра - РТ-20, работающий на частоте 1,5 ГГц. В дальнейшем, по этой же схеме, в НПО "Сатурн", г. Киев был осуществлен выпуск малой серии радиотермометров - РТД-8, работающих на частоте 3,8 ГГц.

9. Разработана конструкция, технология изготовления и методика контроля параметров антенн - аппликаторов на керамической подложке.

10. Предложены жидкие и твердые среды, которые хорошо моделируют биологические ткани и позволяют создать эталонные калибровочные излучатели.

11. Предложена методика определения пространственных весовых функций антенн -аппликаторов. Разработан и изготовлен для этих целей специальный измерительный стенд.

12. Развита методика температурной калибровки радиотермометра, позволяющая повысить точность измерения.

13. Показана возможность реализации, в условиях лаборатории, одночастотной методики восстановления профиля температуры живых биотканей.

14. Показана эффективность использования радиотермометра и методик для измерения глубинных температур коров. Продемонстрирована возможность автоматизации процесса получения значения ректальной температуры по данным глубинной температуры животных, что может обеспечить простую реализацию автомата выявления больных животных.

15. Показана эффективность использования радиотермометра и методик измерения глубинных температур в неонатологии. Продемонстрирована высокая информативность глубинных температур при ранней диагностике гипоксических поражений головного мозга у недоношенных детей.

16. Многократные циклы измерений, проведенных в условиях больничных палат и коровников, показали, что разработанный прибор может использоваться вне

1. Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М. и др. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ диапазоне. - М.: Сов. радио, 1968,- 390 с.

2. Wilheit Т.Т. Radiative Transfer in a Plane Stratified Dielectric. // IEEE Transactions on Geoscience Electronics.- 1978,-Vol. GE-16.- N2, April.- P. 138-143.

3. Троицкий B.C., Аранжереев E.A., Густов A.B. и др. Измерение глубинного температурного профиля биообъектов по их собственному тепловому излучению. // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1986.- Т. 29.- №1,- С. 62-68.

4. Stogryn A. The brightness temperature of a vertically structured medium. // Radio Science. 1970.-Vol.5.- N12,- P. 1397-1406.

5. Tsang L., Njoku E., and Kong J.A. Microwave thermal emission from a stratified medium with nonuniform temperature distribution. // Journal of Applied Physics.- 1975.-Vol.46.-№12.-P. 5127-5133.

6. Бреховских М.Л. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.- 343 с.

7. England A.W. and Johnson G.R. Microwave Brightness of Layered Media. // Geophysics.- 1977.-Vol.42,-N3.-P. 514-521.

8. Edenhofer P. Electromagnetic remote sensing of the temperature profile in a stratified medium of biological tissues by stochastic inversion of radiometric data. // Radio Science.- 1981,-Vol.16.-N6.-P. 1065-1069.

9. Myers P.C., Sadowsky N.L. and Barrett A.H. Microwave Thermography: Principles, Methods and Clinical Applications. // Journal of Microwave Power.- 1979.- Vol. 14,- N2.-P. 105-113.

10. Edrich J. Centimetre and Millimetre Wave Thermography A Survey on Tumour Detection. // Journal of Microwave Power.- 1979,- Vol.14.- N2.-P. 95-103.

11. A. c. 1243696 СССР. МКИ3 A 61 В 5/05. Способ определения глубинной температуры биологического объекта. / Маречек С.В., Павлова Л.С., Поляков В.М. и др. 3 е.: ил.

12. Luedeke К.М., Koehler J. and Kanzenbach J. A New Radiation Balance Microwave Thermograph for Simultaneous and Independent Temperature and Emissivity Measurements. //Journal of Microwave Power.- 1979.- Vol.14-N2.-P. 117-121.

13. Wang Y.X. Slot Line Coupler for Medical Applications. // Electronics Letters.- 1984,-Vol.20.- N22,- P. 939-940.

14. Harada H., Maeda Y. and Mizushina S. A 1 2 GHz Radiometer for Subcutaneous Tissue Temperature Measurements. // The Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan.- 1982.- Vol.65.- N8.- P. 645 - 651.

15. Троицкий B.C., Аранжереев E.A., Густов A.B. и др. О возможности использования собственного теплового радиоизлучения тела человека для измерения температуры его внутренних органов.: Препринт №131 (НИРФИ).- Горький. 1979.- 12 с.

16. Марков Г.Т. и Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975.- 528 с.

17. Johnson С.С., Guy A.W. Nonionizing Electromagnetic Wave Effects in Biological Materials and Systems. // Proceedings of the IEEE.- June 1972,- Vol.60, N6,- P. 692-718.

18. Кинг P. и Смит Г. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984.- 822 с.

19. Karolkar B.D., Behari J. and Prim A. Biological Tissues Characterisation at Microwave Frequencies. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.- 1985.-Vol.MTT-33.-Nl.- P. 64-66.

20. Lind L.F., A. A. de Albuquerque. Dielectric Properties of Blood Plasma. // Electronics Letters.- 1981,- Vol.17.- N19,- P. 713-714.

21. An L.N., Smith G.S. The Horizontal Circular Loop Antenna Near a Planar Interface. // Radio Science.- 1982.- Vol.17.- N3.- P. 483-502.

22. Lovisolo G.A., Adami M. A Muitifrequency Water Filled Waveguide Applicator -Thermal Dosimetry In Vivo. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.- 1984,- Vol.MTT-32.- N8.- P. 893-896.

23. Mendeckit J., Friedenthait E. Therapeutic Potential of Conformal Applicators for Induction of Hyperthermia. //Journal of Micro wave Power.- 1979.- Vol.14.- N2.-P. 139144.

24. Taylor L.S., Samaros G.M., Cheung A.Y. and Et. Al. Implantable Microwave Radiators for Clinical Hyperthermia. // Radio Science.- 1982,- Vol.17.- N5,- P. 125 133.

25. Игошев И.П., Маречек С.В., Павлова Л.С. и др. Инфракрасная и сверхвысокочастотная термография при раке молочной железы. / Медицинская радиология,- М.: Медицина, 1985.- №7.- С. 63-65.

26. Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел. // Известия высших учебных заведений.- Радиофизика: 1981.-Т.24,- №9.- С. 1054-1061.

27. Гаевский B.C., Маречек С.В., Мешков Ю.В. и др. Радиотермоскоп. // Электронная промышленность.- 1987,- №1.- С. 29.

28. Воробьев Е.А. Экранирование СВЧ конструкций.- М.: Сов. радио, 1979.- 136 с.29.30,31.32,33,34