RU2082118C1 - Medicinal radiothermometer - Google Patents
Medicinal radiothermometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2082118C1 RU2082118C1 RU94024876A RU94024876A RU2082118C1 RU 2082118 C1 RU2082118 C1 RU 2082118C1 RU 94024876 A RU94024876 A RU 94024876A RU 94024876 A RU94024876 A RU 94024876A RU 2082118 C1 RU2082118 C1 RU 2082118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- resistor
- temperature
- radiometer
- input
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к радиотермометрии (радиотермографии) и может быть использовано для диагностики путем неинвазивного обнаружения температурных аномалий пациента по их собственному радиоизлучению. The invention relates to the field of medical equipment, in particular to radiothermometry (radiothermography) and can be used for diagnosis by non-invasively detecting temperature anomalies of a patient by their own radio emission.
В последнее время получили распространение радиотермометры, использующие аппликационный метод, при котором датчик излучения, в качестве которого используется антенна, находится в непосредственном контакте с поверхностными тканями пациента (биологического объекта). Recently, radiothermometers using the application method have become widespread, in which the radiation sensor, which is used as an antenna, is in direct contact with the surface tissues of the patient (biological object).
При этом для получения достоверной информации о величине внутренней температуры по тепловому радиоизлучению исследуемого объекта необходимо компенсировать отражения на границе антенна объект. Этого можно достигнуть путем использования в радиотермометре регулируемой подачи шума на вход антенны от управляемого генератора шума. Moreover, in order to obtain reliable information about the value of the internal temperature from the thermal radiation of the investigated object, it is necessary to compensate for reflections at the boundary of the antenna of the object. This can be achieved by using an adjustable noise supply to the antenna input from a controlled noise generator in a radiothermometer.
В числе подобных радиотермометров известно устройство для измерения физической температуры объекта по его микроволновому излучению (патент ФРГ N 2803480, кл. G 01 J 5/00, опубл. 28.11.84), содержащее антенну, которая через направленный ответвитель соединена с первым входом переключателя, выход генератора опорного напряжения модуляционного радиометра соединен с управляющим входом переключателя, а выход радиометра соединен через интегратор с управляющим входом генератора шума, первый выход которого соединен через аттенюатор с направленным ответвителем, второй выход через другой аттенюатор соединен со вторым входом переключателя, причем выход интегратора является выходом устройства. Among such radio thermometers, a device for measuring the physical temperature of an object by its microwave radiation is known (German patent N 2803480, class G 01 J 5/00, publ. 28.11.84), containing an antenna that is connected through a directional coupler to the first input of the switch, the output of the reference voltage generator of the modulation radiometer is connected to the control input of the switch, and the output of the radiometer is connected via an integrator to the control input of the noise generator, the first output of which is connected through an attenuator with a directional branch element, the second output through another attenuator is connected to the second input of the switch, and the output of the integrator is the output of the device.
Описанное устройство содержит ряд признаков, которые совпадают с существенными признаками заявляемого радиотермометра. К ним относятся: наличие антенны, модуляционного радиометра, у которого предусмотрен выход генератора опорного напряжения. The described device contains a number of features that match the essential features of the claimed radiothermometer. These include: the presence of an antenna, a modulation radiometer, which has an output of a voltage reference generator.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является "Нулевой медицинский радиотермометр на волну 30 см", описанный в [1] Данный радиотермометр содержит антенну, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, а выход модуляционного радиометра соединен с управляющим входом генератора шума, выход которого соединен с третьим плечом циркулятора, другой выход с индикатором температуры в виде измерительного прибора. Closest to the claimed technical essence is the "Zero medical radiometer 30 cm wavelength" described in [1] This radiothermometer contains an antenna that is connected through a modulator to the first arm of the U-circulator, the second arm of which is connected to the input of the modulation radiometer, the output of the generator the reference voltage of which is connected to the control input of the modulator, and the output of the modulation radiometer is connected to the control input of the noise generator, the output of which is connected to the third arm of the circulator, the other output a temperature indicator in the form of a measuring instrument.
Признаками прототипа, которые совпадают с существенными признаками заявляемого устройства, являются антенна, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, устройство индикации температуры. Signs of the prototype, which coincide with the essential features of the claimed device, are an antenna, which is connected through a modulator to the first arm of the U-circulator, the second arm of which is connected to the input of the modulation radiometer, the output of the reference voltage generator of which is connected to the control input of the modulator, and a temperature indication device.
Описанные аналог и прототип, равно как и другие медицинские радиотермометры, в которых используется управляемый генератор шума для компенсации отражения теплового радиоизлучения на границе антенна объект, в реализации усложняются и имеют относительно высокую стоимость из-за необходимости термостатирования генератора шума и питания его от жестко стабилизированных источников напряжения (см. [1] с. 1398, 1399). The described analogue and prototype, as well as other medical radiothermometers that use a controlled noise generator to compensate for the reflection of thermal radio emission at the antenna-object boundary, are complicated in implementation and have a relatively high cost due to the need to thermostat the noise generator and supply it from rigidly stabilized sources voltage (see [1] p. 1398, 1399).
Это объясняется необходимостью поддержания строгого соответствия между мощностью шума генератора шума и показаниями индикаторного прибора, который измеряет параметры лишь косвенно связанные с мощностью шума. This is explained by the need to maintain a strict correspondence between the noise power of the noise generator and the readings of an indicator device that measures parameters only indirectly related to noise power.
Таким образом, по схеме прототипа не может быть реализован относительно простой и невысокой стоимости радиотермометр, что особенно существенно в связи с возрастающей потребностью в медицинских радиотермометрах. Thus, according to the prototype scheme, a relatively simple and low cost radiothermometer cannot be realized, which is especially significant in connection with the increasing need for medical radiometers.
Изобретение направлено на создание медицинского радиотермометра для измерения внутренней температуры биологического объекта аппликационным методом без использования генератора шума, что позволит упростить и соответственно уменьшить стоимость устройства, поскольку отпадает необходимость в термостатировании и использовании источников напряжения с высокими требованиями к их стабильности. The invention is directed to the creation of a medical radiothermometer for measuring the internal temperature of a biological object using the application method without using a noise generator, which will simplify and accordingly reduce the cost of the device, since there is no need for temperature control and use of voltage sources with high requirements for their stability.
Указанный технический результат достигается тем, что медицинский радиотермометр, содержащий антенну, которая через модулятор соединена с первым плечом У-циркулятора, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра, выход генератора опорного напряжения которого соединен с управляющим входом модулятора, а также устройство индикации температуры, согласно изобретению введены резистор и датчик температуры, который находится в тепловом контакте с резистором, при этом вывод резистора соединен с выходом модуляционного радиометра через введенный развязывающий по высокой частоте элемент, например индуктивность, и с третьим плечом циркулятора через введенный конденсатор, а выход датчика температуры соединен с устройством индикации температуры. The specified technical result is achieved by the fact that a medical thermometer containing an antenna, which is connected through a modulator to the first arm of the U-circulator, the second arm of which is connected to the input of the modulation radiometer, the output of the reference voltage generator of which is connected to the control input of the modulator, as well as a temperature indication device, according to the invention, a resistor and a temperature sensor are introduced, which is in thermal contact with the resistor, while the output of the resistor is connected to the output of the modulation diometra inputted through the high frequency decoupling element such as an inductance, and a third port of the circulator inputted through the capacitor and the temperature sensor output is connected to the temperature display device.
При этом согласно изобретению по п. 2 резистор выполнен в виде резистивного слоя, который нанесен на диэлектрическую пластину, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, например из поликора, на другой стороне которой расположен датчик температуры, преимущественно полупроводниковый, и выполнены контактные площадки, к которым присоединены выводы датчика, при этом пластина с резистивным слоем и датчиком расположена на диэлектрическом основании микрополосковой платы, причем между пластиной со стороны резистивного слоя и основанием микрополосковой платы предусмотрена пластина из теплоизоляционного материала, например из пенопласта, резистивный слой соединен с полосковыми проводниками микрополосковой платы, которые являются выводами резистора, а контактные площадки выходом датчика температуры. Moreover, according to the invention according to claim 2, the resistor is made in the form of a resistive layer, which is deposited on a dielectric plate made of a material with high thermal conductivity, for example, polycor, on the other side of which there is a temperature sensor, mainly a semiconductor, and contact pads are made to which the sensor leads are connected, while the plate with the resistive layer and the sensor is located on the dielectric base of the microstrip board, and between the plate on the side of the resistive layer and the bases The microstrip board provides a plate of heat-insulating material, for example, foam, the resistive layer is connected to the strip conductors of the microstrip board, which are the terminals of the resistor, and the contact pads are the output of the temperature sensor.
Измерение внутренних температур исследуемого объекта с помощью заявляемого радиотермометра осуществляется с учетом следующих процессов. Мощность теплового излучения объекта, пропорциональная температуре Tx объекта, поступает на границу раздела антенна объект, причем часть этой мощности, пропорциональная TxГ2, отражается от границы раздела (Г коэффициент отражения) и затухает в среде объекта, остальная часть мощности, пропорциональная Tx(1-Г2), поступает на выход антенны. Вместе с тем при подаче со стороны выхода антенны шума, мощность которого пропорциональна температуре Тш, часть мощности, пропорциональная температуре ТшГ2, отразится от границы раздела антенна объект, а пропорциональная Тш(1-Г2) будет поглощена исследуемым объектом. В результате принимаемая антенной мощность, выраженная через температуру, составит сумму
Тx(1-Г2) + ТшГ2
Отсюда следует, что если обеспечить выполнение условия Тх=Тш, то отражения на границе антенна объект будут скомпенсированы и измерение Тx заменяется на измерение Тш.The measurement of the internal temperature of the investigated object using the inventive radiometer is carried out taking into account the following processes. The thermal radiation power of the object, proportional to the temperature T x of the object, enters the interface of the antenna of the object, and a part of this power proportional to T x G 2 is reflected from the interface (G is the reflection coefficient) and decays in the medium of the object, the rest of the power is proportional to T x (1-G 2 ), is fed to the antenna output. At the same time, when noise is supplied from the output side of the antenna, the power of which is proportional to the temperature T w , a part of the power proportional to the temperature T w G 2 will be reflected from the interface of the antenna object, and proportional to T w (1-G 2 ) will be absorbed by the object under study. As a result, the power received by the antenna, expressed in terms of temperature, will be the sum
T x (1-D 2 ) + T W D 2
It follows that if the condition T x = T w is satisfied, then the reflections at the boundary of the antenna of the object will be compensated and the measurement of T x is replaced by the measurement of T w .
В заявляемом радиотермометре шумовые сигналы с температурой Тш создаются резистором, нагреваемым выходным сигналом модуляционного радиометра. Модулятор управляется сигналом генератора опорного напряжения радиометра. При открытом состоянии модулятора на вход радиометра через циркулятор поступает тепловой шум объекта с температурой Тx(1-Г2) и шум нагретого резистора, отраженный от входа антенны с температурой ТшГ2.In the inventive radiothermometer, noise signals with a temperature T W are generated by a resistor heated by the output signal of a modulation radiometer. The modulator is controlled by the signal of the reference voltage generator of the radiometer. In the open state of the modulator, the thermal noise of an object with a temperature T x (1-G 2 ) and the noise of a heated resistor reflected from the input of an antenna with a temperature T W G 2 enter the radiometer through a circulator.
Когда же модулятор закрыт, то на вход радиометра через циркулятор проходят шумы с температурой Тш. Модуляционный радиометр работает таким образом, что на его выходе образуется сигнал, пропорциональный разности температур между шумовой температурой антенны и температурой нагреваемого резистора. Этот сигнал управляет мощностью, выделяемой в резисторе, т.е. его температурой так, что уровни шумов на входе радиометра в режимах открытого и закрытого состояний модулятора выравниваются. Это означает, что достигнуто состояние, при котором Тx=Тш, причем температура шумов на выходе резистора равна его физической температуре. Поэтому в установившемся режиме датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с резистором, выдаст в устройство индикации информацию о температуре объекта.When the modulator is closed, then noises with a temperature T W pass through the circulator to the radiometer input. The modulation radiometer operates in such a way that a signal is generated at its output that is proportional to the temperature difference between the noise temperature of the antenna and the temperature of the heated resistor. This signal controls the power released in the resistor, i.e. its temperature so that the noise levels at the input of the radiometer in the open and closed states of the modulator are aligned. This means that a state is reached in which T x = T W , and the temperature of the noise at the output of the resistor is equal to its physical temperature. Therefore, in the steady state, the temperature sensor in thermal contact with the resistor will provide information on the temperature of the object to the display device.
Введение развязывающего по радиочастоте элемента и конденсатора позволило осуществлять нагрев резистора сигналом с выхода радиометра и одновременно снимать с резистора радиочастотную мощность шума для подачи на циркулятор. В заявляемой совокупности признаков нагреваемый резистор использован для создания регулируемого шума и как элемент измерительного узла, образованного совместно с находящимся с ним в тепловом контакте датчиком температуры, который регистрирует температуру резистора и соответственно исследуемого объекта. The introduction of an element decoupling the radio frequency and the capacitor made it possible to heat the resistor with a signal from the output of the radiometer and simultaneously remove the radio frequency noise power from the resistor to feed the circulator. In the claimed combination of features, the heated resistor is used to create controlled noise and as an element of the measuring unit formed in conjunction with the temperature sensor located with it in thermal contact, which senses the temperature of the resistor and, accordingly, the object under study.
Таким образом, в заявляемом радиотермометре достигнуто измерение внутренней температуры объекта непосредственно по физической температуре нагреваемого резистора, отпадает необходимость в генераторе шума, при использовании которого требуется его термостатирование и питание от источников, обладающих высокой стабильностью. Тем самым изобретение позволяет упростить радиотермометр. Thus, in the inventive radiothermometer, the measurement of the internal temperature of the object directly by the physical temperature of the heated resistor is achieved, there is no need for a noise generator, the use of which requires its temperature control and power from sources with high stability. Thus, the invention allows to simplify the radiometer.
Для медицинских радиотермометров задается время измерения, составляющее единицы секунд. Такое небольшое время установления показаний температуры объекта достигается при весьма малых, миниатюрных размерах резистора. Это достигается, в частности, в конструкции, заявляемой по п.2 формулы, за счет выполнения резистора в виде резистивного слоя, нанесенного на диэлектрическую пластину с высокой теплопроводностью, которая обеспечивает тепловой контакт резистивного слоя с датчиком температуры, расположенным на другой стороне пластины. Благодаря присоединению выводов датчика к контактным площадкам устраняется приток тепла к датчику от проводов, идущих к устройству индикации температуры, присоединенных к тем же контактным площадкам, что способствует повышению точности измерения температуры. Пластина из теплоизоляционного материала, расположенная между пластиной с резистивным слоем и диэлектрическим основанием микрополосковой платы, препятствует утечке тепла от резистивного слоя на плату. For medical radiothermometers, a measurement time of one second is set. Such a short time for establishing the temperature readings of the object is achieved with very small, miniature dimensions of the resistor. This is achieved, in particular, in the design claimed by claim 2, by making a resistor in the form of a resistive layer deposited on a dielectric plate with high thermal conductivity, which provides thermal contact of the resistive layer with a temperature sensor located on the other side of the plate. Due to the connection of the sensor leads to the contact pads, the heat influx to the sensor from the wires going to the temperature indicating device connected to the same contact pads is eliminated, which helps to increase the accuracy of temperature measurement. A plate of heat-insulating material, located between the plate with the resistive layer and the dielectric base of the microstrip board, prevents heat leakage from the resistive layer to the board.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 показана блок-схема радиотермометра; на фиг. 2 конструкция узла резистор-датчик температуры (а - вид сбоку, б вид сверху); на фиг. 3 временные диаграммы сигналов; на фиг. 4 характеристика зависимости температуры резистора от управляющего напряжения на выходе радиометра; на фиг. 5 тепловая схема конструктивной реализации узла резистор-датчик температуры. The invention is illustrated by drawings: in FIG. 1 shows a block diagram of a radiothermometer; in FIG. 2 design of the resistor-temperature sensor assembly (a - side view, b top view); in FIG. 3 timing diagrams of signals; in FIG. 4 characteristic of the dependence of the temperature of the resistor on the control voltage at the output of the radiometer; in FIG. 5 thermal diagram of the structural implementation of the resistor-temperature sensor assembly.
Медицинский радиометр содержит (фиг.1) антенну 1, вход которой предназначен для контакта с поверхностью исследуемого объекта, а выход через модулятор 2 соединен с первым плечом У-циркулятора 3, второе плечо которого соединено с входом модуляционного радиометра 4, у которого предусмотрен вывод генератора опорного напряжения, соединенный с управляющим входом модулятора 2, резистор 5 и находящийся с ним в тепловом контакте датчик температуры 6, при этом выход радиометра 4 соединен через развязывающий по СВЧ элемент, выполненный в виде индуктивности 7 (возможно также использование высокоомной четвертьволновой линии), с выводом резистора 5, который через конденсатор 8 соединен с третьим плечом циркулятора, другой вывод резистора 5 соединен с корпусом, а выход датчика 6 соединен с устройством индикации температуры 9. Модуляционный радиометр содержит малошумящий СВЧ усилитель, включающий полосно-пропускающие фильтры, 10, причем вход усилителя является входом радиометра 4, а выход соединен с входом амплитудного детектора 11, выход которого соединен через узкополосный усилитель низкой частоты 12 с входом перемножителя 13, другой вход которого соединен с генератором опорного напряжения 14, который подключен также к соответствующему выходу радиометра 4, а выход перемножителя 13 соединен с входом интегратора 15, выход которого соединен с усилителем постоянного тока 16, выход которого является выходом радиометра 4. The medical radiometer contains (Fig. 1) an antenna 1, the input of which is intended to contact the surface of the test object, and the output through the modulator 2 is connected to the first arm of the U-circulator 3, the second arm of which is connected to the input of the modulation radiometer 4, which has a generator output the reference voltage connected to the control input of the modulator 2, the resistor 5 and the temperature sensor 6 located in the thermal contact with it, while the output of the radiometer 4 is connected through an microwave decoupling element made in the form of an inductive 7 (it is also possible to use a high-resistance quarter-wave line), with the output of the resistor 5, which is connected through the capacitor 8 to the third arm of the circulator, the other output of the resistor 5 is connected to the housing, and the output of the sensor 6 is connected to the temperature indication device 9. The modulation radiometer contains a low-noise microwave an amplifier including bandpass filters, 10, the amplifier input being the input of the radiometer 4, and the output connected to the input of the amplitude detector 11, the output of which is connected through a narrow-band low-frequency amplifier frequency 12 with the input of the multiplier 13, the other input of which is connected to the reference voltage generator 14, which is also connected to the corresponding output of the radiometer 4, and the output of the multiplier 13 is connected to the input of the integrator 15, the output of which is connected to the DC amplifier 16, the output of which is the output of the radiometer 4.
При этом резистор 5 и датчик температуры 6 выполнены в виде единой конструкции (фиг. 2), которая представляет собой микрополосковую плату, на керамическом основании 17 которой расположена теплоизоляционная пластина 18 из пенопласта, поверх нее пластина 19 из поликора, на которую нанесен резистивный слой 20, а с внешней стороны расположен датчик температуры 21 в виде интегральной транзисторной пары и выполнены контактные площадки 22, к которым присоединены выводы транзисторной пары. In this case, the resistor 5 and the temperature sensor 6 are made in the form of a single design (Fig. 2), which is a microstrip board, on the
Резистивный слой соединен с полосковыми проводниками 23, 24 микрополосковой платы, которые являются выводами резистора 5, а контактные площадки 22 являются выходом датчика температуры 6. The resistive layer is connected to the
Медицинский радиометр работает следующим образом. Medical radiometer works as follows.
При поступлении на управляющий вход модулятора 2 с генератора опорного напряжения 14 радиометра 4 напряжения "меандр" (фиг. 3а) модулятор (в котором могут быть использованы, например p-i-n диоды) поочередно переходит в открытое и закрытое состояние. Upon receipt of the control input of the modulator 2 from the reference voltage generator 14 of the radiometer 4 voltage "meander" (Fig. 3A), the modulator (in which, for example, p-i-n diodes can be used) alternately switches to the open and closed state.
Положительным импульсам "меандра" соответствует открытое состояние модулятора, отрицательным закрытое (фиг. 3б). Positive pulses of the meander correspond to the open state of the modulator, the negative closed (Fig. 3b).
На вход антенны 1 от исследуемого объекта, имеющего мощность излучения с температурой Тх, поступает, после отражения части мощности от границы антенна объект, мощность с температурой Тх(1-Г2). При открытом модуляторе 2 эта мощность поступает через первое и второе плечи циркулятора 3 на вход радиометра 4. Вместе с тем нагреваемый сигналом с выхода радиометра резистор 5 создает шум с температурой Тш, который проходит через конденсатор 8, на третье и первое плечи циркулятора 3, открытый модулятор 2 на вход антенны 1, частично отражается от границы антенна объект с коэффициентом отражения Г, после чего уже отраженная мощность шума с температурой ТшГ2 проходит через первое и второе плечи циркулятора на вход радиометра при открытом модуляторе поступает суммарная мощность шумов с указанными температурами (огибающая шумов, см. фиг. 3в). Когда же модулятор закрыт (фиг. 3б) циркулятор 3 отключен от выхода антенны 1. При этом от нагреваемого резистора 5 на модулятор через третье и первое плечи циркулятора поступает мощность шума с температурой Тш, которая полностью отражается от закрытого модулятора и через первое и второе плечи циркулятора проходит на вход радиометра (фиг. 3в). Работа схемы на фиг. 3 рассматривается при соотношении Тx > Тш.At the input of the antenna 1 from the investigated object having a radiation power with a temperature T x , after reflection of part of the power from the boundary of the antenna of the object, power comes with a temperature T x (1-G 2 ). With the modulator 2 open, this power is supplied through the first and second arms of the circulator 3 to the input of the radiometer 4. At the same time, the resistor 5, heated by the signal from the output of the radiometer, creates noise with a temperature T w , which passes through the capacitor 8, to the third and first arms of the circulator 3, outdoor modulator 2 to the input of the antenna 1, is partially reflected from the boundary of the object with the antenna reflection coefficient r, after which the reflected noise power with the temperature T w 2 T passes through the first and second arms of the circulator at the input of the radiometer with open modes insulator total noise power is supplied to said temperatures (noise envelope. See FIG. 3c). When the modulator is closed (Fig. 3b), the circulator 3 is disconnected from the output of the antenna 1. At the same time, a noise power with a temperature T w is transmitted to the modulator from the heated resistor 5 through the third and first shoulders of the circulator, which is completely reflected from the closed modulator through the first and second shoulders of the circulator passes to the input of the radiometer (Fig. 3B). The operation of the circuit in FIG. 3 is considered when the ratio T x > T W
Поступающие в радиометр шумовые сигналы усиливаются в малошумящем СВЧ-усилителе 10, детектируются амплитудным детектором 11 (фиг. 3г), усиливаются в узкополосном низкочастотном усилителе 12, настроенном на частоту модуляции, а снимаемая с его выхода первая гармоника сигнала (фиг. 3д) подается на вход перемножителя 13, на другой вход которого поступает напряжение "меандр" от генератора опорного напряжения 14, далее сигнал с выхода перемножителя (фиг. 3е) сглаживается в интеграторе 15 (фиг. 3и) и после усиления в усилителе постоянного тока 16 выходной сигнал радиометра 4, зависящий от разности мощности шумов на его входе в открытом и закрытом состояниях модулятора, поступает через развязывающую по СВЧ индуктивность 7 на нагреваемый резистор 5 и повышает его температуру до состояния, когда уровни шумов на входе радиометра в режимах открытого и закрытого модулятора выравниваются, т.е. достигается компенсация отражений от антенны, в результате чего измеренная с помощью датчика температуры 6 и устройства индикации 9 температура резистора будет равна температуре исследуемого объекта. The noise signals coming into the radiometer are amplified in a low-noise microwave amplifier 10, detected by an amplitude detector 11 (Fig. 3d), amplified in a narrow-band low-frequency amplifier 12 tuned to the modulation frequency, and the first harmonic of the signal removed from its output (Fig. 3d) is fed to the input of the multiplier 13, to the other input of which the voltage "meander" is supplied from the reference voltage generator 14, then the signal from the output of the multiplier (Fig. 3e) is smoothed in the integrator 15 (Fig. 3i) and after amplification in the DC amplifier 16 the output s the radiometer 4, depending on the difference in the noise power at its input in the open and closed states of the modulator, enters through the microwave inductance 7 decoupling the heated resistor 5 and raises its temperature to a state where the noise levels at the radiometer input in the open and closed modulator modes are equalized , i.e. compensation of reflections from the antenna is achieved, as a result of which the temperature of the resistor measured using the temperature sensor 6 and the indicating device 9 will be equal to the temperature of the object under study.
Мощность шумов на выходе резистора равна kTш Δf
где к постоянная Больцмана,
Тш физическая температура резистора,
Δf полоса частот радиометра по СВЧ.The noise power at the output of the resistor is kT w Δf
where k is the Boltzmann constant,
T w physical temperature of the resistor,
Δf microwave frequency band of the radiometer.
Резистор 5 должен быть согласован с третьим плечом циркулятора 3 по всей полосе частот радиометра. При этом температура шума на выходе резистора будет равна его физической температуре. Resistor 5 should be consistent with the third arm of the circulator 3 over the entire frequency band of the radiometer. In this case, the noise temperature at the output of the resistor will be equal to its physical temperature.
Мощность шума и соответственно температура шума Тш на выходе резистора (третьем плече циркулятора) в зависимости от управляющего напряжения U, поступающего с выхода радиометра, при температуре окружающей среды То представляет собой параболу, смещенную по оси ординат на величину То (фиг. 4, сплошная линия). Для устранения неоднозначности измерений рабочую точку A выбирают на одной из ветвей параболы (на фиг. 4 правой), что достигается питанием усилителя постоянного тока напряжением одной полярности.The noise power and, accordingly, the noise temperature T W at the output of the resistor (third arm of the circulator), depending on the control voltage U coming from the output of the radiometer, at ambient temperature T o is a parabola shifted along the ordinate by T o (Fig. 4 , solid line). To eliminate the ambiguity of measurements, the operating point A is selected on one of the parabola branches (on the right in Fig. 4), which is achieved by supplying a DC amplifier with a voltage of one polarity.
При измерении температуры окружающей среды до величины To+ΔT, (фиг. 4 пунктирная линия) и достаточно большом усилении радиометра рабочая точка перейдет в точку A' и температура шума на выходе резистора останется неизменной.When measuring the ambient temperature to a value of T o + ΔT, (dashed line in Fig. 4) and a sufficiently large gain of the radiometer, the operating point will go to point A 'and the noise temperature at the output of the resistor will remain unchanged.
Описанная схема в целом работает как модуляционный нуль-радиометр с плавающей компенсацией отражений от антенны. Переходные процессы в такой схеме отражаются на времени установления температуры резистора и соответственно на времени измерения температуры исследуемого объекта. Это время определяется тепловой постоянной времени нагреваемого резистора совместно с постоянной времени радиометра (которая определяется интегратором). The described circuit as a whole works as a modulation null radiometer with floating compensation of reflections from the antenna. Transient processes in such a scheme are reflected in the time it takes for the temperature of the resistor to be established and, accordingly, for the time it takes to measure the temperature of the object under study. This time is determined by the thermal time constant of the heated resistor together with the time constant of the radiometer (which is determined by the integrator).
Для медицинских радиотермометров время измерения не должно превышать 5-10 сек, что соответствует тепловой постоянной времени в единицы секунд. Это может быть обеспечено, если теплосодержание нагреваемого резистора вместе с пластиной, на которую он нанесен, будет небольшим, т.е. при их небольшом размере, при котором тепловая постоянная времени соизмерима с постоянной времени радиометра. For medical radiothermometers, the measurement time should not exceed 5-10 seconds, which corresponds to a thermal time constant of a few seconds. This can be achieved if the heat content of the heated resistor together with the plate on which it is applied is small, i.e. at their small size, at which the thermal time constant is commensurate with the time constant of the radiometer.
Такой результат достигается в заявляемой конструкции резистора с датчиком температуры (фиг. 2). В ней в качестве резистора использован резистивный слой 20, нанесенный на пластину 19, выполненную из поликора, который обладает малым тепловым сопротивлением (возможно использование нитрида алюминия) и обеспечивает тепловой контакт резистивного слоя с датчиком температуры 21, расположенном на другой стороне пластины 19. Теплоизоляционная пластина 18 из пенопласта, расположенная между резистивным слоем и керамическим основанием 17 микрополосковой платы, минимизирует отдачу тепла от резистивного слоя в сторону микрополосковой платы. Выводы резистивного слоя на полосковые проводники 23, 24 осуществлены тонкими, обладающими большим тепловым сопротивлением, проводниками, поэтому вся мощность управляющего сигнала, поступающего на выводы резистора, выделяется на резистивном слое. В качестве датчика температуры может быть использован, например, терморезистор или полупроводниковый датчик. This result is achieved in the inventive design of the resistor with a temperature sensor (Fig. 2). It uses a
Из известных датчиков температуры наилучшие параметры (миниатюрность, точность измерения) имеют транзисторные датчики (одиночные транзисторные пары) [2, 3] В рассматриваемой конституции в качестве датчика использована интегральная транзисторная пара. Однако полупроводниковые датчики имеют высокое тепловое сопротивление 1000-2000o/Вт, поэтому тепловое сопротивление проводящих проводов 20000-30000o/Вт вносит погрешность в измерение температуры. В заявляемой конструкции этот недостаток устраняется, что иллюстрируется тепловой схемой, представленной на фиг. 5, где Тш - температура нагрева резисторного слоя, Тпл тепловое поперечное сопротивление пластины 19, на которую нанесен резистивный слой 20, Ттр тепловое сопротивление транзисторной пары, Тв тепловое сопротивление выводов транзисторной пары. Если выводы транзисторной пары привести в тепловой контакт с пластиной 19, приварив их контактным площадкам 22, то приток тепла к транзисторной паре от проводов, идущих к устройству индикации температуры, прекращается, поскольку вводится тепловой шунт, показанной на фиг. 5 пунктиром.Of the known temperature sensors, the best parameters (miniature, measurement accuracy) are transistor sensors (single transistor pairs) [2, 3] In the constitution under consideration, an integral transistor pair was used as a sensor. However, semiconductor sensors have a high thermal resistance of 1000-2000 o / W, so the thermal resistance of conductive wires of 20,000-30000 o / W introduces an error in the temperature measurement. In the claimed design, this drawback is eliminated, which is illustrated by the thermal circuit shown in FIG. 5, where T W is the heating temperature of the resistor layer, T PL is the thermal transverse resistance of the
В результате высокое тепловое сопротивление транзистора не вносит погрешность в измерение температуры. As a result, the high thermal resistance of the transistor does not introduce an error into the temperature measurement.
При практической реализации узла резистор-датчик размеры резистора, выполненного в виде резистивного слоя, нанесенного на пластину из поликора, и датчик в виде бескорпусной транзисторной пары, расположенной на противоположной стороне пластины составили: длина и ширина по 4мм, толщина 1мм. In the practical implementation of the resistor-sensor assembly, the dimensions of the resistor made in the form of a resistive layer deposited on a plate from a polycor and the sensor in the form of a transistor-free housing located on the opposite side of the plate were: length and width 4 mm, thickness 1 mm.
Электрический сигнал датчика, пропорциональный температуре, усиливается и индицируется в виде показаний температуры в устройстве индикации 16. The electrical signal of the sensor, proportional to the temperature, is amplified and indicated in the form of temperature readings in the indicating device 16.
В качестве устройства индикации температуры может быть использован инструментальный усилитель с нормированным коэффициентом усиления, на выходе которого включен стрелочный, самопишущий или цифровой прибор. As a temperature display device, a tool amplifier with a normalized gain can be used, at the output of which a pointer, self-recording, or digital device is turned on.
В заявляемом техническом решении температура исследуемого объекта определяется непосредственно по физической температуре нагреваемого резистора, поэтому каких-либо дополнительно средств по стабилизации его температуры, как при использовании генератора шума, не требуется. In the claimed technical solution, the temperature of the investigated object is determined directly by the physical temperature of the heated resistor, therefore, any additional means to stabilize its temperature, as when using a noise generator, is not required.
Необходимо только, чтобы температура окружающей среды не превышала нижнюю границу измеряемых температур (фиг.4), что выполняется в клинических условиях. Действительно, диапазон измеряемых радиотермометром температур составляет от 30 до 40oC, при температуре окружающей среды от 18 до 26oC, что необходимо для создания комфортных условий обследования пациента.It is only necessary that the ambient temperature does not exceed the lower limit of the measured temperatures (figure 4), which is performed in a clinical setting. Indeed, the range of temperatures measured by a radiothermometer is from 30 to 40 o C, at an ambient temperature of 18 to 26 o C, which is necessary to create comfortable conditions for the examination of the patient.
Таким образом, использование изобретения позволит, в сравнении с прототипом, упростить и соответственно существенно уменьшить стоимость медицинского радиотермометра за счет упразднения генератора шума, требующего термостатирования (термостата) и жестко стабилизированных источников его питания. Введенные же в заявляемое устройство узел резистор датчик температуры, индуктивность и конденсатор по своей схемной и конструктивной реализации значительно проще самого генератора шума, используемого в прототипе. Thus, the use of the invention will allow, in comparison with the prototype, to simplify and accordingly significantly reduce the cost of a medical radiometer due to the elimination of a noise generator that requires thermostating (thermostat) and rigidly stabilized sources of power. The resistor temperature sensor, inductance and capacitor introduced into the inventive device are, in their circuit and constructive implementation, much simpler than the noise generator itself used in the prototype.
Литература
1. Троцкий В.С. Рахлин В.Л. "Нулевой медицинский радиотермометр на волну 30 см.", известия ВУЗов, серии XXX Радиофизика вып. 11, 1987, издание Горьковского университета.Literature
1. Trotsky V.S. Rakhlin V.L. "Zero medical radiothermometer for a wave of 30 cm.", News of universities, XXX series Radiophysics vol. 11, 1987, publication of Gorky University.
2. Фогельсон И. Б. Транзисторные термодатчики, М. "Советское радио", 1972. 2. Vogelson I. B. Transistor temperature sensors, M. "Soviet Radio", 1972.
3. Дж. Кар "Проектирование и изготовление электронной аппаратуры", М. "Мир", 1986, с. 170-174с 3. J. Car "Design and manufacture of electronic equipment", M. "Mir", 1986, p. 170-174s
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94024876A RU2082118C1 (en) | 1994-07-11 | 1994-07-11 | Medicinal radiothermometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94024876A RU2082118C1 (en) | 1994-07-11 | 1994-07-11 | Medicinal radiothermometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94024876A RU94024876A (en) | 1996-05-10 |
| RU2082118C1 true RU2082118C1 (en) | 1997-06-20 |
Family
ID=20157993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94024876A RU2082118C1 (en) | 1994-07-11 | 1994-07-11 | Medicinal radiothermometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2082118C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998037390A1 (en) * | 1997-02-21 | 1998-08-27 | Ivan Veniaminovich Bragin | Thermometer |
| WO2006091123A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-31 | Otkrytoe Akzionernoe Obschestvo 'sistema Venture' | Microwave radiothermotomograph |
| RU2485462C2 (en) * | 2011-08-04 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) |
| RU2617276C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-04-24 | Общество с ограниченной ответственностью "РТМ Диагностика" | Radiothermometer |
| WO2018044197A1 (en) * | 2016-08-29 | 2018-03-08 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика") | Miniature radiometric thermometer for the non-invasive detection of temperature anomalies in internal tissues |
-
1994
- 1994-07-11 RU RU94024876A patent/RU2082118C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Троицкий В.С., Рахлин В.Л. Нулевой медицинский радиотермометр на волну 30 см. Известия ВУЗов, сер. XXX Радиофизика, вып. II. Изд-ие Горьковского университета. * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998037390A1 (en) * | 1997-02-21 | 1998-08-27 | Ivan Veniaminovich Bragin | Thermometer |
| WO2006091123A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-31 | Otkrytoe Akzionernoe Obschestvo 'sistema Venture' | Microwave radiothermotomograph |
| RU2485462C2 (en) * | 2011-08-04 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) |
| RU2617276C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-04-24 | Общество с ограниченной ответственностью "РТМ Диагностика" | Radiothermometer |
| WO2017111651A1 (en) | 2015-12-22 | 2017-06-29 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика") | Radio thermometer |
| CN108024728A (en) * | 2015-12-22 | 2018-05-11 | Rtm诊断股份有限公司 | Microwave radiometer |
| EP3202313A4 (en) * | 2015-12-22 | 2018-06-27 | RTM Diagnostics, LLC | Radio thermometer |
| CN108024728B (en) * | 2015-12-22 | 2021-02-05 | Rtm诊断股份有限公司 | Microwave radiometer |
| WO2018044197A1 (en) * | 2016-08-29 | 2018-03-08 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика") | Miniature radiometric thermometer for the non-invasive detection of temperature anomalies in internal tissues |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94024876A (en) | 1996-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5149198A (en) | Temperature-measuring microwave radiometer apparatus | |
| US8157442B2 (en) | Radiometric thermometer | |
| US4253469A (en) | Implantable temperature probe | |
| US8447385B2 (en) | Handheld medical microwave radiometer | |
| US5159267A (en) | Pneumatic energy fluxmeter | |
| RU2617276C1 (en) | Radiothermometer | |
| KR20010012163A (en) | A High Speed Accurate Temperature Measurement Device | |
| US5159264A (en) | Pneumatic energy fluxmeter | |
| EP0114094A2 (en) | Microwave thermographic apparatus | |
| Carnochan et al. | The practical use of thermocouples for temperature measurement in clinical hyperthermia | |
| US4178800A (en) | Method of and apparatus for the measuring of quantities of heat | |
| RU2082118C1 (en) | Medicinal radiothermometer | |
| US4677988A (en) | Method and apparatus for measuring microwave noise | |
| US4182313A (en) | Implantable temperature probe | |
| US4733170A (en) | Microwave power sensors | |
| Mamouni et al. | A modified radiometer for temperature and microwave properties measurements of biological substances | |
| US3487216A (en) | Cavity radiometer | |
| JPS589031A (en) | Method and device for measuring temperature of body | |
| US3694746A (en) | Thin-film thermoelectric calorimeter for measuring large values of microwave power | |
| EP1669771A1 (en) | Nmr probe for measuring high temperature | |
| US2995708A (en) | Dry static calorimeter for rf power measurement | |
| JPH0372944B2 (en) | ||
| US3037167A (en) | Radio frequency peak power detector | |
| RU2187078C2 (en) | Device for measuring level of cryogenic fluid on base of discrete monolithic high-temperature superconductors | |
| JP2878735B2 (en) | Internal temperature measurement device |