RU2718292C1

RU2718292C1 - Прибор для диагностики функционального состояния головного мозга

Info

Publication number: RU2718292C1
Application number: RU2019123287A
Authority: RU
Inventors: Виталий Юрьевич Леушин; Александр Григорьевич Гудков; Сергей Владимирович Чижиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Технологические инновации"
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2020-04-01

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике. Прибор для диагностики функционального состояния головного мозга, содержит N групп по k антенн различных диапазонов частот, расположенных на поверхности головы, k×N+k СВЧ - выключателей, k×N датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с антеннами, многоканальный измеритель температуры, k циркуляторов, k термостататов, k генераторов шума, k согласованных нагрузок, k радиометрических приемников, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и компьютер. Одновременно прибор содержит электроды для снятия биопотенциалов, подключенные через узлы гальванической развязки к ходам усилителей биопотенциалов, выходы которых через мультиплексор подключены к входу дополнительного аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход мультиплексора и выход дополнительного аналого-цифрового преобразователя подключены к контроллеру, а N групп по k антенн расположены на поверхности головы по системе размещения электродов для снятия биопотенциалов «10-20%». Изобретение позволяет обеспечить существенное повышение эффективности диагностики функционального состояния головного мозга, его патологий и функциональных расстройств. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для получения данных о функциональном состоянии головного мозга и о наличии его патологий.

Известны медицинские приборы для измерения температурного поля внутренних тканей человека, которые могут использоваться для диагностики функционально состояния головного мозга, например, многоканальный радиотермограф (см. RU 2310876 кл. G01R 29/08, А61В, 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.

Наиболее близким к данному техническому решению является многочастотный радиотермограф (см. RU 2328751 КЛ. G01R 29/08, 14.08.2006), содержащий N групп по k антенн различных диапазонов частот, k×N+k СВЧ - выключателей, k×N датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с антеннами и подключенных к входам многоканального измерителя температуры, k циркуляторов, k термостататов, k генераторов шума, k согласованных нагрузок, находящихся в тепловом контакте с термостатами и подключенных к циркуляторам, k радиометрических приемников, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и блок регистрации и индикации, содержащий компьютер.

Недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности, а именно невозможности одновременной фиксации глубинных температур головного мозга отдельных областей головного мозга и соответствующих этим областям временных зависимостей биопотенциалов, что снижает эффективность выявления патологий и функциональных расстройств.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании прибора для диагностики функционального состояния головного мозга, позволяющего измерять радиояркостные температуры глубинных зон головного мозга с целью локализации и определения размеров топологий и одновременно регистрировать временные зависимости его биопотенциалов, что позволяет поставить пациенту более точный диагноз.

Указанный технический результат достигается тем, что прибор для диагностики функционального состояния головного мозга, содержащий N групп по k антенн различных диапазонов частот, расположенных на поверхности головы, k×N+k СВЧ - выключателей, k×N датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с антеннами, многоканальный измеритель температуры, k циркуляторов, k термостататов, k генераторов шума, k согласованных нагрузок, k радиометрических приемников, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и компьютер, причем антенны соединены с первыми k×N СВЧ выключателями, выходы каждых N из первых k×N СВЧ-выключателей, соединенных с антеннами одного и того же диапазона частот, соединены между собой и подключены соответственно к первым входам циркуляторов, согласованные нагрузки подключены соответственно к вторым входам циркуляторов, выходы циркуляторов подключены соответственно к входам радиометрических приемников, генераторы шума подключены соответственно к вторым k СВЧ-выключателям, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, согласованные нагрузки, циркуляторы, генераторы шума и радиометрические приемники находятся в тепловом контакте с термостатами, датчики температуры подключены к многоканальному измерителю температуры, выход которого подключен к входу контроллера, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, выходы радиометрических приемников соединены через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроллера, выход контроллера подключен к компьютеру, отличающийся тем, прибор такжео содержит N электродов для снятия биопотенциалов, конструктивно объединенных с каждой из N групп по k антенн, электроды для снятия биопотенциалов подключены через узлы гальванической развязки к ходам усилителей биопотенциалов, выходы которых через мультиплексор подключены к входу дополнительного аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход мультиплексора и выход дополнительного аналого-цифрового преобразователя подключены к контроллеру, а N групп по k антенн расположены на поверхности головы по системе размещения электродов для снятия биопотенциалов «10-20%».

На фигуре приведены следующие обозначения:

1 - антенна;

2 - СВЧ-выключатель;

3 - датчик температуры;

4 - многоканальный измеритель температуры;

5 - циркулятор;

6 - термостат;

7 - генератор шума;

8 - согласованная нагрузка;

9 - радиометрический приемник;

10 - коммутатор;

11 - аналого-цифровой преобразователь;

12 - контроллер;

13 - компьютер;

14 - электрод для снятия биопотенциалов;

15 - узел гальванической развязки;

16 - усилитель биопотенциалов;

17 - мультиплексор;

18 - дополнительный аналого-цифровой преобразователь.

Прибор для диагностики функционального состояния головного мозга работает следующим образом. Перед началом обследования N групп по k антенн 1 и электроды 14 для снятия биопотенциалов располагаются по международной системе «10-20%» (см. http://ru.wikipedia.org/wiki/Международная_система_размещения_электродов_«10-20»). Антенны 1 сгруппированы в пространстве таким образом, что в каждой группе присутствуют k антенн, соответствующих k диапазонам частот, например с длиной волны 40 см, 20 см и 10 см. Под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 включается первый СВЧ-выключатель 2, подключенный к первой антенне первой группы, при этом остальные СВЧ - выключатели 2 находятся в выключенном состоянии. Излучение из глубины тела человека в радиочастотном диапазоне достигает раздела сред «тело человека-первая антенна» и, частично отражаясь, принимается первой антенной 1. Мощность принятого излучения пропорциональна так называемой радиояркостной температуре, по которой можно судить о глубинной термодинамической температуре.

Принятый шумовой сигнал из антенны 1 (первого диапазона частот) первой группы антенн через первый выключатель 2 и первый циркулятор 5 поступает на вход первого радиометрического приемника 9 первого диапазона частот. Одновременно, мощность шума от согласованной нагрузки 8 через первый циркулятор 5 и первый СВЧ - выключатель 2 через первую антенну 1 попадает на раздел сред «первая антенна - тело человека», где частично отражаясь, через первый СВЧ - выключатель 2 и циркулятор 5 добавляется к мощности шумового сигнала от тела человека и вместе с ней поступает на вход первого радиометрического приемника 9. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода первого радиометрического приемника 9 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов:

где К_ТР - обобщенный коэффициент передачи тракта усиления и обработки сигнала,

Т_ЧЕЛ - радиояркостная температура тела человека,

Т_ТЕРМ - температура термостата,

γ - коэффициент отражения мощности на границе раздела сред «тело человека-антенна 1»,

U₀ - константа, определяемая собственными шумами радиометрического приемника и параметрами детектора.

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 дополнительно к первому СВЧ - выключателю 2, подключенному к первой антенне первой группы включается СВЧ-выключатель 2, подключенный к первому генератору шума. При этом остальные СВЧ - выключатели находятся в выключенном состоянии. Излучение из глубины тела человека в радиочастотном диапазоне достигает раздела сред «тело человека-первая антенна» и, частично отражаясь, принимается первой антенной 1. Мощность принятого шумового сигнала из первой антенны 1 через первый СВЧ-выключатель 2 и первый циркулятор 5 поступает на вход первого радиометрического приемника 9. Одновременно мощность шума от первого генератора шума 7 суммируется с мощностью шума первой согласованной нагрузки 8 и через циркулятор 5 и первый СВЧ-выключатель 2 попадает на раздел сред «первая антенна 1 - тело человека», где частично отражаясь, через первый СВЧ-выключатель и первый циркулятор попадает на вход первого радиометрического приемника 9 и добавляется к шумовому сигналу от тела человека. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 9 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов мощности, которое может быть описано формулой:

где Т_ГШ - шумовая температура генератора шума.

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера выключаются первый СВЧ - выключатель 2 и СВЧ - выключатель 2, подключенный к первому генератору шума. Остальные СВЧ - выключатели находятся в также выключенном состоянии. При этом, шумовой сигнал от первой согласованной нагрузки 8 через циркулятор 5, попадает на вход первого радиометрического приемника 9. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 9 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер 12 усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов мощности, которое может быть описано формулой:

Через определенный промежуток времени, например через одну миллисекунду, под воздействием управляющего сигнала контроллера 12 включается СВЧ выключатель 2, подключенный к первому генератору шума 7. При этом, шумовой сигнал от согласованной нагрузки 8 суммируется с шумовым сигналом от первого генератора шума 7 и через первый циркулятор 5 поступает на вход первого радиометрического приемника 9. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода радиометрического приемника 9 подается через коммутатор 10 на аналого-цифровой преобразователь 11, с выхода которого цифровые отсчеты сигнала поступают на контроллер 12. Контроллер усредняет значения цифровых отсчетов и в результате получает число, пропорциональное суммарной мощности входных шумовых сигналов, которое может быть описано формулой:

Из формул (1)-(4) при известных параметрах U_изм1, U_изм2, U_изм3, U_изм4, К_ТР, Т_ТЕРМ, Т_ГШ, U₀ следует, что

Это означает, что коэффициент отражения мощности на границе раздела сред «тело человека - первая антенна 1» полностью определяется по результатам четырех измерений, при этом автоматически учитывается степень рассогласования антенны с телом человека, за счет чего повышается точность измерения радиояркостной температуры.

Данные о значениях коэффициентов отражения антенн γ, вычисленные контроллером 12 по формуле (5), подаются на компьютер, дополнительно обрабатываются и отображаются на экране монитора. По величине измеренных коэффициентов отражения можно контролировать исправность антенн и правильность их установки на теле человека.

Используя формулы (1)-(5), получаем:

Таким образом, радиояркостная температура тела человека вычисляется контроллером 12 по формуле (6) при подстановке в нее четырех результатов измерений U_изм1, U_изм2, U_изм3, U_изм4 и известных параметров: Т_ТЕРМ, Т_ГШ.

Аналогичным образом последовательно во времени определяются радиояркостные температуры в других местах установки остальных антенн одного и того же диапазона частот теле человека.

Затем, аналогичным образом последовательно во времени определяются радиояркостные температуры в местах установки антенн остальных k-1 диапазонов частот на теле человека.

Поскольку измеренное значение температуры тела 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 3. Антенны 1 имеют небольшие габариты и массу и располагаются непосредственно на голове человека. Поэтому датчики температуры, находящиеся в тепловом контакте с k×N антеннами 1, фактически измеряют термодинамические температуры поверхности головы человека в месте установки антенн. Контроллер 12 посредством порта, подключенного к многоканальному измерителю температуры 4 периодически опрашивает k×N датчиков температуры и вместе с вычисленными значениями глубинных температур передает эти значения на компьютер 13, имеющий в своем составе монитор.

Значения глубинных и поверхностных температур различных участков тела в k диапазонах частот индицируются на экране монитора псевдоцветами и в разных системах координат (по площади и по глубине). Компьютерная графическая обработка полученных данных в k диапазонах частот позволяет строить также трехмерные тепловые карты исследуемой области, которые позволяют выявить зоны повышенных глубинных температуры и тем самым локализовать патологии.

Одновременно с измерением глубинных температур головного мозга в тех же областях измеряются временные зависимости его биопотенциалов. Процесс измерения биопотенциалов осуществляется следующим образом. Электрические потенциалы с электродов для съема биопотенциалов 14 через узлы гальванической развязки 15 передаются на входы усилителей биопотенциалов 16, с выходов которых они подаются на мультиплексор 17, с выхода мультиплексора 17 биопотенциалы поступают на вход дополнительного аналого-цифрового преобразователя 18. После оцифровки данные о биопотенциалах поступают на вход контроллера 12. В контроллере 12 осуществляется первичная обработка информации о временных зависимостях биопотенциалов.

С выхода контроллера 12 данные об измеренных глубинных температурах головного мозга в и временных зависимостях биопотенциалов, снятых с этих же областей поступают в компьютер 13, где осуществляется обработка информации с одновременной их визуализацией их на экране монитора (построение тепловых карт и наблюдение биопотенциалов головного мозга в реальном масштабе времени), а также протоколирование результатов обследования в памяти компьютера.

Важным фактором при исследовании функционального состояния головного мозга является использование различных тестов (ритмическое световое раздражение, гипервентиляция, проведение арифметических вычислений и т.д.). Эти тесты позволяют в динамике контролировать влияние внешних воздействий как на глубинные температуры, так и на характер временных зависимостей биопотенциалов.

Интерпретация данных, полученных в результате проведения одновременных измерений собственных радиотепловых полей головного мозга и биоэлектрической активности отделов и структур головного мозга обеспечивает существенное повышение эффективности диагностики его патологий и функциональных расстройств.

В качестве контроллера в приборе для функциональной диагностики головного мозга может быть использован микроконтроллер типа AT89S8252 фирмы ATMEL, аналого-цифровой преобразователь AD 7818 фирмы ANALOG DEVICE или микроконтроллер семейства MCS-51. В качестве многоканального измерителя температуры использовано устройство контроля температуры УКТ38-Щ4 фирмы «Овен», Россия.

Claims

Прибор для диагностики функционального состояния головного мозга, содержащий N групп по k антенн различных диапазонов частот, расположенных на поверхности головы, k×N+k СВЧ - выключателей, k×N датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с антеннами, многоканальный измеритель температуры, k циркуляторов, k термостататов, k генераторов шума, k согласованных нагрузок, k радиометрических приемников, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер и компьютер, причем антенны соединены с первыми k×N СВЧ выключателями, выходы каждых N из первых k×N СВЧ-выключателей, соединенных с антеннами одного и того же диапазона частот, соединены между собой и подключены соответственно к первым входам циркуляторов, согласованные нагрузки подключены соответственно к вторым входам циркуляторов, выходы циркуляторов подключены соответственно к входам радиометрических приемников, генераторы шума подключены соответственно к вторым k СВЧ-выключателям, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами циркуляторов, СВЧ-выключатели, циркуляторы, генераторы шума, согласованные нагрузки и радиометрические приемники находятся в тепловом контакте с термостатами, датчики температуры подключены к многоканальному измерителю температуры, выход которого подключен к входу контроллера, управляющие входы СВЧ-выключателей подключены к выходам контроллера, выходы радиометрических приемников соединены через коммутатор с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу контроллера, выход контроллера подключен к компьютеру, отличающийся тем, что содержит N электродов для снятия биопотенциалов, конструктивно объединенных с каждой из N групп по k антенн, электроды для снятия биопотенциалов подключены через узлы гальванической развязки к входам усилителей биопотенциалов, выходы которых через мультиплексор подключены к входу дополнительного аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход мультиплексора и выход дополнительного аналого-цифрового преобразователя подключены к контроллеру, а N групп по k антенн расположены на поверхности головы по системе размещения электродов для снятия биопотенциалов «10-20%».