RU2814809C1

RU2814809C1 - Multichannel multifrequency radio thermograph

Info

Publication number: RU2814809C1
Application number: RU2023130960A
Authority: RU
Inventors: Виталий Юрьевич Леушин; Александр Григорьевич Гудков; Игорь Александрович Сидоров; Сергей Владимирович Чижиков; Юрий Владимирович Соловьев
Filing date: 2023-11-27
Publication date: 2024-03-04

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, particularly to medical radio thermographs. Result is achieved by the fact that the proposed design of the multichannel multifrequency radio thermograph, which, unlike the prototype, contains only one microwave amplifier, as well as a pulse noise suppression circuit, which includes a delay line, an amplitude limiter, an additional microwave switch and a gate pulse generator.

EFFECT: high noise immunity and reduced power consumption.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для получения данных о функциональном состоянии различных органов человека и о наличии патологий. The invention relates to the field of radio engineering and can be used to obtain data on the functional state of various human organs and the presence of pathologies.

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. There are known medical devices whose operating principle is based on the method of microwave radiothermometry, which are used for non-invasive detection of temperature anomalies deep in the human body, which makes it possible to diagnose various pathologies, including malignant neoplasms, based on these measurements.

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.Such devices include, for example, a multichannel radiothermograph (see RU 2310876 cl. G 01 R 29/08, A61B, 04/18/2006), containing n antennas connected to n microwave switches, an additional microwave switch, n temperature sensors, circulator, thermostat, matched load, which is in thermal contact with the thermostat and connected to the circulator, the output of which is connected to the input of the radiometric receiver.

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. The disadvantages of this multi-channel radiothermograph are: insufficient accuracy of measuring radio-brightness temperatures of the human body, due to the fact that in the process of measuring radio-brightness temperatures the mismatch of impedances of antennas and areas of the human body is not taken into account, lack of control of thermodynamic surface temperatures of the studied areas of the human body, which does not allow determining the contribution of the temperature gradient into the measured value of radio-brightness temperature, as well as sounding in one frequency range, which makes it impossible to measure radio-brightness temperatures corresponding to different depths, and thus makes it difficult to determine the true extent of pathologies of the studied areas of the body.

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, In turn, multi-frequency multi-channel radiothermographs are quite effective in diagnosing cancer and other diseases that cause local changes in the internal temperature of biological tissues, since they provide the possibility of 3D visualization of thermal anomalies deep in the human body,

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.The closest to this technical solution is a multi-frequency radiothermograph (see RU 2328751 cl. G 01 R 29/08, 08/14/2006), containing n antennas, n temperature sensors, a multi-channel temperature meter, a controller, an analog-to-digital converter, a recording unit and indications, a thermostat, k noise generators located in the thermostat, k microwave switches and k microwave circulators, the outputs of which are connected to the inputs of k radiometric receivers.

Недостатком прототипа является его низкая помехозащищенность, что делает невозможным проведение процедур диагностики вне экранированных помещений. The disadvantage of the prototype is its low noise immunity, which makes it impossible to carry out diagnostic procedures outside shielded rooms.

Недостатком прототипа также является низкая надежность и высокое энергопотребление, обусловленные применением большого числа радиометрических приемников, содержащих активные элементы - СВЧ-усилители. The disadvantage of the prototype is also low reliability and high power consumption, due to the use of a large number of radiometric receivers containing active elements - microwave amplifiers.

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. The technical result to be achieved by the invention is to create a noise-resistant and energy-efficient device for non-invasive detection and 3D visualization of thermal anomalies deep in the human body, which increases the efficiency of diagnosing a wide range of pathologies, including the diagnosis of malignant neoplasms at an early stage.

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. The specified technical result is achieved by the fact that the radiothermograph contains n antennas, n temperature sensors, a multi-channel temperature meter, a controller, an analog-to-digital converter, a recording and display unit connected to the controller, a thermostat, k microwave circulators located in the thermostat, where k is the number operating frequency ranges of the radiothermograph, k matched loads connected to microwave circulators, k noise generators, k microwave switches, matched loads are connected respectively to the circulators, noise generators are connected respectively to the inputs of microwave switches, the outputs of which are connected respectively to the second inputs of the circulators, circulators, matched loads, noise generators and microwave switches are in thermal contact with the thermostat, temperature sensors are connected to the inputs of a multi-channel temperature meter, the output of which is connected to the controller, the control inputs of microwave switches are connected to the outputs of the controller, it also contains n balancing devices, inputs which are connected respectively to antennas, n coaxial feed lines, the inputs of which are connected respectively to the outputs of baluns, an n-channel microwave switch, the n inputs of which are connected to the outputs of n coaxial feed lines, the first k-channel microwave switch, the input of which is connected to the output n-channel microwave switch, the outputs of the first k-channel microwave switch are connected, respectively, to the inputs of microwave circulators, the outputs of which are connected to the inputs of the second k-channel microwave switch, the output of which is connected to the input of a microwave amplifier having an operating frequency range covering k operating frequency ranges of the radiothermograph, the output of the microwave amplifier is connected to the input of the third k-channel microwave switch, the outputs of which are connected, respectively, to the inputs of k bandpass microwave filters, the outputs of which are connected, respectively, to the inputs of the fourth k-channel microwave switch, to the output of which a microwave detector is connected, the output of which is connected to the input of the delay line and the input of the amplitude limiter, the output of the delay line is connected through an additional microwave switch to the input of an analog-to-digital converter, the output of the amplitude limiter is connected to a gate pulse shaper, the output of which is connected to the control input of the additional microwave -switch, the control inputs of the microwave switches are connected to the outputs of the controller, the output of the microwave detector is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the input of the transmitting optoelectronic module, the output of which is connected to the input of the fiber-optic communication line, the output of which is connected to the input the receiving optoelectronic module, the output of which is connected to the controller, microwave switches, a microwave amplifier, bandpass filters are in thermal contact with the thermostat, each of the antennas and each microwave amplifier has an operating frequency range that covers the k operating frequency ranges of the radiothermograph, the antennas have operating frequency range covering the k operating frequency ranges of the radiothermograph, the antennas have a symmetrical design and, together with baluns, are placed in metal housings, open on one side, the thermostat housing is made of metal, and on the outer surfaces of the antenna housings, the outer surface of the coaxial feeders and the outer surface The thermostat housing is coated with a material that absorbs electromagnetic radiation.

На фигуре приведены следующие обозначения:The figure shows the following symbols:

1 – антенна;1 – antenna;

2 – датчик температуры;2 – temperature sensor;

3 –– многоканальный измеритель температуры;3 –– multi-channel temperature meter;

4 -контроллер; 4 - controller;

5 – аналого-цифровой преобразователь;5 – analog-to-digital converter;

6 –блок регистрации и индикации;6 – registration and indication block;

7 – термостат;7 – thermostat;

8 – циркулятор;8 – circulator;

9 – согласованная нагрузка;9 – matched load;

10 – генератор шума;10 – noise generator;

11 – СВЧ-выключатель;11 – microwave switch;

12 – симметрирующее устройство;12 – balancing device;

13 – коаксиальная фидерная линия;13 – coaxial feeder line;

14 – n-канальный СВЧ переключатель;14 – n-channel microwave switch;

15 –первый k- канальный СВЧ переключатель;15 – first k-channel microwave switch;

16 – второй k- канальный СВЧ переключатель;16 – second k-channel microwave switch;

17 – СВЧ-усилитель; 17 – microwave amplifier;

18 – третий k- канальный СВЧ переключатель; 18 – third k-channel microwave switch;

19 - СВЧ-полосовой фильтр;19 - microwave bandpass filter;

20- четвертый k- канальный СВЧ переключатель; 20- fourth k-channel microwave switch;

21- линия задержки;21 - delay line;

22 - ограничитель амплитуды;22 - amplitude limiter;

23 - дополнительный СВЧ-выключатель;23 - additional microwave switch;

24 - СВЧ-детектор;24 - microwave detector;

25 - формирователь стробирующих импульсов;25 - gating pulse shaper;

26 - передающий оптоэлектронный модуль;26 - transmitting optoelectronic module;

27 - волоконно-оптическая линия связи;27 - fiber-optic communication line;

28 - приемный оптоэлектронный модуль;28 - receiving optoelectronic module;

29 - корпус антенны;29 - antenna housing;

30 - покрытие из материала, поглощающего электромагнитное излучение.30 - coating made of material that absorbs electromagnetic radiation.

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. A multichannel multifrequency radiothermograph operates as follows. Before the examination of the patient begins, n antennas (antenna applicators) 1 are located directly on the patient’s body, for example on the head or mammary gland. In this case, the antenna housings 29 with the open side (aperture) are directed towards the human body. To connect antennas 1 to the channel microwave switch 14 located in thermostat 7, coaxial feeder lines 13 are used. The location of the antennas on the patient’s body is chosen by the doctor based on the area of interest for the examination and the recommendations of medical techniques.

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. In accordance with a predetermined program, under the influence of the control signal of the controller 4, the n-channel microwave switch 14 connects one of the n antennas 1 to the input of the k-channel microwave switch 15 via a balun 12 and a coaxial feed line 13. Antenna 1 is broadband and has an operating range frequencies covering k operating frequency ranges of the radiothermograph.

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.Antenna 1 receives the human body's own electromagnetic radiation in its operating frequency range. The power of the received radiation is proportional to the so-called radio brightness temperature, from which one can judge the deep thermodynamic temperature.

Согласно закону Планка, мощность P теплового электромагнитного излучения, принимаемого антенной According to Planck's law, the power P of thermal electromagnetic radiation received by the antenna

P=K Т _Р Δf, 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. where T _R is the measured radio brightness temperature, Δf is the bandwidth of the radiothermograph, which is determined by the bandwidth of bandpass microwave filters 19, K is the proportionality coefficient. Thus, by measuring the level of the human body’s own radiation in a given frequency range in the areas where the antennas are located, it is possible to determine the deep body temperatures in these areas.

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. When one of the n antennas 1 is connected and the remaining antennas are disconnected, sequentially in time, using k-channel switches 15, 16, 18 and 20 in the microwave path, circulators 8 and bandpass filters 19 are synchronously switched on in sequence in time, corresponding to the k operating frequency ranges of the radiothermograph.

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.The signal is amplified to a given level by microwave amplifier 17. Amplifier 17 is low-noise and broadband, its operating frequency band covers the k operating frequency ranges of the radiothermograph. The use of only one microwave amplifier in a radiothermograph makes it possible to reduce power consumption and, accordingly, overheating of the elements of the microwave path, which helps to increase the accuracy of measuring radio brightness temperatures.

Процесс измерения радиояркостой тепературы в каждом диапазоне рабочих частот радиотермографа и автоматизированного контроля степени рассогласования антенн 1 с телом человека осуществляется следующим образом.The process of measuring radio brightness temperature in each operating frequency range of the radiothermograph and automated control of the degree of mismatch of antennas 1 with the human body is carried out as follows.

В определенные временные интервалы в соответствии с сигналами контроллера к первым входам циркуляторов 8 последовательно во времени подключаются поочередно n антенн 1. At certain time intervals, in accordance with the controller signals, n antennas 1 are connected alternately in time to the first inputs of the circulators 8.

В определенные моменты времени с помощью СВЧ-выключателей 11 ко вторым (нижним) входам циркулятора 8 подключаются генераторы шума 10, при этом все антенны отключаются.At certain points in time, using microwave switches 11, noise generators 10 are connected to the second (lower) inputs of the circulator 8, and all antennas are turned off.

В определенные моменты времени ко вторым входам циркулятора 8 подключены только согласованные нагрузки 9, при этом все антенны отключаются. At certain points in time, only matched loads 9 are connected to the second inputs of the circulator 8, while all antennas are turned off.

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. At certain times, noise generators 10 are connected to the second inputs of circulators 8, and antennas 1 are connected to the first inputs of circulators 8. Since the temperature of the noise generator 10 is many times higher than the temperature of the matched load, in this case the influence of the matched load 9 is neglected.

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: As a result of measuring the noise signal voltages at the output of the microwave detector 24 for the corresponding time intervals for each of the n antennas and each of the k frequency ranges, we obtain the amplitudes of the signal voltages:

, , (2) (2)

,, (3) (3)

.. (4)(4)

,, (5)(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, U ₀ – смещение шкалы напряжений на выходе детектора 21. WhereT _R - measured radio brightness temperature,r – reflection coefficient at the “antenna-human body” interface,T _N –temperature of the matched load of the circulator 8,S- the slope of the volt-degree characteristic of the microwave path from the input of the n-channel microwave switch 14 to the output of the microwave detector 24,T _GSh- noise generator temperature 10,U ₀ – shift of the voltage scale at the output of detector 21.

Решая систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными, получаем:Solving a system of four equations with four unknowns, we obtain:

,, (6)(6)

, , (7)(7) ,, (8)(8)

. . (9) (9)

Таким образом, Т _Р, r, S и U ₀ полностью определяются по результатам четырех измерений амплитуд напряжений, при этом автоматически учитывается степень рассогласования антенны с телом человека, что повышает точность измерения радиояркостной температуры. Thus, T _R, r, S and U ₀ are completely determined from the results of four measurements of voltage amplitudes, while the degree of mismatch between the antenna and the human body is automatically taken into account, which increases the accuracy of radio brightness temperature measurements.

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. The signals described by formulas (2)-(5) are converted into digital form using an analog-to-digital converter 5 and, through a transmitting optoelectronic module 26, a fiber-optic communication line 27, and a receiving optoelectronic module 28, are supplied to the input of the controller 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.By “interrogating” n antennas in k operating frequency ranges of the radiothermograph, we obtain nk radio brightness temperature readings. The calculation of radio brightness temperatures is carried out in controller 4 using formula (6). From the output of the controller 4, data on the measured deep temperatures of the human body, measured in k frequency ranges, enters the registration block from the indication 6, which is used as a computer, where additional information processing is carried out with simultaneous visualization on the monitor screen of heat maps at different depths of the human body , corresponding to different frequency ranges of the radiothermograph, as well as logging the examination results in the computer memory.

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. By analyzing heat maps, the doctor determines the presence of thermal anomalies (increase in temperature) of internal tissues and makes a conclusion about the presence of pathologies. As a rule, thermal anomalies are associated with the development of neoplasms, including malignant ones. The use of microwave radiothermometry in medical practice using multi-channel multi-frequency radiothermographs is an effective means of identifying malignant neoplasms at an early stage.

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.Since the measured value of human body temperature in the radio frequency range is determined by the contribution of the body surface temperature, the contribution of the temperature gradient and the contribution of the temperature anomaly (if any), then to unambiguously determine the internal body temperature, data on the body surface temperature in the measurement zone is required. This data is obtained using temperature sensors 2 . Antennas 1 have small dimensions and weight and are located directly on the human body. Temperature sensors 2 measure the thermodynamic temperatures of the surface of the human body at the installation site of the antennas 1 . Temperature sensors 2 can be made in the form of remotely located infrared sensors. Signals from temperature sensors 2 are supplied to the inputs of a multi-channel temperature meter 3 . Controller 4 , through a port connected to a multi-channel temperature meter 3 , periodically polls n temperature sensors and, together with the calculated values of deep temperatures, transmits these values to the recording and display unit 13 , which can be used as a computer that includes a monitor.

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. By analyzing heat maps of deep temperatures and skin temperature maps, the doctor determines the presence of thermal anomalies (increase in temperature) of internal tissues and makes a conclusion about the presence of pathologies. As a rule, thermal anomalies are associated with the development of neoplasms, including malignant ones. The use of microwave radiothermometry in medical practice using multi-channel multi-frequency radiothermographs is an effective means of identifying malignant neoplasms at an early stage.

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). In controller 4, the reflection coefficients of each of the n antennas 1 in each of the k frequency ranges are also calculated and displayed in the registration and display unit 6. By the value of the measured reflection coefficients at the input of the radiothermograph, you can monitor the serviceability of the antennas 1 and the correctness of their installation on the human body (adjacency to the skin).

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. Controller 4 also calculates S - the slope of the volt-degree characteristic of the microwave path from the input of the n-channel microwave switch 14 to the output of the microwave detector 24, the value of which can be used to judge the serviceability of the path.

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. To increase the noise immunity of the radiothermograph, it uses a pulse noise suppression circuit, which includes a delay line 22, an amplitude limiter 23, an additional microwave switch 24 and a gating pulse shaper 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. The signal corresponding to the human body's own electromagnetic radiation in the radio frequency range has a noise-like form. The signal coming from the output of microwave detector 21, in the general case, contains both a useful signal and interference pulses, the amplitude of which can significantly exceed the amplitude of the useful noise signal. These pulses are limited in amplitude in the amplitude limiter 23 and are then fed to the input of the gating pulse shaper 25. The signal coming from the output of the microwave detector 21 is fed through the delay line to the additional microwave switch 24. Gating pulses are supplied to the control input of the additional microwave -switch 24 switches it to the off state during the arrival of interference pulses. Delay line 22 compensates for the delay of the strobe pulses, since their formation requires a certain time. Thus, the input of the analog-to-digital converter 5 receives a useful noise signal, “cleared” of interference pulses, which leads to an increase in the noise immunity of the radiothermograph.

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. Increased noise immunity of the radiothermograph is also ensured by the use of a fiber-optic communication line 27, as well as transmitting and receiving optoelectronic modules 26 and 28, for data transmission between the output of the analog-to-digital converter 5 and the controller 4 of the fiber-optic communication line 27.

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. The use of shielding housings 29 antennas 1 in the radiothermograph limits the flow of external interference to the input of the radiothermograph. The use of symmetrical antennas 1 and baluns 12 ensures effective suppression of common-mode interference arriving at the input of the radiothermograph.

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.Making the thermostat body 7 from metal and placing on the outer surfaces of the housings 29 antennas 1, on the outer surfaces of the coaxial feeders 13 and on the outer surface of the thermostat body 7 a material 30 that absorbs electromagnetic radiation in the operating frequency ranges of the radiothermograph, provides increased noise immunity and makes it possible to carry out diagnostics using the method microwave radiothermometry outside shielded rooms.

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. Shielded symmetrical printed antenna-applicators of the “butterfly” type or in the form of a double-filament Archimedes spiral based on the RO3210 material, having an overlapping operating frequency range of at least 3, can be used as antennas for a multi-channel multi-frequency radiothermograph.

В качестве материала, поглощающего электромагнитное излучение, может быть применен, например, материал Eccosorb MF-190.As a material that absorbs electromagnetic radiation, for example, Eccosorb MF-190 material can be used.

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. The microwave amplifier can use, for example, microcircuits from Infineon type BGB741L7ESDE6327XTSA1, which have an operating frequency range from 30 MHz to 5 GHz, a gain of 19 dB and a noise figure of 1 dB.

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. As controller 4 in a multi-channel multi-frequency radiothermograph, a microcontroller of the AT89S8252 type from ATMEL, an analog-to-digital converter AD 7818 from ANALOG DEVICE, or a microcontroller of the MCS-51 family can be used. A UKT38-Shch4 temperature control device from Aries, Russia, was used as a multi-channel temperature meter.

Приемный и передающий оптоэлектронные модули реализуются с использованием плат Аrduino, на которых соответственно устанавливаются стандартные лазерные излучатели и фото-приемные элементы. The receiving and transmitting optoelectronic modules are implemented using Arduino boards, on which standard laser emitters and photo-receiving elements are respectively installed.

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. The proposed multi-channel multi-frequency radiothermograph is energy-efficient, has an noise-proof design, which makes it possible to use it outside shielded rooms, and can be effectively used in medicine for non-invasive diagnosis of malignant neoplasms at an early stage of their development.

Claims

Multichannel multifrequency radiothermograph containing n antennas, n temperature sensors, multichannel temperature meter, controller, analog-to-digital converter, recording and display unit connected to the controller, thermostat, k microwave circulators placed in the thermostat, where k is the number of operating frequency ranges of the radiothermograph , k matched loads connected to microwave circulators, k noise generators, k microwave switches, matched loads connected respectively to the circulators, noise generators connected respectively to the inputs of microwave switches, the outputs of which are connected respectively to the second inputs of the circulators, matched loads, generators noise and microwave switches are in thermal contact with the thermostat, connected to the inputs of a multi-channel temperature meter, the output of which is connected to the controller, the control inputs of the microwave switches are connected to the outputs of the controller, characterized in that it contains n baluns, the inputs of which are connected respectively to antennas, n coaxial feeder lines, the inputs of which are connected respectively to the outputs of baluns, an n-channel microwave switch, the n inputs of which are connected to the outputs of n coaxial feeder lines, the first k-channel microwave switch, the input of which is connected to the output of the n-channel microwave switch , the outputs of the first k-channel microwave switch are connected, respectively, to the inputs of microwave circulators, the outputs of which are connected to the inputs of the second k-channel microwave switch, the output of which is connected to the input of a microwave amplifier having an operating frequency range covering the k operating frequency ranges of the radiothermograph, the output of the microwave amplifier is connected to the input of the third k-channel microwave switch, the outputs of which are connected, respectively, to the inputs of k band-pass microwave filters, the outputs of which are connected, respectively, to the inputs of the fourth k-channel microwave switch, to the output of which the microwave detector is connected, to the output of which is connected to the input of the delay line and the input of the amplitude limiter, the output of the delay line is connected through an additional microwave switch to the input of the analog-to-digital converter, the output of the amplitude limiter is connected to the gate pulse shaper, the output of which is connected to the control input of the additional microwave switch, microwave control inputs -switches are connected to the outputs of the controller, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the transmitting optoelectronic module, the output of which is connected to the input of the fiber-optic communication line, the output of which is connected to the input of the receiving optoelectronic module, the output of which is connected to the controller, microwave switches microwave- the amplifier, bandpass filters are in thermal contact with the thermostat, the antennas have an operating frequency range that covers the k operating frequency ranges of the radiothermograph, the antennas have a symmetrical design and, together with baluns, are placed in metal cases open on one side, the thermostat body is made of metal, and on the outer surface of the antenna housings, the outer surface of the coaxial feeders and the outer surface of the thermostat housing, a coating of material that absorbs electromagnetic radiation is applied.