RU40705U1

RU40705U1 - DEVICE FOR DIAGNOSTIC OF BIOLOGICAL MEDIA

Info

Publication number: RU40705U1
Application number: RU2004111455/20U
Authority: RU
Inventors: Г.М. Черняков; Д.В. Шанников; Ю.В. Рыбаков
Original assignee: Черняков Геннадий Михайлович
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2004-09-27

Abstract

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для определения физических параметров исследуемого объекта, например, биологических сред. Задача предлагаемого решения - повышение чувствительность устройства. Устройство для диагностики содержит четырехплечий децибельный направленный ответвитель 1, к первому входу которого подключен выход генератора СВЧ 2, ко второму входу присоединен вход детектора 3, третье плечо ответвителя соединено с волноводным трактом измерительного 4 сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного 5 сигнала, причем волноводный тракт опорного 5 сигнала включает последовательно соединенные волноводный трансформатор сопротивлений 6, фазовый модулятор 7 и коротко замыкающий поршень 8, а волноводный тракт измерительного 4 сигнала содержит последовательно включенные волноводный трансформатор сопротивлений 9, циркулятор 10, вентиль 11, фазовращатель 12, и двойной Т-образный мост 13, причем к двум плечам моста через волноводные трансформаторы 14 и 15 подключены соответственно кювета 16 для «эталонной» среды и кювета 17 - для тестируемой среды. Четверное плечо - выход моста - подключено ко входу циркулятора 10. Фазовращатель 12 может быть выполнен в виде управляемой диафрагмы 18, соединенной с низкочастотным генератором 19, а по выходу - со вторым циркулятором 20, включенным между вентилем 11 и мостом 13.The invention relates to devices designed to determine the physical parameters of the object under study, for example, biological media. The task of the proposed solution is to increase the sensitivity of the device. The device for diagnostics contains a four-arm decibel directional coupler 1, to the first input of which the output of the microwave generator 2 is connected, the input of the detector 3 is connected to the second input, the third arm of the coupler is connected to the waveguide path of the measuring signal 4, and the fourth arm is connected to the waveguide path of the reference signal 5, moreover the waveguide path of the reference 5 signal includes a series-connected waveguide resistance transformer 6, a phase modulator 7 and a short-circuit piston 8, and the waveguide path of the measuring signal 4 contains a series-connected waveguide resistance transformer 9, a circulator 10, a valve 11, a phase shifter 12, and a double T-shaped bridge 13, and the two arms of the bridge through the waveguide transformers 14 and 15 are connected respectively to the cuvette 16 for the "reference" environment and the cuvette 17 - for the test environment. The quadruple arm - the output of the bridge - is connected to the input of the circulator 10. The phase shifter 12 can be made in the form of a controlled diaphragm 18 connected to a low-frequency generator 19, and at the output - to the second circulator 20 connected between the valve 11 and the bridge 13.

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для определения физических параметров исследуемого объекта, например, биологических сред.The invention relates to devices designed to determine the physical parameters of the investigated object, for example, biological environments.

В настоящее время на основании изучения эффектов взаимодействия электромагнитных излучений с живыми объектами и биологическими средами разработаны различные методы и приборы для диагностики физических параметров биологических сред и живых объектов.Currently, based on the study of the effects of the interaction of electromagnetic radiation with living objects and biological media, various methods and instruments have been developed for diagnosing the physical parameters of biological media and living objects.

Однако в силу несовершенства знаний о механизмах взаимодействия электромагнитных излучений с биообъектами, попытки использовать эффекты взаимодействия электромагнитных излучений с биотканями наталкиваются на значительные трудности не только в интерпретации результатов, но и в самой технике регистрации эффектов. Последнее в значительной степени обусловлено принципиальным требованием невмешательства в текущие метаболические процессы процедурой измерений.However, due to the imperfection of knowledge about the mechanisms of interaction of electromagnetic radiation with biological objects, attempts to use the effects of the interaction of electromagnetic radiation with biological tissues encounter significant difficulties not only in interpreting the results, but also in the technique for recording effects. The latter is largely due to the fundamental requirement of non-interference in current metabolic processes with a measurement procedure.

Из диагностических приемов, основанных на использовании электромагнитных излучений, известны способы, включающие регистрацию физических параметров исследуемого объекта (Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий., М., Энерго-атомиздат, 1994.). Эти способы заведомо предполагают наличие регистрируемых изменений в исходном состоянии тканей под воздействием электромагнитного излучения и потому не дают достоверной картины их естественного статуса. К тому же они весьма громоздки и неудобны в оперативном использовании.From diagnostic methods based on the use of electromagnetic radiation, methods are known that include recording the physical parameters of the object under study (Kuznetsov A.N. Biophysics of electromagnetic effects., M., Energo-atomizdat, 1994.). These methods obviously assume the presence of registered changes in the initial state of tissues under the influence of electromagnetic radiation and therefore do not give a reliable picture of their natural status. In addition, they are very bulky and inconvenient in operational use.

Известны способы диагностики, включающие регистрацию отраженного потока электромагнитного излучения в ВЧ и СВЧ диапазонах (в полосе десятков и сотен мегагерц), по величине которого судят о физических параметрах объектов (Steel М., Sheppard R. Physics in medicine and Biology. Vol.33, N4, p.467-472.; Foster K.R., Schwan H.P. Dielectric properties of tissues // Handbook of biological effects of elektromagnetic fields // Ed. C. Polk, E. Postow. Cleveland: CRC Press, 1987, p.32-96.). Однако, ни волноводные, ни резонансные, ни квазиоптические методы в прелагаемом их варианте не применимы для широкого круга биологических исследований по причине жесткости требований к геометрии изучаемых образцов и фиксации их в пространстве.Known diagnostic methods, including registration of the reflected flux of electromagnetic radiation in the high and microwave ranges (in the band of tens and hundreds of megahertz), the magnitude of which is used to judge the physical parameters of objects (Steel M., Sheppard R. Physics in medicine and Biology. Vol.33, N4, p. 467-472 .; Foster KR, Schwan HP Dielectric properties of tissues // Handbook of biological effects of elektromagnetic fields // Ed. C. Polk, E. Postow. Cleveland: CRC Press, 1987, p.32- 96.). However, neither waveguide, nor resonance, nor quasi-optical methods in their proposed version are applicable for a wide range of biological studies due to the stringent requirements on the geometry of the studied samples and their fixation in space.

Известен способ диагностики, включающий формирование сигнала СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный сигналы, излучение последнего на исследуемый участок объекта, прием отраженного сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии (Авторское A known diagnostic method, including the formation of a microwave signal, dividing it into reference and measuring signals, emitting the latter into the studied area of the object, receiving a reflected signal modulated by a low frequency signal and extracting the resulting signal from the reference and reflected signals with the subsequent determination of the physical parameter of the object section, by which they judge his condition (Copyright

свидетельство СССР №1656475, 1991.). В этом случае в отраженном сигнале измеряется только фаза, что недостаточно для получения полной информации об объекте, а в ряде ситуаций затруднительно получить вообще сколько-нибудь достоверные сведения.USSR certificate No. 1656475, 1991.). In this case, only the phase is measured in the reflected signal, which is not enough to obtain complete information about the object, and in some situations it is difficult to obtain any reliable information at all.

Для реализации этого способа предложено устройство, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечного 3^х децибельного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения, третье - с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного сигнала, имеющего фазовый модулятор, причем, оба тракта выполнены с возможностью подстройки длины пути проходящих по ним сигналов, при этом, волноводный тракт измерительного сигнала имеет облучатель, соответствующий модулятор, связанный с генератором низкой частоты, и каждый тракт снабжен соответствующим короткозамыкателем (Авторское свидетельство СССР №1656475, 1991.).To implement this method, a device is proposed that includes a microwave generator, the output of which is connected to the first arm of a four-arm 3 ^x decibel coupler, the second arm of which is connected to the measuring unit, the third arm with the waveguide path of the measuring signal, and the fourth arm with the waveguide path of the reference signal having a phase a modulator, moreover, both paths are configured to adjust the path length of the signals passing through them, while the waveguide path of the measuring signal has an irradiator corresponding to the modulator Associated with the low frequency generator, and each provided with a corresponding short-circuiting path (USSR Author's Certificate №1656475, 1991.).

Наиболее близким решением к предлагаемому можно считать устройство по патенту РФ на изобретение №2098016, 1997 г.The closest solution to the proposed can be considered a device according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2098016, 1997

Устройство включает 3-х децибельный направленный ответвитель с двумя развязанными входами. К первому входу подключен генератор СВЧ, ко второму - квадратичный детектор. К выходам ответвителя подключены соответственно волноводный тракт опорного сигнала и волноводный измерительный тракт.The device includes a 3-decibel directional coupler with two isolated inputs. A microwave generator is connected to the first input, and a quadratic detector to the second. The waveguide path of the reference signal and the waveguide measuring path are respectively connected to the outputs of the coupler.

Волноводный тракт опорного сигнала включает волноводный трансформатор сопротивлений, фазовый модулятор и короткозамыкающий поршень.The waveguide path of the reference signal includes a waveguide resistance transformer, a phase modulator, and a short-circuit piston.

Измерительный тракт включает волноводный трансформатор сопротивлений, циркулятор, модулятор, короткозамыкающий поршень, генератор низкой частоты, синхронный измеритель, а также облучатель.The measuring path includes a waveguide resistance transformer, a circulator, a modulator, a short-circuit piston, a low-frequency generator, a synchronous meter, and an irradiator.

В процессе исследований применялся облучатель круглого сечения (зонд) с четвертьволновой лейкосапфировой вставкой, что обеспечивало оптимальные условия для монохроматического отраженного сигнала. Облучатель непосредственно взаимодействовал с изучаемым объектом, например, путем опускания его в сосуд с изучаемой жидкостью.In the research process, a round-section irradiator (probe) with a quarter-wave leucosapphire insert was used, which provided optimal conditions for a monochromatic reflected signal. The irradiator directly interacted with the studied object, for example, by lowering it into a vessel with the studied liquid.

Однако в процессе использования указанного устройства были выявлены и существенные недостатки.However, in the process of using this device, significant shortcomings were identified.

При тестировании многокомпонентных жидкостей, особенно жидких сред биологического происхождения, таких, например, как желчь, моча и др., существует проблема различения электродинамических свойств образцов, обусловленных не основным веществом, а теми компонентами среды, которые составляют единицы процентов и менее от общей массы смеси. В частности, в миллиметровом диапазоне ЭМИ электродинамические свойства водосодержащих сред определяются почти целиком водой. Между тем, лабораторный анализ жидких сред, как правило, осуществляется в интересах определения именно тех компонентов смесей, которые по массе могут классифицироваться как примеси. При этом решающее значение может иметь не столько абсолютное количественное содержание When testing multicomponent liquids, especially liquid media of biological origin, such as, for example, bile, urine, etc., there is a problem of distinguishing the electrodynamic properties of samples caused not by the basic substance, but by those components of the medium that make up a few percent or less of the total mass of the mixture . In particular, in the millimeter range of electromagnetic radiation, the electrodynamic properties of aqueous media are determined almost entirely by water. Meanwhile, laboratory analysis of liquid media, as a rule, is carried out in the interests of determining precisely those components of mixtures that can be classified as impurities by weight. Moreover, not so much the absolute quantitative content may be of decisive importance.

примесей, сколько их состояние в составе многокомпонентной среды. Примером для иллюстрации этого положения могут служить коллоидные системы, каковыми являются все жидкие среды живых организмов. Коллоидные частицы в водных системах, имея электрическую границу раздела, влияют на соотношение в системе свободной и связанной воды, что, по теории, не может не отразиться на электродинамических свойствах этих систем, по крайней мере, в миллиметровом диапазоне ЭМИ.impurities, how much their state is in the composition of a multicomponent medium. An example to illustrate this position can serve as colloidal systems, which are all liquid media of living organisms. Colloidal particles in aqueous systems, having an electric interface, affect the ratio in the system of free and bound water, which, in theory, cannot but affect the electrodynamic properties of these systems, at least in the millimeter range of EMP.

Вариантами состояния коллоидных систем подчас определяются их очень важные интегральные свойства. Известно, например, что патологические изменения свойств мочи и желчи, ведущие к развитию мочекаменной (МКБ) и желчекаменной (ЖКБ) болезней, в сути своей состоят в изменении устойчивости коллоидных систем этих биологических жидкостей. Таким образом, в целях ранней диагностики развития МКБ и ЖКБ, полезно иметь возможность количественно определять признаки, коррелирующие с коллоидной устойчивостью обеих жидкостей.Variants of the state of colloidal systems sometimes determine their very important integral properties. It is known, for example, that pathological changes in the properties of urine and bile, leading to the development of urolithiasis (ICD) and cholelithiasis (cholelithiasis), in essence consist in changing the stability of the colloidal systems of these biological fluids. Thus, for the purposes of early diagnosis of the development of ICD and cholelithiasis, it is useful to be able to quantify the signs that correlate with the colloidal stability of both fluids.

Метод, описанный в прототипе, в принципе позволяет обнаруживать признаки измененных камнеобразующих свойств и мочи, и желчи. Однако, надежность этого метода не велика по причине его малой чувствительности, обусловленной тем, что вклад вариантов состояния коллоидных частиц в количественные показатели электродинамических свойств мочи и желчи мал и соизмерим с влиянием таких параметров как температура исследуемой среды.The method described in the prototype, in principle, allows you to detect signs of altered stone-forming properties of both urine and bile. However, the reliability of this method is not great due to its low sensitivity, due to the fact that the contribution of the state variants of colloidal particles to the quantitative indicators of the electrodynamic properties of urine and bile is small and is comparable with the influence of such parameters as the temperature of the medium under study.

Существенно повысить чувствительность устройства позволяет предлагаемая ниже модель диагностического средства, выполненная с использованием принципа балансных измерений.The model of the diagnostic tool proposed below, made using the principle of balanced measurements, can significantly increase the sensitivity of the device.

Для решения поставленной задачи в устройстве для диагностики, содержащем четырехплечий 3-х децибельный направленный ответвитель, к первому входу которого подключен выход генератора СВЧ, ко второму входу присоединен детектор, третье плечо ответвителя соединено с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного сигнала, причем волноводный тракт опорного сигнала включает последовательно соединенные волноводный трансформатор сопротивлений, фазовый модулятор и коротко замыкающий поршень, а волноводный тракт измерительного сигнала содержит последовательно включенные волноводный трансформатор сопротивлений и циркулятор, внесены изменения в измерительный тракт. Он дополнен двойным Т-образным мостом, к двум плечам которого через волноводные трансформаторы подключены соответственно кювета для «эталонной» среды и кювета для тестируемой среды, а вход моста через фазовращатель и вентиль соединен с выходом циркулятора, второй вход которого подключен к выходу моста.To solve this problem, in a diagnostic device containing a four-arm 3-decibel directional coupler, the output of a microwave generator is connected to the first input, a detector is connected to the second input, the third arm of the coupler is connected to the waveguide path of the measuring signal, and the fourth to the waveguide path of the reference signal, and the waveguide path of the reference signal includes series-connected waveguide resistance transformer, phase modulator and short-circuit piston, and the waves projectile loader measuring signal path comprises a series connection of resistors and transformer waveguide circulator, changes in the measuring circuit. It is supplemented by a double T-shaped bridge, to the two arms of which, respectively, a cuvette for a “reference” medium and a cuvette for a test medium are connected through waveguide transformers, and the bridge input is connected to the circulator output through a phase shifter and valve, the second input of which is connected to the bridge output.

Фазовращатель может быть выполнен в виде управляемой диафрагмы, соединенной с низкочастотным генератором, а по выходу - циркулятором, включенным между вентилем и мостом.The phase shifter can be made in the form of a controlled diaphragm connected to a low-frequency generator, and at the output, a circulator connected between the valve and the bridge.

Предлагаемое решение поясняется рисунками, где показаны:The proposed solution is illustrated by drawings, which show:

фиг.1 - блок-схема устройства, фиг.2 - схема фазовращателя.figure 1 is a block diagram of a device, figure 2 is a diagram of a phase shifter.

Устройство для диагностики содержит четырехплечий 3-х децибельный направленный ответвитель 1, к первому входу которого The diagnostic device contains a four-arm 3-decibel directional coupler 1, to the first input of which

подключен выход генератора СВЧ 2, ко второму входу присоединен вход детектора 3, третье плечо соединено с волноводным трактом измерительного 4 сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного 5 сигнала, причем волноводный тракт опорного 5 сигнала включает последовательно соединенные волноводный трансформатор сопротивлений 6, фазовый модулятор 7 и коротко замыкающий поршень 8, а волноводный тракт измерительного 4 сигнала содержит последовательно включенные волноводный трансформатор сопротивлений 9, циркулятор 10, вентиль 11, фазовращатель 12, и двойной Т-образный мост 13, причем к двум плечам моста через волноводные трансформаторы 14 и 15 подключены соответственно кювета 16 для «эталонной» среды и кювета 17 - для тестируемой среды. Четверное плечо - выход моста - подключено ко входу циркулятора 10.the output of the microwave generator 2 is connected, the input of the detector 3 is connected to the second input, the third arm is connected to the waveguide path of the measuring 4 signal, and the fourth is connected to the waveguide path of the reference 5 signal, and the waveguide path of the reference 5 signal includes a series-connected waveguide resistance transformer 6, a phase modulator 7 and a short-circuit piston 8, and the waveguide path of the measuring signal 4 contains sequentially connected waveguide resistance transformer 9, circulator 10, valve 11, phase shifter 12, and a double T-shaped bridge 13, moreover, to the two shoulders of the bridge through the waveguide transformers 14 and 15, respectively, a cell 16 for a “reference” medium and a cell 17 for a test medium are connected. The fourth shoulder - the output of the bridge - is connected to the input of the circulator 10.

Фазовращатель 12 может быть выполнен в виде управляемой диафрагмы 18, соединенной с низкочастотным генератором 19, а по выходу - со вторым циркулятором 20, включенным между вентилем 11 и мостом 13.The phase shifter 12 can be made in the form of a controlled diaphragm 18 connected to a low-frequency generator 19, and at the output, to a second circulator 20 connected between the valve 11 and the bridge 13.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

После включении устройства производится настройка моста. Для этого обе кюветы 16 и 17 заполняют «эталонной» средой и путем регулировки СВЧ трансформаторов 14 и 15 добиваются отсутствия сигнала на выходе моста.After turning on the device, the bridge is configured. For this, both cuvettes 16 and 17 are filled with a “reference” medium, and by adjusting the microwave transformers 14 and 15, they achieve the absence of a signal at the bridge output.

Далее кювета 17 заполняется исследуемой жидкостью. В этом положении тестирующее излучение проходит с выхода моста через циркулятор 10, вентиль 11 и фазовращатель 12. В последнем осуществляется модуляция сигнала частотой 1000 Гц за счет изменения фазы. Пройдя фазовращатель, тестирующее излучение поступает на вход двойного Т-образного моста, в котором делится надвое и направляется через соответствующие СВЧ трансформаторы в кюветы с исследуемой и «эталонной» жидкостями. Отраженные от обеих кювет сигналы встречаются в центре моста, образуя «разностный» поток излучения, выходящий из выходного конца двойного Т-образного моста. Выйдя из двойного Т-образного моста и пройдя через первый циркулятор, «разностный» поток по щелевому мосту поступает на детектирование, при котором смешивается с опорным сигналом.Next, the cuvette 17 is filled with the test fluid. In this position, the test radiation passes from the bridge output through the circulator 10, the valve 11, and the phase shifter 12. In the latter, the signal is modulated at a frequency of 1000 Hz by changing the phase. Having passed the phase shifter, the test radiation enters the input of the double T-shaped bridge, in which it is divided in two and sent through the appropriate microwave transformers to the cells with the studied and “reference” liquids. Signals reflected from both cuvettes meet in the center of the bridge, forming a "difference" radiation flux emerging from the output end of the double T-shaped bridge. Leaving the double T-shaped bridge and passing through the first circulator, the "differential" flow along the slotted bridge enters the detection, in which it mixes with the reference signal.

Таким образом, в результате использования двойного Т-образного моста в балансной схеме измерения, в которой абсолютная величина разностного сигнала зависит главным образом от амплитуды излучения, поступающего на вход Т-образного моста, удается существенно повысить чувствительность измерительного прибора в целом и надежно регистрировать такие малые изменения электродинамических параметров исследуемых сред, какие невозможно зафиксировать, используя прямые методы измерения.Thus, as a result of the use of a double T-shaped bridge in a balanced measurement circuit, in which the absolute value of the difference signal depends mainly on the amplitude of the radiation supplied to the input of the T-shaped bridge, it is possible to significantly increase the sensitivity of the measuring device as a whole and reliably register such small changes in the electrodynamic parameters of the studied media, which cannot be fixed using direct measurement methods.

Claims

1. A device for diagnosing biological media containing a four-arm 3-decibel directional coupler, the output of a microwave generator is connected to its first input, a detector is connected to the second input, the third arm of the coupler is connected to the waveguide path of the measuring signal, and the fourth to the waveguide path of the reference signal, moreover, the waveguide path of the reference signal includes a series-connected waveguide resistance transformer, a phase modulator and a short-circuit piston, and the waveguide path The measuring signal contains a waveguide resistance transformer and a circulator connected in series, characterized in that it is supplemented by a double T-shaped bridge, to the two arms of which, through a waveguide transformer, a cell for a “reference” medium and a cell for a test medium are connected, and the bridge input is through a phase shifter and the valve is connected to the output of the circulator, the second input of which is connected to the output of the bridge.

2. The diagnostic device according to claim 1, characterized in that the phase shifter is made in the form of a controlled diaphragm connected to a low-frequency generator, and at the output, to a second circulator connected between the valve and the bridge.