UA53677C2

UA53677C2 - Device for determining absorbing capacity of biological tissues

Info

Publication number: UA53677C2
Application number: UA99073862A
Authority: UA
Inventors: Юрій Олексійович Скрипник; Юрий Алексеевич Скрипник; Костянтин Леонідович Шевченко; Константин Леонидович Шевченко; Віталій Іванович Цимбалюк; Виталий Иванович Цимбалюк
Original assignee: Київський Державний Університет Технологій Та Дизайну; Киевский государственный университет технологий и дизайна; Інститут Нейрохірургії Ім. Акад. А.П. Ромоданова Академії Медичних Наук України; Институт Нейрохирургии Им. Акад. А.П. Ромоданова Академии Медицинских Наук Украины
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2003-02-17

Abstract

The proposed device for determining absorbing capacity of biological tissues contains a microwave oscillator operating in the millimeter wavelength range. The output of the oscillator is connected to an amplitude modulator, an attenuator, and a circulator that are connected in series. The first output of the circulator is connected to an amplitude detector, a selective frequency-modulated signal amplifier, and a radio-frequency signal generator that are connected in series. The output of the radio-frequency signal generator is connected to the control input of the amplitude modulator, an antenna, and a measuring device. Additionally, the proposed device contains the second amplitude modulator, two synchronous detectors, the second selective amplifier, a reference voltage source, an operation amplifier, an integrator, two low-pass filters, a diode-capacitor circuit, and a frequency divider. The proposed device allows the absorbing capacity of biological tissue to be determined from the relative value of the absorbed power, independently of power of the sounding microwave signal and instability of the measuring channel parameters.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області аналізу матеріалів за допомогою мікрохвиль і може бути використаний для 2 виміру рівня поглинання електромагнітної енергії міліметрового діапазону довжин хвиль біологічними тканинами в медицині, біології і сільському господарстві.The invention relates to the field of material analysis using microwaves and can be used to measure the absorption level of electromagnetic energy of the millimeter wavelength range by biological tissues in medicine, biology and agriculture.

При опромінюванні біологічних тканин електромагнітними хвилями (ЕМХ) міліметрового діапазону (30...300When irradiating biological tissues with electromagnetic waves (EMK) of the millimeter range (30...300

ГЦ) спостерігається вузькосмугове (резонансне) поглинання на деяких частотах, що отримали назву біологічно активних. Відносна ширина смуг поглинання надто мала і не перевищує одиниці відсотків, а частіше складає 70 десяті й соті частки відсотка (див. Девятков Н. Д., Голант М. Б. Особенности частотно-зависимьїх биологических зффектов при воздействиий злектромагнитньїх излучений// Злектронная техника. Сер. Злектроника СВУ, 1982, вьп. 12 (348), С.46-50).HC) narrow-band (resonance) absorption is observed at some frequencies, which are called biologically active. The relative width of the absorption bands is too small and does not exceed units of percent, and more often it is 70 tenths and hundredths of a percent (see Devyatkov N.D., Golant M.B. Features of frequency-dependent biological effects under the influence of electromagnetic radiation// Zlektronnaya tehnika. Ser. Zlectronika SVU, 1982, issue 12 (348), pp. 46-50).

Рівень поглинання ЕМХ залежить від потужності випромінювання і біофізичних властивостей тканин. Так, при збільшенні потужності ЕМХ поглинання в живих тканинах зменшується, особливо, в біологічних активних точках 12 (БАТ) шкіри людини і тварин. Шкіряні БАТ немов би тимчасово закриваються високопровідною "завісою", яка відбиває ЕМХ. Тому біологічні ефекти в тканинах і органах можна спостерігати тільки при нетеплових інтенсивностях ЕМХ (потужність опромінювання в межах 1073-10 8Вт/см2). При нетепловому (біоінформаційному) впливі на біологічний матеріал в областях активних частот поглинання ЕМХ орієнтовно досягає 90...9595 від потужності опромінювання. Поза смугою поглинання цей показник знижується до 10...1595. Однак, точний вимір поглинаємої потужності і оцінка поглинальної здатності біологічних тканин пов'язані з деякими труднощами.The level of EMF absorption depends on the radiation power and biophysical properties of tissues. Thus, with an increase in EMF power, absorption in living tissues decreases, especially in biologically active points 12 (BAT) of human and animal skin. Leather BAT is temporarily closed, as it were, by a highly conductive "curtain" that reflects EMF. Therefore, biological effects in tissues and organs can be observed only at non-thermal EMH intensities (irradiation power in the range of 1073-10 8W/cm2). In the case of non-thermal (bioinformatics) impact on biological material in the areas of active absorption frequencies, EMH approximately reaches 90...9595 of the irradiation power. Outside the absorption band, this indicator decreases to 10...1595. However, the exact measurement of the absorbed power and the assessment of the absorbing capacity of biological tissues are associated with some difficulties.

При нетеплових інтенсивностях ЕМХ внаслідок відсутності теплових ефектів у опромінюваному середовищі неможливо використати найбільш чутливі і точні вимірювачі поглинутої потужності - калориметричні. По цій же причині не можуть бути використані і інші типи теплових вимірників (терморезистивні, термоелектричні, болометричні). с 29 Поглинуту потужність можна оцінити по значенню коефіцієнта відбивання при стабілізованій випромінюваній (9 потужності. Але потужність відбитих від біологічних тканин ЕМХ при допустимому рівні опромінювання (1033-108Вт/см?) настільки мала, що корисний сигнал важко виявити і зміряти на фоні шумів і завад вимірювальної апаратури. Якщо врахувати і власне електромагнітне випромінювання, що генерується клітинами ї-At non-thermal EMF intensities due to the absence of thermal effects in the irradiated environment, it is impossible to use the most sensitive and accurate meters of absorbed power - calorimetric ones. For the same reason, other types of heat meters (thermoresistive, thermoelectric, bolometric) cannot be used. c 29 The absorbed power can be estimated by the value of the reflection coefficient at stabilized radiated power (9 power. But the power of EMF reflected from biological tissues at the permissible level of irradiation (1033-108W/cm?) is so small that the useful signal is difficult to detect and measure against the background of noise and interference of the measuring equipment. If we take into account the electromagnetic radiation itself, generated by the cells

Зо Живого організму і накладається на відбиті ЕМХ, задача виміру поглинальної здатності тканин ще більш ускладнюється. ї-From a living organism and superimposed on the reflected EMF, the task of measuring the absorption capacity of tissues becomes even more complicated. uh-

Відомий пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин (див. Измерения в злектронике: «оA well-known device for determining the absorptive capacity of biological tissues (see Measurements in electronics: "O

Справочник/ В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова - М: Знергоатомиздат, 1987, С.219-220), що містить генератор монохроматичних сигналів, направлені відгалужувачі хвилі, що падає і і відбитої хвилі, включені між генератором і об'єктом, який вимірюється, і вимірник відношення, входи якого ю з'єднані з виходами направлених відгалужувачів.Directory/ V.A. Kuznetsov, V.A. Dolgov, V.M. Konevskikh et al. Ed. V.A. Kuznetsova - M: Znergoatomizdat, 1987, P.219-220), which contains a generator of monochromatic signals, directed splitters of the incident wave and the reflected wave, included between the generator and the object to be measured, and a ratio meter, the inputs of which are connected to the outputs of the directional splitters.

По відношенню вихідних напруг направлених відгалужувачів визначається коефіцієнт відбивання об'єкту, по якому можна судити про рівень поглинутої потужності. Однак, неідентичність параметрів каналів хвилі що падає і відбитої хвилі, завади в каналі відбитої хвилі і нестабільність нуля схеми вимірника відношення не « 70 дозволяють визначати поглинальну здатність біологічних тканин при малих рівнях сигналів, що порівнюються. 2 с Відомий пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин (див. Чернушенко А.М.,In relation to the output voltages of the directional couplers, the reflection coefficient of the object is determined, which can be used to judge the level of absorbed power. However, the non-identity of the parameters of the channels of the incident wave and the reflected wave, interference in the channel of the reflected wave and the instability of the zero of the ratio meter circuit do not allow determining the absorption capacity of biological tissues at low levels of the compared signals. 2 s A well-known device for determining the absorption capacity of biological tissues (see A.M. Chernushenko,

Майбородин А.В. Измерение параметров злектронньїх приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов :з» волн/ Под ред. А.М. Чернушенко - М.: Радио и связь, 1985, С.106-107), що містить надвисокочастотний генератор, до виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний модулятор, направлені відгалужувачі хвилі, що падає і відбитої хвилі, резонансні підсилювачі частоти модуляції, підключені до виходів детекторів с хвилі що падає і відбитої хвилі, блок ділення, з'єднаний входами з виходами резонансних підсилювачів, і індикатор, підключений через підсилювач до виходу блоку ділення. о Амплітудна модуляція хвилі, що падає і відбитої хвилі і резонансне підсилення продетектованих сигналів б дозволяє вимірювати коефіцієнт відбивання при малих рівнях опромінювання об'єкту. Однак, неідентичність і нестабільність параметрів двоканальної вимірювальної схеми не дозволяє вимірювати малі значення - коефіцієнта відбивання, а отже, вірогідно визначати рівень поглинаємої енергії ЕМХ в областях біологічно "м активних частот.Maiborodin A.V. Measurement of the parameters of electron devices in the decimeter and centimeter ranges: z» waves/ Ed. A.M. Chernushenko - M.: Radio and communication, 1985, p.106-107), containing an ultra-high-frequency generator, to the output of which are connected a series-connected amplitude modulator, directional splitters of the incident wave and reflected wave, resonant amplifiers of the modulation frequency, connected to the outputs of the detectors from the incident wave and the reflected wave, the division unit connected by the inputs to the outputs of the resonant amplifiers, and the indicator connected through the amplifier to the output of the division unit. o Amplitude modulation of the incident and reflected waves and resonant amplification of the detected signals b allows measuring the reflection coefficient at low levels of object irradiation. However, the non-identity and instability of the parameters of the two-channel measurement scheme does not allow measuring small values of the reflection coefficient, and therefore, reliably determining the level of absorbed EMH energy in the regions of biologically active frequencies.

Відомий також пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин (див. Искин В.Д.A device for determining the absorption capacity of biological tissues is also known (see Iskin V.D.

Биологические зффектьї миллиметровьх волн и корреляционньій метод их обнаружения. - Харьков, Изд. 5Б "Основа" при Харьковском университете, 1990, С.164-165), що містить генератор міліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний модулятор, атенюатор і циркулятор, (Ф; до другого виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний детектор і вибірковий підсилювач, ко налаштований на частоту модуляції, радіочастотний генератор, з'єднаний з керуючим входом амплітудного модулятора, антена і вимірювальний прилад. Крім того, відомий пристрій містить металеву камеру з біологічним бор середовищем, що досліджується, в якій розміщена антена. За антену використовується стержень прямокутного перетину, виготовлений з радіопрозорого матеріалу. Частини поверхні стержня металізовані, а радіопрозорі дільниці стержня контактують з біологічним середовищем, що досліджується. У відомому пристрої потужність відбитої хвилі залежить не тільки від поглинальних властивостей середовища, що досліджується, але і від відгалужувальних властивостей металізованих дільниць стержня - антени. В біологічних середовищах з високим 65 рівнем поглинання відбитий сигнал малий і його важко виділити з власних шумів амплітудного детектора і високочастотних завад. Непостійність потужності генератора міліметрового діапазону, особливо при перебудові його частоти, зумовлює інформативні зміни потужності як коливань, що падають, так і відбитих коливань.Biological effects of millimeter waves and the correlation method of their detection. - Kharkiv, Izd. 5B "Osnova" at Kharkiv University, 1990, p.164-165), containing a millimeter wavelength range generator, to the output of which are connected in series an amplitude modulator, attenuator and circulator, (F; to the second output of which are connected in series with an amplitude detector and a selective amplifier tuned to the modulation frequency are connected, a radio frequency generator connected to the control input of the amplitude modulator, an antenna and a measuring device. In addition, the known device contains a metal chamber with the biological medium under investigation, in which is placed antenna. A rectangular cross-section rod made of radio-transparent material is used for the antenna. Parts of the rod surface are metallized, and the radio-transparent parts of the rod are in contact with the biological medium under investigation. In the known device, the power of the reflected wave depends not only on the absorption properties of the medium under investigation, but also from the branching properties of metallized d ilnits of the rod - antennas. In biological environments with a high 65 level of absorption, the reflected signal is small and difficult to distinguish from the inherent noise of the amplitude detector and high-frequency interference. The inconstancy of the power of the millimeter range generator, especially when its frequency is adjusted, causes informative changes in the power of both incident and reflected oscillations.

Нестабільності параметрів модулятора, циркулятора, детектора та інших елементів схеми безпосередньо впливають на результат виміру.The instabilities of the parameters of the modulator, circulator, detector and other circuit elements directly affect the measurement result.

В основу винаходу покладена задача створення такого пристрою для визначення поглинальної здатності біологічних тканин, введення до якого нових елементів і зв'язків дозволило б визначати поглинальну здатність по відносному значенню поглинутої потужності незалежно від рівня опромінюючої потужності міліметрового діапазону і нестабільності параметрів вимірювального тракту, що забезпечить підвищення точності оцінки поглинальної здатності біологічних тканин в міліметровому діапазоні довжин хвиль при нетепловій інтенсивності 7/0 Зондуючого сигналу.The invention is based on the task of creating such a device for determining the absorptive capacity of biological tissues, the introduction of new elements and connections to which would allow determining the absorptive capacity based on the relative value of the absorbed power regardless of the level of irradiating power in the millimeter range and the instability of the parameters of the measuring path, which will ensure an increase accuracy of estimating the absorption capacity of biological tissues in the millimeter range of wavelengths at a non-thermal intensity of 7/0 Probing signal.

Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин, що містить генератор міліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу якого підключені послідовно з'єднані перший амплітудний модулятор, атенюатор і циркулятор, до другого виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний детектор і перший вибірковий підсилювач частоти модуляції, радіочастотний генератор, /5 З'єднаний з керуючим входом першого амплітудного модулятора, антену і вимірювальний прилад, згідно винаходу, введені другий амплітудний модулятор, перший і другий синхронні детектори, другий вибірковий підсилювач, джерело опорної напруги, диференціальний підсилювач, інтегратор, перший і другий фільтри нижніх частот, діодно-конденсаторна комірка і по дільник частоти, вхід якого з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, вихід подільника частоти з'єднаний з керуючим входом другого амплітудного модулятора, 2о під'єднаного до першого виходу циркулятора і входу-виходу антени, перший синхронний детектор сигнальним входом з'єднаний з виходом першого вибіркового підсилювача, керуючим входом з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, виходом з'єднаний з входом першого фільтру нижніх частот і входом діодно-конденсаторної комірки, вихід якої з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з джерелом опорної напруги, вихід диференціального підсилювача через інтегратор сч з'єднаний з керуючим входом першого вибіркового підсилювача, вихід першого фільтру нижніх частот з'єднаний з послідовно включеними другим вибірковим підсилювачем, другим синхронним детектором і другим фільтром і) нижніх частот, до виходу якого підключений вимірювальний прилад, а керуючий вхід другого синхронного детектора з'єднаний з виходом подільника частоти.The problem is solved by the fact that in the device for determining the absorption capacity of biological tissues, which contains a millimeter wavelength range generator, to the output of which the first amplitude modulator, attenuator and circulator are connected in series, to the second output of which the amplitude detector is connected in series and the first selective amplifier of the modulation frequency, the radio frequency generator, /5 Connected to the control input of the first amplitude modulator, the antenna and the measuring device, according to the invention, the second amplitude modulator, the first and second synchronous detectors, the second selective amplifier, the reference voltage source, the differential amplifier, integrator, first and second low-pass filters, diode-capacitor cell and frequency divider, the input of which is connected to the output of the radio frequency generator, the output of the frequency divider is connected to the control input of the second amplitude modulator, 2o connected to the first output circulator and input-output ant that is, the signal input of the first synchronous detector is connected to the output of the first selective amplifier, the control input is connected to the output of the radio frequency generator, the output is connected to the input of the first low-pass filter and the input of the diode-capacitor cell, the output of which is connected to the first the input of the differential amplifier, the second input of which is connected to the source of the reference voltage, the output of the differential amplifier through the integrator is connected to the control input of the first selective amplifier, the output of the first low-pass filter is connected to the second selective amplifier, the second synchronous detector and the second filter i) of low frequencies, to the output of which the measuring device is connected, and the control input of the second synchronous detector is connected to the output of the frequency divider.

Саме введення в схему пристрою другого амплітудного модулятора, який управляється сигналом ї- зо радіочастотного генератора через подільник частоти, другого вибіркового підсилювача і двох синхронних детекторів, перший з яких управляється сигналом радіочастотного генератора безпосередньо, а другий - управляється цим же сигналом, але через подільник частоти, автоматичне регулювання коефіцієнта підсилення «о першого вибіркового підсилювача вихідною напругою інтегратора, що заряджається диференціальним підсилювачем, на один вхід якого впливає напруга першого синхронного детектора через введену о діодно-конденсаторну комірка а на інший вхід впливає напруга джерела опорної напруги, виділення ю низькочастотного різницевого сигналу введеним першим фільтром нижніх частот і другим вибірковим підсилювачем, усереднення результатів перетворення другого синхронного детектування введеним другим фільтром нижніх частот і використання усередненого сигналу як вимірювального забезпечує виключення впливу непостійності потужності зондуючого сигналу, шумів і завад на виході вимірювального тракту, а також вплив « нестабільності параметрів самого вимірювального тракту на результат виміру відносної різниці інтенсивностей пт») с зондуючого і відбитого сигналів, що забезпечує підвищення точності оцінки поглинальної здатності біологічних тканин в міліметровому діапазоні довжин хвиль при нетепловій інтенсивності зондуючого сигналу. ;» На кресленні (див. Фіг.) наведена функціональна схема пристрою для визначення поглинальної здатності біологічних тканин.It is the introduction into the circuit of the device of the second amplitude modulator, which is controlled by the signal from the radio frequency generator through a frequency divider, the second selective amplifier and two synchronous detectors, the first of which is controlled by the signal of the radio frequency generator directly, and the second is controlled by the same signal, but through a frequency divider , automatic adjustment of the amplification factor of the first selective amplifier by the output voltage of the integrator, which is charged by a differential amplifier, one input of which is affected by the voltage of the first synchronous detector through the inserted diode-capacitor cell, and the other input is affected by the voltage of the reference voltage source, the selection of a low-frequency differential signal introduced by the first low-pass filter and the second sampling amplifier, averaging the results of the transformation of the second synchronous detection by the introduced second low-pass filter and using the averaged signal as a measuring signal ensures the exclusion of the influence of econstancy of the power of the probing signal, noise and disturbances at the output of the measuring path, as well as the influence of "instability of the parameters of the measuring path itself on the result of the measurement of the relative difference in intensities pt") of the probing and reflected signals, which ensures an increase in the accuracy of the assessment of the absorptive capacity of biological tissues in the millimeter range of lengths waves at non-thermal intensity of the probing signal. ;" The drawing (see Fig.) shows the functional scheme of the device for determining the absorption capacity of biological tissues.

Пристрій містить генератор 1 міліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу якого підключені послідовно с з'єднані перший амплітудний модулятор 2, атенюатор 3, циркулятор 4, другий амплітудний модулятор 5 і антена 6. До другого виходу циркулятора підключені послідовно з'єднані амплітудний детектор 7, перший вибірковий о підсилювач 8, перший синхронний детектор 9, перший фільтр 10 нижніх частот, другий вибірковий підсилювачThe device contains a generator 1 of the millimeter wavelength range, to the output of which the first amplitude modulator 2, attenuator 3, circulator 4, second amplitude modulator 5 and antenna 6 are connected in series. The amplitude detector 7 is connected in series to the second output of the circulator. first selective amplifier 8, first synchronous detector 9, first low-pass filter 10, second selective amplifier

Ге» 11, другий синхронний детектор 12, другий фільтр 13 нижніх частот і вимірювальний прилад 14.Ge" 11, the second synchronous detector 12, the second low-pass filter 13 and the measuring device 14.

Радіочастотний генератор 15 з'єднаний з керуючими входами першого амплітудного модулятора 2, першого - синхронного детектора 9 і входом подільника частоти 16, вихід якого з'єднаний з керуючими входами другого "М амплітудного модулятора 5 і другого синхронного детектора 12. До виходу першого синхронного детектора 9 через діодно-конденсаторну комірку 17 підключений першим входом диференціальний підсилювач 18, другий вхід якого з'єднаний з джерелом 19 опорної напруги. Вихід диференціального підсилювача 18 з'єднаний через дв інтегратор 20 з керуючим входом першого вибіркового підсилювача 8. Позицією 21 позначена біологічна тканина, що досліджується.The radio frequency generator 15 is connected to the control inputs of the first amplitude modulator 2, the first synchronous detector 9 and the input of the frequency divider 16, the output of which is connected to the control inputs of the second "M amplitude modulator 5 and the second synchronous detector 12. To the output of the first synchronous detector 9, the first input of the differential amplifier 18 is connected through the diode-capacitor cell 17, the second input of which is connected to the reference voltage source 19. The output of the differential amplifier 18 is connected through the second integrator 20 to the control input of the first selective amplifier 8. Position 21 is marked biological tissue , which is being investigated.

Ф) Пристрій працює таким чином. ка Надвисокочастотні коливання генератора 1 міліметрового діапазону надходять до амплітудного модулятора 2, виконаного на ріп-діодах. Високочастотна напруга радіочастотного генератора 15 (100кГцЦ) надходить до бо Керуючого входу модулятора 2. В результаті періодичних змін коефіцієнта передачі модулятора 2 коливання міліметрового діапазону будуть промодульовані по амплітуді з заданою глибиною модуляції т, (10... 15905).F) The device works as follows. ka Ultra-high-frequency oscillations of the millimeter-range generator 1 are sent to the amplitude modulator 2, made of rip diodes. The high-frequency voltage of the radio frequency generator 15 (100kHz) enters the control input of the modulator 2. As a result of periodic changes in the transmission coefficient of the modulator 2, millimeter range oscillations will be modulated by amplitude with a given modulation depth t, (10...15905).

Атенюатором З встановлюється інтенсивність зондуючих коливань на рівні 10712 - 10714Вт. Нормовані по інтенсивності коливання через циркулятор 4 надходять на амплітудний модулятор 5, виконаний також на ріп-діодах. На керуючий вхід модулятора 5 впливає низькочастотна напруга прямокутної форми з виходу 65 подільника частоти 16. Модулятор 5 працює по принципу повного відбивання надвисокочастотних коливань, коли на його керуючий вхід надходить замикаюча напруга. При цьому коефіцієнт передачі модулятора 5 близький до нуля. Коли замикаюча напруга знімається, модулятор 5 пропускає коливання з невеликим ослабленням. Таким чином, другий модулятор 5 забезпечує глибину модуляції т о» до 10095, тобто працює в режимі переривання з одночасним відбиванням перерваних коливань.Attenuator Z sets the intensity of probing oscillations at the level of 10712 - 10714W. Oscillations normalized by intensity through the circulator 4 are sent to the amplitude modulator 5, which is also made on rip diodes. The control input of the modulator 5 is affected by the low-frequency voltage of a rectangular shape from the output 65 of the frequency divider 16. The modulator 5 works on the principle of complete reflection of ultra-high-frequency oscillations when the closing voltage is applied to its control input. At the same time, the transmission coefficient of the modulator 5 is close to zero. When the closing voltage is removed, the modulator 5 passes the oscillations with a small attenuation. Thus, the second modulator 5 provides a modulation depth t o» up to 10095, that is, it works in the interruption mode with simultaneous reflection of interrupted oscillations.

При відкритому модуляторі 5 пакети пропущених надвисокочастотних коливань надходять до антени 6 і випромінюються у вигляді зондуючого сигналу на біологічну тканину 21, що досліджується. Якщо частота коливань не співпадає з активною частотою біологічної тканини, то відбувається деяке поглинання зондуючого сигналу, а непоглинута частина відбивається. Відбитий сигнал приймається антеною 6 і через відкритий модулятор 5 і циркулятор 4 спрямовується на амплітудний детектор 7. Водночас антеною 6 приймається власне /о надвисокочастотне випромінювання міліметрового діапазону, що також надходить на амплітудний детектор 7.When the modulator 5 is open, packets of transmitted high-frequency oscillations reach the antenna 6 and are emitted as a probing signal to the biological tissue 21 under investigation. If the oscillation frequency does not coincide with the active frequency of the biological tissue, then some absorption of the probing signal occurs, and the unabsorbed part is reflected. The reflected signal is received by the antenna 6 and through the open modulator 5 and the circulator 4 is directed to the amplitude detector 7. At the same time, the antenna 6 receives its own high-frequency radiation of the millimeter range, which also enters the amplitude detector 7.

При закритому модуляторі 5 надвисокочастотні коливання з виходу атенюатора З відбиваються від входу модулятора 5 і через ідео імпул 4 також спрямовуються на амплітудний детектор 7.When the modulator 5 is closed, ultra-high-frequency oscillations from the output of the attenuator Z are reflected from the input of the modulator 5 and through the ideo pulse 4 are also directed to the amplitude detector 7.

Як коливання, що падають, так і відбиті надвисокочастотні коливання, є слабкими сигналами, а їхня інтенсивність порівняна, або навіть менш інтенсивності апаратурних завад і шумів. У результаті детектування /5 пакетів модульованих надвисокочастотних коливань утворюється суміш високочастотних коливань частоти модуляції і широкосмугового шуму. Вибірковим підсилювачем 8, налаштованим на частоту радіочастотного генератора 15, виділяються і посилюються пакети високочастотних модулюючих коливань. Посилена радіочастотна напруга детектується синхронним детектором 9, що управляється безпосередньо напругою модулюючого генератора 15.Both incident oscillations and reflected ultra-high-frequency oscillations are weak signals, and their intensity is comparable to, or even less than, that of hardware interference and noise. As a result of detecting /5 packets of modulated ultra-high-frequency oscillations, a mixture of high-frequency oscillations of the modulation frequency and broadband noise is formed. The selective amplifier 8, tuned to the frequency of the radio frequency generator 15, isolates and amplifies packets of high-frequency modulating oscillations. The amplified radio frequency voltage is detected by the synchronous detector 9, which is controlled directly by the voltage of the modulating generator 15.

У результаті синхронного детектування пакетів високочастотних напруг утворюються ідео імпульси з амплітудами:As a result of synchronous detection of high-frequency voltage packets, ideo pulses with amplitudes are formed:

Ш- кети ВікаР, с о ц; З Ккотк вію», Є де: К; - коефіцієнт передачі атенюатора 3; МShkety VikaR, s o ts; With Kkotk viyu", There are: K; - transmission coefficient of the attenuator 3; M

Ко - коефіцієнт передачі циркулятора 4;Ko - circulator transfer coefficient 4;

З - крутість перетворення амплітудного детектора 7; -C - steepness of conversion of amplitude detector 7; -

Кз - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8; соKz - gain coefficient of selective amplifier 8; co

Ру - потужність зондуючих (що падають) коливань;Ru - power of sounding (falling) oscillations;

Р» - потужність відбитих коливань. соP" is the power of reflected vibrations. co

Фільтром 10 нижніх частот з послідовності відеоїмпульсів з амплітудами М; і ОО» виділяється низькочастотна ю складова напруги частоти переривання з амплітудою - - З б нта дп « 70 Змінна напруга з амплітудою Оз посилюється другим вибірковим підсилювачем 11, налаштованим на вихідну не с частоту подільника 16. Посилена напруга випрямляється синхронним детектором 12, який управляється з безпосередньо вихідною напругою подільника частоти 16. Фільтром 13 нижніх частот, що має більшу постійну часу, виділяється постійна складова напруги, а низькочастотні шуми придушуються. На вимірювальний прилад 14 надходить постійна напруга їй б-ка тла ККфтівікюк ТЕ, 5 (22) де; Ку - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 11. -1 50 Відеоімпульси (1) і (2) з виходу синхронного детектора 9 надходять також на діодно-конденсаторну комірку 17. Завдяки швидкому заряду і повільному розряду конденсатора клітинки відбувається запам'ятовування "і амплітуди більшого з послідовності відеоїмпульсів. Потужність вагань, що падають завжди більше потужності відбитих коливань (Р. » Р»), тому вихідна напруга клітинки встановлюється на рівні напруги 04. Тому на виході діодно-конденсаторної комірки 17 формується постійна напругаA filter of 10 low frequencies from a sequence of video pulses with amplitudes M; and ОО» a low-frequency component of the voltage of the interruption frequency with an amplitude of - - З b nta dp " 70 is allocated. The alternating voltage with an amplitude of Оз is amplified by the second selective amplifier 11, tuned to the output frequency of the divider 16. The amplified voltage is rectified by a synchronous detector 12, which is controlled by directly by the output voltage of the frequency divider 16. The low-pass filter 13, which has a longer time constant, isolates the constant component of the voltage, and low-frequency noises are suppressed. The measuring device 14 is supplied with a constant voltage such that KKftivikiuk TE, 5 (22) where; Ku is the amplification factor of the selective amplifier 11. -1 50 Video pulses (1) and (2) from the output of the synchronous detector 9 are also sent to the diode-capacitor cell 17. Due to the rapid charge and slow discharge of the capacitor of the cell, "and the amplitude of the larger of sequence of video pulses. The power of falling oscillations is always greater than the power of reflected oscillations (P. » P"), therefore the output voltage of the cell is set at the voltage level 04. Therefore, a constant voltage is formed at the output of the diode-capacitor cell 17

Ф) 5 - щу - ККУ Віко в. Ш іме)F) 5 - schu - KKU Viko v. Sh name)

Постійна напруга 05 впливає на один вхід диференціального підсилювача 18, на інший вхід якого впливає 60 постійна напруга Об - сопві від джерела опорної напруги 19. На виході диференціального підсилювача формується посилена різницева напруга она іфтйв 2 2 б5 де: Ко - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 18.The constant voltage 05 affects one input of the differential amplifier 18, the other input of which is affected by the constant voltage 60 Ob - sopvi from the reference voltage source 19. At the output of the differential amplifier, an amplified differential voltage is formed ona iftv 2 2 b5 where: Ko is the amplification factor of the differential amplifier 18 .

Напруга І; заряджає інтегратор 20, вихідна напруга якого управляє коефіцієнтом підсилення вибіркового підсилювача 8. Процес автоматичного регулювання підсилення відбувається до тих пір, доки вхідна напруга інтегратора 20 не стане рівною нулю (О7 - 0).Voltage I; charges the integrator 20, the output voltage of which controls the gain of the selective amplifier 8. The process of automatic gain adjustment occurs until the input voltage of the integrator 20 becomes zero (O7 - 0).

Прирівнюючи рівняння (6) нулю і вирішуючи його відносно К з, отримаємо значення коефіцієнта підсилення вибіркового підсилювача 8, що встановилося: ка - 2 | (7Equating equation (6) to zero and solving it with respect to K z, we obtain the value of the gain coefficient of the selective amplifier 8, which is established: ka - 2 | (7

Ка Кот ВРKa Kot VR

Підставив значення коефіцієнта підсилення (7) в вираз (4), отримаємоSubstituting the value of the amplification factor (7) into the expression (4), we get

Ша - каш Р- Ра (8)Sha - kash R- Ra (8)

Р.R.

З отриманого виразу (8) видно, що напруга Шу, що вимірюється приладом 14, пропорційна відносному значенню поглинутої потужності (Р,-Р. ), що виключає вплив непостійності потужності електромагнітногоIt can be seen from the obtained expression (8) that the Shu voltage measured by the device 14 is proportional to the relative value of the absorbed power (P,-P. ), which excludes the influence of the power instability of the electromagnetic

Р, випромінювання на оцінку поглинальної здатності біологічних тканин. Завдяки подвійному синхронному детектуванню коливань, що порівнюються в одноканальному тракті, на результат виміру не впливає також рівень власного електромагнітного випромінювання тканини, що досліджується, а також апаратурні шуми і завади перетворювального тракту. Крім того, на результат виміру не впливає нестабільність параметрів надвисокочастотного атенюатора З (Кі) циркулятора 4 (К 5»), амплітудного детектора 7 (54) а також непостійність глибини модуляції, що задається надвисокочастотним амплітудним модулятором 2 (ті). с 29 Чутливість пристрою до рівня поглинаємої потужності легко регулюється зміною коефіцієнта підсилення Кк; (У низькочастотного вибіркового підсилювача 11. Зміною частоти генератора 1 міліметрового діапазону довжин хвиль поглинальна здатність біологічних тканин оцінюється в залежності від значень біологічних активних частот. Так, при збігу частоти генератора 1 з біологічно активною частотою поглинання різко зростає і коефіцієнт поглинальної здатності наближається до одиниці - м к- сб зл «ФP, radiation to assess the absorption capacity of biological tissues. Thanks to the double synchronous detection of oscillations compared in a single-channel path, the measurement result is not affected by the level of the own electromagnetic radiation of the tissue under investigation, as well as by hardware noises and disturbances of the converting path. In addition, the measurement result is not affected by the instability of the parameters of the ultra-high-frequency attenuator C (Ki) of the circulator 4 (K 5"), the amplitude detector 7 (54), as well as the instability of the modulation depth set by the ultra-high-frequency amplitude modulator 2 (ti). p 29 The sensitivity of the device to the level of absorbed power is easily adjusted by changing the amplification factor Kk; (In the low-frequency selective amplifier 11. By changing the frequency of generator 1 of the millimeter wavelength range, the absorption capacity of biological tissues is estimated depending on the values of biologically active frequencies. Thus, when the frequency of generator 1 coincides with the biologically active frequency, the absorption increases sharply and the absorption capacity coefficient approaches unity - m k- sb zl "F

Р, со з Таким чином, по максимальним значенням К можна визначати біологічні активні частоти тканин, а по ою зміні значення К, при розладнанні частоти - визначати смугу поглинання на цих частотах. При перебудові частоти генератора 1 в широкому діапазоні частот можна зареєструвати спектр поглинання тканини, що досліджується, при заданому рівні електромагнітного випромінювання.Р, со з Thus, the biologically active frequencies of tissues can be determined by the maximum value of K, and the absorption band at these frequencies can be determined by the change in the value of K, when the frequency is disturbed. By adjusting the frequency of the generator 1 in a wide frequency range, it is possible to register the absorption spectrum of the tissue under investigation at a given level of electromagnetic radiation.

Дослідження показали, що запропонований пристрій дозволяє досліджувати, зокрема, поглинальну здатність « шкіри людини в діапазоні частот 50...80 ГГЦ при рівні опромінювання Р 4 « 109Вт/см?. При частоті модуляції 2 с 100кГц і частоті переключення їкГц можна визначати поглинальну здатність по значенню коефіцієнта поглинання в межах від 0.001 до 0.998 з відносної похибкою не більш 0.595. На фіксованій частоті, наприклад, ;» 60 ГГЦ, можна визначити залежність коефіцієнта поглинання від рівня опромінюючого сигналу (106.,.10-1Вт/см2). При рівнях опромінювання Р 5 » 10Вт/см? коефіцієнт поглинання різко зменшується і не перевищує значення 0.1...0.15.Studies have shown that the proposed device allows to study, in particular, the absorptive capacity of "human skin in the frequency range of 50...80 GHz at the level of radiation P 4 "109W/cm?. With a modulation frequency of 2 s 100 kHz and a switching frequency of 1 kHz, it is possible to determine the absorption capacity by the value of the absorption coefficient in the range from 0.001 to 0.998 with a relative error of no more than 0.595. At a fixed frequency, for example, ;" 60 GHz, it is possible to determine the dependence of the absorption coefficient on the level of the irradiating signal (106.10-1W/cm2). At irradiation levels P 5 » 10W/cm? the absorption coefficient decreases sharply and does not exceed the value of 0.1...0.15.

Claims

(95) The formula of the invention (22) A device for determining the absorption capacity of biological tissues, containing a millimeter-wave generator. range of wavelengths, the output of which is connected in series with the first amplitude modulator, "I attenuator and circulator, the second output of which is connected in series with the amplitude detector and the first selective amplifier of the modulation frequency, the radio frequency generator, connected to the control input of the first of an amplitude modulator, an antenna and a measuring device, which is distinguished by the fact that it includes a second amplitude modulator, first and second synchronous detectors, a second selective amplifier, a reference voltage source, a differential amplifier, an integrator, the first and second low-pass filters, a diode-capacitor Ф ) cell and frequency divider, the input of which is connected to the output of the radio frequency generator, the output of the frequency divider is connected to the control input of the second amplitude modulator connected to the first output of the circulator and the input-output of the antenna, the first synchronous detector with a signal input with connected to the output of the first selective amplifier controlling the input connected to the output of the radio frequency generator, the output connected to the input of the first low-pass filter and the input of the diode-capacitor cell, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier, the second input of which is connected to the reference voltage source, the output of the differential amplifier through the integrator is connected to the control input of the first selective amplifier, the output of the first low-pass filter is connected to the second selective 65 amplifier, the second synchronous detector and the second low-pass filter, to the output of which the measuring device is connected, and the control input of the second synchronous detector is connected in series connected to the output of the frequency divider.