UA53677C2 - Пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин - Google Patents

Abstract

Пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин 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 та радіочастотний генератор. Останній з'єднаний з керуючим входом першого амплітудного модулятора, антеною і вимірювальним приладом. Пристрій також містить другий амплітудний модулятор, перший і другий синхронні детектори, другий вибірковий підсилювач, джерело опорної напруги, диференціальний підсилювач, інтегратор, перший і другий фільтри нижніх частот, діодно-конденсаторну комірку і подільник частоти. Пристрій дозволяє визначати поглинальну здатність по відносному значенню поглинутої потужності незалежно від рівня опромінювальної потужності міліметрового діапазону і нестабільності параметрів вимірювального тракту.

Description

Опис винаходу

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.

При опромінюванні біологічних тканин електромагнітними хвилями (ЕМХ) міліметрового діапазону (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).

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.

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-

Зо Живого організму і накладається на відбиті ЕМХ, задача виміру поглинальної здатності тканин ще більш ускладнюється. ї-

Відомий пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин (див. Измерения в злектронике: «о

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.

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.,

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.

Відомий також пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин (див. Искин В.Д.

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.

Нестабільності параметрів модулятора, циркулятора, детектора та інших елементів схеми безпосередньо впливають на результат виміру.

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.

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.

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.

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 підсилювач

Ге» 11, другий синхронний детектор 12, другий фільтр 13 нижніх частот і вимірювальний прилад 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.

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).

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.

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.

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.

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.

У результаті синхронного детектування пакетів високочастотних напруг утворюються ідео імпульси з амплітудами:

Ш- кети ВікаР, с о ц; З Ккотк вію», Є де: К; - коефіцієнт передачі атенюатора 3; М

Ко - коефіцієнт передачі циркулятора 4;

З - крутість перетворення амплітудного детектора 7; -

Кз - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8; со

Ру - потужність зондуючих (що падають) коливань;

Р» - потужність відбитих коливань. со

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 напруга

Ф) 5 - щу - ККУ Віко в. Ш іме)

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.

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).

Прирівнюючи рівняння (6) нулю і вирішуючи його відносно К з, отримаємо значення коефіцієнта підсилення вибіркового підсилювача 8, що встановилося: ка - 2 | (7

Ка Кот ВР

Підставив значення коефіцієнта підсилення (7) в вираз (4), отримаємо

Ша - каш Р- Ра (8)

Р.

З отриманого виразу (8) видно, що напруга Шу, що вимірюється приладом 14, пропорційна відносному значенню поглинутої потужності (Р,-Р. ), що виключає вплив непостійності потужності електромагнітного

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 «Ф

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.

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.

Claims (1)

1. (95) Формула винаходу (22) Пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин, що містить генератор міліметрового це. діапазону довжин хвиль, до виходу якого підключені послідовно з'єднані перший амплітудний модулятор, "І атенюатор і циркулятор, до другого виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний детектор і перший вибірковий підсилювач частоти модуляції, радіочастотний генератор, з'єднаний з керуючим входом першого амплітудного модулятора, антену і вимірювальний прилад, який відрізняється тим, що в нього 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 Ф) комірка і подільник частоти, вхід якого з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, вихід подільника ко частоти з'єднаний з керуючим входом другого амплітудного модулятора, під'єднаного до першого виходу циркулятора і входу-виходу антени, перший синхронний детектор сигнальним входом з'єднаний з виходом бо першого вибіркового підсилювача, керуючим входом з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, виходом з'єднаний з входом першого фільтра 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 з'єднаний з керуючим входом першого вибіркового підсилювача, вихід першого фільтра нижніх частот з'єднаний з послідовно включеними другим вибірковим 65 підсилювачем, другим синхронним детектором і другим фільтром нижніх частот, до виходу якого підключений вимірювальний прилад, а керуючий вхід другого синхронного детектора з'єднаний з виходом подільника частоти.