WO2017111651A1 - Радиотермометр - Google Patents

Радиотермометр Download PDF

Info

Publication number
WO2017111651A1
WO2017111651A1 PCT/RU2015/000953 RU2015000953W WO2017111651A1 WO 2017111651 A1 WO2017111651 A1 WO 2017111651A1 RU 2015000953 W RU2015000953 W RU 2015000953W WO 2017111651 A1 WO2017111651 A1 WO 2017111651A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
switch
circulator
noise
antenna
Prior art date
Application number
PCT/RU2015/000953
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Георгиевич ВЕСНИН
Original Assignee
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика") filed Critical ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "РТМ ДИАГНОСТИКА" (ООО "РТМ Диагностика")
Priority to CN201580083148.9A priority Critical patent/CN108024728B/zh
Priority to EP15897381.8A priority patent/EP3202313B1/en
Publication of WO2017111651A1 publication Critical patent/WO2017111651A1/ru
Priority to US15/801,419 priority patent/US20180058945A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • A61B5/015—By temperature mapping of body part
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0507—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  using microwaves or terahertz waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/20—Clinical contact thermometers for use with humans or animals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/30—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermal noise of resistances or conductors

Definitions

  • the invention relates to the field of medicine and medical equipment, namely, to a method of radiothermometry based on non-invasive detection of temperature anomalies of the internal tissues of biological objects by measuring the intensity of their own electromagnetic radiation, in particular, the invention relates to a radiothermometer designed for non-invasive measurement of the temperature of internal tissues of a biological object .
  • the invention can be used in medical equipment for non-invasive measurement of the temperature of internal tissues, temperature monitoring, detection of temperature changes and thermal anomalies of internal tissues of a biological object in diagnostic complexes for early diagnosis of cancer.
  • the radiothermometer includes an antenna (1), which contacts the biological object and receives a noise signal coming from it. From the antenna output, a noise signal whose power is proportional to the radio brightness temperature of the biological object is fed to the modulator (2).
  • the noise temperature at the antenna output coincides with the noise temperature of the biological object (i.e., the radio brightness temperature of the biological object), if there is a loss in the antenna, then the noise of the antenna itself is added to the noise temperature at the output of the antenna.
  • the modulator in RF patent Ns 20821 18 is controlled by a reference voltage generator (3) and acts as a switch, that is, when the modulator is on, the noise signal from the antenna output goes to the circulator (4) and then to the input of the receiving device (5), and when the modulator is off, the input of the receiving device receives a noise signal whose power is proportional to the noise temperature Tg of the heated resistor (6).
  • the receiving device (5) consisting of a low-noise amplifier containing bandpass filters (7), an amplitude detector (8), a low-frequency amplifier and a selective amplifier (9), a synchronous detector (10), an integrator (11) and a DC amplifier (12), generates a voltage proportional to the difference in the noise temperature Ta from the output of the antenna and the noise temperature of the heated resistor.
  • This voltage is supplied to the heated resistor (6), which leads to a change in the thermodynamic temperature and, consequently, a change in the noise temperature of the heated resistor, because in the absence of reflections, the noise temperature of the heated resistor Tg coincides with its thermodynamic temperature. Due to the negative feedback, the voltage at the output of the synchronous detector ⁇ tends to zero, and the noise temperature T g of the heated resistor tends to the noise temperature Ta from the antenna output.
  • the task of measuring the microwave power coming from the antenna output is replaced by the task of measuring the temperature of the heated resistor and maintaining the voltage at the output of the synchronous detector close to zero.
  • the temperature of the heated resistor is measured using a temperature sensor (13) mounted on the heated resistor.
  • the voltage coming from the output of the temperature sensor is averaged in the integrator (14) over time T, amplified and then fed to the indicator or for transmission to the computer.
  • the error in measuring radio brightness temperature in radio thermometers is determined by several factors. First of all, due to dissipative losses in the input path of the radiometer, the input of the receiving device receives not only the noise power from the antenna output, but also the thermal noise of the input part of the radiometer (circulator and switch), while
  • ⁇ is the error in measuring the radio brightness temperature due to dissipative losses in the input path of the radiothermometer
  • Ta is the noise temperature from the antenna output
  • the dissipative losses of the circulator and modulator should be balanced. In practice, this is quite difficult to ensure, since the dissipative losses of microwave elements have a certain scatter, and adjustment dissipative loss is quite complicated.
  • reflection compensation is achieved due to the fact that the noise from the heated resistor (6) passes through the circulator (4) and enters the antenna. In the presence of reflections from the antenna, part of the noise power of the heated resistor is reflected from the antenna and returned to the receiver, thereby compensating for the power reflected from the antenna. Obviously, if the noise temperature of the biological object is equal to the noise temperature entering the antenna from the heated resistor, then the full compensation of the reflected power will occur. But since the noise temperature of a biological object varies in a certain range, it is rather difficult to fulfill this condition, and the measurement error due to signal reflection is usually very significant.
  • the circulator (4) is intended not only to compensate for reflections from the antenna, but also for isolation between the receiving device and the antenna.
  • the noise coming from the input of the receiving device is absorbed in the balanced resistor of the circulator and is not enter the antenna.
  • the decoupling of real circulators is not high enough to completely suppress the noise signal coming from the input of the receiving device. As a result, the noise of the receiving device passing through the circulator is reflected from the open switch and again goes to the input of the receiving device.
  • the closest analogue (prototype) of the claimed invention is a radiothermometer described in the article by A. Weisblat. “Medical Radiometer RTM-01-RES”, Biomedical Technologies and Radioelectronics, N ° 8, 2001, p. 1 1 -23.
  • the circuit of which is shown in FIG.
  • a modulator (2) which acts as a switch (2), a circulator (4) and a receiving device (5) containing a low-noise amplifier with bandpass filters (7), an amplitude detector (8), a low-frequency amplifier and a selective amplifier (9), a synchronous detector (10), an integrator (1 1) and a DC amplifier (12), and in addition to Facebook reference voltage generator (3).
  • a valve 15
  • non-reciprocal elements have significant dimensions and high cost in comparison with other elements of the radiometer, therefore, to reduce the dimensions of the radiometer and its cost, it is necessary to reduce the number of non-reciprocal elements.
  • a Peltier element (16) is used to change the temperature of the heated resistor.
  • the circuit shown in FIG. 2 also does not provide sufficient measurement accuracy, since due to dissipative losses in the circulator and in the modulator, the power of the noise entering the antenna from the side of the heated resistor is not equal to the power of the noise coming from the biological object, and the total compensation of reflections at the interface does not occur, and, therefore, the measurement accuracy is still insufficient.
  • the objective of the invention is the creation of a zero modulation radiometer for non-invasive detection of temperature anomalies of internal tissues, having a small error in measuring radio brightness temperature and a minimum number of non-reciprocal elements.
  • the solution of this problem provides a decrease in the error in measuring the internal temperature of a biological object and an increase in the accuracy of the radiothermometry method for detecting malignant tumors, as well as a decrease in the dimensions of the device, an increase in the convenience of its use and a reduction in the cost of its manufacture.
  • the object of the claimed invention is a radiometer for non-invasive detection of temperature anomalies of internal tissues.
  • the claimed radiometer contains serially connected:
  • a receiving device comprising an amplifier with bandpass filters, an amplitude detector, a narrowband low-frequency amplifier and a synchronous detector, an integrator, a DC amplifier,
  • a reference voltage generator coupled to a switch and a synchronous detector
  • Peltier element associated with the output of the receiving device
  • the first and second microwave loads installed on the Peltier element and in thermal contact with it
  • At least one temperature sensor configured to measure the temperature of the microwave load
  • the first microwave load is configured to connect to a switch
  • the switch is configured to connect either an applicator antenna or a first microwave load to the first arm of the circulator
  • the triple shoulder of the circulator is connected to the receiving device, and
  • the third arm of the circulator is connected to the second microwave load.
  • the radiometer may further comprise an attenuator installed between the output of the first microwave load and the switch.
  • a temperature sensor configured to measure the temperature of the microwave load can be installed on the Peltier element and / or on the microwave load.
  • At least one temperature sensor can be used an infrared temperature sensor configured to remotely measure temperature, and / or a temperature sensor mounted on microwave loads and / or Peltier element and having good thermal contact with them.
  • the radiothermometer may also include an additional integrator associated with the output of at least one temperature sensor.
  • All elements of the radiometer including the circulator, the Peltier element and the switch, are installed on the heat-conducting base and have thermal contact with it, and thus the temperature of all elements of the input part of the radiometer (switch, circulator, attenuator) is close to the temperature of the base on which they are installed.
  • the first side of the Peltier element is installed on the base and has good thermal contact with it, and two microwave loads are installed on the side Peltier element opposite the base, and have good thermal contact with it.
  • Figure 1 presents the structural diagram of the known from the prior art zero modulation radiothermometer according to the patent analogue of the Russian Federation N ° 20821 18.
  • Figure 2 presents the structural diagram of the prior art zero modulation radiometer according to the closest analogue (prototype) of the claimed invention, which has two non-reciprocal elements and in which the resistor is placed on the Peltier element.
  • FIG. 3 is a structural diagram of an embodiment of a zero modulation radiothermometer according to the claimed invention having a switch and two microwave loads mounted on a Peltier element and connected to a circulator and a switch, respectively.
  • Figure 4 presents a structural diagram of another embodiment of a zero modulation radiothermometer with a switch with two microwave loads installed on the Peltier element, while an attenuator is installed between the first microwave load and the switch.
  • Figure 1 presents a diagram of a prior art radiothermometer according to the patent analogue of the Russian Federation N ° 20821 18, while the diagram is presented in an adapted form similar to the claimed invention, and this known from the prior art zero modulation radiometer consists of an antenna (1), contacting with a biological object and receiving a noise signal coming from a biological object. From the output of the microwave antenna, a noise signal is fed to the input of an electronic modulator (2).
  • a switch (2 ') is used, which closes and opens the connection of the circulator with the antenna.
  • the modulator is controlled by a 1 kHz reference voltage generator.
  • the switch (2 ') of the modulator When the switch (2 ') of the modulator is on, the noise signal from the antenna output is fed to the circulator (4) and then to the input of the receiving device (5).
  • the modulator switch (2 ') When the modulator switch (2 ') is off, the noise signal from the heated resistor located in the third arm of the circulator (4) is reflected from the open modulator switch and is fed to the input of the circulator and then to the input of the receiver (5).
  • the receiver contains a low noise amplifier with a strip passing filters (7), an amplitude detector (8), a narrow-band low-frequency amplifier (9), a synchronous detector (10), an integrator (1 1), a DC amplifier (12).
  • a voltage is formed proportional to the difference in the noise temperature Tg of the heated resistor and the temperature Ta coming from the antenna output
  • k is the gain of the receiving path of the radiometer
  • Ta is the noise temperature from the antenna output
  • Tg is the noise temperature of the resistor.
  • This signal is amplified and fed to the heated resistor (6), which leads to a change in its thermodynamic temperature and, consequently, the noise temperature Tg of the resistor.
  • the heated resistor was cooled by natural air cooling.
  • the voltage at the output of the synchronous detector tends to zero, and the noise temperature of the heated resistor T g tends to the noise temperature Ta coming from the output of the antenna.
  • the noise temperature coming from the output of the antenna is equal to the noise temperature of the heated resistor.
  • the noise temperature Tg of the heated resistor coincides with the thermodynamic temperature, which is measured using a temperature sensor mounted on the heated resistor.
  • the voltage coming from the output of the temperature sensor is averaged in the integrator (14) and amplified.
  • FIG. 2 in a view similar to the claimed invention, presents a structural diagram of a mass-produced radio thermometer-prototype described in the article A.
  • This radiothermometer consists of an antenna (1), a modulator (2), a circulator (3), a valve (15), a receiver (5), a Peltier element (16), a microwave load (6) mounted on a Peltier element (16), a temperature sensor (13) measuring the temperature of the microwave load (6), an integrator (14), a voltage reference generator (3), which controls the modulator (2).
  • the modulator (2) contains a switch (2 '), which is only able to close and open the connection of the circulator with the antenna.
  • the receiving device in the prototype consists of a low-noise amplifier with a strip passing filters (7), an amplitude detector (8), a narrow-band low-frequency amplifier (9) and a synchronous detector (10), an integrator (1 1), and a direct current amplifier (12).
  • the load temperature is controlled by the Peltier element (16). This allowed both heating and cooling of the load.
  • a second nonreciprocal element is installed - a valve (15). This allows you to increase the isolation between the switch (2 ') and the receiver up to 34 dB in the frequency range of 500 MHz and reduce the noise coming to the modulator (2) from the receiver (5), but increases the dimensions of the device.
  • the radiometer has large dimensions due to the use of nonreciprocal elements, for example, the valve (15), which makes it inconvenient to use.
  • FIG. 3 shows a first variant of the proposed radiometer according to the claimed invention, in which there is additionally a second microwave load (second resistor) mounted on the Peltier element, and the switch (2 ") is used in the modulator, but it connects either the antenna (1) or the first load (6) (first resistor) to the first arm of the circulator.
  • the switch (2 ") is controlled by a reference voltage generator, for example, with a frequency of 1 kHz.
  • the noise signal from the output of the switch (2 ") passes through the circulator (4) and enters the receiving device (5).
  • the receiving device (5) contains a low-noise amplifier with band-pass filters (7), an amplitude detector (8), a narrow-band low-frequency amplifier (9), a synchronous detector (10), an integrator (11), and a direct current amplifier (12).
  • an output voltage d is formed at the output of the premium device, which is proportional to the difference between the noise temperature, incoming antenna, and temperature ⁇ of the first heated resistor:
  • k is the gain of the receiving path of the radiometer
  • Ta is the noise temperature from the antenna output
  • microwave loads (6) and (17) are used, that is, two resistors mounted on a Peltier element and having good thermal contact with the Peltier element.
  • the first load (6) is connected to the input of the switch (2 ') of the modulator (2).
  • the second load (17) is connected to the third arm of the circulator (4).
  • the temperature of the loads is measured using a temperature sensor (13), which can be installed on the Peltier element or at least one of the loads and has good thermal contact with them, then the measurement signal from the temperature sensor is integrated in an additional temperature sensor connected to the temperature sensor (13) integrator (14), amplifies and enters the indicator or computer (19), which performs the functions of a data processing unit and a control unit.
  • the switch (2 ') contained in the modulator which either connects the antenna output to the circulator or opens the connection
  • the switch (2 ") which connects either the applicator antenna or the first microwave load to the first arm of the circulator.
  • the output from the receiver (5) compares the signals from the antenna (1) and the first load (6).
  • switch type SPDT single pole on / off switch
  • the circuit of the radiometer according to the claimed invention has a simpler design, contains only two matched microwave loads, which have different connections with the rest of the circuit elements.
  • both loads are mounted on a Peltier element, which can either heat loads and cool them, and therefore, the loads have the same adjustable temperature, different from the temperature of the other elements of the circuit. This ensures a higher accuracy of measuring the brightness temperature with a minimum number of non-reciprocal elements, which reduces the dimensions of the device and increases the convenience of its use when measuring the internal temperature at many points of the biological object.
  • the voltage at the output of the synchronous detector tends to zero, and the noise temperature Tg1 of the first load (6) approaches the temperature of the noise T a coming from the antenna output.
  • the radiometer reduces there are requirements for the isolation of the circulator and it is not necessary to additionally install a valve, as was done in the prototype (see Figure 2.)
  • the noise power from the output of the first microwave load (6) is supplied to an attenuator (18) connected between the output of the first microwave load (6) and the switch (2 ") and having the temperature of the input part of the radiometer.
  • Noise temperature Tga at the attenuator output is
  • Tga Trl * kg a + (1 - kg a) * Tomb, where
  • the radio thermometer works in such a way that the switch (2 ") connects either the noise signal from the antenna output (1), the power of which is proportional to the temperature of the internal tissues of the biological object, or the noise signal from the attenuator output (18) to the first arm of the circulator.
  • Switch (2") controlled by a reference voltage generator (3) with a frequency of 1 kHz.
  • the noise signal from the output of the switch (2 ) passes through the circulator (4) and enters the receiving device (5).
  • the receiving device in the embodiment of the radiothermometer shown in Figure 4 also consists of a low-noise amplifier with bandpass filters (7), an amplitude detector (8), a narrow-band low-frequency amplifier (9) and a synchronous detector (10), an integrator (11 ), DC amplifier (12).
  • a voltage is generated proportional to the difference in the noise temperature Ta from the antenna output and the noise temperature Tga from the attenuator output.
  • k is the gain of the receiving path of the radiometer
  • Ta is the noise temperature from the antenna output
  • Tga - noise temperature from the attenuator output Tga - noise temperature from the attenuator output.
  • This voltage is amplified and supplied to the Peltier element (16).
  • 2 loads are installed on the Peltier element having good thermal contact with the Peltier element.
  • the first load (6) is connected to the input of the attenuator (18), which is connected to the switch, and the second load is connected to the third arm of the circulator (4).
  • the temperature of the loads is measured using a temperature sensor (7), which can be installed on the Peltier element and / or at least one of the loads and has good thermal contact with them.
  • the output voltage of the synchronous the detector tends to zero and the temperature Tg, the first load approaches the noise temperature Ta from the output of the antenna. Due to dissipative losses in the attenuator (18), the temperature of the first and second loads differs from the temperature Ta of the noise coming from the antenna output.
  • Ta is the noise temperature from the antenna output
  • T amb - noise temperature of the input part of the radiometer T amb - noise temperature of the input part of the radiometer.
  • the power of the noise entering the antenna output from the side of the second load (17) is equal to:
  • Tga 7Y2 * k s k c ; r + (1— k s k cir ) * Tamb, where
  • Tamb - noise temperature of the input part of the radiometer Tamb - noise temperature of the input part of the radiometer.
  • the modulator instead of a switch, a switch and two microwave loads are used.
  • the first microwave load can be connected to the switch
  • the second microwave load is connected to the third arm of the circulator
  • the switch is configured to connect either the applicator antenna or the first microwave load to the first arm of the circulator.
  • an attenuator (18) is preferably installed between the output of the first microwave load and the switch, and in this case, the switch connects either the antenna (1) or the attenuator to the first arm of the circulator.
  • Such a modification of the design of the radiometer according to the claimed invention provides improved accuracy of non-invasive measurement of the temperature of the internal tissues of biological objects using the claimed radiometer for early diagnosis of cancer, and also reduces the size of the device, increasing its usability and reducing the cost of its manufacture.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно, к радиотермометру, предназначенному для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биообъекта. Радиотермометр содержит последовательно соединенные антенну-аппликатор, контактирующую с биообъектом, переключатель, циркулятор, установленный после переключателя, приемное устройство, содержащее усилитель с полосно-пропускающими фильтрами, амплитудный детектор, узкополосный усилитель низкой частоты и синхронный детектор, интегратор, усилитель постоянного тока, генератор опорного напряжения, связанный с переключателем и синхронным детектором. Кроме того, радиотермометр содержит элемент Пельтье, связанный с выходом приемного устройства, первую и вторую СВЧ нагрузки, установленные на элементе Пельтье и находящиеся в тепловом контакте с ним, по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры СВЧ нагрузок, причем первая СВЧ нагрузка выполнена с возможностью подключения к переключателю, переключатель выполнен с возможностью подключать к первому плечу циркулятора либо антенну-аппликатор, либо первую СВЧ нагрузку, второе плечо циркулятора соединено с приемным устройством, а третье плечо циркулятора соединено со второй СВЧ нагрузкой. Изобретение обеспечивает снижение погрешности измерения внутренней температуры биообъекта и повышение точности метода радиотермометрии при выявления злокачественных опухолей, а также снижение габаритов прибора, повышение удобства его использования и снижение себестоимости его изготовления.

Description

РАДИОТЕРМОМЕТР
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно, к методу радиотермометрии, основанному на неинвазивном выявлении температурных аномалий внутренних тканей биологических объектов путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения, в частности, изобретение относится к радиотермометру, предназначенному для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биообъекта.
Изобретение может быть использовано в медицинской аппаратуре для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей, мониторинга температуры, выявления температурных изменений и тепловых аномалий внутренних тканей биообъекта в диагностических комплексах для ранней диагностики онкологических заболеваний.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В патенте РФ Ns 20821 18 «Медицинский радиотермометр», автором и патентообладателем которого является А, В. Вайсблат, предложен нулевой модуляционный радиотермометр. Структурная схема, соответствующая этому радиотермометру представлена на Фиг.1. В состав радиотермометра входит антенна (1 ), которая контактирует с биообъектом, и принимает шумовой сигнал, поступающий от него. С выхода антенны шумовой сигнал, мощность которого пропорциональна радиояркостной температуре биообъекта, поступает на модулятор (2). Для антенны, в которой нет тепловых потерь, температура шумов на выходе антенны совпадает с шумовой температурой биообъекта (то есть с радиояркостной температурой биообъекта), в если потери в антенне есть, то к температуре шумов на выходе антенны добавляются шумы самой антенны.
Модулятор в патенте РФ Ns 20821 18 управляется генератором опорного напряжения (3) и выполняет функцию выключателя, то есть при включенном модуляторе шумовой сигнал с выхода антенны поступает на циркулятор (4) и далее на вход приемного устройства (5), а при выключенном модуляторе на вход приемного устройства поступает шумовой сигнал, мощность которого пропорциональна шумовой температуре Тг нагреваемого резистора (6).
Приемное устройство (5), состоящее из малошумящего усилителя, содержащего полосно-пропускающие фильтры (7), амплитудного детектора (8), усилителя низкой частоты и селективного усилителя (9), синхронного детектора (10), интегратора (11 ) и усилителя постоянного тока (12), формирует напряжение, пропорциональное разности шумовой температуры Та с выхода антенны и шумовой температуры нагреваемого резистора. Это напряжение поступает на нагреваемый резистор (6), что приводит к изменению термодинамической температуры и, следовательно, изменению шумовой температуры нагреваемого резистора, т.к. при отсутствии отражений, шумовая температура нагреваемого резистора Тг совпадает с его термодинамической температурой. За счет отрицательной обратной связи напряжение на выходе синхронного детектора ΔΙΙ стремится к нулю, а шумовая температура Тг нагреваемого резистора стремится к шумовой температуре Та с выхода антенны.
То есть задача измерения СВЧ мощности, поступающей с выхода антенны, заменяется задачей измерения температуры нагреваемого резистора и поддержания напряжения на выходе синхронного детектора близким к нулю. Температура нагреваемого резистора измеряется с помощью датчика температур (13), установленного на нагреваемом резисторе. Для снижения флуктуационной ошибки напряжение, поступающее с выхода датчика температур, усредняется в интеграторе (14) в течение времени Т, усиливается и далее поступает на индикатор или для передачи в компьютер.
Погрешность измерения радиояркостной температуры в радиотермометрах определяется несколькими факторами. В первую очередь, за счет диссипативных потерь во входном тракте радиотермометра на вход приемного устройства поступает не только шумовая мощность с выхода антенны, но и тепловые шумы входной части радиотермометра (циркулятора и переключателя), при этом
ΔΓ =ocdis* (Tamb - Та) , где
ΔΓ - погрешность измерения радиояркостной температуры за счет диссипативных потерь во входном тракте радиотермометра,
Tamb - шумовая температура входной части радиотермометра (циркулятора и переключателя),
Та - шумовая температура с выхода антенны,
ocdls - эквивалентные диссипативные потери входной части радиотермометра, поэтому температура входной части радиотермометра оказывает влияние на результаты измерения. В первом приближении для модуляционных радиотермометров, представленных на Фиг.1 , справедливо выражение
*dis- -v ^— . гДе
occir - диссипативные потери циркулятора,
° sw - диссипативные потери модулятора.
Для снижения погрешности, связанной с изменением температуры входной части радиотермометра, диссипативные потери циркулятора и модулятора должны быть сбалансированы. На практике это обеспечить достаточно сложно, поскольку диссипативные потери СВЧ элементов имеют определенный разброс, и подстройка диссипативных потерь достаточно сложна.
При этом из вышеприведенных формулы вытекает, что повышение затухания циркулятора на 0,3 дб приводит к погрешности измерения температуры биообъекта в 1 С при изменении температуры входной части радиотермометра на 20 С.
Кроме этого, в медицинских радиотермометрах существует погрешность измерения радиояркостной температуры, связанная с тем, что входной импеданс биообъекта может меняться в достаточно широких пределах, а входное сопротивление антенны фиксировано. Это приводит к тому, что антенна не обладает идеальным согласованием, а имеет коэффициент отражения R, и часть шумового сигнала от биообъекта отражается от антенны и не поступает в приемное устройство. В частности, если антенна согласована для ткани с диэлектрической проницаемостью Е, равной 10, то при измерении температуры мышечной ткани с Е=40, коэффициент отражения будет равен 0,33, и 10% мощности сигнала отразится от антенны, что, соответственно, может привести к погрешности при измерении радиояркостной температуры в 30 К.
Для компенсации этой погрешности, связанной с отражением, при построении радиотермометров Ludeke, см. патент US 4235107 А, опубл. 25.1 1.1980, предложил использовать схемы, которые компенсируют потери мощности, связанные с конечной величиной коэффициента отражения, путем использования дополнительного источника шума.
Аналогичным образом в патенте РФ N° 20821 18, как показано на схеме, представленной на Фиг.1 , компенсация отражений достигается за счет того, что шумы от нагреваемого резистора (6) проходят через циркулятор (4) и поступают в антенну. При наличии отражений от антенны, часть шумовой мощности нагреваемого резистора отражается от антенны и возвращается в приемное устройство, тем самым компенсируя мощность, отраженную от антенны. Очевидно, что если шумовая температура биообъекта ровна шумовой температуре, поступающей в антенну от нагреваемого резистора, то произойдет полная компенсация отраженной мощности. Но поскольку шумовая температура биообъекта меняется в определенном диапазоне, то выполнить это условие достаточно сложно, и погрешность измерения, за счет отражения сигнала, как правило, весьма значительна. Даже если удается добиться равенства шумовых температур с выхода антенны и от резистора, то есть Та=Тг, то за счет тепловых потерь в циркуляторе и модуляторе, мощность шумов, поступающих в антенну со стороны нагреваемого резистора, не равна мощности шумов, поступающих от биообъекта, и полной компенсации не происходит.
В схеме, представленной на Фиг.1 , соответствующей патенту-аналогу РФ N°
20821 18, циркулятор (4) предназначен не только для компенсации отражений от антенны, но и для развязки между приемным устройством и антенной. Шумы, поступающие со входа приемного устройства, поглощаются в балансном резисторе циркулятора и не поступают в антенну. Обычно развязка реальных циркуляторов недостаточно высокая для того, чтобы полностью подавить шумовой сигнал, поступающий со входа приемного устройства. В результате шумы приемного устройства, прошедшие через циркулятор, отражаются от разомкнутого выключателя и вновь поступает на вход приемного устройства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является радиотермометр, описанный в статье Вайсблата А.В. «Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС», Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, N°8, 2001 , с. 1 1 -23. В описанном в данной статье радиотермометре, схема которого приведена на Фиг.2, и который содержит антенну (1 ), контактирующую с биообъектом, модулятор (2), который выполняет функцию выключателя (2), циркулятор (4) и приемное устройство (5), содержащее малошумящий усилитель с полосно-пропускающими фильтрами (7), амплитудный детектор (8), усилитель низкой частоты и селективный усилитель (9), синхронный детектор (10), интегратор (1 1) и усилитель постоянного тока (12), а кроме того, генератор опорного напряжения (3). В радиотермометре-прототипе для повышения развязки между приемным устройством (5) и модулятором после циркулятора (4) установлен еще один невзаимный элемент - вентиль (15) (см. Фиг.2). Но невзаимные элементы имеют значительные габариты и высокую стоимость по сравнению с другими элементами радиотермометра, поэтому для снижения габаритов радиотермометра и его стоимости необходимо сократить число невзаимных элементов. Кроме того, в решении- прототипе, для изменения температуры нагреваемого резистора используется элемент Пельтье (16).
Однако схема, представленная на Фиг.2, также не обеспечивает достаточной точности измерения, так как за счет диссипативных потерь в циркуляторе и в модуляторе, мощность шумов, поступающих в антенну со стороны нагреваемого резистора, не равна мощности шумов, поступающих от биообъекта, и полной компенсации отражений на границе раздела сред не происходит, и, следовательно, точность измерения все еще является недостаточной. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание нулевого модуляционного радиотермометра для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей, обладающего малой погрешностью измерения радиояркостной температуры и минимальным числом невзаимных элементов.
Решение указанной задачи обеспечивает снижение погрешности измерения внутренней температуры биообъекта и повышение точности метода радиотермометрии при выявления злокачественных опухолей, а также снижение габаритов прибора, повышение удобства его использования и снижение себестоимости его изготовления. Объектом заявленного изобретения является радиотермометр для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей. Заявленный радиотермометр содержит последовательно соединенные:
антенну-аппликатор, контактирующую с биообъектом,
переключатель,
циркулятор, установленный после переключателя,
приемное устройство, содержащее усилитель с полосно-пропускающими фильтрами, амплитудный детектор, узкополосный усилитель низкой частоты и синхронный детектор, интегратор, усилитель постоянного тока,
генератор опорного напряжения, связанный с переключателем и синхронным детектором,
элемент Пельтье, связанный с выходом приемного устройства,
первую и вторую СВЧ нагрузки, установленные на элементе Пельтье и находящиеся в тепловом контакте с ним,
по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры СВЧ нагрузки, причем
первая СВЧ нагрузка выполнена с возможностью подключения к переключателю, переключатель выполнен с возможностью подключать к первому плечу циркулятора либо антенну-аппликатор, либо первую СВЧ нагрузку,
втрое плечо циркулятора соединено с приемным устройством, а
третье плечо циркулятора соединено со второй СВЧ нагрузкой.
В варианте выполнения радиотермометр может дополнительно содержать аттенюатор, установленный между выходом первой СВЧ нагрузки и переключателем.
Датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры СВЧ нагрузки может быть установлен на элементе Пельтье и/или на СВЧ нагрузке.
В качестве по меньшей мере одного датчика температуры может быть использован инфракрасный датчик температуры, выполненный с возможностью дистанционного измерения температуры, и/или датчик температуры, установленный на СВЧ нагрузках и/или элементе Пельтье и имеющий хороший тепловой контакт с ними.
Радиотермометр может также содержать дополнительный интегратор, связанный с выходом по меньшей мере одного датчика температуры.
Все элементы радиотермометра, включая циркулятор, элемент Пельтье и переключатель, установлены на теплопроводящее основании и имеют тепловой контакт с ним, и таким образом температура всех элементов входной части радиотермометра (переключателя, циркулятора, аттенюатора) близка к температуре основания, на котором они установлены.
Таким образом, первая сторона элемента Пельтье установлена на основание и имеет хороший тепловой контакт с ним, а две СВЧ нагрузки установлены на стороне элемента Пельтье, противоположной основанию, и имеют хороший тепловой контакт с ним.
Все составные части радиотермометра имеют общее заземление по СВЧ сигналу. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 представлена структурная схема известного из уровня техники нулевого модуляционного радиотермометра согласно патенту-аналогу РФ N° 20821 18.
На Фиг.2 представлена структурная схема известного из уровня техники нулевого модуляционного радиотермометра согласно наиболее близкому аналогу (прототипу) заявленного изобретения, который имеет два невзаимных элемента и в котором резистор размещен на элементе Пельтье.
На Фиг.З представлена структурная схема варианта выполнения нулевого модуляционного радиотермометра согласно заявленному изобретению, имеющего переключатель и две СВЧ нагрузки, установленные на элементе Пельтье и связанные с циркулятором и переключателем, соответственно.
На Фиг.4 представлена структурная схема другого варианта выполнения нулевого модуляционного радиотермометра с переключателем с двумя СВЧ нагрузками, установленными на элементе Пельтье, при этом между первой СВЧ нагрузкой и переключателем установлен аттенюатор.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 представлена схема известного из уровня техники радиотермометра согласно патенту-аналогу РФ N° 20821 18, при этом схема представлена в адаптированном виде, аналогичном заявленному изобретению, и данный известный из уровня техники нулевой модуляционный радиотермометр, состоит из антенны (1 ), контактирующей с биообъектом и принимающей поступающий от биообъекта шумовой сигнал. С выхода антенны СВЧ шумовой сигнал поступает на вход электронного модулятора (2). В модуляторе (2) радиотермометра согласно патенту РФ N° 20821 18 используется выключатель (2'), который замыкает и размыкает соединение циркулятора с антенной.
Модулятор управляется генератором опорного напряжения с тактовой частотой 1 кГц. При включенном выключателе (2') модулятора шумовой сигнал с выхода антенны поступает на циркулятор (4) и далее на вход приемного устройства (5). При выключенном выключателе (2') модулятора шумовой сигнал от нагреваемого резистора, расположенного в третьем плече циркулятора (4), отражается от разомкнутого выключателя модулятора и поступает на вход циркулятора и далее на вход приемного устройства (5).
Приемное устройство содержит малошумящий усилитель с полосно- пропускающими фильтрами (7), амплитудный детектор (8), узкополосный усилитель низкой частоты (9), синхронный детектор (10), интегратор (1 1 ) , усилитель постоянного тока (12).
На выходе премного устройства формируется напряжение, пропорциональное разности шумовой температуры Тг нагреваемого резистора и температуры Та поступающих с выхода антенны
AU = к (Та - Тг), где
к - коэффициент усиления приемного тракта радиотермометра,
Та - шумовая температура с выхода антенны,
Тг - шумовая температура резистора.
Этот сигнал усиливается и поступает на нагреваемый резистор (6), что приводит к изменению его термодинамической температуры и, следовательно, шумовой температуры Тг резистора. Охлаждение нагреваемого резистора осуществлялось за счет естественного воздушного охлаждения.
За счет отрицательной обратной связи напряжение на выходе синхронного детектора стремится к нулю, и шумовая температура нагреваемого резистора Тг стремится к шумовой температуре Та, поступающей с выхода антенны.
Поскольку на выходе синхронного детектора напряжение близко к нулю, то шумовая температура, поступающая с выхода антенны, равна шумовой температуре нагреваемого резистора.
При отсутствии отражений шумовая температура Тг нагреваемого резистора совпадает с термодинамической температурой, которая измеряется с помощью датчика температур, установленного на нагреваемом резисторе. Для снижения флуктуационнои ошибки напряжение, поступающее с выхода датчика температур, усредняется в интеграторе (14) и усиливается.
На Фиг.2 в виде, аналогичном заявленному изобретению, представлена структурная схема серийно-выпускаемого радиотермометра- прототипа, описанного в статье Вайсблата А. В., «Медицинский радиотермометр РТМ-01 -РЭС», Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, N28, 2001 , с. с. 1 1 -23. Данный радиотермометр состоит из антенны (1 ), модулятора (2), циркулятора (3), вентиля (15), приемного устройства (5), элемента (16) Пельтье, СВЧ нагрузки (6), установленной на элементе (16) Пельтье, датчика температур (13), измеряющего температуру СВЧ нагрузки (6), интегратора (14), генератора опорного напряжения (3), управляющего модулятором (2). При этом в радиотермометре-прототипе, также как и в аналоге по патенту Р N° 2082 18, модулятор (2) содержит выключатель (2'), который способен только замыкать и размыкать соединение циркулятора с антенной.
Приемное устройство в прототипе состоит из малошумящего усилителя с полосно- пропускающими фильтрами (7), амплитудного детектора (8), узкополосного усилителя низкой частоты (9) и синхронного детектора (10), интегратора (1 1 ), усилителя постоянного тока (12).
В радиотермометре-прототипе, представленном на Фиг.2, в отличие от схемы, представленной на Фиг.1 , управление температурой нагрузки осуществляется с помощью элемента (16) Пельтье. Это позволило осуществлять как нагрев, так и охлаждение нагрузки. Для повышения развязки между приемным устройством и антенной в радиотермометре-прототипе установлен второй невзаимный элемент - вентиль (15). Это позволяет повысить развязку между выключателем (2') и приемным устройством до 34 дБ в диапазоне частот 500 мГц и снизить уровень шумов, поступающих на модулятор (2) из приемного устройства (5), но повышает габариты устройства.
Таким образом, в радиотермометре-прототипе не обеспечивается требуемая точность измерения, так как компенсация отражений от антенны все еще является недостаточной, кроме того, радиотермометр имеет большие габариты вследствие использования невзаимных элементов, например, вентиля (15), что делает его неудобным при использовании.
Конструкция заявленного радиотермометра подробно поясняется со ссылкой на Фиг. 3 и 4. На Фиг.З представлен первый вариант предлагаемого радиотермометра согласно заявленному изобретению, в котором дополнительно имеется вторая СВЧ нагрузка (второй резистор), установленная на элементе Пельтье, а в модуляторе использован не выключатель, а переключатель (2"), который подключает к первому плечу циркулятора либо антенну (1 ) либо первую нагрузку (6) (первый резистор). Переключатель (2") управляется генератором опорного напряжения, например, с частотой 1 кГц. Шумовой сигнал с выхода переключателя (2") проходит через циркулятор (4) и поступает на приемное устройство (5).
Приемное устройство (5) содержит малошумящий усилитель с полосно- пропускающими фильтрами (7), амплитудный детектор (8), узкополосный усилитель низкой частоты (9), синхронный детектор (10), интегратор (11 ), усилитель постоянного тока (12).
При работе заявленного радиотермометра на выходе премного устройства формируется напряжение ди, пропорциональное разности шумовой температуры, поступающейантенны, и температуры Τη первого нагреваемого резистора:
AU = к (Та - Тг1), где
к - коэффициент усиления приемного тракта радиотермометра,
Та - шумовая температура с выхода антенны,
Τ - шумовая температура первой СВЧ нагрузки (первого резистора).
Это напряжение усиливается и поступает на элемент (16) Пельтье. В отличие от схем устройств-аналогов, представленных на Фиг.1 и Фиг.2, в заявленном изобретении использованы 2 СВЧ нагрузки (6) и (17), то есть два резистора, установленные на элементе Пельтье и имеющие с элементом Пельтье хороший тепловой контакт. Первая нагрузка (6) подключена ко входу переключателя (2') модулятора (2). Вторая нагрузка (17) подключена к третьему плечу циркулятора (4).
Температура нагрузок измеряется с помощью датчика температур (13), который может быть установлен на элементе Пельтье или на по меньшей мере одной из нагрузок и имеет хороший тепловой контакт с ними, затем сигнал измерения от датчика температур интегрируется в связанном с датчиком температур (13) дополнительном интеграторе (14), усиливается и поступает на индикатор или компьютер (19), выполняющий функции блока обработки данных и блока управления.
В отличие от схем устройств согласно аналогу и прототипу, изображенных на Фиг.1 и Фиг.2, в заявленном техническом решении вместо содержащегося в модуляторе выключателя (2'), который либо соединяет выход антенны с циркулятором, либо размыкает соединение, используется переключатель (2"), который подключает к первому плечу циркулятора либо антенну-аппликатор, либо первую СВЧ нагрузку. В этом случае на выходе приемного устройства (5) происходит сравнение сигналов, поступающих от антенны (1 ) и от первой нагрузки (6).
В заявленном изобретении в качестве переключателя (2") может быть использован переключатель типа SPDT (однополюсный двухпозиционный переключатель).
В некоторых решениях уровня техники также сделаны попытки использования переключателей в схемах радиотермометров, например, в схеме радиометра согласно патенту РФ 2485462, опубл. 20.06.2013, между модулятором и циркулятором установлен ответвитель, с которым связан переключатель двухполюсного типа, имеющий три входа и два выхода. В этой схеме используются три согласованные нагрузки, при этом первая согласованная нагрузка подключена к циркулятору, а вторая и третья согласованные нагрузки могут коммутироваться с переключателем, и двухполюсный переключатель в патенте РФ 2485462 выполнен с возможностью либо подключения на первый выход переключателя генератора шума, а на второй выход - второй согласованной нагрузки, либо подключения на первый выход переключателя третьей согласованной нагрузки, а на второй выход - генератора шума. При этом модулятор, ответвитель, циркулятор, переключатель, генератор шума и источник тока для него, а также первая, вторая и третья согласованные нагрузки установлены на термостатированной плате и имеют одинаковую температуру, однако элемент Пельтье в данной схеме отсутствует.
Таким образом, схема радиотермометра согласно заявленному изобретению имеет более простую конструкцию, содержит только две согласованные СВЧ нагрузки, которые имеют иные связи с остальными элементами схемы. Кроме того, в заявленном радиотермометре обе нагрузки установлены на элементе Пельтье, который может как нагревать нагрузки, так и охлаждать их, и, следовательно, нагрузки имеют одинаковую регулируемую температуру, отличную от температуры остальных элементов схемы. За счет этого обеспечивается более высокая точность измерения радиояркостной температуры при минимальном числе невзаимных элементов, что сокращает габариты устройства и повышает удобство его использования при проведении измерения внутренней температуры во множестве точек биообъекта.
При работе радиотермотера за счет отрицательной обратной связи напряжение на выходе синхронного детектора стремится к нулю, и шумовая температура Тг1 первой нагрузки (6) приближается к температуре шумов Та, поступающих с выхода антенны.
В силу неидеальной развязки циркулятора некоторая часть шумов приемного устройства проходит через циркулятор (4) и поступает на переключатель (2"). В радиотермометре - прототипе, схема которого представлена на Фиг.2, шумы отражались от открытого плеча выключателя (2') и поступали на вход приемного устройства. Но в отличие от устройства-прототипа, представленного на Фиг.2, в заявленном изобретении эти шумы поглощаются в первой нагрузке (6) и не попадают на вход приемного устройства (5). За счет этого в предлагаемом варианте радиотермометра снижаются требования к развязке циркулятора и не требуется дополнительно устанавливать вентиль, как это было сделано в прототипе (см. Фиг.2). Это позволяет почти в два раза сократить размеры входной СВЧ части радиотермометра, то есть уменьшить габариты радиотермометра в целом, что существенно упрощает манипулирование радиотермометром при проведении обследования, повышает удобство его использования и сокращает время, необходимое на проведение обследования во множестве точек, как это делается, например, при обследовании молочной железы.
Повышение точности измерений путем компенсации отражений от входа антенны (1 ) в предложенном варианте радиотермометра осуществляется также за счет поступления на выход антенны шумового сигнала от второй нагрузки (17). Так как она находится в хорошем тепловом контакте с первой нагрузкой (6) за счет размещения на одном элементе Пельтье, их температуры равны между собой ΤΙΊ =ΤΓ2. Но поскольку шумовая температура первой нагрузки Τη близка к температуре Та шумов, поступающих с выхода антенны, то и температура Тг2 второй нагрузки близка к температуре шумов Та на выходе антенны. За счет этого достигается более полная компенсация отраженной шумовой мощности от антенны и повышается точность измерения температуры биологического объекта.
При этом следует отметить, что за счет потерь в циркуляторе (4) и переключателе (2"), мощность шумов, поступающих со стороны второй нагрузки (17) на выход антенны, будет отличаться от мощности шумов поступающих с выхода антенны, поэтому еще более полную компенсацию отраженной мощности обеспечивает вариант радиотермометра, представленный на Фиг.4.
В представленном на Фиг.4 варианте предлагаемого радиотермометра шумовая мощность с выхода первой СВЧ нагрузки (6) поступает на аттенюатор (18), подключенный между выходом первой СВЧ нагрузки (6) и переключателем (2") и имеющий температуру входной части радиотермометра. Шумовая температура Тга на выходе аттенюатора равна
Тга = Trl * кг a + (1— кг а) * Tomb, где
kra - коэффициент передачи аттенюатора,
Т amb - шумовая температура входной части радиотермометра,
Τη - шумовая температура первого нагреваемого резистора (первой СВЧ нагрузки).
Радиотермометр работает таким образом, что переключатель (2") подключает к первому плечу циркулятора либо шумовой сигнал с выхода антенны (1 ), мощность которого пропорциональна температуре внутренних тканей биологического объекта, либо шумовой сигнал с выхода аттенюатора (18). Переключатель (2") управляется генератором опорного напряжения (3) с частотой 1 кГц. Шумовой сигнал с выхода переключателя (2") проходит через циркулятор (4) и поступает на приемное устройство (5).
Приемное устройство в варианте выполнения радиотермометра, показанном на Фиг.4, также состоит из малошумящего усилителя с полосно-пропускающими фильтрами (7), амплитудного детектора (8), узкополосного усилителя низкой частоты (9) и синхронного детектора (10), интегратора (11 ), усилителя постоянного тока (12).
На выходе приемного устройства формируется напряжение, пропорциональное разности шумовой температуры Та с выхода антенны и шумовой температуры Тга с выхода аттенюатора.
AU = к (Та - Тгз), где
к - коэффициент усиления приемного тракта радиотермометра,
Та - шумовая температура с выхода антенны,
Тга - шумовая температура с выхода аттенюатора.
Это напряжение усиливается и поступает на элемент (16) Пельтье. Как и в первом варианте выполнения изобретения, показанном на Фиг.З, на элементе Пельтье установлены 2 нагрузки, имеющих с элементом Пельтье хороший тепловой контакт. Но первая нагрузка (6) подключена ко входу аттенюатора (18), который связан с переключателем, а вторая нагрузка подключена к третьему плечу циркулятора (4).
Температура нагрузок измеряется с помощью датчика температур (7), который может быть установлен на элементе Пельтье и/или на по меньшей мере одной из нагрузок и имеет хороший тепловой контакт с ними.
За счет отрицательной обратной связи напряжение на выходе синхронного детектора стремится к нулю и температура Тг, первой нагрузки приближается к шумовой температуре Та с выхода антенны. За счет диссипативных потерь в аттенюаторе (18), температура первой и второй нагрузки отличается от температуры Та шумов, поступающих с выхода антенны.
Figure imgf000014_0001
kra- коэффициент передачи аттенюатора,
Тп - шумовая температура первой нагрузки,
Тг2 - шумовая температура второй нагрузки,
Та - шумовая температура с выхода антенны,
Т amb - шумовая температура входной части радиотермометра.
Мощность шумов, поступающих на выход антенны со стороны второй нагрузки (17) равна:
Тга = 7Y2 * kskc;r + (1— kskcir) * Tamb, где
ks - коэффициент передачи переключателя,
kcir_ коэффициент передачи циркулятора,
Тга - шумовая температура аттенюатора,
Тг2 - шумовая температура второй нагрузки,
Tamb - шумовая температура входной части радиотермометра.
Если коэффициент к передачи аттенюатора будет совпадать с коэффициентом передачи каскадного соединения циркулятора и переключателя kskcjr, то
Тга = Та,
то есть происходит компенсация мощности шумов, отраженных от входа антенны. Таким образом, в конструкции радиотермометра согласно заявленному изобретению в модуляторе вместо выключателя используется переключатель, и две СВЧ нагрузки. При этом первая СВЧ нагрузка может быть подключена к переключателю, вторая СВЧ нагрузка соединена с третьим плечом циркулятора, и переключатель выполнен с возможностью подключать к первому плечу циркулятора либо антенну- аппликатор, либо первую СВЧ нагрузку. Кроме того, между выходом первой СВЧ нагрузки и переключателем предпочтительно установлен аттенюатор (18), и в данном случае переключатель подключает к первому плечу циркулятора либо антенну (1) либо аттенюатор.
Такая модификация конструкции радиотермометра согласно заявленному изобретению обеспечивает повышение точности неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биологических объектов с использованием заявленного радиотермометра для ранней диагностики онкологических заболеваний, а также обеспечивает снижение габаритов прибора, повышение удобства его использования и снижение себестоимости его изготовления.

Claims

ФОРМУЛА
1. Радиотермометр, содержащий последовательно соединенные
антенну-аппликатор, контактирующую с биообъектом,
переключатель,
циркулятор, установленный после переключателя,
приемное устройство, содержащее усилитель с полосно-пропускающими фильтрами, амплитудный детектор, узкополосный усилитель низкой частоты и синхронный детектор, интегратор, усилитель постоянного тока, генератор опорного напряжения, связанный с переключателем и синхронным детектором,
элемент Пельтье, связанный с выходом приемного устройства,
первую и вторую СВЧ нагрузки, установленные на элементе Пельтье и находящиеся в тепловом контакте с ним,
по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры СВЧ нагрузок, причем
первая СВЧ нагрузка выполнена с возможностью подключения к переключателю, переключатель выполнен с возможностью подключать к первому плечу циркулятора либо антенну-аппликатор, либо первую СВЧ нагрузку,
втрое плечо циркулятора соединено с приемным устройством, а
третье плечо циркулятора соединено со второй СВЧ нагрузкой.
2. Радиотермометр по п. 1 , дополнительно содержащий аттенюатор, установленный между выходом первой СВЧ нагрузки и переключателем.
3. Радиотермометр по п. 1 , в котором по меньшей мере один датчик температуры установлен на элементе Пельтье и/или на СВЧ нагрузке.
4. Радиотермометр по п. 1 , в котором по меньшей мере один датчик температуры является инфракрасным датчиком, выполненным с возможностью дистанционного измерения температуры.
5. Радиотермометр по любому из п. п. 1 -3, содержащий дополнительный интегратор, связанный с выходом по меньшей мере одного датчика температуры.
PCT/RU2015/000953 2015-12-22 2015-12-29 Радиотермометр WO2017111651A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201580083148.9A CN108024728B (zh) 2015-12-22 2015-12-29 微波辐射计
EP15897381.8A EP3202313B1 (en) 2015-12-22 2015-12-29 Radio thermometer
US15/801,419 US20180058945A1 (en) 2015-12-22 2017-11-02 Microwave radiometer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154996 2015-12-22
RU2015154996A RU2617276C1 (ru) 2015-12-22 2015-12-22 Радиотермометр

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US15/801,419 Continuation US20180058945A1 (en) 2015-12-22 2017-11-02 Microwave radiometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017111651A1 true WO2017111651A1 (ru) 2017-06-29

Family

ID=58643323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2015/000953 WO2017111651A1 (ru) 2015-12-22 2015-12-29 Радиотермометр

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20180058945A1 (ru)
EP (1) EP3202313B1 (ru)
CN (1) CN108024728B (ru)
RU (1) RU2617276C1 (ru)
WO (1) WO2017111651A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190001626A (ko) * 2017-06-26 2019-01-07 국방과학연구소 라디오미터의 온도 의존성 보상 방법
RU2814809C1 (ru) * 2023-11-27 2024-03-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Многоканальный многочастотный радиотермограф

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10506930B2 (en) * 2016-05-27 2019-12-17 The University Of Colorado, A Body Corporate Microwave thermometer for internal body temperature retrieval
US10320443B2 (en) * 2017-12-29 2019-06-11 Intel IP Corporation Extra-channel transmission limiting switch
CN109143173A (zh) * 2018-10-09 2019-01-04 西安电子工程研究所 一种多通道微波辐射计接收机高稳定恒温结构
WO2020086586A1 (en) * 2018-10-22 2020-04-30 Thermovisionusa, Inc. System and method for detecting and diagnosing diseases and use of same
CN109587858B (zh) * 2019-01-21 2024-01-16 电子科技大学中山学院 一种应用于高功率微波加热的光纤阵列热像采集装置
RU2754287C1 (ru) * 2020-09-29 2021-08-31 Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Магратеп" Многоканальный приемник для радиотермометрической диагностики
US11737674B2 (en) * 2020-12-20 2023-08-29 Easytem Co., Ltd. RF microwave core temperature system having RF receiver module to detect core temperature
CN113340453A (zh) * 2021-06-21 2021-09-03 杭州电子科技大学 一种便携式可穿戴微波辐射测温计及其测温方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4235107A (en) 1978-01-27 1980-11-25 U.S. Philips Corporation Method and arrangement for measuring the physical temperature of an object by means of microwaves
RU2082118C1 (ru) 1994-07-11 1997-06-20 Александр Владимирович Вайсблат Медицинский радиотермометр
US5688050A (en) * 1995-04-03 1997-11-18 Mmtc, Inc. Temperature-measuring microwave radiometer apparatus
RU2328751C2 (ru) * 2006-08-14 2008-07-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Многочастотный радиотермограф
US8157442B2 (en) * 2007-04-12 2012-04-17 Universite Des Sciences Et Technologies De Lille Radiometric thermometer
RU2485462C2 (ru) 2011-08-04 2013-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр)

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3230532A (en) * 1961-03-17 1966-01-18 Bunker Ramo Microwave radiometer
US3689924A (en) * 1968-09-18 1972-09-05 Philip J Caruso Jr Reconnaissance and guidance microwave radio-metric system
US4557272A (en) * 1980-03-31 1985-12-10 Microwave Associates, Inc. Microwave endoscope detection and treatment system
FR2650390B1 (fr) * 1989-07-27 1992-10-30 Inst Nat Sante Rech Med Procede pour la mesure des temperatures par radiometrie microonde, avec calibration automatique de la mesure, et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede
US5724043A (en) * 1995-07-31 1998-03-03 Hughes Aircraft Company Variable frequency microwave tropopause sensor system and method
EP0944952B1 (en) * 1996-12-03 2009-01-07 Raytheon Company Variable microwave cold/warm noise source
WO2000036880A2 (en) * 1998-12-17 2000-06-22 Personal Chemistry I Uppsala Ab Microwave apparatus and methods for performing chemical reactions
GB0207370D0 (en) * 2002-03-28 2002-05-08 Univ St Andrews Medical imaging apparatus
US20040145365A1 (en) * 2003-01-24 2004-07-29 Carl Freudenberg Kg Annular sensor housing
US7052176B2 (en) * 2003-07-11 2006-05-30 University Of Texas System Remote temperature measuring system for hostile industrial environments using microwave radiometry
KR100634497B1 (ko) * 2003-10-16 2006-10-13 삼성전자주식회사 인체 내부 전자기파 측정을 위한 라디오-써모미터와 인체전자기파 측정 방법
US8062228B2 (en) * 2007-07-03 2011-11-22 Meridian Medical Systems, Llc Dual mode intracranial temperature detector
CN201166689Y (zh) * 2008-01-24 2008-12-17 武汉安德瑞科技有限公司 高精度微波辐射计
CN101285862A (zh) * 2008-05-09 2008-10-15 华中科技大学 一种全数字补偿微波辐射计
WO2010005727A2 (en) * 2008-06-16 2010-01-14 Paul Zei Devices and methods for exercise monitoring
GB2474058B (en) * 2009-10-02 2014-10-01 Creo Medical Ltd Cosmetic Surgery Apparatus
US8447385B2 (en) * 2010-07-28 2013-05-21 Welch Allyn, Inc. Handheld medical microwave radiometer
WO2013158232A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-24 The Penn State Research Foundation System and method for combined microwave heating and radiometry for characterizing biological tissues
CN104507409B (zh) * 2012-06-22 2017-05-31 柯惠有限合伙公司 用于微波消融系统的微波测温

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4235107A (en) 1978-01-27 1980-11-25 U.S. Philips Corporation Method and arrangement for measuring the physical temperature of an object by means of microwaves
RU2082118C1 (ru) 1994-07-11 1997-06-20 Александр Владимирович Вайсблат Медицинский радиотермометр
US5688050A (en) * 1995-04-03 1997-11-18 Mmtc, Inc. Temperature-measuring microwave radiometer apparatus
RU2328751C2 (ru) * 2006-08-14 2008-07-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Многочастотный радиотермограф
US8157442B2 (en) * 2007-04-12 2012-04-17 Universite Des Sciences Et Technologies De Lille Radiometric thermometer
RU2485462C2 (ru) 2011-08-04 2013-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр)

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.V.FILATOV I DR.: "Mikrovolnovyi radiotermometr dlya izmereniya glubinnykh temperatur biologicheskikh obektov neinvazivnym metodom.", IZMERITELNAYA TEKHNIKA., 2015, XP009502690 *
VAISBLAT A.V.: "Medical Radiometer RTM-01-RES", BIOMEDICAL TECHNOLOGIES AND RADIO ELECTRONICS, 2001, pages 11 - 23
VAISBLAT A.V.: "Meditsinskii radiotermometr RTM-01-RES.", BIO MEDITSINSKIE TEKHNOLOGII I RADIOELEKTRONIKA., 2001, XP009503268 *
VAISBLAT A.V: "Medial Radiometer RTM-01-RES", BIOMEDICAL TECHNOLOGIES AND RADIO ELECTRONICS, 2001, pages 11 - 23

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190001626A (ko) * 2017-06-26 2019-01-07 국방과학연구소 라디오미터의 온도 의존성 보상 방법
KR101950592B1 (ko) 2017-06-26 2019-02-21 국방과학연구소 라디오미터의 온도 의존성 보상 방법
RU2814809C1 (ru) * 2023-11-27 2024-03-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Многоканальный многочастотный радиотермограф

Also Published As

Publication number Publication date
EP3202313A4 (en) 2018-06-27
EP3202313B1 (en) 2019-11-27
US20180058945A1 (en) 2018-03-01
RU2617276C1 (ru) 2017-04-24
CN108024728A (zh) 2018-05-11
EP3202313A1 (en) 2017-08-09
CN108024728B (zh) 2021-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2617276C1 (ru) Радиотермометр
US9250139B2 (en) System and method for combined microwave heating and radiometry for characterizing biological tissues
US4346716A (en) Microwave detection system
Klemetsen et al. Design of medical radiometer front-end for improved performance
US10506930B2 (en) Microwave thermometer for internal body temperature retrieval
Carr et al. Dual-mode microwave system to enhance early detection of cancer
Vesnin et al. Portable microwave radiometer for wearable devices
US20120029359A1 (en) Handheld medical microwave radiometer
Momenroodaki et al. A 1.4-GHz radiometer for internal body temperature measurements
Villa et al. A 3.5-GHz pseudo-correlation type radiometer for biomedical applications
Streeter et al. Correlation radiometry for subcutaneous temperature measurements
US6964514B2 (en) Temperature measuring apparatus
Issac et al. Self-balanced near-field microwave radiometer for passive tissue thermometry
US4677988A (en) Method and apparatus for measuring microwave noise
Lee et al. A hybrid correlation-dicke radiometer for internal body thermometry
KR102568015B1 (ko) 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 rf 수신기 모듈
WO2020247208A1 (en) Assessment of skin perfusion using microwave heating and using infrared radiometry
Land An efficient, accurate and robust radiometer configuration for microwave temperature measurement for industrial and medical applications
Iskander et al. Radiometric technique for measuring changes in lung water (short papers)
RU2082118C1 (ru) Медицинский радиотермометр
Huang et al. Design of non-invasively active patch antenna integrated with microwave radiometer for subcutaneous temperature measurement
Byambaakhuu et al. Monostatic radiometry system for temperature measurement during RF hyperthermia treatment
Streeter High-Resolution Deep-Tissue Microwave Thermometry
RU169544U1 (ru) Миниатюрный радиотермометр для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей
Sugumar et al. Characterization of microwave dicke radiometer for non-invasive tissue thermometry

Legal Events

Date Code Title Description
REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015897381

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE