Пристрій для дослідження електромагнітних полів біологічних об’єктів

Пристрій для дослідження електромагнітних полів біологічних об'єктів, що містить дві антени, комутаційний модулятор, послідовно з'єднані квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, синхронний детектор, інтегратор і вольтметр, генератор низької частоти, виходом з'єднаний з керуючими входами синхро 3 38471 4 тичний детектор, підсилювач низької частоти, синфактично визначається тільки у вузькій смузі часхронний детектор і вольтметр, а до керуючих вхотот, яка визначається смугою пропускання підсидів модулятора і синхронного детектора підключелювача проміжної частоти, що не дозволяє оціниний генератор низької частоти. ти інтенсивність всього біологічного Завдяки антені вказаний пристрій може привипромінювання досліджуваного об'єкту на тлі ймати електромагнітне випромінювання від поверйого власного теплового випромінювання. хні біологічного об'єкту і за допомогою вказаних В основу корисної моделі покладена задача ланок вимірювати його інтенсивність. Проте відсустворити такий пристрій для дослідження електтність другої антени і другого вимірювального каромагнітних полів біологічних об'єктів, в якому налу виключає можливість визначення структури шляхом введення нових елементів і зв'язків досяелектромагнітного поля, зокрема, ступеня корелягалось би розділення компонентів теплового і біоції його окремих частин. логічного електромагнітних випромінювань, і Відомий пристрій для дослідження електромаотримання кількісної оцінки тісноти статистичного гнітних полів біологічних об'єктів [див. Скрипник зв'язку компонентів результуючого поля і на цій Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. Модуляційні основі виділити складові електромагнітного поля радіометричні пристрої та системи НВЧ-діапазону: біологічного походження з переважаючого радіоНавч.посібник. -Житомир: ЖІТІ, 2001. – С15-16], теплового поля, що забезпечить підвищення дощо містить дві приймальні антени, НВЧстовірності оцінки енергоінформаційного стану підсилювачі, змішувачі, другі входи яких з'єднані із живих організмів. загальним НВЧ-гетеродином, підсилювачі проміжПоставлена задача досягається тим, що в них частот і перемножувач сигналів, до виходу пристрій для дослідження електромагнітних полів якого через фільтр нижніх частот підключений біологічних об'єктів, що містить дві антени, комувольтметр. таційний модулятор, послідовно з'єднані квадраЗавдяки перемножуванню сигналів проміжної тичний детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий частоти вольтметром вимірюється кореляційний підсилювач, синхронний детектор, інтегратор і момент приймаємих НВЧ-сигналів. Проте через вольтметр, генератор низької частоти, ви ходом неідентичність фазочастотних характеристик двох з'єднаний з керуючими входами синхронного детевимірювальних каналів і паразитних зв'язків між ктора і комутаційного модулятора, згідно з корисними виникають великі похибки у визначенні кореною моделлю, в нього введені широкосмуговий ляційного моменту дво х приймаємих випромінюНВЧ-підсилювач, триобмотковий НВЧвань, що знижує достовірність електрофізіологічтрансформатор і два антенні перемикачі, входи них досліджень. кожного з яких з'єднані з виходами обох антен, Відомий також пристрій для дослідження елеперша заземлена первинна обмотка НВЧктромагнітних полів біологічних об'єктів [див. Готрансформатора з'єднана з виходами комутаційловко Д.Б., Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Надвисоного модулятора, вхід якого з'єднаний з виходом кочастотні методи та засоби вимірювання антенного перемикача, друга заземлена первинна фізичних величин: Навч.посібник. - Київ: Либідь, обмотка НВЧ-трансформатора з'єднана з виходом 2003. - С.81-85], що містить дві антени, комутаційіншого антенного перемикача, а вторинна обмотка ний модулятор, послідовно з'єднані квадратичний триобмоткового НВЧ-трансформатора з'єднана з детектор, фільтр нижніх частот, вибірковий підсивходами широкосмугового НВЧ-підсилювача, вихід лювач, синхронний детектор, інтегратор і вольтякого з'єднаний з входом квадратичного детектометр, генератор низької частоти, ви ходом з'єднара. ний з керуючими входами синхронного детектора і Саме введення в пристрій для дослідження комутаційного модулятора. Крім того, пристрій електромагнітних полів біологічних об'єктів шировключає подвійний хвилеводний трійник, НВЧкосмугового НВЧ-підсилювача, триобмоткового змішувач із НВЧ-гетеродином і підсилювач проміНВЧ-трансформатора і двох антенних перемикажної частоти, підключений до виходу НВЧчів, з'єднаних з використаними елементами призмішувача. строю вказаним чином, забезпечує при початкоОдноканальна структура пристрою виключає вому положенні антенних перемикачів отримання похибки від неідентичності перетворюючих каналів вихідної напруги, яка пропорційна кореляційному і паразитних електромагнітних зв'язків між ними. моменту приймаємих шумових випромінювань, Проте наявність в схемі подвійного хвилеводного шляхом періодичної зміни фази компонентів спектрійника і блоку гетеродинного перетворювача тру сигналу однієї з антен і квадратичного детекчастоти обмежує смугу частот у приймаємих витування послідовності радіоімпульсів сумарної і промінюваннях, а, отже, знижує чутливість і точрізницевої напруги. Зміною положень антенних ність вимірювання параметрів досліджуваного перемикачів цією ж одноканальною схемою можелектромагнітного поля. Вузькосмуговість подвійливе вимірювання потужностей кожного з прийманого хвилеводного трійника спотворює фазові ємих випромінювань незалежно від глибини кореспіввідношення між компонентами спектру приляційного зв'язку цих випромінювань. Завдяки ймаємих випромінювань, що знижує достовірність перемиканням антен відносно триобмоткового в оцінці кореляційних зв'язків тих компонентів, чаНВЧ-трансформатора за показаннями вихідного стоти яких відрізняються від центральної частоти вольтметра отримують кореляційний момент прихвилеводного трійника. Тому інтенсивності і взаєймаємих випромінювань і значення кожної з намозв'язки біологічних складових в спектрі випроміпруг, що входить у вираз кореляційного моменту. нювання визначаються з низькою точністю. КоефіПодальша обробка отриманої напруги, яка може цієнт кореляції приймаємих випромінювань бути здійснена як вручну, так і автоматично за 5 38471 6 допомогою ЕОМ, дозволяє обчислити нормоване · вого НВЧ-трансформатора 9, а НВЧ-сигнал E2 значення коефіцієнта взаємної кореляції шумових антени 2 поступає на вхід комутаційного модулясигналів і навіть визначити рівень кожного з біологічних випромінювань об'єкту на тлі радіо тепловотора 7, який перемикається з низькою частотою го випромінювання, що забезпечує підвищення генератором 19 низької частоти. При періодичних перемиканнях комутаційного модулятора 7 струм достовірності оцінки енергоінформаційного стану через первинну обмотку 8 триобмоткового НВЧживих організмів. трансформатора 9 також періодично змінює свій На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для дослідження елекнапрям. В результаті цього сумарна напруженість тромагнітних полів біологічних об'єктів. на вторинній обмотці 11 триобмоткового НВЧтрансформатора 9 змінюється від сумарного знаПристрій містить дві антени 1 і 2, які через гнучення чкі коаксіальні кабелі 3 і 4 з'єднані з одними входами антенних перемикачів 5 і 6. Інші входи ан· · ö æ· · тенних перемикачів 5 і 6 з'єднані з виходами антен E3 ' = K 1 × ç E1+ E2 + EП ÷ ç ÷ è ø (3) 1 і 2 перехресно. До виходу антенного перемикача до різницевого значення 6 підключений входом комутаційний модулятор 7, виходи якого з'єднані з кінцями первинної обмотки · · ö æ· · E3 ' ' = K1 × ç E1 - E2 + EП ÷ 8 триобмоткового НВЧ-трансформатора 9. Інша ç ÷ è ø (4) первинна обмотка 10 триобмоткового НВЧде К1 - коефіцієнт передачі, що враховує апертрансформатора 9 з'єднана з виходом антенного туру і передавальні властивості антен 1 і 2, сполуперемикача 5 безпосередньо. Середня точка перчних гн учких коаксіальних кабелів 3 і 4, і коефіцівинної обмотки 8 триобмоткового НВЧєнт трансформації триобмоткового НВЧтрансформатора 9 і другий кінець первинної обмотрансформатора 9; тки 10 триобмоткового НВЧ-трансформатора 9 заземлені. Вторинна обмотка 11 триобмоткового · EП - напруженість поля власних НВЧ-шумів і НВЧ-трансформатора 9 з'єднана з входами широперешкод, приведених до входів пристрою. космугового НВЧ-підсилювача 12, до виходу якого Радіоімпульсні НВЧ-сигнали (3) і (4) по черзі з підключені послідовно з'єднані квадратичний детенизькою частотою проходження підсилюються ктор 13, фільтр 14 нижніх частот, вибірковий підширокосмуговим НВЧ-підсилювачем 12 і піддасилювач 15, синхронний детектор 16, інтегратор ються квадратичному перетворенню і детектуван17 і вольтметр 18. Генератор 19 низької частоти ню в квадратичному детекторі 13. З урахуванням виходом з'єднаний з керуючими входами синхроусереднення імпульсів квадратованих сигналів у нного детектора 16 і комутаційного модулятора 7. фільтрі 14 нижніх частот формуються імпульси Позицією 20 позначена поверхня досліджуванапруг, середні значення яких ного біологічного об'єкту. Пристрій для дослідження електромагнітних 2 æ· ö полів біологічних об'єктів працює наступним чиU4 ' = K 2S1K 3 ç E3 ' ÷ ç ÷ ном. è ø (5) Антени 1 і 2 приймають електромагнітне ви2 промінювання з різних ділянок поверхні 20 досліæ· ö U4 ' ' = K 2S1K 3 ç E3 ' ' ÷ джуваного біологічного об'єкту. Вхідними сигналаç ÷ è ø (6) ми пристрою є аддитивна суміш шумових сигналів, де К2 - коефіцієнт підсилення широкосмугового що наводяться в антенах 1 і 2 тепловим і біологічНВЧ-підсилювача 12 по потужності; ним випромінюваннями об'єкту. З урахуванням S1 - крутизна перетворення квадратичного девласних шумів антен 1 і 2 аддитивну суміш шумів тектора 13; можна представити як алгебраїчну сум у комплексК3 - коефіцієнт передачі фільтру 14 нижніх чаних напруженостей складових електромагнітного стот. поля: При квадратичному перетворенні комплексних · · · · E1 = ET1+ EБ1+ EШ1 (1) · · напруженостей E3 ' і E3 ' ' слід врахувати: в ре· · · · зультаті квадратувания суми і різниці напруженосE2 = ET2 + EБ2 + EШ2 (2) тей утворюються поряд з квадратами складових і · · їх добутки. Шумові складові від теплових флуктуаде ET1 і ET2 - комплексні напруженості радіоцій об'єкту з різних ділянок поверхні є статистично теплових полів в зоні прийому антен 1 і 2; незалежними. Тому з урахуванням усереднення в · · EБ1 і EБ2 - комплексні напруженості біологіччасі добуток них полів в зоні прийому; · · ET 1× E T 2 = 0 (7) · · EШ1 і EШ2 - комплексні напруженості полів Шумові складові від флуктуацій біологічних власних шумів антен 1 і 2. струмів, за рахунок внутрішньої синхронізації фізіПри вказаному положенні антенних перемикаологічних процесів і ритмічної роботи внутрішніх · органів, в значній мірі корельовані. Тому їх добуток чів 5 і 6 НВЧ-сигнал E1 від антени 1 поступає безз урахуванням часового усереднення посередньо на первинну обмотку 10 триобмотко· · EБ1× EБ2 > 0 (8) 7 38471 8 Кількісно глибина статистичного зв'язку двох ì· · шумових процесів оцінюється коефіцієнтом взаємï ET1× EБ1 = 0, ï· ної кореляції, який може мати значення від 0 1. · ï E T1× EП = 0, Для біологічних шумів він близький до одиниці. ï Проте біологічні шуми виявляються завжди на тлі ï · · теплового шум у. Тому коефіцієнт взаємної кореï EБ1× EП = 0, ï· · ляції результуючи х шумів визначається співвідноí шенням біологічного шуму до теплового і істотно ïET2 × EБ2 = 0, ï· · менше одиниці. Якщо ж врахува ти внесок в реï E T2 × EП = 0, зультуючі шуми і власних шумів антен 1 і 2 та вхіï· · дних ланцюгів, то коефіцієнт взаємної кореляції ï EБ2 × EП = 0. вхідних шумових сигналів (1) і (2) в даному приï ï.......... .......... строї ще менше. î (9) Шумові складові від різних джерел також між Таким чином, в результаті квадратування і собою не корельовані, оскільки статистично незаусереднення радіоімпульсних НВЧ-сигналів (3) і лежні, тобто добуток (4) на виході фільтра 14 нижніх частот утворюються відеоімпульси з амплітудами: æ 2 2 2 2 2 2 2 · · ö ' · · · · · · · 2 U 5 = K1 K2K 3S1 × ç + + + + + + + r12 E1 E2 ÷ çET 1 EБ1 E Ш1 ET 2 ÷ ç E Б2 EШ2 EП ÷ è ø '' U5 æ 2 2 2 2 2 2 2 · · ö · · · · · · · 2 = K1 K2K 3S1 × ç + + + + + + - r12 E1 E2 ÷ çET 1 E Б1 EШ1 E T 2 ÷ ç EБ2 EШ2 EП ÷ è ø де r l2 - коефіцієнт взаємної кореляції резуль· · туючих шумів E1 і E2 . У виразах (10) і (11) усереднені квадрати напруженостей поля відображають відповідні потужності шумових процесів в смузі приймаємих частот (Df), a добутки напруженостей результуючи х шумів - кореляційний момент цих напруженостей в тій же смузі частот Df. Сумарна напруга U5' завжди більше різницевої напруги U5". Тому часова послідовність відеоімпульсів модульована з низькою частотою по амплітуді. Вибірковим підсилювачем 15, налагодженим на частоту генератора 19 низької частоти, виділяється і підсилюється низькочастотна огинаюча з амплітудою ' U5 '' - U5 × sign sin 2 pFt + D U6 (t ) 2 (12) де К4 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 15; F - частота комутації, що задається генератором 19 низької частоти; DU6 (t ) - низькочастотні шуми квадратичного детектора 13. Підсилена напруга (12) випрямляється синхронним детектором 16, а постійна складова випрямленої напруги виділяється з низькочастотних шумів інтегратором 17. Вихідна напруга інтегратора 17 U6 = K 4 × · · 2 U7 = K1 × K2K 3K4 S1 × r12 E1 E 2 = · · = S0 × r12 E1 E2 (13) вимірюється вольтметром 18. Далі проводять додаткові вимірювання при перемиканні антенного перемикача 6 в праве положення. При цьому на комутовану первинну обмотку 8 триобмоткового НВЧ-трансформатора 9 і некомутовану первинну обмотку 10 триобмоткового НВЧ-трансформатора 9 поступає тільки сигнал від антени 1. Оскільки в комутованому триобмот (10) (11) ковому НВЧ-трансформаторі 9 відбувається періодичне додавання і віднімання одного і того ж шумового сигналу, то вимірювана напруга U8 = S 0r1 · 2 = S0 · 2 E1 E1 (14) де r 1»1 - коефіцієнт автокореляції шумового результуючого випромінювання Е1. Антенний перемикач 6 повертають в початкове положення, а антенний перемикач 5 переводять в ліве положення. В цьому випадку на обидві первинні обмотки 8 і 10 триобмоткового НВЧтрансформатора 9 поступають шумові сигнали тільки від антени 2. Вимірювана вольтметром 18 напруга змінюється до значення U9 = S 0r 2 · 2 = S0 · 2 E2 E2 (15) де r 2»1 - коефіцієнт автокореляції результуючого випромінювання Е2. З урахуванням додаткових вимірювань (14) і (15) з виразу (13) обчислюється коефіцієнт взаємної кореляції результуючи х випромінювань: U7 r12 = U8 × U9 (16) Встановивши значення коефіцієнта взаємної кореляції r 12, визначають роздільно значення біологічних шумів об'єкту: UБ1=r 12U8 і UБ2=r 12U9 (17) Якщо напруги UБ1 і UБ2 розділити на крутизну одноканального перетворення S0, то отримаємо значення напруженостей біологічних складових електромагнітного поля досліджуваного біологічного об'єкту 20. Значення крутизни S0 отримують в процесі калібрування пристрою в електромагнітному полі із заданим значенням напруженості. Переміщуючи одну антену відносно другої або переміщуючи обидві антени відносно поверхні досліджуваного біологічного об'єкту 20, можна визначити конфігурацію біополя і його інтенсивність на окремих ділянках. 9 38471 10 Таким чином, за допомогою запропонованого - роздільно вимірювати інтенсивності електпристрою можна виявляти і оцінювати інтенсивромагнітного випромінювання від різних ділянок ність електромагнітного поля, що породжується поверхні біологічного об'єкту і тим самим визначафізіологічними процесами в живому організмі. При ти структур у і конфігурацію електромагнітного поцьому виключається вплив більш потужного радіоля; теплового поля, яке властиве будь-якому об'єкту - оцінювати інтенсивність біологічної складової живої і неживої природи. Завдяки одноканальній електромагнітного поля біологічних об'єктів в шиструктурі запропонованого пристрою збережені рокому спектральному діапазоні за рахунок випереваги пристрою-прототипу і отримані додаткові ключення вузькосмугових елементів і перетворюпозитивні властивості: вачів частоти; - можливість визначення нормованого коефіці- використовувати відомості про інтенсивність єнта взаємної кореляції між електромагнітними електромагнітного поля біологічного походження випромінюваннями від різних ділянок досліджувадля прогнозування електрофізіологічних процесів, ного біологічного об'єкту; що протікають в тілі людини і тварин. Комп’ютерна в ерстка А. Крижанівський Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601