Пристрій для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об’єктів

Пристрій для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів, який складається з послідовно з'єднаних антени, НВЧмодулятора та циркулятора, до входу якого під'єднаний через встановлюючий атенюатор НВЧгенератор шуму, вихід циркулятора з'єднаний з вузькосмуговим радіометром, що включає послідовно з'єднані НВЧ-змішувач, НВЧ-гетеродин, який містить блок перенастроювання частоти, керований підсилювач проміжної частоти, амплітудний детектор, підсилювач низької частоти та двопівперюдний синхронний детектор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами НВЧ-модулятора та двопівперюдного синхро нного детектора, який відрізняється тим, що у нього введенні блок опорних напруг, інтегратор, керований ключ, фільтр низьких частот, автоматичний потентцюметр та два диференціальних підсилювачі, перший вхід першого диференціального підсилювача з'єднаний з виходом амплітудного детектора, другий вхід з'єднаний з першим виходом блока опорних напруг, вихід з'єднаний з входом підсилювача низької частоти і через керований ключ з входом фільтра низьких частот, вихід якого з'єднаний з першим входом другого диференціального підсилювачі, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом блока опорних напруг, вихід через інтегратор з'єднаний з керуючим входом керованого підсилювача проміжної частоти, генератор низької частоти виконаний парафазним, при цьому керований вхід НВЧ-модулятора та керований вхід ключа під'єднані до протифазних виходів генератора низької частоти, а керовані входи двопівперюдного синхронного детектора під'єднані до обох виходів генератора низької частоти, вхід автоматичного потенціометра під'єднаний до виходу двопівперюдного синхронного детектора, а його стрічкопротяжний механізм кінематично з'єднаний з приводом блока перенастроювання частоти НВЧ-гетеродина О о (О Винахід відноситься до техніки вимірювання характеристик електромагнітного поля біологічних об'єктів і може бути застосований для реєстрації спектра випромінювання, що надходить від внутрішніх структур людського організму та інших живих організмів Відомо, ЩО ВІД будь-якого нагрітого тіла надходить широкий спектр електромагнітного випромінювання Смуга частот з найбільшою інтенсивністю для біологічних об'єктів з температурою ЗО 40°С лежить у інфрачервоній (14) ДІЛЯНЦІ Найбільший інтерес являє собою електромагнітне випромінювання від внутрішніх органів та тканин об'єктів Але 14 випромінювання екранується поверхневими тканинами та шкірою Випромінювання у діапазоні надвисоких частот (НВЧ) містить у собі інформацію про внутрішні процеси, але його інтерпретація є більш складною Якщо у 14 діапазоні з причини сильного затухання електромагнітних хвиль у біологічних тканинах випромінююче тіло можна вважати однорідним та напівнескінченим, то при дослідженні на НВЧ необхідно враховувати "шаруватий" характер тканини тіла Це зумовлено тим, що розміри скін-рівнів та довжина хвиль у НВЧ-діапазоні співпадають з розмірами поверхневих шарів тіла та припущеною відстанню до джерел випромінювання Випромінююча здатність В нагрітих тіл у НВЧдіапазоні підпорядковується закону Релея-Джинса В = (2 /2кТр) / с2, 47460 де / - частота, к - стала Больцмана, Т - температура, р - коефіцієнт випромінювання сірості, с швидкість світла у вакуумі На характер частотної залежності інтенсивності електромагнітного поля (спектра випромінювання) значно впливає термонеоднорідність, яка виникає внаслідок запальних процесів, травм, пухлин та інших порушень у складі тканин Термонеоднорідності розташовані на різній глибині, наприклад, м'язова тканина, мають явно виражений екстремальний характер При цьому довжина хвилі максимального випромінювання залежить від глибини залягання та градієнта термонеоднорідності Таким чином реєстрація частотних залежностей інтенсивності НВЧ-випромінювання або його спектральної ЩІЛЬНОСТІ у різних точках поверхні тіла дозволяє виявити температурні аномалії, які пов'язані з патологічними процесами в організмі Для радіометри органів та тканини біологічних об'єктів використовують радіометри, що являють собою широкосмугові пристрої сантиметрового або міліметрового випромінювання з дозволениям по температурі 0,1К У якості давачів випромінювання використовують різні антени або відрізки хвилеводів, заповнених діелектричним матеріалом Прийняте випромінювання підсилюється, детектується та вимірюється реєструючим приладом Для вимірювання спектральних складових електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів доцільно використовувати вузькосмугові радіометри з гетеродинним перетворюванням частот приймального сигналу Вибором вузької смуги пропускання на проміжній (різницевій) частоті можна забезпечити високу дозволяючу здібність за спектральними складовими приймального випромінювання (див , Есепкина Н А , Корольков Д В , Парийский Ю В Радиотелескопы и радиометры/ М Наука, 1973, с 3 6 3 - 3 6 4 ) Відомий пристрій для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів за А С СССР, № 1553924, кл G 01 R 29/08, 1984, який складається з послідовно з'єднаних антени, НВЧ-модулятора, змішувача, підсилювача проміжної частоти, амплітудного детектора, підсилювача низької частоти, синхронного детектора та реєструючого пристрою, перенастроюваного за частотою НВЧ гетеродина, що підключається до другого виходу змішувача, генератора низької частоти, який з'єднаний з керуючими входами модулятора та синхронного детектора Перенастроюваний за частотою гетеродин забезпечує виділення вузької ділянки спектра випромінювання об'єкта, яка переноситься на проміжну частоту вузькосмугового підсилювача різницевої проміжної частоти, а потім після детектування і підсилювання реєструється вимірювальним приладом На реєструємий спектр випромінювання значно впливає непостійність потужності НВЧгетеродина у діапазоні перенастроювання частоти, нерівномірність частотної характеристики НВЧблоків, нестабільність коефіцієнта підсилювання вузькосмугового підсилювача проміжної частоти, чутливості амплітудного детектора та коефіцієнтів перетворювання інших елементів підсилювально перетворювального тракту Тому зареєстрований спектр випромінювання може значно відрізнятися від дійсного спектра випромінювання досліджуваного об'єкта Відомий також пристрій для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів (див, В С Троцкий, В Л Рахлин Нулевой медицинский радиометр на волну 30 сантиметров / Изв вузов, Радиофизика, 1987, Т 30, №11, с 1397 - 1399), який складається з послідовно з'єднаної антени, НВЧ-модулятора та циркулятора, до другого виходу якого під'єднаний через встановлюючий атенюатор НВЧ-генератор шума, вихід циркулятора з'єднаний з вузькосмуговим радіометром, що включає послідовно з'єднані НВЧ-змішувач, НВЧ-гетеродином, який містить блок перенастроювання частоти, керований підсилювач проміжної частоти, амплітудний детектор, підсилювач низької частоти та двопівперюдний синхронний детектор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами НВЧ-модулятора та двонапівперодного синхронного детектора Крім того, вихід двопівперюдного синхронного детектора радіометра з'єднаний з керуючими входами НВЧгенератора шуму, а реєструючий пристрій, який вимірює потужність компенсуючого шумового сигналу, підключений до виходу регулюємого НВЧгенератора шума Завдяки роботі вузькосмугового радіометра у режимі нуль-індикатора, який виробляє керуючий сигнал для генератора шуму, виключений вплив нестабільності параметрів самого радіометра Але нестабільність регулюємого за потужністю генератора шума, нелінійність характеристики регулювання, яка пов'язує потужність шумового сигнала з напругою керуючого сигнала, а також невисока точність реєстратора вихідної потужності генератора не забезпечує високої точності реєстрації складових спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів в широкому діапазоні частот Крім того, залежність коефіцієнта випромінювання (сірості) р від частоти /також вносить додаткову похибку в розподіл спектральної ЩІЛЬНОСТІ випромінювання нагрітого об'єкту, поскільки значення р об'єкту, як правило невідомо Задачею винаходу є створення такого пристрою для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів, у якому шляхом введення в його структуру нових елементів, електричних та механічних зв'язків досягалась би можливість використання нерегульованого генератора шуму з постійним значенням спектральної ЩІЛЬНОСТІ у широкому діапазоні частот, і завдяки цьому вимірювати ВІДНОСНІ ЗМІНИ спектральної ЩІЛЬНОСТІ електромагнітного випромінювання біологічного об'єкта відносно постійного рівня спектральної ЩІЛЬНОСТІ, ЩО ДОЗВОЛИТЬ З ВИСОКОЮ ТОЧНІСТЮ реєструвати нерівномірність спектра випромінювання біологічних об'єктів, незалежно від частотної варіації його коефіцієнта випромінювання Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для реєстрації спектра електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів, який складається з послідовно з'єднаних антени, НВЧ 47460 модулятора та циркулятора, до другого виходу якого під'єднаний через встановлюючий атенюатор НВЧ-генератор шуму, вихід циркулятора з'єднаний з вузькосмуговим радіометром, що включає послідовно з'єднані НВЧ-змішувач, НВЧгетеродин, який містить блок перенастроювання частоти, керований підсилювач проміжної частоти, амплітудний детектор, підсилювач низької частоти та двопівперюдний синхронний детектор, генератор низької частоти, що з'єднаний з керуючими входами НВЧ-модулятора та двопівперюдного синхронного детектора, згідно винаходу, введенні блок опорних напруг, інтегратор, керований ключ, фільтр нижчих частот, автоматичний потенціометр та два диференційних підсилювача, перший вхід першого диференційного підсилювача з'єднаний з виходом амплітудного детектора, другий вхід з'єднаний з першим виходом блока парних напруг, вихід з'єднаний з входом підсилювача низької частоти і через керований ключ з входами фільтра нижчих частот, вихід якого з'єднаний з першим входом другого диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом блока опорних напруг, вихід через інтегратор з'єднаний з керуючим входом керованого підсилювача проміжної частоти, вхід автоматичного потенціометра під'єднаний до виходу двопівперюдного синхронного детектора, а його стрічкопротяжний механізм кінематичне з'єднаний з приводом блока перенастроювання частоти НВЧ-гетеродина 14, під'єднаний до другого входу змішувача частоти 4, послідовно з'єднані інтегратор 15 та диференційний підсилювач 16, один вхід якого з'єднаний з першим виходом блока опорних напруг 17, другий вихід якого з*єднаний з другим входом диференційного підсилювача 7, керований ключ 18 через фільтр нижчих частот 19 з'єднаний з другим входом диференційного підсилювача 16, автоматичний потенціометр 20 входом під'єднаний до виходу двопівперюдного синхронного детектора 9, а його стрічкопротяжний механізм кінематичне з'єднаний з блоком перенастроювання частоти 14 Керуючий вхід НВЧ-модулятора 2 та керуючий вхід ключа 18 під'єднані до протифазних виходів генератора низької частоти 10, а керуючі входи двопівперюдного синхронного детектора 9 під'єднані до обох виходів генератора 10 Завдяки введенню у схему приладу двох диференційних підсилювачів, підключених до блока опорних напруг, перший з яких підключений між амплітудним детектором та підсилювачем низької частоти, другий під'єднаний через інтегратор до керуючого входу керованого підсилювача проміжної частоти, а один з його входів через фільтр нижчих частот та керуючий ключ під'єднаний до виходу першого диференціального підсилювача, реалізується можливість відносних вимірів спектральних щільностей випромінювання біологічних об'єктів та виключається вплив нестабільності параметрів вимірювальної схеми та непостійності потужності НВЧ-гетеродина у широкому діапазоні частот на точність виміру Синхронна робота стрічкопротяжного механізму автоматичного потенціометра, що реєструє ВІДНОСНІ зміни спектральної ЩІЛЬНОСТІ випромінювання, з блоком перенастроювання частоти гетеродина забезпечує реєстрацію нерівномірності спектра випромінювання біологічного об'єкта у широкому діапазоні частот незалежно від частоти варіації його коефіцієнта випромінювання U 2 = S t T x , (1) де Si - чутливість антени у НВЧ-діапазоні Сигнал з дисперсією (1) через замкнений модулятор 2 надходить до першого входу циркулятора 3, на другий вхід якого надходить сигнал від -2 генератора шума 2 з дисперсією ^° За вказаним напрямком проходження НВЧ-коливань через циркулятор 3 сигнал від антени 1 надходить на вхід НВЧ-змішувача 4, а сигнал від НВЧ-генератора шума 11 надходить в антену 1 та опромінює досліджуємий об'єкт 21 Оскільки коефіцієнт випромінювання в реальних об'єктів завжди менше одиниці (р ною Дсо, яка визначається смугою пропускання підсилювача 5 проміжної частоти У результаті гетеродинного перетворювання поточного спектра НВЧ-сигнала на виході підсилювача 5 формується вузькосмуговий сигнал у околі різницевої частоти сої - юг з шириною Дсо У один напівперюд роботи НВЧ-модулятора 2 дисперсія вузькосмугового шумового сигнала на виході підсилювача 5 8 Відеоімпульси (7) та (8) почергово діють на один вхід диференціиного підсилювача 7, на другий вхід якого надходить постійна напруга ІІ7 з першого виходу блока 17 опорних напруг Значення постійної напруги ІІ7 вибирається з умови компенсації власних шумів радіометра на виході детектора при закритій антені -2 2 Враховуючи умову (9) амплітуди відеоімпульсів на виході диференціиного підсилювача 7 приймають значення U l 2 8 ll (4) 2 = S 4 K 5 S 6 K 7 Ui V (co 1 ), 2 (10) 2 U 8 = S 4 K 5 S 6 K 7 K 1 1 U (co 2 )V (co 1 ), (11) де «7 - коефіцієнт підсилювання диференціиного підсилювача 7 Підсилювачем 8 низької частоти підсилюється змінна складова ПОСЛІДОВНОСТІ відеоімпульсів Амплітуда підсиленої напруги частоти Q (12) де Ks — коефіцієнт підсилення підсилювача 8 Змінна напруга з амплітудою Ug випрямляється двопівперюдним синхронним детектором 9 та надходить до реєстратора 20, у якості якого використовується автоматичний потенціометр Ключ 18 замикається у той інтервал часу, коли НВЧ-модулятор 2 розімкнутий, тобто відбиває, та на змішувач 4 надходить відбитий сигнал НВЧ(U'g ) 2 = S 4 K 5 (п'з ) 2 (» 2 )V 2 («0 = S 4 K 5 [ U ^ l + U ^ l l V 2 ! » , ) , (5) генератора шума 12, що забезпечується протифазними керуючими напругами генератора 10 В результаті такої роботи НВЧ-модулятора 2 та ключа де, S4 - крутизна гетеродинного перетворення, 18 на фільтр нижчих частот 19 діють тільки відеоіКб - коефіцієнт підсилювання підсилювача 5 у смумпульси (11) 3 них фільтром 19 нижчих частот зі пропускання, V2(coi) - потужність сигналу НВЧвиділяється постійна складова напруги — п гетеродина на встановленій частоті, ^ и з ) \.(Jd2) . U 1 0 = 1/2U" 8 =1/2S 4 K 5 S 6 K 7 K 11 Uo(co 2 )]V 2 (co 1 ), (13) спектральна ЩІЛЬНІСТЬ шумового сигналу у околі частоти аналізу У другий такт роботи НВЧ-модулятора 2 дисяка діє на один вхід диференціиного підсилюперсія вузькосмугового шумового сигналу приймає вача 16 На другий вхід цього підсилювача діє повигляд стійна напруга ІІц = const з другого виходу блока опорних напруг 17 Підсилена різницева напруга з 2 2 2 2 (п" 5 ) = S4K5 (п"з ) (» 2 )V (оо,) = S4K5 [К,, UoC^ ^ (6) виходу диференціиного підсилювача 16 заряджає інтегратор 15, вихідна напруга якого регулює коеПри ЗМІНІ частоти ом гетеродина 13 згідно зміфіцієнт підсилювання підсилювача 5 проміжної нюється спектральна ЩІЛЬНІСТЬ перетвореного частоти Процес регулювання коефіцієнта підсилювання відбувається до тих пір, поки ВХІДНІ наra сигналу t 3^ t 2J , яка відображає форму спектпруги диференціиного підсилювача 16 зрівняється рального випромінювання конкретного біологічнота інтегратор 15 перестане заряджатись У встаго об'єкта НВЧ-генератор шума 12 вибирається з новленому режимі порівнювані напруги рівні рівномірною спектральною ЩІЛЬНІСТЮ у діапазоні аналізуємих частот (типу "білий шум") Тому спекU 1 1 =U 1 0 =1/2S 4 K 5 S 6 K 7 K 1 1 Uo(co 2 )]V 2 (co 1 ), (14) -2 тральна ЩІЛЬНІСТЬ Uo(«2) = const З рівності (14) можна визначити автоматичне Пакети низькочастотних шумових сигналів з встановлене значення коефіцієнта підсилювання дисперсіями (5) та (6) почергово надходять на ампідсилювача 5 плітудний детектор 6 з квадратичною характеристикою, на виході якого формується відеоімпульси з K5=(2U11)/[S4S6K7K11Uo(«2)]V2(Co1)] (15) амплітудами -2 -2 U ' 6 = S 4 K 5 S 6 [Ui (co2) + и2{