Акустотермометр з фокусуючим п’єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об’єктів

Реферат: Акустотермометр з фокусуючим п'єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об'єктів додатково містить фокусуючу безабераційну плоско-ввігнуту еліптичну лінзу та узгоджувальні шари, через які здійснюється контакт зі шкірою пацієнта. UA 73497 U (54) АКУСТОТЕРМОМЕТР З ФОКУСУЮЧИМ П'ЄЗОПРИЙМАЧЕМ ТЕПЛОВОГО АКУСТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ДЛЯ ЗОНДУВАННЯ ВНУТРІШНЬОЇ ТЕМПЕРАТУРИ БІОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ UA 73497 U UA 73497 U 5 10 15 20 25 Запропонована корисна модель належить до галузі медичної техніки і призначена для неінвазивного вимірювання глибинної температури тіла людини. Найближчий аналог акустотермометра, який заявляється, є [Патент 2,055,331, Росія, G01K 11/22, 27.02.1996р.]. Акустотермометр містить п'єзоприймач акустичного випромінювання з камерою модулятора, що заповнена імерсійною рідиною, має перетворювач акустичного випромінювання в електричний сигнал, вимірювач температури камери модулятора, послідовно з'єднані з перетворювачем високочастотний смуговий фільтр, квадратичний детектор, синхронний детектор, фільтр низьких частот, суматор, блок реєстрації та індикації та блок регулювання смуги пропускання фільтрів. Акустотермометр виконано в багатоканальному варіанті, що включає один або декілька додаткових каналів, перетворювачі яких розташовані в корпусі приймача. Недоліком аналога є те, що при його використанні потрібно застосовувати двочастотне зондування середовища, при цьому необхідне апріорне знання коефіцієнта поглинання середовища, що не завжди є можливим. В основу корисної моделі поставлено задачу проектування акустотермометра з фокусуючим п'єзоприймачем, при використанні якого можна було б вимірювати абсолютну глибинну температуру тіла людини одночастотним, одноканальним методом. Це дозволило б отримувати інформацію на визначеній глибині без апріорного знання коефіцієнта поглинання середовища. Поставлена задача вирішується тим, що акустотермометр з фокусуючим п'єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об'єктів додатково містить фокусуючу безабераційну плоско-ввігнуту еліптичну лінзу та узгоджувальні шари, через які здійснюється контакт зі шкірою пацієнта. При цьому основний вклад в сумарну інтенсивність шумів дає випромінювання зі сфери лінзи у фокусі з радіусом, рівним кореляційному радіусу к   / 2 , яке після лінзи падає на поверхню п'єзоприймача нормально у вигляді плоскої хвилі. В результаті точність вимірювання збільшується до порогової. Електричним навантаженням є індуктивність L , що налаштована в резонанс з ємністю п'єзопластини з затисненими електродами C S ( S  0 - зміщення поверхні пластини) і 0 2 компенсує цю ємність на частоті  f0, L  1/ 0 C S . 0 30 35 40 45 50 55 Точність вимірювання на кінцевому інтервалі часу по кінцевому числу N вибіркових точок ˆ ˆ та її дисперсія  2 , а їх оцінки T і  2 , визначається сумою оцінки дисперсії та середньоквадратичного відхилення оцінки дисперсії від температури: ˆ ˆ 2  2  2 / N . На Фіг. 1 наведена блок-схема акустотермометра, де 1 - фокусуючий п'єзоприймач акустотермометра, 2 - широкосмуговий підсилювач високої частоти, 3 - інерційний однопівперіодний детектор з ємнісним фільтром нижніх частот, 4 - перетворювач опору в постійний струм, 5 - реєструючий пристрій. На Фіг. 2 наведено узгоджене схематичне зображення п'єзоприймача теплового акустичного випромінювання, де znn, z сл, z л, z ср - питомі акустичні імпеданси п'єзоприймача, шару, лінзи та Ti , коли визначається не істина температура T середовища, L - індуктивність, U  - сумарна напруга на виході п'єзоприймача. Пристрій працює наступним чином: фокусуючий п'єзоприймач акустотермометра 1 (Фіг. 1) контактує з біологічним об'єктом. Сигнал з виходу п'єзоприймача подається на широкосмуговий підсилювач високої частоти 2, при цьому здійснюється модуляція напруги на виході п'єзоелектричного приймача за допомогою електронної комутації входу підсилювача високих частот 2 з п'єзоприймача на еталон шуму, що має таку ж, як і п'єзоприймач амплітудно-частотну характеристику та близьке значення середнього квадрату напруги на виході. З виходу підсилювача високих частот 2 сигнал подається на інерційний однопівперіодний детектор з ємнісним фільтром нижніх частот (ФНЧ) 3, що виділяє змінну частину випрямленого середнього значення напруги шумів. З виходу детектора сигнал подається на перетворювач опору в постійний струм 4 для збільшення відношення модуляційної складової до теплових флуктуацій напруги на виході інерційного детектора. Імпульси модулюючої напруги від пристрою запуску блока 4 подаються на електронний комутатор. З виходу перетворювача сигнал подається на реєструючий пристрій 5. Після ФНЧ, у випадку смугового "білого" шуму, порогова точність вимірювання температури рівна: ( / T )пор  2 2 /   2 2 /() , 1 UA 73497 U де  f - полоса частот п'єзоприймача,   1/  - полоса частот ФНЧ (RC - фильтра,   RC ); двійка перед коренем враховує віднімання двох постійних рівнів при модуляційному методі вимірювання. На (Фіг. 2) znn, zш, z л, zс - питомі акустичні імпеданси п'єзоприймача, шару, лінзи та 5 середовища; L - індуктивність; U  - сумарна напруга на виході п'єзоприймача. Квадрат сумарної напруги на виході п'єзоприймача рівний: U2  10 z D 2  2   ( zш / z с )2  Unn (1  )  л ( )  . (1) z с 2F   Тобто, інтенсивність власних електричних шумів п'єзоприймача значно, в ( zш / zс )2 раз, перевищує інтенсивність електричного шуму акустичного сигналу, а, отже, точність вимірювання температури  в стільки ж разів більша порогової. З (1) видно, що при   1 вклад в U2  дає акустичне теплове випромінювання з фокусу лінзи та електричні теплові шуми опору п'єзоприймача R  ( z сл / z ср )2 R 0 . Тому:  z ср  2F   / T  1   ( / T )пор . z л  D     15 20 Тобто, при використанні акустотермометра з фокусуючою безабераційною плоско-ввігнутою еліптичною лінзою послаблення дифузної компоненти в порівнянні з тою, що пропускається без послаблення, яка корельована, випромінена зі сфери радіуса кор   / 2 (  - довжина акустичної хвилі в рідині) та знаходиться в фокусі лінзи, дозволяє отримати ту ж точність, що і при використанні багатоканального акустотермометра, але на більшій відстані і в реальному часі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Акустотермометр з фокусуючим п'єзоприймачем теплового акустичного випромінювання для зондування внутрішньої температури біологічних об'єктів, що складається з п'єзоперетворювача, широкосмугового підсилювача високої частоти, інерційного однопівперіодного детектора з ємнісним фільтром нижніх частот, перетворювача опору в постійний струм та реєструючого пристрою, який відрізняється тим, що додатково містить фокусуючу безабераційну плоско-ввігнуту еліптичну лінзу та узгоджувальні шари, через які здійснюється контакт зі шкірою пацієнта. 2 UA 73497 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3