Пристрій для діагностики внутрішніх органів живих істот

Пристрій для діагностики внутрішніх огранів живих істот, що містить ВЧ-генератор та НВЧгенератор, до виходу якого підключено ВЧамплітудний модулятор, керуючий вхід якого з'єднано з виходом ВЧ-генератора, а вихід - з входом НВЧ-атенюатора, блок розділення хвиль (БРХ), плечі падаючої та відбитої хвилі якого відповідно з'єднані з приймально-передавальною антеною та з послідовно включеними першим змінним атенюатором (ЗА), НВЧ-детекторною секцією, ВЧвідбірковим підсилювачем та ВЧ-синхронним детектором, керуючий вхід якого з'єднано з виходом ВЧ-генератора, а вихід - з послідовно включеним першим фільтром низької частоти (ФНЧ) та підсилювачем постійного струму (ППС), який відрізняється тим, шо в нього введено другий БРХ, другий ЗА, який включено між виходом плеча відбитої хвилі другого БРХ та входом НВЧ-детекторної секції, при цьому вихід плеча падаючої хвилі другого A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ВНУТРІШНІХ ОРГАНІВ ЖИВИХ ІСТОТ 35953 хвилі за напругою (Ксхн), який при великих значеннях відбиття прямує до нескінченності. Така особливість цього мікрохвилевого параметру забезпечує високу роздільну спроможність діагностичного пристрою до патологічних змін у внутрішніх органах та тканинах живих істот. Відомий пристрій для діагностики внутрішніх органів людини та тварин [див. Дубовская Н.Г., Житник Н.Е., Миронов А.В. и др. Принципы моделирования и схемотехнической реализации низкоинтенсивной КВЧ диагностической и терапевтической аппаратуры. - Вестник медицинских технологий.-1996.- Т. III.- №2. - С.89-92], до складу якого входять джерело живлення, вихід якого послідовно з'єднано з фільтром низьких частот (ФНЧ), НВЧ-генерагор на металдіелектрикнапівпровідниковому (МДН) діоді, який розміщено у відрізку хвилевода з короткозамикаючим поршнем і резонансний контур проміжної частоти, який через коло оберненого зв'язку з'єднано зі входом генераторного діода, смуговий КХЧ-фільтр та блок розділу падаючої та відбитої хвиль (БРХ), наприклад, триплечий Y-циркулятор, який підключено до відрізка хвилеводу, приймально-передавальна антена, яку підключено до плеча падаючої хвилі циркулятора, смугово-загороджуючий НВЧ-фільтр, з яким послідовно з'єднано і підключено до другого плеча циркулятора амплітудний детектор та індикатор. Монохроматичний сигнал НВЧ-генератора випромінюється на тіло людини, де змішується з власним електромагнітним випромінюванням організму. Відбита від внутрішніх органів живої істоти частина випромінювання з розширеним спектром знову поступає на МДН-діод, де змішується з первинним монохроматичним сигналом. Коливання низької різницевої частоти виділяються резонансним контуром проміжної частоти і через коло оберненого зв'язку надходять до МДН-діода. В результаті дії оберненого зв'язку відбитий сигнал підсилюється на низькій проміжній частоті, що підвищує чутливість пристрою до відбитого сигналу. Однак рівень відбитого сигналу, який після детектування надходить на індикатор, залежить як від рівня генерованої потужності, так і від рівня власного електромагнітного НВЧ випромінювання організму, величина якого залежить від інтенсивності фізіологічних процесів живої істоти па клітинному рівні. Тому за рівнем вимірюваного низько частотного сигналу неможливо зробити висновок про ступінь патології органів живих істот, які діагностуються. Також існує пристрій для діагностики внутрішніх органів людини та тварин [див. Абубакиров Б.А., Гудков K.Г., Нечаев Э.В. Измерение параметров радиотехнических цепей Под ред. В.Г.Андрущенко, Б.А.Фатеева. - М.: Радио и связь, 1984. - С. 114-118], який вміщує генератор високої частоти (ВЧ) і НВЧ генератор, вихід якого з'єднано з ВЧ-амплітудним модулятором, керуючий вхід якого з'єднано з виходом ВЧ-генератора, змінний НВЧ-атенюатор, БРХ та приймальнопередавальну антену. При цьому вхід НВЧатенюатора з'єднано виходом ВЧ-амплітудного модулятора, а вихід НВЧ-атенюатора з'єднаний з входом плеча відбитої хвилі БРХ, до бічного плеча відбитої хвилі якого підключено послідовно НВЧ детекторну секцію, вибірковий ВЧ-підсилювач та ВЧ-сннхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднано зі входом ВЧ-генератора, підключені послідовно ФНЧ, підсилювач сталої напруги і індикатор. Крім цього, пристрій вміщує другу НВЧдетекторну секцію, яку підключено до виходу БРХ плеча падаючої хвилі, другий вибірковий підсилювач частоти модуляції, а також вимірювач відношення, входи якого з'єднано з виходами першої та другої НВЧ - детекторних секцій. У вказаному пристрої діагностика внутрішніх органів живих істот проводиться безпосередньо за коефіцієнтом відбиття, що вимірюється |Г|=|Eвід|/|Eпад|, де |Eвід| - модуль амплітуди відбитої хвилі, |Eпад| - модуль амплітуди падаючої хвилі. При великих коефіцієнтах відбиття |Eвід|®|Eпад|, а значення |Г|®1. Величина |Eвід| мала, оскільки вимірювання проводяться при шкідливих рівнях опромінювання, значна частина якого поглинається тканиною органу, що діагностується. Крім того, неминуча неоднаковість та нестабільність параметрів двох БРХ. двох НВЧ детекторів, двох резонансних підсилювачів у схемі вимірювача відношення у відомому пристрої не усуваються, що обумовлює значну похибку вимірювання. В результаті невисокої точності вимірювання параметру, що діагностується, вірогідність діагнозу залишається низькою. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для діагностики внутрішніх органів живих істот таким чином, що введення нових елементів та зв'язків забезпечує незалежно від ступеня нестабільності та неідентичності параметрів вимірювальної схеми зменшення похибки вимірювання та точне визначення параметра, що діагностується, який опосередкований через чутливий до них мікрохвилевий параметр - Ксхн, а також об'ємні границі та локалізацію патологічних змін у органах і тканинах, оцінюючи рівень таких змін і, крім того, підвищення вірогідністі діагнозу. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для діагностики внутрішніх огранів живих істот, що містить ВЧ-генератор і НВЧ-генератор, до виходу якого підключено ВЧ-амплітудний модулятор, керуючий вхід якого з'єднано з виходом ВЧгенератора, а вихід - з керуючим входом НВЧатенюатора, БРХ падаючої та відбитої хвиль, до виходу каналу відбитої хвилі якого під'єднано послідовно атенюатор та НВЧ-детекторну секцію, вибірковий ВЧ-підсилювач та ВЧ-синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднано із виходом ВЧгенератора, а вихід - послідовно з першим ФНЧ та підсилювачем постійного струму (ППС), приймально-передавальну антену, наприклад, лінзову антену, які з'єднано з виходом БРХ каналу падаючої хвилі, введені додаткові елементи та зв'язки. Згідно винаходу, в нього введено другий БРХ, наприклад, циркулятор, другий змінний атенюатор (ЗА), який включено між виходом плеча відбитої хвилі другого БРХ та входом НВЧ-детекторної секції, перший керований НВЧ-вимикач, якого ввімкнено між входом плеча падаючої хвилі першого БРХ і виходом керованого атенюатора, другий керований НВЧ-вимикач, якого ввімкнено між входом падаючої хвилі другого БРХ і виходом керованого атенюатора, НЧ-вибірковий підсилювач, якого 2 35953 з'єднано з НЧ-синхронннм детектором, керуючий вхід якого з'єднано з керуючим входом першого НВЧ-вимикача, формувач імпульсів низької частоти, вхід якого з'єднано з виходом ВЧ-генератора, перший вихід якого з'єднано з керуючим входом НЧ-синхронного детектора, а другий вихід з'єднано з керуючим входом другого НВЧ-вимикача, диференціальний підсилювач та джерело зразкової напруги, вихід якого з'єднано з першим входом диференціального підсилювача, його другий вхід з'єднано з виходом НЧ-синхронного детектора через другий ФНЧ, вихід диференціального підсилювача через вимикач з'єднано із входом інтегратора, вихід якого з'єднано з керуючим входом НВЧ-атенюатора, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), вхід якого з'єднано з виходом ППС, перетворювач частота-код, вхід якого з'єднано через напрямлений відгалужувач з виходом НВЧгенератора, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), який з'єднано з керуючим входом НВЧ генератора, обчислювально-керуючий блок, наприклад ПЕОМ, який з'єднано через інтерфейсну шину двоспрямованими зв'язками з виходами АЦП і перетворювача частота-код, а також із входом ЦАП. Введення в схему пристрою вказаних додаткових елементів та зв'язків забезпечує підвищення чутливості та точності локалізації патологічних змін у тканинах органа, який діагностується, дозволяє визначити мікрохвилевий параметр, найбільш чутливий до структурних змін і біохімічних властивостей тканин внутрішніх органів живих істот, обумовлює достовірність діагнозу. Сутність винаходу пояснює графічний матеріал, на якому зображена функціональна схема пристрою для діагностики внутрішніх органів живих істот. Пристрій вміщує ВЧ-генератор 1, НВЧгенератор 2, до виходу якого підключено послідовно ВЧ-амплітудний модулятор 3, НВЧ-атенюатор 4, перший НВЧ-вимикач 5, до якого приєднано через плече падаючої хвилі першого БРХ 6 приймально-передавальну антену 7, а через плече відбитої хвилі першого БРХ 6 - перший ЗА 8, другий НВЧ-вимикач 9, вхід якого з'єднано з виходом НВЧ-атенюатора 4, а його вихід через плече падаючої хвилі другого БРХ 10 з'єднано з короткозамикачем 11, а плечем відбитої хвилі з другим ЗА 12, вихід якого з'єднано з виходом першого ЗА 8 та входом НВЧ-детекторної секції 13, вихід якої з'єднано з послідовно включеними вибірковим ВЧпідсилювачем 14, ВЧ-синхронним детектором 15, першим ФНЧ 16, ППС 17, АЦП 18, вибірковий НЧпідсилювач 19, вхід якого з'єднано з виходом ВЧсинхронного детектора 15, а вихід - із входом НЧсинхронного детектора 20, керуючий вхід якого з'єднано з виходом формувача НЧ-імпульсів 21, а вихід з другим ФНЧ 22, джерело зразкової напруги 23 з'єднано з першим входом диференціального підсилювача 24, інтегратор 25, вихід якого з'єднано з керуючим входом НВЧ-атенюатора 4, ЦАП 26, з'єднаний зі входом НВЧ - генератора 2, перетворювач частота - код 27, з'єднаного через напрямлений відгалужувач 28 з виходом генератора НВЧ2. Обчислювально-керуючий блок, наприклад, ПЕОМ 29, до складу якої входить запам'ятовувальний 30, обчислювальний З1 та керуючий 32 бло ки, дисплей 33, інтерфейсна шина 34, з якою через двонаправлені зв'язки з'єднані виходи АЦП 18, перетворювач частота-код 27 та вхід ЦАП 26, вимикач 35, якого з'єднано з виходом диференціального підсилювача 24 і входом інтегратора 25, індикатор 36, якого підключено до виходу другого ФНЧ 22 і другого входу диференціального підсилювача 24. Позиціями 37, 38 позначені відповідно об'єкт, який діагностується та металевий відбивач. Пристрій для діагностики внутрішніх органів живих істот працює таким чином. Високочастотний сигнал ВЧ-генератора 1 та сигнал НВЧ-генератора 2 поступають на ВЧамплітудний модулятор 3, де здійснюється амплітудна модуляція зондуючого НВЧ сигнала сигналом ВЧ. Глибина модуляції - т вибирається невеликою, приблизно 10...15%. Амплітудномодульований НВЧ сигнал через НВЧ-атенюатор 4 подається на НВЧ - вимикачі, кожен із яких керується різнополярними прямокутними імпульсами, що поступають з виходів формувача НЧ-імпульсів, частота проходження яких утворена діленням частот ВЧ-генератора 1. Коли перший НВЧ-вимикач 5 відкритий, НВЧсигнал поступає через плече падаючої хвилі БРХ 6 в антену 7 і випромінюється на об’єкт діагностики 37. Відбитий НВЧ сигнал приймається антеною 7 та через плече відбитої хвилі БРХ 6. ЗА 8 поступає на НВЧ-детекторну секцію 13. Якщо вольт-амперна характеристка детектора - квадратична, на виході НВЧ-детекторної секції 13 виділяється радіоімпульс з амплітудою Um1=(|Ea|×m×|T4|×|Tг|×|T8|×|Г|)2×Sд1= =|Ea|2×m2×|T4|2×|Tг|2×|T8|2×|Г|2×Sд1 (1) де |Ea| - модуль комплексної амплітуди напруженості поля на виході НВЧ генератора 2; |T4| - модуль коефіцієнта передачі НВЧатенюатора 4 при довільному керуючому сигналі; |Tг| - модуль коефіцієнта передачі НВЧ тракту від входу НВЧ-внмикача 5 до виходу ЗА 8, який вміщує плечі падаючої та відбитої хвиль БРХ 6 і антену 7; |T8| - модуль коефіцієнта передачі ЗА 8; |Г| - модуль коефіцієнта відбиття від об'єкта діагностики 37; |Sд1| чутливість НВЧ детекторної секції 13. При вимкненому НВЧ - вимикачі 5 і відкритому вимикачі 9 НВЧ сигнал проходить до короткозамикача 11 і, відбиваючись від нього, через плече відбитої хвилі БРХ 10 поступає на вхід ЗА 12, проходить його та детектується НВЧ-детекторною секцією 13. Амплітуда ВЧ радіоімпульса на виході НВЧдетекторної секції 13 приймає значення Um2 = Ea2×m2×|T4|2×|Tд|2×|T12|2×Sд1 (2) де |T¶| - модуль коефіцієнта передачі НВЧ тракту від входу другого НВЧ - вимикача 9 до виходу ЗА 12. Високочастотні радіоімпульси з амплітудами Um1 та Um2 по черзі підсилюються вибірковим ВЧпідсилювачем 14 на частоті ВЧ-генератора 1, синхронно детектуються ВЧ-синхронним детектором 15, яким керує безпосередньо ВЧ-генератор 1. На виході ВЧ-синхронного детектора 15 формуєтъся послідовність відеоімпульсів з амплітудами Um3=|Ea|2×m2×|T4|2×|Tг|2×|T8|2×|Г|2×Sд1×Sд2×K14, (3) Um4=|Ea|2×m2×|T4|2×|Tд |2×|T12|2×|Г|2×Sд1×Sд2×K14, (4) 3 35953 де К14- коефіцієнт підсилення вибіркового ВЧпідсилювача 14; Sд2 - чутливість ВЧ-синхронного детектора 15. Із послідовності відеоімпульсів з амплітудами Um3 та Um4 вибірковим НЧ-підсилювачем 19, який настроєно на частоту проходження імпульсів формувача 21, виділяється та підсилюється змінна складова напруги з амплітудою Um5=1/2(Um4-Um3)= =|Ea|2m2|T4|2Sд1Sд2K14K19(|Tд|2|T12|2-|Tг|2|T8|2|Г|2)/2,(5) де K19 - коефіцієнт підсилення НЧ - вибіркового підсилювача 19. Змінна складова напруги частоти переключення НВЧ - перемикачів 5 та 9 синхронно детектується НЧ-синхронним детектором 20, який керується вихідною напругою формувача НЧ - імпульсів 21. Випрямлена НЧ - синхронним детектором 20 напруга на виході ФНЧ 22 має вигляд U6=Sд3Um5= =1/2×|Ea|2×m2×|T4|2×Sд1×Sд2×Sд3× ×K14×K19×K22×(|Tд|2×|T12|2-|Tг|2×|T8|2×|Г|2), (6) де Sд3 - чутливість НЧ - синхронного детектора 20, К22 - коефіцієнт передачі другого ФНЧ 22. Якщо антена 7 буде опромінювати не об'єкт діагностування 37, а металевий відбивач 38, тоді одержимо сигнал (6) у вигляді U6=1/2×|Ea|2×m2×|T5|2×Sд1×Sд2×Sд3× ×K14×K19×K22×(|Tд |2×|T12|2-|Tг|2×|T8|2), (7) Після виключення вимикача 35 та регулювання ЗА 8 та 12 до одержання нульового показника індикатора 36, маємо U6=0, що можливо при |Tд|2×|T12|2=|Tг|2×|T8|2=|T|2, тобто коефіцієнти передачі НВЧ трактів |Tд| і |Tг| від входів першого та другого НВЧ - вимикачів 5 та 9 до входу в НВЧ детекторну секцію 13 стають однаковими (відкаліброваними) за рахунок встановлення нових значень коефіцієнтів передачі |T8| та |T12| змінних атенюаторів 8 та 12. Після проведення калібровки вмикається вимикач 35. На виході диференціального підсилювача 24 формується підсилена напруга різниці U7=1/2×|Ea|2×m2×|T4|2×|T|2 ×Sд1×Sд2×Sд3× ×K19×K22×K24×(1-|Г|2)-U0, (6) де K24 - косфіцієнт підсилення диференціального підсилювача 24, U0 - опорна напруга джерела зразкової напруги 23. Напруга U7 заряджає інтегратор 25, вихідна напруга якого керує коефіцієнтом передачі І НВЧатенюатора 4. Процес регулювання коефіцієнта передачі ГВЧ-атенюатора 4 продовжується до тих пір, поки напруга U7 не стане рівною нулю. В цьому випадку рівняння (8) набуває вигляду U7=U7-U0=1/2×|Ea|2×m2×|T4|2×|T|2×Sд1×Sд2×Sд3× ×K14×K19×K22×K24×(1-|Г|2)=0, (9) звідки знаходимо встановлене значення коефіцієнта передачі НВЧ-атенюатора 4 2 T4 = = де К16- коефіцієнт передачі першого ФНЧ 16. Напруга U8 підсилюється ППС 17, перетворюється АЦП 18 в машинний код, обчислювальнокеруючого блоку 29 - ПЕОМ, значення якого з урахуванням (10) набуває вигляду 1+ Г K ×K N = 17 18 × U 0 × K 16 1- Г 2 , (12) де К16 - коефіцієнт передачі першого ФНЧ 16, К17 коефіцієнт підсилення ППС 17, К18 - коефіцієнт перетворення АЦП 18. Якщо коефіцієнт перетворення АЦП 18 вибрати за умовою K 18 = K 16 K 17 , (13) то величина перетвореної АЦП 18 вихідної напруги (12) в код стає рівною N = U0 × 1+ Г 2 1- Г 2 = U 0 × Ксхн . Наявність різницевої величини 1- Г (14) 2 в зна меннику виразу (14) збільшує чутливість діагностичного пристрою. Так, при |Г|®1, знаменник виразу (14) починає швидко зменшуватися, що призводить до різкого зростання вихідного сигналу N АЦП 18 і, відповідно, чутливості пристрою до діагностичного параметру Р та до збільшення його роздільної спроможності. Із виразу (14) видно, що величина Ксхн(Р) як функція діагностуючого параметра P та глибини зондування d(f) дорівнює Ксхн( P, d ) = 1 ×N U0 (15) і не залежить від інтенсивності НВЧ опромінювання, яка характеризується величиною |Ea|2, нестабільності параметрів НВЧ, ВЧ, НЧ елементів (K14, K19, K16, K17, K18, K20, K22, K24, Sд1, Sд2, Sд3, |T5|, |T|). Завдяки подвійному вибірковому підсиленню по ВЧ і НЧ та подвійному синхронному детектуванню ВЧ і НЧ сигналів можливо досягти високих коефіцієнтів підсилення відбитого від об'єкту сигналу та співвідношення сигнал/шум підсилювальноперетворювальних каналів. Неминуче частотне розстроювання ВЧ вибіркового підсилювача також не впливає на результат вимірювання, бо ВЧрадіоімпульси зондуючого та відбитого сигналів підсилюються по черзі одним і тим же розстроювальним підсилювачем 14. Одержані статистичні масиви даних Pi та dj за допомогою інших пристроїв - рентгенівської апаратури, томографів і паралельно одержані масиви статистичних даних Ксхн дозволяють розрахувати та побудувати криві регресії Ксхн(P) та Ксхн(d) і зберігати їх як калі6ровочні графіки в пам'яті ПЕОМ 29. Глибина проникнення d зондуючого сигналу в об'єкт діагностування регулюється ЦАП 26 шляхом зміни частоти НВЧ генератора 1, а сама частота реєструється ПЕОМ 29. Криві регресії Ксхн(P) та Ксхн(d), а також d(f) дають можливість за розрахованими значеннями Ксхн(P,d) визначити діагностовані параметри Рi, їх локалізацію в об'ємі (10) 2U 0 2 2 2 E a m 2 T S д1 S д 2 S д3 K 14 K 19 K 22 K 24 (1 - Г ) Із послідовності відеоімпульсів з амплітудами Um3 і Um4 першого ФНЧ 16 виділяться також стала складова напруги (11) U8=K16×(Um4+Um3)/2= =1/2|Ea|2m2|T4|2|T|2Sд1Sд2Sд3K14K19K22K24K16(1+|Г|2), 4 35953 внутрішнього органу або у всьому об'ємі тіла живої істоти відобразити ці дані на екрані дисплея 33. Дослідження показали, що зондування внутрі шніх органів людини в діапазоні частот від 0,5 до 37,5 ГГц дозволяє виявляти зміни діагностуючого параметра на глибині до 5см з похибкою 0,5...1%. Фіг. 5 35953 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6