Пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин

Пристрій для визначення поглинальної здатності біологічних тканин, що містить генератор міліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу якого підключені послідовно з'єднані перший амплітудний модулятор, атенюатор і циркулятор, до другого виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний детектор і перший вибірковий підсилювач частоти модуляції радіочастотний генератор, з'єднаний з керуючим входом першого амплітудного модулятора, антену і вимірювальний прилад, який відрізняється тим, що в нього введені другий амплітудний модулятор, перший і другий синхронні детектори, другий вибірковий пщсилювач, джерело опорної напруги, диференціальний підсилювач, інтегратор, перший і другий фільтри нижніх частот, дюдно-конденсаторна комірка і подільник частоти, вхід якого з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, вихід подільника частоти з'єднаний з керуючим входом другого амплітудного модулятора, під'єднаного до першого виходу циркулятора і входу-виходу антени, перший синхронний детектор сигнальним входом з'єднаний з виходом першого вибіркового підсилювача, керуючим входом з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, виходом з'єднаний з входом першого фільтра нижніх частот і входом дюдно-конденсаторної комірки, вихід якої з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з джерелом опорної напруги, вихід диференціального підсилювача через інтегратор з'єднаний з керуючим входом першого вибіркового підсилювача, вихід першого фільтра нижніх частот з'єднаний з послідовно включеними другим вибірковим підсилювачем, другим синхронним детектором і другим фільтром нижніх частот, до виходу якого підключений вимірювальний прилад, а керуючий вхід другого синхронного детектора з'єднаний з виходом подільника частоти О 1 CD CO Ю Винахід відноситься до області аналізу матеріалів за допомогою мікрохвиль і може бути використаний для виміру рівня поглинання електромагнітної енергії міліметрового діапазону довжин хвиль бюлопчними тканинами в медицині, бюлогк і сільському господарстві При опромінюванні біологічних тканин електромагнітними хвилями (ЕМХ) міліметрового діапазону (ЗО 300 ГТЦ) спостерігається еузькосмугове (резонансне) поглинання на деяких частотах, що отримали назву біологічно активних Відносна ширина смуг поглинання надто мала і не перевищує одиниці відсотків, а частіше складає десяті й соті частки відсотка (див Девятков Н Д , Голант М Б Особенности частотно-зависимых биологических эффектов при воздействии электромагнитных из лучений// Электронная техника Сер Электроника СВЧ, 1982, вып 12(348), С 46-50) Рівень поглинання ЕМХ залежить від потужності випромінювання і біофізичних властивостей тканин Так, при збільшенні потужності ЕМХ поглинання в живих тканинах зменшується особливо, в біологічних активних точках (БАТ) шкіри людини і тварин Шкіряні БАТ немов би тимчасово закриваються високопровідною "завісою", яка відбиває ЕМХ Тому біологічні ефекти в тканинах і органах можна спостерігати тільки при нетеплових інтенсивностях ЕМХ (потужність опромінювання в межах 10" 3 -10" S BT/CM 2 ) При нетепловому (бюінформаційному) впливі на біологічний матеріал в областях активних частот поглинання ЕМХ орієнтовно досягає 90 95% від потужності опромінювання 53677 Відомий також пристрій для визначення поПоза смугою поглинання цей показник знижується глинальної здатності біологічних тканин (див. Исдо 10 ..15%. Однак, точний вимір поглинаємої покин В Д. Биологические эффекты миллиметровых тужності і оцінка поглинальної здатності біологічволн и корреляционный метод их обнаружения них тканин пов'язані з деякими труднощами. Харьков, Изд. "Основа" при Харьковском универПри нетеплових інтенсивностях ЕМХ внасліситете, 1990, С.164-165), що містить генератор док відсутності теплових ефектів у опромінюваноміліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу му середовищі неможливо використати найбільш якого підключені послідовно з'єднані амплітудний чутливі І точні вимірювачі поглинутої' потужності модулятор, атенюатор і циркулятор, до другого калориметричні. По цій же причині не можуть бути виходу якого підключені послідовно з'єднані амплівикористані і ІНШІ типи теплових вимірників (тертудний детектор і вибірковий підсилювач, налашморезистивні, термоелектричні, болометричні). тований на частоту модуляції, радіочастотний геПоглинуту потужність можна оцінити по знанератор, з'єднаний з керуючим входом ченню коефіцієнта відбивання при стабілізованій амплітудного модулятора, антена і вимірювальний випромінюваній потужності Але потужність відбиприлад. Крім того, відомий пристрій містить метатих від біологічних тканин ЕМХ при допустимому S S 2 леву камеру з біологічним середовищем, що дорівні опромінювання (10~ -10* BT/CM ) настільки сліджується, в якій розміщена антена. За антену мала, що корисний сигнал важко виявити І зміряти використовується стержень прямокутного перетина фоні шумів і завад вимірювальної апаратури ну, виготовлений з радіопрозорого матеріалу. ЧасЯкщо врахувати і власне електромагнітне випротини поверхні стержня металізовані, а радіопрозомінювання, що генерується клітинами живого оррі ДІЛЬНИЦІ стержня контактують з біологічним ганізму і накладається на відбиті ЕМХ, задача висередовищем, що досліджується. У відомому приміру поглинальної здатності тканин ще більш строї потужність відбитої хвилі залежить не тільки ускладнюється. від поглинальних властивостей середовища, що Відомий пристрій для визначення поглинальдосліджується, але і від відгалужувальних властиної здатності біологічних тканин (див. Измерения в востей металізованих дільниць стержня - антени. электронике Справочник/ В.А Кузнецов, В А. ДолВ біологічних середовищах з високим рівнем погов, В М. Коневских и др Под ред. В А. Кузнецова глинання відбитий сигнал малий і його важко виді- М: Энергоатомиздат, 1987, С.219-220), що міслити з власних шумів амплітудного детектора і тить генератор монохроматичних сигналів, направисокочастотних завад Непостійність потужності влені відгалужувачі хвилі, що падає і відбитої хвигенератора міліметрового діапазону, особливо при лі, включені між генератором і об'єктом, який перебудові його частоти, зумовлює інформативні вимірюється, і вимірник відношення, входи якого зміни потужності як коливань, що падають, так і з'єднані з виходами направлених відгалужувачів. відбитих коливань. Нестабільності параметрів модулятора, циркулятора, детектора та інших елеПо відношенню вихідних напруг направлених ментів схеми безпосередньо впливають на ревідгалужувачів визначається коефіцієнт відбиванзультат виміру. ня об'єкту, по якому можна судити про рівень поглинутої потужності. Однак, неідентичність параметрів каналів хвилі що падає і відбитої' хвилі, В основу винаходу покладена задача створензавади в каналі відбитої хвилі і нестабільність нуня такого пристрою для визначення поглинальної ля схеми вимірника відношення не дозволяють здатності біологічних тканин, введення до якого визначати поглинальну здатність біологічних тканових елементів і зв'язків дозволило б визначати нин при малих рівнях сигналів, що порівнюються. поглинальну здатність по відносному значенню поглинутої потужності незалежно від рівня опроміВідомий пристрій для визначення поглинальнюючої потужності міліметрового діапазону і неної здатності біологічних тканин (див Чернушенко стабільності параметрів вимірювального тракту, А М , Майбородин А.В Измерение параметров що забезпечить підвищення точності оцінки поглиэлектронных приборов дециметрового и сантинальної здатності біологічних тканин в міліметрометрового диапазонов волн/ Под ред А М. Червому діапазоні довжин хвиль при нетепловій інтенушенко - М . Радио и связь, 1985, С.106-107), що нсивності зондуючого сигналу містить надвисокочастотний генератор, до виходу якого підключені послідовно з'єднані амплітудний Поставлена задача вирішується тим, що в модулятор, направлені еідгапужувачі хвилі, що пристрій для визначення поглинальної здатності падає і відбитої хвилі, резонансні підсилювачі часбіологічних тканин, що містить генератор міліметтоти модуляції, підключені до виходів детекторів рового діапазону довжин хвиль, до виходу якого хвилі що падає і відбитої хвилі, блок ділення, з'єдпідключені послідовно з'єднані перший амплітуднаний входами з виходами резонансних підсилюний модулятор, атенюатор і циркулятор, до друговачів, і індикатор, підключений через підсилювач го виходу якого підключені послідовно з'єднані до виходу блоку ділення. амплітудний детектор і перший вибірковий підсилювач частоти модуляції, радіочастотний генераАмплітудна модуляція хвилі, що падає і відбитор, з'єднаний з керуючим входом першого амплітої хвилі і резонансне підсилення продетектованих тудного модулятора, антену і вимірювальний сигналів дозволяє вимірювати коефіцієнт відбиприлад, згідно винаходу, введені другий амплітудвання при малих рівнях опромінювання об'єкту. ний модулятор, перший і другий синхронні детекОднак, неідентичність і нестабільність параметрів тори, другий вибірковий підсилювач, джерело оподвоканальної вимірювальної схеми не дозволяє рної напруги, диференціальний підсилювач, вимірювати малі значення коефіцієнта відбивання, інтегратор, перший І другий фільтри нижніх частот, а отже, вірогідно визначати рівень поглинаємої дюдно-конденсаторна комірка і по дільник частоти, енергії ЕМХ в областях біологічно активних частот. 53677 другий фільтр 13 нижніх частот і вимірювальний прилад 14. Радіочастотний генератор 15 з'єднаний з керуючими входами першого амплітудного модулятора 2, першого синхронного детектора 9 і входом подільника частоти 16, вихід якого з'єднаний з керуючими входами другого амплітудного модулятора 5 і другого синхронного детектора 12. До виходу першого синхронного детектора 9 через дюдноконденсаторну комірку 17 підключений першим входом диференціальний підсилювач 18, другий вхід якого з'єднаний з джерелом 19 опорної напруги. Вихід диференціального підсилювача 18 з'єднаний через інтегратор 20 з керуючим входом першого вибіркового підсилювача 8. Позицією 21 позначена біологічна тканина, що досліджується. Пристрій працює таким чином. Надвисокочастотні коливання генератора 1 міліметрового діапазону надходять до амплітудного модулятора 2, виконаного на pin-діодах. Високочастотна напруга радіочастотного генератора 15 (ЮОкГц) надходить до керуючого входу модулятора 2. В результаті періодичних змін коефіцієнта Саме введення в схему пристрою другого ампередачі модулятора 2 коливання міліметрового плітудного модулятора, який управляється сигнадіапазону будуть промодульовані по амплітуді з лом радіочастотного генератора через подільник заданою глибиною модуляції т і {10... 15%). Атечастоти, другого вибіркового підсилювача і двох нюатором 3 встановлюється інтенсивність зондусинхронних детекторів, перший з яких управляєтьючих коливань на рівні 10"12 - 10"14Вт. Нормовані ся сигналом радіочастотного генератора безпосепо інтенсивності коливання через циркулятор 4 редньо, а другий управляється цим же сигналом, надходять на амплітудний модулятор 5, виконаний але через подільник частоти, автоматичне регутакож на pin-діодах. На керуючий вхід модулятора лювання коефіцієнта підсилення першого вибірко5 впливає низькочастотна напруга прямокутної вого підсилювача вихідною напругою інтегратора, форми з виходу подільника частоти 16. Модулятор що заряджається диференціальним підсилюва5 працює по принципу повного відбивання надвичем, на один вхід якого впливає напруга першого сокочастотних коливань, коли на його керуючий синхронного детектора через введену діодновхід надходить замикаюча напруга. При цьому конденсаторну комірка, а на інший вхід впливає коефіцієнт передачі модулятора 5 близький до напруга джерела опорної напруги, виділення низьнуля. Коли замикаюча напруга знімається, модукочастотного різницевого сигналу введеним перлятор 5 пропускає коливання з невеликим ослабшим фільтром нижніх частот і другим вибірковим ленням. Таким чином, другий модулятор 5 забезпідсилювачем, усереднення результатів перетвопечує глибину модуляції Г 2 до 100%, тобто П рення другого синхронного детектування введепрацює в режимі переривання з одночасним відним другим фільтром нижніх частот і використання биванням перерваних коливань. усередненого сигналу як вимірювального забезпечує виключення впливу непостійності потужності При відкритому модуляторі 5 пакети пропущезондуючого сигналу, шумів і завад на виході виміних надвисокочастотних коливань надходять до рювального тракту, а також вплив нестабільності антени 6 і випромінюються у вигляді зондуючого параметрів самого вимірювального тракту на ресигналу на біологічну тканину 21, що досліджуєтьзультат виміру відносної' різниці інтенсивностей ся. Якщо частота коливань не співпадає з активзондуючого і відбитого сигналів, що забезпечує ною частотою біологічної тканини, то відбувається підвищення точності оцінки поглинальної здатності деяке поглинання зондуючого сигналу, а непоглибіологічних тканин в міліметровому діапазоні довнута частина відбивається. Відбитий сигнал прижин хвиль при нетепловій інтенсивності зондуючоймається антеною 6 і через відкритий модулятор 5 го сигналу. і циркулятор 4 спрямовується на амплітудний детектор 7. Водночас антеною 6 приймається власне На кресленні (див. Фіг.) наведена функціонанадвисокочастотне випромінювання міліметрового льна схема пристрою для визначення поглинальдіапазону, що також надходить на амплітудний ної здатності біологічних тканин. детектор 7. Пристрій містить генератор 1 міліметрового діапазону довжин хвиль, до виходу якого підклюПри закритому модуляторі 5 надвисокочастотчені послідовно з'єднані перший амплітудний моні коливання з виходу атенюатора 3 відбиваються дулятор 2, атенюатор 3, циркулятор 4, другий амвід входу модулятора 5 і через _ідео імпул 4 також плітудний модулятор 5 І антена 6. До другого спрямовуються на амплітудний детектор 7. виходу циркулятора підключені послідовно з'єднаЯк коливання, що падають, так і відбиті надвині амплітудний детектор 7, перший вибірковий підсокочастотні коливання, є слабкими сигналами, а силювач 8, перший синхронний детектор 9, перїхня інтенсивність порівняна, або навіть менш інший фільтр 10 нижніх частот, другий вибірковий тенсивності апаратурних завад і шумів. У резульпідсилювач 11, другий синхронний детектор 12, таті детектування пакетів модульованих надвисовхід якого з єднаний з виходом радіочастотного генератора, вихід подільника частоти з'єднаний з керуючим входом другого амплітудного модулятора, під'єднаного до першого виходу циркулятора і входу-виходу антени, перший синхронний детектор сигнальним входом з'єднаний з виходом першого вибіркового підсилювача, керуючим входом з'єднаний з виходом радіочастотного генератора, виходом з'єднаний з входом першого фільтру нижніх частот і входом дюдно-конденсаторноГ комірки, вихід якої з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з джерелом опорної' напруги, вихід диференціального підсилювача через інтегратор з'єднаний з керуючим входом першого вибіркового підсилювача, вихід першого фільтру нижніх частот з'єднаний з послідовно включеними другим вибірковим підсилювачем, другим синхронним детектором і другим фільтром нижніх частот, до виходу якого підключений вимірювальний прилад, а керуючий вхід другого синхронного детектора з'єднаний з виходом подільника частоти. 53677 кочастотних коливань утворюється суміш високочастотних коливань частоти модуляції і широкосмугового шуму. Вибірковим підсилювачем 8, налаштованим на частоту радіочастотного генератора 15, виділяються і посилюються пакети високочастотних модулюючих коливань. Посилена радіочастотна напруга детектується синхронним детектором 9, що управляється безпосередньо напругою модулюючого генератора 15. У результаті синхронного детектування пакетів високочастотних напруг утворюються _ідео імпульси з амплітудами: Ui = к-ікоНі-іо-ікоРі, (1) (2) U 2 = k 1 2 k 2 m?S 1 k 3 P 2 , де: кі - коефіцієнт передачі атенюатора 3; к 2 - коефіцієнт передачі циркулятора 4; Si - крутість перетворення амплітудного детектора 7; к3 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8; Рі - потужність зондуючих (що падають) коливань; Рг - потужність відбитих коливань. Фільтром 10 нижніх частот з послідовності відеоімпульсів з амплітудами U-] і U2 виділяється низькочастотна складова напруги частоти переривання з амплітудою У ^ ^ . . О) Змінна напруга з амплітудою ІІз посилюється другим вибірковим підсилювачем 11, налаштованим на вихідну частоту подільника 16. Посилена напруга випрямляється синхронним детектором 12, який управляється безпосередньо вихідною напругою подільника частоти 16. Фільтром 13 нижніх частот, що має більшу постійну часу, виділяється постійна складова напруги, а низькочастотні шуми придушуються. На вимірювальний прилад 14 надходить постійна напруга ,• , U4 — К 4 U 1 -U2 Г і 2і 2 2с , , Рі -Р? — K-j К 2 " " І ^ 1 ^ 3 ^ А • іл\ \*) де; кд - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 11. Відеоімпульси (1) і (2) з виходу синхронного детектора 9 надходять також на діодноконденсаторну комірку 17. Завдяки швидкому заряду і повільному розряду конденсатора клітинки відбувається запам'ятовування амплітуди більшого з послідовності відеоімпульсів. Потужність вагань, що падають завжди більше потужності відбитих коливань (Рі > Р2), тому вихідна напруга клітинки встановлюється на рівні напруги Ui. Тому на виході діодно-конденсаторної комірки 17 формується постійна напруга U 5 -U-i = k 1 k 2 m 1 S 1 k 3 — . (5) Постійна напруга U5 впливає на один вхід диференціального підсилювача 18, на інший вхід якого впливає постійна напруга Ue = const від джерела опорної напруги 19. На виході диференціального підсилювача формується посилена різницева напруга (6) де: кб - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 18. Напруга U? заряджає інтегратор 20, вихідна напруга якого управляє коефіцієнтом підсилення вибіркового підсилювача 8. Процес автоматичного регулювання підсилення відбувається до тих пір, доки вхідна напруга Інтегратора 20 не стане рівною НуЛЮ (U7 " 0). Прирівнюючи рівняння (6) нулю і вирішуючи його відносно кз, отримаємо значення коефіцієнта підсилення вибіркового підсилювача 8, що встановилося: (7) к3 = Підставив значення коефіцієнта підсилення (7) в вираз (4), отримаємо IL = k (8) З отриманого виразу (8) видно, що напруга Щ, що вимірюється приладом 14, пропорційна відносному значенню поглинутої потужності / Рі - Р? ч (—! 4-), що виключає вплив непостійності потужності електромагнітного випромінювання на оцінку поглинальної здатності біологічних тканин. Завдяки подвійному синхронному детектуванню коливань, що порівнюються в одноканальному тракті, на результат виміру не впливає також рівень власного електромагнітного випромінювання тканини, що досліджується, а також апаратурні шуми і завади перетворювального тракту. Крім того, на результат виміру не впливає нестабільність параметрів надвисокочастотного атенюатора 3 (кі) циркулятора 4 (кг), амплітудного детектора 7 (Si) а також непостійність глибини модуляції, що задається надвисокочастотним амплітудним модулятором 2 (т-і). Чутливість пристрою до рівня поглинаємої потужності легко регулюється зміною коефіцієнта підсилення к4 низькочастотного вибіркового підсилювача 11. Зміною частоти генератора 1 міліметрового діапазону довжин хвиль поглинальна здатність біологічних тканин оцінюється в залежності від значень біологічних активних частот Так, при збігу частоти генератора 1 з біологічно активною частотою поглинання різко зростає і коефіцієнт поглинальної здатності наближається до одиниці и _Р1-Р2 1 1. (9) Таким чином, по максимальним значенням kn можна визначати біологічні активні частоти тканин, а по зміні значення kn при розладнанні частоти визначати смугу поглинання на цих частотах. При перебудові частоти генератора 1 в широкому діапазоні частот можна зареєструвати спектр поглинання тканини, що досліджується, при заданому рівні електромагнітного випромінювання. Дослідження показали, що запропонований пристрій дозволяє досліджувати, зокрема, поглинальну здатність шкіри людини в діапазоні частот 50...80 ГГЦ при рівні опромінювання Рі 10" 3 2 Вт/см коефіцієнт поглинання різко зменшується і не перевищує значення 0 1.. 0.15. Фіг. TOB "Міжнародний науковий комгтет" вул. Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236 - 47 - 24