Пристрій для вимірювання теплових потоків

Реферат: Даний винахід належить до вимірювачів теплових потоків для використання у галузі медицини, зокрема медичної техніки, і може бути використаний для проведення функціональної діагностики, діагностики запальних процесів та моніторингу стану хворих у період реабілітації. Заявлений пристрій для вимірювання теплових потоків складається із термостатованого блока з циліндричною зовнішньою оболонкою, який містить затвор вхідного отвору із вмонтованим ІЧфільтром, діелектричну рамку, в якій знаходиться чутливий елемент приймача теплового випромінювання у вигляді плоскої батареї з анізотропних термоелементів поміж приймальною та тіньовою площадками, та електричної схеми, яка має з'єднані між собою блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, тактовий генератор та реєструючий пристрій. До термостатованого UA 115681 C2 (12) UA 115681 C2 блока додатково входить сферичний порожнинний корпус, виконаний з двох дзеркальних півсфер. Чутливий елемент приймача теплового випромінювання, який знаходиться поміж приймальною та тіньовою площадками, виконаними однаковими за розміром, формою та покриттям, розташований у сферичному порожнинному корпусі. Винахід полягає у здійсненні безконтактного вимірювання інтенсивності теплових потоків різних ділянок тіла людини при діагностиці запалень, стану післяопераційних та пошкоджених ділянок тіла у випадках, коли вимірювання контактним способом утруднене або взагалі неможливе, та дозволяє оцінити динаміку функціонування органів і тканин людини, та при порівнянні отриманих сигналів вимірювання на здорових та досліджуваних ділянках тіла - скласти уяву про функціональні порушення досліджуваного органа. UA 115681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується вимірювачів теплових потоків для використання у галузі медицини, зокрема, медичної техніки, і може бути використаний для проведення функціональної діагностики, діагностики запальних процесів та моніторингу стану хворих у період реабілітації. Відомо, що температура, як медичний показник, залежить від стану практично всіх органів і систем організму. Отже, порушення функціонування кожного з них повинно впливати на всю систему терморегуляції та відображатися на розподілі температурних полів організму людини. Значним прогресом у використанні термометричних методів діагностики є використання безконтактних методів вимірювання температури тіла. Вони застосовуються для дослідження термометрії глибинних шарів біологічного об'єкта. Метод базується на реєстрації власного електромагнітного випромінювання біооб'єктів і дозволяє вимірювати теплові потоки його глибинних шарів, що має велике значення для діагностики запальних процесів організму людини. Аналогом винаходу є пристрій для контролю температури (Авторское. свидетельство БИ № 1622778 СССР, МКИ Αl СО 1 25/02. Устройство для контроля температуры стекла / Белов М.Е., Ветошников B.C., Пилат И.М., Ключ С.Я., Чиликин В.П.; Заявитель Черновицкий государственный университет, предприятие п/я А-7727. - № заявки 4329828 от 20.11.1987; опубл. 23.01.1991, бюл. № 3), який використовується для реєстрації радіаційних теплових потоків при нагріванні скла під час його термічної обробки. Він містить оптичну систему, до складу якої входить IЧ-фільтр та приймач випромінювання теплового потоку, встановлені всередині термостатованого блока. Чутливий елемент приймача теплового. випромінювання виконано у вигляді плоскої батареї з анізотропних термоелементів, розташованих між приймальною та тіньовою площадками. При цьому тіньова площадка виконана зі смужки фольги та обернена до задньої стінки термостатованого блоку, що використовується як опорне джерело. Пристрій призначений для роботи у температурному інтервалі 473-973°К у безперервному режимі при вимірюванні теплового потоку від об'єкта, який має сталий процес нагрівання. Недоліком аналогу-пристрою є те, що інтервал вимірювання температури не відповідає робочому діапазону спектра випромінювання теплового потоку людини. Прототипом винаходу є пристрій для виміру радіаційних теплових потоків (Пат. 25102 А Україна, МПК А61В 5/00, G01K 13/00, G01J 5/02. Пристрій для вимірювання радіаційних теплових потоків / Вєтошніков B.C., Белов Μ.Є.; Заявник МП "ВАМП-АТ". - № заяви 95031206 від 17.03.1995; опубл. 25.12.1998.), який містить встановлені всередині термостатованого блоку приймач теплового випромінювання, ІЧ-фільтр, та пристрій реєстрації, причому чутливий елемент приймача теплового випромінювання виконано у вигляді плоскої батареї із анізотропних термоелементів, що знаходяться поміж приймальною та тіньовою площадками. Тіньова площадка є більшою за розміром ніж приймальна, та на відміну від неї виконана у формі П-подібної пластини із полоси фольги та обернена в бік задньої стінки термостатованого блока, що використовується як опорне джерело. Він включає встановлений перед ІЧ-фільтром затвор, що задає однаковий час енергетичної експозиції чутливого елемента, а також блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором з електромагнітним приводом і пристроєм реєстрації. Недоліком прототипу-пристрою є те, що важко із необхідною точністю проводити в інтервалі температур 275-323 K вимірювання змінних теплових потоків від біологічних об'єктів у зв'язку з їх нестабільністю, пов'язаною із специфікою життєдіяльності організму, оскільки при величинах потоків, близьких за рівнем до фонових, неможливо повністю виключити вплив власних шумів теплового приймача випромінювання та арматури його оптичного тракту на корисний сигнал, а також незбалансованість тепловтрат і тепло натікання приймальної та тіньової площадок, що призводять до незадовільного співвідношення сигнал-шум, дрейфу нуля відліку сигналу і як результат погіршенню точності вимірів. В основу винаходу поставлено задачу створити пристрій для вимірювання теплового потоку, що забезпечить динамічну теплометрію людського організму шляхом підвищення точності вимірювання інтенсивності теплового потоку в температурному інтервалі 275-323 K. Ознаки винаходу: - затвор; - вхідний отвір із вмонтованим ІЧ-фільтром; - плоска батарея з анізотропних термоелементів з приймальною та тіньовою площадкою; - термостатований блок: діелектрична рамка, сферичний порожнинний корпус, циліндрична зовнішня оболонка; 1 UA 115681 C2 5 10 - електрична схема: блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, тактовий генератор, реєструючий пристрій. Спільними ознаками винаходу та прототипу є затвор; вхідний отвір із вмонтованим ІЧфільтром; плоска батарея з анізотропних термоелементів з приймальною та тіньовою площадкою; термостатований блок: діелектрична рамка, циліндрична зовнішня оболонка; електрична схема: блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, тактовий генератор, реєструючий пристрій. Відмінність винаходу від прототипу наведена в таблиці. Таблиця Порівняння винаходу та прототипу за ознаками Ознаки затвор вхідний отвір із вмонтованим ІЧ-фільтром плоска батарея з анізотропних термоелементів з приймальною та тіньовою площадкою Прототип використовується Винахід використовується використовується використовується тіньова площадка є більшою за розміром ніж приймальна, на відміну від неї виконана у формі Пподібної пластини із смуги фольги термостатований блок електрична схема 15 20 25 30 35 40 діелектрична рамка, циліндрична зовнішня оболонка використовується приймальна та тіньова площадки однакові за розміром, формою і покриттям діелектрична рамка, сферичний порожнинний корпус, циліндрична зовнішня оболонка використовується Визначення термінів, які використовуються в описі винаходу: інтенсивність теплового потоку, термостатування, затвор, плоска батарея з анізотропних термоелементів, блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, термостатований блок. Теоретичні передумови здійснення винаходу. Температура тіла це комплексний показник теплового стану організму людини, що відображає складний функціональний зв'язок між теплопродукцією різних органів і тканин та теплообміном між ними і зовнішнім середовищем. Середня температура людського тіла, зазвичай, коливається в діапазоні між 36,5 °C і 37,2 °C (309,5 K і 310,2 K), завдяки внутрішнім екзотермічним реакціям, що дозволяють випромінювати надлишок тепла. Виявлено температурні відмінності між внутрішніми органами (кілька десятих градуса); різниця між температурою внутрішніх органів, м'язів і шкіри може становити до 5-10 °C (278-283 K). Температура різних ділянок тіла людини при температурі навколишнього середовища, що становить 20 °C (293 K); для внутрішніх органів 37 °C (310 K) для пахвинної западини - 36 °C (309 K); для глибокої м'язової ділянки стегна - 35 °C (308 K); для глибоких шарів литкового м'яза 33 °C (300 K); для ділянки ліктьового згину 32 °C (305 K); для кисті - 28 °C (301 K); для центральної ділянки стопи - 27-28 °C (300-301 K). Інтенсивність теплового випромінювання тіла збільшується з підвищенням його температури, тому її реєстрація дозволяє зробити висновок про стан ділянки чи органа тіла. Пристрій здійснюється наступним чином. На фіг. 1 наведена схема пристрою. Чутливий елемент приймача теплового випромінювання виконано у вигляді плоскої батареї із анізотропних термоелементів 1, знаходиться поміж двох однакових за розміром, формою і покриттям площадок - приймальної та тіньової, що забезпечує симетричне теплове навантаження, розташований у сферичному порожнинному корпусі, виготовленому з двох дзеркальних півсфер 2 і 3. У діаметральній площині корпуса, перпендикулярній до оптичної осі, міститься діелектрична рамка 4, яка також має з обох боків дзеркальне відбиваюче покриття. Сферичний корпус (2 та 3) розташований у циліндричній зовнішній оболонці 5. Дана оболонка та півсфера 2 містять вхідний отвір, в якому розташований ІЧ-фільтр 6, перед яким встановлений затвор 7. Електрична схема представлена блоком 8 виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, 2 UA 115681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 синхронізований тактовим генератором із затвором, тактовим генератором 9 та реєструючим пристроєм 10. На фіг. 2 представлений загальний вигляд пристрою для вимірювання теплових потоків. На фіг. 3 представлений внутрішній вигляд даного пристрою. Вхідний сигнал - тепловий потік від людського організму - проходить через вхідний отвір у циліндричній зовнішній оболонці 5 та ІЧ-фільтр 6 у даному отворі; попадає на плоску батарею із анізотропних термоелементів 1 з приймальною та тіньовою площадкою; віддзеркалюється від півсфер 2 і 3 і знову попадає на чутливий елемент. Далі отриманий сигнал проходить через блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, та виводиться на реєструючий пристрій. Півсфери 2 та 3 мають температуру зовнішнього середовища, отже випромінюють відповідні теплові потоки, а також, при закритому затворі, віддзеркалюють ці ж теплові потоки, тобто знаходяться у термодинамічній рівновазі; а при відкритому затворі, півсфера 2 віддзеркалює ще й падаючий тепловий потік вхідного сигналу. Вхідний сигнал чутливого елемента 1 пропорційний ІЧ-потоку, який падає через вхідний отвір з ІЧ-фільтром 6, та тепловому потоку, випромінюваному півсферою 2 і віддзеркаленому нею, мінус тепловий потік, випромінюваний півсферою 3 і віддзеркалений нею. У цьому випадку при зміні температури навколишнього середовища та зміні температури корпусу приладу, результуючий сигнал буде пропорційним тільки тепловому потоку, який падає через вхідний отвір. Таким чином на вимірювання інтенсивності теплового потоку не впливає температура навколишнього середовища та власна температура приладу, що підвищує точність вимірювання. Точність реєстрації інтенсивності теплового потоку при вимірюванні температури ділянок тіла людини складає 0,02 K в температурному діапазоні 275+323 K. Приклади використання винаходу. Приклад 1. Використання пристрою в режимі сканування температурного поля пацієнта при обстеженні післяопераційних швів дозволяє у перші години післяопераційного втручання знаходити зони можливої концентрації інфільтрату та зони можливого виникнення запалення, що в свою чергу дає змогу запобігти його виникненню. Сканування проводиться у режимі неперервного знімання корисного сигналу. Швидкість переміщення вимірювального пристрою може знаходитися в межах 515 см/с. Відстань між вхідним отвором та досліджуваною поверхнею тіла людини становить 810 мм. Отриманий сигнал проходить через блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, та виводиться на реєструючий пристрій: екран монітора або цифровий індикатор. Повторення описаних вище процедур через певні інтервали часу дозволяє оцінити динаміку процесу загоєння ран або запалення ділянок тіла людини. Приклад 2. Використання пристрою у режимі дискретних вимірювань дозволяє проводити функціональне діагностичне обстеження внутрішніх органів, наприклад, нирок, легень, тощо, для виявлення порушень функцій органів та попередження запальних процесів на ранній стадії. При цьому вимірювання у 2-8 точках де спостерігається запалення або порушення фізіологічних функцій порівнюється із замірами на здорових ділянках тіла. Кількість точок залежить від розмірів та особливостей досліджуваного органу, ділянки тіла, методики обстеження. Подібні дискретні вимірювання повторюються через однакові проміжки часу, тривалість яких складає декілька хвилин (що також залежить від стадії запалення, специфіки об'єкта дослідження). Технічний результат. Запропонований пристрій дозволяє здійснювати безконтактне вимірювання інтенсивності теплових потоків різних ділянок тіла людини при діагностиці запалень, стану післяопераційних та пошкоджених ділянок тіла у випадках, коли вимірювання контактним способом утруднене, або взагалі неможливе, та дозволяє оцінити динаміку функціонування органів і тканин людини, а порівняння отриманих сигналів вимірювання на здорових та досліджуваних ділянках тіла - скласти уяву про функціональні порушення досліджуваного органу. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Пристрій для вимірювання теплових потоків, який складається із термостатованого блока з циліндричною зовнішньою оболонкою, який містить затвор вхідного отвору із вмонтованим ІЧфільтром, діелектричну рамку, в якій знаходиться чутливий елемент приймача теплового випромінювання у вигляді плоскої батареї з анізотропних термоелементів поміж приймальною та тіньовою площадками, та електричної схеми, яка має з'єднані між собою блок виділення постійної складової електричного сигналу чутливого елемента, синхронізований тактовим генератором із затвором, тактовий генератор та реєструючий пристрій, який відрізняється тим, що до термостатованого блока додатково входить сферичний порожнинний корпус, виконаний з 3 UA 115681 C2 двох дзеркальних півсфер, а чутливий елемент приймача теплового випромінювання, який знаходиться поміж приймальною та тіньовою площадками, виконаними однаковими за розміром, формою та покриттям, розташований у сферичному порожнинному корпусі. 4 UA 115681 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5