СВЧ ТОМОГРАФ
UHF TOMOGRAPH

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно к СВЧ томографии биологических объектов путем выявления аномалий внутренних тканей биологических объектов за счет измерения амплитудно-фазовых характеристик рассеянного электромагнитного излучения и возможности микроволновой визуализации аномалий биологических сред со сверхдифракционным разрешением.
Изобретение может быть использовано в диагностических комплексах для ранней диагностики ишемических и инфарктных повреждений, онкологических заболеваний и других патологий внутренних органов и т.д.
Разработка новых эффективных методов диагностики и лечения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний является актуальной задачей.
Известно, что живые биологические ткани в различных условиях различаются по своим диэлектрическим свойствам, локальные измерения которых приводят к возможности визуализации биологических объектов, включая органы человеческого тела.
Известны акустические томографы (см., например, Патенты РФ 2145797. 2002451, Патент США 5305752, кл. A 61 В 8/00). Ультразвуковой томограф содержит последовательно соединенные кольцевую антенную решетку из приемоизлучающих пьезопреобразователей, многоканальный блок приемопередающих устройств с антенным коммутатором, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, блок обработки принятых сигналов, блок накопления изображения и блок томографического отображения. При этом антенная решетка может быть размешена в ванне с иммерсионной жидкостью.
Рентгеновская томография является наиболее известным устройством визуализации. Будучи чрезвычайно полезными, рентгеновские снимки, однако, имеют очень низкую чувствительность в отношении мягких тканей. Это значительно ограничивает их применение для диагностики многих болезней.
Лучшее качество медицинских изображений достигается с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот метод позволяет видеть функциональное состояние живых тканей, но он также имеет свои ограничения. Во-первых, МРТ, по своей сути, «медленный» метод. Он может использоваться только для исследования стабильных биологических объектов или очень медленно прогрессирующих процессов. Во-вторых, этот метод все еще очень дорогой и не может использоваться для низкобюджетных исследований, в обычном врачебном кабинете или для массовой диспансеризации.
СВЧ или микроволновая томография использует электромагнитное излучение в диапазоне частот примерно от 500 МГц до 5 ГГц вместо рентгена. Существует несколько преимуществ СВЧ томографии перед рентгеновской томографией. Например, в устройствах СВЧ томографии не используется ионизирующая радиация, что делает ее абсолютно безвредной; она чувствительна к процессам функционирования живых тканей, что делает ее полезной для широкого спектра исследований и диагностики. СВЧ томография также имеет преимущества перед МРТ, так как может осуществляться в режиме высокой скорости измерения и обработки изображений. Она может визуализировать биение человеческого сердца и другие быстро прогрессирующие процессы, что не может быть сделано с помощью МРТ. Например, было обнаружено, что с помощью микроволновой томографии возможно обнаружить изменения кровоснабжения миокарда, гипоксии ткани, ишемии миокарда и инфаркта и т.п.
Электромагнитная (СВЧ) томография является относительно новым средством получения изображений и обладает большим потенциалом использования для биолого-медицинских целей, в том числе для неинвазивной оценки функционального и патологического состояния биологических тканей. Устройства СВЧ томографии позволяют дифференцировать биологические ткани и, соответственно, создавать их изображения на основании различий в диэлектрических свойствах тканей. Известно, что диэлектрические свойства тканей зависят от их различных функциональных и патологических состояний, таких как наполняемость кровью и кислородом, наличие ишемических и инфарктных повреждений.
Методы микроволнового видения в биологических средах используют электромагнитные волны в диапазоне частот порядка 0,1-20 ГГц. По сравнению с ионизирующим излучением, неионизирующее излучение является менее дорогостоящим, требует менее специализированной защиты окружающей среды и снижает потенциальный вред тканям человека [A. M. Hassan, and M. El-Shenawee, Review of Electromagnetic Techniques for Breast Cancer Detection // IEEE Reviews in Biomedical Engineering, Vol. 4, 2011; M. El-Shenawee, Electromagnetic Imaging for Breast Cancer Research // BioWireleSS 2011 IEEE, pp. 55-58, 2011].
r
Глубина проникновения микроволн в биологические ткани зависит от основных свойств ткани. В отличие от механизма взаимодействия инфракрасных, оптических и рентгеновских лучей, микроволны взаимодействуют с биологической тканью в основном в зависимости от содержания воды в ткани. Различное содержание воды в ткани приводит к различным диэлектрическим свойствам ткани, например, к различной диэлектрической проницаемости (или относительной диэлектрической проницаемости ε) и проводимости (σ) для микроволн. Высокая диэлектрическая проницаемость обычно связана с высокой проводимостью (σ).
Системы двухмерной (2D), трехмерной (3D) и даже «четырехмерной» (4D) СВЧ томографии и способы создания изображений разрабатывались в течение последних десяти или более лет. Возможность применения этой технологии для различных биолого-медицинских целей уже доказана, например, в виде построения изображений сердца и конечностей.
Известно микроволновое томографическое устройство [заявка RU №96124805 на изобретение, заявитель Дзе Каролинас Харт Инститьют (US), МПК А61В 5/05, опубл. 27.02.1999, заявка WO 2011027127 на изобретение,  МПК: A61B 5/053, G01N 23/04, опубл. 10.03.2011, J.L. Prince and J.M. Links, Medical Imaging Signals and Systems, Pearson Education, 2014], состоящее из множества микроволновых излучателей-приемников, устройства управления множеством микроволновых излучателей-приемников, разделительной среды между излучающими и принимающими микроволновыми излучателями-приемниками; биологического объекта исследования, размещенного внутри разделительной среды; устройства вычисления томографического изображения ткани и устройства визуализации.
Известно устройство СВЧ томографа, включающего источник электромагнитной СВЧ энергии, приемо-передающие антенны СВЧ излучения, согласующей среды, расположенной между передающими и принимающими СВЧ излучение антеннами в рабочей камере, биологический объект, размещенный внутри согласующей среды, устройства обработки результатов измерений и видеоконтрольного устройства [Патент РФ 2662079, Способ микроволновой томографии сверхвысокого разрешения].
Известно микроволновое томографическое устройство для спектроскопии и способ ее осуществления (патент РФ 2238033, МПК А61В 5/05, опубл. 20.10.2004), включающее множество микроволновых излучателей-приемников, пространственно ориентированных на ткань, согласующую среду, устройство управления для выборочного управления через подсистему формирования каналов, кодирующее устройство которой выполнено с возможностью кодирования микроволнового излучения и декодирования принимаемого сигнала от множества излучателей-приемников.
Использование изобретения позволяет производить быструю оценку биологической функции и анатомической структуры в режиме реального времени.
Общим недостатком устройств СВЧ томографии биологических объектов является низкое пространственное разрешение. Пространственное разрешение возможно повысить, переходя к более коротким длинам волн электромагнитного излучения. Но в этом случае увеличиваются потери электромагнитной энергии в биологическом материале.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению (прототипом) является устройство СВЧ томографа, содержащее источник электромагнитной СВЧ энергии, СВЧ приемник, приемо-передающие рупорные антенны СВЧ излучения пространственно ориентированные на биологический объект, согласующей среды с коэффициентом преломления материала аналогичным к преломлению поверхностного слоя объекта, расположенной между передающими и принимающими СВЧ излучение антеннами в рабочей камере, биологический объект, размещенный внутри согласующей среды, устройства обработки результатов измерений и видеоконтрольного устройства [A. Joisel, J. Mallorqui, A. Broquetas, J.M. Geffrin, N. Joachimowicz, M.V. Iossera, L. Jofre, J.-C. Bolomey, Microwave imaging techniques for biomedical applications, in Proceedings of the 16th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (IMTC’99), Venice, 24 to 26 May 1999].
Данное техническое решение позволяет улучшить ряд характеристик аналога. Однако недостатками данной конструкции являются:
- низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующего устройства;
- низкая чувствительность устройства, обусловленная широкой областью облучения биологического объекта электромагнитной энергией.
Перед авторами стояла задача создания устройства, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом заявляемого СВЧ томографа является увеличение пространственной разрешающей способности при увеличении чувствительности устройства.
,
Поставленная задача решается благодаря томучто в СВЧ томографе, содержащем источник электромагнитной СВЧ энергии, СВЧ приемник, приемо-передающие рупорные антенны СВЧ излучения выполнены с возможностьюпространственной ориентации на биологический объект, согласующей среды с коэффициентом преломления материала приблизительно равного показателю преломления поверхностного слоя биологического объекта согласующей среды с коэффициентом преломления материала аналогичным (близким) к преломлению поверхностного слоя объекта, расположенной между передающими и принимающими СВЧ излучение антеннами в рабочей камере, биологический объект, размещенный внутри согласующей среды, устройства обработки результатов измерений и видеоконтрольного устройства, новым является то, что приемо-передающие рупорные антенны СВЧ излучения размещены в согласующей среде, а в раскрыве рупорной антенны размещается диэлектрическая частица, формирующая фотонную струю в согласующей среде. Кроме того, диэлектрическая частица может быть выполнена в виде шарика. Кроме того, диэлектрическая частица может быть выполнена в виде кубика.
Заявляемый СВЧ томограф обладает  совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Заявляемый СВЧ томограф, по мнению заявителей и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. неизвестен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Сущность предлагаемого решения поясняется при помощи фиг. 1, где представлена блок - схема устройства.
Обозначения на фиг. 1: 1 - источник СВЧ излучения, 2 - СВЧ приемник, 3 - приемо-передающие рупорные антенны, 4 - согласующая среда, 5 - биологический объект, 6 - рабочая камера, 7 - устройство обработки результатов измерений, 8 - видеоконтрольное устройство, 9 - диэлектрическая частица.
СВЧ томограф работает следующим образом. Источник СВЧ излучения 1 генерирует электромагнитное излучение, которое поступает на одну из множества передающих рупорных антенн 3, облучающих биологический объект 5, находящийся в рабочей камере 6 в согласующей среде 4. Рассеянное излучение принимается приемными рупорными антеннами 3 и далее электромагнитное излучение передается на СВЧ приемник 2. Затем тот же самый цикл повторяется в отношении следующей антенны, затем - еще одной антенны, и так до тех пор, пока все антенны не «поработают» в качестве передатчиков. Приемо-передающие рупорные антенны 3 находятся в согласующей среде 4 и она заполняет рупорные антенны 3. В сечении раскрыва рупорной антенны 3 размещается диэлектрическая частица 9, формирующая фотонную струю в согласующей среде 4.
Сигналы с СВЧ приемников 2, СВЧ источников 1 электромагнитного излучения их координаты передаются в устройство обработки результатов измерений 7 и визуализируются на видеоконтрольном устройстве 8.
В качестве приема-излучающего источника электромагнитной энергии может применяться, например, погруженная в воду (заполненная водой) широкополосная рупорная антенна, согласованная с высокой диэлектрической проницаемости воды. Такая антенна позволяет подавить отражения на границе раздела среда-объект, увеличить уровень излучения на биологическом объекте и улучшить качество получаемого изображения. Кроме того, применение воды в качестве согласующей среды позволяет повысить пространственное разрешение СВЧ томографа. Диэлектрическая проницаемость воды равна 77 и показатель преломления среды равен порядка 8,77, следовательно, длина волны электромагнитного излучения в такой среде в 8,77 раз меньше и пространственное разрешение в 8,77 раз выше.
Из технической литературы известно, что для того чтобы сформировать в согласующей среде «фотонную струю» относительный показатель преломления по отношению к окружающей среде, показатель преломления диэлектрической частицы установленной в раскрыве рупорной антенны должен иметь показатель преломления примерно в 1,2-1,7 раз больше, чем показатель преломления материала согласующей среды. Для воды в качестве согласующей среды, диэлектрическая частица должна иметь показатель преломления порядка 13 или диэлектрическую проницаемость порядка 170.
Мезоразмерная диэлектрическая частица 9 обеспечивает дополнительную локализацию падающего на нее волнового фронта в виде фотонной струи в области исследования биологического объекта, чем обеспечивается дополнительное усиление падающей электромагнитной волны пассивными средствами. При этом поперечный размер области фокусировки (фотонной струи) диэлектрической частицы 9 меньше дифракционного предела и составляет около 1/3-1/4 длины волны в свободном пространстве. Принцип построения диэлектрических мезоразмерных частиц произвольной трехмерной формы для формирования фотонных струй с поперечным размером каустики порядка трети длины волны и длиной от 0 до 10 длин волн известен из технической литературы.
Аналоги фотонной струи могут быть сформированы диэлектрическими частицами и СВЧ диапазоне длин волн.
Выполнение диэлектрической частицы 9 в виде кубика (частица с плоской гранью) позволяет упростить крепление и улучшить контакт частицы 9 в раскрыве пирамидальной рупорной антенны 3. Выполнение диэлектрической частицы 9 в виде шарика позволяет формировать «фотонную струю»  упростить крепление и улучшить контакт частицы 9 в раскрыве конической рупорной антенны 3.
При исследовании диэлектрических мезоразмерных кубических частичек в качестве антенны (в дальней зоне) было обнаружено, что коэффициент усиления антенны составляет 14,22 дБи, что на 1,9 дБ выше, чем у рупорной антенны с теми же размерами, а значения полной ширины при половинном максимуме (FWHM) были примерно на 21% и 34% уже, чем у рупорной антенны в плоскости Е и плоскости Н соответственно.
Таким образом, применение рупорной антенны заполненной и находящейся в согласующей среде с диэлектрической частицей, расположенной  в раскрыве рупора позволяет улучшить пространственное разрешение устройства, выше дифракционного предела формирующего устройства и увеличить чувствительность устройства, обусловленное широкой областью облучения биологического объекта электромагнитной энергией.
−
−
δ
≤
−
В качестве материалов диэлектрической частицы могут быть использованы, например, различные керамики. Известна композитная керамика BSTMg,  применяемая в частотных диапазонах 0,730,0 GHz и имеющая диэлектрическую проницаемость от 200 до 900 в зависимости от состава,низкие диэлектрические потери в микроволновом диапазоне (tg  0,005) [Е.А. Ненашева, А.Д. Канарейкин, А.И. Дедык, Ю.В. Павлова. Электрически управляемые компоненты на основе керамики BSTMg для применения в ускорительной технике // Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 8, с. 1468-1471]. В ОАО «ЦКБ РМ» разработан керамический диэлектрический материал СТП-130, имеющий на частоте 10 ГГц диэлектрическую проницаемость равную 130и тангенс угла потерь 0,0004 [Корякова З.В. Керамические материалы в СВЧ-технике // Компоненты и технологии» №5 2011 г.]. В АО НИИ Феррит-домен, Санкт-Петербург, разработана керамика 140МСТ состава Са-Тi-O c диэлектрической проницаемостью 145 и тангенсом угла потерь 0,0008 на частоте 4,5 ГГц. На заводе Магнетрон разработаны сверхвысокочастотные диэлектрики МТС-120 на частоте 6 ГГц с диэлектрической проницаемостью 120 [www.magneton.ru › cat].
Устройство обработки результатов измерений 7 может работать по известному алгоритму, описанного, например в [Bulyshev А.Е., Semenov S.Y., Souvorov А.Е., Svenson R.H., Nazarov A.G., Sizov Y.E., Tatsis G.P. Three dimensional microwave tomography. Theory and computer experiments in scalar approximation, Inverse Problems, 2000, 16, 863-875; Bulyshev A.E., Semenov S.Y., Souvorov A.E., Svenson R.H., Tatsis G.P. Computational modeling of the three-dimensional microwave tomography of the breast cancer, IEEE Trans. ВME, 2001, 1053-1056; Патент РФ 2662079, Способ микроволновой томографии сверхвысокого разрешения; Патент США №7239731].
Таким образом, данное техническое решение позволяет улучшить пространственное разрешение устройства, выше дифракционного предела формирующего устройства и увеличить чувствительность устройства, обусловленное широкой областью облучения биологического объекта электромагнитной энергией.