АНТЕННА-АППЛИКАТОР ДЛЯ РАДИОТЕРМОМЕТРИИ ПОВЫШЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ
ANTENNA-APPLICATOR FOR HIGH-RESOLUTION RADIO THERMOMETRY

Изобретение относится к радиотермометрии (РТМ), т.е. к пассивной СВЧ радиолокации, позволяющей измерять распределение температур внутри живых и пассивных объектов путем измерения СВЧ излучения внутренних областей тела, пропорциональных их температурам.
Для этого на входе устройства РТМ используется антенна-аппликатор (АА), размещаемая на поверхности исследуемого тела, выходной сигнал которой обрабатывается по методам, используемым в пассивной радиолокации.
Проведение ряда замеров в пределах проекции исследуемого тела с последующей обработкой полученных сигналов специальными методами, позволяет получить данные о распределениии температур в объеме объекта.
В известных антеннах-аппликаторах радиотермометров используются простые одноэлементные приемные антенны (щелевые, спиральные, патч-антенны и др.), имеющие широкоугольные диаграммы направленности (90-120 градусов), что снижает чувствительность, разрешающую способность и достижимую глубину измерения температуры.
Существующие антенны-аппликаторы имеют широкую куполообразную диаграмму направленности (фиг.1). Только путем последовательных смещений положения 1,2…6 антенны-аппликатора над диагностируемым органом (фиг.2) за счет фиксации в памяти ЭВМ результатов каждого замера и последующей обработки всего массива информации по специальной программе получают суперпозицию распределения температур в исследуемом органе (фиг.3), с выявлением возможных аномалий.
Достижимая разрешающая способность при этом находится на уровне 10-20 мм. (Седанкин М.К. «Антенны-аппликаторы для радиотермометрического исследования тепловых полей внутренних тканей биологического объекта». Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. ФГБОУ ВПО МГТУ им. Баумана, стр. 233, 234).
Вместе с тем, известно, что применение фокусирующих антенн позволяет увеличить не только коэффициент усиления, но и обеспечить возможность фокусировки диаграммы направленности в ближней зоне антенны, что существенно в данном случае.
Известна статья, в которой теоретически анализируется преимущество использования фокусировки в ближней зоне и делается вывод, что использование многоэлементных фокусирующих апертур всегда дает выигрыш по сравнению с использованием одноэлементных синфазных апертур. Это обусловлено тем, что при реализуемых в радиотермометрии размерах апертуры при синфазном возбуждении отсутствует явно выраженный максимум, интенсивность излучения снижается за счет его распределения в значительной области. При сфокусированном возбуждении размер области фокусировки уменьшается в несколько раз, а уровень боковых лепестков имеет меньшее значение при больших потерях в среде. Таким образом, использование сфокусированных аппертур в радиотермометрии позволит улучшить показатели качества этой аппаратуры (О.В. Потапова, К.Н. Халикова. Оценка параметров сфокусированного электромагнитного поля при использовании линейных апертур в радиотермографии. Известия Самарского научного центра РАН. т. 17. №2. 2015 г. стр. 31-55).
Наиболее близким к сущности заявленного изобретения является техническое решение (прототип) конструкции антенны (фиг.4) для устройства определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта (Патент РФ №2407429 С2. МПК: А61В 5/01, A61N 5/02, G01N 22/00, G01K 13/00. Приоритет от 26.12.2008 г.):
- отрезок волновода 1, частично или полностью заполненный диэлектриком 8, имеющий один закрытый конец и противоположный конец контактирующий с биологическим объектом;
- систему возбуждения 2 электромагнитных волн, расположенную в волноводе между закрытым концом волновода и диэлектриком, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра;
- экранированный датчик температуры кожи 3, расположенный у открытого конца волновода выполненный с возможностью передачи информации на вычислительное устройство 6.
Недостатком существующей конструкции является использование одиночного приемного элемента (антенны), принимающего излучения областей объема тела находящихся в поле диаграммы направленности. Из-за этого геометрическое разрешение оказывается достаточно низким.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении существенного улучшения разрешения и увеличения уровня принимаемого сигнала с конкретной (наперед заданной) глубины обнаружения неоднородностей в биологическом объекте.
Технический результат достигается тем, что в конструкции антенны для антенны-аппликатора применяется фокусирующий элемент, который может быть реализован либо в виде фокусирующей диэлектрической линзы, либо многоэлементной антенной системы без сканирования, либо многоэлементной антенной системы со сканированием луча.
Это обеспечит существенное улучшение разрешения и увеличение уровня принимаемого сигнала с соответствующим увеличением глубины обнаружения неоднородностей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает область измерения антенны-аппликатора (диаметр 32 мм).
На фиг.2 представлены последовательные смещения положения 1,2…6 антенны-аппликатора над диагностируемым органом в процессе диагностики.
На фиг.3 представлено распределение температур в исследуемом органе с выявлением возможных аномалий на экране монитора.
Фиг. 4 показывает конструкцию антенны для устройства определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта с одиночным элементом.
На фиг.5 схематично представлена антенна-аппликатор с фокусировкой луча посредством диэлектрической линзы.
На фиг.6 представлена схема конструкции антенны-аппликатора с повышенным разрешением: а) вид на антенну ФАР; б) антенна в разрезе.
Фиг. 7 показывает топологию разводки сумматора сигналов антенн ФАР.
На фиг.8 представлена структура антенной фазированной решетки для антенны-аппликатора со сканированием по площади и глубине.
На фиг.9 показана антенна-аппликатор с фокусировкой луча: а) по оси антенны; б) со смещением от оси; в) плоскость фокусировки.
Первый вариант конструкции антенны-аппликатора для радиотермометров с повышенной разрешающей способностью и глубиной обнаружения температурных распределений в объеме тел приведен на фиг.5. Конструкция содержит:
1. Отрезок цилиндрического волновода 12, частично или полностью заполненный диэлектриком 13 с диэлектрической проницаемостью близкой с диэлектрической проницаемости исследуемого тела 14.
2. Антенну приема 15 электромагнитных волн, расположенную в волноводе между закрытым концом волновода и диэлектриком, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра.
3. Диэлектрическую линзу 16, установленную на открытом конце цилиндрического волновода и контактирующую с объектом исследования.
Диэлектрическая линза на выходе цилиндрического волновода образует фокусирующий элемент, который обеспечивает фокусировку диаграммы антенны на заданном расстоянии на исследуемой аномалии 17. Линза применяется в антенне-аппликаторе для измерения температуры внутри объекта и прилегает к поверхности исследуемого объекта вплотную, обеспечивая максимальное согласование и эффективную передачу СВЧ-энергии из глубинных слоев исследуемого объекта. Кроме того, линза находится в окружении материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости. Длина волны электромагнитного излучения в материалах с высоким значением диэлектрической проницаемости существенно меньше длины волны в свободном пространстве. Благодаря этому размеры предлагаемой антенной системы значительно уменьшаются.
Второй вариант конструкции антенны-аппликатора для радиотермометров с повышенной разрешающей способностью и глубиной обнаружения температурных распределений в объеме тел приведен на фиг.6. Конструкция содержит:
1. Отрезок металлической трубы 18, внутренняя сторона которого покрыта поглощающим материалом 19, частично или полностью заполненный диэлектриком 20 с диэлектрической проницаемостью близкой диэлектрической проницаемости исследуемого тела, открытый с другого конца, контактирующего с объектом обследования. Отрезок металлической трубы необходим для экранировки элементов приемной системы (элементов ФАР) от внешних помех.
2. Систему антенн в виде фазированной антенной решетки (ФАР) 21, принимающих сигналы, излучаемые телом.
3. Систему суммирования сигналов антенн ФАР, выполненную в виде симметричной микрополосковой конструкции 22 и 23.
4. Соединение входов суммирующей системы с элементами ФАР осуществляется через металлизированные отверстия в керамике 24 или через резонансные щели.
5. Внешняя металлизированная сторона симметричной микрополосковой системы 25 соединяется с корпусом с помощью многолепестковой контактной пружинящей шайбы 26.
6. Коаксиальный выход 27 микрополосковой суммирующей системы, обеспечивающей необходимые фазовые задержки суммируемых сигналов с целью фокусировки луча ФАР на заданном расстоянии.
7. Радиопрозрачная диэлектрическая пластина 28, защищающая датчик от испарений кожи, влаги и грязи.
8. СВЧ поглощающий слой 19, выполняющий роль экрана и подавления боковых лепестков антенны.
Для обеспечения фокусировки луча в ближней зоне на заданном расстоянии от антенны, необходимо чтобы фазы сигналов, принятых антеннами ФАР суммировались в точке 31 с одинаковыми фазами (фиг.7). Такая система суммирования сигналов должна обеспечивать фокусировку диаграммы антенны на заданном расстоянии.
Если бы антенны ФАР располагались на сферической поверхности с радиусом сферы равным заданному, все микрополосковые линии сумматора от точек подключения к антеннам 32, 33 и 34 до выхода сумматора точке 31 должны быть одинаковыми. Но этот вариант не технологичен. Реализуемая планарная конструкция ФАР требует коррекции длин микрополосков сумматора. При этом путь от наиболее удаленных от центра ФАР 31 антенн, т.е. точек 32 до выхода сумматоров 35 должен быть наиболее коротким.
Антенны 33 электрически должны быть «удалены» от точки фокусировки на несколько большее расстояние, зависящее от требуемого фокусного расстояния. Физически это может достигаться удлинением линий между точками 33 и 35 микрополосковой разводки. Фазы сигналов антенн 34 должны быть «отодвинуты» еще на большую величину, что достигается большим искривлением участков разводки 34-35.
Число элементов ФАР может быть 9; 16 или 25.
При этом выпускаемые АА должны изготовляться на заданные фокусные расстояния, например: 30, 50 или 70 мм.
Оценка возможности реализации конструкции ФАР в габаритах существующих антенн-аппликаторов.
- рабочая частота 4 ГГц
- длина волны в воздухе, мм - 75.
- диэлектрическая постоянная, единиц - 60.
- длина волны в диэлектрике и теле объекта, мм - 9,68.
- шаг решетки ФАР λ/2, мм - 4,84.
- размер ФАР: 19,35×19,35 мм
- диагональ ФАР: 27,37 мм
Диагональ ФАР заметно меньше 32 мм, наиболее часто встречающегося размера антенн-аппликаторов.
Разработка пассивных ФАР с предустановленными фазовыми сдвигами позволит создать антенны-аппликаторы с электронным сканированием исследуемого объекта, как по площади, так и по глубине, создавая 3D картину распределения температур.
Принципы работы ФАР с электронным сканированием хорошо известны и широко применяются в радиолокации. Сканирование лучом обеспечивается путем управления фазами излучаемых или принимаемых сигналов антенными элементами ФАР.
Предлагаемая структура топологии разводки сумматора ФАР приведена на фиг.8, а конструкция антенны-аппликатора с ФАР на Рис. 9. Сигналы с выходов антенн 36 подаются на входы фазовращателей 37. Выходные сигналы 4-х ФВ 37 подаются на входы четырехканальных сумматоров 38. При правильной установке сдвигов фаз сигналов обеспечится синфазное суммирование сигналов антенных элементов 36 и учетверение выходных сигналов 38 сумматора 39.
Выходные сигналы 39 4-х сумматоров 38 в свою очередь подключены к четырехканальному сумматору 40, с выхода которого усиленный в 16 раз сигнал поступает на вход приемника. Конечно, потери в микрополосках и фазовращателях внесут потери, но в результате принимаемый сигнал от элемента тела будет больше, чем в случае одноэлементной антенны.
Промышленостью, например, фирмой Hittite, выпускаются как аналоговые, так и цифровые СВЧ фазовращатели: HNC 247, HNC928LP5E, и HNC644, имеющих размеры 2,3×1,6 мм, 5,1×5,1 мм и 1,9×4,5 мм. соответственно, что позволяет их применение в рассматриваемой конструкции.
Поскольку в аналоговых ФВ для управления фазой необходимо одно напряжение, а у цифровых 5-6 сигналов, предпочтение следует отдать аналоговому ФВ типа HNC 247.
Метод управления положением точки фокусировки в пространстве исходит из требуемых значений фазовых сдвигов для фокусировки луча в заданной точке пространства по плоскости и глубине с учетом известных характеристик фазовращателей.
Каждая точка контролируемого пространства должна характеризоваться набором 16 значений, сохраняемых в блоке памяти управляющей системы. Общее число кодов зависит от разрешающей способности луча, шага сканирования, площади контролируемого слоя и числа слоев по глубине.
Если, например, размер сканируемой площади будет 50×50 мм, а шаг сканирования 5 мм, то число замеров площади составит 100 точек. С учетом того, что сигнал будет примерно на порядок больше, чем в случае одиночной приемной антенны, время накопления сигнала может быть сокращено до 0,1 секунды, а время обзора слоя составит 10 секунд. При шаге изменения глубины 5 мм в пределах 50 мм весь обзор займет не более минуты без всякого перемещения антенны-аппликатора.
Так как отобразить 3D полевые изображения слоев на экране невозможно, сканированием слоев по глубине должен управлять оператор, просматривая поочередно изображения полей на разной глубине.
Таким образом, существенные признаки данного технического решения обеспечат значительное улучшение разрешения и увеличение уровня принимаемого сигнала с соответствующим увеличением глубины обнаружения неоднородностей.
Процесс диагностирования температуры внутренних областей органов тела человека должен состоять из ряда последовательных действий, включающих следующие этапы:
1. После включения аппарата выдерживается пауза в 7-10 минут для установления необходимого баланса температуры в антенне-аппликаторе, о чем должен свидетельствовать сигнал индикатора.
2. Врач, проводящий диагностику, должен в соответствии с руководством по работе с аппаратно-программным комплексом для измерения температуры внутренних органов провести процедуру обследования, включающую:
- выбор обследуемого органа
- измерение и фиксация опорных точек
- отражение на мониторе поля распределения температур
3. Длительность измерения температур в каждой точке составляет 1-2 секунды и отражается специальным звуковым сигналом. Длительность же всего обследования конкретного органа составляет порядка 7-10 минут