Печатная антенна для измерения глубинной температуры биологических объектов аппликационным радиометрическим СВЧ-методом

УДК 621.3.091.1 А.В. Убайчин

Печатная антенна для измерения глубинной температуры биологических объектов аппликационным радиометрическим СВЧ-методом

Разработана и изготовлена аппликационная антенна с центральной частотой 2,23 ГГц для применения в составе радиометрической СВЧ-системы медицинского назначения. Проведены экспериментальные исследования коэффициента отражения антенны при контакте с телом человека. Исследования проведены на группе испытуемых-добровольцев со средним уровнем физического развития. По результатам измерений проведен анализ возможных ошибок в измерениях с использованием разработанной антенны.

Ключевые слова: печатная антенна, согласование со слоистой средой, аппликационные СВЧ-измерения, нулевой радиометр.

В ранней медицинской диагностике актуальны задачи определения глубинных температур биотканей. Инвазивные методы определения температуры не эффективны и приводят к большим ошибкам в измерениях. Среди неинвазивных методов применяется ИК- и СВЧ-термография [1].

ИК-исследования широко применяются в медицинской практике, но этот метод позволяет измерить только приповерхностную температуру, поэтому невозможно в полной мере судить о глубинных тепловых процессах. Глубинную интегральную температуру и распределение температуры по глубине можно измерить методом, основанным на СВЧ-термографии [2].

Наибольшее распространение получил аппликационный радиометрический СВЧ-метод [2]. В этом случае (рис. 1) антенна А входит в непосредственный контакт с телом человека, тем самым увеличивается разрешающая способность, появляется возможность учета коэффициента отражения на границе раздела антенна-среда, уменьшается воздействие внешних радиопомех, повышается точность по сравнению с дистанционным радиометрическим методом [2].

Точность результатов в аппликационной СВЧ-радиотермометрии зависит от структуры исследуемой биоткани и точности измерительного прибора-радиометра. Среди применяемых для аппликационных измерений СВЧ-радиометров, описанных в [3-7], наибольшими преимуществами обладает СВЧ-радиометр, основанный на модифицированном нулевом методе измерений, подробно описанный в [5]. Радиометр позволяет измерять глубинную температуру биологических объектов и коэффициент отражения на границе антенна-объект. Характерной особенностью аппликационного метода измерений является необходимость согласования антенны с биологической средой [8].

В работе [9] проведен сравнительный анализ микроволновых антенн, предназначенных для аппликационного метода. В рассмотренной классификации волноводные антенны обладают преимуществами в части основных технических характеристик (диапазон рабочих частот, согласование со слоистой средой) по сравнению с печатными антеннами. С технологической точки зрения наиболее простыми в изготовлении являются печатные антенны.

В отечественной и зарубежной литературе [10-15] рассматриваются различные конфигурации излучающего элемента, позволяющие достигнуть требуемых параметров:

- согласование в рабочей полосе частот (модуль коэффициента отражения не более 0,5) [8];

Рис. 1. Структура биоткани и аппликационный радиометрический СВЧ-метод определения внутренней температуры биоткани

- ширина рабочей полосы не менее 60 МГц.

Широко распространены печатные полосковые антенны с излучающим элементом в виде круга. Конструкция таких антенн предусматривает экранирование, малые размеры и простоту реализации с применением субстрактивной технологии изготовления печатных проводящих структур по сравнению с волноводными антеннами. Методика проектирования антенн, предназначенных для работы в дальней зоне, изложена в [16]. Краткое описание методики для расчета аппликационной антенны с круглым излучающим элементом сводится к следующему:

- применяются диэлектрические подложки с низкой диэлектрической проницаемостью

є = 2...3,8;

- толщина диэлектрической подложки не менее 1 мм;

- месторасположение контакта фидера на излучателе определяется величиной требуемого волнового сопротивления.

Разработана печатная антенна с круговым излучающим элементом. Расчет и моделирование антенны проводились с учетом требований к согласованию характеристического сопротивления антенно-фидерного тракта и биологической среды типа «кожный покров - жировая ткань - мышечная ткань».

Разработанные антенны (рис. 2) выполнены на СВЧ-диэлектрическом материале ФЛАН є = 2,2, толщина подложки 1 мм, поперечные размеры 13x13 мм, центральная частота 2,23 ГГц, ширина полосы частот 500 МГц по уровню минус 3 дБ.

Рис. 2. Разработанные макеты аппликационных антенн на фоне скалярного измерителя ослабления и КСВн Р2М-3200, на котором проводились измерения

Изменения структуры биологического объекта в области аппликационных измерений (см. рис. 1) влияет на согласования антенны. На этапе проектирования разработанной антенны проведена попытка учета возможного разброса параметров биологической среды в структуре «кожный покров - жировая ткань - мышечная ткань». Часть результатов моделирования приведена на рис. 3.

Моделирование проводилось с изменением

толщины диэлектрических слоев, имитирующих биологическую среду в следующих пределах: толщина кожного покрова - 0,5.. .2 мм, толщина жировой ткани 0.20 мм, остальное пространство в модели обладает диэлектрическими параметрами мышечной ткани.

Рис. 3. Частотные зависимости модуля ^11 при изменении толщин компонентов слоистой структуры «кожный покров - жировая ткань -мышечная ткань» (см. рис. 1).

Проведены эксперименты по исследованию модуля коэффициента отражения разработанной антенны. Измерения проводились в группе добровольцев среднего физического развития (норма-

стеники) на определенных участках тела. Результаты измерений получены при помощи скалярного измерителя ослабления и КСВн производства ОАО «Микран» Р2М-3200 и приведены в табл. 1. Для калибровки скалярного измерителя использовался набор мер (холостой ход, короткое замыкание, согласованная нагрузка) Rosenberger PRC-3.5.

Точность восстановления температурного профиля биоткани зависит не только от эффективности алгоритмов для решения обратных задач, но и от точности результатов измерений, обусловленной техническими параметрами используемого радиометра [17].

Рассмотренная в [3] математическая модель нулевого аналогового радиометра ограничивается частным «идеальным» случаем отсутствия потерь и полным отражением мощности в СВЧ-модуляторе. На практике реализация элементов СВЧ-тракта с идеальными параметрами затруднительна. Также описанная в [3] модель не учитывает влияние потерь в антенно-фидерном тракте.

Проведенный анализ показывает, что влияние этих факторов ухудшает точность результатов измерений и при уровне модуля коэффициента отражения антенны R > 0,1 (см. таблицу) приводит к значительным ошибкам.

Результаты измерений модуля коэффициента отражения в частотном диапазоне 2,18...2,26 ГГц

Участок тела Модуль коэффициента отражения в рабочей полосе частот по корреляционному ряду испытуемых, не более

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9

Внутренняя сторона предплечья 0,107 0,075 0,184 0,110 0,200 0,104 0,110 0,095 0,101

Плечо (наружная сторона) 0,158 0,127 0,135 0,127 0,170 0,115 0,124 0,117 0,130

Плечо (внутренняя сторона) 0,193 0,188 0,190 0,178 0,202 0,098 0,175 0,198 0,180

Передняя поверхность живота 0,316 0,124 0,191 0,210 0,305 0,256 0,180 0,230 0,185

Боковая поверхность живота 0,101 0,03 0,120 0,130 0,280 0,090 0,129 0,189 0,123

Внутренняя поверхность бедра 0,203 0,185 0,212 0,199 0,253 0,150 0,207 0,200 0,175

Задняя поверхность голени 0,050 0,048 0,098 0,026 0,150 0,033 0,037 0,058 0,035

Шея (спереди) 0,079 0,084 0,070 0,090 0,124 0,050 0,048 0,073 0,034

Левая половина грудной клетки 0,141 0,090 0,134 0,152 0,203 0,112 0,127 0,112 0,120

Правая половина грудной клетки 0,125 0,085 0,147 0,167 0,234 0,090 0,130 0,124 0,110

Область щек 0,251 0,199 0,208 0,203 0,280 0,199 0,153 0,235 0,205

Область темени 0,177 0,162 0,180 0,170 0,180 0,165 0,179 0,150 0,139

Проведем анализ ошибок в результатах измерения шумовой температуры биоткани при помощи радиометра на основе модифицированного метода нулевых измерений, описанного в [5]. Входной блок радиометра реализуется по схеме, приведенной на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема входного СВЧ-блока радиометра: объект исследований с температурой Т0;

антенна - А; СВЧ-модулятор - М; направленный ответвитель - НО; циркулятор - Ц; малошумящий усилитель - МШУ; управляемый генератор шума - УГШ; устройство управления - УУ

На рис. 5 приведены временные диаграммы работы радиометра [18]. Управление модулятором (см. рис. 4) осуществляется сигналом амплитудно-импульсной модуляции ?АИМ, (см. рис. 5) - в области времени логической единицы модулятор открыт, и антенна подключена на вход малошумяще-го усилителя, в области времени логического нуля модулятор закрыт, и на вход малошумящего усилителя поступает шумовой сигнал ТСН и ТГШ с учетом переотражения в закрытом модуляторе [19]. Управление действием сигнала ТГШ осуществляется сигналом ?ШИМ. Во временной области логиче-

ской единицы сигнала широтно-импульсной модуляции происходит «подшумливание» сигнала антенны (перенос сигнала ТГШ) в направлении приемника (на вход малошумящего усилителя), в моменты времени логического нуля сигнал ТГШ направлен в сторону модулятора. Изменение длительности сигнала широтно-импульсной модуляции происходит до тех пор, пока не выполняется условие равенства вольт-секундных площадей [5, 20, 21].

В дальнейшем анализе коэффициент полезного действия антенны не учитывается. Антенна в совокупности с исследуемым телом характеризуется модулем коэффициента отражения по мощности Я, модулятор обладает коэффициентом передачи 1М и модулем коэффициента отражения по мощности в закрытом состоянии Ям, через направленный ответвитель в канал антенны происходит перенос шумового сигнала ТГШ, согласованная нагрузка циркулятора, работающего в режиме вентиля, генерирует шумовой сигнал ТСН.

Рис. 5. Временные диаграммы работы радиометра: а - пропорциональность мощности шумового сигнала на входе малошумящего усилителя в точке «в»

В приведенной схеме (см. рис. 4) без учета потерь и при полном отражении от закрытого модулятора реализуется случай полного устранения влияния рассогласования антенны с исследуемой средой. На практике невозможно реализовать модулятор без потерь или с полным отражением сигнала.

На диаграмме (см. рис. 5, а) уровни шумовых сигналов (А, В, С) с учетом неидеальностей модулятора пропорциональны:

А ~То •(1 -Я)• 1М + Я  1М ТГШ + Я  1м 'ТСН + (1 - 1М)•TCH,

В ~ То •(1-Я) • 1м + ТГШ + Я • 1М ТСН + (1- 1М)•ТСН->

С ~ Ям • ІМ • (ТГШ + ТСН ),

где Я - отражение от границы «объект-антенна»; ТГШ - шумовая температура генератора шума, суммируемая с шумовой температурой антенны ТА; ТСН - шумовая температура согласованной нагрузки (см. рис. 1, 4).

Учитывая проведенные в [7] исследования и значения уровней А, В, С, запишем выражения для связи сигнала широтно-импульсной модуляции с шумовой температурой среды

(1+Я)•Тен • (1м-1)-(Я-ЯМ)• 1М •ТСН + ЯМ •^ГШ • 1М ?шим ТГШ-1 +

Т0 =------------------------------------------------------------------------.

(Я-1ИМ ґАИМ (Я-1) •1М

В случае применения идеального модулятора (Ям = 1, /м = 1) выражение (1) принимает вид

т1 т1 і т1 ґ 11ІИМ гр ґг)\

Т0 = ТСН + ТГШ —------ТГШ.

'АИМ

Выражение (2) согласуется с исследованиями, проведенными для идеализированных элементов в [5].

Щ (0А

<-! >!<«

~В

^ШИМ (ґ) ^

и А

а

б

в

Современные СВЧ-модуляторы обладают уровнем затухания сигнала в коротковолновой части дециметрового диапазона порядка 0,01.0,1 и коэффициентом отражения 0,9.0,99. С учетом данных о диапазоне значений модуля коэффициента отражения (см. табл. 1 - максимальное значение модуля коэффициента отражения антенны Ямакс = 0,316) и области значений неидеальностей входного блока (потери и отражения в модуляторе) определим возможные ошибки измерений по (1). Решая неравенство (3), полученное из (1) с учетом области значений 0,9 < lM < 0,99, 0,9 < RM < 0,99 и 0 < Ямакс < 0,316

2 2 2 ДТ>

(Ямакс -1) ' lM ?АИМ (Ямакс -1) ' lM

при динамическом диапазоне измерений 10 К на границах диапазонов /M, RM, Ямакс ошибки превышают заданную точность измерений на порядок и более.

Точность измерения ДТ=0,05 К обеспечивается для диапазона значений модуля коэффициента отражения антенны в пределах 0<Я <0,316 при выполнении условий 0,98</M<0,99, 0,98<RM<0,99.

Заключение. Таким образом, применение разработанной антенны для исследования биотканей методом аппликационной СВЧ-теплометрии возможно в случае использования входного СВЧ-блока с параметрами коэффициента передачи и отражения модулятора, близкими к идеальным. В случае если параметры входного блока не обеспечивают заданной точности, необходимо применять антенны, которые удовлетворяют требованиям по модулю коэффициента отражения для исследуемой ткани (области тела).

Использование одной антенны также возможно в случае определения значения шумовой температуры и модуля коэффициента отражения за одно измерение, с последующей коррекцией результатов измерений.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы». Соглашение № 14.132.21.1432.

Литература

1. Кубланов В.С. Природа флуктуаций собственного электромагнитного излучения головного мозга / В.С. Кубланов, Ю.Е. Седельников, А. Л. Азин, А.М. Сысков // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. - № 9. - С. 45-54.

2. Маречек С.В. Радиометрические методы исследования температурного режима приповер-ностного слоя биоткани / С.В. Маречек, В.М. Поляков, Ю.Г. Тищенко // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. -№8. - С. 57-65.

3. Троицкий В.С. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1981. - Т. 24, № 9. - С. 1054-1061.

4. Рахлин В. Л. Метод регулируемого подшумливания для исключения ошибок радиотермометра, вызванных рассогласованием антенны с телом // Известия вузов. Радиофизика. - 1984. -Т. 27, №9. - С. 1204-1206.

5. Патент №2485462 Российской Федерации, МПК G01R 13/00, G01R 29/08. Радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр) / А.В. Филатов, А.Г. Лощилов, А.В. Убайчин. - Приоритет от 04.08.2011. - заявка № 2011132840/28. - Опубл. в Бюл. №17, 2013. -С. 15.

6. Вайсблат А.В. Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2001. - №8. - С. 3-9.

7. А.с. 1626211 СССР. G01R 29/26. Модуляционный радиометр // В.С. Гаевский, С.В. Маречек, Ю.В. Мешков и др. - Опубл. в Б.И. 1991. №5.

8. Троицкий В.С. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. - 1981. - Т. 24, №9. - С. 1054-1061.

9. Веснин С.Г. Сравнение микроволновых антенн-аппликаторов медицинского назначения / С.Г. Веснин, М.К. Седакин// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2012. - № 10. -С. 63-74.

10. Asimakis N.P. Non-invasive microwave radiometric system for intracranial applications: a study using the conformai L-notch microstrip patch antenna // N.P. Asimakis, I.S. Karanasiou, N.K. Uzunoglu // Progress in electromagnetics research. - 2011. - Vol. 117. - P. 83-101.

11. O'Halloran M. Rotating antenna microwave imaging system for breast cancer detection // M. O'Halloran, M.M. Glavin, E. Jones // Progress in electromagnetics research. - 2010. - Vol. 107. -Р. 203-217.

12. Conceicao R.C. Comparison of planar and circular antenna congurations for breast cancer detection using microwave imaging // R.C. Conceicao, M. O'Halloran, M. Glavin, E. Jones // Progress in electromagnetics research. - 2009. - Vol. 99, №20. - Р. 123-135.

13. Lin C. A novel three-fed microstrip antenna for circular polarization application // C. Lin, F.-S. Zhang, Y. Zhu, F. Zhang // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2010. - Vol. 24, № 11. - Р. 1511-1520.

14. Oikonomou A. Phased array near field radiometry for brain intracranial applications // A. Oikonomou, I.S. Karanasiou, N.K. Uzunoglu // Progress in electromagnetics research. - 2010. -Vol. 109. - P. 345-360.

15. Беляев Б.А. Исследование микрополосковой жидкокристаллической антенны с электрически переключаемой поляризацией // Б.А. Беляев, А.С. Волошин, А.М. Сержантов, В.Ф. Шабанов // Изв. высш. учеб. заведений. Физика. - 2010. - Т. 53, № 9-2. - С. 158-160.

16. Панченко Б.А. Микрополосковые антенны // Б.А. Панченко, Е.И. Нефедов. - М.: Радио и связь, 1986. - 145 с.

17. Николаев А.Г. Радиотеплолокация // А.Г. Николаев, С.В. Перцов. - М.: Сов. радио, 1964. -326 с.

18. Филатов А.В. Радиометрические системы нулевого метода измерений. - Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. - 276 с.

19. Филатов А.В. Метод авторегулирования нулевого баланса в радиометрических системах // А.В Филатов, А.В. Убайчин, А.О. Чудинов // Нелинейный мир. - 2010. - Т. 8, № 4. - С. 220-233.

20. Филатов А.В. Двухканальный микроволновый радиометр повышенной точности / А.В. Филатов, А.В. Убайчин, Н.О. Жуков // Радиотехника. - 2011. - № 1. - С. 47-55.

21. Филатов А.В. Микроволновый четырехканальный нулевой радиометр L-диапазона // А.В. Филатов, А.В. Убайчин, Д.Е. Параев // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - № 1. -С. 67.

Убайчин Антон Викторович

Аспирант каф. телекоммуникаций и основ радиотехники, мл. науч. сотрудник СКБ «Смена» при ТУСУРе Тел.: +7-952-883-67-67 Эл. почта: dualog@mail.ru

Ubaychin A.V.

Printed Antenna for microwave applicator radiometric method for measuring internal temperature within the biological objects

Designed and manufactured contact antenna with central frequency 2.23 GHz for use in the microwave radiometric system for medical purposes. An experimental research is done on the antenna reflection coefficient in contact with a human body. The studies were performed on a group of volunteers with an average level of physical development. From measurement data, we analysed possible measurement errors using the developed antenna.

Keywords: microstrip antenna, matching with a layered medium, contact microwave measurements, zero-measurement radiometer.