МИНИАТЮРНЫЙ РАДИОТЕРМОМЕТР ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ АНОМАЛИЙ ВНУТРЕННИХ ТКАНЕЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области медицины и медицинской техники, а именно к методу радиотермометрии, основанному на неинвазивном выявлении температурных аномалий внутренних тканей биологических объектов путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения, в частности полезная модель относится к радиотермометру, предназначенному для мониторинга температуры внутренних тканей в процессе жизнедеятельности пациента. Полезная модель может быть использована для выявления температурных изменений и тепловых аномалий внутренних тканей биообъекта в диагностических комплексах для ранней диагностики онкологических заболеваний.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные медицинские модуляционные радиотермометры имеют достаточно большие размеры, в связи с чем не могут быть встроены в элементы одежды и не позволят осуществлять непрерывный мониторинг температуры внутренних тканей человека в процессе ее жизнедеятельности. Такие радиотермометры, как правило, состоят из нескольких блоков и в процессе обследования устанавливаются на специальной стойке рядом с пациентом.
Известен компактный радиотермометр, который потенциально мог быть использован для мониторинга внутренней температуры внутренних тканей человека в процессе его жизнедеятельности (P. Stauffer et all. Utility of Microwave Radiometry for Diagnostic and Therapeutic Applications of Non-Invasive Temperature Monitoring // Conference paper: IEEE BenMAS 2014, At Philadelphia PA, DOI: 10.13140/2.1.3762.0487). Однако данное устройство является радиотермометром «полной мощности» и не содержит невзаимных элементов. Погрешность измерения такого радиотермометра резко возрастает при изменении входного импеданса исследуемых тканей. Подобные устройства можно использовать для исследования характера изменения температуры внутренних тканей во времени, предварительно проведя калибровку прибора в исследуемой области. Но поскольку входной импеданс тканей в разных частях тела существенно различается, то радиояркостная температура, измеренная в разных частях тела, также будет существенно различаться, что может вызвать сложности практического использования этого радиотермометра без специальной калибровки в каждой точке.
Поэтому для того чтобы результаты измерения не зависели от диэлектрической проницаемости исследуемых тканей, желательно использовать балансный нуль-радиометр со схемой компенсации отражений.
3
Наиболее близким аналогом является нулевой модуляционный медицинский радиотермометр для неинвазивного выявления тепловых аномалий внутренних тканей (А.В. Вайсблат. Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2001. №8. с. 11-23). Радиотермометр состоит из блока обработки информации (БОИ), который имеет габариты 342*257*135 мм и радиодатчика, который во время обследования находится в руке врача. Питание прибора осуществляется от сети 220 V, вес прибора в упаковке составляет 8.5 кг.
а
В радиодатчике осуществляется прием, модуляция, фильтрация, усиление, детектирование СВЧ сигнала и последетекторное усиление, а синхронное детектирование, ограничение, накопление, усиление сигнала, поступающего с выхода синхронного детектора, осуществляется в блоке БОИ. Антенна аппликаторного типа непосредственно располагается на поверхности объекта для приема шумового сигнала, излучаемого тканями биообъекта (или человека). При отсутствии диссипативных потерь в антенне температура шумов на выходе антенны совпадает с шумовой температурой биообъекта Т (то есть с радиояркостной температурой биообъекта). В радиометре реализован принцип скользящего подшумливания.
Принцип работы обеспечивается модуляцией сигналов посредством замыкания и размыкания электронного выключателя. В разомкнутом состоянии электронного выключателя на вход устройства усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала поступает шумовой сигнал только от согласованной нагрузки, установленной на элементе Пельтье. Элемент Пельтье, который управляется напряжением, поступающим от усилителя Пельтье, нагревает или охлаждает нагрузку в зависимости от полярности напряжения, поступающего на элемент Пельтье, и, таким образом, меняет величину шумового сигнала, который поступает от нагрузки на вход устройства усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала. Если электронный выключатель замкнут, на вход устройства усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала поступает шумовой сигнал с выхода антенны. В результате после усиления СВЧ сигнала и его детектирования на выходе синхронного детектора образуется напряжение, пропорциональное разности шумового сигнала с выхода антенны и шумового сигнала, поступающего с выхода СВЧ нагрузки. С выхода синхронного детектора сигнал после усиления и необходимой обработки поступает на элемент Пельтье. В результате работы петли обратной связи сигналы, поступающие от биообъекта и от СВЧ нагрузки, выравниваются, в результате мощность шумового сигнала поступающего от биообъекта, совпадает с мощностью шумового сигнала поступающего со стороны СВЧ нагрузки. Для СВЧ нагрузки мощность шумов на его выходе определяется ее термодинамической температурой, поэтому, измерив температуру нагрузки, можно определить радиояркостную температуру биообъекта.
Описанная схема обеспечивает высокую точность измерения. Однако недостатком указанной схемы являются низкое быстродействие и невозможность использовать радиотермометр для мониторинга температуры в процессе жизнедеятельности человека из-за громоздкого блока обработки информации.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей полезной модели является создание миниатюрного (носимого) радиотермометра для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей с высокой точностью измерений.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности радиотермометра при регулировке нулевого баланса.
Технический результат достигается тем, что радиотермометр содержит последовательно соединенные антенну-аппликатор, контактирующую с биообъектом, переключатель, циркулятор, устройство амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала, программируемую аналоговую интегральную схему, усилитель Пельтье, элемент Пельтье, при этом ко второму входу переключателя подключена первая согласованная нагрузка, установленная на элементе Пельтье и имеющая тепловой контакт с ним, балансное плечо циркулятора подключено ко второй согласованной нагрузке, управляющий выход программируемой аналоговой интегральной схемы соединен с управляющим входом переключателя, при этом элемент Пельтье, переключатель, циркулятор установлены на теплопроводящей плате и находятся с ней в тепловом контакте, а переключатель выполнен с возможностью подключать к первому входу циркулятора либо антенну-аппликатор, либо первую согласованную нагрузку, при этом радиотермометр снабжен датчиком температуры, выполненным с возможностью измерения температуры первой согласованной нагрузки и передачи измеренной температуры на устройство обработки данных.
Кроме того, устройство амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала включает последовательно соединенные малошумящий усилитель с полосно-пропускающими фильтрами, амплитудный детектор, последетекторный усилитель.
Кроме того, вторая согласованная нагрузка может быть установлена на теплопроводящей плате и находиться с ней в тепловом контакте.
Кроме того, вторая согласованная нагрузка может быть установлена на элементе Пельтье и находиться с ним в тепловом контакте.
Кроме того, датчик температуры установлен на элементе Пельтье или на первой согласованной нагрузке.
Кроме того, радиотермометр может быть дополнительно снабжен микроконтроллером, при этом датчик температуры соединен последовательно с микроконтроллером, управляющий выход которого подключен к управляющему входу программируемой аналоговой интегральной схемы.
Кроме того, микроконтроллер может быть выполнен со встроенным аналого-цифровым преобразователем или подключен к датчику температуры через внешний аналого-цифровой преобразователь.
Кроме того, программируемая аналоговая интегральная схема может иметь динамическую конфигурацию структуры.
Кроме того, программируемая аналоговая интегральная схема может иметь статическую конфигурацию структуры.
Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью передачи данных на устройство обработки данных.
Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью получения питания от устройства обработки и индикации данных.
Кроме того, радиотермометр снабжен автономной системой электропитания для обеспечения питания переключателя, устройства амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала, программируемой аналоговой интегральной схемы, усилителя Пельтье, датчика температуры.
Кроме того, радиотермометр снабжен автономной системой электропитания для обеспечения питания переключателя, устройства амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала, программируемой аналоговой интегральной схемы, усилителя Пельтье, датчика температуры, аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера.
Использование программируемой аналоговой интегральной схемы (ПАИС) как в статически, так и в динамически конфигурируемых схемах позволяет отказаться от значительной части внешних навесных элементов, что в значительной степени повышает надежность готового продукта, кардинально снижая его стоимость и габариты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена предлагаемая структурная схема выполнения заявляемого миниатюрного модуляционного радиотермометра.
На Фиг. 2 представлена структурная схема варианта выполнения миниатюрного модуляционного радиотермометра с двумя СВЧ нагрузками, установленными на элементе Пельтье.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Конструкция предлагаемого миниатюрного (носимого) радиотермометра подробно поясняется на Фиг. 1.
Заявленный радиотермометр содержит последовательно соединенные антенну-аппликатор (3), контактирующую с биообъектом, переключатель (25), имеющий два входа и один выход, один управляющий вход. Один из входов переключателя (25) соединен с выходом антенны (3), а второй вход соединен с первой согласованной нагрузкой (9), установленной на элементе Пельтье (10) и имеющей тепловой контакт с ним. Шумовой сигнал с выхода переключателя (25) поступает на вход циркулятора (26), обеспечивающего развязку между устройством усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала (7) и антенной-аппликатором (3).
Циркулятор (26) работает в режиме вентиля и его баланское плечо нагружено на вторую согласованную нагрузку (27). С выхода циркулятора (26) шумовой сигнал поступает на устройство усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала (7), содержащее последовательно соединенный малошумящий СВЧ усилитель с полосно-пропускающими фильтрами, амплитудный детектор и последетекторный усилитель.
К выходу устройства амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала (7) подключается вход программируемой аналоговой интегральной схемы (ПАИС), выход которой соединен с входом усилителя Пельтье.
С выхода устройства усиления и амплитудного детектирования СВЧ сигнала (7) сигнал поступает на ПАИС (28), где осуществляется его фильтрация на частоте 1 кГц, усиление, синхронное детектирование, накопление и динамическое регулирование его амплитуды. Управляющий выход ПАИС (28) соединен с управляющим входом переключателя (25). Переключатель (25) управляется ПАИС с частотой 1 кГц и подключает к входу циркулятора (26) либо антенну-аппликатор (3), либо первую согласованную нагрузку (9).
а
r1
а
r1
Таким образом, в зависимости от управляющего сигнала от ПАИС (28) на вход циркулятора (26) поступает либо шумовой сигнал от антенны-аппликатора Т, либо от первой согласованной нагрузки (9) Т. На выходе ПАИС (28) формируется напряжение, пропорциональное разности шумовой температуры Т антенны-аппликатора и шумовой температуры Т, поступающей на выход антенны-аппликатора от первой согласованной нагрузки (9), которое поступает после усилителя Пельтье (21) на элемент Пельтье (10):
где k - коэффициент усиления приемного тракта радиотермометра при разомкнутой обратной связи,
а
Т - шумовая температура с выхода антенны-аппликатора,
r1
Т - шумовая температура, поступающая на выход антенны-аппликатора от первой согласованной нагрузки.
r1
а
В зависимости от полярности напряжения, поступающего на элемент Пельтье (10), меняется его термодинамическая температура и, соответственно, температура первой согласованной нагрузки (9), которая установлена на нем. Это приводит к изменению шумовой температуры, поступающей на выход антенны-аппликатора с выхода первой согласованной нагрузки (9). Очевидно в результате действия обратной связи шумовая температура Т первой согласованной нагрузки (9) приближается к шумовой температуре Т, поступающей с выхода антенны-аппликатора (3).
Если антенна-аппликатор недостаточно хорошо согласована с биообъектом, то погрешность измерения температуры, связанная с отражения шумового сигнала от биообъекта, компенсируется шумовым сигналом, поступающим от второй согласованной нагрузки (27).
В представленной на Фиг. 1 заявленной схеме вторая согласованная нагрузка (27) установлена на теплопроводящее основание и соединена с балансным плечом циркулятора (26). Первая сторона элемента Пельтье установлена на теплопроводящее основание и имеет хороший тепловой контакт с ним, а первая согласованная нагрузка (9) установлена на стороне элемента Пельтье (10), противоположной основанию, и имеют хороший тепловой контакт с ним. Переключатель (25) и циркулятор (26) также имеют хороший тепловой контакт с общим теплопроводящим основанием, поэтому температура теплопроводящего основания, циркулятора, переключателя и второй согласованной нагрузки близки.
Температура первой согласованной нагрузки (9) измеряется с помощью датчика температуры (11), который может быть установлен на элементе Пельтье (10) или на первой согласованной нагрузке (9) и имеет хороший тепловой контакт с ними. Напряжение с датчика температуры (11) передается по схеме измерения, преобразующей его в цифровую форму, в частности, по последовательной шине поступает на микроконтроллер (12) и передается в устройство обработки и индикации данных. В частности, на персональный компьютер.
При этом микроконтроллер выполнен со встроенным аналого-цифровым преобразователем или подключен к датчику температуры через внешний аналого-цифровой преобразователь.
Микроконтроллер выполнен с возможностью передачи данных на устройство обработки и индикации данных как по проводному, так и по беспроводному каналу передачи данных.
Возможен вариант выполнения датчика температуры с возможностью измерения температуры первой согласованной нагрузки (11) и передачи данных по беспроводному каналу передачи данных на устройство обработки и индикации данных.
Для снижения погрешности рассогласования можно использовать схему, представленную на Фиг. 2. В этом варианте осуществления вторая согласованная нагрузка (27) установлена на стороне элемента Пельтье (10), противоположной теплопроводящему основанию, и имеет тепловой контакт с ним.
а
В этом случае температура второй согласованной нагрузки (27) близка к температуре первой согласованной нагрузки (9) и, следовательно, близка к температуре биообъекта Т. Поэтому погрешность рассогласования существенно снижается.
Все составные части радиотермометра имеют общее заземление по СВЧ сигналу.
В качестве ПАИС (28) может быть использована микросхема AN231E04 (Anadigm) QFN-44. При этом весь радиотермометр размещается в одном корпусе, размеры которого могут быть не более 25*30*20 мм, а вес не превосходить 150 г.
r1
а
Следует отметить, что остаточное напряжение, поступающее на элемент Пельтье, которое определяется разностью между температурой Т и Т зависит от величины коэффициента усиления обратной связи. При уменьшении коэффициента усиления обратной связи растет время переходного процесса и возрастает остаточная ошибка в петле обратной связи, что приводит к увеличению погрешности измерения температуры за счет нестабильности коэффициента усиления малошумящего усилителя. При увеличении коэффициента усиления в петле обратной связи может происходить перегрузка усилителя Пельтье, что тоже отрицательно сказывается на функционировании прибора.
ПАИС в отличие от традиционной схемы синхронного детектирования, реализованного в схеме прототипе, имеет статическую и динамическую конфигурации структуры.
В статически программируемых схемах конфигурационные данные загружаются при включении ПАИС и остаются неизменными во время ее работы. В статически программируемых схемах при подаче напряжения питания на микросхему конфигурационная память ПАИС очищается, после чего конфигурационная логика автоматически загружает данные из EPROM. После завершения загрузки данных ПАИС автоматически активирует аналоговую структуру.
В динамически конфигурируемой схеме схема позволяет изменять полностью или частично функциональную структуру в реальном времени в работающем устройстве.
Конфигурационные интерфейсы устройств с динамической конфигурацией (AN220E04, AN221E04, AN221E02 и AN231E04) содержат специальные функции, которые позволяют загружать реконфигурационные данные «на лету» без необходимости перезагружать устройство.
В приложениях, требующих динамического переконфигурирования аналоговой структуры в процессе работы, необходимо использовать внешний микроконтроллер, позволяющий выполнять вычисления новых значений схемы, собирать эти значения в блок конфигурационных данных и передавать его в ПАИС.
В варианте осуществления полезной модели, в котором ПАИС имеет статически конфигурируемую структуру, коэффициент усиления обратной связи усилителя и полоса пропускания, а также все другие параметры схемы в процессе измерения оставались постоянными и изменялись только в процессе отработки схемы.
При динамическом конфигурировании схемы ПАИС имеется возможность динамического изменения, коэффициента усиления петли обратной связи, полосы частот селективного усилителя и величины постоянной времени линии задержки. Возможность оперативной перестройки всех параметров приемного устройства позволяет оптимизировать переходной процесс и за счет этого снизить время измерение, тем самым повысить надежность работы устройства и его быстродействие.
Питание радиотермометра может осуществляться от устройства обработки и индикации данных, например, персонального компьютера, поступающего по USB разъему к микроконтроллеру. При беспроводном интерфейсе питание переключателя, устройства амплитудного детектирования и усиления СВЧ сигнала, программируемой аналоговой интегральной схемы, усилителя Пельтье, датчика температуры, микроконтроллера обеспечивается автономной системой электропитания, расположенной в корпусе устройства и подключенной ко всем вышеперечисленным элементам.
В качестве подложек для микрополосковых линий могут быть использованы диалектические основания из материала Rodgers толщиной от 0.2 до 0.5 мм. Переключатель может быть реализован на микросхеме MASW-007107, а усилитель Пельтье на микросхеме ALM2402-Q1(TI) DRR-12, в качестве циркулятора возможно использовать Циркулятор 3СММ41.
Все управляющие сигналы в радиотермометре вырабатывает микроконтроллер (12). На его выходную шину поступает измеренный сигнал биообъекта. Микроконтроллер обеспечивает взаимодействие всех составных частей миниатюрного радиотермометра на программном и аппаратном уровнях и обеспечивает прием от составных частей миниатюрного радиотермометра измеренных данных, необходимую обработку, упаковку и передачу информации в удаленное устройство обработки и индикации данных
Таким образом, заявленная полезная модель позволит улучшить надежность радиотермометра и уменьшить его габариты, обеспечив тем самым возможность проводить измерение температуры внутренних тканей в процессе жизнедеятельности пациента и встраивать прибор в элементы одежды.
Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант ее осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие ее сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченной по объему только нижеследующей формулой полезной модели.