МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ДЛЯ РАДИОТЕРМОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
MULTI-CHANNEL RECEIVER FOR RADIOTHERMOMETRIC DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области медицинской техники к устройствам измерения температуры внутренних органов (областей) тела человека (животного) путем измерения естественного уровня СВЧ излучения, определяемого его температурой (радиотермометрия).
Глубина, расположение и геометрическое разрешение измеряемых областей определяются используемым диапазоном рабочих частот.
Одноканальные (однодиапазонные) радиотермометры работают в диапазонах от сотен МГц до 5-6 ГГц при полосах частот 10-20%, обеспечивая измерения на глубинах от 5-7 до 3-5 см с геометрическим разрешением от 20-15 до 7-5 мм.
Большинство публикаций посвящены именно одноканальным радиотермометрам.
Вместе с тем, необходимость получения объемной картограммы распределения температуры по площади и в объеме контролируемой области привело к появлению предложений о разработке многоканальных радиотермометров.
Известен однодиапазонный многоантенный радиотермограф, 5 антенн которого размещаются над исследуемой областью и последовательно в процессе измерений подключаются ко входу модуля. (Нанотехнологии: разработка, применение, №2, т. 9, изд-во Радиотехника, 2017 г., стр. 33). Электронный модуль представляет собой приемник прямого усиления с переносом радиочастотного спектра на видеочастоту путем непосредственного квадратичного детектирования принятого и усиленного сигнала с последующим усилением на видеочастоте до требуемого уровня (фиг. 1). В модуле осуществляется коммутация входных сигналов 13, поступающих последовательно от 5 антенн-аппликаторов. В состав одноканального модуля входит циркулятор 1, МШУ (малошумящий усилитель) 2 и 4, полосовой фильтр СВЧ 3, квадратичный детектор 5, полосовой фильтр 6, выходные усилители 7 и 8, генератор шума 9, сигналы управления 10, 11, 12. Такой многоканальный радиотермограф позволяет снимать температурную информацию последовательно с нескольких точек на теле, как поверхностных так и с глубины. При этом каждым каналом прибора регистрируется интегральное излучение из определенной области. Это несколько сокращает время измерений и повышает их точность.
Недостатками этого технического решения являются последовательный обзор различных требуемых при обследовании частотных диапазонов; применение коаксиальных переключателей, вносящих дополнительные погрешности из-за неидеального согласования и потерь; использование в каждом канале своего генератора шума, что может приводить к дополнительным погрешностям; неодновременность измерений в различных диапазонах, что также приводит к дополнительным ошибкам.
В работе (Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modeling. J.W. Hand, S. Mizushina и др. Institute of Physics Publishing. Physics in medicine and biology. №46. p. 1888. 2001 год) описан многоканальный 5-ти диапазонный радиотермограф со сдвоенной широкополосной антенной, работающий на частотах 1,2 ГГц, 1,65 ГГц, 2,3 ГГц, 3 ГГц, 3,6 ГГц (фиг. 2, прототип). В нем измерения проводятся также одновременно только на одном или двух из 5-ти каналов 14, 15, 16, 17, 18 путем переключения коаксиальных переключателей, что обеспечивает последовательное измерение всех 5-ти каналов. Это повышает скорость и объем обследования органа в 2,5-3 раза. Каждый канал включает в себя источник шума, циркулятор, усилитель, смеситель, детектор и др.
Недостатками этого технического решения являются: последовательный обзор частотных диапазонов; применение коаксиальных переключателей, вносящих дополнительные погрешности из-за неидеального согласования и потерь; использование в каждом канале своего генератора шума, что может приводить к дополнительным погрешностям; неодновременность измерений в различных диапазонах, что также приводит к дополнительным ошибкам.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в том, что предлагаемое устройство реализации радиотермометра, обеспечивает проведение одновременных измерений температур в нескольких СВЧ частотных диапазонах без применения каких-либо переключений и с помощью единого источника опорного шумового генератора, также технический результат заключается в повышении скорости обследования и снижении погрешности измерений.
Технический результат достигается за счет использования конструкции устройства, в которой выход одной широкополосной антенны, принимающей сигналы всех измеряемых частотных диапазонов подключается к одному входу СВЧ переключателя, ко второму входу которого подключается общий для всех приемных каналов контрольный генератор шума. При этом выход переключателя, управляемого специальным тактовым генератором, подключен к блоку предварительного широкополосного усиления, включающему в себя малошумящий усилитель с широкополосным фильтром и выходным усилителем. Далее сигнал с выхода блока предварительного усилителя поступает на вход N-канального СВЧ-делителя мощности, к каждому выходу которого подключены приемные каналы, работающие параллельно и одновременно в каждом из измеряемых диапазонов, обеспечивая усиление, фильтрацию, квадратичное детектирование и усиление сигналов низкой частоты с последующим выделением ключами, подключенными к выходам усилителей и управляемых коммутатором таким образом, что выделяются по два потока сигналов в каждом диапазоне, соответствующих уровням мощности исследуемого тела и генератора шума, интегральные уровни которых отражают соотношение температур тела и генератора шума, обработка которых блоком цифровой обработки по специальным программам позволяет формировать картограмму распределения температур исследуемого тела; при этом интегрированный сигнал уровня генератора шума используется для автоматического регулирования и стабилизации коэффициентов усиления каждого частотного канала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 представлен приемник прямого усиления с переносом радиочастотного спектра на видеочастоту путем непосредственного квадратичного детектирования принятого и усиленного сигнала с последующим усилением на видеочастоте до требуемого уровня. В модуле осуществляется коммутация входных сигналов 13, поступающих последовательно от 5 антенн-аппликаторов. В состав одноканального модуля входит циркулятор 1, МШУ (малошумящий усилитель) 2 и 4, полосовой фильтр СВЧ 3, квадратичный детектор 5, полосовой фильтр 6, выходные усилители 7 и 8, генератор шума 9, сигналы управления 10, 11, 12.
На фиг. 2 представлен многоканальный 5-ти диапазонный радиотермограф со сдвоенной широкополосной антенной, работающий на частотах 1,2 ГГц, 1,65 ГГц, 2,3 ГГц, 3 ГГц, 3,6 ГГц.
На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого технического решения. Структурная схема включает антенну-аппликатор 19, радиоблок 20, блок цифровой обработки 21, компьютер 22, коаксиальный кабель 23, сигнал тактового генератора 24.
На фиг. 4 представлена структурная схема антенны-аппликатора, в состав которой входит широкополосная антенна 30 с полосой частот, равной сумме полос всех каналов (например, от 1 до 4 ГГц). В ней же размещается переключатель 26, усилители 27, 29 и фильтр 28 с полосой, равной полной полосе всех каналов, обеспечивающих предварительное усиление сигналов на величину 40-50 дБ, генератор шума 31.
На фиг. 5 представлена структурная схема блока цифровой обработки, которая включает в себя делитель мощности 32, усилители 33, 36,39, фильтры 34 и 38, квадратичный детектор 37, тактовый генератор 35, ключи 40 и 42, коммутатор 41, интеграторы 43 и 44.
Сущность настоящего технического решения заключается в том, что предлагается следующая конструкция построения и функционирования многоканального приемника радиотермометра. Сигналы широкополосной антенны 30 и опорного генератора шума 31, подключенные к двум входам СВЧ переключателя 26, управляемого тактовым генератором 35, попеременно с частотой порядка 1 кГц, с выхода переключателя подаются на вход предварительного широкополосного СВЧ усилителя с полной полосой всех исследуемых диапазонов, например, 5-ти в полосе 1-4 ГГц, объединенных в конструкции антенны-аппликатора (АА). Предварительный широкополосный усилитель включает в себя малошумящий усилитель 27 с широкополосным фильтром 28 и выходным усилителем 29. Выходной широкополосный сигнал АА поступает на вход многоканального СВЧ делителя 32 с числом выходов, равным числу частот измеряемых каналов. К каждому выходу делителя сигналов подключаются усилительно-фильтрующие радиоканалы с полосовыми фильтрами 34 и 38, выделяющими нужные полосы с заданными центральными частотами. Выходные сигналы СВЧ каналов детектируются квадратичными детекторами 37, выделяя униполярные шумоподобные последовательности сигналов пропорциональных температурам тела измеряемого тела и шумового генератора. К выходам усилителей 39, повышающим уровень продетектированных сигналов подключаются по два ключа 40 42, управляемых тактовым генератором 35 и коммутатором 41, выделяющих последовательности сигналов измеряемого тела и шумового генератора. Амплитуды интегрированных сигналов двух потоков 43, 44 каждого частотного канала радиотермометра определяют соотношение температуры тела и шумового генератора. Параллельная подача пар сигналов каждого диапазона на вход блока цифровой обработки или компьютера позволяет определить температуру исследуемого тела. Для уменьшения ошибок из-за нелинейности каналов усиления и возможной перегрузки выходные сигналы интеграторов опорных каналов подаются на входные усилители СВЧ каналов 33 для автоматической стабилизации коэффициента усиления 45 трактов радиоблока. Для устранения неравномерности коэффициентов передачи сигналов в полной полосе работы радиотермометра усилительно-фильтрующим каналом АА и многоканального делителя СВЧ сигналов предусматривается параллельный режим калибровки каждого частотного диапазона. Неравномерность коэффициента передачи антенны в пределах полной полосы заносится в память блока цифровой обработки и учитывается программно при вычислении температуры объекта. Обработка многоканальных сигналов радиоблока может осуществляться либо специальным блоком цифровой обработки, либо компьютером по специальной программе в случае преобразования параллельных потоков в единый последовательный специальным преобразователем.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 3. В него входят: антенна-аппликатор 19, радиоблок 20, блок цифровой обработки 21, компьютер 22, коаксиальный кабель 23, сигнал тактового генератора 24.
Антенна-аппликатор (АА) 19 (фиг. 4) включает в свой состав широкополосную антенну 30 с полосой частот, равной сумме полос всех каналов (например, от 1 до 4 ГГц). В ней же размещается переключатель 26, обеспечивающий по командам тактового генератора ТГ 35 (фиг. 5) попеременное подключение входа приемника к антенне 30 и генератору шума 31 (фиг. 4).
В АА также входит СВЧ усилители 27, 29 и фильтр 28 с полосой, равной полной полосе всех каналов, обеспечивающих предварительное усиление сигналов на величину 40-50 дБ.
С выхода АА СВЧ сигнал по коаксиальному кабелю передается на радиоблок 20 (фиг. 3).
Выходной сигнал АА подается на вход СВЧ делителя мощности 32 радиоблока (РБ), к 5-ти выходам которого подключаются 5 радиоканалов, идентичных по структуре, но работающих в выбранных частотных диапазонах. Например, 1,2ГГц, 1,65ГГц, 2,ЗГГц, ЗГГц и 3,6ГГц с полосами частот порядка 15%, что обеспечивается СВЧ фильтрами 34.
Так как структурно и режимно работа всех 5 каналов идентична рассмотрим режимы калибровки и измерений одного канала.
Конструктивно делитель 32 может быть выполнен в микрополосковом варианте с потерями от входа до выхода каждого канала с потерями 8-10 дБ.
Для обеспечения работы детектора 37 в квадратичном режиме, при котором его выходное напряжение пропорционально подводимой СВЧ мощности, усиление тракта от выхода антенны 30, переключателя 26, усилителей 27 и 29, фильтра 28, делителя 32, усилителей 33 и 36 и фильтра 34 должно быть порядка 80-90 дБ.
Выходной сигнал детектора 37 после фильтра низкой частоты 38, отсекающего сигналы переходных процессов переключателя 26 и гармоник, увеличивается усилителем 39 до величины нескольких вольт.
На выходе усилителя 39 в режиме измерений выделяется регулярная последовательность периодических униполярных шумоподобных импульсов с амплитудами, пропорциональным температурам «тела» и ГШ 31.
Для разделения последовательностей импульсов «тела» и ГШ, к выходу усилителя 39 подключаются параллельно два ключа 40 и 42, управляемых коммутатором 41 таким образом, что на выходе ключа 40 выделяются сигналы «тела», а на выходе ключа 42 сигналы ГШ 31.
Так как сравнение амплитуд шумоподобных униполярных импульсных сигналов не обеспечивает точности, импульсные последовательности ключей 40 и 42 подаются на интеграторы 43 и 44, с временем интегрирования порядка 0,5-1,0 секунд. На выходах интеграторов формируются постоянные напряжения, которые подаются на входные высокоразрядные АЦП блока цифровой обработки БЦО 21.
Зная температуру ГШ и соотношение напряжений канала «тело» и канала ГШ, с помощью соответствующей программы работы БЦО можно определить температуру «тела» с точностью до младшего разряда АЦП.
Для оптимизации и стабилизации работы детектора в нужной точке квадратичной характеристики, выходное напряжение интегратора 43 параллельно используется для автоматической регулировки усиления усилителя 33.
Входные сигналы антенны 30 и ГШ 31 усиливаются одним и тем же каналом от входа усилителя 27 до выхода усилителя 39, что обеспечивает сохранение соотношения их амплитуд с нужной точностью. Однако, использование ключей 40 и 42 может вносить погрешность из-за разности в их потерях.
Для устранения этих ошибок можно использовать режим «калибровки», реализуемый следующим образом.
Входной переключатель 26 постоянно находится в положении ГШ. Выходные сигналы интеграторов каналов «тело» и «ГШ» должны быть одинаковы в случае идентичности ключей 40 и 42 и различаться в случае отличий их характеристик. В этом случае, должна определяться степень отличия сигнала канала «тело», и по спецпрограмме вычисляться поправка, заносимая в оперативную память БЦО и учитываться при формулировании выходных сигналов на монитор или принтер.
Время проведения калибровки составит 2-3 секунды и может проводиться либо в начале измерений, либо периодически в процессе обследования.
Вторым, возможным источником межканальных ошибок измерений может служить неравномерность амплитудно-частотной характеристики антенны. Для устранения этих ошибок АЧХ антенны должна быть измерена и внесена в постоянную память БЦО.