УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для определения физических параметров исследуемого объекта, например, биологических сред.
В настоящее время на основании изучения эффектов взаимодействия электромагнитных излучений с живыми объектами и биологическими средами разработаны различные методы и приборы для диагностики физических параметров биологических сред и живых объектов.
Однако в силу несовершенства знаний о механизмах взаимодействия электромагнитных излучений с биообъектами, попытки использовать эффекты взаимодействия электромагнитных излучений с биотканями наталкиваются на значительные трудности не только в интерпретации результатов, но и в самой технике регистрации эффектов. Последнее в значительной степени обусловлено принципиальным требованием невмешательства в текущие метаболические процессы процедурой измерений.
Из диагностических приемов, основанных на использовании электромагнитных излучений, известны способы, включающие регистрацию физических параметров исследуемого объекта (Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий., М., Энерго-атомиздат, 1994.). Эти способы заведомо предполагают наличие регистрируемых изменений в исходном состоянии тканей под воздействием электромагнитного излучения и потому не дают достоверной картины их естественного статуса. К тому же они весьма громоздки и неудобны в оперативном использовании.
Известны способы диагностики, включающие регистрацию отраженного потока электромагнитного излучения в ВЧ и СВЧ диапазонах (в полосе десятков и сотен мегагерц), по величине которого судят о физических параметрах объектов (Steel М., Shep-pard R. Physics in medicine and Biology. Vol. 33, N 4, p. 467-472.; Foster K.R., Schwan H.P. Dielectric properties of tissues // Handbook of biological effects of elektromagnetic fields // Ed. C. Polk, E. Postow. Cleveland: CRC Press, 1987, p.32-96.). Однако, ни волноводные, ни резонансные, ни квазиоптические методы в прелагаемом их варианте не применимы для широкого круга биологических исследований по причине жесткости требований к геометрии изучаемых образцов и фиксации их в пространстве.
Известен способ диагностики, включающий формирование сигнала СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный сигналы, излучение последнего на исследуемый участок объекта, прием отраженного сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии (Авторское свидетельство СССР №1656475, 1991.). В этом случае в
отраженном сигнале измеряется только фаза, что недостаточно для получения полной информации об объекте, а в ряде ситуаций затруднительно получить вообще сколько-нибудь достоверные сведения.
х
Для реализации этого способа предложено устройство, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечного 3 децибельного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения, третье- с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое- с волноводным трактом опорного сигнала, имеющего фазовый модулятор, причем, оба тракта выполнены с возможностью подстройки длины пути проходящих по ним сигналов, при этом, волноводный тракт измерительного сигнала имеет облучатель, соответствующий модулятор, связанный с генератором низкой частоты, и каждый тракт снабжен соответствующим короткозамыкателем (Авторское свидетельство СССР №1656475, 1991.).
Наиболее близким решением к предлагаемому можно считать устройство по патенту РФ на изобретение №2098016, 1997 г.
Устройство включает 3-х децибельный направленный ответвитель с двумя развязанными входами. К первому входу подключен генератор СВЧ, ко второму - квадратичный детектор. К выходам ответвителя подключены соответственно волноводный тракт опорного сигнала и волноводный измерительный тракт.
Волноводный тракт опорного сигнала включает волноводный трансформатор сопротивлений, фазовый модулятор и короткозамыкающий поршень.
Измерительный тракт включает волноводный трансформатор сопротивлений, циркулятор, модулятор, короткозамыкающий поршень, генератор низкой частоты, синхронный измеритель, а также облучатель.
В процессе исследований применялся облучатель круглого сечения (зонд) с четвертьволновой лейкосапфировой вставкой, что обеспечивало оптимальные условия для монохроматического отраженного сигнала. Облучатель непосредственно взаимодействовал с изучаемым объектом, например, путем опускания его в сосуд с изучаемой жидкостью.
Однако в процессе использования указанного устройства были выявлены и существенные недостатки.
При исследовании сред, мало отличающихся по электродинамическим параметрам, появляется необходимость существенного увеличения стабильности условий проведения измерений. В частности, требуется стабилизация температуры всех звеньев рабочего тракта, исключение температурного дрейфа частоты генератора, температурного изменения геометрической длины волноводного зонда и, что особенно важно, - температурной зависимости электродинамических параметров исследуемой среды. При этом существенными являются изменения температуры в пределах не более 0,2°С. Последнее обстоятельство ставит под сомнение техническое решение, предусматривающее довольно строгую (± 0,1°С) термостабилизацию всей измерительной схемы, включая измеряемую среду - нередко какую-либо водную или водосодержащую
систему. Связано это с тем, что в открытом сосуде, применение которого необходимо по условию приведения измерительного воловодного зонда в контакт со средой, удержание температуры жидкости с точностью ±0,1°С по всему объему представляет собой практически невыполнимую задачу. Кроме того, при необходимости проводить измерения в условиях заведомо положительных температур, замена исследуемых образцов приводит к заметным колебаниям температуры волноводного зонда в связи с испарениями пленки жидкости, неизбежно остающейся на кончике зонда, извлеченном из жидкой пробы. Особенно это проявляется при исследовании легколетучих жидкостей и водных растворов. Между тем, при работе в миллиметровом диапазоне, даже локальные изменения температуры в пределах нескольких градусов, возникшие на ограниченном участке волноводного зонда, оказываются критичными для измерения фазы отраженного от пробы излучения.
Контроль температуры всех звеньев измерительного тракта, включая исследуемую среду, в такой схеме измерений представляет собой громоздкую систему из нескольких датчиков температуры, сложной электронной системы и разветвленного программного обеспечения.
Задача предлагаемого решения - повышение точности результатов диагностики исследуемого объекта за счет повышения стабильности температурного режима измерений.
Для решения поставленной задачи в устройстве для диагностики, содержащем четырехплечий з-х децибельный направленный ответвитель, к первому входу которого подключен выход генератора СВЧ, ко второму входу присоединен детектор, третье плечо соединено с волноводным трактом измерительного сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного сигнала, причем волноводный тракт опорного сигнала включает последовательно соединенные волноводный трансформатор сопротивлений, фазовый модулятор и коротко замыкающий поршень, а волноводный тракт измерительного сигнала содержит последовательно включенные волноводный трансформатор сопротивлений, циркулятор, связанный с модулятором и обеспеченный коротко замыкающим поршнем, генератор низкой частоты и синхронный измеритель, в измерительном тракте облучатель заменен системой, включающей последовательно подключенные к циркулятору корректор частоты генератора, волноводный трансформатор и закрытую термостатируемую кювету для размещения в ней исследуемого образца.
При этом корректор частоты выполнен в виде отрезка волновода с продольной щелью с возможностью введения в нее метки в виде пластины из диэлектрического материала с поглощающим покрытием и металлизированным краем, причем край пластины имеет конфигурацию, соответствующую частотной характеристике сигнала СВЧ генератора.
Кроме того, между волноводным трансформатором и кюветой может быть введена овальная диафрагма для согласования просветов в стенках кюветы и волновода.
Дополнительно кювета может быть снабжена системой термостабилизации, а все устройство помещено в корпус с системой термостабилизации.
Введение новых блоков позволило добиться частотной и температурной стабилизации режима работы устройства, что привело к повышению точности получаемых результатов диагностики исследуемого объекта. Предлагаемое решение поясняется рисунками, где показаны:
фиг.1 - блок-схема устройства, фиг.2 - схема корректора частоты.
Устройство для диагностики содержит четырехплечий з-х децибельный направленный ответвитель 1, к первому входу которого подключен выход генератора СВЧ 2, ко второму входу присоединен вход детектора 3, третье плечо соединено с волноводным трактом измерительного 4 сигнала, а четвертое - с волноводным трактом опорного 5 сигнала, причем волноводный тракт опорного 5 сигнала включает последовательно соединенные волноводный трансформатор сопротивлений 6, фазовый модулятор 7 и коротко замыкающий поршень 8, а волноводный тракт измерительного 4 сигнала содержит последовательно включенные волноводный трансформатор сопротивлений 9, циркулятор 10, модулятор 11, связанный с коротко замыкающим поршнем 12, генератор низкой частоты 13 и синхронный измеритель 14. К выходу циркулятора последовательно подключены корректор частоты генератора 15, волноводный трансформатор 16 и закрытая термостатируемая кювета 17 для размещения в ней исследуемого образца.
Корректор частоты 15 выполнен в виде отрезка волновода 18 с продольной щелью 19 с возможностью введения в нее метки в виде пластины 20 из диэлектрического материала с поглощающим покрытием и металлизированным краем, обращенным в сторону генератора, причем край пластины имеет конфигурацию, соответствующую частотной характеристике сигнала СВЧ генератора.
Введение метки 20 осуществляется посредством управляемого шарнирного механизма (не показан). Край пластины 21 имеет конфигурацию, соответствующую частотной характеристике сигнала СВЧ генератора. Свойства предлагаемого блока практически не зависят от температуры.
Волноводный просвет в стенке металлической кюветы 17 закрыт диэлектрической диафрагмой 22, материал которой подобран в соответствии с диэлектрическими свойствами жидкостей, для исследования которых предназначается прибор. В случае, когда по техническим соображениям диэлектрическая диафрагма кюветы должна иметь круглое сечение, а в остальных элементах СВЧ тракта использованы прямоугольные волноводы, между СВЧ трансформатором и кюветой вводится овальная диафрагма, согласующая прямоугольный просвет волноводного тракта с участком круглого сечения в стенке кюветы.
Дополнительно кювета может быть снабжена системой термостабилизации (не показана), а все устройство помещено в корпус с системой термостабилизации (не показана). Корректор частоты 15 выполняет роль механически управляемого эталонного элемента, свойства которого практически не
зависят от температуры. Это позволяет использовать эталонный элемент для контроля и подстройки частоты генератора в соответствии с параметрами отраженного эталоном сигнала, имея в виду, что отклонение частоты излучения от заданной является основным дестабилизирующим фактором работы устройства.
Корректирующий СВЧ трансформатор 16 предназначается для полного согласования всего СВЧ тракта при заполнении кюветы конкретным исследуемым веществом, поскольку диэлектрическая диафрагма кюветы выбирается применительно к свойствам некоторого класса исследуемых веществ. Коррекция согласования СВЧ тракта посредством СВЧ трансформатора осуществляется при полностью выведенной из просвета волновода метке эталонного элемента.
Внутренний объем измерительной кюветы должен быть изолирован от внешнего пространства, а кювета в целом должна быть снабжена системой термостабилизации. Кроме того, СВЧ блок и весь СВЧ тракт, включая кювету, помещается в изолированное от внешней среды пространство под кожухом из теплоизорирующего материала. Одновременно под кожухом монтируется термоблок, обеспечивающий возможность регулировать температуру воздуха в пространстве под ним. Последнее обеспечивает заданный температурный режим эксплуатации всего волноводного тракта, включая СВЧ блок.
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства в течение некоторого времени, в зависимости от начальной его температуры, происходит выход на заданный температурный режим, что контролируется соответствующим электронным и программным блоками. По сигналу о достижении температурного режима в волноводный тракт 18 автоматически, на заданную глубину вводится механический эталонный эквивалент - метка 20 - и происходит автоматический анализ отраженного им сигнала. В соответствии с результатами анализа, выдается команда на электронный настроечный элемент генератора СВЧ блока 1 (варактор) и производится коррекция рабочей частоты излучения. После этого метка 20 автоматически извлекается из просвета волновода 18 и подается команда на реализацию акта измерения амплитуды и фазы отраженного средой тестирующего излучения. Импульс излучения, пройдя от СВЧ блока по волноводному тракту, проникает через диэлектрическую диафрагму в исследуемую среду, имеющую заданную температуру, отражается от нее и возвращается в СВЧ блок, где происходит его детектирование.
Смена пробы в массивной, терморегулируемой металлической кювете практически не влияет на геометрические параметры волноводного тракта. Возможные отклонения рабочей частоты генератора, вызванные любыми, в том числе температурными условиями, корректируются всякий раз перед измерениями в среде посредством использования механического эталонного эквивалента.
Таким образом в отличие от прототипа достигнуты более высокие результаты по точности диагностирования.