УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

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., Sheppard R. Physics in medicine and Biology. Vol.33, N4, 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 тестировании многокомпонентных жидкостей, особенно жидких сред биологического происхождения, таких, например, как желчь, моча и др., существует проблема различения электродинамических свойств образцов, обусловленных не основным веществом, а теми компонентами среды, которые составляют единицы процентов и менее от общей массы смеси. В частности, в миллиметровом диапазоне ЭМИ электродинамические свойства водосодержащих сред определяются почти целиком водой. Между тем, лабораторный анализ жидких сред, как правило, осуществляется в интересах определения именно тех компонентов смесей, которые по массе могут классифицироваться как примеси. При этом решающее значение может иметь не столько абсолютное количественное содержание
примесей, сколько их состояние в составе многокомпонентной среды. Примером для иллюстрации этого положения могут служить коллоидные системы, каковыми являются все жидкие среды живых организмов. Коллоидные частицы в водных системах, имея электрическую границу раздела, влияют на соотношение в системе свободной и связанной воды, что, по теории, не может не отразиться на электродинамических свойствах этих систем, по крайней мере, в миллиметровом диапазоне ЭМИ.
Вариантами состояния коллоидных систем подчас определяются их очень важные интегральные свойства. Известно, например, что патологические изменения свойств мочи и желчи, ведущие к развитию мочекаменной (МКБ) и желчекаменной (ЖКБ) болезней, в сути своей состоят в изменении устойчивости коллоидных систем этих биологических жидкостей. Таким образом, в целях ранней диагностики развития МКБ и ЖКБ, полезно иметь возможность количественно определять признаки, коррелирующие с коллоидной устойчивостью обеих жидкостей.
Метод, описанный в прототипе, в принципе позволяет обнаруживать признаки измененных камнеобразующих свойств и мочи, и желчи. Однако, надежность этого метода не велика по причине его малой чувствительности, обусловленной тем, что вклад вариантов состояния коллоидных частиц в количественные показатели электродинамических свойств мочи и желчи мал и соизмерим с влиянием таких параметров как температура исследуемой среды.
Существенно повысить чувствительность устройства позволяет предлагаемая ниже модель диагностического средства, выполненная с использованием принципа балансных измерений.
Для решения поставленной задачи в устройстве для диагностики, содержащем четырехплечий 3-х децибельный направленный ответвитель, к первому входу которого подключен выход генератора СВЧ, ко второму входу присоединен детектор, третье плечо ответвителя 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 и циркулятор, внесены изменения в измерительный тракт. Он дополнен двойным Т-образным мостом, к двум плечам которого через волноводные трансформаторы подключены соответственно кювета для «эталонной» среды и кювета для тестируемой среды, а вход моста через фазовращатель и вентиль соединен с выходом циркулятора, второй вход которого подключен к выходу моста.
Фазовращатель может быть выполнен в виде управляемой диафрагмы, соединенной с низкочастотным генератором, а по выходу - циркулятором, включенным между вентилем и мостом.
Предлагаемое решение поясняется рисунками, где показаны:
фиг.1 - блок-схема устройства, фиг.2 - схема фазовращателя.
Устройство для диагностики содержит четырехплечий 3-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, вентиль 11, фазовращатель 12, и двойной Т-образный мост 13, причем к двум плечам моста через волноводные трансформаторы 14 и 15 подключены соответственно кювета 16 для «эталонной» среды и кювета 17 - для тестируемой среды. Четверное плечо - выход моста - подключено ко входу циркулятора 10.
Фазовращатель 12 может быть выполнен в виде управляемой диафрагмы 18, соединенной с низкочастотным генератором 19, а по выходу - со вторым циркулятором 20, включенным между вентилем 11 и мостом 13.
Устройство работает следующим образом.
После включении устройства производится настройка моста. Для этого обе кюветы 16 и 17 заполняют «эталонной» средой и путем регулировки СВЧ трансформаторов 14 и 15 добиваются отсутствия сигнала на выходе моста.
Далее кювета 17 заполняется исследуемой жидкостью. В этом положении тестирующее излучение проходит с выхода моста через циркулятор 10, вентиль 11 и фазовращатель 12. В последнем осуществляется модуляция сигнала частотой 1000 Гц за счет изменения фазы. Пройдя фазовращатель, тестирующее излучение поступает на вход двойного Т-образного моста, в котором делится надвое и направляется через соответствующие СВЧ трансформаторы в кюветы с исследуемой и «эталонной» жидкостями. Отраженные от обеих кювет сигналы встречаются в центре моста, образуя «разностный» поток излучения, выходящий из выходного конца двойного Т-образного моста. Выйдя из двойного Т-образного моста и пройдя через первый циркулятор, «разностный» поток по щелевому мосту поступает на детектирование, при котором смешивается с опорным сигналом.
Таким образом, в результате использования двойного Т-образного моста в балансной схеме измерения, в которой абсолютная величина разностного сигнала зависит главным образом от амплитуды излучения, поступающего на вход Т-образного моста, удается существенно повысить чувствительность измерительного прибора в целом и надежно регистрировать такие малые изменения электродинамических параметров исследуемых сред, какие невозможно зафиксировать, используя прямые методы измерения.