АНТЕННА-АППЛИКАТОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ВНУТРЕННИХ ТКАНЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ПУТЕМ ОДНОВРЕМЕННОГО НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРЕННИХ ТКАНЕЙ НА РАЗНЫХ ГЛУБИНАХ
APPLICATOR ARRAY AND MEASURING DEVICE FOR TEMPERATURE CHANGES OF BIOLOGICAL OBJECT'S INTERNAL TISSUES BY SIMULTANEOUS NONINVASIVE MEASUREMENT OF RADIANCE TEMPERATURE AT VARIOUS DEPTHS

Область техники. Изобретение 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.
Изобретение может быть использовано в медицинской аппаратуре для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей, мониторинга за ее состоянием, выявления температурных изменений и тепловых аномалий внутренних тканей, в диагностических комплексах для ранней диагностики онкологических заболеваний.
Уровень техники. Одной из важных задач современной медицины является разработка методов и приборов для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей и ранней диагностики заболеваний внутренних органов.
В настоящее время для этих целей используется метод радиотермометрии, позволяющий неинвазивно измерять яркостную температуру тканей человека путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения. Известно, что глубина измерения и разрешающая способность микроволнового радиотермометра, в первую очередь, определяется длиной волны, на которой производится измерения собственного излучения тканей. При уменьшении длины волны улучшается пространственное разрешение прибора, но при этом уменьшается глубина измерения. При длине волны 10 см глубина измерения для тканей молочной железы составляет около 4 см, и диаметр области, в которой происходит усреднение температуры, также составляет порядка 4 см. При уменьшении длины волны пространственное разрешение можно существенно улучшить, но глубина измерения при этом также уменьшается. Таким образом, если требуется выявлять небольшие опухоли, расположенные близко к коже, то целесообразно измерять собственное излучение в более высокочастотном диапазоне. Если источник тепла расположен глубоко, то для его выявления целесообразно использовать приборы, работающие на более низких частотах. Эта закономерность лежит в основе многочастотной радиотермографии. В статье J.W.Hand, G.M.J.Van Leeuwen, S.Mizushina, J.B.Van de Kamer, K.Maruyama, T.Sugiura, D.V.Azzopardi, A.D.Edwards, "Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modelling, Phys Med. Biol.(2001), pp.1885-1903) измерение собственного излучения проводилось в пяти частотных диапазонах с помощью нескольких антенн, построенных на основе прямоугольных волноводов. Сигналы с выхода антенн поступали на пять приемников, каждый из которых работал на своей частоте. Использование подобных многочастотных радиотермометров позволяет измерять собственное излучение на разных глубинах, но в практической медицине подобные приборы использовать затруднительно ввиду громоздкости аппаратуры и высокой цены, поскольку измерения нужно проводить несколькими антеннами и иметь пять СВЧ-приемников, работающих на разных частотах.
Следует отметить, что глубина измерения зависит не только от длины волны, но и от размера антенны. При одной и той же длине волны антенна с большой апертурой будет иметь большую глубину измерения, а миниатюрная антенна будет измерять температуру вблизи антенны. В статье [Веснин. С.Г., Седанкин М.К. «Миниатюрные антенны-аппликаторы для микроволновых радиотермометров медицинского применения» - Биомедицинская радиоэлектроника, №12, 2011 г.] было показано, что миниатюрная антенна-аппликатор диаметром 8 мм имеет преимущество при выявлении небольших опухолей диаметром 10 мм, расположенных на глубине менее 15 мм. В тоже время опухоли большего размера, расположенные на большей глубине, лучше выявляются антенной с диаметром 30 мм. К сожалению, врач не знает заранее, где находится опухоль, и соответственно не знает, какую антенну ему целесообразно использовать.
Наиболее близким аналогом заявленной антенны-аппликатора является разработанная автором настоящего изобретения антенна-аппликатор для неинвазивного определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта [патент РФ 2407429, Кл. A61B 5/01, A61N 5/02, G01N 22/00, G01K 13/00, опубл. 27.12.2010 г.], содержащая отрезок волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом, систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную в волноводе между закрытым концом волновода и диэлектриком, соединенную с входной частью микроволнового радиотермометра, датчик температуры кожи, расположенный у открытого конца волновода, выполненный с возможностью передачи информации на вычислительное устройство. Это изобретение позволяет одновременно измерять внутреннюю температуру и температуру кожи. Основной недостаток прототипа состоит в том, что экранированный датчик температуры кожи, входящий в состав антенны-аппликатора, позволяет измерить только температуру кожи, а опухоль во многих случаях находится на некоторой глубине. Поэтому важно получать информацию о температуре тканей под кожей.
Задачей изобретения является создание антенны-аппликатора и устройства, которое одинаково хорошо выявляет небольшие опухоли, близко расположенные к коже, и опухоли, расположенные на глубине.
Техническое решение, на которое направлено изобретение, заключается в снижении числа ложноотрицательных результатов при выявлении пациентов группы высокого риска рака молочной железы, повышении точности диагностики и повышении разрешающей способности антенны-аппликатора при сохранении глубины измерения.
Одним объектом заявленного изобретения является антенна-аппликатор для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта путем одновременного неинвазивного измерения яркостной температуры внутренних тканей на разных глубинах, содержащая:
отрезок первого волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом,
первую систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную в первом волноводе между закрытым концом первого волновода и диэлектриком, соединенную первым коаксиальным кабелем с первым входом микроволнового радиотермометра,
отрезок второго волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом, находящийся внутри первого волновода.
вторую систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную во втором волноводе между закрытым концом второго волновода и диэлектриком, соединенную вторым коаксиальным кабелем со вторым входом микроволнового радиотермометра.
Первый волновод также может содержать несколько последовательно соединенных отрезков первого волновода, имеющих разное поперечное сечение.
Антенна-аппликатор может содержать один или несколько последовательно соединенных отрезков первого волновода, а также расположенных снаружи от первого волновода одного или нескольких отрезков внешнего волновода, причем зазор между отрезками первого волновода и внешнего волновода частично или полностью заполнен диэлектриком.
Вторая система возбуждения может быть соединена со вторым входом микроволнового радиотермометра вторым коаксиальным кабелем, расположенным ортогонально вектору электрического поля первого волновода.
Антенна-аппликатор может содержать на открытом конце первого волновода диэлектрическую пленку, отделенную от диэлектрика, заполняющего первый волновод материалом с низкой теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями.
Антенна-аппликатор может содержать систему подогрева, располагающуюся на боковой стенке первого волновода.
На диэлектрической пленке установлен датчик температуры пленки, связанный проводниками с вычислительным устройством. Также диэлектрическая пленка может быть отделена от диэлектрика воздушным зазором.
Кроме этого, на диэлектрической пленке установлены несколько датчиков температуры пленки, связанных проводниками, расположенными ортогонально вектору электрического поля первого волновода, с вычислительным устройством, измеряющие температуру диэлектрической пленки.
Кроме того, проводники датчика температуры пленки расположены ортогонально вектору электрического поля первого волоновода.
Антенна-аппликатор может иметь у открытого конца первого волновода датчик температуры кожи, связанный с вычислительным устройством.
Другим объектом данного изобретения является устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта, содержащее вычислительное устройство, связанное с датчиками температуры и микроволновым радиотермометром, и антенну-аппликатор, включающую:
- отрезок первого волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом;
- первую систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную в первом волноводе между закрытым концом первого волновода и диэлектриком, соединенную с микроволновым радиотермометром;
- отрезок второго волновода, частично или полностью заполненный диэлектриком, имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с биологическим объектом, находящийся внутри первого волновода;
- вторую систему возбуждения электромагнитных волн, расположенную во втором волноводе между закрытым концом волновода и диэлектриком, соединенную с микроволновым радиотермометром.
Кроме этого, устройство может содержать микроволновый радиотермометр, выполненный одноканальным и подключенный через коммутатор к первой или второй системам возбуждения электромагнитных волн.
Кроме этого, устройство может содержать микроволновый радиотермометр, выполненный двухканальным, первый и второй выходы которого подключены к первой и второй системам возбуждения электромагнитных волн соответственно.
В устройстве может быть использован любой из приведенных выше вариантов выполнения антенны-аппликатора.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлена антенна-аппликатор, известная из уровня техники.
На фиг.2 представлен вариант антенны-аппликатора с двумя волноводами, частично или полностью заполненными диэлектриком, принимающие излучения разных областей биологического объекта. Каждый из волноводов имеет систему возбуждения, соединенную с одним из входов двухканального микроволнового радиотермометра.
На фиг.3 представлен вариант антенны-аппликатора, которая содержит один или несколько последовательно соединенных отрезков первого волновода, имеющих разное поперечное сечение.
На фиг.4 представлен вариант антенны-аппликатора, которая содержит один или несколько последовательно соединенных отрезков первого внутреннего волновода и расположенных снаружи от первого внутреннего волновода одного или нескольких отрезков внешнего волновода.
На фиг.5 представлен вариант антенны-аппликатора, у которого вторая система возбуждения соединена со вторым входом микроволнового радиотермометра вторым коаксиальным кабелем (12), расположенной ортогонально вектору электрического поля первого волновода.
На фиг.6 представлен вариант антенны-аппликатора, у которого векторы электрического поля первого и второго волноводов ортогональны.
На фиг.7 представлен вариант антенны-аппликатора с диэлектрической пленкой на открытом конце первого волновода, отделенной от диэлектрика материалом с низкой теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями.
На фиг.8 представлен вариант антенны-аппликатора, содержащий систему подогрева.
На фиг.9 представлен вариант антенны-аппликатора с диэлектрической пленкой, на которой установлен датчик температуры.
На фиг.10 представлен вариант антенны-аппликатора, которая содержит датчик температуры, который измеряет температуру первого волновода антенны-аппликатора и передает информацию на вычислительное устройство.
На фиг.11 представлено схематичное изображение устройства для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта, содержащее антенну-аппликатор с двумя выходами, двухканальный микроволновый радиотермометр и вычислительное устройство.
На фиг.12 представлен другой вариант устройства, содержащего антенну-аппликатор с двумя выходами, СВЧ-коммутатор, одноканальный микроволновый радиотермометр и вычислительное устройство.
Подробное описание изобретения.
На фиг.1 представлена антенна-аппликатор, известная из уровня техники [согласно патенту РФ 2407429], содержащая волновод (1), частично или полностью заполненный диэлектриком (8), имеющим один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с областью биологического объекта (7), систему возбуждения электромагнитных волн (2), расположенную в волноводе (1) между закрытым концом волновода и диэлектриком (8), соединенную через коаксиальный кабель (5) с входом микроволнового радиотермометра, экранированный датчик температуры кожи (3), расположенный у открытого конца волновода, выполненный с возможностью передачи информации по проводам (6) на вычислительное устройство.
На фиг.2-10 представлены варианты выполнения антенны-аппликатора согласно изобретению. Электромагнитная энергия микроволнового диапазона из области биологического объекта (7) через открытый конец первого волновода (1) поступает в первую систему возбуждения электромагнитных волн (2) антенны-аппликатора и далее через первый коаксиальный кабель (5) - на первый вход микроволнового радиотермометра. Одновременно с этим электромагнитная энергия микроволнового диапазона из области биологического объекта (10) через открытый конец второго внутреннего волновода (4) поступает во вторую систему возбуждения электромагнитных волн (11) антенны-аппликатора и далее через второй коаксиальный кабель (12) на второй вход микроволнового радиотермометра.
На фиг.2 показано общее схематичное изображение заявленной антенны-аппликатора, содержащей отрезок первого волновода (1), частично заполненный диэлектриком (8), имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с областью биологического объекта (7), первую систему возбуждения электромагнитных волн (2), расположенную в первом волноводе (1) между закрытым концом первого волновода (1) и диэлектриком (8), соединенную первым коаксиальным кабелем (5) с первым входом микроволнового радиотермометра, отрезок второго волновода (4), частично заполненный диэлектриком (9), имеющий один закрытый конец и противоположный открытый конец, контактирующий с областью биологического объекта (10), вторую систему возбуждения электромагнитных волн (11), расположенную во втором волноводе (4) между закрытым концом второго волновода (4) и диэлектриком (9), соединенную вторым коаксиальным кабелем (12) со вторым входом микроволнового радиотермометра.
Известно, что в апертуре антенны-аппликатора нельзя размещать произвольным образом какие-либо дополнительные элементы, так как элемент, помещенный в апертуру антенны-аппликатора, будет влиять на измеряемую температуру. Кроме этого, элементы, расположенные в апертуре, влияют на коэффициент отражения антенны-аппликатора и на ее диаграмму направленности. Вместе с тем, диэлектрик, заполняющий первый волновод, и расстояние от первой системы возбуждения до закрытого конца второго волновода можно подобрать таким образом, чтобы влияние второго волновода на коэффициент отражения и на диаграмму направленности первого волновода было минимальным. Расчетные и экспериментальные данные показывают, что в десятисантиметровом диапазоне длин волн металлический цилиндр диаметром 7-10 мм, расположенный между системой возбуждения и открытым концом первого волновода, заполненного диэлектриком, не оказывает отрицательного влияния на параметры антенны-аппликатора, и путем оптимизации размеров экрана и системы возбуждения можно получить низкий коэффициент отражения антенны-аппликатора в широком диапазоне частот.
На фиг.3 представлен вариант антенны-аппликатора, в котором первый волновод (1) содержит несколько последовательно соединенных отрезков, имеющих разное поперечное сечение.
На фиг.4 представлена антенна-аппликатор, которая содержит один или несколько последовательно соединенных отрезков первого волновода (1), а также расположенных снаружи от первого волновода (1) одного или нескольких отрезков внешнего волновода (14), причем зазор (15) между отрезками первого волновода (1) и внешнего волновода (14) частично или полностью заполнен диэлектриком (16). Наличие внешнего волновода (14) повышает помехозащищенность антенны-аппликатора. Размеры внешнего волновода (14), величину зазора (15) и диэлектрическую проницаемость, заполняющую волновод, следует выбирать таким образом, чтобы помехи в окружающем пространстве не оказывали существенного влияния на результаты измерения.
Очевидно, что второй коаксиальный кабель (12), идущий от второй системы возбуждения электромагнитных волн (11) (фиг.2-4), в общем случае оказывает влияние на диаграмму направленности первого волновода (1) и на погрешность измерения яркостной температуры. Но авторами данного изобретения было установлено, что предпочтительно располагать коаксиальный кабель (12), идущий от второй системы возбуждения электромагнитных волн (11), ортогонально вектору электрического поля первого волновода. В этом случае их влияние будет незначительно, и они не будут оказывать влияние на результаты измерения яркостной температуры микроволновым радиотермометром. Такой вариант антенны-аппликатора представлен на фиг.5.
Следует отметить, что, в общем случае, второй волновод (4) оказывает определенное влияние на первый волновод. Т.е. существует связь между первым волноводом (1) и вторым волноводом (4) антенны-аппликатора. Таким образом, изменение коэффициента отражения по второму волноводу (4) может изменить результаты измерения температуры в первом волноводе (1). Для обеспечения независимости двух волноводов необходимо, чтобы электрическое поле первого волновода (1) было перпендикулярно вектору электрического поля второго волновода (4). На фиг.6 представлен вариант антенны-аппликатора, у которого электрическое поле в первом волноводе (1) ортогонально электрическому полю второго волновода (4).
Следует отметить, что в общем случае температура антенны-аппликатора оказывает влияние на температуру биологического объекта и, таким образом, на измеряемую температуру. Это влияние особенно значимо, если теплоемкость антенны-аппликатора велика. Для снижения влияния температуры антенны-аппликатора на измеряемую температуру предлагается снизить теплоемкость материала, который находится в контакте с биологическим объектом. На фиг.7 представлен вариант антенны-аппликатора, у которого на открытом конце первого волновода (1) расположена диэлектрическая пленка (17), отделенная от диэлектрика, заполняющего первый волновод (1), материалом с низкой теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями (18). Если пленка достаточно тонкая (10-15 мкм), она быстро нагревается до температуры биологического объекта и не оказывает влияние на результаты измерения. В качестве материала с низкой теплопроводность может использоваться пенопласт или полистирол. Также диэлектрическая пленка может быть отделена от диэлектрика воздушным зазором. Наличие воздушного зазора обеспечивает незначительное влияние температуры диэлектрика на результаты измерения.
Для дополнительного снижения влияния температуры диэлектрика на результаты измерения можно подогреть аппликатор до температуры биологического объекта. Подобный вариант антенны-аппликатора представлен на фиг.8. Система подогрева (19), расположенная на боковой стенке первого волновода, обеспечивает нагрев первого волновода и диэлектрика, заполняющего первый волновод. В систему подогрева входит также устройство, которое прекращает нагрев, когда температура антенны-аппликатора достигает необходимого уровня. Для нагрева антенны-аппликатора можно использовать либо резисторы, установленные на корпусе первого волновода антенны-аппликатора, либо элементы Пельтье. Последние позволяют не только нагревать первый волновод антенны-аппликатора, но и охлаждать ее. Но для работы элемента Пельтье требуется организация теплоотвода. При использовании резисторов теплоотвода не требуется, и охлаждение происходит за счет естественного охлаждения антенны-аппликатора.
В большинстве многих случаев, помимо измерения внутренней температуры, необходимо измерять температуру кожи. На фиг.9 представлен вариант антенны-аппликатора, который реализует поставленную задачу и наряду с приемом собственного излучения в микроволновом диапазоне позволяет произвести измерение температуры кожи. Для этой цели на диэлектрической пленке (17), которая расположена на открытом конце первого волновода (1) и отделена от диэлектрика (8), заполняющего первый волновод материалом с низкой теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями (18), установлен датчик температуры (3), который измеряет температуру диэлектрической пленки (17). Если толщина диэлектрической пленки (17) составляет несколько микрон, то она быстро нагревается до температуры кожи. Таким образом, измеряя температуру диэлектрической пленки, можно получать информацию о температуры кожи.
Для получения дополнительной информации о температуре кожи можно установить несколько датчиков температуры (3), измеряющих температуру диэлектрической пленки (17). В общем случае можно использовать беспроводные датчики измерения температуры. Но можно использовать датчики температуры, которые соединяются с вычислительным устройством с помощью проводов (6). В этом случае для снижения влияния проводов (6) на результаты измерения их необходимо располагать ортогонально к электрическому полю первого волновода.
Известно, что за счет наличия омических потерь температура антенны-аппликатора оказывает влияние на погрешность измерения внутренней температуры. Для компенсации этих потерь необходимо знать температуру антенны-аппликатора. На фиг.10 представлен вариант антенны-аппликатора с датчиком температур, который измеряет температуру антенны-аппликатора и передает информацию на вычислительное устройство. При передаче информации о температуре по проводам (6) их нужно ориентировать перпендикулярно электрическому полю первого волновода. Этот же датчик можно использовать для управления нагревом антенны-аппликатора.
На фиг.11 представлено схематичное изображение устройства для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта путем одновременного неинвазивного измерения яркостной температуры внутренних тканей на разных глубинах, содержащего антенну-аппликатор, двухканальный микроволновый радиотермометр (21), измеряющий интенсивность сигналов, поступающих с коаксиальных кабелей (5) и (12), соединяющих антенну-аппликатор с двухканальным микроволновым радиотерметром, и вычислительное устройство (22), имеющее возможность обрабатывать информацию, поступающую от микроволнового радиотермометра и датчиков температур. Первый и второй канал микроволнового радиотермометра могут быть идентичными и принимать сигнал в одном и том же частотном диапазоне. Возможно использовать двухканальный микроволновый радиотермометр, у которого каждый из каналов работает в своем частотном диапазоне. Главное, чтобы полоса частот микроволнового радиотермометра соответствовала полосе частот антенны-аппликатора.
На фиг.12 представлено схематичное изображение устройства, в котором используется одноканальный микроволновый радиотермометр (23) для приема собственного излучения тканей и коммутатор (24), который подключает к входу микроволнового радиотермометра последовательно первый или второй выход антенны-аппликатора. В качестве коммутатора можно использовать электронный переключатель. Тактовую частоту переключателя необходимо выбрать в 2 раза ниже по сравнению с Дайковским коммутатором микроволнового радиотермометра. Следует иметь в виду, что при использовании одноканального микроволнового радиотермометра время измерения температуры возрастет, поскольку микроволновый радиотермометр будет сначала обрабатывать информацию, поступающую от первого выхода антенны-аппликатора, а затем - от второго выхода антенны-аппликатора.