ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИРУЮЩИЙ КВЧ АППАРАТ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам, аппаратам, комплексам для лечения и диагностики.
Известны устройства с использованием электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн для исследования, диагностики [патенты RU №№2192781, 2156106, 24794], лечения - патент RU №2032430, а также аппараты с возможностью осуществления как диагностики, так и лечения [патенты RU №№2167686, 2201132, 2108058].
Известен также «Диагностирующий лечебный комплекс с электромагнитным излучением» - патент RU №2226116. Он содержит КВЧ-генератор с широкополосной антенной, приемник электромагнитного сигнала в виде приемной антенны планарной конструкции аппликаторного типа, блок питания, ЭВМ, пульт управления, включающий контроллер, программируемый источник питания, соединенный со входом КВЧ-генератора. В качестве приемника электромагнитного сигнала используют приемную антенну, соединенную с СВЧ-радиометром, выполненным с дешифратором команд управления коэффициентом усиления на СВЧ, постоянной времени накопления и динамическим диапазоном выходных сигналов. Пульт управления дополнительно включает аналого-цифровой преобразователь, клавиатуру и шину команд для соединения контроллера с дешифратором и программируемым источником питания. Аналоговый выход радиометра соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, связанного с контроллером, с которым связаны также клавиатура и ЭВМ. Последняя соединена коаксиальной линией для передачи данных в последовательном коде и оснащена операционной системой для анализа фрагментов спектра измеряемого сигнала и сравнения его с образцами из библиотеки эталонов, причем все блоки комплекса, за исключением ЭВМ, помещены в экранирующий электромагнитное излучение бокс.
Наиболее близким к заявляемому является «Офтальмологический лечебно-диагностический комплекс» - патент RU 53164. Комплекс содержит источник питания, КВЧ-генератор с излучающей широкополосной антенной, ЭВМ, контроллер с аналого-цифровым преобразователем, приемник электромагнитного сигнала, содержащий приемную антенну аппликаторного типа, соединенную коаксиальным фидером с СВЧ-радиометром, включающем дешифратор команд управления коэффициентом усиления и постоянной времени накопления, соединенным с контроллером шиной управления, аналоговый выход СВЧ-радиометра, соединенный с входом аналого-цифрового преобразователя контроллера, с которым связана ЭВМ с помощью линии для передачи данных в последовательном коде и операционной системой для анализа измеряемого сигнала и сравнения его с эталонами, петлю электромагнитной обратной связи, соединяющую коаксиальный фидер и вход питания КВЧ-генератора, модулятор тока питания КВЧ, соединяющий выход источника питания со входом питания КВЧ-генератора. Модулятор, коаксиальный фидер, аппликаторная антенна, петля электромагнитной обратной связи, КВЧ-генератор и излучающая широкополосная антенна объединены в едином модуле и жестко соединены в нем посредством держателя в виде теплоотвода. Кроме того, модуль имеет съемную внешнюю защитную пленочную оболочку одноразового пользования.
т
Однако, одной из проблем, которая не была разрешена полностью, как в наиболее близком, так и предыдущих аналогах, связана с конструкцией приемной аппликаторной антенны. С одной стороны это приводило к увеличению диаметра антенны d до ≈25-30 мм. С другой - при наложении антенны на поверхность тела или на любой водосодержащий объект, имеющий диэлектрическую проницаемость ε для тела - ε=30 в диапазоне частот около 1000 МГц, происходило изменение электрической длины резонансных элементов антенны, что приводило к существенному уменьшению средней частоты согласования антенны. Поэтому, фактически антенна настраивалась на существенно более высокие частоты, порядка 1800 МГц, чтобы при касании с телом полоса согласования антенны оказывалась в районе 1000 МГц. Как показали измерения последнего периода, при соприкосновении с различными частями тела, в зависимости от того были
ли это костные или иные ткани, расположенные близко к поверхности кожи, частота настройки антенны несколько различалась, что приводило к изменению амплитуды радиоотклика на различных участках тела, не связанному с процессами, проходящими в нем, а представляющими собой чисто фидерный эффект.
Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение диаметра приемно-излучающего датчика при одновременном сведении к минимуму амплитудных искажений, вносимых при переходе в процессе исследования от одной области изучаемого объекта к другой.
1
2
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат содержит источник питания, КВЧ-генератор с широкополосной рупорной антенной, ЭВМ, контроллер с аналого-цифровым преобразователем, приемник электромагнитного сигнала, содержащий приемную аппликаторную антенну, соединенную коаксиальным фидером с СВЧ-радиометром, включающем дешифратор команд управления коэффициентом усиления и постоянной времени накопления, соединенным с контроллером шиной управления, аналоговый выход радиометра соединен с входом аналого-цифрового преобразователя контроллера, с которым связана ЭВМ с помощью линии для передачи данных в последовательном коде и операционной системой для анализа измеряемого сигнала и сравнения его с образцами из библиотеки эталонов, петлю электромагнитной обратной связи, соединяющую коаксиальный фидер и вход питания КВЧ-генератора, причем модулятор, коаксиальный фидер, премная аппликаторная антенна, петля электромагнитной обратной связи, КВЧ-генератор и излучающая широкополосная рупорная антенна объединены в приемно-излучающий датчик и жестко соединены в нем, отличается тем, что приемная аппликаторная антенна имеет подложку и выполнена в виде микрополосковой щелевой линии с протяженностью, равной / длины волны на частоте 1000 МГц.
Заявляется лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат, подложка аппликаторной антенны которого выполнена из титаната бария.
Кроме того, заявляется усовершенствование лечебно-диагностирующего КВЧ аппарата, заключающееся в том, что приемная аппликаторная антенна размещена вокруг широкополосной рупорной антенны, опоясывая ее, а
широкополосная рупорная антенна помещена внутрь контура, образованного приемной аппликаторной антенной.
1
2
Технический результат заявляемой полезной модели. Для уменьшения диаметра приемно-излучающего датчика, а также с целью уменьшения фидерного эффекта разработана антенна на основе материала с существенно более высокой проницаемостью. Авторами экспериментально было показано, что при определенных соотношениях диэлектрических проницаемостей подложки антенны и среды возможно существенно уменьшить эффект отстройки приемной аппликаторной антенны при сохранении заданного (нужного) уровня согласования антенны и других параметров антенны, таких как поляризация и диаграмма направленности. При уменьшении значения ε ниже выявленного экспериментально авторами минимального значения остаточное изменение зоны согласования антенны при касании различных участков тела приводит к амплитудным искажениям, а при увеличении ε выше экспериментально выявленного максимального значения происходит быстрое падение эффективности антенны. Один из вариантов приемной аппликаторной антенны, оказавшийся наиболее оптимальным, был выполнен не основе титаната бария. В заявляемой полезной модели приемная аппликаторная антенна выполнена в виде микрополосковой щелевой линии с протяженностью, равной / длины волны на частоте 1000 МГц (фиг.2). и имеет достаточно широкую полосу согласования, что позволяет игнорировать остаточный фидерный эффект при существенно меньшем диаметре, что расширяет область медицинского применения.
Подобная конструкция приемной аппликаторной антенны позволила пойти дальше по пути уменьшения диаметра приемно-излучающего модуля. Если раньше излучающий КВЧ генератор и приемная аппликаторная антенна располагались рядом, то в данном лечебно-диагностирующем КВЧ аппарате удалось разработать конструкцию, в которой приемная аппликаторная антенна, выполненная в виде микрополосковой щелевой линии, опоясывает излучающую рупорную антенну КВЧ генераторе - фиг.2, что делает конструкцию приемно-излучающего датчика компактной и способной соответствовать требованиям диагностики мелких органов. При этом диаметр приемно-излучающего датчика уменьшился до 20 мм.
Заявляемый лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат поясняется с помощью фиг.1 и фиг.2, где цифрами 1-15 обозначены его элементы:
1 - ЭВМ,
2 - СВЧ-радиометр,
3 - дешифратор команд,
4 - приемная аппликаторная антенна,
5 - коаксиальный фидер,
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
7 - контроллер,
8 - широкополосная рупорная антенна,
9 - КВЧ-генератор,
10 - модулятор,
11 - петля обратной связи;
12 - шина управления;
13 - источник питания;
14 - приемно-излучающий датчик;
15 - подложка аппликаторной антенны.
Заявляемый аппарат состоит из ЭВМ 1, СВЧ-радиометра - 2 с дешифратором команд 3, вход которого соединен с приемной аппликатроной антенной 4 с помощью коаксиального фидера 5, а аналоговый выход СВЧ-радиометра 2 подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя - АЦП 6 контроллера 7 широкополосной рупорной антенны 8, соединенной с выходом КВЧ - генератора 9, вход питания которого подключен к выходу модулятора 10 источника питания 13, выход которого соединен со входом модулятора 10, петли обратной связи 11, соединяющей коаксиальный фидер 5 и выход модулятора 10. Приемная аппликаторная антенна 4, модулятор 10, коаксиальный фидер 5, петля электромагнитной обратной связи 11, КВЧ-генератор 9 и широкополосная рупорная антенна 8 объединены в единый приемно-излучающий датчик 14 и жестко соединены в нем.
В отличие от модулятора, входящего в состав СВЧ-радиометра 2, модулятор 10 обеспечивает изменение режима питания активного элемента КВЧ-генератора 9, приводящего к обогащению спектрального состава выходного сигнала КВЧ-генератора. Управляющие выходы контроллера 7 соединены с шиной
1
2
т
управления 12, которая служит для передачи команд управления дешифратору команд 3, входящего в состав СВЧ-радиометра 2. Принципы построения СВЧ-радиометров модуляционного типа, описанные в литературе, распространяются на данный образец СВЧ-радиометра 2. Шина управления 12 соединяет входы дешифратора команд 3 и выход контроллера 7. ЭВМ 1 соединена с контроллером 7 линией, содержащей четыре витые пары, расположенные в общей экранирующей оболочке для передачи данных в последовательном коде. В заявляемом диагностирующем комплексе управляемыми элементами являются: СВЧ-радиометр 2, контроллер 7. Чувствительность диагностирующего комплекса определяется чувствительностью СВЧ-радиометра 2 и конструкцией приемной аппликаторной антенны 4 и в опытном образце достигнут уровень чувствительности не менее 10-15 Вт. Дешифратор команд 3 предназначен для управления такими параметрами СВЧ-радиометра 2, как коэффициент усиления и время накопления сигнала. Приемная аппликаторная антенна 4 и входные цепи СВЧ-радиометра 2 рассчитаны для диапазона принимаемых частот от 985 до 1015 МГц. Приемная аппликаторная антенна 4 имеет подложку 15 из титаната бария и выполнена в виде микрополосковой щелевой линии с протяженностью, равной / длины волны на частоте 1000 МГц. По экспериментам авторов диэлектрическая проницаемость для получения оптимальных параметров заявляемого аппарата укладывается в соотношения: 0,9<ε/ε≤1,2.
Заявляемый лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат работает следующим образом. Работа начинается с подключения к питающей сети, после этого все блоки достигают рабочего состояния за время порядка 20 минут. С помощью ЭВМ 1 осуществляют выбор режима работы из набора имеющихся в наличии под решаемую задачу. С выхода источника питания 13 стабилизированное напряжение порядка 20В поступает на модулятор 10, с выхода которого промодулированное напряжение питания поступает на КВЧ-генератор 9. Излучаемый КВЧ генератором спектр частот поступает на широкополосную рупорную антенну 8, которая направляется на область, выбранную для исследования тела обследуемого пациента. Последняя размещена по центру приемной аппликаторной антенны, материал которой выбран из соображений достаточно низкого поглощения КВЧ диапазона с тем, чтобы иметь достаточную мощность для проведения
диагностики. Допустимые потери подложки 15 приемной аппликаторной антенны могут достигать 6 дБ. Индуцированный в теле - водосодержащем объекте радиоотклик в СВЧ диапазоне принимается аппликаторной антенной 4, связанной с широкополосной рупорной антенной 8. Сигнал с выхода аппликаторной антенны 4 через коаксиальный фидер 5 поступает на вход СВЧ-радиометра 2 для дальнейшей обработки. Кроме того, коаксиальный фидер 5 связан с входом питания КВЧ генератора с помощью петли обратной связи 11. Она представляет собой, например, проволочную незамкнутую перемычку, которая одним концом соединена с входом питания КВЧ-генератора, а другой конец ее заканчивается одним-двумя витками жестко намотанными поверх диэлектрической защитной оболочки фидера.
Включаемый в схему заявляемого аппарата модулятор 10 предназначен для модуляции тока питания активного элемента КВЧ-генератора, например, лавинно-пролетного диода.
Сигнал на входе СВЧ-радиометра 2 преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное мощности принимаемого сигнала, несущего информацию об интенсивности биохимического процесса исследуемой ткани, находящейся в исследуемой зоне тела пациента. Сигнал поступает на вход АЦП 6, входящего в состав контроллера 7, где преобразуется в цифровую форму и запоминается, после чего контроллер 7 передает полученную информацию в область памяти ЭВМ для дальнейшей обработки. На стандартном дисплее ЭВМ отображается информация об окончании процесса измерения.
Изложенное выше демонстрирует назначение каждого из узлов, входящих в заявляемый лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат.
В зависимости от конкретной медицинской задачи оператор выполняет те или иные действия и получает информацию о физиологическом состоянии организма.
Заявляемый лечебно-диагностирующий КВЧ аппарат в виде опытного образца проходит апробацию на одном из предприятий г.Саратова и демонстрирует работоспособность и соответствие заданным параметрам.