МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ та НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.385.5

Азархов Олександр Юрійович

МЕТОДи та ЗАСОБИ вимірювання ГЛИБИННИХ ТЕМПЕРАТУР БІОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ

Спеціальність 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент, Сакало Сергій Миколайович, доцент кафедри основ радіотехніки, Харківський національний університет радіоелектроніки, МОН України

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор, Злепко Сергій Макарович, завідувач кафедри проектування медико-біологічної апаратури Вінницький національний технічний університет, МОН України;

кандидат технічних наук, доцент, Шевченко Констянтин Леонідович, завідувач кафедри програмування, Київський національний університет технологій і дизайну, МОН України.

Провідна установа: |

ВАТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань, м. Харків, Національне космічне агентство України, секція “Медичні прилади та вимірювальні системи. Космічна медицина”

Захист відбудеться “5” червня 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої заради К 64.052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14.

Автореферат розісланий 27.04.2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, професор | М.П. Мустецов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Термометрія є одним із традиційних методів медичної діагностики, що використовується у всіх областях медицини. Разом з тим, інструментальні методи виміру температури, особливо температури глибинних шарів, розвинені недостатньо.

Найбільш перспективним методом неінвазивного виміру глибинних температур є метод радіотермометрії (РТМ-метод). Метод успішно було апробовано у різних областях медицини: неврології та нейрохірургії; онкології; кардіології; гастроентерології; травматології та ортопедії; комбустиології; діагностиці лор-захворювань; ендокринології; гінекології. Найбільші перспективи РТМ-метод має для ранньої діагностики в онкології, особливо раку молочної залози.

Маючи абсолютну нешкідливість, метод дозволяє на ранній стадії виявити пацієнтів з аномальними термограмами, яким необхідно провести комплексне обстеження молочних залоз. По чутливості РТМ-метод порівнянний з мамографією та УЗД. Великі перспективи має метод при діагностиці молодих жінок, у яких рентгенівські дослідження малоефективні.

На жаль, застосування методу радіотермометрії в практичній медицині має обмежений, часто ілюстративний, характер. Це обумовлено декількома обставинами. По-перше, відсутні досить повні моделі розподілу внутрішніх температур при різних захворюваннях і патологіях. По-друге, відсутні технічні засоби вимірів та локалізації аномальних теплових полів усередині біологічних об'єктів з достатньою, з погляду медицини, здатністю. Крім того, незважаючи на наявний досвід виміру глибинних температур у медицині поки відсутній єдиний підхід до аналізу, відображенню та інтерпретації результатів термометричних досліджень.

Отже, робота по удосконалюванню методу і апаратури для радіотермометричних досліджень є актуальною, і буде сприяти підвищенню ефективності неінвазивної медичної діагностики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконана відповідно до плану науково - дослідницької роботи № 331 (номер держреєстрації 0193U039132) “Розробка та впровадження в медичну практику комплексу діагностичних комп'ютерних систем”.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є удосконалення методу та технічних засобів радіотермометрії для дослідження глибинних температур біологічних об'єктів, при вирішенні задач медичної діагностики.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі.

1. Провести аналіз існуючих інструментальних методів і засобів неінвазивного виміру температури біологічних об'єктів.

2. Удосконалити модель розподілу теплових полів в однорідному середовищі від точкового джерела.

3. Розробити метод локальної радіотермометрії внутрішніх органів людини.

4. Синтезувати структуру медичного радіотермометра.

5. Розробити методику проведення радіо термометричних досліджень при вирішенні медичних задач.

Об'єкт дослідження – процес формування та розподілу теплових полів у тканинах людини.

Предмет дослідження – власне радіотеплове поле біологічних об'єктів у сантиметровому діапазоні довжин хвиль.

Методи дослідження – аналітичні дослідження закономірностей формування теплових полів засновані на теорії моделювання і електростатики; електродинаміка та теорія електромагнітного поля використовувалася при розробці антени-аплікатора; обробка результатів експериментальних досліджень проведена за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- удосконалена модель розподілу теплових полів в однорідному середовищі від точкового джерела, що дозволило встановити залежність температури від його розмірів, відповідність між розмірами та проекцією на поверхню шкіри і, таким чином, поліпшити якість визначення та діагностики пухлин і центрів запалення;

- розроблено метод локальної радіотермометрії внутрішніх органів людини, що дозволяє діагностувати джерела запалень та пухлини;

- проведено термографічні дослідження пацієнтів з різними захворюваннями, які підтвердили теоретичні подання про закономірності формування теплових полів і свідчить про перспективність застосування методу та засобів радіотермометрії в практичній медицині

Практичне значення отриманих результатів:

- синтезована структура медичного радіотермометра, що дозволяє проводити комплексну діагностику захворювань внутрішніх органів, контроль метаболізму в м'язах і тканинах та вирішувати інші задачі медичної діагностики.

- створено експериментальний взірець глибинного радіотермометра, з мікрополосковим аплікатором який забезпечив необхідне узгодження з біооб'єктом, та є універсальним приладом для медичної діагностики що дозволяє підвищити ймовірність медичних висновків(акти впровадження);;

- теоретичні та практичні результати моделювання теплових полів, методи їх дослідження та принципи побудови діагностичних систем використовуються в навчальному процесі ХНУРЭ в курсах “Інженерні методи медико-біологічних досліджень”, “Діагностичні і терапевтичні апарати” при проведенні лекційних і практичних занять (акт про впровадження).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, які відображають сутність роботи і відображені в пунктах наукової новизни та практичного значення отримані автором самостійно. У роботах [1, 2] ідея застосувати теорію електростатичного поля для моделювання теплових полів, що дало можливість одержати вираз для розрахунку теплових полів всередині і на поверхні тіла. методики проведення досліджень[3] і оцінки результатів [4]. Проектування структурної схеми апарата і розробка алгоритму його роботи[5-7, 10]. Проведення та інтерпретація результатів експериментів [8, 9].

Апробація результатів дисертації Результати роботи доповідались на наступних Міжнародних конференціях: 10 конференція “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харків, 2004; “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп’ютерної інженерії” TCSET’2006, Львів,2006; 15 Кримська конференція “Мікрохвильова техніка та телекомунікаційні технології”, Севастополь, 2005; 2 конференція “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”, Харків 2005г.; 16 Кримська конференція “СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо – 2006”, Севастополь, 2006 г.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт (3 статті в науково-технічних виданнях що входять до переліку ВАК, 1 патент України, 1 навчальний посібник, 5 тез доповідей).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, переліку посилань з 135 найменування на 13 сторінках і додатків. Обсяг роботи становить 169 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показані актуальність і значення роботи для вирішення проблем медицини. Сформульовано мету та завдання роботи, приведена її загальна характеристика.

У першому розділі проведено аналіз можливостей термометрії для вирішення медичних завдань. Підтримка процесів життєдіяльності організму вимагає безперервної витрати речовини та енергії. Процеси синтезу і розкладання речовин у біологічних системах забезпечує метаболічна система організму. З позицій системного аналізу організм може бути представлено як і дві взаємодіючі підсистеми: енергетична та підсистема керування.

Температура, як медичний показник залежить від стану практично усіх органів і систем організму. Отже, порушення функціонування кожного з них повинно впливати на всю систему терморегуляції і відображатися на розподілі температурних полів. Для деяких захворювань термометрія є єдиним методом ранньої діагностики.

Вимірювання температури застосовується для діагностики багатьох захворювань. Значним прогресом у використанні термометричних методів діагностики є використання безконтактних методів виміру температури тіла.

Аналіз можливостей і недоліків існуючих методів виміру температури глибинних шарів біологічних об'єктів показав, що загальним недоліком інвазивних методів виміру температури глибинних шарів є болісність процедури вимірювання, необхідність дотримання строгих засобів стерильності. Найбільші перспективи має метод що базується на реєстрації власного електромагнітного випромінювання біооб'єктів що дозволяє вимірювати температуру глибинних шарів і має велике значення для діагностики онкологічних захворювань.

В основі РТМ-методу лежить властивість всіх фізичних тіл випромінювати електромагнітне поле в широкому діапазоні. Випромінювання в радіохвильовому діапазоні електромагнітних хвиль перебуває в “хвості” частотного розподілу і йому відповідають інтенсивності (10-25)10-16 Вт/см2·Гц. Вимірюючи потужність теплового випромінювання в радіодіапазоні, можна визначити температуру яскравості тіла, а потім його фізичну температуру.

Однак визначення фізичної температури нагрітого тіла по його випромінюванню в радіодіапазоні є простим завданням тільки в ідеальному випадку, коли тіло перебуває у вільному просторі або в середовищі, що не має власного теплового випромінювання. На практиці ситуація ускладнюється тим, що нагріте тіло, у нашому випадку частина тканин, перебуває в середовищі, що створює власне теплове випромінювання. Локальні злоякісні утворення в тілі людини мають підвищену, у порівнянні з тканинами що їх оточують, температуру. У випадку, якщо температура об'єкта перевищує температуру середовища, тобто має місце локальна температурна аномалія, з'являється можливість виміряти величину цього перевищення.

Оптимальне співвідношення глибини проникнення та роздільної здатності, при мінімальному впливі зовнішніх перешкод, забезпечить проведення радіотермометрії з діагностично значущими результатами. Досвід застосування радіотермометрії проілюстрував перспективність методу, однак для широкого впровадження методу необхідно оптимізувати параметри антени з урахуванням реально необхідної глибини виміру. При цьому варто враховувати, що довжина хвилі л=30 см, яка до цього успішно використовувалася в радіотермометрії не є оптимальної оскільки на цій частоті та близької до неї працюють станції телефонного стільникового зв'язку.

На основі проведеного аналізу показано:

- температура є інтегральним показником, що характеризує процеси життєдіяльності, при цьому всі патологічні процеси в організмі знаходять своє відображення в розподілі теплових полів;

- більшою інформативністю для вирішення завдань медичної діагностики мають методи термометрії глибинних шарів біологічного об'єкту;

- серед існуючих методів виміру глибинних температур, найбільші перспективи має РТМ - метод;

Другий розділ присвячено моделюванню теплових полів у біологічних об'єктах та розробці методу локальної радіотермометрії внутрішніх органів. Розглянемо загальний випадок температурних аномалій, коли в середовищі температура однорідна і не змінюється залежно від координати. Припустимо, що об'єкт який досліджується має однорідну температуру, тоді ТЯ=Т0. Однак реально температурна аномалія починається на деякій глибині Х1. і її яскравісна температура визначається як:

, (1)

де - безрозмірна величина, яка характеризує втрати потужності сигналу при поширенні від границі середовища до координати х1;

У випадку, якщо температурна аномалія обмежена координатами х1-х2, температура яскравості дорівнює:

(2)

З модельних розрахунків витікає, що зміна температури об'єкта що досліджується на 1С дає зміну їм спектральної щільності потужності що випромінюється приблизно на 10-23 Вт/см2Гц. Розглядаючи фізичні і фізіологічні процеси, що приводять до утворення в біологічному середовищі температурної аномалії, припустимо: новоутворення є сфера радіусом r0 яка розташована далеко (у порівнянні з r0) від поверхні шкіри; сфера є однорідною, з точки зору теплофізичних властивостей, середовищем; підвищення температури сфери пов'язано із процесами метаболізму; тепло в сфері виділяється з рівномірної по обсязі питомою щільністю; теплопровідність усередині і поза сферою різна. У цьому випадку сумарний заряд рівномірно зарядженої кулі з питомою щільністю заряду с буде:

. (3)

Напруженість електричного поля що створюється сферою з радіусом r0 і має заряд Q, при r ? r0 дорівнює:

, (4)

де r ? r0 - поточний радіус.

Потенціал за межами сфери, відповідно:

, (5)

а потенціал усередині сфери:

. (6)

Постійна інтегрування може бути визначена з умови безперервності потенціалу на границі сфери, тобто при r = r0:

(7)

Загальне рівняння для потенціалу усередині і поза сферою може бути записане у вигляді:

, для r = 0,

, для 0 ? r ? r0 , (8)

, для r ? r0.

Для переходу до теплової моделі зробимо заміну потенціалу на температуру (ц > Т), а діелектричної постійної на коефіцієнт теплопровідності (е > К), відповідно питомий опір, на питомий термічний опір (с > ст). Тоді теплова модель може приймати вид:

у центрі сфери;

усередині сфери; (9)

поза сферою.

Теоретичний розподіл температур, в залежності від радіуса r для різних значень питомої теплопровідності, наведене на рис.1.

Для теплофізичної моделі, при заміні електростатичних параметрів, на теплофізичні параметри отримаємо:

. (10)

Останній вираз відповідає випадку, коли тепловиділення відбувається в дуже малому об’ємі в центрі сфери (пухлини). Ізотерми, розраховані для джерела тепла з нормованою потужністю за умови, що К2 >> К3. наведені на рис. 2. При y=0 одержимо розподіл температури уздовж вісі х у вигляді:

Оскільки теплопровідність повітря набагато менше теплопровідності біологічної тканини (К2>>К3), в (10) приймемо б=1. Розподіл температур Т(х) згідно останнього рівняння наведене на рис. 3. При розрахунку прийняті наступні параметри r0 = 1 см, ст = 0,03Вт/см3, К = 0,005 Вт/(см·К), a = 2 см (крива 2) і а = 5 см (крива 1). Розриви на кривій профілю температур обумовлені стрибком коефіцієнта теплопровідності на границі пухлини.

Оцінимо щільність потоку тепла по напрямках х и у, скориставшись виразом (10).

Опускаючи масштабний множник можна записати:

; (11)

. (12)

На площині розподілу середовищ (х = 0), при а = 1, dТ/dх = 0 і є тільки складова градієнта температури уздовж площини розподілу середовищ yz. Таким чином, потік тепла при досягненні границі розподілу середовищ розтікається уздовж площини уz. При цьому температура на границі середовищ удвічі вище, ніж вона була б у вільному просторі (біологічный тканины) при такій же відстані від центра сфери (пухлини). Ізотерми на поверхні шкіри (рис.4), отримані при r0 = 1 см, а = 2 см при тих же параметрах дозволяють зробити висновок, що розміри “гарячої” плями на поверхні шкіри, у зоні проекції пухлини завжди перевищує діаметр пухлини, яка визначена пальпацією або рентгеном.

Для вирішення медичних завдань методом радіотермометрії найбільш ефективним є спосіб компенсації коефіцієнта відбиття СВЧ випромінювання на границі розподілу “антена-об'єкт”, що полягає в його вимірі за допомогою “пілот-сигналу”, при якому отримана величина коефіцієнта відбиття може нести додаткову інформацію про структуру й ступінь гідратації досліджуваних тканин.

Принцип роботи радиотермометра полягає в тому, що потужність теплового випромінювання Т0 досліджуваного об'єкта, пропорційна радіаційній температурі об'єкта ТЯ надходить на границю розподілу “антена-об'єкт” (рис.5). Частина потужності, пропорційна Т0r, відбивається від границі розподілу і загасає в середовищі об'єкта (r - коефіцієнт відбиття). Частина потужності що залишилася, Т0( 1-r) приймається антеною (рис. 5).

Коефіцієнт відбиття випромінювання на границі розподілу середовищ пов'язаний з здатністю випромінювати к співвідношенням: к+r = 1. З урахуванням сказаного вище, потужність, виражена через температуру і прийнята антеною радіотермометра ТА, може бути описана в вигляді: ТА=Т0к+ТПr= Т0+(ТП-Т0)к, де ТП - шумова температура, що відповідає інтенсивності випромінювання приймача у випадку аплікаційної методики, і навколишнього середовища у випадку дистанційної методики. В ідеальному випадку діелектрична постійна шкіри і аплікатора повинні бути рівні. На рис. 6 наведена узагальнена структурна схема радіотермометра.

У третьому розділі розглянуті питання розробки структурної схеми і конструкції радіотермометра. Конструктивно радіотермометр складається із двох окремо виконаних блоків: блоку радіотермометричного (БРТМ) і блоку обробки і відображення інформації (БООИ). Блок радіотермометричний забезпечує прийом і посилення НВЧ випромінювання від біооб’єкту для послідуючої обробки. Основні експлуатаційні характеристики розробленого медичного радіотермометра: діапазон температур що вимірюються - 28-42°С; точність вимірювання ±0,2°С; робоча частота - 4,0 ГГц.

Проаналізовано вимоги, яким повинен задовольняти аплікатор (медичні, технічні, ергономічні). До технічних вимог, спрямованих на досягнення необхідних точності виміру, ергономічності і надійності відноситься: мінімальний вплив на об'єкт що досліджується; завадостійкість, узгодження з досліджуваним середовищем і сталість характеристик антенної системи. Забезпечити всі перераховані вимоги до параметрів аплікаторів в одній конструкції досить складно, що обумовило розмаїтість їх типів і конструкцій.

Робоча смуга частот радіотермометра звичайно вибирається з наступних міркувань. Розширення смуги частот зменшує випадкову складову помилок на його виході. Однак при цьому виникають труднощі в широкополосному узгодженні елементів схеми, зокрема аплікатора. Необхідне значення випадкової складових помилок виміру температури дТ повинне бути не більше 0,03°К. При заданому значенні сталої часу ф=4 сек, що визначає параметри інтегруючого ланцюга і температури шуму вхідних ланцюгів приймача ТП, що не перевищує 300°К для сучасних приймачів, смуга пропущення зазвичай вибирається в межах 100 МГц.

Оцінимо похибку виміру. При температурі аплікатора ТА і температурі шумів на його вході ТП на його виході маємо: ТЯ = ТА(1-б) +Тпб, де б – втрати в аплікаторі. Отже, погрішність виміру температури дорівнює: ДТ = ТП – ТЯ = (ТП –ТА)(1-б).

Розрахункові залежності погрішностей температури ДТ від різниці температур для різних втрат в аплікаторі показані на рис. 7.

Необхідно мати на увазі, що різниця ТП-ТА перебуває в межах 5-20°С. Якщо не враховувати деякого зменшенні похибки в процесі калібрування приладу, то втрати в аплікаторі не повинні перевищувати 0,02 дБ.

На підставі наведених вище оцінок можна сформулювати вимоги до елементів і параметрів радиотермометра: робочі частоти від 915 і 4000 Мгц; смуга частот 100 МГц; втрати в аплікаторі не більше 0,02 дБ.

Основним елементом радіотермометра є вхідний НВЧ-пристрій, насамперед антена-аплікатор. Аналіз різновидів апертурних аплікаторів показав, що більшість конструкцій отримано шляхом експериментальних досліджень і не є оптимальними з точки зору необхідної точності виміру температури. Це пов’язано з відсутністю ефективних методик розрахунку апертурних аплікаторів, що стримує їх впровадження в медичну практику.

Проведені розрахунки параметрів апертурного аплікатора у вигляді відрізка прямокутного хвилеводу показали, що для аплікатора що досліджується при обраному типі збудника, розподіл поля збудження в апертурі в Н и Е площинах близькі (практично відповідають) до розподілу поля хвилі Н10 у прямокутному хвилеводі – рівномірне в Е площині і косинусоїдальне в Н-площині. Спад амплітуди поля, виражений в децибелах, зі збільшенням відстані до випромінювача відбувається за лінійним законом. Відхилення від лінійного закону зменшується з ростом розмірів апертури. Збільшення розмірів апертури приводить до значного зниження загасання поля, при постійній відстані до аплікатора. При цьому виграш може виявитися досить значним. Так, при відстані до аплікатора z = 8 см поле апертури 5 см перевершує поле апертури з розмірами 1 см більш ніж на 10 дБ.

На основі наведених розрахунків і експериментальних даних можна зробити всновок про те, що збільшення глибини проникнення поля в біологічне середовище можна здійснити або за рахунок збільшення поперечних розмірів аплікатора, або за рахунок вирівнювання розподілу поля збудження. Однак, і в тім і в іншому випадках збільшення глибини проникнення супроводжується розширенням пелюстка. Розміри апертури аплікатора що досліджувався (апертура 4x4 см) дозволяють одержати глибину проникнення поля за рівнем 15дБ приблизно рівні 4 см при ширині пелюстка в основі 6 см.

Апертурні аплікатори мають певні переваги при виборі антени радіотермометра. Це обумовлено широкими можливостями їх узгодження з кабелем живлення і можливістю зменшення розмірів при заповненні порожнини аплікатора діелектриком. Експериментальні і розрахункові частотні характеристики коефіцієнта стоячої хвилі апертурного аплікатора представлено на рис. 8. Розходження між теорією і експериментом пояснюються невідповідністю теоретичної моделі і умов експерименту.

Отримані результати підтверджують вірогідність оцінок очікуваних параметрів аплікатора, отриманих на підставі методики розрахунку поля яка вибрана.

Мікрополоскові випромінювачі відрізняються технологічністю конструкції, легко сумісні з лініями передач. Аплікатори подібного типу для радіотермометрії, на жаль, розглянуті в невеликому числі робіт. У роботі було запропоновано два варіанти мікрополоскових аплікаторів: з пасивним полосковим вібратором і без вібратора. Експериментальна залежність КСХ від відносної величини діаметра корпуса (щілини) d/л0 (л0 - довжина хвилі в повітрі) при відсутності пасивного вібратора наведена на рис. 9.

Істотне зменшення КСХ було досягнуто введенням у конструкцію аплікатора пасивного вібратора. Мінімальне значення КСХ рівняється 1,1 може бути досягнуто при оптимальній довжині вібратора l/л0=0,064 для аплікатора з діаметром d/л0=0,1. Дослідження проводилося для полоскового вібратора шириною 2 мм. Були проведені експериментальні виміри частотних залежностей КСХ аплікатора з діаметром d/л0 =0,1 і оптимальною довжиною пасивного вібратора, при контакті з різними ділянками тіла людини (рис.10). Як бачимо, дана конструкція аплікатора у всіх випадках має КСХ < 1,4 у смузі частот 40% і КСХ < 1,2 у смузі частот 23%.

У результаті проведених досліджень було показано, що для вузької смуги частот (5 – 10)%, діаметр аплікатора може бути істотно зменшений. Наприклад, аплікатор діаметром 150 мм, розроблений на центральну частоту 1000 МГц (d/л0 = 0,05) має КСХ < 1,2 у смузі 5 %.

Широкополосність мікрополоскового аплікатора з пасивним вібратором пояснюється в такий спосіб. Повний вхідний опір аплікатора на вході активно збудженої щілини дорівнює сумі власного опору щілини і внесеного опору з пасивного вібратора. Оскільки відстань між випромінювачами дуже мала в порівнянні з довжиною хвилі, то внесений опір дорівнює приблизно власному опору вібратора.

Характерним для антен даного типу є наявність декількох частотних областей, у яких антена добре погоджена. Відзначені вище особливості мікрополоскових антен робить їх перспективними для застосування в багаточастотних радіотермометрах.

На рис. 11 наведені експериментальні криві розподілу інтенсивності поля аплікатора (d/л0 =0,1) у двох взаємно ортогональних площинах ХО і УО. Дослідження проводилися на частоті 915 МГц при різних відстанях z від площини випромінювача.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню радиотермометра і аналізу отриманих у клініці результатів. Перші результати застосування радіотермометрії на довжині хвилі 30 см було отримано автором в Інституті загальної і невідкладної хірургії АМНУ.

Радіотермометричні дослідження проводилися при температурі навколишнього середовища від +20°С до +24°С при відносній вологості 50-65% і були строго стандартизовані на передній черевній стінці на рівні IX міжребер’я по середній ключичній лінії. При цьому температури визначалися праворуч і ліворуч по 4 умовним точкам на симетричних ділянках черевної стінки методом виміру осередкової термоасиметрії на проекції органа, де різниця температур максимальна.

Радіотермометричні дослідження показали, що для практично здорових людей, характерна наявність невеликої температурної асиметрії в межах 0,2-0,4°С. За допомогою радіотермометра були проведені дослідження 40 хворих з попереднім діагнозом гострий холецистит. Всім хворим було показано і проведено оперативне лікування. Результати дослідження показали, що у всіх хворих з підтвердженим діагнозом “гострий холецистит”, відзначалася температурна асиметрія з підвищенням температури в зоні жовчного міхура. Всіх прооперованих хворих, залежно від характеру запального процесу, розділили на 3 групи: гострий катаральний холецистит, гострий флегмонозний холецистит і гострий гангренозний холецистит.

Для хворих з гострим гангренозним холециститом температурна асиметрія на симетричних ділянках правою й лівого підребер'їв коливалася в межах від 2,0°С и більше (максимум до 3°С). У середньому, вихідне значення температури в лівому і правому підребер'ях вірогідно відрізнялися й становили 36,2±0,2°С и 38,0±0,4°С, відповідно.

Таким чином, результати дослідження показали. що у хворих з гострим холециститом на симетричних ділянках підребер'їв виявляється температурна асиметрія з переважною локалізацією “гарячої зони” на проекції жовчного міхура, що вказує на наявність запального процесу в жовчному міхурі. При цьому використання радіотермометрії показало, що наявність термоасимметрії більше 0,6°С з локалізацією “гарячої зони” у проекції жовчного міхура має більше діагностичне значення, чим різниця температури що реєструється відносно її середнього значення в конкретній віковій групі.

Були проведені також дослідження з метою динамічного контролю метаболізму в м'язах і тканинах до і після ІЧ-впливу. Зокрема досліджувався вплив сауни на стан тканин нижніх кінцівок.

При підвищенні зовнішньої температури система терморегуляції починає відпрацьовувати “сигнали” для охолодження організму, підсилюється процес потовиділення, внаслідок чого температура шкіри не дуже змінюємося і не несе інформації про процеси зміни метаболізму. Тому результат у цьому випадку може бути досягнуть тільки застосуванням неінвазивного контролю процесів, що відбуваються у внутрішніх тканинах.

У дослідженнях брали участь 21 пацієнт від 37 до 68 років, з них 11 жінок і 10 чоловіків. В 19 пацієнтів середня температура в лівій нозі була вище, ніж у правій. Причому після нагрівання це співвідношення залишалося незмінним. У двох пацієнтів середня внутрішня температура в обох ногах була однакова (табл. 1).

Таблиця 1

До ІЧ-впливу | Після ІЧ-впливу | ?,0С

Ліва нога, 0С | Права нога, 0С | Ліва нога, 0С | Права нога, 0С |

0,085

30,175 | 29,83 | 29,37 | 29,05

0,345 | 0,25

Проведені дослідження для пацієнтів старшої вікової групи (старше 40 років), представлені в табл. 2.

Таблиця 2

До ІЧ-впливу | Після ІЧ-впливу | Д,0С

Ліва нога, 0С | Права нога, 0С | Ліва нога, 0С | Права нога, 0С |

0,18

29,81 | 29,47 | 29,2 | 29,04

0,34 | 0,16

У роботі була проведена оцінка значимості результатів радіотермометричних досліджень при діагностиці стану організму, заснована на наступних двох засадах. По-перше, організм розглядається як єдина система, одним з показників якої є температура. По-друге, розглядається окрема ділянка тіла, усередині якого перебуває точкове джерело підвищеної температури. Перший випадок буде відповідати загальному захворюванню організму або окремого його органа (нога, рука). Другий випадок відповідає наявності онкологічного або локального центра запалення в тканинах людини. У першому випадку можна використовувати закони термодинаміки, оскільки всі живі біологічні системи не є замкнутими і обмінюються енергією з навколишнім середовищем. Поводження таких систем можна розглянути з використанням теорії стійкості.

Будемо виходити з того, що організм у стані норми перебуває в деякому врівноваженому стані. Атрактор, що описує стаціонарну поведінку живого об'єкту, являє собою квазіперіодичне коливання. Цей стан обмежено граничними можливостями організму і мінімальними потребами для підтримки життєдіяльності. Для наочності представимо атрактор у вигляді кульки, що качається в потенційній ямі, границі якої характеризують граничні можливості організму (у моделі - граничний цикл атрактора). Крива розподілу енергії організму, для стану норми, наведена на рис. 12. У випадку захворювання відбувається зміна траєкторії еволюції системи (форми потенційної ями).

Запропоновані моделі добре корелюють із відомими моделями, на підставі чого можна припустити, що розглянута енергетична модель адекватно відображає динаміку температури як організму в цілому у силу гомеостазу, так і окремих його органів.

У роботі була проведена оцінка впливу температури шкіри і навколишнього середовища на результат радіотермометричних досліджень. Яскравісна температура при вимірі потужності в напрямку перпендикулярному об'єкту дорівнює:

, (13)

де Т(z) – функція розподілу термодинамічної температури по вісі z нормальної до поверхні шкіри;

г – коефіцієнт втрат, см-1.

У розглянутій моделі будемо вважати, що температура міняється тільки по вісі z, біологічне середовище є однорідним по тепловим і електрофізичним параметрам. Функціональну залежність Т(z) можна одержати експериментально в результаті інвазивних вимірів або апроксимувати виразом:

, (14)

де TS – температура поверхні шкіри;

Ti – температура усередині біооб’єкту на глибині z де вона може вважатися постійної;

в – коефіцієнт загасання (см-1).

Припускаємо, що температура усередині об'єкту і загасання в при зміні температури шкіри змінюються незначно, а зміна функції Т(z) відбувається в основному від зміни температури шкіри TS.

З останніх співвідношень одержуємо:

. (15)

При зміні температури шкіри, внаслідок зовнішніх факторів, до величини T1s яскравісна температура прийме значення:

. (16)

Тоді:

. (17)

На підставі наведених оцінок можна зробити наступні виводи:

- яскравісна температура при прийнятих параметрах моделі завжди вище температури шкіри, тому що величина , а TІ>TS;

- зміна яскравісної температури при зміні температури шкіри є небажаним ефектом, вплив якого може бути знижено при зменшенні значення коефіцієнта загасання. Для м'язової тканини при вимірах на довжині хвилі 30см величини в і г становлять 0,8 і 0,7 см-1, відповідно, тоді: , тобто при зміні температури шкіри на 1°С яскравісна температура зміниться на 0,5°С, що в ряді випадків впливає на діагностичний висновок. Наведені оцінки показують, що для успішної реалізації методу радіотермометрії необхідно, щоб температура шкіри залишалася постійної і не змінювалася під час проведення вимірів. Це можна забезпечити стабілізацією температури зовнішнього середовища.

ВИсновки

1. У результаті проведеного аналізу існуючих методів і засобів глибинної термометрії підтверджена висока інформативність методів термометрії глибинних шарів біооб’єкту, що досягається реєстрацією власного ЕМ-випромінювання в сантиметровому діапазоні.

2. Розроблено метод локальної термометрії що забезпечує високий рівень діагностики центрів запалень внутрішніх органів і локалізацію пухлин на глибинах а/r?2 (r – радіус пухлини).

3. Удосконалено модель розподілу теплових полів в однорідному середовищі від точкового джерела, що дозволило встановити ряд інформативних залежностей і відповідностей, що забезпечують підвищення якості медичної діагностики.

4. Запропоновано і експериментально досліджені мікрополоскові антени в якості аплікатора - приймача радіотермометра. Показано, що введення в конструкцію аплікатора пасивного вібратора значно поліпшує якість узгодження, як з погляду мінімально досяжної величини КСХ, так і з точки зору вимог широкополосності. Значення мінімуму КСХ при цьому близько до одиниці, що значно вище, ніж в апертурного аплікатора. Крім того, пасивний вібратор дозволяє одержати смугу узгодження до 40% при рівні КСХ ?1,5 і до 25% при КСХ ?1,2.

5. Розроблено дослідний взірець радіотермометра що забезпечує високі діагностичні можливості в комплексній діагностиці стану організму людини та дозволяє побічно підтвердити не тільки наявність гострих запальних процесів по рівню підвищення градієнта температури, але і робити висновок про характер запального процесу.

6. Експериментально підтверджена перспективність застосування радіотермометрії для діагностики захворювань черевної порожнини і контролю метаболізму в м'язових тканинах.

7. Розроблено методику проведення радіотермометричних досліджень для первинної діагностики пухлин і запальних процесів внутрішніх органів.

ПЕРЕЛІК РОБІТ ОПУБЛІКОВАНИХ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сакало С.М., Семенец В.В., Азархов О.Ю. Надвисокі частоти в медицині (терапія і діагностика). Навч. посібник. Харків: ХНУРЕ; Колегіум, 2005.- 264с.

2. Азархов А.Ю., Сакало С.Н. Модель распределения глубинных температур в тканях человека. // Системи обробки інформації.-2006. Вип.-5(54).- С.184-189.

3. Азархов А.Ю., Сакало С.Н. Экспериментальное исследование диагностических возможностей метода радиотермографии. // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних.- 2006.-Віп. 6(12).- С.40-43.

4. Азархов А.Ю. Сакало С.Н, Методика радиотермометрии при решении задач медицинской диагностики. // Системи обробки інформації.-2007. -Вип.2(60).-С.131-135.

5.Аврунін О.Г., Азаров О.Ю., Сакало С.М., Семенець В.В. Радіометр з функцією неінвазивного визначення локалізації температурних аномалій у внутрішніх тканинах людини // Патент на винахід 75814. Бюл.№5, 2006.

6. Azarkhov А., Bulqakov V., Sokalo S. Radiothermometric Control of Tissue Metabolism at Infrared (IR) Exposure. Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп’ютерної інженерії. // Мат. міжн. конф. TCSET’2006.Львів: “Львівська політехніка”, 2006.- С. 330-332.

7. Сакало С.Н., Азархов А.Ю. Современные радиотермометры СВЧ медицинского применения. // Сб. тезисов докладов 10-й межд. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Харьков, 2004.- С.341-342.

8. Cакало С.Н., Булгаков В.И, Азархов А.Ю. Радиотермометрический контроль метаболизма в мышцах и тканях после ИК-воздействия при консервативном лечении заболеваний позвоночника. // Материалы 15-й Международной Крымской конференции “Мікрохвильова техніка та телекомунікаційні технології”.- Севастополь: “Вебер”, 2004.- С. 874-875.

9. Cакало С.Н., Булгаков В.И,. Азархов А.Ю. Динамический контроль энергетического отклика в мышечных тканях радиотермометром РТ-01-“НАТАЛКА” при энергоинформационном воздействии ИК- облучением. // Материалы 2-й Межд. конф. “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”. - Харьков: ХНУРЭ, 2005, Т1.- С.77-78.

10. Азархов А.Ю Сакало С.Н. Диагностика состояния организма по распределению тепловых полей. // Материалы 16-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии, КрыМиКо- 2006”.- Севастополь, 2006, Т.2. – С. 907-908.

АНОТАЦІЯ

Азархов А. Ю. Метод і засоби досліджень глибинних температур біологічних об'єктів. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 – біологічні та медичні прилади і системи – Харківський національний університет радіоелектроніки, 2007 р.

Робота присвячена вдосконаленню методу та апаратури для радіотермометричних досліджень з метою підвищення ефективності неінвазивної медичної діагностики.

Незважаючи на наявний досвід виміру глибинних температур радиотермометрия в практичній медицині має поки обмежений характер. Для оцінки можливості методу й формування вимог до апаратури, розглянута модель розподілу теплових полів. Удосконалена модель розподілу тепла в однорідному середовищі від точкового джерела. Показано, що зміна теплопровідності усередині пухлини впливає на температуру яскравості і не впливає на температуру шкіри.

Розроблена аплікаторна методика проведення локальної радіотермометрії внутрішніх органів людини. Експериментально досліджені частотні залежності вхідного опору і КСХ апертурного аплікатора прямокутної форми, а також розподіл інтенсивності поля в цьому середовищі.

Розроблено дослідний взірець радіотермометра що дозволяє проводити комплексну діагностику захворювань черевної порожнини і проведення динамічного контролю метаболізму в м'язах і тканинах.

Ключові слова: аплікатор, апертура, електромагнітне поле, коефіцієнт стоячої хвилі, мікрополоскові антени, радіотермометрія, температурні аномалії, теплопровідність.

АНОТАЦИЯ

Азархов А. Ю. Метод и средства исследований глубинных температур биологических объектов. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – биологические и медицинские приборы и системы – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2007г.

Работа посвящена совершенствованию метода и аппаратуры для радиотермометрических исследований является с целью повышения эффективности неинвазивной медицинской диагностики.

Работа посвящена совершенствованию метода и аппаратуры для радиотермометрических исследований с целью повышения эффективности неинвазивной медицинской диагностики.

Несмотря на имеющийся опыт измерения глубинных температур радиотермометрия в практической медицине имеет пока ограниченный характер. Это обусловлено как отсутствием достаточно полных моделей распределения внутренних температур, при различных заболеваниях и патологиях, так и отсутствием технических средств измерений с достаточной разрешающей способностью.

Для оценки возможности метода и формирования требований к аппаратуре, рассмотрена модель распределения тепловых полей. Исследование моделей распределения тепла показало, что при глубине расположения опухолей не более 2 см, возможности ИК - термографов и радиотермометров сравнимы. Усовершенствована модель распределения тепла в однородной среде от точечного источника. Показано, что изменение теплопроводности внутри опухоли влияет на яркостную температуру и не влияет на температуру кожи и при неглубоком расположении опухоли установлено существенное влияние границы раздела - биообъект - внешняя среда на повышение температуры опухоли и кожи, что повышает яркостную температуру и способствует выявлению опухоли.

Разработана аппликаторная методика проведения локальной радиотермометрии внутренних органов человека. Рассчитаны и экспериментально исследованы частотные зависимости входного сопротивления и КСВ апертурного аппликатора прямоугольной формы, а также распределение интенсивности поля в этой среде. Предложены микрополосковые аппликаторы с активной излучающей щелью биконической формы. Показано, что введение в конструкцию аппликатора пассивного вибратора значительно улучшает качество согласования, как с точки зрения минимально достижимой величины КСВ, так и с точки зрения требований широкополосности. Значение минимума КСВ при этом близко к единице, что значительно выше, чем у апертурного аппликатора. Кроме того, пассивный вибратор позволяет получить полосу согласования до 40% при уровне КСВ и до 25% при КСВ . Обнаружено, что при контакте с участками биологической ткани, отличающимися диэлектрической проницаемостью (мышечная ткань, жировая ткань), имеет место только смещение частоты минимального значения КСВ, при сохранении размеров рабочей области частот.

Разработан опытный образец радиотермометра позволяющий производить комплексную диагностику заболеваний брюшной полости и проведения динамического контроля метаболизма в мышцах и тканях.

Теоретически показано, что температурные аномалии в теле пациента, могут свидетельствовать как о патологиях, так и о попытках организма к самоорганизации, поэтому при интерпретации результатов необходимо учитывать дополнительную информацию о состоянии объекта.

Ключевые слова: аппликатор, апертура, электромагнитное поле, коэффициент стоячей волны, микрополосковые антенны радиотермометрия, температурные аномалии, теплопроводность,.

SUMMARY

Azarhov A. A method and means of researches of deep temperatures of biological objects. - Dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering sciences on the speciality 05.11.17 - biological and medical devices and systems - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2007.

Work is devoted to improvement of a method and the equipment for radio thermometric researches with the purpose of increase of efficiency of nonivasive medical diagnostics.

Despite of an available experience of measurement of deep temperatures the radio thermometry in applied medicine has while the limited character. For an estimation of an opportunity of a method and formation of requirements to the equipment, the considered model of distribution of thermal fields. The advanced model of distribution of heat in a homogeneous environment from a dot source. It is shown, that change of heat conductivity inside of a tumour influences temperature of brightness and does not influence temperature of a leather.

Developed the applicators technique of carrying out of local radio thermometry of internal bodies of the person. Experimentally investigated frequency dependences of entrance resistance and FSW aperture applicators the rectangular form, and also distribution of intensity of a field this environment.

The pre-production model of the radio thermometer allowing is developed to spend complex diagnostics of diseases of a belly cavity and carrying out of the dynamic control of a metabolism in muscles and fabrics.

Keywords: applicator, the