RU2381008C1 - Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2381008C1 RU2381008C1 RU2008122815/14A RU2008122815A RU2381008C1 RU 2381008 C1 RU2381008 C1 RU 2381008C1 RU 2008122815/14 A RU2008122815/14 A RU 2008122815/14A RU 2008122815 A RU2008122815 A RU 2008122815A RU 2381008 C1 RU2381008 C1 RU 2381008C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- signal
- output
- organ
- biological tissues
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 claims abstract description 26
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 20
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 abstract 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 29
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 13
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 13
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 10
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 9
- 201000004681 Psoriasis Diseases 0.000 description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 208000028867 ischemia Diseases 0.000 description 8
- 238000002054 transplantation Methods 0.000 description 7
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 6
- 206010012438 Dermatitis atopic Diseases 0.000 description 5
- 201000008937 atopic dermatitis Diseases 0.000 description 5
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 4
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 4
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 3
- 238000001574 biopsy Methods 0.000 description 3
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000000302 ischemic effect Effects 0.000 description 3
- 230000000771 oncological effect Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 210000000709 aorta Anatomy 0.000 description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002593 electrical impedance tomography Methods 0.000 description 2
- 210000000981 epithelium Anatomy 0.000 description 2
- 230000036074 healthy skin Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000009054 pathological process Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 206010002091 Anaesthesia Diseases 0.000 description 1
- 206010016654 Fibrosis Diseases 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 208000037273 Pathologic Processes Diseases 0.000 description 1
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000037005 anaesthesia Effects 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007882 cirrhosis Effects 0.000 description 1
- 208000019425 cirrhosis of liver Diseases 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003748 differential diagnosis Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 210000001035 gastrointestinal tract Anatomy 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 230000002757 inflammatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 201000011486 lichen planus Diseases 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000002483 medication Methods 0.000 description 1
- 230000001394 metastastic effect Effects 0.000 description 1
- 206010061289 metastatic neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000000082 organ preservation Substances 0.000 description 1
- 210000004738 parenchymal cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000003761 preservation solution Substances 0.000 description 1
- 230000001185 psoriatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000010410 reperfusion Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000250 revascularization Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 210000000952 spleen Anatomy 0.000 description 1
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 1
- 230000004614 tumor growth Effects 0.000 description 1
- 230000002485 urinary effect Effects 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 208000019553 vascular disease Diseases 0.000 description 1
- 210000001631 vena cava inferior Anatomy 0.000 description 1
- 230000003612 virological effect Effects 0.000 description 1
- 210000001835 viscera Anatomy 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к области медицины и медицинской техники и предназначена для измерения электродинамических параметров биологических тканей. Способ включает в себя формирование СВЧ-сигнала, облучение органа пациента, прием и обработку принятого сигнала. Формирование СВЧ-сигнала осуществляют с помощью генератора качающейся частоты, облучение органа пациента и прием сигнала от органа осуществляют с помощью контактного ближнепольного резонансного датчика. По резонансной кривой датчика определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость биологических тканей. Устройство включает источник СВЧ-сигнала, датчик и блок обработки и регистрации сигнала. Источник СВЧ-сигнала выполнен в виде генератора качающейся частоты, датчик в виде - контактного ближнепольного резонансного датчика. Вход датчика подключен к выходу генератора качающейся частоты, а выход через последовательно соединенные детектор и аналого-цифровой преобразователь подключен к блоку обработки и регистрации сигнала. Выход тактового сигнала генератора качающейся частоты подключен к входам тактового сигнала АЦП и блока обработки и регистрации сигнала, управляющий выход которого соединен с управляющим входом АЦП. Группа изобретений позволяет повысить точность измерения электродинамических параметров биологических тканей. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано для ранней неинвазивной диагностики заболеваний в области онкологии, дерматологии и др.
Патологические и физиологические процессы в живых тканях, как правило, сопровождаются изменением их электродинамических свойств, задача измерения которых представляет значительный интерес в различных медицинских приложениях. Особенно это актуально при диагностике заболеваний в онкологии, которая осуществляется, как правило, инвазивными методами (экспресс биопсия на операционном столе, пункционная биопсия). Поэтому разработка неинвазивных методов определения неоднородности биологических тканей, позволяющих выявлять патологические образования, расположенные как на поверхности органов, так и скрытые под покровными структурами (эпителием), и определять их границы, является в настоящее время весьма актуальной.
В области дерматологии, которая характеризуется большим количеством нозологических форм заболеваний и синдромов, диагностика также часто клинически затруднена. В этих случаях используется гистоморфологический метод, который является инвазивным и относится к «малым» операциям. Особенно сложно взятие биопсии в педиатрической практике у больных сахарным диабетом, сосудистыми заболеваниями и др. Часто осложнена диагностика псориаза в первые месяцы заболевания, патологий кожи ладонно-подошвенной локализации и др.
В мире накоплен достаточно большой опыт по диагностированию неоднородностей в биологических тканях.
В настоящее время широкое развитие получила электроимпедансная томография. ЭИТ - методика, позволяющая визуализировать пространственное распределение проводимости (или электрического импеданса) внутри объекта, в частности, внутри тела человека, по результатам неинвазивных электрических измерений [S. Armstrong, D. Jennings // Physiological Measurement, 2004. №25. Р.797., Barber D.C., Brown B.H. // J.Phys.E: Sci. Instrum. 1984. V.17. №9. Р.723, Yu Z.Z., Peyton A.J., Conway W.F. et al. // Electronic Letters. 1993. V.29. №7. P.625., Al-Zeibak S., Goss D., Lyon G. et al. // Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance. Heidelberg, Germany, 1995. Р.426., Powell H.M., Barber D.C., Freeston I.L. // Clin. Phys. Physiol. Meas. 1987. V.8, Suppl. A.P. 109]. Через исследуемый объект, обладающий электрической проводимостью (в медицине это тело человека), с помощью находящихся на его поверхности инжектирующих электродов пропускают слабый переменный электрический ток. С помощью других измерительных электродов измеряют потенциалы на поверхности, возникающие при протекании тока через объект. Имея набор линейно независимых измерений, получаемых при различных комбинациях инжектирующих и измерительных электродов, реконструируется распределение электрического импеданса внутри объекта. Хотя предложено большое количество методов решения обратной задачи для этого случая, метод позволяет визуализировать только небольшие изменения проводимости внутри объекта, и требует наличия опорного набора данных, соответствующих начальным значениям проводимости.
В отличие от электроимпедансной, магнитоиндукционная томография (МИГ) [А.В.Котженевский, В.А.Черепенин, Магнитоиндукционная томография, // "Радиоэлектроника" №1, 1998., А.В.Котженевский, Использование искусственных нейронных сетей для решения обратных задач электроимпедансной и магнитоиндукционной томографии, // "Радиоэлектроника" №12, 2001] не требует электрического контакта с исследуемым объектом. В ней используется взаимодействие переменного магнитного поля с проводящей средой. Такое поле, которое может возбуждаться и регистрироваться с помощью компактных катушек, расположенных вокруг объекта, подвергается возмущению под воздействием вихревых токов, возникающих в объекте. Распределение электропроводности в объекте может быть реконструировано по результатам измерений возмущенного поля вне объекта. К недостаткам описанных методик можно отнести достаточную сложность и дороговизну используемого оборудования, неоднозначную интерпретацию полученных результатов, необходимость очень большой статистической базы.
Известен способ диагностики состояния биообъектов и устройство для его реализации (патент РФ №2195862, МПК А61В 5/05, 2003 г.). Способ диагностики основан на регистрации дистанционного изменения свойств чувствительного элемента датчика под воздействием физического поля биообъекта. Чувствительный элемент датчика выполнен из диэлектрика с линейной поляризационной характеристикой, а в качестве регистрируемых свойств указанного датчика используют изменение диэлектрической проницаемости его элемента, по которому судят о состоянии биообъекта. Устройство для диагностики состояния биообъектов содержит емкостной датчик, являющийся частотозадающим элементом ВЧ-автогенератора, который связан с индикатором и блоком питания. Чувствительный элемент датчика выполнен в виде диэлектрика с линейной поляризационной характеристикой и высокой стабильностью при температурных измерениях, преобразователь сигнала выполнен по аналогово-импульсной схеме, а ВЧ-автогенератор заключен в экранирующий корпус. Перед началом обследования задается базовая частота ВЧ-автогенератора. Далее датчиком прибора сканируют по поверхности биообъекта. В результате взаимодействия с полем биообъекта происходит изменение диэлектрической проницаемости чувствительного элемента датчика, которое пропорционально изменению электрического поля в зоне диагностики. Это изменение приводит к изменению емкости датчика и, как следствие, к изменению частоты ВЧ-автогенератора. Сигнал о разности частот обрабатывается преобразователем и сравнивается с заданными, заранее откалиброванными, значениями, соответствующими глубине патологии.
Недостатком известного способа и реализующего его устройства является низкая достоверность измерений, обусловленная тем, что на поверхности исследуемого объекта возникают заряды, и, соответственно, электрические поля достаточно большой амплитуды, присутствие которых не позволяет с достаточной степенью точности измерять поля биообъектов, которые имеют значительно меньшую величину. Кроме того, на процесс измерения и достоверность результатов оказывают влияние внешние электрические поля различных источников, имеющие различные амплитуды и направления.
Наиболее близким к изобретению по назначению и совокупности существенных признаков является устройство диагностики онкологических заболеваний человека с помощью СВЧ (патент РФ №2085112, МПК А61В 5/04, 1997 г.).
Способ включает формирование СВЧ-сигнала, облучение органа пациента, прием и обработку принятого сигнала. Облучение сигнала осуществляют с помощью излучающего аппликатора, прием - с помощью приемного аппликатора. После прохождения сигнала через орган пациента осуществляют селекцию поляризационных параметров с помощью приемного аппликатора, которые поступают на векторный вольтметр для сравнения с опорным СВЧ-сигналом. В соответствии с алгоритмом обработки поляризационных параметров выделяются признаки, которые сравниваются с эталонными числами, заложенными в память ЭВМ для здорового и больного человека и на основании такого сравнения классифицируют измеренные параметры объекта по типу «норма» или «патология».
Устройство диагностики включает источник СВЧ-сигнала, излучающий аппликатор (датчик) и блок обработки и регистрации сигнала. Прием отраженного сигнала осуществляется с помощью приемного аппликатора. Излучающий и приемный аппликаторы выполнены двухканальными и подключены через переключатели каналов к контроллеру, управляющий вход которого соединен с ЭВМ. Сравнение принятого и опорного сигналов осуществляется векторным вольтметром, выход которого соединен с ЭВМ. Кроме ЭВМ блок обработки и регистрации сигналов включает дисплей и принтер.
Недостатком способа и устройства диагностики онкологических заболеваний человека с помощью СВЧ является низкая достоверность измерений, а следовательно, и низкая точность диагностики, обусловленные тем, что диагностика основана на сравнении поляризационных характеристик СВЧ-излучений, прошедших через здоровую и больную ткани, которые мало отличаются между собой. Кроме того, данный метод требует очень большой базы данных, так как биологические ткани разных людей могут очень сильно отличаться между собой. Результаты зависят от пола, возрастной группы, сопутствующих заболеваний, принимаемых лекарственных средств и многого другого. Для набора такой статистики необходимы годы ежедневной работы.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа измерения электродинамических параметров, таких как диэлектрическая проницаемость и проводимость биологических тканей, и устройства для его реализации, обеспечивающих высокую точность и достоверность измерений, позволяющих на основе полученных данных проводить раннюю неинвазивную диагностику заболеваний в области онкологии, дерматологии и др.
Указанный технический результат достигается способом измерения электродинамических параметров биологических тканей, включающим формирование СВЧ-сигнала, облучение органа пациента, прием и обработку принятого сигнала, в котором согласно изобретению формирование СВЧ-сигнала осуществляют с помощью генератора качающейся частоты, облучение органа пациента и прием сигнала от органа осуществляют с помощью контактного ближнепольного резонансного датчика, по резонансной кривой датчика определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала датчика, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость биологических тканей.
Указанный технический результат достигается также устройством для измерения электродинамических параметров биологических тканей, включающим источник СВЧ-сигнала, датчик и блок обработки и регистрации сигнала, в котором согласно изобретению источник СВЧ-сигнала выполнен в виде генератора качающейся частоты, а датчик - в виде контактного ближнепольного резонансного датчика, вход которого подключен к выходу генератора качающейся частоты, а выход через последовательно соединенные детектор и аналого-цифровой преобразователь подключен к блоку обработки и регистрации сигнала для определения по резонансной кривой датчика частотного сдвига и амплитуды резонанса, при этом выход тактового сигнала генератора качающейся частоты подключен к входам тактового сигнала АЦП и блока обработки и регистрации сигнала, управляющий выход которого соединен с управляющим входом АЦП.
Использование генератора качающейся частоты для формирования СВЧ-сигнала позволяет получить на экране блока обработки и регистрации сигнала всю резонансную кривую. При сканировании датчиком исследуемого объекта можно в реальном масштабе времени наблюдать (и измерять) сдвиг частоты и изменение амплитуды резонанса и тем самым исключить неопределенность, которая возникает при работе на одной частоте.
Использование контактного ближнепольного резонансного датчика позволяет для измерения электродинамических параметров - диэлектрической проницаемости и проводимости использовать параметры датчика - сдвиг его резонансной частоты и изменение амплитуды резонанса при взаимодействии с исследуемым объектом.
Контактный ближнепольный резонансный датчик согласно изобретению может содержать возбуждающую и приемную петли связи, подключенные коаксиальными линиями соответственно к входу и выходу датчика, четвертьволновой резонатор в виде отрезка коаксиальной линии, соединенной одним концом с магнитной рамкой для обеспечения магнитной связи с возбуждающей и приемной петлями связи, а другим концом - с цилиндрической измерительной емкостью. Датчик с четвертьволновым резонатором применяется при исследовании объектов, имеющих низкое значение проводимости.
Контактный ближнепольный резонансный датчик, согласно изобретению, может также содержать возбуждающую и приемную петли связи, подключенные коаксиальными линиями соответственно к входу и выходу датчика, полуволновой резонатор в виде отрезка коаксиальной линии, соединенной одним концом с магнитной рамкой для обеспечения магнитной связи с возбуждающей и приемной петлями связи, а другим концом - с параллельно соединенными индуктивностью и цилиндрической измерительной емкостью. Датчик с полуволновым резонатором целесообразно использовать при исследовании объектов, имеющих высокое значение проводимости.
Цилиндрическая измерительная емкость может быть выполнена в виде коаксиала, длина которого много меньше длины волны, с возможностью регулирования расстояния между центральным проводником и внешним экраном, что позволяет регулировать глубину проникновения ближнего квазистатического СВЧ поля в исследуемый объект и, тем самым, регулировать размер исследуемой области. Индуктивность может быть выполнена в виде закороченного отрезка коаксиального кабеля.
Контактный ближнепольный резонансный датчик и детектор установлены в экранирующем металлическом корпусе, что позволяет исключить влияние внешних электромагнитных полей на указанные элементы и, тем самым, повысить точность способа и устройства.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что авторами предлагается неинвазивный способ измерения электродинамических параметров биологических тканей, основанный на резонансном ближнепольном СВЧ-зондировании. В качестве зонда (датчика) удобно использовать резонатор на отрезке двухпроводной линии. При сканировании вдоль поверхности исследуемого объекта датчик реагирует на изменение диэлектрической проницаемости и проводимости на глубине порядка расстояния между проводами резонатора, что позволяет фиксировать неоднородность и определять ее характеристики. В плоскости, перпендикулярной двухпроводной линии, электромагнитное поле имеет квазистатическую структуру и проводимые измерения можно характеризовать как ближнепольные. Взаимодействие краевого электрического поля измерительной емкости с биологическим объектом оказывает влияние на резонансную частоту и максимальную амплитуду резонансной кривой. Известно, что частотный сдвиг резонансной кривой (ΔF) и максимальная амплитуда резонансной кривой (Umax) определяются соотношениями:
ΔF=-Re(q),
Umax=1-4Q0Im(q),
где Q0 - собственная добротность резонатора; ε - диэлектрическая проницаемость измеряемого вещества; σ - проводимость измеряемого вещества; ω - частота, подводимая к датчику; Re - реальная (действительная) часть параметра q; Im - мнимая часть параметра q, q - параметр, зависящий от диэлектрической проницаемости и проводимости исследуемого вещества, i - мнимая единица.
Используя компьютерную обработку продетектированного сигнала, получаемого с датчика, на экране монитора в реальном масштабе времени отображаются электродинамические характеристики поверхностных слоев (0,2 - 1,5 см) и границ исследуемого биологического объекта.
Далее изобретение поясняется с помощью чертежей.
на фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения электродинамических параметров биологических тканей;
на фиг.2 представлена схема датчика с четвертьволновым резонатором;
на фиг.3 представлено распределение электрического поля по длине четвертьволнового резонатора;
на фиг.4 представлена схема датчика с полуволновым резонатором;
на фиг.5 представлено распределение электрического поля по длине полуволнового резонатора;
на фиг.6 представлен график зависимости сдвига частоты, пропорционального диэлектрической проницаемости биологической ткани, от времени;
на фиг.7 представлен график зависимости изменения амплитуды резонанса, пропорционального проводимости (потерям) биологической ткани.
Устройство для измерения электродинамических параметров биологических тканей содержит (см. фиг.1) генератор качающейся частоты 1 (далее генератор 1), выход которого подключен к входу контактного резонансного датчика 2 (далее датчик 2). Выход датчика 2 через последовательно соединенные детектор 3 и АЦП 4 подключен к информационному входу блока обработки и регистрации сигнала, выполненному в виде ЭВМ 5. Тактовый выход генератора 1 подключен к тактовым входам АЦП 4 и ЭВМ 5. Управляющий выход ЭВМ 5 соединен с управляющим входом АЦП 4. Выход детектора 3 может быть соединен с цифровым осциллографом 6, выход ЭВМ 5 - с принтером 7. В качестве детектора 3 может быть использован стандартный высокочастотный диод с 50-омной нагрузкой для исключения отраженной от него волны. Датчик 2 и детектор 3 установлены в экранирующем металлическом корпусе (на фигурах не показан), обеспечивающем защиту от внешних электромагнитных полей. ЭВМ 5 наделена программой для управления работой АЦП 4 и построения графиков резонансной кривой, зависимостей сдвига частоты и амплитуды резонанса от времени, а также хранения полученных файлов в памяти. АЦП 4 представляет собой универсальный скоростной восьмиканальный аналогово-цифровой преобразователь USB3000, предназначенный для построения мобильных компактных систем сбора и обработки аналоговой и цифровой информации на базе IBM-совместимых компьютеров. АЦП 4 сопрягается с ЭВМ 5 стандартным разъемом с помощью порта USB.
Датчик 2 (см. фиг.2) содержит возбуждающую 8 и приемную 9 петли связи и четвертьволновой резонатор 10 (далее резонатор 10) в виде отрезка коаксиальной линии. Петли связи 8 и 9 подключены коаксиальными линиями 11, 12 через разъемы 13, 14 соответственно к входу и выходу датчика 2. Резонатор 10 соединен одним концом с магнитной рамкой 15 для обеспечения магнитной связи с возбуждающей 8 и приемной 9 петлями связи, а другим концом - с цилиндрической измерительной емкостью 16. Распределение электрического поля датчика 2 с четвертьволновым резонатором представлено на фиг.3. Датчик 2 с четвертьволновым резонатором (фиг.2) применяется при исследовании объектов, имеющих низкое значение проводимости. При исследовании объектов, имеющих высокое значение проводимости, с целью уменьшения импеданса измерительной емкости 16 используется другой тип резонатора - полуволновой.
В этом случае датчик 2 (см. фиг.4) содержит возбуждающую 8 и приемную 9 петли связи и полуволновой резонатор 17 (далее резонатор 17) в виде отрезка коаксиальной линии. Петли связи 8 и 9 подключены коаксиальными линиями 11, 12 через разъемы 13, 14 соответственно к входу и выходу датчика 2. Резонатор 17 соединен одним концом с магнитной рамкой 15 для обеспечения магнитной связи с возбуждающей 8 и приемной 9 петлями связи, а другим концом - с параллельно соединенными цилиндрической измерительной емкостью 16 и индуктивностью 18. В качестве индуктивности 18 может использоваться закороченный отрезок коаксиального кабеля. Распределение электрического поля датчика 2 с полуволновым резонатором представлено на фиг.5.
В зависимости от объекта исследования в устройство устанавливают датчик 2 либо с четвертьволновым резонатором (фиг.2), либо с полуволновым резонатором (фиг.4). Датчик 2 располагают непосредственно на объекте исследования 19 (органе пациента) и в процессе исследования сканируют его поверхность.
Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей осуществляют с помощью устройства следующим образом.
Работа устройства синхронизируется тактовым сигналом с генератора качающейся частоты 1. Генератором качающейся частоты 1 формируют СВЧ-сигнал в диапазоне 600-800 МГц, который поступает через разъем 13 и коаксиальную линию 11 на возбуждающую петлю связи 8 датчика 2. Собственная частота датчика 2 составляет приблизительно 760 МГц. При этом через магнитную рамку 15 происходит возбуждение четвертьволнового резонатора 10 или полуволнового резонатора 17. При контакте датчика 2 с объектом исследования 19 осуществляют зондирование объекта 19 краевым полем измерительной емкости 16. При этом в зависимости от вида биологической ткани и ее состояния (нормальное состояние ткани или ткань с патологией) происходит изменение частоты и амплитуды резонанса резонатора 10 или резонатора 17 по сравнению с этими величинами до контакта с объектом 19 (диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1, проводимость равна 0). Высокочастотный сигнал через магнитную рамку 15, приемную петлю связи 9, коаксиальную линию 12 и разъем 14 поступает на детектор 3. С помощью осциллографа 6 при необходимости осуществляют контроль продетектированного сигнала. Продетектированный СВЧ-сигнал в виде резонансной кривой поступает на АЦП 4. После оцифровки с шагом, задаваемым с помощью ЭВМ 5, в реальном масштабе времени сигнал записывается в ЭВМ 5. На экран монитора выводятся графики резонансной кривой, зависимости сдвига частоты (фиг.6) и изменения амплитуды резонанса (фиг.7) от времени. На графике фиг.6 показаны величины сдвига частоты (без пересчета в диэлектрическую проницаемость разных тканей) от времени в процессе измерения на печени. Как видно из графика, частота датчика до измерения - 771 МГц. При прикосновении к опухоли она сдвигается до величины 744 МГц. При прикосновении к жировому слою сдвиг частоты резонанса меньше (756 МГц). С помощью принтера 7 результаты выводят на печать. По изменению частоты судят о величине диэлектрической проницаемости исследуемого объекта, по изменению амплитуды - о его проводимости (потерях). Результаты измерений сохраняются в памяти ЭВМ в виде отдельных файлов.
Неинвазивное определение неоднородности биологических тканей позволяет выявлять патологические образования, расположенные как на поверхности органов, так и скрытые под покровными структурами (эпителием). Помимо обнаружения неоднородностей в тканях возможно определение и их границ. Подобная методика необходима при диагностике и лечении воспалительных, диспластических и онкологических заболеваний печени, почек, желудочно-кишечного тракта и мочевыделительной системы. Особенно актуальными следует считать исследования при интраоперационном (в ходе операции) определении границ патологических образований.
Кроме этого, метод позволяет определить степень реваскуляризации (наполняемость кровью мелких сосудов) органов и тканей при проведении операции по реплантации и трансплантации за счет оценки кровенаполнения органов. На сегодняшний день в трансплантологии в пересаженном органе определяется кровоток только по магистральным сосудам без учета полноты включения микроциркуляторного русла, что не отражает эффективности кровоснабжения.
Для подтверждения эффективности предлагаемого способа и устройства проводились исследования по диагностике и дифференциальной диагностике патологических процессов внутренних органов и кожи, а также определение их границ.
1. Использование для диагностики в области онкологии.
В качестве объектов использовался операционный материал: удаленные или резецированные органы с опухолевым ростом. Измерение проведено на 4 почках, селезенке. Также проводилось интраоперационное обследование с использованием стерильного датчика. Измерения проведены в 2-х случаях на печени с метастатическим процессом, в одном случае обследована печень с крупнонодулярным (крупноузловым) циррозом вирусной этиологии (причина), однократно проведено исследование желудка с опухолью тела. Во время всех экспериментов использовались полипозиционные измерения, измерения сигнала с соседних органов и структур с целью количественного и качественного сравнения результатов.
Полученные данные позволяют определить наличие опухолевого очага в ткани исследуемого органа, определить границу роста. В ряде случаев граница по данным исследования отличалась от видимой на глаз, однако, при исследовании удаленного материала подтверждалась точность и чувствительность измерительного комплекса.
2. Оценка степени и характера кровотока в паренхиматозных органах (печень, почки) в норме и патологии.
Продемонстрировано изменение электродинамических характеристик в условиях тепловой и холодовой ишемии (недостаточность кровоснабжения) в зависимости от температуры и времени.
Пример. Апробация способа при тепловой и холодовой ишемии на лабораторных животных.
Проведена экспериментальная работа на кроликах. Полностью имитировался процесс мультиорганного забора для трансплантации. Под наркозом, в условиях сохраненного кровотока проводилось изъятие почек и печени с фрагментами аорты и нижней полой вены. Через аорту и соответствующие артерии выполнялось промывание почек охлажденным раствором кустодиола до полного вымывания крови из органа. Органокомплекс помещался в раствор кустодиола со льдом при температуре +4 градуса. Проводилось разделение почек по сосудам. Одна из почек изымалась из консервирующего раствора и помещалась в раствор кустодиола комнатной температуры (+19÷20 градусов). В дальнейшем проводилось измерение электродинамических характеристик паренхимы почек в условиях тепловой и холодовой ишемии в динамике по времени. В ходе эксперимента создавались «зеркальные» условия для органов, за исключением температуры консервации.
Проведены измерения электродинамических характеристик (сдвиг резонансной частоты датчика от времени) почек при холодовой и тепловой ишемии. Сопоставляя эти экспериментальные результаты, легко заметить, что изменение частоты сигнала находится в прямой зависимости от скорости течения процессов ишемического повреждения. При холодовой ишемии изменение частоты за 1200 секунд составило ~250 КГц, тогда как при тепловой за то же время ~ 1000 КГц.
Исходя из приведенных результатов, можно отметить разницу между холодовой и тепловой ишемией органов, появляющейся через 20 минут с момента появления тепловой ишемии.
Исходя из литературных данных о скорости ишемического повреждения органов, можно предположить возможность использования данного метода для выявления ранних ишемических повреждений паренхимы органа при трансплантации.
3. Оценка проводимости при реперфузии (восстановление кровотока) органа с целью определения его потенциальной пригодности для трансплантации, контроль качества консервации и состояние органа после пересадки. Проведена серия экспериментов на лабораторных крысах, заключающаяся в заборе почек, их консервации с измерением электродинамических характеристик на всех этапах.
В качестве результата можно сказать, что измерительный комплекс обладает чувствительностью к любым, даже незначительным изменениям кровотока в тканях, богатых кровеносными сосудами, что позволяет оценить состояние до забора, во время консервации органа и прогнозировать его пригодность для последующей пересадки.
4. Использование метода ближнепольного зондирования в дерматологии для диагностики заболеваний без нарушения целостности кожи.
Проведены исследования электродинамических характеристик кожи двадцати двух больных псориазом и пяти больных атопическим дерматитом. Установлено, что диэлектрическая проницаемость и проводимость кожи у дерматологических больных (псориаз, атопический дерматит) ниже, чем у здоровой кожи. У больных псориазом исследования проводились до лечения, в процессе и по окончании терапии. По мере выздоровления диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей в области заболевания приближалась к показаниям здоровой кожи.
При атопическом дерматите изучаемые показатели имели аналогичный характер, но были значительно менее выражены.
В стадии обострения различия между здоровой и больной кожей были более выраженными при псориазе. В стадии регресса диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей в области псориатических очагов была аналогичной с диэлектрической проницаемостью и проводимостью тканей при атопическом дерматите. Таким образом, диагностическая значимость метода в случае псориаза и атопического дерматита имеет место лишь при активности заболевания.
При исследовании электродинамических характеристик кожи больных красным плоским лишаем (КПЛ) установлено, что при совпадении диэлектрической проницаемости тканей при псориазе и КПЛ проводимость кожи у этих пациентов отличалась в 2 раза. Это позволяет сделать вывод о возможности проведения диагностики при псориазе и КПЛ на любых стадиях заболевания.
Таким образом, способ и устройство для измерения электродинамических параметров биологических тканей, включающее четвертьволновый и полуволновый контактные резонансные датчики, является простым и многофункциональным прибором, применение которого возможно в различных отраслях медицины.
Claims (7)
1. Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей, включающий формирование СВЧ-сигнала, облучение органа пациента, прием и обработку принятого сигнала, отличающийся тем, что формирование СВЧ-сигнала осуществляют с помощью генератора качающейся частоты, облучение органа пациента и прием сигнала от органа осуществляют с помощью контактного ближнепольного резонансного датчика, по резонансной кривой датчика определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость биологических тканей.
2. Устройство для измерения электродинамических параметров биологических тканей, включающее источник СВЧ-сигнала, датчик и блок обработки и регистрации сигнала, отличающееся тем, что источник СВЧ-сигнала выполнен в виде генератора качающейся частоты, а датчик - в виде контактного ближнепольного резонансного датчика, вход которого подключен к выходу генератора качающейся частоты, а выход через последовательно соединенные детектор и аналого-цифровой преобразователь подключен к блоку обработки и регистрации сигнала для определения по резонансной кривой датчика частотного сдвига и амплитуды резонанса, при этом выход тактового сигнала генератора качающейся частоты подключен к входам тактового сигнала АЦП и блока обработки и регистрации сигнала, управляющий выход которого соединен с управляющим входом АЦП.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контактный ближнепольный резонансный датчик содержит возбуждающую и приемную петли связи, подключенные коаксиальными линиями соответственно к входу и выходу датчика, четвертьволновой резонатор в виде отрезка коаксиальной линии, соединенной одним концом с магнитной рамкой для обеспечения магнитной связи с возбуждающей и приемной петлями связи, а другим концом-с цилиндрической измерительной емкостью.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контактный ближнепольный резонансный датчик содержит возбуждающую и приемную петли связи, подключенные коаксиальными линиями соответственно к входу и выходу датчика, полуволновой резонатор в виде отрезка коаксиальной линии, соединенной одним концом с магнитной рамкой для обеспечения магнитной связи с возбуждающей и приемной петлями связи, а другим концом - с параллельно соединенными индуктивностью и цилиндрической измерительной емкостью.
5. Устройство по любому из пп.3 и 4, отличающееся тем, что цилиндрическая измерительная емкость выполнена в виде коаксиала, длина которого много меньше длины волны, с возможностью регулирования расстояния между центральным проводником и внешним экраном.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что индуктивность выполнена в виде закороченного отрезка коаксиального кабеля.
7. Устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что контактный ближнепольный резонансный датчик и детектор установлены в экранирующем металлическом корпусе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122815/14A RU2381008C1 (ru) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122815/14A RU2381008C1 (ru) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008122815A RU2008122815A (ru) | 2009-12-10 |
| RU2381008C1 true RU2381008C1 (ru) | 2010-02-10 |
Family
ID=41489207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008122815/14A RU2381008C1 (ru) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2381008C1 (ru) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460455C2 (ru) * | 2010-05-11 | 2012-09-10 | Санкт-Петербургское государственное учреждение здравоохранения Восстановительный центр детской ортопедии и травматологии "Огонек" (С-Пб. ГУЗ ВЦДОиТ "Огонек") | Способ диагностики функциональной активности ростковых зон костей детей и подростков |
| EA017369B1 (ru) * | 2011-05-04 | 2012-11-30 | Владимир Николаевич Ростовцев | Способ выявления и тестирования субпроцессов в сложном волновом поле объекта |
| RU2519943C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная лаборатория медицинской техники" (ООО "НПЛ МедТех") | Способ контроля жизнеспособности паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации |
| RU2624352C1 (ru) * | 2016-03-15 | 2017-07-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России) | Способ прогнозирования направленности развития процесса заживления гнойных и инфицированных ран лица у детей |
| EA030390B1 (ru) * | 2016-03-25 | 2018-07-31 | Учреждение Образования "Белорусский Государственный Университет Информатики И Радиоэлектроники" | Способ и устройство определения индивидуальной характеристической частоты биологического объекта |
| RU195616U1 (ru) * | 2019-11-29 | 2020-02-03 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "БиоКлиникум" (ООО НТЦ "БиоКлиникум") | Устройство для измерения спектра импеданса биологических структур |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5829437A (en) * | 1994-07-01 | 1998-11-03 | Interstitial, Inc. | Microwave method and system to detect and locate cancers in heterogenous tissues |
| RU2002101301A (ru) * | 2002-01-22 | 2003-09-20 | Алексей Тихонович Маюнов (RU) | Способ диагностики ликворопроводящих путей головного мозга и устройство для его реализации |
| RU2223032C2 (ru) * | 2000-12-28 | 2004-02-10 | Кревский Михаил Анатольевич | Способ диагностики состояния организма свч-излучением нетеплового уровня мощности и устройство для его осуществления (варианты) |
-
2008
- 2008-06-05 RU RU2008122815/14A patent/RU2381008C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5829437A (en) * | 1994-07-01 | 1998-11-03 | Interstitial, Inc. | Microwave method and system to detect and locate cancers in heterogenous tissues |
| RU2223032C2 (ru) * | 2000-12-28 | 2004-02-10 | Кревский Михаил Анатольевич | Способ диагностики состояния организма свч-излучением нетеплового уровня мощности и устройство для его осуществления (варианты) |
| RU2002101301A (ru) * | 2002-01-22 | 2003-09-20 | Алексей Тихонович Маюнов (RU) | Способ диагностики ликворопроводящих путей головного мозга и устройство для его реализации |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| КОСТРОВ М.А. и др. «Ближнепольная СВЧ-диагностика сред с неоднородными электродинамическими характеристиками», Труды Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2007, с.17-18. * |
| РЕЗНИК А.Н. и др. «Ближнепольная СВЧ томография биологических сред», ЖТФ, 2004, т.74, вып.4, с.110-111. * |
| реферат. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460455C2 (ru) * | 2010-05-11 | 2012-09-10 | Санкт-Петербургское государственное учреждение здравоохранения Восстановительный центр детской ортопедии и травматологии "Огонек" (С-Пб. ГУЗ ВЦДОиТ "Огонек") | Способ диагностики функциональной активности ростковых зон костей детей и подростков |
| EA017369B1 (ru) * | 2011-05-04 | 2012-11-30 | Владимир Николаевич Ростовцев | Способ выявления и тестирования субпроцессов в сложном волновом поле объекта |
| RU2519943C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная лаборатория медицинской техники" (ООО "НПЛ МедТех") | Способ контроля жизнеспособности паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации |
| RU2624352C1 (ru) * | 2016-03-15 | 2017-07-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России) | Способ прогнозирования направленности развития процесса заживления гнойных и инфицированных ран лица у детей |
| EA030390B1 (ru) * | 2016-03-25 | 2018-07-31 | Учреждение Образования "Белорусский Государственный Университет Информатики И Радиоэлектроники" | Способ и устройство определения индивидуальной характеристической частоты биологического объекта |
| RU195616U1 (ru) * | 2019-11-29 | 2020-02-03 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "БиоКлиникум" (ООО НТЦ "БиоКлиникум") | Устройство для измерения спектра импеданса биологических структур |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008122815A (ru) | 2009-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6813515B2 (en) | Method and system for examining tissue according to the dielectric properties thereof | |
| US20190125209A1 (en) | Volumetric Induction Phase Shift Detection System for Determining Tissue Water Content Properties | |
| KR101184420B1 (ko) | 비?침습 센서를 이용한 혈당 측정 장치 및 방법 | |
| JP3320413B2 (ja) | 有機物質あるいは生体物質の電気インピーダンスの測定装置 | |
| JP6224006B2 (ja) | 流体変化を検出するための診断システム | |
| US10610122B2 (en) | Linear velocity imaging tomography | |
| CA2533161C (en) | Method and apparatus for examining a substance,particularly tissue, to characterize its type | |
| US7283868B2 (en) | Apparatus for sensing human prostate tumor | |
| RU2381008C1 (ru) | Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления | |
| US20060264738A1 (en) | Method and apparatus for examining a substance, particularly tissue, to characterize its type | |
| JP2000514331A (ja) | 電磁気イメージングおよび治療（ｅｍｉｔ）システム | |
| US20070055123A1 (en) | Measuring apparatus and its method | |
| Cheng et al. | SmartProbe: a bioimpedance sensing system for head and neck cancer tissue detection | |
| Rangaiah et al. | Preliminary analysis of burn degree using non-invasive microwave spiral resonator sensor for clinical applications | |
| US11160454B2 (en) | System and method for imaging biomarkers indicative of cardiac thermal ablation lesions | |
| Yilmaz et al. | Microwave dielectric spectroscopy of renal calculi: A large scale study on dielectric properties from 500 MHz to 18 GHz | |
| WO2004105602A1 (en) | Method for measuring water content of subcutaneous fat and apparatus for applying of the method | |
| Galka et al. | Resonance Near-Field Microwave Probing of Burn Wounds | |
| KR100688355B1 (ko) | 신체내의 병소를 검출하는 장치 및 방법 | |
| Dhar et al. | Non-invasive bio-impedance measurement using voltage-current pulse technique | |
| Hesabgar et al. | Accurate technique for electrical permittivity measurement of biological tissue specimens at low frequencies | |
| Sharma et al. | Detection of skin abnormalities using a highly sensitive planar microstrip probe | |
| Chen et al. | An amplitude-based characteristic parameter extraction algorithm for cerebral edema detection based on electromagnetic induction | |
| Wang | Electromagnetic sensing and imaging for stroke detection | |
| Galka et al. | Near-field microwave diagnostics of the burn wounds |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120606 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20131227 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20140515 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20140515 Effective date: 20160606 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200606 |