Диссертация (1025404), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Открытиемультифрактального характера динамики ВСР Ивановым и соавторами [58]показало, что модуляции сердцебиения являются еще более сложными, чемпредполагалось ранее, что требует применения нескольких показателеймасштабирования для оценки его характеристик.В работах М. Коста и соавторов [28] был представлен перспективныйэнтропийный способ оценки количественной сложности по несколькиммасштабамMultiscaleEntropyAnalysis(MSE).Очевиднаяпотеря40многомасштабной сложности в опасных для жизни условиях предполагаетклиническое значение этой многомасштабной меры [96].Для обработки и анализа сигналов СВЧ-радиотермографии головногомозга на сегодняшний день не найдено опубликованных в печати данных оприменении методов НЛД для оценки изменения психофизиологическихпараметров.1.5.
Выводы из Главы 1.Проведен анализ схемно-технических решений СВЧ радиотермографовдля мониторирования собственного электромагнитного излучения глубинныхструктур головного мозга и современных методов получения данных офункциональномсостояниисистемчеловека.Определеныактуальныепроблемы, решение которых позволяет выполнить задачи, поставленные вданной работе:1.Поиск новых схемно-технических решений в создании СВЧ-радиометра для длительного мониторирования функциональных процессовголовного мозга.2.Разработка предложений для обеспечения комплексирования СВЧрадиотермографа и приборов для функциональной диагностики вегетативной ицентральной нервных систем в многоканальном радиофизическом комплексе.3.Разработка новых алгоритмов совместной обработки сигналовинформационных каналов радиофизического комплекса, отражающих процессырегуляции в тканях головного мозга и вегетативной нервной системы, на основеметодов нелинейной динамики.41ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОГО СВЧРАДИОТЕРМОГРАФА ДЛЯ МОНИТОРИРОВАНИЯФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ГОЛОВНОГО МОЗГАВлияние параметров АА на точность оценки радиояркостной температурыТя биологических тканей детально исследовано для контактных СВЧрадиотермометровусредненной[202,4],оценкиназадачейинтервалекоторыхявляетсянаблюдения.Приформированиедлительноммониторировании исследуемых процессов роль АА заключается не только вприеме собственного электромагнитного излучения тканей головного мозга, нои в обеспечении условий измерения, при которых АА не влияет на эти процессы(например, не способствует формированию «парникового» эффекта, неизменяет микроциркуляторные процессы в зонах установки АА, не влияет напроцессы газового обмена с окружающей средой и т.д.).
Разработка АА длямониторирования функциональных процессов головного мозга является важнымаспектом при реализации контактных СВЧ радиометров, предназначенных длярешения подобных задач.Применение схемы термобаланса входного тракта СВЧ-радиометрапозволяет уменьшить влияние первого члена уравнения 2.2 [169]. В случае, когда2→ 0 можно считать, что изменение точностихинвариантно относительно«согласования» антенны с телом [210, 211]. Однако при этих оценках неучитываются потери в элементах СВЧ-радиотермографа.Указанные выше задачи рассматриваются ниже в разделах 2.1 и 2.2настоящей работы.422.1 Разработка антенн-аппликаторов для длительного мониторированияфункциональных процессов головного мозгаТак как длина волны в биологической ткани существенно меньше, чемдлина волны в воздухе (приблизительно впроницаемость биологической ткани,0, где - диэлектрическая0 - диэлектрическая проницаемостьвакуума), то для измерения собственного электромагнитного излучения, какправило, применяются контактные СВЧ радиометры [169, 203].
В этом случаеобеспечивается лучшее пространственное разрешение источника излучения посравнению с дистанционными методами [5].При регистрации излучения с помощью контактного СВЧ радиометра, дляуменьшения влияния изменений Г 2 на точность оценок радиояркостнойтемпературы тканей мозга, применяются структурные схемы радиометрическихприемников, реализующих различные варианты подшумливания переходабиологическая ткань-АА подшумливание этой границы от специальногоуправляемого источника шума, который обеспечивает термодинамическоеравновесие на границе этих сред [75, 210,202].
Впервые техническуюреализацию этого равновесия, с помощью перестраиваемого генераторашума предложил Ludeke K.M. [75]. Принимаемый сигнал определяетсявыражением: T я F dT я 1 2 4 F d,(2.1)где: Я (Ω) – радиояркостная температура тканей мозга; (Ω) – распределение ЭМП антенны, определяемое характеристиками АА, каквесовая функция радиояркостной температуры от телесного угла (Ω);Г 2 – коэффициент отражения АА с биологической тканью, характеризующий«согласование» на границе контактной АА и тела.43Традиционно, для оценки роли характеристик АА на параметрыпринимаемого излучения считается, что Г 2 0 [210, 169]. Однако, ниже будетпоказано, что это не совсем верно, скорее условием измерений должно являтьсявременная инвариантность коэффициента отражения в течении исследования.Также стоит учесть, что распределение (Ω) АА имеет поляризационныесвойства.
В прожекторной (дальней) зоне это обычно плоский фронт.Радиотепловое излучение в реальном теле некогерентное, и неполяризованное,но при приеме АА все равно из него выделяет сигнал, соответствующий еёполяризационным характеристикам. В случае линейной поляризации –соответствующие проекции напряженности электрического поля, которые в силусвоей некогерентности просуммируются как сумма радиояркостных температурс соответствующим весом.Если излучение некогерентное, но наблюдение производится под углом ,то излучательные способности на горизонтальной и вертикальной поляризацияхбудут разные, и это надо учитывать. То есть, если линейная поляризация антенныА (фиксированный вектор), а принимается излучение с диаграммой Tя ( ) , где угол между плоскостью линейной поляризации антенны и направлением вектораэлектрического поля, то измеренная радиояркостная температураТА AT () cos d / A cos dя(2.3)Следовательно, радиояркостная температура среды равна:Т я 1 02 Tth(h) exp(h) dh(2.4)где - коэффициент поглощения, h - глубина слоя, Tth (h) - градиенттермодинамической температуры среды.
С учетом показанной в главе 1,хаотичности флуктуаций, уравнение 2.4 не имеет аналитического решения.Характеристики антенного тракта контактного СВЧ радиометра должныотвечать ряду специфических требований как по функциональным, так иконструктивно-эргономическим показателям. Наиболее важными из нихявляются пространственная избирательность, высокий КПД и обеспечение44согласования с приемным трактом в широкой полосе частот [203]. Повышение«направленных» свойств АА представляет актуальную задачу.
Надежды на еерешение связывают с использованием антенн, сфокусированных в заданнуюточку в объеме обследуемого объекта [177, 203]. Тем не менее, к настоящемувременисфокусированныеантенныприисследованиисобственногоэлектромагнитного излучения биологических объектов широкого применения ненашли. Обычно в контактной СВЧ-радиометрии собственное излучениепринимается АА с размерами близкими к резонансным [4].При контактных измерениях, исследуемый объект располагается вближней зоне антенны (зоне индукции). Поле в биологическом объекте вблизиантенны на расстоянии меньшем, чем длина волны λ в среде от источника,условно делится на зону реактивного поля и переходную зону. Наружнойграницей зоны реактивного ближнего поля считается расстояние λ/2π отповерхности антенны.
Для частоты 750 МГц и средней диэлектрическойпроницаемости для тканей головы равной 50, λ 5.6 см и граница этой зоныпроходит примерно около 0.9 см от границы АА-тело.Электрическая составляющая ЭМП содержит радиальную компоненту вближней зоне = −20 3 и поперечную = −20 3 ив ближней и дальней зонах. Магнитная составляющая имеет только поперечнуюсоставляющую =4 2 Поскольку удельное поглощение мощности погл = ||2 , где ||2 =| |2 + | |2 у электрической составляющей ||2 больше чем | |2умагнитной, поэтому у поверхности антенны вклад электрической составляющейнаибольший.Далеедограницыближнейзонывкладэлектрическойсоставляющей будет падать гораздо быстрее, чем у магнитной. Следовательно,флуктуации мощности собственного электромагнитного излучения тканейголовы на глубине от 0,9 до 5,6 см для частоты 750 МГц будут преимущественнохарактеризоваться магнитной составляющей, которая определяется движениемзаряженных частиц (т.к.
divH=0) [201].45Этотпроцессявляетсяследствиемфлуктуациймикрозарядовимикротоков, характеризуемых транспортом внутри и межклеточной жидкости ирегуляцией мозгового кровообращения. Изменения кровотока поверхностныхтканей не вносит существенный вклад в собственное электромагнитноеизлучение головного мозга. Этот вывод соответствует ранее полученнымрезультатам исследований: в [192] показано, что в диапазоне частот менее 0,85ГГцЭМИголовногомозгапреимущественноотражаетизменениядиэлектрических свойств биологических тканей, которые зависят от динамикижидкостей в его межклеточных и клеточных структурах.
Анизотропные свойстваживых тканей не оказывает такого влияния как в магнетиках с кристаллическойструктурой [203].Также в ходе моделирования анализируется следующая особенностьконтактной АА: поскольку проводимость тканей головы достаточно высокая, тоэлектромагнитное поле убывает достаточно быстро и характеристическоесопротивление АА получается достаточно маленьким, следовательно, АА лучше«согласована» с биологической тканью в случае, когда антенна наиболее близкоприлегает к поверхности головы.2.1.1.МоделированиехарактеристикэлектромагнитногополяААИз всего многообразия АА, которые применяются для измерениясобственного электромагнитного излучения биологических тканей, остановимсяна АА, конструкция которых может быть приспособлена для приема излучениятканей головного мозга независимо от размера волосяного покрова.
На Рис. 2.1представлена схема плоской версии биконической вибраторной АА. Одной иззадач моделирования является исследование влияния параметров d, h, α и β,обозначенных на схеме, на характеристики АА.46Рис. 2.1. Схема анализируемой АА.Согласно теореме взаимности, поле в ближней зоне для приемной ипередающей антенн имеет одинаковое распределение. Поэтому для исследованияхарактеристик приемной АА можно использовать вариант передающей АА.Расчет модели АА проводился численно с помощью гибридного методаMOM/FEM (метод моментов / метод конечных элементов) посредствомпрограммы трехмерного электромагнитного моделирования FEKO.Модель головы в исследовании представлена плоско-параллельнойкомбинацией диэлектрических образований, электрофизические характеристикикоторыхопределяютсясоответствующимихарактеристикамискальпа,кортикальной кости, спинномозговой жидкости, серого и белого вещества мозга(Рис.
2.2). Геометрические и электрофизические характеристики образованийпредставлены в Таблицах 1 и 2. Моделирование проводилось в диапазоне частотот 650 до 850 МГц.47Рис. 2.2. Модель участка головы с АА.Таблица 1.Толщина тканей для модели участка головы [161]№ СлояТканьТолщина слоя, мм1Скальп2,02Кортикальная кость0,53Спинномозговая жидкость2,04Серое вещество мозга5,05Белое вещество мозга100,0Реальная биологическая ткань представляет из себя сложную структуру,электрические параметры которой могут меняться как во времени, так и впространстве, что не учитывалось при построении модели, к тому же в ней неучитывались более мелкие детали, такие как сосуды, очень тонкие ткани и т.д.Однако, сделанные упрощения не должны оказывать существенного влияния на48результаты настоящего исследования, поэтому каждый рассматриваемый слойзадан в виде однородного диэлектрика, электрические параметры которого быливзяты из опубликованных в литературе данных и представлены в Таблице 2.Таблица 2.Электрофизические параметры тканей модели головыдля полосы частот 650-850 МГц [57]№ Слоя12345ЭлектрофизическиеЧастота, МГцпараметры65070075080043,133 42,698 42,316 41,9780,78276 0,79996 0,81688 0,83361, См/м12,724 12,663 12,606 12,5520,1153 0,12058 0,12601 0,13161, См/м69,332 69,158 69,006 68,8712,3219 2,3382 2,3555 2,3736, См/м54,284 53,899 53,558 53,2520,83947 0,85962 0,87993 0,90044, См/м39,958 39,695 39,461 39,2510,51692 0,53135 0,54592 0,56067, См/м85041,6760,8502112,5020,1373868,752,392652,9760,9212139,060,57562Оптимизация осуществлялась по принципу получения максимальнойнапряженности поля на выбранной глубине (50 мм), что соответствует болеесильному сигналу на выходе радиометра при идентичном источнике и, какследствие, большему объему, с которого будет собираться информация принеизменной чувствительности приемника – это «согласование» АА сбиологической тканью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
