Диссертация (1025404), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Также в качестве второго критерия было выбранополучение возможно минимального коэффициента отражения (11 ) в рабочейполосе частот, в целях уменьшения рассогласования между антенной и фидером,импеданс которого задан равным 50 Ом. В качестве параметров для оптимизациииспользовались переменные, указанные на Рис. 2.1 (α, d, h).2.1.2. Результаты моделированияВ соответствии с заданными критериями в результате проведенногомоделирования были получены следующие параметры АА, представленные вТаблице 3:49Таблица 3.Оптимизированные в среде FEKO параметры ААКритерий оптимизации ААПараметрМинимальныйОптимизациикоэффициентотраженияМаксимальная напряженностьэлектрического поля на глубине 50 мм, град39,967,4ℎ, мм2626,4, мм2,763,8Зависимость коэффициента отражения от частоты для оптимизированныхантенн (антенна №1 оптимизирована по минимальному 11 , антенна №2 – помаксимальной напряженности поля на глубине 50 мм) представлена на Рис.
2.3[86].Рис. 2.3. Зависимость S11 от частоты для двух оптимизированных ААКак видно из графика Рис. 2.3., антенна №1 лучше согласована с фидером,однако, напряженность поля для такой антенны меньше, следовательно, спомощью антенны №2 можно будет принять более слабый сигнал.50Для определения возможности антенны измерять температуру (приправильной калибровке радиометра измеренная мощность соответствуетопределенной температуре) во внутренних тканях был построен графикзависимости мощности, сосредоточенной в слое кожи и белого вещества, отчастоты (мощность источника 1 Вт), представленный на Рис.
2.4. Как видно изграфика, с ростом частоты мощность, сосредоточенная в области кожи, растет,что вызвано увеличением коэффициента затухания.Рис.2.4. Мощность, принимаемая с кожи и белого вещества, дляразличных ААСравнивая полученные результаты, представленные на Рис.2.4. для антенн№1 и №2, можно сделать следующий вывод: несмотря на то, что антенна №2согласована с фидером хуже, энергия, принимаемая с глубинных слоев, больше,что имеет принципиальное значение, т. к.
основным объектом исследованияявляется именно белое вещество. Вклад остальных тканей в долю принимаемоймощности значительно меньше (Рис. 2.4).Для определения вида распределения ЭМП АА, была построенакоординатная зависимость плотности мощности в сечении XZ (Рис. 2.5). Каквидно из рисунков 5 значительная доля энергии принимается с верхних тканей.Также на основании рисунков 3, 4 и 5 можно сделать вывод, что решающую роль51в том, какая доля энергии будет принята с интересующей нас области, играютгеометрические размеры АА, т.к. для антенны №2 площадь контакта больше, чемдля антенны №1.
Результаты моделирования позволили установить параметрыАА, при которых напряженность электромагнитного поля максимальна: α = 67,40;d = 3,8 мм; h = 26,0 мм.На Рис. 2.5 – 2.7 представлена зависимость относительной плотностимощности электромагнитного поля в поперечном сечении XZ. Так как вблизиграницы АА-тело присутствует продольная компонента электрического поля Er,амплитуда поля вдоль оси АА имеет максимальное значение.Рис.
2.5. Распределение ЭМП в проекции XY, дБ Вт/м.52Рис. 2.6. Распределение электрической компоненты ЭМП в проекции XY, дБВ/м.Рис. 2.7. Распределение магнитной компоненты ЭМП в проекции XY, дБ А/м.Полученные при моделировании оценки на Рис.
2.5-2.7 показали, чтораспределение ЭМП в ближней зоне в направлении относительно оси АА53определяется суммой электрических составляющих + , которые убываютпропорционально кубу расстояния от антенны ( = − = −20 320 3 , ). Соответствующая магнитная составляющая вближней зоне превосходит электрическую, поскольку убывает пропорциональноквадрату расстояния ( =4 2 ). В промежуточной области, гдесоставляющая уже несущественна, поле определяется преимущественнотолько магнитной составляющей , которая определится функциональнымипроцессами регуляции головного мозга.
С увеличением расстояния от границаантенна-тело происходит перераспределение амплитуд .и и полепереходит в сферическую волну дальней зоны. В дальней зоне соотношениемежду компонентами поля определяется характеристиками среды, которая из-завысокой проводимости обеспечивает близость амплитуд между магнитной иэлектрическими составляющими поля.Посколькуполевдольосиплечавибратораубываетобратнопропорционально кубу расстояния от АА, то на его значение (а значит и наприемные свойства АА) могут оказывать влияние мельчайшие неоднородностимежду АА и кожей – волосы, неплотное прилегание к телу из-за рельефа головыи т.д.Поэтому необходимо изменить структуру АА, чтобы уменьшить влияниеуказанных выше неоднородностей между АА и кожей головы. Из всегомногообразияАА, которые применяютсядляизмерениясобственногоэлектромагнитного излучения биологических тканей, остановимся на АА,конструкция которых приспособлена для приема излучения с волосянымпокровом головы без каких-либо ограничений на его размеры.
Схема такой ААпредложена в [204] и представлена на Рис. 2.8. Это решение позволяет обеспечитьхорошую повторяемость результатов даже при наличии волосяного покрова.54Рис. 2.8. Предлагаемая ранее идея использования контактных штырей [212].Для этого на каждом вибраторе размещаются проводящие штыри,обеспечивающиеконтактантенныскожей.Оценимзависимостьэлектромагнитного поля от длины r штырей. На Рис. 2.9 представлены графикизависимостираспределениянормированногозначениянапряженностиэлектромагнитного поля (EMFnorm)в модели головы в зависимости от длины rштырей.EMFnormZ-60Переходная зона ближнего поля-50-40-30Зона реактивного поля-201-100 ммРис. 2.9. Распределение мощности принимаемого поля от длины штырей.EMFnorm - нормированное на источник значение напряженности поля, z- глубинапроникновения.55Из графиков, представленных на Рис.
2.9, видно, что длина штырей ААвлияет на распределение поля в зоне реактивного ближнего поля АА и плавноуменьшается в переходной зоне АА. Это феномен можно объяснить следующимобразом:увеличениедлиныштырейуменьшаетхарактеристическоесопротивление АА аналогично влиянию на характеристическое сопротивлениеААувеличениятолщинывибратора.Приэтомхарактеристическоесопротивление АА имеет значение около 30-50 Ом и АА имеет хороший контактс телом независимо от неоднородностей между АА и кожей головы.Зависимость напряженности электрического поля от глубины для разногоколичества согласующих штырей (8, 16, 24 на каждый вибратор АА) показано наРис. 2.10.-48 мм-50Рис. 2.10.
Распределение мощности принимаемого поля от количестваштырей АА на глубине около 50 мм.Полученные результаты моделирования позволяют сделать вывод, что чембольше штырей вибраторной антенны, согласованных с поверхностью кожи –тем выше напряженность электрического поля на заданной глубине.Проведены лабораторные испытания экспериментальных образцов АА спомощью векторного анализатора цепей National Instruments PXIe-5630.Результаты показали, что коэффициент отражения изменяется с началаисследования до 30 минуты для АА без контактных штырей в среднем на |0,12|,в случае АА с 24 контактными штырями на |0,06|.56Проведенные испытания свидетельствуют, что при длине штырей 5 ммизменение коэффициента отражения в исследуемом диапазоне 650-850 МГц втечении 30 минут для антенны со 24 штырями меньше чем к у плоской антенны(без штырей) в два раза.
Внешний вид изготовленных экспериментальныхобразцов АА и результаты лабораторных исследований коэффициентаотражения этих АА представлены на Рис. 2.11.Рис. 2.11 Лабораторные исследования предлагаемой АА.Проведенныеисследованияпозволилипоказать,чтопосколькупроводимость тканей головы достаточно высокая, то электромагнитное полеубывает достаточно быстро и характеристическое сопротивление АА получаетсядостаточно маленьким, следовательно, АА лучше согласованна в случае, когдаантенна наиболее близко прилегает к поверхности головы.
Это условие можновыполнить с помощью штырей, которые утолщают вибратор, а также избежатьпроблему влияния на контактное измерение волосяного покрова, т.е. в этомслучае важно не согласование с линией питания, а «согласование» с ЭМП тканей57головы. В этом случае должно обеспечиваться лучшее пространственноеразрешение источника излучения по сравнению с плоскими АА илидистанционными методами. Предложенная схема АА позволяет повыситьточность измерения собственного электромагнитного излучения головного мозгапри исследовании функциональных процессов в его тканях в течениидлительного времени.2.2 Исследование ошибки измерения радиояркостной температурыКак показано в главе 1, флуктуации собственного электромагнитногоизлучения головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц могут бытьиспользованы для мониторинга физиологических процессов, протекающих вглубинных структурах головного мозга.
Рассмотрим некоторые вопросы,связанныестехническойреализациейконтактныхСВЧрадиометров,схемойтермобалансапредназначенных для этих целей.ДляанализавыбранСВЧрадиометрсокомпенсационного типа, структурная схема которого, по существу, являетсясхемой K.M. Ludeke. Подобные решения применяются большинствомразработчиков контактных СВЧ радиометров (радиотермометров). На Рис. 2.12приведена эквивалентная схема известного контактного модуляционногоСВЧ радиотермографа [178, 179].ТелоАнтеннаЦиркуляторМодулятор12ВПриемникТермоуправляемаясогласованная нагрузкаTснРис. 2.12. Структурная схема СВЧ радиометра со схемой термобалансакомпенсационного типа.58В общем случае [203], измеряемая радиояркостная температура тела TхпередаетсянавходрадиометрическогоприемникаконтактногоСВЧрадиотермографа измененной на неопределенную величину, зависящую отаприори неизвестных потерь в АА А и коэффициента отраженияГ х2(«согласования») ее с телом.
Если потери в АА А зависят от конструкторскотехнологических решений и являются относительно стабильным параметром, то2коэффициент Г х может изменяться не только при каждой установке антенны натело пациента, но и в процессе измерения вследствие изменения кровоснабженияв исследуемой зоне, а также возникновения «парникового» эффекта [203].Как показано в [210], уменьшение влияний этих неопределенностей наточность оценок Tˆx мощности собственного ЭМИ Тх можно обеспечить за счетформирования термодинамического равновесия между телом и СВЧ элементамисхемы термобаланса, в которую входят антенна-аппликатор, СВЧ элементывходной части контактного СВЧ радиотермографа (переключатель, циркулятор,управляемый эталонный генератор шума): для этого элементы входной частиСВЧ радиотермографа должны быть нагреты до температуры тела Тх.
Другиетехническиерешенияструктурныхпостроенийпредусматриваютсхемыприменениетермобаланса,которыеспециальныхобеспечиваюткомпенсацию влияния изменений коэффициента отраженияГ х2нарезультаты измерения за счет подшумливания перехода АА – тело [73, 211].В этом случае [169], если пренебречь изменениями потерь в элементахсхемы термобаланса и отражающими неоднородностями в них, тоТ х Т э1 Т э 2 Т э1 Т гш х Т гш э1Т гш э 2 Т гш э1,`где:Т х – радиояркостная температуры тела;Т э1 – температура эталона 1;Т э2 – температура эталона 2;Т гш1 – шумовая температура управляемого генератора шума 1;(2.5)59Т гш2 – шумовая температура управляемого генератора шума 1.Из выражения (2.5) видно, что результат измерения собственногоэлектромагнитного излучения тела Тх при принятых допущениях не зависят отГ х2коэффициента отражениярадиояркостнойкоэффициентатемпературыотраженияААс телом,условияААсТхтеломт.е.ошибки измеренияинвариантнывовремякизменениюмониторированияфункциональных процессов в тканях головного мозга.В известных контактных СВЧ радиометрах, применяемых в медицинскихзадачах для уменьшения ошибки измерения радиояркостной температуры телаТх антенна-аппликатор и входные СВЧ-элементы радиометрического приемникавыполняют в виде конструктивного модуля, в котором фидерные линии,соединяющие элементы схемы термобаланса, имеют минимальную длину.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
