Способ дистанционного измерения температуры в глубине объекта и акустический термометр для его осуществления
Использование: в медицинской технике для неинвазивного измерения глубинной температуры в теле человека и животных. Сущность: способ дистанционного измерения температуры в глубине объекта заключается в размещении акустического приемника 1 на поверхности объекта исследования, регистрации акустических шумов и сравнении полученного сигнала с референсным сигналом акустического приемника, при одновременном измерении температуры акустического приемника, и расчете температуры в глубине объекта по соотношению Та = К1(V1 - aV2) + Тп - в(Тп - То), где Та - температура в глубине объекта, V1 - величина сигнала, снимаемого в полосе пропускания акустического приемника, V2 - величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника, Тп - температура акустического приемника, К1, а, в, То - параметры, подбираемые при калибровке акустического приемника, при этом референсный сигнал регистрируют вне полосы пропускания акустического приемника, а акустический шум регистрируют на 1,3,5... ..(2i-1) гармониках основной частоты. Акустический термометр для осуществления способа дистанционного измерения содержит приемник акустического излучения 1 с камерой 2 и пьезоэлектрическим преобразователем 7, высокочастотный усилитель 19, блок выделения спектральных составляющих 21,22, измеритель температуры камеры 12 с датчиком 11, блок регистрации и индикации 29, многочастотный полосовой фильтр 9, блок коррекции 23, сумматор 28, термостабилизатор камеры 14 с задатчиком температуры и исполнительным элементом и измеритель температуры поверхности исследуемого объекта 17 с датчиком 16, размещенным на поверхности объекта, при этом блок выделения спектральных составляющих выполнен в виде параллельных цепей, каждая из которых содержит высок частотный полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низких частот, а число цепей равно числу полос полосового фильтра, кроме того блок 21 дополнительно содержит перекидные управляемые ключи, а фильтр 9 - три катушки индуктивности, резистор, конденсатор и трансформатор. Технический результат: возможность определения распределения температуры по глубине тела при повышении чувствительности измерения. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.
Заявляемое изобретение относится к медицинской и ветеринарной технике и может быть использовано для неинвазивного измерения глубинной температуры в теле человека и животных. Измерение глубинной температуры имеет существенное значение для медицинской диагностики. В частности, при онкологической гипертермии необходимо поддерживать температуру внутри подогреваемых участков тела человека в пределах 42-45oС с точностью 0,5oC [1] Выход из этого диапазона температур резко снижает эффективность лечения,однако эффективные неинвазивные методы измерения глубинной температуры в настоящее время отсутствуют. В настоящее время также практически невозможно измерить температуру в теле человека на глубине свыше 2-3 см неинвазивным образом, акустические термометры открывают возможности для проведения подобных измерений вообще и для решения задач гипертермии, в частности [2] Известны контактные и бесконтактные устройства для неинвазивного измерения температуры тела человека и животных, использующие собственное электромагнитное излучение этих объектов. Так, например, метод инфракрасного тепловидения по собственному электромагнитному излучению в инфракрасном диапазоне длин волн позволяет бесконтактно измерять температуру тела человека с глубины порядка 100 мкм. Соответствующая измерительная система состоит из исследуемого тела, датчика, предусилителя и устройств регистрации и обработки [3] Недостатком этого метода является малая глубинность.
Большую глубинность обеспечивает СВЧ-радиометрия, использующая прием собственного электромагнитного излучения тела человека либо животного в диапазоне дециметровых волн [3-60 см (см.[1,2]). Можно регистрировать сигналы изменения температуры с глубины 2-3 см, применяя контактную антенну-аппликатор. Эта система также состоит из измеряемого тела, датчика, предусилителя и системы регистрации. Недостатком этого метода является невысокая пространственная разрешающая способность метода вследствие большого размера приемной антенны. Преодолеть недостатки этих методов измерения глубинной температуры, связанные с малой глубинностью или низкой разрешающей способностью, можно, если использовать регистрацию другого типа собственного теплового излучения тела акустического, в мегагерцовом диапазоне частот [2] Из-за относительно слабого затухания ультразвука во многих биологических тканях, глубина, с которой можно принимать акустическое излучение также больше, чем для СВЧ-радиотермометров [2] По этим причинам предлагаемое изобретение для измерения глубинной температуры основано на пассивной регистрации теплового акустического излучения из тела человека и животных. Известна система для пассивного дистанционного измерения температуры [4] использующая пассивную регистрацию теплового акустического излучения. Система включает в себя преобразователь датчик акустического излучения, который включен на вход анализатора спектра. Таких регистрирующих каналов может быть несколько. Устройство также содержит референсный источник шума, например, нагреваемое сопротивление, с которым может производиться сравнение принимаемого акустического сигнала и который позволяет тем самым производить абсолютную калибровку температуры. К недостатку системы относится то, что она не позволяет исключить дрейфы параметров преобразователя и усилителя во времени, что делает невозможным с достаточной точностью измерение температуры тела. Наиболее близким по технической сущности является акустический термометр [5] реализующий модуляционный принцип регистрации теплового акустического излучения. Он содержит приемник акустического излучения, подключенный к регистрирующей системе, включающей высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор, фильтр низких частот, а также измеритель температуры камеры модулятора, блок регистрации и индикации. Приемник акустического излучения содержит установленные на акустической оси входное акустически прозрачное окно и преобразователь. Камера заполнена иммерсионной жидкостью, выполняющей роль термостабилизатора. Однако известный акустический термометр имеет ряд недостатков, поскольку 1 наличие механического модулятора значительно усложняет конструкцию акустического термометра и его эксплуатацию и, кроме этого, может вызывать механические наводки при движении обтюратора; 2 модуляционный принцип измерений заведомо в два раза уменьшает пороговую чувствительность акустического термометра при регистрации каждым преобразователем; 3 описанное устройство [5] не позволяет при однократном измерении рассчитать распределение температуры по глубине тела, так как оно снабжено лишь одним преобразователем акустического излучения, принимающим излучение только в одном диапазоне частот. Как следует ив работ [2, 5] акустический термометр является неинвазивным пассивным средством регистрации внутренней температуры тела. Поскольку интенсивность акустического излучения очень мала (спектральная плотность среднеквадратичного звукового давления, которое необходимо зарегистрировать, составляет![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823534.gif)
где К постоянная Больцмана, Т абсолютная температура исследуемого объекта, Тп то же для пьезопреобразователя, С емкость последнего, F коэффициент преобразования акустического давления в электрическое напряжение. Электрическое напряжение V, снимаемое на выходе акустического термометра после прохождения через усилитель, квадратичный детектор и фильтр низких частот, получается из (1) путем домножения на произведение крутизны преобразования квадратичного детектора и квадрата коэффициента усиления усилителя, которое мы назовем коэффициентом усиления и обозначим Ку:
V КуК (Тп/С+(Т-Тп)F/C) (2)
Величина V прямо пропорциональна абсолютной температуре. Информацию об абсолютной температуре объекта несет второй член в выражении (2), очевидно, что изменение температуры преобразователя, его емкости, а также коэффициента усиления Ку также могут приводить к изменению V, и ошибочно интерпретироваться как изменения температуры объекта. Заметим, что первый член по величине гораздо больше второго (например, регистрируемые изменения температуры Т-Тп составляет 0,1 К, а средняя температура преобразователя порядка 300 К, поэтому небольшие изменения параметров Ку,Тп и С могут привести к большим погрешностям, ив этих трех параметров реально независимыми является только два, поскольку кратковременные изменения величины С (на временах порядка 1 часа) зависят от температуры преобразователя Тп. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы учесть дрейфы электрического сигнала путем контроля величин Ку, Тп и С, и введения соответствующих корректив в выражение (2). С этой целью электрическая нагрузка пьезопреобразователя выбирается таким образом, чтобы образовывался фильтр, имеющий частотную характеристику с двумя максимумами: один из них приходится на антирезонансную частоту f, на которой осуществляется прием шумового акустического сигнала, другой настроен на удвоенное значение антирезонансной частоты 2f. Поскольку пьезопреобразователь чувствителен к акустическому сигналу только вблизи нечетных гармоник антирезонансной частоты и нечувствителен вблизи четных, то регистрируемый на частоте 2f сигнал служит в качеcтве опорного (или референсного) и используется в качестве первого корректирующего сигнала, выходные напряжения, соответствующие частотам f и 2f, имеют вид:
V1 Ку К[(Тп/С)Ф1(С)+(Т-Тп)F/C] (3)
V2 Ку К[(Тп/С)Ф2(С)] (4)
где величины Ф1 и Ф2 по-разному зависят от С(см. фиг.3). Вторым корректирующим сигналом является сигнал, пропорциональный температуре преобразователя. Чтобы уменьшить дрейфы и тем самым облегчить процесс корректировки, применена система термостабилизации. Средствами электроники можно вычесть из исследуемого сигнала корректирующие и таким образом получить результирующий сигнал, пропорциональный ровности температур исследуемого объекта и акустического приемника
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823535.gif)
Затем эти две составляющие подаются на два входа блока коррекции 23. В последнем происходит коррекция напряжения V1\1 на изменения коэффициента усиления Ку и изменение емкости С пьезопреобразователя. Для этого в этот блок также поступает сигнал, несущий информацию о температуре иммерсионной жидкости 5 (а значит, и пьезопреобразователя). Температуру иммерсионной жидкости 5 определяют с помощью датчика 11, сигнал с которого подается на вход измерителя 12 температуры, с выхода последнего напряжение п дается на третий вход блока коррекции 23. Функционирование варианта схемы акустического термометра с блоком 23 обработки выходного сигнала (фиг.4) можно проиллюстрировать, используя показанную на фиг.3 зависимость напряжений исследуемого V1 и опорного V2 сигналов, регистрируемых на выходе фильтров низких частот 22 и, соответственно, 26, от изменений емкости пьезопреобразователя. Изменение
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/932.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/932.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/932.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
1. при фиксированной температуре пьезопреобразователя, задаваемой при настройке акустического термометра, Тп=То, обеспечивается вычитание из сигнала V1 сигнала aV2, т.е. исключается постоянная составляющая сигнала V1;
2. при отклонении температуры Тп преобразователя от значения То блок вычитает из сигнала V1 величину b(Тп-То);
3. блок нормирует скорректированное выходное напряжение V1 так, чтобы обеспечить заданную крутизну преобразования акустического термометра, т.е. определенное изменение электрического напряжения на выходе устройства при определенном изменении глубинной температуры среды. Как следует ив выражения (3), предлагаемое устройство фактически измеряет разность температур исследуемой среды и преобразователя. Поэтому для получения абсолютной температуры измеряемого тела 18 вводится сумматор 28 скорректированного напряжения V1 электрического напряжения, пропорционального температуре Тп, на один вход которого подано выходное напряжение с блока 23 коррекции, а на другой сигнал с выхода измерителя 12 температуры камеры. Описанные выше функции блока 23 коррекции можно реализовать с помощью ЭВМ, на вход которой поданы напряжения V1 и V2. При этом можно использовать и другие алгоритмы обработки сигналов, например, деление сигнала V1 на V2 (что обеспечивает коррекцию коэффициентов усиления и, частично, изменений температуры пьзопреобразователя) с последующим вычитанием на полученной величины соответствующей функции от температуры Тп преобразователя и нормировкой полученного сигнала (что полностью скомпенсирует изменение емкости с температурой). Таким образом, на выходе сумматора 28 вырабатывается электрическое напряжение, пропорциональное глубинной температуре исследуемого объекта 18, которое поступает на вход блока 29 регистрации и индикации. Для исключения дрейфов емкости преобразователя 7 необходима его термостабилизация вместе со всей камерой 2. Постоянная температура отсека 3 поддерживается с помощью термостабилизатора 14. На его вход поступает напряжение с выхода измерителя 12 температуры отсека, которое представляет собой сигнал обратной связи, несущий информацию о температуре жидкости 5 в этом отсеке. В предлагаемом устройстве обеспечивается режим термостабилизации по температуре, задаваемой специальным задатчиком температуры (на фиг, не показан). Диапазон рабочих температур камеры составляет 26-42oC. Термостабилизатор 14 вырабатывает сигнал, подаваемый на исполнительный элемент 13. Если температура жидкости 5 ниже заданной, то через исполнительный элемент проходит электрический ток, и он по огревается сам и подогревает жидкость 5 до тех пор, пока не устанавливается заданное значение температуры. После этого подаваемое на исполнительный элемент напряжение убирается. Если же вследствие каких-либо причин температура жидкости 5 оказывается выше заданной, то ток через исполнительный элемент 19 падает до нуля, он перестает нагреваться и происходит остывание жидкости 5 за счет теплообмена с окружающей средой. Таким образом стабилизируется температура преобразователя. В качестве исполнительного элемента 13 может быть использовано устройство, позволяющее как нагревать, так и охлаждать жидкость 5, например элемент Пельтье. Мешалка 15 позволяет ускорить процесс термостабилизации и увеличить ее точность. Температура поверхности объекта регистрируется с помощью датчика 16 температуры поверхности тела и измеряется измерителем 17 температуры тела, она и (или) температура отсека 3 также контролируется с помощью блока 29 регистрации и индикации. Функционирование варианта акустического термометра (фиг.5) с переключением сигналов с выходов фильтров 20 и 24 высокой частоты происходит следующим образом. На вход каждого квадратичного детектора 21 и 25 подаются поочередно сигналы с выходов обоих фильтров 20 и 24, а выходы квадратичных детекторов 21 и 25 также поочередно соединяются с низкочастотными фильтрами 22 и 26, которые сглаживают сигналы, измеренные на частотах f и 2f. Все переключения осуществляются ключами 30, которые управляются коммутатором 31. Этот вариант схемы акустического термометра позволяет исключить влияние на выходной сигнал изменений исследуемого и опорного сигналов за счет различия в дрейфах коэффициентов преобразования обоих квадратичных детекторов 21 и 25. Функционирование акустического термометра для мультиспектрального зондирования (фиг. 6) принципиально не отличается от описанного выше варианта. Фильтр 9 выделяет из полученного теплового акустического сигнала не две, а несколько составляющих, отвечавших различным частотам (см.фиг.7). Средний квадрат напряжения составляющих сигнала на нечетных гармониках антирезонансной частоты зависит от ровности температур между преобразователем и объектом. Точно так же, как описано выше, в блоке 23 коррекции происходит коррекция величин сигналов на нечетных гармониках сигналом на четной гармонике и сигналом, связанным с температурой преобразователя 7. Наличие показаний на равных частотах дает возможность определить температуру и границы нагретых областей в исследуемом теле 18 (например, опухоли 38) (см. [7,8]). Схема фильтра 9 может быть реализована следующим образом (фиг.8). К пьезопреобразователю параллельно подсоединяют индуктивность L3 и цепь, содержащую последовательно соединенные сопротивление R, параллельный резонансный контур С1L1 и индуктивность 2. Параллельный резонансный контур C1L1 настраивается на антирезонансную частоту, на нее же настраивается контур CL3 при отсоединенной цепи из элементов R, L2, C1 и L1. Индуктивность L2L3 выбирается таким образом, чтобы второй резонанс фильтра акустического термометра (см. фиг.2) приходился на частоту 2f. Два резонанса на фиг.2 с разной полушириной получаются следующим образом: на антирезонансной частоте f резонанс возникает за счет контура CL3, при этом ток через сопротивление R минимален за счет высокого сопротивления параллельного контура C1L1 на этой частоте, и это сопротивление практически не влияет на добротность этого контура, определяемую свойствами пьезопреобразователя. Вторая гармоника получается в первом приближении, за счет параллельно соединенных индуктивностей L3 и L2, а также емкости C пьезопреобразователя. При этом значительная часть тока в колебательном контуре протекает через индуктивность L2, а следовательно сопротивление R может существенно уменьшать добротность контура на этой частоте и тем самым расширять частотную характеристику на частоте 2f. Полосу пропускания сигнала на второй гармонике целесообразно расширять из следующих соображений. Как известно, пороговая чувствительность
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823536.gif)
В коэффициент пропорциональности выражения (5) также входит фактор
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/954.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/954.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823537.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823538.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823539.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/282/2823540.gif)
Формула изобретения
ТА=К1(V1 аV2) + Тп в(Тп - ТO),
где ТA-температура в глубине объекта;
V1-величина сигнала, снимаемого в полосе пропускания акустического приемника;
V2- величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника; Тп температура акустического приемника;
К1, а, в, Т0 параметры, подобранные при калибровке акустического приемника. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют на 1, 3, 5, (2i-1) гармониках основной частоты акустического приемника, а референсный сигнал на частотах ниже полосы пропускания. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют на 1, 3, 5, (2i-1) гармониках основной частоты акустического приемника, а референский сигнал на четных гармониках основной частоты. 5. Способ по пп.1,3 и 4, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют одновременно на 1, 3, 5,(2i-1) гармониках, а температуры в глубине объекта определяют по соотношению ТAi=К1i(V1i-AiV2) +Тп-вi(Тп-Т0), где ТАi температура в глубине объекта;
V1i величина сигнала, снимаемого в i-й полосе частот вблизи нечетных гармоник;
V2 величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника;
Тп-температура акустического приемника;
К1i, аi, вi, Т0-параметры, подобранные при калибровке акустического приемника. 6. Акустический термометр, содержащий приемник акустического излучения в виде заполненной иммерсионной жидкостью камеры с входным окном и размещенным в ней пьезоэлектрическим преобразователем, высокочастотный усилитель, блок выделения спектральных составляющих, включающий последовательно соединенные квадратичный детектор и фильтр низких частот, измеритель температуры камеры с датчиком температуры и блок регистрации и индикации, отличающийся тем, что дополнительно введены многочастотный полосовой фильтр, блок коррекции, сумматор, термостабилизатор камеры с задатчиком температуры и исполнительным элементом и измеритель температуры поверхности исследуемого объекта с датчиком, размещенным на поверхности объекта, при этом вход многочастотного полосового фильтра подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, а его выход через высокочастотный усилитель к входу блока выделения спектральных составляющих, выполненного в виде параллельных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низких частот, число цепей равно числу полос многочастотного полосового фильтра, а выход каждой цепи подключен к соответствующему входу блока коррекции, выход которого соединен с одним из входов сумматора, к второму входу которого подключены выход измерителя температуры камеры и вход блока коррекции, выход сумматора подключен к блоку регистрации и индикации, при этом исполнительный элемент термостабилизатора камеры размещен в полости камеры с возможностью теплового контакта с иммерсионной жидкостью. 7. Термометр по п.6, отличающийся тем, что толщина пьезоэлектрического преобразователя равна нечетному числу длин полуволн основного сигнала. 8. Термометр по пп.6 и 7, отличающийся тем, что блок выделения спектральных составляющих дополнительно содержит перекидные управляемые ключи для перекрестного подсоединения цепей по схеме входной элемент первой цепи - выходной элемент второй цепи и входной элемент второй цепи выходной элемент первой цепи. 9. Термометр по пп.6-8, отличающийся тем, что многочастотный полосовой фильтр содержит первую, вторую и третью катушки индуктивности, резистор, конденсатор и трансформатор, при этом первая катушка индуктивности подключена параллельно входу фильтра и соединена выводом с общей шиной, параллельно с входом подключены резистор и вторая катушка индуктивности, к выводу которой и к общей шине подключены параллельно соединенные третья катушка индуктивности и конденсатор, при этом выходом высокочастотного полосового фильтра является выходная обмотка трансформатора, первичная обмотка которого присоединена к входу фильтра.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8