Розробка мініатюрні мікрохвильова радіотермографи для моніторингу внутрішньої температури головного мозку

Autor: Sedankin, Mikhail, Chupina, Daria, Vesnin, Sergey, Nelin, Igor, Skuratov, Victor
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Eastern-European Journal of Enterprise Technologies; Том 3, № 5 (93) (2018): Applied physics; 26-36
Восточно-Европейский журнал передовых технологий; Том 3, № 5 (93) (2018): Прикладная физика; 26-36
Східно-Європейський журнал передових технологій; Том 3, № 5 (93) (2018): Прикладна фізика; 26-36
ISSN: 1729-3774
1729-4061
Popis: To improve efficiency of non-invasive monitoring of the internal brain temperature, a small-size single-channel microwave radiothermograph consisting of a miniature radiometer and a radiometric sensor based on a printed antenna was developed. Such solution is necessary to provide physicians with a system of non-invasive monitoring of diagnosis and treatment processes. Mathematical modeling and experimental verification of the technical solutions obtained are described in this paper. A miniature radiothermometer was developed. It is a balance modulation radiometer designed on the basis of the R.H. Dicke’s circuit with two loads. Taking into account the requirements of miniaturization, a radiometric sensor was developed by means of numerical simulation. As a result of calculations, optimum antenna dimensions were determined (the total size: ø30 mm, the size of the foil flane substrate: ø23 mm, dimensions of the emitter slot: 16 mm×2 mm). According to the mathematical modeling, the depth of detection of thermal anomalies was not less than 20 mm for the printed antenna which is practically the same as for the waveguide antenna successfully used at present in brain radiothermometry.The standing wave coefficient was determined for various head regions: frontal, temporal, parietal, occipital and the transient between the occipital and parietal regions. Experimental tests of the radiothermograph on water phantoms and biological objects have been carried out. A very good coincidence between the data of numerical simulation and the physical SWR experiment in a range of 1.04–1.8 was obtained. As a result of the study, it has been found that the radiothermograph with a printed slot antenna enabled measurement of internal brain temperature with an acceptable accuracy (±0.2 °C). This will ensure control of craniocerebral hypothermia in patients with brain stroke and allow doctors to promptly change the hypothermia tactics. Small size of the created unit will make it possible to combine it with medical robotic systems to improve treatment effectiveness.
Для повышения эффективности неинвазивного мониторинга внутренней температуры головного мозга осуществлена разработка малогабаритного одноканального микроволнового радиотермографа, состоящего из миниатюрного радиометра и радиометрического датчика на основе печатной антенны. Подобное решение необходимо для того, чтобы обеспечить врачей системой неинвазивного бездозового мониторинга лечения и диагностики. В работе описаны математическое моделирование и экспериментальная верификация полученных технических решений. Разработан миниатюрный радиотермометр, являющийся балансным модуляционным радиометром, построенным на основе схемы R. H. Dicke с двумя нагрузками. С учётом требований миниатюризации создан радиометрический датчик с помощью численного моделирования. В результате расчётов определены оптимальные размеры конструкции антенны: общий размер ø30 мм, размер подложки из фольгированного флана составил – ø23 мм, размер щели излучателя – 16×2 мм. По данным математического моделирования глубина выявления тепловых аномалий составила не менее 20 мм для печатной антенны, что практически не отличается от волноводной антенны, успешно применяемой в радиотермометрии мозга.Выполнены измерения коэффициента стоячей волны для различных точек головы человека: лобной, височной, теменной, затылочной и переходной между затылочной и теменной областями головы. Проведены экспериментальные исследования радиотермографа на водном фантоме и биологическом объекте. Показано очень хорошее совпадение между данными численного моделирования и физического эксперимента КСВ в диапазоне 1.04–1.8. В результате исследований установлено, что радиотермограф с печатной щелевой антенной позволяет осуществлять измерение внутренней температуры головного мозга с приемлемой точностью (±0.2 °C). Это обеспечит контроль краниоцеребральной гипотермии мозга у пациентов с инсультом и позволит оперативно менять тактику проведения гипотермии. Небольшие размеры созданной аппаратуры позволят совмещать её с другими медицинскими роботизированными системами для повышения эффективности лечения
Для підвищення ефективності неінвазивного моніторингу внутрішньої температури головного мозку здійснено розробку малогабаритного одноканального мікрохвильового радіотермографа, що складається з мініатюрного радіометра і радіометричного датчика на основі друкованої антени. Подібне рішення необхідно для того, щоб забезпечити лікарів системою неінвазивного бездозового моніторингу лікування та діагностики. В роботі описані математичне моделювання та експериментальна верифікація отриманих технічних рішень. Розроблено мініатюрний радіотермометрії, що є балансним модуляційним радіометром, побудованим на основі схеми R. H. Dicke з двома навантаженнями. З урахуванням вимог мініатюризації створений радіометричний датчик за допомогою чисельного моделювання. В результаті розрахунків визначено оптимальні розміри конструкції антени: загальний розмір ø30 мм, розмір підкладки з фольгованого Флан склав – ø23 мм, розмір щілини випромінювача – 16×2 мм. За даними математичного моделювання глибина виявлення теплових аномалій склала не менше 20 мм для друкованої антени, що практично не відрізняється від хвилеводної антени, яка успішно застосовується в радіотермометрії мозку.Виконано вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі для різних точок голови людини: лобової, скроневої, тім'яної, потиличної і перехідною між потиличної і тім'яної областями голови. Проведено експериментальні дослідження радіотермографи на водному фантомі і біологічному об'єкті. Показано дуже гарний збіг між даними чисельного моделювання та фізичного експерименту КСВ в діапазоні 1.04–1.8. В результаті досліджень встановлено, що радіотермограф з друкованою щілинною антеною дозволяє здійснювати вимірювання внутрішньої температури головного мозку з прийнятною точністю (±0.2 °C). Це забезпечить контроль краніоцеребральної гіпотермії мозку у пацієнтів з інсультом і дозволить оперативно змінювати тактику проведення гіпотермії. Невеликі розміри створеної апаратури дозволять поєднувати її з іншими медичними роботизованими системами для підвищення ефективності лікування
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: