Устройство для исследования спектров сигналов информационного гомеостаза биообъектов
Патент 2156106
Авторы
Классы МПК
Устройство для исследования спектров сигналов информационного гомеостаза биообъектов
Реферат
Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам медицинской техники, принимающим, обрабатывающим и анализирующим сигналы, излучаемые заданным биообъектом, в первую очередь человеком, а также объектами неживой природы в диапазоне миллиметровых волн (КВЧ-диапазоне). Техническим результатом изобретения является более высокая разрешающая способность измерения малых изменений (приращений) сигналов, излучаемых биообъектами, в том числе клетками, органами и системами человека. Устройство содержит антенну, модулятор, ферритовый вентиль, смеситель, усилитель промежуточной частоты, квадратичный детектор, генератор-гетеродин, усилитель, синхронный детектор, первый цифроаналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, интерфейс связи, второй цифроаналоговый преобразователь, усилитель, микропроцессор, интерфейс связи с ЭВМ, электронный ключ, аналого-цифровой преобразователь, повторитель, источник опорного напряжения. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к изделиям медицинской техники, принимающим и обрабатывающим сигналы, излучаемые заданными биообъектами, а также объектами неживой природы в диапазоне миллиметровых длин волн (крайне высоких частот - КВЧ) и предназначено для исследования спектров сигналов, излучаемых биообъектами (информационного гомеостаза биообъектов), в первую очередь организмом человека. По структуре спектров сигналов, полученных с помощью устройства, врач может судить о состоянии организма человека, формировать диагнозы заболеваний, а также уточнять, дополнять, конкретизировать их, т.е. предлагаемое устройство может служить одним из средств диагностики в медицине.
Известны различные устройства, осуществляющие прием и обработку сигналов (радиотеплолокационные приемники), излучаемых различного рода объектами неживой природы например, облаками, льдами, водоемами, почвой и т.д. Наиболее близким из известных является радиотеплолокационный приемник 5-мм-диапазона, содержащий антенну, модулятор, вентиль, смеситель с гетеродином, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), квадратичный детектор, усилитель низкой частоты (УНЧ), фазовый детектор (ФД) модулятор, усилитель постоянного тока (УПТ) с регулируемым усилением и оконечное устройство, например, самописец или аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер (ПК) [1]. Недостатком известного устройства является невысокая разрешающая способность при измерении малых изменений сигналов на фоне постоянной составляющей большой величины, не позволяющая с требуемой достоверностью выделять на фоне помех сигналы, излучаемые биообъектом в диапазоне 5-мм. Технический результат изобретения заключается в повышении разрешающей способности при измерении малых изменений сигналов на фоне постоянной составляющей большой величины, требуемой для достоверного выделения, обработки и анализа спектров сигналов, излучаемых биообъектом, в первую очередь организмом человека. Повышение разрешающей способности достигается тем, что в устройство для исследования спектров сигналов информационного гомеостаза биообъектов, содержащее антенное устройство, модулятор, ферритовый вентиль, смеситель, усилитель промежуточной частоты, квадратичный детектор с видеоусилителем, генератор-гетеродин, усилитель, синхронный детектор, введены первый цифроаналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, интерфейс связи, второй цифроаналоговый преобразователь, усилитель, микропроцессор, интерфейс связи с ЭВМ, электронный ключ, аналого-цифровой преобразователь, повторитель, источник опорного напряжения с соответствующими связями блоков и элементов между собой. Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема устройства для исследования спектров сигналов информационного гомеостаза (см. чертеж), содержащая антенну (антенное устройство) 1, модулятор 2, ферритовый вентиль 3, смеситель 4, усилитель промежуточной частоты 5, квадратичный детектор с видеоусилителем 6, генератор-гетеродин 7, усилитель 8, синхронный детектор 9, первый цифроаналоговый преобразователь 10, дифференциальный усилитель 11, интерфейс связи 12, второй цифроаналоговый преобразователь 13, усилитель 14, микропроцессор 15, интерфейс 16 связи с ЭВМ, электронный ключ 17, аналого-цифровой преобразователь 18, повторитель 19, источник опорного напряжения 20. Выход антенны 1 соединен с первым входом модулятора 2, выход которого соединен с входом ферритового вентиля 3, а второй вход модулятора 2 соединен с первым выходом микропроцессора 15. Выход ферритового вентиля 3 соединен с первым входом смесителя 4, второй вход которого соединен с выходом генератора-гетеродина 7, а выход смесителя 4 соединен с входом усилителя промежуточной частоты 5, к выходу которого подключен вход квадратичного детектора 6. Вход усилителя 8 подключен к выходу квадратичного детектора 6, а выход соединен с первым входом синхронного детектора 9, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 11, причем второй вход синхронного детектора соединен с первым выходом микропроцессора 15. Второй выход микропроцессора 15 соединен с первым входом интерфейса 16 связи с ЭВМ, первый вход микропроцессора 15 соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 18, вход которого подключен к выходу повторителя 19, а второй вход микропроцессора соединен с первым выходом интерфейса 16 связи с ЭВМ, а третий выход микропроцессора 15 соединен с входом интерфейса связи 12. Первый коммутируемый выход интерфейса связи 12 соединен с входом первого цифроаналогового преобразователя 10, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя 11, выход которого соединен с первыми входами второго цифроаналогового преобразователя 13 и электронного ключа 17. Третий вход электронного ключа 17 соединен с четвертым выходом микропроцессора 15. Второй коммутируемый выход интерфейса связи 12 соединен с вторым входом второго цифроаналогового преобразователя 13, выход которого соединен с входом усилителя 14. Выход усилителя соединен с вторым входом электронного ключа 17, выход которого соединен с первым входом повторителя 19, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 20. Вторые вход и выход интерфейса 16 связи с ЭВМ подключены к каналу ввода-вывода персональной ЭВМ. Устройство работает следующим образом. По принципу действия оно представляет собой модуляционный радиометр мм-диапазона длин волн. В основе работы радиометра лежит принцип модуляции принимаемого сигнала с последующим синхронным детектированием, с целью получения уровней напряжения, пропорциональных радиояркостной температуре наблюдаемого объекта. На вход антенны 1 поступает исследуемый сигнал вместе с внешними помехами (шумами). Для того, чтобы обеспечить требуемое для достоверных измерений соотношение мощностей сигнал/внешняя помеха (не менее 6-10 дБ), антенну располагают в непосредственной близости (5-10 мм) от биообъекта, например кожи человека, причем допускается контакт с биообъектом (кожей). Радиотепловой сигнал мм-диапазона с антенного устройства 1 поступает на модулятор 2, который модулирует входной сигнал по амплитуде с частотой 1 кГц. Эта модулирующая частота поступает от микропроцессора 15 как на модулятор 2, так и на синхронный детектор 9. Через ферритовый вентиль 3 сигнал поступает на балансный смеситель 4, который преобразует его в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), который усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) 5. После УПЧ сигнал детектируется квадратичным детектором 6, поступает на усилитель 8 и далее на синхронный детектор 9. Синхронный детектор 9, синхронизируемый частотой 1 кГц от микропроцессора 15, выделяет постоянную составляющую усиленного сигнала, пропорциональную радиояркостной температуре объекта. Далее схема смещения, состоящая из первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП)10 и дифференциального усилителя 11, осуществляет привязку сигнала Uт к нулю в начальный момент времени, формируя выходное напряжение Uт1. Первый ЦАП 10 управляется микропроцессором 15, который записывает в буфер данных ЦАП 10 поступающий на него через первый коммутируемый выход интерфейса связи 12 цифровой код, задающий величину напряжения смещения Uсм. Выбор кода микропроцессором 15 производится таким образом, чтобы значение выходного напряжения Uвых стремилось к напряжению 2.5 В, что соответствует значению Uт1=0B. Выходное напряжение считывается микропроцессором 15 с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18. Привязка сигнала Uт1 к нулевому уровню позволяет использовать для дальнейшего усиления усилитель с большим коэффициентом усиления в случае, когда требуется измерить малые изменения радиояркостной температуры T при (T T). В качестве такого усилителя применяется масштабирующий усилитель, состоящий из второго ЦАП 13 и усилителя 14. Коэффициент усиления определяется кодом, подаваемым через второй коммутируемый выход интерфейса 12 от микропроцессора 15 и записанным во второй ЦАП 13. Коммутируемое электронным ключом 17, управляемым микропроцессором 15, выходное напряжение усилителя UT2 поступает через повторитель 19 на вход АЦП 18. Повторитель 19 обеспечивает сдвиг измеряемого напряжения на середину измерительного диапазона АЦП, равного 2.5 В. Напряжение сдвига повторителя 19 формируется источником опорного напряжения 20. Запуск АЦП 18 для измерения производится контроллером с помощью сигнала t2 периодично, чтобы позволить применить к измеренному сигналу метод быстрого преобразования Фурье для получения спектра сигнала. Данные измерения из АЦП 18 считываются контроллером и через интерфейс 16 связи с ЭВМ 16 передаются по каналу ввода-вывода в ПЭВМ, в которой при помощи программных средств быстрого преобразования Фурье, сигнал преобразовывается в удобную для восприятия и анализа форму. Таким образом, в большом динамическом диапазоне изменения принимаемого сигнала, измерение малых приращений сигнала на фоне постоянной составляющей, выделенной синхронным детектором, происходит относительно этой постоянной составляющей, причем за счет уменьшения динамического диапазона малых приращений измеряемого сигнала повышается разрешающая способность измерения. Устройство для исследования спектров сигналов, информационного гомеостаза излучаемых в диапазоне миллиметровых длин волн в клинических исследованиях применимо вследствие проведенных экспериментов по воздействию электромагнитных излучений (ЭМИ) указанного диапазона на биологические объекты. Было установлено, что воздействие ЭМИ миллиметрового диапазона на биообъекты и, в первую очередь, на человека приводит к восстановлению пораженных той или иной патологией органов и систем. Экспериментальными исследованиями установлено наличие электромагнитных излучений от биологических объектов в окружающую среду, частоты которых лежат в диапазоне миллиметровых волн, а мощность их невелика, что и не позволяло проводить анализ и обработку этих сигналов с помощью известных устройств. Литература 1. Радиометр 5-мм диапазона для дистанционного термического зондирования атмосферы. "Радиотехника", N 4, 1985 г., с. 62-64. 2. Способ информационно-волновой диагностики и терапии. Патент N 2141785. 3. Бессонов А. Е. Миллиметровые волны в клинической медицине. Москва. 1997 г., ЗАО Научный центр информационной медицины "ЛИДО".Формула изобретения
Устройство для исследования спектров сигналов информационного гомеостаза биообъектов, содержащее антенное устройство, выход которого соединен с первым входом модулятора, второй вход модулятора соединен с первым выходом микропроцессора, выход модулятора соединен с входом ферритового вентиля, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход смесителя соединен с выходом генератора - гетродина, а выход смесителя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с входом квадратичного детектора, выход последнего подключен к входу усилителя, а выход усилителя подключен к входу синхронного детектора, отличающееся тем, что в него введены первый цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с первым выходом интерфейса связи, а выход соединен с вторым входом дифференциального усилителя, первый вход которого соединен с вторым выходом синхронного детектора, причем второй выход микропроцессора соединен с первым входом интерфейса связи с ЭВМ, первый вход микропроцессора соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу повторителя, а второй вход микропроцессора соединен с первым выходом интерфейса связи с ЭВМ, третий выход микропроцессора соединен с входом интерфейса связи, выход дифференциального усилителя соединен с первыми входами второго цифроаналогового преобразователя и электронного ключа, второй выход интерфейса связи соединен с вторым входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с вторым входом электронного ключа, четвертый выход микропроцессора соединен с третьим входом электронного ключа, выход которого соединен с первым входом повторителя, второй вход повторителя соединен с источником опорного напряжения, вторые вход и выход интерфейса связи с ЭВМ подключены к каналу ввода - вывода ЭВМ.РИСУНКИ
Рисунок 1