Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I, Применение бесконтактных преобразователей.для.исследования степени кровенаполнения органов или участков тела человека , , 13
1.1, Электрические свойства тканей биообъекта.Взаимодействие электромагнитного поля с тканями биообъекта. 13
1.2, Глубина проникновения электромагнитного поля, созданного индуктивным преобразователем, в ткани человеческого организма 23
1.3, Критический анализ литературы .28
1.4, Постановка задачи определения степени кровенаполнения органов или участков ^?ела человека на разных
. глубинах методом вихревых токов 43
ГЛАВА II. Анализ взаимодействия индуктивных высокочастотных преобразователей с биообъектом и выбор типа преобра зователя для целей бесконтактной регистрации степе ни кровенаполнения органов или участков тела человекка . .45
2.1. Обоснование выбора математической модели взаимодей ствия индуктивных высокочастотных преобразователей с биообъектом 45
2.2. Определение выходных характеристик индуктивного вы сокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта , , .50
2.3. Определение выходных характеристик индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта 61
2.4, Сравнительный анализ выходных характеристик индуктивных высокочастотных преобразователей, взаимодействующих с биообъектом, для решения задачи бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека . ,69
2.5. Экспериментальные исследования чувствительности накладного индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения, к геометрическим параметрам, частоте возбуждения, электрическим параметрам биообъекта
Выводы 80
ГЛАВА III, Исследование распределения электромагнитного поля индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катущки индуктивности малого поперечного сечения 83
3.1. Определение составляющих электромагнитного поля индуктивного высокочастотного преобразователя, выпол ненного в виде катушки индуктивности малого попереч ного сечения и расположенного над моделью биообъекта, в зазоре мелщу торцом преобразователя и моделью биообъекта .83
3.2. Определение составляющих электромагнитного поля индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта, внутри биообъекта 88
3.3. Экспериментальное определение диаграмм направленности индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого по перечного сечения и расположённого над полупроводящей средой - моделью биообъекта 96
3.4. Экранирование индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности
малого поперечного сечения 104
Выводы J08
ГЛАВА ІV. Разработанные устройства для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах и их клиническая апробация
4.1. Конструктивное и схемное решение прибора для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах .110
4.2. Калибровочное устройство для прибора ВРГ-3 .,. 119
4.3. Анализ электробезопасности индуктивных высокочастотных преобразователей .-. 122
4.4. Клиническая апробация прибора "Вихретоковый реограф--ВРГ - 3" 125
Выводы 127
Литература
- Глубина проникновения электромагнитного поля, созданного индуктивным преобразователем, в ткани человеческого организма
- Определение выходных характеристик индуктивного вы сокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта
- Определение составляющих электромагнитного поля индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта, внутри биообъекта
- Калибровочное устройство для прибора ВРГ-3
Введение к работе
«
26 съезд ШЮС, намечая программу дальнейшего повышения благосостояния советского народа, сформулировал задачи дальнейшего улучшения здравоохранения, более широкого развития научных исследований в области биологии и медицины.
Решение этих задач требует совершенствования аппаратуры и методов исследования и , в частности, способов получения физиологической информации 122] .
В настоящее время в арсенале медицины имеется целый ряд хорошо отработанных методик, таких как электрокардиография, рентгенография, плетизмография и др., позволяющих судить о работе внутренних органов.
Электроимпедансплетизмография или реография является сравнительно "молодым" методом исследования кровенаполнения в тканях 95 J . Однако этот метод занимает одно из видных мест в арсенале биофизических методик и находит наиболее широкое приложение как метод качественной оценки динамических характеристик мозгового, органного и периферического кровообращения[95] .
Сравнительная простота, доступность, физиологичность, необременительность и полная безвредность для исследуемых, практическое отсутствие противопоказаний, наряду с высокой информативностью и воспроизводимостью полученных результатов, составляют преимуществ ва реографического метода перед существующими и позволяют широко применять его в практических лечебных учреждениях [124] .
Однако существующие в настоящее время промышленные реографы являются приборами, имеющими электрический контакт с телом человека. Подобные приборы обладают целым рядом недостатков: невозможность локального определения участков с нарушением кровенаполнения вследствие получения интегральной характеристики кровенаполнения; изменение электрических свойств гальванического контакта системы
"преобразователь-биообъект" при длительной регистрации, изменение состояния кожного покрова; низкая электробезопасность; дискомфорт, раздражение кожи.
Бесконтактные методы регистрации свойств биообъекта, связанные с использованием электромагнитного поля, свободны от вышеперечисленных недостатков. Такие методы все больше привлекают внимание исследователей. Так исследованию вопросов разработки устройств на основе вихретоковых преобразователей с целью их использования в клинических условиях посвящен целый ряд работ советских и зарубежных авторовії! , 25 -27,59,73-. 79 , 84 - 88 ,102,103,164 ,169 $Щ .
В работах [ 25 -26 , 77 - 79] подробно исследованы вопросы, связанные с регистрацией механической деятельности сердца. Авторы применили экранированный накладной параметрический высокочастотный вихретоковый преобразователь для экспресс-анализа сердечной деятельности, а для регистрации ритма сердца - компенсационное включение комбинированных /неэкранированных/ высокочастотных вихретоковых преобразователей. Проводится анализ взаимодействия биообъекта с высокочастотным вихретоковым преобразователем на основе решения задачи: виток с током над шаром в сфере.
В работе [ I64J рассматриваются вопросы регистрации механических характеристик сердечной деятельности вихретоковыми экранированными трансформаторными преобразователями. Многие авторы [102 , 103,170] провели регистрацию работы сердца путем использования неэкранированных вихретоковых преобразователей.
С помощью вихретоковых преобразователей осуществляли регистрацию венного пульса /флебограмму/[ 24 , 27 , 73 , 88;, 102, ЮЗ ] , измерения эффективного сопротивления человеческого тела и головы [1641, регистрацию плацентограммы и ритма плода [іОЗ, 162 ], мониторное наблюдение за дыханием [171] , измерения у новорожденных с дифференциацией лево и правосторонних движений грудной клетки при дыхании
[I06j .
Несмотря на наличие сведений о создании приборов, основанных на методе вихревых токов, для исследования степени кровенаполнения органов или участков тела человека, отсутствуют результаты клинических исследований, полученных с помощью таких приборов, не обоснованы оптимальные -электрические и конструктивные характеристики преобразователей и измерительных устройств. Не оценена чувст' вительность вихретоковых преобразователей к биологическим тканям.
Не решена задача распределения электромагнитных полей в биотканях с целью получения диаграмм направленности вихретоковых пре' образователен и оценки возможностей метода вихревых токов для определения степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах.
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы явилось исследование возможности определения степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах на основе метода вихревых токов.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать основные закономерности взаимодействия индуктивных высокочастотных преобразователей с биообъектом и на основе полученных результатов обосновать требования к их конструкциям и электрическим характеристикам,
Провести сравнительный'анализ характеристик индуктивных высокочастотных преобразователей, предназначенных для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека и осуществить выбор типа преобразователя для решения поставленной диагностической задачи.
Исследовать возможность использования метода вихревых токов для регистрации степени кровенаполнения органов или участ-
ков тела человека на разных глубинах бесконтактным способом.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать устройства для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах.
Научная новизна
1. На основе анализа взаимодействия индуктивных высокочастот
ных преобразователей с биообъектом установлены соотношения и за
висимости, из которых следует, что:
а/ для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека целесообразно применять индуктивный высокочастотный преобразователь, выполненный в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения;
б/ для бесконтактной регистрации геометрических параметров биообъекта целесообразно применять индуктивный высокочастотный преобразователь, выполненный в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения, по изменению реактивной составляющей вносимого сопротивления катушки преобразователя;
в/ для бесконтактной регистрации диэлектрических параметров биообъекта целесообразно применять индуктивный высокочастотный преобразователь, выполненный в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения, по изменению активной составляющей вносимого сопротивления катушки преобразователя.
2. Анализ чувствительности индуктивного высокочастотного пре
образователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого
поперечного сечения, к изменению удельной электропроводности
биотканей и .зазора мещп/ торцом преобразователя и грудной клет
кой показал необходимость построения приборов для определения
степени кровенаполнения органов или участков тела человека по
изменению реактивной составляющей вносимого сопротивления катуш-
ки индуктивного высокочастотного преобразователя.
На основе результатов теоретического и экспериментального исследования распределения электромагнитного поля у торца индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта, обоснована возможность оценки степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах бесконтактным методом, что позволяет определять степень кровенаполнения в органных и тканевых участках с известными геометрическими параметрами как в поперечном, так и продольном направлениях.
Экспериментально установлено влияние электростатического экрана на чувствительность индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения.
Обоснован выбор рабочей частоты индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения, для определения степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах.
Практическая ценность и внедрение работы Разработан новый "метод, позволяющий бесконтактно определять на разных глубинах в локальных областях степень кровенаполнения органов или участков тела человека с помощью индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения.
Предложены и разработаны устройства для бесконтактной регистрации степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах.
Разработанные устройства прошли клинические испытания: а/ "Вихретоковый реограф - ВРГ-І" - во ВНИИШе; Томском медицинском институте на кафедре туберкулеза;
б/ "Вихретоковый реограф - ВРГ-2" - в клинико-физиологической лаборатории ИМЕЛ, г.Москва.
Приборы эксплуатируются:
а/ "Вихретоковый реограф - ВРГ-3" - в Томском мединституте на кафедре пропедхирургии;
б/ "Вихретоковый реограф - ВРГ-ЗМ" - в университете дружбы народов им. П.Лумумбы на кафедре акушерства и гинекологии.
Разработка прибора "Вихретоковый реограф -ВРГ-3" рассмотрена и одобрена комиссией по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской технике МЗ СССР.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом работ Томского политехнического института, а также в соответствии с комплексной программой АН СССР и АМН СССР "^фундаментальные науки - медицине" по теме "Разработать электромагнитные методы оценки функционального состояния человека", 08.04.16.
Диссертационная работа явилась основной частью хоздоговорных НИР W- 8-23/78 "Проведение НИР и разработка прибора для послойной реографии с целью исследования функционального состояния легких человека", № 8-85/78 "Разработка физических методов и систем регистрации низкочастотных биоэлектрических сигналов" АР гос. регистрации 79034540/.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на б Всесоюзных, региональных, областных конференциях и научно-техническом семинаре кафедры ИЙТ ТПН и отдела №6 НИИ Ш при ТЛИ.
По результатам выполненных исследований опубликовано II печатных работ и получено авторское свидетельство.
Основные положения, выдвигаемые на защиту
I. Бесконтактные методы регистрации свойств биообъекта, связанные с использованием электромагнитного поля, позволяют проводить съем медико-биологической информации о состоянии кровенапол-
- II -
нения органов или участков тела человека в условиях комфорта с неизменными метрологическими характеристиками,
При взаимодействии индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения, с моделью биообъекта реактивная составляющая вносимого сопротивления зависит от геометрии системы "преобразователь-биообъект", но не зависит от параметров биотканей.
При взаимодействии индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения, с моделью биообъекта активная составляющая вносимого сопротивления катушки преобразователя зависит от диэлектрических параметров биотканей.
При взаимодействии индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения, с моделью биообъекта реактивная и активная составляющие вносимого сопротивления катушки преобразователя зависят от геометрических и электрических параметров биотканей.
Анализ чувствительности индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения, к изменению удельной электропроводности биотканей и к изменению зазора мезвду торцом преобразователя и грудной клеткой человека показал, что для определения степени кровенаполнения органов или участков тела человека целесообразно проводить измерения по реактивной составляющей вносимого сопротивления катушки индуктивности и выполнять приборы, реализующие данную диагностическую задачу, по типу F -метра,
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования электрического и магнитного полей у торца индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения, расположенного над моделью биообъекта,
показали, что при изменении геометрии преобразователя можно контролировать степень кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах, что позволяет более точно определять участок с нарушением кровенаполнения.
- ІЗ -
Глубина проникновения электромагнитного поля, созданного индуктивным преобразователем, в ткани человеческого организма
Биоткани являются полупроводниками или проводниками II рода /см. 1.1/. Следовательно, для расчета глубины проникновения электрического поля в ткани человеческого организма необходимо пользоваться формулой /I.I4/.
Исходя из наличия данных о параметрах биотканей [1053» по формуле /I.I4/ была рассчитана глубина проникновения в разные биоткани вvвысокочастотном диапазоне.
Графики зависимостей глубины проникновения электромагнитного поля в жировую, мышечную ткани и кровь в диапазоне частот от 30 кГц до-30 МГц показаны на рис. 1.8.
На графике видно, что глубина проникновения электромагнитного поля в ткани биообъекта уменьшается с возрастанием частоты от 5 метров до 10 сантиметров. Расчетные значения совпадают с данными, приведенными в работахf133,139-J.
Теперь целесообразно рассмотреть, какие изменения претерпевает глубина проникновения электромагнитного поля в ткани биообъекта, если источником электромагнитного поля является индуктивный или вихретоковый преобразователь. Согласно теории метода вихревых токов ]Й1 ], составляющая магнитного поля, направленная перпендикулярно поверхности исследуемой среды, создает в ней вихре вые токи. Они текут по траекториям, параллельным поверхности раздела сред. Дяя накладных цилиндршеских катушек индуктивности контуры вихревых токов представляют собой концентрические окружности. Максимальная плотность токов примерно соответствует положению среднего диаметра катушки.
Известно, что плотность распределения вихревых токов в глубину полупроводящего полупространства от поверхности быстро убывает по экспоненциальному закону/"83 J .
Составляющая магнитного поля затухает за счет возникающих вихревых токов, а также по мере увеличения расстояния от торца катушки преобразователя. Поэтому глубина проникновения электромагнитного поля в плоском объекте всегда будет меньше вычисленной по формуле /1,14/. Однако следует отметить, что с увеличением диаметра катушки и ширины намотки напряженность магнитного поля по оси цилиндрической катушки уменьшается медленнее і]..
В работе /83 ] дается формула для глубины проникновения электромагнитного поля вихретокового преобразователя в проводящие материалы с учетом геометрии преобразователя : ц Г7=? , тг1 У /1,15/ где Д - геометрический параметр преобразователя. Для вихретокового преобразователя в виде круглого витка: где Do - диаметр витка вихретокового преобразователя. Увеличение диаметра катушки индуктивного вихретокового преобразователя /ВТП/ увеличивает глубину проникновения электромагнитного поля в проводники" при малых значениях fi 0,1 - 0,6/ 9 ,10], что видно из формулы /I.I5/. Обобщенный параметр jS системы ВТП-биообъект с учетом дисперсии параметров биотканей находится в диапазоне вышеперечисленных значений/1.1/.
В работе Г115] указывается, что при малых значениях обобщенного параметра fi электромагнитное поле ВТП проникает в образец на 2 - 2,5 длины радиуса катушки преобразователя.
Реальная глубина проникновения электромагнитного поля ВШ в ткани биообъекта накладывает ограничения на верхний частотный диапазон работы преобразователя. Так как радиус торса человека средней конституции составляет » 20 см, следовательно, глубина проникновения электромагнитного поля ВШ в ткани человеческого организма должна быть не менее 20 см. При такой глубине проникновения можно исследовать человека, наложив ВШ сначала с одной стороны, а затем с другой, диаметрально противоположной.
Рассчитанные данные по формуле /I.I4/, представленные на графике; рис. 1.8, приближенно дают возможность оценить рабочую частоту ВШ с необходимой глубиной проникновения электромагнитного поля преобразователя. Из графика на рис.1.8 видно, что рабочая частота не должна превышать 30 МГц.
Однако в формуле /I.I4/ не учитывается тип преобразователя, его геометрические параметры, взаимная геометрия системы "преобразователь - биообъект". Для корректного определения распределения и глубины проникновения электромагнитного поля ВШ необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования распределения поля в ближней зоне измерительного преобразователя в зависимости от его формы, геометрических размеров, рабочей частоты, свойств исследуемой среды с параметрами биообъекта. Интерес представляет ближняя зона или зона индукции, так как расстояние от источника излучения /ВШ/ электромагнитного поля до исследуемой биосреды вместе с размерами самого биообъекта не превышает I м. К понятию "ближняя" зона относится область пространства, для всех точек которого выполняется неравенство
Определение выходных характеристик индуктивного вы сокочастотного преобразователя, выполненного в виде катушки индуктивности малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта
Так как нас интересовали количественные изменения регистрируемого сигнала вследствие протекающих гемодинамических процессов, вариации габаритов индуктивного ВЧП, их расположения, изменения частоты электромагнитного поля индуктивного ВЧП, поэтому с помощью ЭВМ были определены зависимости выходных характеристик индуктивного ВЧП от частоты, взаимной геометрии системы "преобразователь-биообъект" , обобщенного параметра, параметров биотканей [58]
Выходные характеристики индуктивного параметрического накладного ВЧП были определены при следующих допущениях /кроме указанных в 2.1/: не учитывались межвитковые емкости, емкости связи катушки индуктивности ВЧП и биообъекта.
Бесконечное полупространство представляло собой однородные ткани человеческого-организма /либо жировую, либо мышечную ткани, либо кровь/.
С целью получения обобщенных зависимостей сигнала от параметров исследуемого биообъекта были получены выражения для относительных вносимых реактивного и активного сопротивлений катушки индуктивного ВЧП, используя формулы /2.9/, /2.10/, /2.II/ : помощью ЭВМ зависимости выходных характеристик от частоты электромагнитного поля преобразователя для разных биотканей /рис.2.2, рис.2.3/. Анализ зависимостей выходных характеристик индуктивного ВЧП от частоты показал, что: I/ максимальные значения выходные характеристики имеют тогда, когда объектом исследования является кровь, у которой электропроводность наибольшая; значения выходных характеристик для крови почти на порядок больше значений выходных характеристик индуктивного ВЧП, когда объектом является мышечная и жировая ткани; это относится как к реактивной, так и к активной составляющей относительных вносимых сопротивлений катушки индуктивности преобразователя;
2/ значения вносимых относительных реактивного и активного сопротивлений катушки индуктивности преобразователя приблизительно равны по модулю;
3/ целесообразно выбирать частотный диапазон работы индуктивного ВЧП выше 20 МГц при контроле параметров биообъекта, так как значения реактивной и активной составляющих значительно увеличиваются, начиная с частоты 10-15 МГц.
По формулам /1.20/, /1,21/ /см. 1.3/Г25, 2б)были определены зависимости выходных характеристик индуктивного ВЧП, расположенно-го над шаром в сфере с параметрами, биотканей, от частоты электромагнитного поля преобразователя /рис.2.4/. Характер зависимостей аналогичен зависимостям для витка с током над полупроводящим полупространством /рис.2.2-рис.2.3/. К сожалению, характеристики можно было получить только в абсолютном значениии, а не в относительном в связи с отсутствием данных о параметрах ио [26J.
Для решения составленных в данной работе задач необходимо оценить влияние геометрических параметров преобразователя на его чувствительность к биообъекту. С помощью ЭВМ были определены зависимости выходных характеристик индуктивного БЧП от изменения параметров исследуемых сред /рис.2.5-рис.2.7/, взаимной геометрии системы "преобразователь-биообъект"/рис.2.8-рис.2.9/.
Семейства характеристик вносимых активного и реактивного сопротивлений накладного параметрического индуктивного БЧП были получены на одной частоте 30 МГц, так как с изменением частоты меняются значения параметров биотканей вследствие частотной дисперсии.
Анализ зависимостей выходных характеристик индуктивного ВЧП от изменения параметров биообъекта, взаимной геометрии системы "преобразователь-биообъект" показал, что: I/ Относительное вносимое реактивное сопротивление преобразователя отрицательно на частоте 30 МГц при изменении и определяется, в основном, удельной злектропроводностыо биообъекта. В том случае, когда объектом исследований является кровь, для которой удельная электропроводность максимальна и составляет 1,3 сим/м, значения реактивного сопротивления почти на порядок больше, чем значения при объекте исследования "мышечная ткань", и на два порядка больше, чем для жировой ткани. Это объясняется тем, что увеличение электропроводности у биотканей от ее малых значений /для жировой ткани & = 0,098 сим/м на частоте 30 МГц/ приводит к увеличению плотности вихревых токов, наводимых полем преобразователя в глубине образцов биотканей. Вследствие этого возрастают значения относительного реактивного сопротивления /рис.2.5-рис.2.7/.
Определение составляющих электромагнитного поля индуктивного высокочастотного преобразователя, выполненного в виде кольцевого магнитопровода малого поперечного сечения и расположенного над моделью биообъекта, внутри биообъекта
Для определения значений напряженностей электрического и магнитного полей по формулам /3.1/, /3.2/, /3,3/ сначала вычислим значения векторного потенциала электромагнитного поля, созданного индуктивным ШП, расположенным над бесконечным полупроводящим полупространством с параметрами биотканей на частоте 30 МГц, внутри биообъекта. Согласно [49J, выражение для векторного потенциала следующее: 4-0,5/UoMzIm fiff,MlfWMee9&?- e dn, /3.7/ где Мг- безразмерный комплексный сомножитель; к - волновое число.
Дяя вычисления векторного потенциала /3.7/ с учетом токов смещения в полупроводящем полупространстве с параметрами биотканей воспользуемся приемом, принятым при рассмотрении квазиоптических систем [69] , электромагнитное поле которых представляется с помощью преобразований Шурье в виде функции, содержащей под знаком интеграла экспоненциальный сомножитель с показателем (/д"Лг В квазиоптических системах рассматривается область изменения [Л] /( и считается справедливым выражение: і{І Ч? іІк-лУгк) . /з.8/
В теории местных и затухающих волн рассматривается область изменения [л] К , и для учета токов электрического смещения в свободном пространстве и полупроводящем полупространстве может быть использовано аналогичное преобразование: ( И л- х/гл . /3.9/
Данное выражение характеризует условие квазистационарности электромагнитного поля. Поскольку в данной задаче рассматриваем поле в ближней зоне или при малых значениях 2 , когда А?к , то представляется возможным не учитывать сомножитель. / / i I t как это обычно делается при рассмотрении квазиоптических полей [69J . Поэтому формулу /3.7/ можно переписать так: O,5/I0/IL lm к/lf/MjIf/bflMg e h(h 2)dn. /зло/
Векторный потенциал, определенный по формуле /3.10/, может быть выражен через полные эллиптические интегралы первого Е и второго К рода I 66 ] или через функции Лежандра второго рода полуцелого порядка Qjfe .
При исследовании высокочастотных электромагнитных полей индуктивного ВЧП, расположенного над полупроводящим полупространством, вначале надо определить функцию Mg - безразмерный комплексный сомножитель, а затем вычислить несобственные интегралы, содержащие под своим знаком произведение функций Бесселя и нелинейной функции Mo [49j:
Так как ff A, /Л Ч ДД tc0jUojUz62 & /& = = I, выражение /3.II/ можно записать следующим образом: Разделив числитель и знаменатель выражения для Mg на fa)jUo6i и проведя ряд несложных математических преобразований, получимl 54J:. "г-2 2+j /3.12/ Так как TfH = fy Tfos / - -И л/J , где t QZdgjji [-29 J , выражение /3.12/ перепишется в таком виде: обозначив х А1$ЩХ » = У - ; У = с??
С помощью ЭВМ были протабулированы значения функции Mg для сред с параметрами биотканей /мышечной, жировой/ на частоте 30МГц. Таблицы значений функции Mg, представлены в приложении I .
Затем с помощью ЭВМ был определен векторный потенциал электромагнитного поля индуктивного ВЧП внутри исследуемой биоткани, используя методику численного вычисления несобственных интегралов [49], по алгоритму, рассмотренному в 3.1. Таблицы значений векторного потенциала в осевом и радиальном направлении приведены в приложении I .
Характер зависимостей модуля векторного потенциала -электромагнитного поля, рис.3.5, созданного индуктивным ВЧП, характер зависимостей напряженности электрического поля, рис.3.б, от обобщенных координат внутри объекта исследования аналогичен характеру зависимостей, представленных в 3.1, но по модулю последние на порядок превышают значения модуля векторного потенциала и напряженности электрического поля, определенного внутри биотканей.
Мнимая часть тангенциальной составляющей значительно меньше вещественной /рис.3.7.а, рис.3.76/, почти на 2 порядка. Поэтому график модуля тангенциальной составляющей примерно такой же, как и график вещественной части /рис.3.7 а и б/. Значения модуля тангенциальной составляющей магнитного поля в зазоре между торцом индуктивного ВЧП и исследуемой биотканью, т.е. в воздушной среде в присутствии биообъекта, почти на три порядка превышают значения тангенциальной составляющей магнитного поля, созданного индуктивным ВЧП, наложенного на биоткань /без воздушного зазора/ внутри биоткани /рис.3.3, рис.3.7/.
Калибровочное устройство для прибора ВРГ-3
Для калибровки прибора "Вихретоковый реограга-ВРГ-З" было сконструировано устройство, кинематическая схема которого показана на рис.4.II Реверсивный двигатель РД-09 с угловой скоростью 1200 оборотов в минуту вращает колесо А .через зубчатую передачу т и
Z 2» Так как частота пульса человека равна 0,5 Гц-2 Гц, то диск, заполненный раствором электролита с удельной электропроводностью, близкой электропроводности биотканей, совершает поступательные движения с той же частотой. Поэтому между колесом А и двигателем была поставлена зубчатая передача с передаточным числом lj 2=10. Так как скорость вращения зубчатых колес невелика, использовали цилиндрические прямозубые колеса.
Модель плоского рычажного механизма показана на рис.4.10.Амплитуда перемещения шатуна В равна 7,5мм. Поэтому конец шатуна В закрепляется на колесе А на расстоянии 0,75 см от центра колеса, исходя из того, что механизм имеет две "мертвые" точки Aj, Ag, которые и определяют амплитуду движения точки В. Шатун и диск выполнены из диэлектрического материала. Диск с помощью винта крепится на шатуне. Для того, чтобы получить калибровочный сигнал, эквивалентный удельной электропроводности д& j,g в I сим/м, один диск заполняли раствором электролита с б j= 2сим/м, а второй с 6 g= = Ісим/м. В начале выносной блок подводился на определенное фиксированное расстояние к первому диску. Он приводился в движение
у торца индуктивного ВДП, совершая поступательные движения. Регистрация сигнала, полученного на выходе БРГ-3, осуществлялась с помощью .самописца, амплитуда сигнала равнялась Ир Затем сохраняя неизменным зазор, выносной блок подводился ко второму диску, который приводился в движение с помощью системы, изображенной на рис.4.II, регистрировали сигнал с амплитудой Иг . Внешние условия сохранялись постоянными при обоих измерениях. Разница Д й= Ит-Ир эквивалентна б = 1сим/м.
С помощью такого калибровочного сигнала можно проводить расчет реограмм органов или участков тела человека, полученных бесконтактным способом на разных глубинах в едишщах удельной электропроводности. При наличии растворов с заданной диэлектрической проницаемостью и постоянной электропроводностью можно реограф откалибровать в единицах диэлектрической проницаемости.
В связи с тем, что ионная проводимость однородного электролита практически не зависит от частоты [81,82] , удельная электропроводность раствора электролита Ml Сс измерялась на установке, работающей на частоте 50 Гц.
Одним из основных достоинств бесконтактного съема медико-биологической иншормшдин является отсутствие гальванического контакта между преобразователем и телом пациента. Таким образом, исключается возможность протекания поражающего тока через жизненноважные органы человека [8l].
В то же время в области нахождения индуктивного ВЧП существует высокочастотное электромагнитное поле /30 МГц/. Согласно Гост 121.006-76 в диапазоне частот ЮОКГц- 30МГц напряженность электрического поля не должна превышать 20 В/м, для магнитного - 123 Рис.4.10 Плоский рычанннй механизм. У / / / / // / /1 \ Рис. 4. II кинематическая схема калибратора для прибора ВРГ-3 - 124 поля напряженность не должна превышать 5 А/м в частотном диапазоне 100КГц-1,5МГц.
В ГОСТе отсутствует норматив для напряженности магнитного поля в рассматриваемом диапазоне от 1,5 МГц до 30 МГц. Эти санитарные нормы, как и зарубежные, рассчитьшаїотся, исходя из воздействия высокочастотного электромагнитного поля на глаз человека, как наиболее уязвимый орган [170] .
Поле рассматриваемого бесконтактного индуктивного ВЧП локализовано в близлежащей зоне пространства, существенно неоднородно и быстро убывает с расстоянием. В связи с этим, а также, учитывая отсутствие норматива по напряженности магнитного поля, целесообразно в качестве характеристики воздействия электромагнитного поля на биообъект использовать плотность потока мощности. Тогда оценку электробезопасности можно провести для близлежащей к преобразователю поверхности тела, где поле максимально.
Согласно [170] при длительном воздействии на глаз норма для плотности потока мощности составляет I мВт/ci-r для рассматриваемого диапазона . частот. При этом практически для мышечной ткани эта величина на порядок выше [Ї70] . Расчет аналогичной величины по отечественным данным при 3=20 В/м; Н= 5 А/м в соответствии с вышеупо-минутым ГОСТом дает Р= 10 мВт/см . Таким образом, если плотность потока мощности электромагнитного поля в ближней зоне у торца преобразователя не превышает 10 мВт/см , то в остальной области тела эта величина будет существенно ниже. Тогда такой преобразователь будет по своим параметрам удовлетворять санитарным нормам.
Напряженность поля индуктивного ВЧП максимальна непосредственно под витком [По], т.е. при Г = R и Й =0. Из 3.2 следует, что - Нг = 1,2 А/м, Hz = 1,4 А/м, Ef = 1,0 В/м при Г = R и Ь =0 на частоте 30 МГц.
