Введение к работе
Актуальность работы: В последние годы интенсивно развивается радиометрическое зондирование (радиотеплолокация) природных сред с различными поглощающими свойствами. Одной из актуальных проблем является развитие методов дистанционного зондирования сильнопогло-щающих сред, которые характеризуются значительным поглощением на расстояниях, сравнимых с длиной электромагнитной волны. Применительно к микроволновому диапазону к таким средам относятся вода, грунт и биологические ткани.
Целью дистанционного зондирования подстилающих поверхностей обычно является получение оперативной и надежной информации о динамике таких величин, как температура, степень взволнованности морской поверхности, направление и скорость приводного ветра, толщина ледяного и снежного покрова, температура, влажность и засоленность почвы, скорость прироста биомассы естественной растительности и посевов, характер растительности и лесов, наличие и локализация антропогенных загрязнений. Все перечисленное определяет и области применения дистанционного зондирования: метеорология, океанология, сельское и лесное хозяйство, экология.
В диссертационной работе исследовано восстановление подповерхностного температурного профиля, что в значительной мере расширяет возможности применения дистанционного зондирования. Так, суточная и сезонная динамика температурного профиля и глубины промерзания почвы являются важными при планировании работ в сельском хозяйстве, оценке пригодности почв для засева теми или иными культурами, прогнозировании урожая. Приповерхностная температура и ее динамика - определяющие метеорологические показатели теплообмена в системе атмосфера-збмные покровы - оказывают по современным представлениям большое влияние на формирование погодных условий. На возможность и важность радиометрического зондирования температурного профиля подстилающей поверхности было обращено внимание в работах К. Я. Кондратьева и Е. А. Шаркова, однако экспериментальных результатов получено не было из-за невозможности достаточно точного учета влияния всех факторов, определяющих радиотемпературу подстилающей поверхности и из-за сложности ее измерения с необходимой точностью.
Вторым направлением исследования в настоящей работе является контактная радиотермометрия - получение информации о подповерхностной температуре тканей живых организмов, прежде всего человека по их собственному радиоизлучению. Тепловидение, т.е. получение ин-
формации о распределении температуры кожных покровов по излучению в ИК-диапазоне уже относительно давно заняло прочное место при диагностике целого ряда заболеваний. В отличие от него подповерхно-стное температурное зондирование позволяет в зависимости от диэлектрических свойств тканей "заглянуть" на глубину 3-7 см. С помощью радиотермометрии можно различить локальные изменения температуры внутри тела, экранированные слоями тканей с сильным кровотоком, недоступные для тепловидения.
Еще более важным представляется применение контактной радиотермометрии для контроля за процедурой терапевтической гипертермии. Гипертермия, т.е. искусственный нагрев тела человека или отдельных его участков вот уже около 20 лет активно используется для лечения ряда заболеваний, прежде всего в онкологической практике. Для достижения максимального терапевтического эффекта процедуры необходимо уложиться в весьма узкие температурные, а при локальной гипертермии и в пространственные рамки нагрева. Восстановление профиля глубинной температуры тканей теоретически изучалось в ряде работ. Однако предложенные методы позволяли получить лишь усредненные дискретные значения температуры в каждом из слоев тканей. Такой подход ограничивает применение метода в диагностике и затрудняет его использование для контроля уровня нагрева при локальной гипертермии. Вышеизложенное свидетельствует об актуальности постановки и решения задач диссертационной работы.
Цели работы:
Целями настоящего исследования являются экспериментальное обоснование, разработка и практическая реализация дистанционного радиометрического метода восстановления температурного профиля подповерхного слоя водной среды, грунта и биологических тканей.
Для достижения данных целей необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать методы устранения основных помеховых факторов в процессе измерения радиоизлучения сильнопоглощающих сред.
-
Экспериментально обосновать постановку задачи в терминах теории переноса излучения для биологических тканей
-
Выполнить экспериментальные исследования теплового микроволнового излучения исследуемых сред.
-
Получить адекватную физическую интерпретацию данных.
В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось в нескольких направлениях. Лабораторные и натурные измерения
подстилающих поверхностей выполнены в НИРФИ и на его полигонах, а клинические испытания -на базе кафедры онкологии НГМИ и Нижегородского городского онкологического диспансера.
Научная новизна работы.
-
Разработан метод компенсации коэффициента отражения с помощью отражающего экрана.
-
Разработана методика многоволновых высокоточных измерений радиояркостной температуры водной среды с учетом особенностей калибровки по самой среде при сохранении геометрии измерений.
-
Проведены лабораторные и натурные спектральные измерения водной поверхности и промерзшего грунта в зимних условиях. По результатам измерений осуществлено восстановление температурных профилей.
4. Разработана методика и показана эффективность одноканального
контроля температуры при внутриполостной гипертермии. Проведены
измерения радиояркостной температуры тканей организма на трех длинах
волн, на основании которых получены результаты по восстановлению
температурного профиля методом А. Н. Тихонова. Разработан модельный
метод восстановления температурного профиля биологической ткани.
Практическая значимость работы.
-
Разработанные методы компенсации отражения позволяют осуществлять высокоточное измерение радиояркостной температуры водной среды и грунта.
-
Разработанные методики измерений позволяют определять с помощью радиометрического зондирования такие важные физические величины, как профиль температуры водной поверхности и грунта, а также глубину промерзания последнего.
-
На основе полученных данных о возможностях определения градиента температуры грунта предложен способ определения мест утечек тепла в подземных теплопроводах, наиболее эффективный в зимних условиях.
-
Определение профиля температуры биологических тканей позволяет проводить раннюю диагностику ряда заболеваний, связанных с поражениями нервной системы, воспалительными процессами, нарушениями периферического кровообращения.
-
По результатам мониторинга локальной СВЧ-гипертермии выявлена необходимость регулировки дополнительного параметра управления - температуры охлаждающей жидкости- для достижения оптимального распределения температуры с учетом глуоины залегания опухоли.
-
Показана адекватность одноканального радиометрического мониторинга температуры при внутриполостной СВЧ-гипертермии. По его результатам рекомендовано уменьшить мощность облучения.
Апробация результатов работы
Результаты исследования доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и симпозиумах: на Всесоюзной конференции "Методические вопросы определения температуры биологических объектов радиофизическими методами" (Звенигород, 1984), на Всесоюзной конференции "Тепловидение в медицине" (Киев, 1984), на П-ой и Ш-ей Всесоюзных школах по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Фрунзе, 1986, Харьков, 1988), на IV Всесоюзной конференции "Тепловизионная медицинская аппаратура и практика ее применения" (Ленинград, 1988), на Ш-ей Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1989), на I Всесоюзном симпозиуме "Гипертермия в онкологии" (Минск, 1990), на Всесоюзной конференции "Дистанционное зондирование аг-ропочвенных и водных ресурсов" (Барнаул, 1990), на XXIII и XXIV Генеральных Ассамблеях Международного Радиосоюза (URSI) (Прага, 1990, Киото, 1993), на Международном симпозиуме по наукам о Земле и дистанционному зондированию IGARSS-9] (Espoo, Finland, 1991), на II-ой научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды (Муром, 1992).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе и трудах симпозиумов и конференций^
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения и содержит 51 страницу текста, 30 рисунков, библиографию из 118 названий. Общий объем работы -90 страниц.
Положения, выносимые на защиту.
-
Разработаны методы высокоточного измерения яркостной температуры природных сред в СВЧ-КВЧ-диапазонах, основанные на компенсации отражения и калибровке по самой среде. По одно - и многоканальным радиометрическим измерениям исследована структура приповерхностной температурной неоднородности водной среды и динамика ее теплобмена с воздухом при возникновении ветра Осуществлен радиометрический мониторинг профиля температуры температурно-стратифицированной водной среды при распространении в ней внутренних волн.
-
Предложены и апробированы методы измерения теплового радиоизлучения грунта применительно к задачам термического зондирования. По многочастотным измерениям выполнен мониторинг суточной динамики температурного профиля грунта и птока тепла через поверхность в летних условиях. На основе радиометрических измерений получены даные о динамике глубины промерзания грунта в зимних условиях, предложены методы ее дистанционог определения.
-
Разработаны методы определения температурного профиля биологических тканей. Точность модельного метода исследована на физической модели тканей и в условиях клиники по данным двухчастотных измерений яркостной температуры. Выполнены трехканальные измерения динамики яркостной температуры тканей при проведении СВЧ-гипертермии. Соответствующее распределение их нагрева по глубине восстановлено на основе решения обратной задачи методом Тихонова Доказано, что даже при одноканальном мониторинге внутриподостной гипертермии данные радиометрического измерения температуры тканей имеют преимущество по сравнению с прямыми измерениями.
Похожие диссертации на Радиотеплолокация сильнопоглощающих сред
