CC BY
43
УДК 616.28-002:681.586
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ДИАГНОСТИКЕ ЗАБОЛЕВАНИЙ ОТИТА
Д.В. Миляев, Е.А. Свинцова
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Работа посвящена диагностике патологических изменений в среднем и нижнем отделах барабанной полости и в слуховой трубе без хирургического вмешательства. Предложен вихретоко-вый метод для диагностики патологических изменений. Проведен расчет и анализ выходных характеристик вихретокового преобразователя, расположенного над двухслойной полупроводящей средой. Рассмотрен частотно-фазовый метод обработки измерительной информации и структурные схемы его реализации. Проведены экспериментальные исследования выходных характеристик вихретокового преобразователя, расположенного над полупроводящей биологической средой, в частности тканей животного с различными значениями электропроводности: жир, кость, мышца. Показано, что для обнаружения патологических изменений требуются устройства обработки с высокой чувствительностью. Таким требованиям, в частности, удовлетворяет устройство с частотно-фазовой расстройкой резонансного контура, с включенным в него параметрическим вихретоковым преобразователем.
Ключевые слова:
Отит, патология, вихретоковый преобразователь, частотно-фазовый метод, диагностика, двухслойная полупроводящая биологическая среда.
Одной из отраслей медицинской науки, которая занимается определением признаков болезни и устанавливает заключение о характере болезни и ее существе, является диагностика.
Данная работа посвящена актуальной проблеме в медицине - диагностике патологических изменений в среднем и нижнем отделах барабанной полости и в слуховой трубе без хирургического вмешательства.
Известно множество способов и методов исследования отита: рентгенография, зондирование, пункция, эхография, эндоскопия и т.д. Но они обладают рядом недостатков: нежелательная лучевая нагрузка, дискомфорт, невысокая точность и информативность. Поэтому возникает необходимость дальнейших разработок безвредных для организма устройств и приборов для диагностических целей и их совершенствования.
В данной работе рассматривается возможность использования вихретокового метода для диагностики патологических изменений в среднем и нижнем отделах барабанной полости и в слуховой трубе. Этот метод относится к бесконтактным методам и дает возможность осуществлять длительную регистрацию физиологических функций в условиях сравнительного комфорта пациента.
При воздействии на исследуемую среду электромагнитного поля искажается картина поля, а сама среда либо поляризуется, либо в ней наводятся вихревые токи, либо происходят оба процесса. Вид поляризационных процессов, распределение вихревых токов и возмущенного поля зависят от электрических свойств среды, геометрической формы и размеров барабан-
Миляев Дмитрий Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры информационно-измерительной техники Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: разработка методов и средств неразрушающего контроля и измерения, металлообнару-жители, измерители больших сопротивлений, приборы медицинской диагностики. Свинцова Екатерина Александровна, магистрант кафедры информационно-измерительной техники Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: медицинское приборостроение.
ной полости, влажности, температуры, химического состава, структурных особенностей биологических тканей.
Изменение свойств сложных сред заключается в том, что, оценивая при внесении возмущенного поля в среду, поле или величину реакции, испытываемой источником поля, можно судить о свойствах среды.
Слуховая труба и барабанная полость в здоровом состоянии заполнены воздухом. Внутри полость покрыта слизистой оболочкой. В состоянии заболевания слизистая оболочка воспаляется, набухает, а полость заполняется патологической слизью, которая обладает определенной электропроводностью и диэлектрической проницаемостью. Следовательно, больная полость отличается от здоровой по значениям электропроводности и диэлектрической проницаемости.
Диапазон частот возбуждающего электромагнитного поля в целях электробезопасности рекомендуется выбирать от 30 кГц до 30 МГц.
Чувствительность вихретокового преобразователя оценивается по значению обобщённого параметра в [1]:
Р = Я,/, (1)
где Я - средний радиус катушки (датчика); / — частота возбуждающего электромагнитного поля; Г - удельная электропроводность биосреды; ¡и — относительная магнитная проницаемость биосреды; м = 4ж -10—7 - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м.
Из формулы (1) видно, что при малых о (< 1,5 См/м) чувствительность возрастает с увеличением среднего радиуса катушки вихретокового преобразователя (ВТ11) и частоты. Но радиус катушки определяется размером слуховой трубы и локальностью электромагнитного излучения.
Следовательно, для повышения чувствительности необходимо повышать частоту. В работе исследовано взаимодействие электромагнитного поля с биотканью, в частности определена глубина проникновения этого поля, которая определяется по формуле [2]
а = . 1 ,
оМо
л/Т+М?—1
где tgS =-- тангенс угла диэлектрических потерь (где т = 2л[);
£0£Ш
е0=8,85-10~12 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; £ ~ 100 - относительная диэлектрическая проницаемость биосреды на частоте f = 105 Гц.
С учетом геометрических размеров преобразователя, глубина проникновения электромагнитного поля определяется по формуле
21
а = ае Я,
где ёр - глубина проникновения электромагнитной волны с учетом геометрических размеров катушки; Я - средний радиус катушки (датчика); I - ширина намотки катушки.
Анализ выходных характеристик вихретокового преобразователя, расположенного над
двухслойной полупроводящей средой
С целью дифференцирования вида заболеваний было определено, каким образом влияют электрофизические параметры содержимого полости на выходные характеристики накладного ВТП. В ранее проведенных теоретических исследованиях [2, 3] расчетная модель была представлена в виде «накладной преобразователь - полупроводящее полупространство». Недостатком такой модели является то, что в выходных характеристиках ВТП не учитывалось влияние электрофизических и геометрических параметров полости.
В работе [4] расчетная модель представлена в виде витка радиусом Я = 0,75 10-3м, расположенного на расстоянии к = 10-3 м от двухслойной среды, которая представляет собой пластину толщиной ё = 10-2 м и полупространство (рис. 1). Слой моделирует воздушный зазор, а
полупространство - содержимое полости. По витку протекает переменный токI = 1те}Ю , который создает переменное возбуждающее электромагнитное поле с круговой частотой со.
Рис. 1. Расчетная модель
Считаем, что двухслойная среда линейная и обладает немагнитными свойствами. В качестве выходной характеристики рассматривается относительное значение вносимого напряжения, которое определяется как
_ А
вн '
ивн = ]
Л
Вносимый векторный потенциал поля, обусловленный влиянием исследуемой биологической среды, можно представить в виде [5]
/и0 I-
Ан = и°- |ЗА)ЗА)-А)(2) 2 0
где J1 - функция Бесселя первого рода первого порядка; X - параметр интегрирования; N -постоянная интегрирования, которая определяется в соответствии с формулой (3), принимая соответствующие значения параметров в верхнем полупространстве:
£ = 0,= 0,д = ^А2 -а2££ио;
дт _ (д3 -д2е^)• (д1 + д2)• е^ -(д3 + д2в^) • (д, -д2)• е. Ы А, ; (3)
2
А2 = (д3 -д2едзй)• (д, -д2) • е^ -(дг + д2едзй) • (д, + д2)• е*,
£2;а2;д2 = ^ А2 -а2£0£2и0 + ]ш/л0ош2 -значение параметров в верхнем слое;
£3;а3;д3 -а2 £0£3и0 + ]ш/л0с3 - значение параметров в нижнем полупространстве.
Векторный потенциал (4) поля в воздухе
А = ¿А) • 3(Аг) • — • е-д1( 2-к) йА. (4)
2 о д1
Тогда
ТГ) СО л
и 13 (—) • 3 (Аг) •— • е г+к) Ы^А
и,, = з •А 2 п
К _ 2 0......д,
и I -ю А (5)
и0 т- I Т(!П\.Т И г-к),
I з (А-) • 3 (Аг) •А • е-д1( г-к) йА
2 1 1 V у 14 у
Расчет вносимого напряжения (5) проводится с использованием численных методов, которые позволяют получить более точные значения выходных характеристик ВТП, чем при расчете по приближенным аналитическим выражениям.
На рис. 2 и 3 приведены годографы относительных вносимых напряжений для различных значений обобщенных параметров в и а3 полупроводящего полупространства. Электрофизические параметры первого слоя неизменны и, примерно, равны о2 = 0,05 См/м, £2 = 100 [6]. Из рис. 2 видно, что при увеличении обобщенного параметра в (о3 = VAR) активная составляющая вносимого напряжения возрастает линейно, а реактивная практически не изменяется.
0,04
1т (Ек)
0,045 -г- 5 ^-О-
0,1 0,2 0,3
РооооООо00О
0,04 —
в
Р = Яу1 (ОМоГ з £3=200
1т(Ек)
0,035 —
0,03 —
0,025 0,02
0,001 0,0015 0,002
Яв(Ек
0,01 0,02 0,03
Яе(Ек
0,04
0
5-10
Рис. 2. Годограф относительного вносимого напряжения для различных значений обобщенного параметра в
Рис. 3. Годограф относительного вносимого напряжения для различных значений обобщенного параметра а
При увеличении обобщенного параметра а (о3 = VAR) (рис.3) активная составляющая вносимого напряжения непрерывно возрастает, а реактивная достигает максимального значения при а = 11(£3 = 2-104), а затем начинает спадать и при больших значениях а приближается к нулевому значению.
Таким образом, для дифференцирования вида заболеваний полости в качестве информативного параметра рекомендуется брать активную составляющую вносимого напряжения.
Разработка частотно-фазового метода обработки сигналов вихретокового преобразователя
Для исследования вихретокового метода применительно к диагностике заболевания отит были рассмотрены амплитудно-фазовый, частотный и частотно-фазовый методы обработки сигналов преобразователя.
Амплитудно-фазовый метод выделения и обработки полезного сигнала заключается в измерении вносимого напряжения вихретокового преобразователя (ВТП) при различных сдвигах фазы между вносимым и опорным напряжением [7]. Первичный преобразователь трансформаторного типа. Величина сдвига фазы регулировалась, чтобы обеспечить наибольшую чувствительность к содержимому полости. Результаты экспериментальных исследований показали, что наибольшая чувствительность наблюдается при р = 0,05. Однако исследования показали недостаточно высокую чувствительность данного метода.
Частотный метод реализуется схемой, в которой вихретоковый преобразователь параметрического типа включен в резонансный колебательный контур автогенератора [1]. При этом информативным параметром является относительное изменение частоты, вызванное различием в электрической проводимости здоровой полости и полости заполненной экссудатом. Но при этом изменение частоты зависит от приращения реактивной составляющей преобразователя.
В настоящей работе подробно рассматривается метод, основанный на частотно-фазовом способе выделения полезной информации. Суть метода заключается в том, что приращения
активного и реактивного сопротивления вихретокового преобразователя за счет фазового сдвига, вводимого в резонансный контур, умножаются на тангенс угла фазового сдвига.
В реальном устройстве используется автогенератор, в цепь положительной обратной связи которого включен управляемый фазовращатель. При этом частота генератора зависит не только от реактивного сопротивления (как в обычном автогенераторе), но и от активного сопротивления. Их воздействие на частоту можно регулировать, изменяя фазовый сдвиг в контуре.
Информативным параметром, так же как и при частотном методе, является относительное изменение частоты.
В случае появления патологического содержимого электропроводность исследуемой области возрастает, следовательно, возрастает и плотность вихревых токов. Этот факт приводит к изменению индуктивности ВТП, а его изменение, в свою очередь, приводит к изменению частоты резонансного контура. Так как
(о =у11/ ЬС,
то относительное приращение частоты можно представить в виде (6) [8]:
- = тг • (6)
(о 2 Х о
где Ь - индуктивность преобразователя; С - емкость колебательного контура; Х0 - начальное реактивное сопротивление преобразователя; Хвн - вносимое реактивное сопротивление преобразователя.
Вносимое активное сопротивление преобразователя на частоту, в первом приближении, не влияет на изменение частоты резонансного контура. Увеличить влияние активного сопротивления на частоту можно путем введения фазового сдвига в колебательный контур. При этом частота генератора и изменение частоты можно выразить соотношениями (7) и (8) из [9, 10].
(Ог = (о
_1__
О2" О
1 -—--• , (7)
Л( 1
Л™ и, Г л л
2
-1
' вн
V О ) Хо I б
1
я.
вн
; Х о
(8)
Л(
где Q - добротность преобразователя; ф - фазовая расстройка контура,- - относительное
(г
изменение частоты; Лвн - вносимое активное сопротивление преобразователя.
Из этих выражений видно, что введение фазовой расстройки колебательного контура существенно увеличивает влияние активного сопротивления на частоту генератора, причем знак фазовой расстройки контура может привести как к увеличению частоты, так и к ее уменьшению.
Введение фазового сдвига в колебательный контур позволяет при выборе определенного сдвига получить различные влияния контролируемых и неконтролируемых параметров и уменьшить таким образом влияние мешающего фактора, а также сохранить высокую чувствительность к полезному параметру.
При контроле биологических сред электропроводность составляет доли См/м, поэтому даже на высоких частотах приращение активного сопротивления преобразователя незначительно, что не позволяет применять автогенераторные схемы без фазовой расстройки.
Были проведены экспериментальные исследования на полупроводящих биологических средах, в частности на свежих образцах биологических тканей животного с различными значениями электропроводности: жир, кость, мышца [11, 12].
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.
3
2 4
1
втп [
«к
Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 - усилитель; КК - резонансный контур; 2 - регулируемый фазовращатель; 3 -частотомер; 4 - фазометр
Вихретоковый преобразователь представляет собой катушку индуктивности накладного типа. Автогенератор собран по схеме Баттлера, в цепь положительно обратной связи которого включен регулируемый фазовращатель. Измерение относительного изменения частоты и фазового сдвига осуществляется соответственно частотомером 3 и фазометром 4.
Исследования проводились в частотном диапазоне / = (1...5) МГц при значениях фазовой расстройки ф от 0 до ± 70°. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 5 в виде графиков, из которых видно, что введение фазовой расстройки в резонансный контур генератора действительно увеличивает чувствительность к электропроводности [8, 11]. Причем для костной и жировой тканей зависимости относительного изменения частоты от величины фазовой расстройки практически идентичны и имеют максимум при величине сдвига фаз ф » 20°. Для мышечной ткани наблюдается существенное увеличение чувствительности при ф= -(20.25)°.
Таким образом, экспериментально доказано, что использование частотно-фазового способа выделения и обработки полезного сигнала наиболее эффективно.
К примеру, учитывая схожие электрофизические свойства мышечной ткани и полипов, можно повысить точность диагностики, установив величину ф» -25°.
В качестве примера можно отметить, что наибольшее значение чувствительности к мышечным тканям составляет Аю/юГ = 14 % при ф = 26° и /0 = 4 МГц, в то время как для жировой и костной тканей Аю/юГ = 0,5 %.
Без введения фазовой расстройки чувствительность ко всем видам биотканей получается примерно одинаковой и равна Аю/юГ = 0,8 % при /0 = 3230 кГц.
/ \
\\
'/
£
с 1
1
£
Т 3 / 1)
/ 1 3
/ 1
/ 1
/ 1- ) -А-
/ V V» ^
0 --6 „— ■ ■— д г 0
0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -0 ,5 0 5 1 5 2 0 2 5 3 0 6
Рис. 5. Зависимость относительного измерения частоты от величины фазового сдвига, вводимого в резонансный контур: 1 - для костной ткани; 2 - для жировой ткани; 3 - для мышечной ткани
Таким образом, путем введения фазовой расстройки контура автогенератора дает возможным создать высокочувствительные приборы для исследования, например патологических изменений различных видов биотканей живых организмов, в частности барабанной полости.
Схема полного устройства обработки информации применительно для выявления патологии барабанной полости приведена на рис. 6.
Устройство имеет дополнительно кварцевый генератор и смеситель частоты [9].
5
1 2 ^ 3 / 8
4 Ь
Рис. 6. Структурная схема устройства со смесителем частоты: 1 - первичный преобразователь (11111); 2 - усилитель; 3 - регулируемый фазовращатель; 4 - цепь положительной обратной связи; 5 - фазометр; 6 - кварцевый генератор; 7 - смеситель частоты; 8 - частотомер
В данном устройстве разность частот измерительного и опорного генератора определяют разностную частоту смесителя, которая измеряется частотомером, фазовая расстройка в контур вводится с помощью фазовращателя и измеряется фазометром.
Процесс диагностики производится в три этапа: 1 - установка исходного состояния; 2 -отстройка от мешающих факторов; 3 - диагностика заболевания.
Предварительно установка настраивается в исходное состояние.
В исходном состоянии оба генератора могут иметь разные частоты, и на первом этапе производится выравнивание частот обоих генераторов. На выходе измерителя разностной частоты 8 устанавливается
А/ = / - /2 - 0,
где / - частота колебаний измерительного генератора с фазовым сдвигом, равным 0, при расположении ПП1 в воздухе; / - частота колебаний опорного кварцевого генератора 6.
На втором этапе ПП1 устанавливают на интактный участок в слуховую трубу. В этом случае, на выходе смесителя частоты 7 регистрируют изменение частоты:
А/2 = А/ + А/М = А/ + /о (1-18^0)-БМ ] (9)
где /0 - частота собственных колебаний генератора с фазовым сдвигом, т.е. частота генератора при (р0 = 0; А/м - изменение частоты колебаний генератора с фазовым сдвигом при расположении ПП1 на интактном участке в слуховой трубе; , - чувствительность соответственно реактивной и активной составляющих (в относительных единицах) ПП1 к мешающим факторам.
Регулируя угол сдвига фазовращателем, добиваются А/2 = 0.
При установлении ПП1 на исследуемую область полости на выходе измерителя разностной частоты 8 регистрируют приращение частоты:
А/з = А/ +А/П = А/ + /0 (1 - )-+ БМ (1 - )-^ 1 (10)
где , - чувствительность соответственно реактивной и активной составляющих ПП1 к
патологическому содержимому барабанной полости (в относительных единицах); А/п -изменение частоты колебаний генератора с фазовым сдвигом при расположении ПП1 на исследуемой области барабанной полости.
Далее перемещают ПП1 на интактный участок и посредством регулируемого фазовращателя 3 вводят фазовый сдвиг в контур генератора. Изменяя значение фазового сдвига Дф в пределах от +п/2 до —л/2 и фиксируя эти значения фазометром 5, добиваются на выходе измерителя разностной частоты получения нулевого значения приращения частоты А/2 > т. е. А/2 ~ 0.
Тогда из выражения (9) следует, что
БМ (1 -1^) = БМ(11)
При наличии патологического содержимого в барабанной полости на выходе смесителя наблюдается приращение частоты, которое с учетом формул (10) и (11) можно представить в виде
А/ = А/1 + /0 (1 - -- БП 18^0 ].
При отсутствии патологического содержимого в полости приращение частоты А/ будет близко к нулевому значению.
Выводы
Из теоретических и экспериментальных исследований следует, что выходные характеристики вихретокового преобразователя зависят от электрофизических параметров исследуемого полупроводящего полупространства (содержимого полости). В связи с этим представляется возможным дифференцировать вид заболевания полости.
Наиболее оптимальной с точки зрения получения высокой чувствительности и достоверности является измерительная схема включения вихретокового преобразователя, реализующая частотно-фазовый способ обработки измерительной информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зиновьева Л.А. Определение степени наполнения органов или участков тела человека на
разных глубинах методом вихревых токов: автореферат дис..... канд. техн. наук. -
Томск, 1983. - 25с.
2. Вотяков В.Ф. , Давиденко Д.М. Исследование взаимодействия электромагнитного поля индуктивного преобразователя с биологической средой // Современные техника и технологии: труды VI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 28 февраля - 3 марта 2000 года, Томск - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - С. 118-120.
3. Вотяков В.Ф. , Александров А.А. Анализ реакции полупроводящей биосреды на «ёмкостной» преобразователь // Современные техника и технологии: труды VI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 28 февраля - 3 марта 2000 года, Томск. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - С. 120-121.
4. Вотяков В.Ф. , Храпачев Д.М., Александров А.А. Теоретическое исследование выходных характеристик вихретокового преобразователя, расположенного над полупроводящей биосредой // Современные техника и технологии: труды VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 26 февраля -2 марта 2001 года, Томск. - Томск: Изд-во ТПУ, 2001. - С. 153-155.
5. Захаров Б.Б. Датчики электропроводности. - М.: Наука, 1979. - 156 с.
6. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. - М.: Наука, 1968. - 288 с.
7. Шилов М.В., Берентаев Е.Б, Вотяков В.Ф. Метод и аппаратура для диагностики воспалительных заболеваний верхнечелюстных пазух // Современные техника и технологии: тезисы докладов 4-й областной научно-практической конференции, 23-24 марта 1998 года, Томск. - Томск: Изд-во ТПУ, 1998. - С. 85-86.
8. Частотно-фазовый метод исследования полупроводящих биологических сред / В.Ф. Вотяков, А.М. Нестеров, А.В. Лебедев, А.А. Александров // Измерение, контроль, информатизация: материалы Международной науч.-тех. конф., 16-18 мая 2000 года, Барнаул. - Барнаул, Изд-во АГТУ, 2000. - С. 121-125.
9. Жуков В.К., Миляев Д.В., Панасюченко А.М. Исследование схемы дефектоскопа с параметрическим датчиком, включенным в колебательный контур генератора // Известия ТПИ. - 1975. - Т. 248 - С. 50-52.
10. Миляев Д.В., Нестеров А.М. Экспериментальные исследования метода раздельного контроля изделий при параметрическом включении токовихревого датчика // Известия Томского политехнического института, 1976 г. — Т. 221. — С. 67-71
11. Вторушина К.А., Вотяков В.Ф., Александров А.А. Визретоковое устройство для выявления патологии верхнечелюстных пазух // Современные техника и технологии: труды XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-28 марта 2008 года, Томск. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - Т. 1. -С. 458-459.
12. Свид. на полезн. модель 53129 Россия (51) МПК А61В 5 00. Устройство для диагностики патологии верхнечелюстных пазух/ А.В. Староха, А.А. Александров, М.В. Шилов, В.Ф. Вотяков, Д.В. Миляев. Заявлено 03.11.2005; 0публ.10.05. 2006, Бюл. №. 13. - С. 5. ил. 1.
Поступила 10.10.2014
