Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

Сілін Олександр Олегович

УДК 621.396.3

Електромагнітні поля випромінювачів у задачах нвч діелектрометрії
поглинаючих середовищ та у біомедичних застосуваннях

01.04.03 – радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова
Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий
співробітник

Іванов Віктор Кузьмич,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної
академії наук України, м. Харків,

завідувач відділу дистанційного зондування Землі

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Горобець Микола Миколайович,

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна Міністерства
освіти і науки України, завідувач кафедри прикладної електродинаміки

доктор фізико-математичних наук, професор

Кириченко Олександр Якович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної
академії наук України, м. Харків,

старший науковий співробітник відділу радіофізики твердого тіла

Захист відбудеться “ 25 ” грудня 2007 р. о 16-30 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в Інституті радіофізики та
електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак.
Проскури, 12).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці IРЕ ім. О.Я. Усикова НАН
України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури,12).

Автореферат розісланий “ 19 ” листопада 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Електромагнітне випромінювання надвисокочастотного
(НВЧ) діапазону у наш час знаходить широке застосування як у наукових
дослідженнях, так і у різних технологічних процесах у промисловості, у
діагностиці та лікуванні захворювань у медицині. Ефективність його
використання неможливо забезпечити без знання електричних властивостей
середовищ, з якими електромагнітні сигнали взаємодіють, або крізь які
поширюються. Необхідність вимірювання діелектричних сталих речовин
(діелектрометрії) виникає у фізиці при дослідженні нових матеріалів, у
біології для контролю концентрації білкових препаратів; у промисловості
і сільському господарстві для контролю вологості сировини та
сільськогосподарських продуктів; у будівництві для неруйнівного контролю
будівельних матеріалів.

Великої актуальності набувають методи НВЧ діелектрометрії живих тканин
для ранньої діагностики різних захворювань, насамперед онкологічних.
Особливою вимогою до таких методів є можливість оперативного
неінвазивного (без хірургічного втручання) вимірювання діелектричних
характеристик біологічних тканин. Не менш важлива можливість виявлення
неоднорідності діелектричних властивостей, локалізованих в дуже малих
об’ємах речовини. У найбільшій мірі обом цим вимогам задовольняє метод
вимірювання комплексної діелектричної проникності відкритим кінцем
коаксіальної лінії, який отримав завдяки своїм унікальним особливостям
доволі широке розповсюдження.

Однак питання практичного застосування методу, що враховують
особливості біологічних тканин, як середовищ з частотною дисперсією та
поглинанням, недостатньо вивчені. Потребують уточнення межі його
придатності, точність та роздільна здатність, а також залежність цих
параметрів від характеру середовища, частотного діапазону, типів
застосованих зондів. Для практичної реалізації актуальною задачею
залишається підвищення оперативності вимірювань.

Актуальність досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, визначається
необхідністю подальшого розвитку фізичних уявлень про зв’язок
характеристик випромінювання і відбиття електромагнітних хвиль від
відкритого кінця коаксіальної лінії з діелектричними параметрами
оточуючого середовища, розробки на цій основі більш досконалих
математичних моделей, що забезпечують точність методу разом з
оперативністю. Накопичені достовірні дані про діелектричні
характеристики біологічних тканин, в свою чергу, дозволять створювати
ефективні засоби та методи застосування НВЧ випромінювання у медицині.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що
складають основу дисертації, виконані у рамках держбюджетних
науково-дослідних робіт у Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.
Усикова НАН України: “Дослідження взаємодії радіохвиль з природними
об’єктами та розробка методів дистанційної діагностики оточуючого
середовища”, шифр “Равелін” (2000-2004 рр., номер державної реєстрації
0100U006443); “Дослідження електромагнітних полів у середовищах з
поглинанням та частотною дисперсією з неявно вираженими границями
шарів”, шифр “Ікар” (2002-2006 рр., номер державної реєстрації
0102U003138); “Радіофізичні методи та засоби у задачах моніторингу
зовнішнього середовища і в біомедичних застосуваннях”, шифр “Ірідій”
(2007-2011 рр., номер державної реєстрації 0106U11979), в яких автор був
виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка
ефективних методів вимірювання в НВЧ діапазоні комплексної діелектричної
проникності дисперсійних поглинаючих середовищ, зокрема біологічних
тканин. Відповідно до цього в роботі потрібно було розв’язати наступні
задачі:

отримати розв’язок задачі знаходження адмітансу відкритого кінця
коаксіальної лінії у плоскошаруватому середовищі при урахуванні
довільної кількості мод вищого порядку, що збуджуються на апертурі, та
розробити оптимальні обчислювальні алгоритми;

оцінити похибки і чутливість методу відкритого кінця коаксіальної лінії
для найбільш вживаних коаксіальних зондів при зондуванні середовищ з
параметрами біологічних тканин;

дослідити можливість вимірювання діелектричної проникності рідких та
агресивних середовищ коаксіальним зондом, що ізольований тонким
детермінованим шаром діелектрика;

розробити комплекс апаратури та методик для вимірювання діелектричних
характеристик поглинаючих середовищ методом відкритого кінця
коаксіальної лінії і реєстрації розподілів електромагнітних полів у
фантомах біологічних тканин;

провести експериментальні дослідження характеристик випромінювання
різних аплікаторів, що призначені для установок НВЧ гіпертермії.

Об’єктом дослідження є електромагнітні поля надвисокочастотних
випромінювачів в середовищах з частотною дисперсією і поглинанням.

Предметом досліджень є електродинамічні характеристики коаксіальних
зондів як основа метода вимірювання комплексної діелектричної
проникності поглинаючих середовищ.

Основними методами досліджень були методи теорії електромагнітного поля
у спрямовуючих структурах, комп’ютерне моделювання, зокрема чисельні
експерименти з метою оцінки похибок і чутливості запропонованих методик
визначення діелектричної проникності, методи математичної статистики для
обробки отриманих експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів

вперше отримано вираз для адмітансу відкритого кінця коаксіальної лінії,
навантаженого на плоскошарувате поглинаюче середовище, який дозволяє
оцінити внесок кожної з мод вищого порядку, що збуджуються на апертурі;

чисельно оцінено внесок факторів, що обумовлені особливостями реальної
геометрії задачі, до сумарної похибки вимірювання комплексної
діелектричної проникності поглинаючих середовищ коаксіальними зондами;

отримано необхідні розрахункові співвідношення, розроблено і
експериментально апробовано методику вимірювання діелектричної
проникності ізольованими коаксіальними зондами, які відзначаються більш
стабільними параметрами при роботі в агресивних середовищах; зроблено
оцінки чутливості таких зондів;

вперше показано необхідність урахування вищих мод при вимірюванні
діелектричних характеристик тонких зразків на металевій основі навіть
при малих (по відношенню до довжини хвилі у зразку) розмірах апертури
коаксіального зонда.

Практичне значення одержаних результатів

Запропоновані у дисертації конструкція та методика вимірювання
ізольованим коаксіальним зондом можуть бути використаними при створенні
зразків апаратури для діелектрометрії рідких та агресивних середовищ.

Розроблені автором оптимальні по швидкості розрахунків методи
діелектричних вимірювань відкритим кінцем коаксіальної лінії можуть бути
рекомендовані для практичного застосування в діагностичних установках
медичного призначення.

Ідеї і технічні рішення, втілені в автоматизованому стенді для
реєстрації розподілень полів НВЧ випромінювачів у поглинаючих
середовищах, можуть бути використані при розробці технічних засобів і
методик перевірки медичних установок електромагнітної гіпертермії.

Одержані у роботі результати знайшли практичне застосування в
Харківській державній зооветеринарній академії в дослідженнях впливу
електромагнітного випромінювання на репродуктивну функцію свійських та
дрібних сільськогосподарських тварин [8,10], в Інституті загальної та
невідкладної хірургії АМН України при дослідженнях можливості
застосування НВЧ гіпертермії у комплексному лікуванні гнійно-септичних
ускладнень [7].

Особистий внесок здобувача. У роботах, що написані у співавторстві,
автор брав участь у постановці та розв’язанні задач з розробки
математичних моделей, оцінювання їх точності, а також у аналізі
отриманих результатів. Алгоритми і методи, що використовувались у
дослідженнях та представлені у дисертації, були реалізовані автором у
вигляді комп’ютерних програм. У роботах [1-3,5,11] автором було
розроблено методику чисельних експериментів по оцінці похибок методу
відкритого кінця коаксіальної лінії та чутливості коаксіальних зондів. В
[4] ним запропоновано ідею вимірювання діелектричної проникності рідких
середовищ та біологічних тканин ізольованим коаксіальним зондом і
адаптовано належним чином методику вимірювань. У роботах [6,9] автором
розроблено структуру стенда, окремі частини системи реєстрації сигналів,
методику вимірювань і програмне забезпечення, а також отримані
експериментальні дані про розподілення полів різних випромінювачів у
фантомах біологічних тканин. В [7,8,10] автор брав участь у розробці
методик експериментів та вузлів необхідної радіофізичної апаратури.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були
представлені на наступних наукових конференціях: 1-я международная
научно-техническая конференция “Инфотелекоммуникационные технологии в
науке, производстве и образовании” (СевКавГТУ, Ставрополь, Россия, 19
декабря 2004); XIIth International Congress on Animal Hygiene ISAH 2005
(Warsaw, Poland, 4-8 September 2005); 5-я международная
научно-техническая конференция «Проблемы информатики и моделирования»
(Харьков, Украина, 24-26 ноября 2005 г.); The Sixth International
Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter
and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies (Kharkov,
Ukraine, June 25-30, 2007).

Публікації: Основні наукові результати дисертації опубліковані у 8
статтях у наукових журналах та збірниках [1-8], та у 4 тезах доповідей
конференцій [9-12].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу,
чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатка.
Робота містить 3 таблиці та 55 рисунків (8 рисунків розташовано на 5
окремих сторінках). Список використаних джерел нараховує 90
бібліографічних найменувань на 10 сторінках. Загальний обсяг роботи
складає 142 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми та прикладне значення
дисертації. Викладено зв’язок роботи з науковими планами і програмами
Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України.
Сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна одержаних
результатів та їх практичне значення. Визначено особистий внесок
здобувача, наведено відомості про апробацію та публікації результатів
дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертації дано стислий огляд існуючих методів
вимірювання комплексної діелектричної проникності у НВЧ діапазоні, а
основну увагу зосереджено на методі відкритого кінця коаксіальної лінії.
Розглянуто основні математичні моделі, що встановлюють зв’язок між
коефіцієнтом відбиття або адмітансом зонда і діелектричними сталими
середовища, що зондується, і проведено їх порівняльний аналіз.
Розглянуто обмеження та особливості методу, пов’язані з реальними
умовами вимірювань, і показано необхідність їх поглибленого аналізу.
Відзначено недостатню вивченість питання вірогідності і відтворюваності
результатів неінвазивних вимірювань параметрів біологічних тканин и
твердих зразків. Зроблено висновок про необхідність розробки ефективних
обчислювальних процедур, що забезпечують використання повнохвильових
моделей адмітансу зонда при вимірюваннях в режимі реального часу.

У другому розділі розглянуто задачу про випромінювання з відкритого
кінця коаксіальної лінії в плоскошарувате середовище з довільною
кількістю шарів, обмежену або ідеально провідною площиною, або
діелектричним півпростором. Подано пряме (без використання варіаційного
методу) виведення аналітичного виразу для адмітансу відкритого кінця
коаксіальної лінії, що навантажений на таке середовище, у вигляді ряду

,

– ураховує збудження на апертурі вищої TM0n моди.

, де R1(q) для загального випадку багатошарового середовища
розраховується з наведених у дисертації рекурентних співвідношень.

Таке подання також є найкращим для проведення чисельних розрахунків,
тому що побудовані на ньому алгоритми мають найбільшу швидкодію.

).

В цих окремих випадках проведено порівняння результатів, отриманих за
допомогою запропонованої моделі, і розрахунків за одномодовою моделлю.
Так, на прикладі зондування півпростору з діелектричними сталими
метанолу и води зондами з хвильовим опором 50 Ом двох розмірів, типових
для НВЧ діапазону, показано, що найбільшої величини похибки одномодового
наближення можуть досягати при зондуванні води зондом діаметром 4 мм –
до 18% по дійсній частині та до 35% по уявній частині діелектричної
проникності. Показано, що у випадку вимірювання діелектричних
характеристик тонких зразків на металевій основі урахування вищих мод,
що збуджуються на апертурі, необхідне навіть для матеріалів з малими
значеннями діелектричної проникності, для вимірювання якої на товстих
зразках при тих же розмірах зонда и частоті цілком достатньо
одномодового наближення. Наведені на рис.1 залежності модуля та фази
коефіцієнту відбиття 4-мм зонду від товщини шару матеріалу з
діелектричними параметрами (‘ = 3,1, (» = 0,015, обмеженого провідною
площиною, на частоті 10 ГГц свідчать, що найбільш вагома різниця між
результатами, отриманими за допомогою запропонованої моделі (МС) з
урахуванням 10 вищих TM0n мод і одномодової (ОМ) має місце при товщині
шару близько 0,4 мм, у той час як при товщині більше 3 мм вона стає
незначною

Рис.1. Залежність коефіцієнту відбиття від товщини шару діелектрика,
обмеженого провідною площиною

У третьому розділі розглядається вплив на результат вимірювання
діелектричної проникності факторів, що не враховуються теоретичними
моделями. Так, усі електродинамічні моделі припускають наявність
нескінченного ідеально провідного фланця у площині апертури зонду, як
показано на рис.2а. Практично ж розміри фланця завжди обмежені, а
найбільш зручним і простим у виготовленні є зонд без фланця (рис.2б).
Крім того, у багатьох випадках неможливе занурення зонду у середовище,
тому необхідно розглядати геометрію, наведену на рис.2в. Необхідно також
визначати мінімальні розміри самого зразка, при яких він може
розглядатися як напівпростір.

Рис.2. Варіанти геометрії вимірювань

У роботі наведено оцінки, зроблені за допомогою чисельного моделювання
реальної геометрії задачі методом скінченних різниць у часовій області
(FDTD). Параметри середовищ, діапазон частот та розміри коаксіальних
зондів при моделюванні обирались, виходячи з переважного використання
методу відкритого кінця коаксіальної лінії для неінвазивних вимірювань у
НВЧ діапазоні діелектричної проникності біологічних тканин. Моделювання
проводилось з використанням кількох послідовних ітерацій з подрібненням
сітки, на яку розбивалась структура, до отримання збіжності розв’язків
(відносної різниці між результатами двох послідовних ітерацій) не гірше,
ніж 2?10-3. Отримані таким чином значення комплексного коефіцієнта
відбиття у площині апертури зонда бралися за справжні і з ними
порівнювались результати розрахунків за моделями. Встановлено, що для
середовищ з діелектричними параметрами, які змінюються від значень,
властивих біологічним тканинам з низьким вмістом води (жирова,
кісткова), до значень, відповідних деіонизованій воді в діапазоні частот
від 2 до 18 ГГц, похибки, пов’язані з особливостями реальної геометрії
задачі, суттєво менші за похибки внаслідок неврахованих вищих мод. На
рис.3 наведено відхилення значень модуля та фази коефіцієнту відбиття
від апертури зонда з радіусами провідників відповідно a=0,34 мм, b=1,1
мм, B=1,4 мм і (с=2,05 (у подальшому 2-мм зонд) у деіонізованій воді,
отриманих за допомогою розробленої моделі, від результатів чисельного
моделювання згаданих варіантів (див. рис.2) геометрії задачі. Також
наведено відхилення від результатів розрахунків за одномодовою моделлю
(ОМ). Проведені чисельні експерименти дозволили оцінити вплив сукупності
похибок, що виникають при реалізації методики вимірювань з калібруванням
по трьом еталонам (одним з еталонних середовищ розглядався ацетон), на
точність визначення шуканої діелектричної проникності. Встановлено, що
відсутність фланця у зонда найбільш впливає на точність вимірювання
діелектричних параметрів води на частотах вище 10 ГГц (завищення до 7 %
значень (‘ та до 15 % («). Найбільш суттєвою похибкою при зондуванні
біологічних тканин є заниження приблизно на 8 % значень (» м’язової
тканини на частотах вище 5 ГГц при вимірюванні з торканням поверхні.

Рис.3. Похибки розрахунку коефіцієнта відбиття від кінця зонда, що
обумовлені геометрією задачі

Вплив границь зразка розглянуто на прикладі ацетону, що
використовується як еталонна рідина. Чисельне моделювання експерименту,
у якому кінець зонда занурений на 3 мм в ацетон, що знаходиться в
скляній склянці на металевій основі, показало, що при збільшенні
відстані від границь апертури до дна і бічних стінок склянки до 6 мм на
частоті 2,45 ГГц і до 8 мм на частоті 10 ГГц середовище, що зондується,
може розглядатися як необмежене.

Отримано чисельні оцінки чутливості коаксіальних зондів при зондуванні
біологічних середовищ. Розрахунки виконано для трьох частот НВЧ
діапазону, двох типових зондів і двох середовищ з характерними
діелектричними параметрами жирової і м’язової тканин. Результати
наведено у вигляді графіків залежностей відносних похибок визначення (‘
і (» від похибок вимірювання модуля (( і фази (( коефіцієнта відбиття.
Встановлено, що при зондуванні жирової тканини помилки вимірювання
модуля приводять до значних похибок визначення тільки («, а помилки
вимірювання фази – до похибок визначення (‘. У випадку м’язової тканини
кожна з помилок впливає на точність визначення обох діелектричних
сталих. Однак у цілому, відносні похибки значно менші, ніж для жирової
тканини. Більш чутливим тут виявляється більш тонкий 2-мм зонд.
Показано, що при точності вимірювання коефіцієнта відбиття не гірше 1 %
по модулю і 1( по фазі застосування такого зонда в діапазоні частот від
2 до 10 ГГц дозволить визначати (‘ м’язової тканини з похибкою не більш
3 % і (» — не більш 5 %. Застосування цього ж зонда для визначення
параметрів жирової тканини в тому ж діапазоні призводить до неприпустимо
великих похибок. На частотах 5 ГГц і вище прийнятну точність (похибка
вимірювання (‘ не більш 5 %, а (» — не більш 15 %) забезпечує 4-мм зонд.
Для вимірювання на більш низьких частотах потрібно використовувати зонд
із ще більшою апертурою.

*

.

Z

\

4 6 U oeoeoooooooooooooooooeonnnnae

?

’ o u ue oeoaeUo?ae????aeaeUUaeaeaeaeaeaeaeae

`„

`„0

??

L

N

`

b

Dнеможливості проведення вимірювань. На основі розробленої моделі
адмітансу адаптовано методику вимірювань для такого зонда. Наведено
чисельні оцінки чутливості, які показують, що, незважаючи на деяку її
втрату в порівнянні з традиційним методом, ізольований зонд може знайти
застосування через більшу стабільність параметрів.

за допомогою номограм, побудованих у координатах (‘,d, можливо досить
точне одночасне визначення обох цих параметрів за результатами
вимірювання модуля і фази коефіцієнта відбиття.

У четвертому розділі дисертації наведено результати, отримані при
експериментальному відпрацьовуванні запропонованої методики вимірювань
із застосуванням трьох виготовлених коаксіальних зондів: 2-мм зонда без
фланця; 2-мм зонда з фланцем радіусом 9 мм; ізольованого зонда з фланцем
радіусом 7 мм (ізоляція — плівка поліетилентерефталату товщиною 0,1 мм).
Тестування розробленої методики і виготовлених макетів коаксіальних
зондів у діапазоні від 2 до 12 ГГц проводилося на рідинах з відомими
діелектричними властивостями – метанолі й етиловому спирті. Попередньо
проводилося калібрування по трьом еталонам, у якості двох з яких завжди
використовувалися вільний простір і хімічно чистий ацетон. У якості
третього в одних випадках використовувалася ртуть (як короткозамикач), а
в інших — дистильована вода. Частотні залежності діелектричних сталих як
еталонних рідин, так і тих, що тестувалися (для порівняння з
результатами експерименту), розраховувалися по формулі Дебая з
відповідними параметрами. Виміряні значення дійсної частини комплексної
діелектричної проникності збіглися з теоретичними з відхиленням не більш
5 %. По уявній частині відхилення збільшувалося до 10 % на верхньому
краї діапазону при вимірюванні зондом без фланця. Застосовність у якості
одного з еталонних середовищ для калібрування як ртуті (коротке
замикання), так і дистильованої води підтверджена практично ідентичними
результатами, отриманими з обома варіантами калібрування. Виключення
складає частотне обмеження застосування провідного середовища для
калібрування ізольованого зонда з фланцем, пов’язане з виникненням
резонансу в ізолюючій плівці, що було виявлено за результатами чисельних
розрахунків і підтверджено експериментально. Отримані в експерименті
відхилення на окремих частотах при вимірюванні одним із зондів
обумовлюються дефектами конструкції останнього. Для виключення подібного
роду помилок рекомендовано вимірювання завжди проводити в деякій смузі
частот, або не менш ніж двома зондами.

Наведено результати вимірювання комплексної діелектричної проникності
тканин деяких внутрішніх органів сільськогосподарських тварин. На
прикладі зразка м’язової тканини оцінена відтворюваність таких
вимірювань. Наводяться середні значення і стандартні відхилення,
отримані в результаті серії з 10 вимірювань частотної залежності
діелектричної проникності кожним із зондів. Отримані результати в цілому
погоджуються з відомими значеннями діелектричних сталих м’язової тканини
і їх частотної залежності і підтверджують застосовність методики для
таких досліджень. Причиною відхилень, що малися в деяких випадках, могла
бути неоднозначність умов, у яких проводяться неінвазивні (контактні)
вимірювання діелектричних властивостей біологічних тканин.

У розділі також висвітлено ще один напрямок прикладних досліджень, у
яких використовується метод вимірювання діелектричних параметрів рідких
поглинаючих середовищ відкритим кінцем коаксіальної лінії.
Цілеспрямоване застосування НВЧ випромінювання в медицині, у
ветеринарії і деяких технологічних процесах неможливе без створення
ефективних засобів уведення цього випромінювання у певні об’єкти чи
середовища, що, у свою чергу, ставить задачу розробки методик і засобів
експериментального дослідження розподілу електромагнітних полів у
ближній зоні різних випромінювачів у середовищах з високим поглинанням.
У розділі наводяться результати розробки автоматизованого стенда з
програмним забезпеченням для реєстрації розподілів електромагнітних
полів випромінювачів НВЧ діапазону в рідких фантомах біологічних тканин
(рідин з діелектричними характеристиками, аналогічними реальним
біологічним тканинам). Діелектричні сталі фантомів, які
використовувались в експериментальних дослідженнях, контролювалися як
на етапі приготування, так і періодично в ході експериментів за
допомогою розробленої методики вимірювання відкритим кінцем коаксіальної
лінії. Розроблені датчик поля – ізотропний зонд – і система реєстрації
сигналів забезпечили візуалізацію розподілу відносної інтенсивності
електричної компоненти поля в динамічному діапазоні до 30 дБ з
роздільною здатністю по градієнту поля не гірше 1 дБ/мм.

Представлено результати розробки й тестування макета
мікросмужково-щілинного аплікатора для локальної дії електромагнітним
випромінюванням частотою 2,45 ГГц на невеликі (площею до 3 см2) ділянки
біологічних тканин, що був випробуваний в експериментальних
дослідженнях впливу НВЧ випромінювання на репродуктивну функцію тварин і
на запальні процеси в організмі, що проводилися разом із вченими
Харківської державної зооветеринарної академії й Інституту загальної і
невідкладної хірургії АМН України. Виміряний на стенді розподіл поля
аплікатора показав гарний збіг з даними, отриманими чисельним
моделюванням.

На стенді були також обміряні на частоті 915 МГц розподіли полів,
створюваних у фантомі м’язової тканини штатними аплікаторами
(зовнішнього і внутріпорожнинного типів) установки медичної НВЧ
гіпертермії “Яхта-3”. Вимірювання дозволили визначити зону їхнього
ефективного впливу – характеристику, що дотепер не перевіряється через
відсутність подібних технічних засобів.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі було розв’язано актуальну наукову задачу розробки
ефективного метода вимірювання в НВЧ діапазоні комплексної діелектричної
проникності поглинаючих середовищ, зокрема біологічних тканин. Задача
вирішена шляхом теоретичного аналізу випромінювання з відкритого кінця
коаксіальної лінії у поглинаюче середовище, чисельного моделювання
розподілу електромагнітних полів реальних коаксіальних зондів у таких
середовищах, експериментальної перевірки розроблених методик вимірювань.
Вирішення цієї наукової задачі сприятиме підвищенню точності та
оперативності вимірювань діелектричної проникності біологічних тканин.

Основні результати полягають у наступному:

Одержано вираз для адмітансу відкритого кінця коаксіальної лінії,
навантаженого на шарувату діелектричну структуру з втратами, що обмежена
або ідеально провідною площиною, або діелектричним півпростором, який
дозволяє оцінити внесок кожної з вищих мод, що збуджуються на апертурі.

За допомогою чисельного моделювання оцінено внесок до сумарної похибки
вимірювання комплексної діелектричної проникності поглинаючих середовищ
коаксіальними зондами факторів, що обумовлені особливостями реальної
геометрії задачі: скінченністю діаметра фланця коаксіального зонда (чи
його відсутністю), розмірами зразка, глибиною занурення зонда у
середовище.

Отримано оцінки чутливості розглянутого метода при НВЧ діелектрометрії
різних типів біологічних тканин; показано важливість правильного
вибору розмірів зонда для конкретного типу тканини і частотного
діапазону.

Розглянуто особливості вимірювання діелектричних характеристик тонких
зразків; показано, що в цьому випадку урахування вищих мод необхідне
навіть для матеріалів з малими значеннями діелектричної проникності, для
вимірювання якої на товстих зразках при тих же розмірах зонда і частоті
цілком достатньо одномодового наближення.

Запропоновано методику вимірювання комплексної діелектричної проникності
коаксіальним зондом з відкритим кінцем, що ізольований від середовища
тонким шаром діелектрика. Одержані чисельні оцінки чутливості показують,
що, незважаючи на деяку її втрату, ізольований зонд може знайти
застосування завдяки більшій стабільності параметрів.

Запропоновано використовувати номограми для прискорення процесу
вимірювання при збереженні точності, що забезпечується застосуванням
повнохвильових моделей адмітансу коаксіального зонда. Розраховано
номограми для визначення діелектричних характеристик біологічних тканин
на декількох частотах НВЧ діапазону коаксіальними зондами. Показано, що
для тонких зразків діелектриків з малими втратами у певному діапазоні
співвідношень діелектричної проникності і товщини зразка за допомогою
номограм можливе достатньо точне одночасне визначення обох цих
параметрів

Підтверджено ефективність розробленої методики вимірювання комплексної
діелектричної проникності результатами її експериментального тестування
на еталонних рідинах із застосуванням різних зондів у діапазоні частот
від 2 до 12 ГГц (відхилення виміряних значень дійсної частини
діелектричної проникності від теоретичних не перевищувало 5 %, а по
уявній частині збільшувалось до 10 % на верхньому краю діапазону при
вимірюванні зондом без фланця); отримано задовільну відповідність
результатів вимірювання діелектричної проникності зразків м’язової
тканини даним, що одержані раніше іншими методами.

В рамках дисертаційної роботи також розроблено автоматизований стенд з
програмним забезпеченням для реєстрації розподілень електромагнітних
полів випромінювачів НВЧ діапазону в рідких поглинаючих середовищах і
мікросмужково-щілинний аплікатор для локального впливу електромагнітним
випромінюванням частотою 2,45 ГГц на невеликі (площею до 3 см2) ділянки
біологічних тканин. Виміряні на стенді розподіли полів аплікаторів для
НВЧ гіпертермії (як оригінальних макетів, так і промислових зразків) в
фантомах біологічних тканин дозволили визначити зону їх ефективного
впливу – характеристику, яка досі не перевіряється через відсутність
подібних технічних засобів.

Публікації автора за темою дисертації

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Погрешности определения
комплексной диэлектрической проницаемости методом открытого конца
коаксиальной линии // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т
радиофизики и электроники НАН Украины. — 2005. — Т. 10, №3. — C.
482-489.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Чувствительность коаксиальных
зондов для измерения комплексной диэлектрической проницаемости
диссипативных сред // Изв. вузов. Радиоэлектроника. — 2006. — Т. 49, №
6. — С. 39-47.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Измерение комплексной
диэлектрической проницаемости веществ методом открытого конца
коаксиальной линии // Успехи современной радиоэлектроники. — 2007. — №7.
— C.66-79.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Определение диэлектрической
проницаемости материалов изолированным коаксиальным зондом // Изв.
вузов. Радиоэлектроника. — 2007. — Т. 50, № 7. — С. 30-40.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Особенности определения
диэлектрической проницаемости тонких слоев коаксиальными зондами //
Электромагнитные волны и электронные системы. — 2007. — Т. 12, № 3. — С.
38-45.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М., Васильев А.С. Экспериментальные
исследования распределения электромагнитных полей медицинских
СВЧ-аппликаторов // Успехи современной радиоэлектроники. — 2005. — №9. —
C.30-35.

Иванова Ю.В., Силин А.О., Стадник А.М., Васильев А.С. Применение СВЧ
облучения брюшной полости при гнойном перитоните, экспериментальное
исследование // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. — 2005. —
№ 11-12. — С. 76-80.

Иванов В.К., Силин А.О., Васильев А.С., Боцман В.В., Симоненко В.И.,
Черный Н.В. Изменения структуры семенников кролика при различных
способах нагрева // Электромагнитные волны и электронные системы. —
2005. — Т. 10, № 11-12. — С. 52-55.

Иванов В.К., Силин А.О., Васильев А.С., Левадный Ю.В., Иванова Ю.В.
Автоматизированный стенд для регистрации распределения электромагнитных
полей в поглощающих средах // Инфотелекоммуникационные технологии в
науке, производстве и образовании: Первая международная науч.-техн.
конференция, г.Ставрополь, 19 декабря 2004 г. / СевКавГТУ. –
Ставрополь, 2004. — С. 66-71.

Botsman V., Cherny N., Simonenko V., Shetinski I., Zakhar’ev A., Ivanov
V., Silin A. Changes in the structure of rabbit’s testicles under
different ways of heating // XIIth International Congress on Animal
Hygiene ISAH 2005 Warsaw, Poland. — 2005. — V2. P. 431-434.

Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Определение диэлектрических
характеристик поглощающих сред методом открытого конца коаксиальной
линии: численный анализ погрешностей // Проблемы информатики и
моделирования: Материалы пятой междунар. науч.-техн. конф. (Харьков,
24-26 ноября 2005г.). — Харьков, 2005. — С.44.

Ivanov V.K., Silin O.O., Stadnyk O.M. A Nomogram Technique for Microwave
Permittivity Determination Using an Open-Ended Coaxial Probe // The 6-th
Intern. Kharkov Symp. on Phys. and Engin. of MSMW (Kharkov, Ukraine,
June 25-30, 2007): Proc. — 2. — P. 910-912.

Анотації

Сілін О.О. Електромагнітні поля випромінювачів у задачах НВЧ
діелектрометрії поглинаючих середовищ та у біомедичних застосуваннях –
Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних
наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. Інститут радіофізики та
електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, Харків, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розробці ефективного методу вимірювання в
НВЧ діапазоні комплексної діелектричної проникності середовищ з
поглинанням і частотною дисперсією відкритим кінцем коаксіальної лінії.

Отримано зручний для розрахунків вираз для адмітансу коаксіального
зонда, який дозволяє явно виділити внесок кожної моди вищого порядку, що
збуджуються на його апертурі.

Методами чисельного моделювання досліджено похибки, що виникають через
неповну відповідність математичної моделі реальній геометрії зонда та
його розташуванню відносно середовища, що зондується.

Зроблено оцінки чутливості методу відкритого кінця коаксіальної лінії
при визначенні в НВЧ діапазоні діелектричних сталих біологічних тканин і
показано важливість правильного вибору розмірів зонда для конкретного
типу тканини. Запропоновано і експериментально перевірено методику
вимірювання діелектричної проникності рідких середовищ ізольованим
коаксіальним зондом.

Наведено результати експериментального тестування методу із
застосуванням різних коаксіальних зондів і результати вимірювання
комплексної діелектричної проникності зразків м’язової тканини.

Ключові слова: комплексна діелектрична проникність, відкритий кінець
коаксіальної лінії, модель адмітансу, ізольований зонд, чутливість,
похибки вимірювання, біологічні тканини.

Силин А.О. Электромагнитные поля излучателей в задачах СВЧ
диэлектрометрии поглощающих сред и в биомедицинских приложениях. –
Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических
наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. Институт радиофизики и
электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке эффективного метода
измерения в СВЧ диапазоне комплексной диэлектрической проницаемости сред
с поглощением и дисперсией открытым концом коаксиальной линии.

Разработана удобная для вычислений полноволновая модель адмитанса
коаксиального зонда, нагруженного на слоистую диэлектрическую среду, в
виде ряда по числу высших мод, возбуждаемых на его апертуре. Такое
представление адмитанса позволяет явно выделить вклад каждой моды
высшего порядка, возбуждаемой на открытом конце коаксиальной линии, и
оценить в каждом конкретном случае количество учитываемых мод,
необходимое для обеспечения компромисса между требуемой точностью
расчетов и временем вычислений.

Исследованы особенности измерения рассмотренным методом диэлектрических
характеристик тонких образцов. Показано, что в этом случае возбуждаемые
на апертуре высшие моды необходимо учитывать даже при зондировании
материалов с малыми значениями диэлектрической проницаемости, для
измерения которой на толстых образцах при тех же размерах зонда и
частоте достаточно одномодового приближения.

Методами численного моделирования исследованы погрешности, возникающие
из-за неполной адекватности применяемых математических моделей реальной
геометрии зонда и его расположению относительно зондируемой среды.

Особое внимание уделено вопросам чувствительности метода открытого конца
коаксиальной линии применительно к зондированию в СВЧ диапазоне
биологических тканей. На примере оценки чувствительности двух типичных
коаксиальных зондов показана важность правильного выбора размеров зонда
для конкретного типа ткани и частотного диапазона

Исследована возможность измерения комплексной диэлектрической
проницаемости жидких и агрессивных сред зондом в виде открытого конца
коаксиальной линии, изолированного от зондируемой среды тонким слоем
диэлектрика. Адаптирована на этот случай методика измерений.
Представленные численные оценки показывают, что, несмотря на некоторую
потерю чувствительности по сравнению с традиционным методом,
изолированный зонд может найти применение ввиду большей стабильности
параметров.

Предложен номограммный подход к решению обратной задачи – восстановлению
значений диэлектрических постоянных среды по измеренным значениям
комплексного коэффициента отражения, — который в определенных условиях
может существенно ускорить процесс измерений при сохранении точности,
обеспечиваемой применением полноволновых моделей адмитанса коаксиального
зонда.

Приведены результаты экспериментального тестирования метода на эталонных
жидкостях с применением различных зондов в диапазоне частот от 2 до
12 ГГц, а также результаты измерения диэлектрической проницаемости
образцов мышечной ткани.

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований распределения
электромагнитных полей различных излучателей в жидких средах (фантомах),
имитирующих диэлектрические свойства биологических тканей. В этих
исследованиях также нашел применение метод измерения диэлектрической
проницаемости для контроля свойств фантомов. В диссертации приведены
структура, технические характеристики и принцип действия разработанного
стенда для проведения таких исследований, и измеренные на нем
распределения электромагнитных полей, создаваемых в фантомах мышечной
ткани аппликаторами для установок медицинской СВЧ гипертермии.

Ключевые слова: комплексная диэлектрическая проницаемость, открытый
конец коаксиальной линии, модель адмитанса, изолированный зонд,
чувствительность, погрешности измерения, биологические ткани.

Silin O.O. Electromagnetic fields of radiators in problems of microwave
dielectroscopy of dispersive lossy media and in biomedical applications.
– Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality
01.04.03 – radiophysics. Usikov’s Institute for Radiophysics and
Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkіv,
2007.

Thesis is devoted to development of an effective method for measurement
of complex permittivity of lossy media with frequency dispersion by the
method of open-ended coaxial line.

Expression convenient for calculations of a coaxial probe admittance
which allows eliminating the contribution of each high order mode that
is excited in its aperture is obtained.

Errors of complex permittivity measurement of lossy media due to
incomplete adequacy of mathematical models for real probe geometry and
its location relative to media under test are studied by methods of
numerical modeling.

Estimations of sensitivity of the open-ended coaxial line method for
determining dielectric properties of the biological tissue in the
microwave band indicate the importance of a correct choice of probe
sizes for certain type of tissue. The technique of complex permittivity
measurements of liquid media by an isolated coaxial probe is proposed
and tested experimentally.

Results of experimental method testing with different coaxial probes and
results of measurements of the muscle tissue samples permittivity are
presented.

Keywords: complex permittivity, open-ended coaxial line, admittance
model, isolated probe, sensitivity, inaccuracy of measurement,
biological tissue.

Наукове видання

Сілін Олександр Олегович

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ПОЛЯ ВИПРОМІНЮВАЧІВ

У ЗАДАЧАХ НВЧ ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЇ ПОГЛИНАЮЧИХ СЕРЕДОВИЩ ТА У БІОМЕДИЧНИХ
ЗАСТОСУВАННЯХ

Відповідальний за випуск Стадник О.М.

Підписано до друку 05.11.2007 г. Формат 60х84 1/16.

Друк офсетн. Ум. друк. арк. 1,0. Зам. № 49. Тираж 100 прим.

______________________________________________________________

Ротапринт ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України

61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12

PAGE 14

Похожие записи