Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

103

2.4.5. Установка для определения диэлектрических свойств биологических тканей на

микроволновых частотах.

В задачах, когда радиолокатор применяется для зондирования внутренних органов человека,

получение сколько-нибудь значимых рекомендаций на технические характеристики разрабатывае-

мой системы или оценки ее возможностей затруднительно без знания электрических свойств биоло-

гических тканей. Для решения такой задачи, а именно для определения комплексных диэлектриче-

ских проницаемостей тканей в работе [131] предлагается простая экспериментальная установка, ис-

пользующая стандартную частоту 2.45 ГГц. Для этой цели характеристики рассеяния СВЧ излучения биологической тканью, помещенной в специальный держатель и располагаемой внутри волновода,

измеряются и сравниваются с результатами численного моделирования с использование метода ко-

нечных разностей на адаптивной сетке. Внешний вид установки изображен на рис. 2.31.

Систематические ошибки минимизировались точной калибровкой экспериментальной установ-

ки. Было показано, что полученные результаты находятся в хорошем согласии с другими результата-

ми, опубликованными в литературе. В ходе проведения измерений были получены приведенные в табл. 2.5 величины диэлектрической проницаемости и проводимости для различных типов тканей и внутренних органов крыс.

Рис. 2.31. Внешний вид установки, предназначенной для измерения

комплексной диэлектрической проницаемости образцов [131].

104

Таблица 2.5.

Были проведены аналогичные измерения комплексной диэлектрической проницаемости для тканей, загрязненных тяжелыми металлами (свинец, кадмий). В результате были получены данные,

приведенные в табл. 2.6. Содержание свинца и кадмия составляло соответственно 0.05 и 0.02 мг/г ве-

са тела. Сравнение данных в табл. 2.5 и 2.6 показывает, что тяжелые металлы существенно влияют на диэлектрические параметры тканей и органов.

Таблица 2.6.

Другие данные комплексной диэлектрической проницаемости тканей человека, приводящиеся в [11], которые охватывают широкий диапазон частот, содержаться в табл. 2.7. В этой таблице ис-

пользуются следующие обозначения: ε –относительная диэлектрическая проницаемость, χ – удельная электропроводность, λt – длина электромагнитной волны в тканях, δ – глубина проникновения (тол-

щина скин-слоя) электромагнитной волны на частоте f, которой соответствует длина волны λ в возду-

хе.

105

Толщина скин-слоя определяется как глубина, на которой интенсивность электромагнитной волны спадает в e = 2.718 раз

где и о относительная и абсолютна магнитные проницаемости. Можно с хорошим прибли-

жением считать, что относительная магнитная проницаемость для биологических тканей равна 1.

Длина электромагнитной волны в среде t с отличной от 1 и относительно низкой электропроводно-

стью связана с длиной волны в вакууме о соотношением [117]

t о

В тех случаях, когда электропроводностью среды пренебрегать нельзя, необходимо пользо-

ваться соотношением

t о Re '

где ´- комплексная диэлектрическая проницаемость, учитывающая конечную проводимость среды.

Таблица 2.7

107

новения электромагнитного излучения в тело человека и возможность проведения измерений непо-

средственно на внутренних органах человека. В частности, это особенно важно для измерения со-

кращений сердечной мышцы, передняя стенка которого находится на расстоянии 4-5 см за грудиной.

В табл. 2.8 приведены данные для диэлектрических свойств биологических тканей в широком диапазоне частот [89].

Таблица 2.8

110

измерение эластичности кровеносных сосудов путем измерения скорости распространения импульса кровяного давления при сердечном сокращении, что поможет определить предрасположен-

ность пациента к сердечно-сосудистым заболеваниям;

бесконтактную оценку психоэмоционального состояния человека, например, операторов сложных машинных комплексов [31].

В некоторых из перечисленных сфер потенциального применения, особенно для обнаружения перемещения людей за строительными конструкциями, уже существуют экспериментальные устрой-

ства, либо прототипы приборов [135, 194, 179, 229]. Однако медицинские приложения во многом не-

достаточно исследованы и обоснованы, что связано с отсутствием или несовершенством методик ис-

пользования возможной биорадиолокационной аппаратуры.

Одним из наиболее перспективных приложений рассматриваемого метода в медицине пред-

ставляется сомнология [154, 67]. Исследование расстройств дыхания во время сна является наиболее изученным разделом в медицине сна. Многочисленные работы, проводимые исследователями в со-

мнологии, относятся к одному из наиболее распространенных нарушений - патологических ночных остановок дыхания. Это связано как с весьма высокой распространённостью этого нарушения (от 3

до 8%, т.е. встречается примерно в 10 раз чаще, чем такая распространенная форма неврологической патологии, как эпилепсия), так и с существенным влиянием на здоровье и качество жизни пациентов.

Мужчины страдают этим расстройством чаще женщин в 3-8 раз.

Диагностика нарушений дыхания во время сна обычно проводится чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим методом в лабораториях сна, располагающих соответствующим диагностическим оборудованием. Этот метод требует длительной регистрации различных функций человеческого ор-

ганизма в период ночного сна. Как правило, регистрируются следующие параметры: дыхание; шум дыхания (храп); дыхательные движения грудной клетки и брюшной стенки; поток выдыхаемого воз-

духа из рта и ноздрей; положение тела; движения нижних конечностей; насыщение артериальной крови кислородом; электроэнцефалограмма и другие параметры.

Бесконтактный дистанционный мониторинг движений, дыхания и частоты сердечных сокраще-

ний (ЧСС) биорадиолокационным методом будет являться важным дополнением к полисомнологиче-

ским исследованиям, позволяя повысить комфортность проводимых ночных исследований (overnight studies) для пациента, повысить стабильность регистрируемых данных. Дистанционная регистрация