Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

331

ЭМВ падает на границу раздела из воздуха под углами 0°, 30°, 45°, 60°, 90° от нормали к ее по-

верхности (рис. 5.5 - 5.7).

Рис. 5.5. Зависимость коэффициента отражения ЭМВ от угла падения при прохождении через слоистую структуру (р - поляризация). Нумерация графиков: 1- угол падения ЭМВ равен 0°, 2 - 30°, 3

- 45°, 4 - 60°, 5 - 90°. Нумерация границ раздела: 1 – кожа-воздух, 2 – кожа-жир, 3 – жир –мышцы, 4 –

мышцы –кровь.

Рис. 5.6. Зависимость коэффициента отражения ЭМВ от угла падения при прохождении через слоистую структуру (s - поляризация). Нумерация графиков и границ раздела аналогична рис. 4.5.

Неполяризованную ЭМВ можно представить как сумму двух составляющих с p - и s - поляри-

зациями равной интенсивности. Соответственно, коэффициент отражения для интенсивности непо-

ляризованного света может быть записан в виде:

R = 1/2 (Rp + Rs) .

332

Рис. 5.7. Зависимость коэффициента отражения ЭМВ от угла падения при прохождении через слоистую структуру (неполяризованная ЭМВ). Нумерация графиков и границ раздела аналогична рис.5.5.

Как видно из рис. 5.5, 5.6 угол падения ЭМВ на границу раздела кожа-воздух существенно вли-

яет на коэффициент отражения ЭМВ для поляризованного излучения, но для неполяризованного из-

лучения данный параметр является менее существенным.

5.1.4. Чувствительность коэффициента отражения ЭМВ от многослойной структуры к

толщине, а также мнимой и действительной составляющим диэлектрической проницаемости

слоев модели

Приведенные выше выражения дают возможность количественно оценить чувствительность параметров радиолокационного сигнала, отраженного от биологического объекта и модулированного процессами дыхания и сокращений сердца.

Аналогичная задача для систем мониторинга дыхания и центрального кровообращения по па-

раметрам импеданса грудной клетки, регистрируемого контактным методом на низкочастотном токе

(20-200кГц), решается следующим образом.

Вначале оценивают изменения объема легких в дыхательном цикле (примем абсолютное зна-

чение VЛ =0.2л) и сравнивают их с функциональной остаточной емкостью (примем VОЛ =5л). Тогда

относительное изменение объема составит VЛ =40%. Соответствующие средние оценочные значе-

ния для импедансного сигнала примем равными RЛ = 2 Ом, R ОЛ =20 Ом; R Л = 10%.

334

S X r 100%X

Таблица 5.2.

Таблица 5.3.

Таблица 5.6.

336

Рис.5.8. Зависимость коэффициента отражения от границы раздела кожа-воздух для различных толщин слоев кожи(а), жира(б), мышц(в).

Преобразуем выражение (5.3) для расчета коэффициента отражения ЭМВ от поверхности кожи в зависимости от действительной составляющей диэлектрической проницаемости i-го слоя:

где 'i - действительная часть диэлектрической проницаемости i-го слоя модели.

На рис. 5.9 представлена зависимость коэффициента отражения от границы раздела кожа-

воздух от величины действительной части диэлектрической проницаемости соответствующих слоев модели (кожа, жир и мышцы) с учетом (5.5).

337

Рис.5.9. Зависимость коэффициента отражения от границы раздела кожа-воздух от величины действительной части диэлектрической проницаемости соответствующих слоев модели (а - кожа, б -

жир и в - мышцы).

Преобразуем выражение (5.3) для расчета коэффициента отражения ЭМВ от поверхности кожи в зависимости от мнимой составляющей диэлектрической проницаемости i-го слоя:

На рисунке 5.10 представлена зависимость коэффициента отражения от границы раздела кожа-

воздух от величины мнимой части диэлектрической проницаемости соответствующих слоев модели

(кожа, жир и мышцы) с учетом (5.6).

338

Рис. 5.10. Зависимость коэффициента отражения от границы раздела кожа-воздух от величины мнимой части диэлектрической проницаемости соответствующих слоев модели (а - кожа, б - жир и в

-мышцы).

5.1.5.Выводы

Предложена математическая модель, описывающая процесс отражения волны от поверхности биоткани для случаев одно- и многослойной структуры. Получены зависимости коэффициента отра-

жения зондирующего излучения для одно- и многослойной модели БО для различных типов поляри-

зации излучения, частот, углов падения волны, толщин различных слоев модели, их диэлектрических свойств (действительной и мнимой составляющих относительной диэлектрической проницаемости).

Также получены выражения и построены зависимости для чувствительности коэффициента отраже-

ния электромагнитной волны к изменениям данных параметров.

Как видно из рис. 5.5, 5.6 угол падения ЭМВ на границу раздела кожа-воздух существенно вли-

яет на коэффициент отражения ЭМВ для поляризованного излучения, но для неполяризованного из-

лучения данный параметр является менее существенным. Таким образом, можно сделать вывод, что

339

взаимное расположение БО и приемо-передающих антенн биорадиолокатора не имеет существенного влияния на принимаемый сигнал.

В предложенных одно- и многослойной моделях толщина воздушного слоя не влияет на вели-

чину коэффициента отражения ЭМВ. Таким образом, можно сделать вывод, что расстояние от пере-

дающей антенны до поверхности кожи является существенным с точки зрения его влияния на коэф-

фициент отражения ЭМВ. Однако данный параметр существенно влияет на процесс приема отражен-

ного сигнала, так как с увеличением расстояния до БО увеличивается вероятность зашумления по-

лезного сигнала отражениями от местных предметов. Кроме того, необходимо учитывать и такую характеристику биорадиолокатора как однозначная дальность.

Как видно из табличных результатов, коэффициент отражения от границы раздела сред в наибольшей степени зависит от параметров наружного слоя модели, граничащего с в воздухом (ко-

жи). Кроме того, можно сделать вывод, что величины мнимой составляющей диэлектрической про-

ницаемости тканей, в наибольшей степени влияет на величину коэффициента отражения ЭМВ. Таким образом, при моделировании процессов отражения ЭМВ волны от БО необходима более точная ин-

формация о диэлектрических свойствах биологических тканей человека in vivo, кроме того, необхо-

димо исследовать влияние физиологических процессов дыхания и кровообращения на изменение этих свойств.

340

И.А. Васильев, С.И. Ивашов, В.В.Чапурский

5.2. Теоретические основы радиолокационного выделения сигналов дыхания и

сердцебиения

5.2.1.Введение

В последнее десятилетие проявляется большой интерес к использованию радиолокационных методов в задачах, когда лоцируемыми объектами являются человек или его отдельные органы [166, 214, 191, 135, 215, 177, 67, 226, 138, 237, 127, 81]. При локации человека как живого объекта возмож-

но использование радиолокаторов малой дальности, зондирующими сигналами (ЗС) в которых по-

тенциально могут быть СВЧ сигналы разных частотных диапазонов, различной формы, длительности и ширины полосы частот. Применение радиолокаторов малой дальности может быть перспективным,

например, при решении следующих задач:

-обнаружение людей, находящихся под завалами в результате природных или техногенных катастроф [166, 191, 237];

-обнаружение и слежение за субъектами в ходе спецопераций в условиях ограниченной видимости - за стенами или перекрытиями строений, скрытых растительностью, туманом и т.п.

[166, 191, 135, 67, 237];

-досмотр контейнеров транспортных средств для выявления нелегальных лиц [166];

-дистанционное определение эмоционального состояния человека в криминалистике, на контрольно-пропускных пунктах и в составе человеко-машинных комплексов [166];

-дистанционная регистрация речевых сигналов [214, 67].

Возможны также разнообразные медицинские применения, например:

-дистанционный мониторинг пульса и дыхания пациента при нежелательности использо-

вания контактных сенсоров [166, 215, 177];

-измерение вариабельности сердечного ритма при диагностике сердечных болезней [215,

127];

-измерение эластичности кровеносных сосудов по скорости распространения пульсовой волны при определении предрасположенности к сердечно-сосудистым заболеваниям [127];

-диагностика состояния внутренних органов [215].