Стр. 3 - С.Г. Веснин, М.К. Седанкин - Разработка серии антенн-аппликаторов для неинвазивного измерения температуры тканей организма человека при различных патологиях

45

ISSN 1812-3368. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». 2012

тело человека представляет собой многослойную структуру, где каж-

дый слой имеет собственное значение диэлектрической проницае-

мости и электропроводности. Поэтому материалы в [15] дают лишь

примерное представление о глубине измерения. Для более точной

оценки глубины измерения, особенно для тканей с низким влагосо-

держанием, требуется построение полных математических моделей,

основанных на численном решении уравнения теплопроводности

и уравнений Максвелла для многослойной среды с потерями. Следу-

ет отметить, что глубина измерения зависит не только от выбранно-

го диапазона рабочих частот радиотермометра, но и от конструкции

антенны, в частности ее диаметра и высоты. Еще в первых работах

предпринимались попытки численного решения уравнений Максвел-

ла и расчета яркостной температуры [25, 26]. При этом, поле антенны

рассматривалось не в виде

плоской волны, а как электромагнитное

поле открытого волновода в ближней зоне. Это был значительный

шаг вперед по сравнению с моделью плоской волны, но все же ре-

зультаты, полученные на основе подобных моделей, хорошо работали

только для тканей с высоким влагосодержанием.

Очевидно, что традиционное определение глубины измерения как

глубины, на которой поле плоской волны убывает в «

e

» раз для мно-

гослойной структуры является некорректным. Мы предлагаем опре-

делить глубину измерения как длину области под антенной, в которой

сосредоточено 85 % всей мощности, излучаемой антенной в режиме

передачи. Согласно теореме взаимности, это соответствует области,

в которой сосредоточено 85 % мощности, принимаемой антенной.

Для оценки глубины измерения антенн, работающих в различных ча-

стотных диапазонах, был разработан математический аппарат, осно-

ванный на численном решении уравнений Максвелла для реальной

антенны и интегрировании уравнения (2). Среда, для которой прово-

дилось моделирование, состояла из трех слоев: кожа, основная ткань

(МЖ), мышечная ткань. Толщина слоя кожи во всех расчетах при-

нималась равной 2 мм. Параметры диэлектрической проницаемости

и электропроводности различных слоев, используемых в расчетах,

представлены в табл. 1.

Микроволновый радиотермометр измеряет собственное электро-

магнитное излучение тканей в микроволновом диапазоне.

Если прислонить микроволновую антенну к телу, то мощность

электромагнитного излучения на выходе антенны будет пропорцио-

нальна радиотермометрической (яркостной) температуре тканей под

антенной

T

br

:

P

=

kT

br

Δ

f

(1

–

R

),

(1)