Материальные уравнения Максвелла для биологических объектов

При измерении  основная часть зондирующего ток  течёт между плоскостью заточки проводника и плоскостью заточки иглы и локализована в этой области, размер которой соизмерим с диаметром иглы, чем и обеспечивается высокая локальность измерений.

Важным вопросом является выбор зондирующей частоты. Пока очень трудно сказать, какая  из частот является наиболее приемлемой для указанных измерений и в будущем может оказаться так, что для обнаружения определённого вида паталогий в различных типах биологических тканей понадобятся разные частоты, но на этот вопрос могут ответить только будущие исследования. Из аналитической части, приведенной во втором разделе можно заключить, что это только самый начальный этап осуществления  предлагаемой программы исследований. В данном случае выбрана частота равная 10 МГц. Эта частота находится на правом краю области β (Рис. 1) и в этой области уже должно отсутствовать влияние поляризации крупных органических молекул и основным вкладом в проводимость должна быть ионная проводимость. Если выбрать более низкую частоту, то вклад в зондирующий ток будут иметь и поляризационные токи. Возможно этот режим тоже окажется информативным при обнаружении определённого вида паталогий, но эти исследования ещё впереди.

Блок-схема адмитансометра изображена на рис. 6. Он состоит из автогенератора, в котором используется рассмотренный выше резонансный контур, стандартного частотомера и блока питания. Автогенератор расположен в специальном корпусе, к которому крепится инъекционная игла. Внешний диаметр иглы 0,8 мм, длина 38 мм. Возможно применение других инъекционных игл, особенно в тех случаях, когда исследуемая область находится на больших глубинах. Автогенератор соединяется с частотомером и блоком питания посредством  гибких кабелей, что даёт возможность пользоваться датчик подобно инъекционному шприцу. 
 

 

 
 
 
 

                  С_зонда               С₁                          

 

 C

                                                                   
 

 
 
 
 

Рис. 6. Блок-схема  адмитансометра. 
 

5. Полученные результаты и их анализ. 

Известно, что  стандартные значения проводимости тканевого электролита соответствуют проводимости однопроцентного раствора NaCl в дистиллированной воде. Поэтому основная задача создания админтансометра состояла в том, чтобы обеспечить его максимальную чувствительность именно в этом диапазоне значений проводимости. Это достигается путём подбора элементов самого генератора, его резонансного контура и ёмкости связи датчика с резонансным контуром.

Калибровка админтансометра  проводилась на растворах NaCl в дистиллированной воде с заданной концентрацией в широком диапазоне этих значений.

                                                                                                        Таблица №2

При этом измерялось значение генерируемой частоты для  различных значений концентраций. Эти данные отражены в Таблице №1

График, отражающий указанную зависимость представлен  на Рис. 7. 
 

 

Рис. 7. График зависимости  генерируемой частоты от концентрации солевого раствора.

Из представленной таблицы и графика видно, что  максимальная чувствительность адмитансометра обеспечивается именно в области концентраций, характерных тканевым электролитам. т.к. в области концентраций порядка одного процента имеется максимальная крутизна преобразования датчика.

Повторяемость результатов измерении заданной концентрации в области этих значений составляет 0.1 кГц. Крутизна преобразования в этой области составляет примерно 50 кГц на один процент концентрации. Это означает, что прибор позволяет обнаруживать изменение в концентрации, составляющие 0.002%.  Конечно ни один другой из существующих методов такую точность обеспечить не может. Таких результатов удалось добиться, прежде всего по той причине, что значения проводимости были преобразованы в частоту, которая, как уже указывалось измеряется с гораздо более высокой точностью, чем другие физические величины.

Второй важной особенностью разработанного метода является его локальность. Сам датчик представляет открытый конец коаксиала, работающий в квазистатическом режиме, поскольку длина волны на рабочей частоте значительно превышает апертуру его разомкнутого конца. Это означает, что внешние поля в области его апертуры убывают обратно пропорционально кубу расстояния и сосредоточены практически в области соизмеримой с диаметром иглы, которая составляет 0.35 мм. Это означает, что такой датчик обеспечивает локальность измерений порядка 1 мм. Нам не известны разработки, которые смогли бы обеспечить такую локальность. Применение такого адимтансометра даст возможность не только обнаруживать патологию очень небольших объектов, но и снимать профиль границ патологических образований.

Не следует  думать, что такой прибор может  быть использован только в медицине. Он может найти широкое применение в фармацевтической промышленности для получения, измерения и контроля дозировки препаратов в растворах. Особенно это важно при малых концентрациях растворимых солей, где адмитансометр имеет тоже очень высокую чувствительность.

Адмитансометр может найти применение в ликёро-водочной промышленности, где требуется постоянный экспресс-контроль качества воды. 

5. Заключение.

В данной работе сделаны лишь первые шаги по реализации интересного и практически важного  направления по созданию адмитансометра, обеспечивающего высокую точность измерения удельной проводимости электролитов при высокой степени локальности измерений. Разработаны основы строгого электродинамического подхода к этой проблеме. Но это только первые шаги развития этого перспективного направления, поскольку пока решена только проблема измерения активной проводимости. На очереди решение задачи измерения реактивных составляющих адмитанса и развитие многочастотных методов локальной адмитонометрии. Развитие этих методов позволит осуществлять точную локальную экспресс диагностику, что очень важно при проведении хирургических операций. Можно выразить уверенность в том, что мы находимся на пороге нового перспективного научного направления, которое позволит решить ряд диагностических и других проблем, решение которых обычными методами до настоящего времени было затруднительно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы: 

Ссылки по введению 1 – 15, далее

      1.Marsland T.P., Evans S. Dielectric measurements with an open-ended coaxial probe//IEE Proc. H. – 1987.-Vol.134, 4. – P. 341-349

      2. Gajda G.,Stuchly S.S. An equivalent circuit of an open-ended coaxial line //IEEE Trans. Instrum. Meas. – 1983. – Vol.32, 4. – P. 506-508

      3. Ghannouchi F.M., Bosisio R.G. Measurement of microwave permittivity using a six-port reflectometer and open-ended coaxial line // IEEE Trans. Instrum. Meas. – 1986. – P. 13-18

      4. Berubi D., Ghannouchi F.M. A comparative studi of four open-ended coaxial probe for permittivity measurement of lossy dielectrics // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 1996/- P. 1928-1934

      5. Misra D., Chabbra M., Foster K.R. Noninvasive electrical characterization of materials at microwave frequencies using an open-ended coaxial line. // IEEE Trans. – 1900. – P. 8-14

      6. Xu Y, Bosisio R.G. Some calculation methods and universal diagrams for measurement of dielectric constant using open-ended coaxial probes // IEE Proc. H. – 1991. – P. 356-60.

      7. Misra D.K. A quasi – static analisis of open-ended coaxial lines, // Trans. Microw. Theory Tech. – 1987.- P. 925-928

      8. Levine H. R., Papas C.H. Theory of the circular diffraction antenna // J. Appl. Phys. – 1951.- P.29-43

      10. Mingzhong Wu, Xi Yao. An improved coaxial probe technique for measuring microwave permittivity of thin dielectrical materials //Meas. Sci. Technol. – 2000.- P. 1617-1622.

      11. Ganchev S.I., Bakhtiary S., Zoughi R. Calibration and measurement of dielectric properties of finite thickness composite sheets with open-ended coaxial sensors // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 1995. – p. 1023-1029

      12. Garcia-Banos, Catala-Civera J. M., Canos A. J. Penaranda-Foix F. Design

Rules for the optimization of the sensivity of open-ended coaxial microwave sensors for monitoring changes in dielectric materials // Meas. Sci. Technol.-2005. 1186-1192.

      13. Stuchly S. S., Sibbald C.L. Anderson  I.M. A new aperture admittance model for open-ended waveguides // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 1994. Vol. 42, №2.- P. 199-204.

     14. Hoshina S., Kanai Y., Miyakawa M. A numerical study on the meashurement region of an open-ended coaxial probe used for complex permittivity measurement // IEEE Trans. On Magnetics. -2001. –Vol. 37, №5.-P. 3311-3314 

     15.  Baker-Jarvis S. J. Janezic M. D., Domich P.D., Geyer R.G. Analysis of an open-ended coaxial probe with lift-off for nondestructive testing // IEEE Trans. Instrum. Meas. -1994. – Vol. 43, №5. – P. 711-718.

16. Тихомиров А. М. , Импеданс биологических тканей и его применение  

в медицине. Российский государственный медицинский университет,  

2006.

17. Мартисов Э. Г., Николаев Д.В., Руднев С.Г., Технологии и метода о

ределения состава тела человека, Москва «Наука», 2006.

     18. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных  сред. М:

Физматгиз, 1973.- 454 с.

19. Ахиезер А. И., Общая физика. Электрические и магнитные явления.    

Справочное пособие. Киев. Наукова думка, 1981. –  472 с.

      20.Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распростра 

нение радиоволн. М: Наука, 1989. – 543 с.