МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ СВОЙСТВ АНТЕННЫ-АППЛИКАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ
|
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 6
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Предпосылки к исследованию. Постановка задачи 10
1.1 Методы исследования головного мозга 10
1.2 Предпосылки к исследованию 11
1.3 Постановка задачи 14
2 Обзор работ по медицинским антеннам-аппликаторам 16
2.1 Полосковая биконическая антенна-аппликатор 16
2.2 Полосковая дипольная антенна-аппликатор 18
2.3 Полосковая спиральная антенна-аппликатор 20
2.4 Сравнение и анализ рассмотренных антенн 21
2.5 Подход к разработке и исследованию 22
3 Описание математического аппарата 24
3.1 Определение оценки эффективности антенны 24
3.2 Метод функций Грина 25
3.3 Расчет полей в слоистых средах. Разложение по Е- и Н-волнам 27
4 Распространение поля в тканях головы 32
4.1 Описание модели 32
4.2 Вывод компонент функции Грина 36
4.3 Алгоритм расчета поля 39
4.4 Сравнение различных источников 40
4.5 Распределение поля в присутствии экрана 43
4.6 Влияние дополнительного слоя 46
4.7 Анализ результатов. Выбор типа антенны-аппликатора 49
5. Моделирование и анализ спиральной антенны 52
5.1 Конструкция антенны 52
5.2 Описание модели 54
5.3 Результаты моделирования 57
5.4 Верификация результатов 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЕЖ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Предпосылки к исследованию. Постановка задачи 10
1.1 Методы исследования головного мозга 10
1.2 Предпосылки к исследованию 11
1.3 Постановка задачи 14
2 Обзор работ по медицинским антеннам-аппликаторам 16
2.1 Полосковая биконическая антенна-аппликатор 16
2.2 Полосковая дипольная антенна-аппликатор 18
2.3 Полосковая спиральная антенна-аппликатор 20
2.4 Сравнение и анализ рассмотренных антенн 21
2.5 Подход к разработке и исследованию 22
3 Описание математического аппарата 24
3.1 Определение оценки эффективности антенны 24
3.2 Метод функций Грина 25
3.3 Расчет полей в слоистых средах. Разложение по Е- и Н-волнам 27
4 Распространение поля в тканях головы 32
4.1 Описание модели 32
4.2 Вывод компонент функции Грина 36
4.3 Алгоритм расчета поля 39
4.4 Сравнение различных источников 40
4.5 Распределение поля в присутствии экрана 43
4.6 Влияние дополнительного слоя 46
4.7 Анализ результатов. Выбор типа антенны-аппликатора 49
5. Моделирование и анализ спиральной антенны 52
5.1 Конструкция антенны 52
5.2 Описание модели 54
5.3 Результаты моделирования 57
5.4 Верификация результатов 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЕЖ
Электрофизические методы исследования головного мозга человека широко применяются как для определения состояния человека при различных заболеваниях, так и для создания систем прямого обмена информацией между человеком и компьютером. В последнее время особый интерес исследователей привлекают задачи измерения параметров электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне.
Одним из основных применений медицинских аппликаторных антенн является неинвазивное измерение температуры биологических тканей чело-века, в частности тканей головного мозга. Анализируя некоторые работы, связанные с радиометрией головного мозга [1]-[4], было отмечено, что авторы обычно рассматривают частотный диапазон от нескольких сотен МГц до 2 ГГц. Это объясняется оптимальным сочетанием размеров антенны и глубины электромагнитного зондирования в этом частотном диапазоне.
Результаты, полученные в [5], показывают возможное наличие электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне. В данной работе описан эксперимент по измерению излучения в микроволновом диапазоне в условиях безэховой камеры. В качестве датчика использована широкополосная логопериодическая антенна.
Источником электромагнитного излучения могут быть короткие им-пульсы, обладающие широким спектром. Возбуждаемые ими мелкие резонансные структуры, в свою очередь, могут излучать сигнал на высоких частотах. Кроме этого, головной мозг, как и любое тело, имеет температуру, превышающую 0°К, следовательно, излучает электромагнитную энергию.
Использованная в упомянутом выше эксперименте [5] логопериодическая антенна имела размеры, сопоставимые с головой человека. Определение места расположения источников излучения с таким датчиком сложно реализуемая задача. Кроме того, антенна не была экранирована от внешнего пространства и даже в условиях безэховой камеры и экранирования от внешних источников, таких как сотовые телефоны, базовые станции, Wi-Fiроутеры и тому подобное, могла принимать тепловое электромагнитное излучение от стен и оборудования безэховой камеры. В связи с этим, разработка широко-полосной антенны-аппликатора, работающей в непосредственном контакте с головой человека, с дополнительным экранированием от внешнего пространства, имеет важное значение для задач исследования собственного излучения головного мозга в микроволновом диапазоне частот и является перспективным научным направлением. Дополнительные возможности появляются, если размеры датчика электромагнитного излучения на основе экранированной антенны позволяют разместить на голове человека несколько подобных устройств. Обработка принимаемого многопозиционного сигнала позволит достаточно точно определить местоположение активных областей.
Кроме прикладного значения, задача разработки антенны-аппликатора для исследования излучения головного мозга, несет новые знания о работе антенн при наличии в ближней зоне слоистых диссипативных структур.
Сами по себе слоистые среды с низкой проводимостью были исследованы в контексте микрополосковых антенн и линий передачи с многослойной подложкой в [6]-[8]. Спектральный метод при разложении поля на TEи TM-волны был использован для исследования излучения диполей в слоистых средах в работах [6]-[9] и диполей в полупространстве с потерями [10]. Ткани человека с аппроксимацией многослойными диэлектриками рассмотрены в [11]-[14]. В работах [1]-[3] авторы проводят численное моделирование характеристик различных полосковых антенн, используемых для неинвазивных измерений температуры областей тела, в том числе головного мозга.
Одним из основных применений медицинских аппликаторных антенн является неинвазивное измерение температуры биологических тканей чело-века, в частности тканей головного мозга. Анализируя некоторые работы, связанные с радиометрией головного мозга [1]-[4], было отмечено, что авторы обычно рассматривают частотный диапазон от нескольких сотен МГц до 2 ГГц. Это объясняется оптимальным сочетанием размеров антенны и глубины электромагнитного зондирования в этом частотном диапазоне.
Результаты, полученные в [5], показывают возможное наличие электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне. В данной работе описан эксперимент по измерению излучения в микроволновом диапазоне в условиях безэховой камеры. В качестве датчика использована широкополосная логопериодическая антенна.
Источником электромагнитного излучения могут быть короткие им-пульсы, обладающие широким спектром. Возбуждаемые ими мелкие резонансные структуры, в свою очередь, могут излучать сигнал на высоких частотах. Кроме этого, головной мозг, как и любое тело, имеет температуру, превышающую 0°К, следовательно, излучает электромагнитную энергию.
Использованная в упомянутом выше эксперименте [5] логопериодическая антенна имела размеры, сопоставимые с головой человека. Определение места расположения источников излучения с таким датчиком сложно реализуемая задача. Кроме того, антенна не была экранирована от внешнего пространства и даже в условиях безэховой камеры и экранирования от внешних источников, таких как сотовые телефоны, базовые станции, Wi-Fiроутеры и тому подобное, могла принимать тепловое электромагнитное излучение от стен и оборудования безэховой камеры. В связи с этим, разработка широко-полосной антенны-аппликатора, работающей в непосредственном контакте с головой человека, с дополнительным экранированием от внешнего пространства, имеет важное значение для задач исследования собственного излучения головного мозга в микроволновом диапазоне частот и является перспективным научным направлением. Дополнительные возможности появляются, если размеры датчика электромагнитного излучения на основе экранированной антенны позволяют разместить на голове человека несколько подобных устройств. Обработка принимаемого многопозиционного сигнала позволит достаточно точно определить местоположение активных областей.
Кроме прикладного значения, задача разработки антенны-аппликатора для исследования излучения головного мозга, несет новые знания о работе антенн при наличии в ближней зоне слоистых диссипативных структур.
Сами по себе слоистые среды с низкой проводимостью были исследованы в контексте микрополосковых антенн и линий передачи с многослойной подложкой в [6]-[8]. Спектральный метод при разложении поля на TEи TM-волны был использован для исследования излучения диполей в слоистых средах в работах [6]-[9] и диполей в полупространстве с потерями [10]. Ткани человека с аппроксимацией многослойными диэлектриками рассмотрены в [11]-[14]. В работах [1]-[3] авторы проводят численное моделирование характеристик различных полосковых антенн, используемых для неинвазивных измерений температуры областей тела, в том числе головного мозга.
В ходе выполнения НИР была выполнена разработка антенны- аппликатора предназначенной для исследования излучения головного мозга человека в диапазоне частот 3-5 ГГц. Предпосылками к исследованию являлась теория, в соответствие с которой информационные интеллектуально- мнестические процессы связаны с электромагнитным излучением микроволнового диапазона в области ликворных путей головного мозга.
На первом этапе НИР было выполнено исследование распространения электромагнитной энергии от различных типов источников в многослойной плоскослоистой диссипативной структуре, имитирующей свойства тканей головы. Результаты моделирования показали преимущество антенн- аппликаторов, у которых распределение тока на металлическом излучателе схож с контуром тока в виде окружности. Такие излучатели будут иметь большую эффективность, чем антенны с линейным распределением тока.
Для защиты от воздействия внешних помех, разработанная антенна размещается в металлическом корпусе. Результаты моделирования показали, что наличие экрана может как ухудшить, так и улучшить эффективность антенны. Общая закономерность такова: значения d кратные (2к + 1)Х/4, к = 0,1,2... способствуют ухудшению эффективности антенны из-за увеличения напряженности поля в верхних слоях тканей головы. Слишком маленькое значение с/ также негативно влияют на эффективность антенны, т.к. повышается концентрация энергии в области излучателя, увеличивая реактивную составляющую поля в ближней зоне.
Для нивелирования влияния флуктуаций проводимости кожного покрова на характеристики антенны, в конструкции антенны применяется дополнительный слой. В общем случае, применение дополнительного слоя отрицательно влияет на эффективность антенны, так как создает дополнительное переотражение от границ раздела слоев. Но при правильном подборе толщины дополнительного слоя, можно добиться некой “фокусировки” антенны на нужном слое.
Завершающим этапом исследования являлось создание и оптимизация модели в трехмерном электромагнитном симуляторе. Созданная модель в большой степени точности учитывает особенности конструкции. С помощью дополнительного моделирования, основанного на другом численном методе, были подтверждены полученные характеристики антенны.
Дальнейшее исследование по тематике НИР может быть направленно на экспериментальной подтверждение полученных характеристик антенны и применение антенны по назначению. В составе группы подобных антенн- аппликаторов, данная антенна позволит решать задачи локализация источника излучения, составление картины электромагнитной активности в различных областях головы.
Выполняемы ранее эксперименты по обнаружению собственного излучения головного мозга, связанного с интеллектуально-мнестическими процессами, в диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц имели существенный недостаток: авторы не имели специальной антенны, предназначенных для этих целей. Разработанная нами антенна призвана вывести подобные эксперименты на качественно новый уровень.
Результаты проведенной НИР отражены в следующих публикациях:
1) E. Shabashov, S. Shabunin and B. Mrdakovic, "Modeling and Analysis of Spiral Antenna Properties for Research the Brain Radiation in the Microwave Range," 2019 27th Telecommunications Forum (TELFOR), Belgrade, Serbia, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/TELFOR48224.2019.8971276.
2) Шабашов Е. П., Шабунин С. Н., Мрдакович Б. Моделирование и анализ свойств спиральной антенны для исследования излучения головного мозга в микроволновом диапазоне. Ural Radio Engineering Journal. 2020;4(1):84-99. DOI:10.15826/мп/.2020.4.1.005
На первом этапе НИР было выполнено исследование распространения электромагнитной энергии от различных типов источников в многослойной плоскослоистой диссипативной структуре, имитирующей свойства тканей головы. Результаты моделирования показали преимущество антенн- аппликаторов, у которых распределение тока на металлическом излучателе схож с контуром тока в виде окружности. Такие излучатели будут иметь большую эффективность, чем антенны с линейным распределением тока.
Для защиты от воздействия внешних помех, разработанная антенна размещается в металлическом корпусе. Результаты моделирования показали, что наличие экрана может как ухудшить, так и улучшить эффективность антенны. Общая закономерность такова: значения d кратные (2к + 1)Х/4, к = 0,1,2... способствуют ухудшению эффективности антенны из-за увеличения напряженности поля в верхних слоях тканей головы. Слишком маленькое значение с/ также негативно влияют на эффективность антенны, т.к. повышается концентрация энергии в области излучателя, увеличивая реактивную составляющую поля в ближней зоне.
Для нивелирования влияния флуктуаций проводимости кожного покрова на характеристики антенны, в конструкции антенны применяется дополнительный слой. В общем случае, применение дополнительного слоя отрицательно влияет на эффективность антенны, так как создает дополнительное переотражение от границ раздела слоев. Но при правильном подборе толщины дополнительного слоя, можно добиться некой “фокусировки” антенны на нужном слое.
Завершающим этапом исследования являлось создание и оптимизация модели в трехмерном электромагнитном симуляторе. Созданная модель в большой степени точности учитывает особенности конструкции. С помощью дополнительного моделирования, основанного на другом численном методе, были подтверждены полученные характеристики антенны.
Дальнейшее исследование по тематике НИР может быть направленно на экспериментальной подтверждение полученных характеристик антенны и применение антенны по назначению. В составе группы подобных антенн- аппликаторов, данная антенна позволит решать задачи локализация источника излучения, составление картины электромагнитной активности в различных областях головы.
Выполняемы ранее эксперименты по обнаружению собственного излучения головного мозга, связанного с интеллектуально-мнестическими процессами, в диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц имели существенный недостаток: авторы не имели специальной антенны, предназначенных для этих целей. Разработанная нами антенна призвана вывести подобные эксперименты на качественно новый уровень.
Результаты проведенной НИР отражены в следующих публикациях:
1) E. Shabashov, S. Shabunin and B. Mrdakovic, "Modeling and Analysis of Spiral Antenna Properties for Research the Brain Radiation in the Microwave Range," 2019 27th Telecommunications Forum (TELFOR), Belgrade, Serbia, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/TELFOR48224.2019.8971276.
2) Шабашов Е. П., Шабунин С. Н., Мрдакович Б. Моделирование и анализ свойств спиральной антенны для исследования излучения головного мозга в микроволновом диапазоне. Ural Radio Engineering Journal. 2020;4(1):84-99. DOI:10.15826/мп/.2020.4.1.005