Geum.ru

Общая характеристика работы

Вид материалаДокументы

Содержание


Глава 4. посвящена вопросам метрологического обеспечения
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6
I в области hν << kT (ν–частота, k–постоянная Больцмана, h–постоянная Планка, Т - температура в шкале Кельвина), пропорциональна T. Таким образом, если температура по глубине распределена как T(x), то на поверхности в приближении плоской волны I выражается вследствие поглощения излучения нижележащих слоев вещества вышележащими его слоями следующим образом:

I = A , (3.1),

где μ(x, ω) – коэффициент поглощения радиоизлучения на частоте ω, A – некоторый множитель.

Температура, измеряемая радиотермометром, принимающим тепловое радиоизлучение на одной частоте (вернее, в некоторой полосе частот), усредняется по глубине, причем в зависимости от частоты по-разному. Как известно, с увеличением длины волны μ(ω) уменьшается, а глубина проникновения радиоволн (т.е. зондирования) соответственно растет. Изменение радиофизических свойств биологических тканей может быть обусловлено увеличением или уменьшением кровенаполнения, перераспределением жидких сред и т.д.

Одна из принципиально сложных задач в радиотермометрии - выделение сверхслабого собственного теплового излучения на фоне шумов и помех. Действительно, поскольку необходимо различать изменение температуры порядка 0,1 К, на уровне 310 К (что соответствует 370 С) то радиотермометр должен надежно регистрировать и выделять сигналы, отличающиеся по мощности всего на 1,4∙10-16 Вт. Эта задача решается за счет накопления сигнала. На частоте ~1 ГГц время накопления составляет секунды.

Вторая сложность связана с тем, что на границе антенна-тело имеет место отражение собственного радиоизлучения, причем коэффициент отражения весьма заметно меняется в зависимости от места приложения антенны. Ввиду того, что биологические ткани имеют высокое значение диэлектрической проницаемости ε, большая часть излучения тела при отсутствии согласования между антенной и телом возвращается обратно. Заметим, что именно это обстоятельство не дает возможности определять радиотермометрами температуру дистанционно. Схема входа радиотермометра (член-корр. Троицкий и др., 1980), в которой реализуется принцип термодинамического равновесия, позволяет устранить необходимость согласования антенны с телом. В другом подходе (Павлова и др., 1984) вводится поправка на рассогласование.

Следует отметить, что наряду с радиотермометрией существует эффективный метод акустотермометрии, предложенный академиком Ю.В. Гуляевым (Гуляев и др., 1985 г.), основанный на регистрации собственного теплового ультразвукового излучения среды и определения температуры по его интенсивности. Поскольку частота ультразвука, при которой еще нет сильного поглощения его биологическими тканями, лежит в области единиц МГц, ширина полосы оказывается малой, что усложняет выделение полезного сигнала среды. Поэтому используется многоэлементный приемник ультразвука с независимым усилением по каждому каналу и последующим сложением сигналов на выходе. Метод имеет ряд достоинств по сравнению с радиометрией, однако, например, при измерении температуры головного мозга он встречается с трудностями, обусловленными большим коэффициентом поглощения ультразвука костями черепа. Соответственно при измерениях температуры головного мозга сигнал от него будет сильно зашумлен излучением костей черепа, а также скальпа (Труханов, 1999).

В п.3.1 рассматривается задача нахождения профиля температуры по глубине T(x) по собственному радиоизлучению среды (в частности, биологической).

К этой задаче имелось несколько подходов. Один основан на измерения интенсивности сигнала среды на нескольких частотах, что в принципе позволяет найти распределение T(x), используя зависимость глубины выхода излучения от частоты. Другой основан на измерении радиоизлучения на разных модах. В многочастотном и многомодовом методах радиотермометрии T(x) находят из решений интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Основная, принципиальная трудность состоит в том, что в ядра уравнений входит распределение коэффициента поглощения собственного радиоизлучения по глубине μ(x), которое неизвестно. Это весьма осложняет численное решение упомянутых уравнений и резко снижает его достоверность. Возникают и чисто технические трудности при согласовании данных, полученных с антенн-датчиков, работающих на разных частотах или модах.

Несколько особняком первоначально стоял корреляционный метод нахождения T(x), предложенный группой исследователей под руководством проф. Y. Leroy (Mamouni et al, 1983). Корреляционные методы выделения интересующих сигналов при измерениях с помощью шумовых датчиков известны. Применительно к радиотермометрии предложение заключалось в том, чтобы регистрировать собственное тепловое радиоизлучение объекта двумя антеннами, диаграммы направленности которых перекрываются на некоторой глубине, а затем с помощью коррелятора выделять сигнал области перекрытия. Поскольку в корреляционном методе также имеет место поглощение излучения из области перекрытия вышележащими слоями, то интерпретация величины корреляционного сигнала как температуры приводит, к погрешности, во много раз превышающей требуемую точность измерений. В анализе группы проф. Y. Leroy эта проблема, по-видимому, вообще не была замечена, на что было обращено внимание в работах (Труханов, 1987, 1991, 1997, Trukhanov, 1997).

Поскольку величина μ(x) представляет самостоятельный интерес, являясь по сути томографической информацией об объекте, перед нами возник вопрос, нельзя ли в тех случаях, когда изменение T(z) по глубине в шкале Кельвина незначительно, найти по радиометрическим измерениям распределение μ(x). Для живых систем и человека названное выше условие выполняется всегда. Оказалось, что задача решается и, более того, можно в принципе решить также задачу восстановления T(x) с учетом самопоглощения средой собственного радиоизлучения. Наиболее эффективно это осуществляется на основе корреляционных измерений, соответственно модифицированных (Труханов, 1991, 1998, 1999).

Решение сводилось к следующему. Записывалось уравнение для величины сигнала корреляции V(q,ω) по амплитуде от области перекрытия диаграмм направленности:

(3.2),

где A, W, В - некоторые функции (в частности, А и В зависят от углов приема), ω- частота, q - координата области перекрытия.

Следует оговориться, что эта запись описывает идеализированный случай приема сигнала антеннами с высокой диаграммой направленности, чего в радиотермометрии на дециметровых длинах волн нет. Однако для демонстрации принципиальной возможности определения распределения μ(q) по корреляционным измерениям такое приближение допустимо.

Если температура меняется по глубине незначительно, можно заменить ее на некую среднюю Т* и найти μ(q). Более того, оказалось, что в принципе возможно найти T(z), используя результаты только корреляционных измерений. Действительно, перенесем в левую часть уравнения (3.2) T(z) и проинтегрируем по z от нуля до бесконечности. Получим систему интегральных уравнений Фредгольма первого рода:

(3.3),

где i = 1, 2…n, т.е. A(i), W(i) и B(i) уже зависят от изменяющихся условий измерения.

Таким образом, в идеализированном случае в ядра уравнений входит только T(x) и результаты измерений корреляционных сигналов при различном расстоянии между антеннами, при приеме под различными углами и, в случае необходимости, на разных частотах, причем автоматически учитывается поглощение. В реальных случаях ядра, конечно, сложнее. В математическом отношении задача нахождения T(x) из приведенной системы интегральных уравнений принадлежат к обратным и некорректно поставленным задачам. Как и в случае других обратных задач, она решается. Однако из уравнений видно, что требуется высокая точность измерений.

Еще один аспект, который рассматривался - принципиальная возможность находить распределение теплоемкости c(x) среды по глубине, что важно во многих прикладных задачах.

Определим μ(x, ω) и T(x) на некоторой частоте, а затем облучим среду через приемные антенны (или антенну) импульсом радиоизлучения на глубине x на той же частоте и, пока тепло не диссипировалось, сразу же проведем корреляционные измерения. Найденные алгоритмы позволяли получить распределение теплоемкости по глубине или с промежуточным восстановлением распределений T(x) или же непосредственно по величине корреляционных сигналов до и после облучения.

Знание распределений μ(x,ω), T(x) и c(x), в частности, важно для гипертермии новообразований, поскольку позволит более детально планировать и контролировать воздействие.

В работе (Труханов, 1999) говорилось, что модифицированный корреляционный метод, вероятно, можно приложить также к определению T(x) по собственному тепловому ультразвуковому излучению среды, предложенному академиком Ю.В. Гуляевым (Гуляев и др., 1985). Длина волны в случае ультразвука существенно меньше по сравнению с длиной волны в СВЧ-радиометрии. Поэтому удается избежать тех противоречий в постановке задач, о которых упоминалось выше.

Независимо от наших работ и практически одновременно с нашими публикациями такой же корреляционный метод, но в акустотермометрии, был предложен в ИРЭ РАН, реализован в серии работ (Пасечник, 1997, Аносов и др., 1999) и интенсивно развивается.

В п. 3.3 описана аппаратура, которую применяли при моделировании воздействия моделируемых факторов космического полета в исследованиях с участием испытателей.

Моделировались такие факторы космического полета, как микрогравитация и гипокинезия. Радиотермометрия применялась также в исследованиях, связанных с разработкой методов лечения воспалительных процессов холодом в полете, а также с моделированием одного из элементов операторской деятельности. (Мацнев и др., 1997, Труханов 1997).

Для измерений использовали первые радиотермометры, созданные тогда в СССР под руководством чл.-корр. АН В.С.Троицкого (Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ)– г. Горький).

Длина волны составляла 30 см, полоса ~100 МГц. Радиотермометры измеряли усредненную температуру по глубине. В зависимости от биологической ткани усреднение температуры происходило до глубин порядка 3-7 см. Методики измерений применительно к поставленным задачам разрабатывались совместно НИРФИ и ИМБП.

Со стороны НИРФИ работой руководил чл.-корр. АН В.С.Троицкий, со стороны ИМБП автор данного исследования.

Предварительную градуировку радиотермометров осуществляли с помощью специальной эталонной системы, которая представляла собой два небольших хорошо термоизолированных бачка с раствором глицерина в воде. В бачках находились нагреватели, мешалки для выравнивания температуры жидкости и контактные термометры, управлявшие нагревателями и поддерживавшие температуру в каждом баке на заданном уровне. Для измерений температуры в экспериментах со снижением температуры тела в целях консервации воспалительных процессов холодом была разработана специальная методика. Это было обусловлено тем, что при уходе температуры, измеряемой радиотермометром, за нижний предел, принятый при всех предыдущих исследованиях равным 30° С, сигнал переставал соответствовать измеряемой температуре, а специальным образом завышался. Этим внимание исследователя обращалось на то, что аппаратура работает вне заданного диапазона температур и гарантированной погрешности. Был предложен способ интерпретации показаний радиотермометра для таких случаев. Проверка на специальных охлаждаемых эталонах температуры подтвердила его корректность.

В п. 3.4 описаны исследования с помощью радиотермомометрии особенностей воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета. В них участвовал чл.-корр. АН В.С. Троицкий (НИРФИ, г. Нижний Новгород) и автор данной работы, а также другие специалисты НИРФИ и ИМБП. Медицинскую часть полностью обеспечивали сотрудники ИМБП.

Моделирование характерной для условий космического полета болезни движения (БД) в исследованиях, которыми руководил д.м.н. проф. Э.И. Мацнев, осуществлялось посредством длительного вращения добровольцев в горизонтальном положении вокруг оси Z на специальном стенде. Эксперимент прекращали, если поступала просьба обследуемого или же наступала конечная стадия БД. По переносимости воздействия обследуемые были разделены на две группы. К первой группе исследователями были отнесены лица, подверженные БД (время до прекращения воздействия в среднем около 1 часа). Во вторую группу вошли лица, устойчивые к БД (время до прекращения вращения-240 мин.). Глубинная температура Тг мозга в передне-височной и задне-височной области, (справа и слева) регистрировалась во время воздействия периодически.

При пребывании в стенде до вращения у лиц, устойчивых к БД, наблюдалось повышение Тг мозга до 0,8° С с межполушарной асимметрией также до 0,8° С. При вращении температура оставалась стабильной в пределах 0,3° С. После воздействия температура возвращалась к исходному уровню примерно в течение одного часа. У лиц, подверженных укачиванию, при пребывании в стенде до вращения наблюдали снижение Тг мозга до 0,8° С. При воздействии наблюдалось дальнейшее снижение Тг (на 1-1,5° С) с межполушарной асимметрией в среднем около 1° С. В течение восстановительного периода определилась тенденция возвращения к фоновому уровню.

Таким образом, метод РТМ может быть использован для объективной оценки склонности к укачиванию и косвенно указывает на более выраженные изменения гемодинамики у лиц, подверженных БД. Это согласуется с данными других клинико-физиологических исследований (Мацнев и др., 1997).

Метод РТМ применялся также в отработочных экспериментах при моделировании воздействия на организм микрогравитации с использованием антиортостатической гиподинамии. Измерялась динамика Тг мозга.

Как известно, у человека наблюдается суточная периодичность температуры тела. Измерения с помощью метода РТМ показали, что такая же периодичность характерна и для Тг мозга. Утренняя Тг выше вечерней примерно на 1°- 0,8°С. Аналогичная динамика Тг у лиц, устойчивых к БД, сохраняется, как правило, и при переходе к ортостатическому (горизонтальному) положению. Переход в антиортостатическое положение сопровождается, как известно, изменением объективных и субъективных показателей состояния организма. Как показали отработочные эксперименты, такая же картина наблюдается и в Тг мозга. В период острой адаптации к антиортостатической гипокинезии суточные колебания Тг мозга, измеренные методом РТМ, практически отсутствуют, т.е. развивается температурная десинхронизация. Тг мозга снижается на 0,7° - 1°С и фактически одинакова в правом и левом полушариях. Затем имеет место возобновление суточных колебаний глубинной температуры. Однако температура вечером выше, чем утром, т.е. колебания инвертированы. У лиц, неустойчивых к БД, изменения Тг мозга, измеренные методом РТМ, наблюдались, как правило, уже при переходе от вертикального к горизонтальному положению. Таким образом, и здесь метод РТМ может давать прогностические данные.

Следует отметить, что исходная (фоновая) Тг мозга одного и того же человека в одни и те же часы суток не испытывает заметных колебаний в течение весьма длительного времени. Максимальные отклонения лежат в пределах ~(0,4°С).

Метод РТМ использовали также для определения Тг мышц после гипокинезии при работе на велоэргометре (Мацнев и др., 1997). По результатам эксперимента обследуемые были разделены на три группы. К первой группе были отнесены лица, у которых при небольших нагрузках Тг мышц повышается, но незначительно (в икроножных - до 3°С, в мышцах бедра - до 1-2°С). Дальнейшее некоторое увеличение нагрузки вызывает быстрое развитие судороги в одной из икроножных мышц. В период последействия Тг мышц приближается к исходной, однако в той, где имела место судорога, Тг все же выше. Поверхностная температура не испытывает за­метных колебаний.

Во вторую группу вошли лица, у которых при выполнении работы с большой нагрузкой вначале наблюдается незначительный рост Тг мышц, однако последующее увеличение нагрузки вызывает снижение Тг на 0, 6°- 0,8°С на одной из сторон и примерно такое же увеличение - на другой. Подобные "ножницы", как правило, свидетельствовали о том, что дальнейшее выполнение работы или добавление нагрузки приведет к развитию судорог в той мышце, где Тг мышцы была ниже. Заметим, что при судороге Тг мышцы повышается. К третьей группе были отнесены лица, у которых при большой нагрузке Тг мышц быстро повышается и остается на высоком уровне (до 40° С). Эти лица длительно выдерживают нагрузки. Интересно, что Тг двуглавой мышцы и мышцы спины, непосредственно не нагруженных при работе на велоэргометре, меняется крайне незначительно, причем величина изменения не зависит от продолжительности работы, величины нагрузки и т.п.

Таким образом, динамика Тг мышц при нагрузке может служить прогностическим критерием. Быстрый рост Тг мышц и ее сохранение в дальнейшем позволяют прогнозировать их высокую работоспособность. Медленный рост Тг с последующим спадом или отсутствие роста свидетельствуют о низкой работоспособности (Мацнев и др., 1997).

Метод РТМ также использовался при разработке метода лечения воспалительных процессов применительно к специальным условиям с помощью локальной гипотермии. Исследования проводились к.м.н. М.И. Серебрянниковым и др. при участии В.С.Троицкого и автора данной работы. Метод РТМ использовали для оценки Тг при охлаждении живота спереди, причем измерения производили и спереди, и со стороны спины. При локальном охлаждении с поверхности температура Тг сильно снижается (в среднем до 20° С), но также лишь локально. На расстоянии всего 2-3 см вне области охлаждения спад температуры незначителен (на 1°-3°С).

При моделировании некоторых сторон операторской деятельности под руководством д.м.н. проф. Б.М.Федорова проводились отработочные эксперименты по возможности оценки с помощью метода РТМ нервно-эмоционального состояния. Они заключались в измерении динамики Тг мозга на фоне уст­ного решения математических задач (проба Кушнера). Тг измерялась в передне-височных областях справа и слева. При решении первой задачи Тг повышалась, а затем при получении правильного ответа ее значения снижались. Однако при неправильном ответе (исследователь сообщал правильный ответ) Тг не возвращалась к исходной, а при подготовке к предъявлению второй задачи снова увеличивалась. При решении второй задачи Тг уже не возрастала. По мнению исследователей, на изменение церебральной температуры оказывает влияние состояние стресса, а не концентрация внимания во время решения задач.

Все полученные результаты подтвердили перспективность использования метода РТМ в исследованиях воздействия моделируемых факторов космического полета на человека (Мацнев и др., 1997).

Знание сдвигов глубинной температуры тела позволит уточнить особенности воздействия этих условий на организм, окажется полезным при отработке методов и средств профилактики, при профессиональном отборе и т.д.

Несомненный интерес и важность представляет использование в межпланетном полете и на лунной базе методов акустотермометрии и радиотермометрии для оценки и контроля состояния человека, в частности, перед выполнением тяжелой физической работы (выход в открытый космос, на поверхность планеты и т.п.).

Крайне желательно, на наш взгляд, применение методов и средств измерения глубинной температуры для оценки и контроля состояния организма (например, температуры головного мозга) и физической работоспособности при работе в экстремальных условиях, характеризующихся сложным тепловым режимом. Целесообразно их использование также в спортивной медицине.

Методы корреляционной термометрии (акустической и радио) открывают достаточно широкие возможности в других областях деятельности (вплоть до поисковых работ в чрезвычайных ситуациях).

Глава 4. посвящена вопросам метрологического обеспечения радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц применительно к межпланетным и околоземным космическим полетам. При подготовке межпланетного полета необходимо проведение широкого круга радиационно-физических и радиобиологических исследований с использованием ускорителей заряженных частиц. При этом потребуются неразрушающие пучок высокоточные методы диагностики.

Во Введении к главе 4 рассматриваются вопросы измерения спектрального распределения по скорости ускоренных заряженных частиц (электронов, тяжелых ионов большой энергии и др.) в пучках ускорителей, что представляется весьма важным для контроля облучения. Кратко обсуждаются недостатки существующих методов измерения распределения по скорости частиц на ускорителях ионов (по времени пролета, по пробегу, активационным методом). Кроме того, эти методы не являются не разрушающими пучок и не применимы для постоянного контроля работы ускорителей, что важно в эксперименте.

Использование магнитных спектрометров пучков электронов высокой энергии также связано с известными из литературы трудностями. Эти трудности возрастают, если от ускорительной установки требуется компактность. Метод не является неразрушающим.

Давно известны методы определения спектра частиц по скорости и, соответственно, по энергии на основе измерения угла раствора излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) или диаметра колец света в фокусирующей оптической системе. Однако рассеяние заряженных частиц в радиаторе, в котором генерируется ИВЧ, а также дисперсия его вещества, т.е. зависимость показателя преломления и, соответственно, угла раствора ИВЧ от длины волны, снижают точность метода. Рассеяние серьезно затрудняет или даже делает невозможным применение классических черенковских методов в случае замедления и рассеяния пучка с помощью поглотителей для снижения его энергии и увеличения сечения. Такой прием является довольно обычным, особенно, в радиобиологических экспериментах.

Что же касается использования классических черенковских методов для пучков ускорителей электронов, в частности, пучков высокой интенсивности, то оно затруднено тем, что электроны в них обладают заметной поперечной скоростью. Это существенно «смазывает» угловое распределение ИВЧ. Кроме того, переходное излучение (ПИ), возникающее на входном и выходном окнах черенковского датчика, накладывается на угловое распределение ИВЧ и дополнительно усложняет анализ.

Вот почему разработка более эффективных и к тому же неразрушающих методов измерения скорости (энергии) заряженных частиц и их спектрального распределения в пучках ускорителей по-прежнему является актуальной и важной задачей. Разумеется, область возможного применения неразрушающих методов диагностики и контроля пучков ускорителей намного шире – от ускорителей в промышленности, используемых для радиационно-технологических процессов, и до ускорителей электронов и ионов для радиационной терапии и хирургии. Целесообразна разработка методов, которые были бы в известной мере универсальны

Нами обоснована возможность определения распределения скоростей частиц в пучках с использованием нелинейного участка зависимости интенсивности ИВЧ пучка заряженных частиц от фазовой скорости электромагнитных волн.

Предлагаемые методы пригодны для определения скоростей частиц при их произвольном угловом распределении, что абсолютно исключено в классических черенковских методах. Они являются практически неразрушающими и могут оказаться особенно удобными для определения энергии и энергетического распределения частиц в пучках ускорителей и вообще в импульсных радиационных полях большой мощности, возникающих, например, в критических экспериментах. В принципе методы могут «работать» и в оптическом, и в радиочастотном диапазоне. Ниже рассматриваются методы, развитые для оптического диапазона.

В п. 4.1 рассматривается метод определения средней скорости монохроматического пучка электронов по зависимости интенсивности ИВЧ оптическом диапазоне от давления газообразного радиатора, предложенный еще в 50-х годах прошлого столетия в работах (Bhidey et al., 1958, Jennings et al., 1960). Он основан на следующем. Если постепенно повышать давление