Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ
Розгляд особливостей використання радіофізичних методів, пов'язаних із впливом на об'єкт електромагнітних хвиль різних діапазонів. Знайомство з головними видами діагностики матеріалів. Аналіз прикладу просторової зміни магнітного поля в області дефекту.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | книга |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 13.01.2020 |
| Размер файла | 6,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Системи, що працюють у часовій області. Ці системи часто згадуються як радарні методи. Цей метод виник унаслідок застосування військового та підповерхневого радіолокаційного зондування і був запропонований для виявлення раку молочної залози в кінці дев'яностих років минулого століття. Він використовує добре розвинений радарний принцип, де короткі імпульси випромінюються з малою потужністю і приймаються в різних місцях із зонда антени або, альтернативно, шляхом використання масиву антен. Час затримки між випромінюваними й отриманими імпульсами та їх форма містять інформацію про розсіювач (неоднорідності). Оброблені сигнали для різних розміщень зонда антени або елементів масиву комбінуються, щоб сформувати 2D- або 3D-зображення, показуючи місце розміщення дуже рефлексивного об'єкта - тканини, ураженої раком.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 7.5 - Техніка модульованого розсіювання (виявлений приймачем сигнал пропорційний електричному полю)
Через згадуваний контраст у діелектричних властивостях між нормальною та злоякісною тканинами, НВЧ-розсіювання пухлини поперечного перерізу більше, ніж в еквівалентного розміру нормальної тканини молочної залози [32].
Як і в системах частотної області існують три основні конфігурації системи: моностатична, бістатична і мультистатична. У моностатичній конфігурації випромінювач також використовується як приймач та механічно переміщається уздовж грудей, щоб сформувати синтезовану апертуру. У бістатичній конфігурації одна передавальна й одна приймальна антени використовуються в парі та рухаються вздовж грудей для формування синтезованої апертури. У мультистатичній установці для збору даних використовується масив антен.
Радарні методи мають перевагу створення простого підходу для визначення місцезнаходження сильних розсіювачів у грудях, уникаючи повного хвильового електромагнітного аналізу.
Під час реалізації описаних вище методів дисперсія є великою проблемою, тому частотна залежність усіх тканин молочної залози або залежність від частоти діаграми спрямованості антени, як правило, ігноруються [35].
Сильне розсіювання на шкірі грудей компенсується за рахунок вирівнювання сигналів щодо відображення шкіри, і виключення усередненого сигналу калібрування від кожного вимірюваного сигналу. Із метою посилення процесу виявлення можуть бути використані різні методи підвищення виявлення сигналу, наприклад такі: конфокальна мікрохвильова обробка зображень, просторово-часові діаграми спрямованості або тимчасове зворотне фокусування хвилі.
Оскільки точність вимірювань і широкий динамічний діапазон - ключові вимоги для досягнення хорошої якості зображення, всі радарні методи обробки зображення відображення досі покладаються на частотну область вимірювань за допомогою системи, поданої на рис. 7.3. Подання тимчасової області досягається за допомогою зворотного перетворення Фур'є []. Рівень шуму системи вимірювання безпосередньо залежить від її пропускної здатності. Як випливає з (7.2), максимальна потужність випромінювання, також обмежена через електромагнітне випромінювання. Із цієї причини практичне застосування імпульсних систем вимірювання часового інтервалу для діагностики раку молочної залози обмежене.
Комбіновані системи. Комбінація двох раніше описаних методів у частотній і тимчасовій областях потенційно дозволяє відновлювати зображення з високою роздільною здатністю при відносно низьких обчислювальних витратах.
Цей метод з'явився з метою подолання певних незручностей обох описаних вище методів. Радарні методи здійснюються з метою визначення просторового розміщене та розмірів розсіювачів. Потім, використовуючи отриману інформацію, для відновлення діелектричних властивостей мішені використовуються методи частотної області. Це дозволяє значно зменшити обчислювальний час, необхідний для вирішення зворотного завдання розсіювання.
Це методика була запропонована недавно незалежно від процедури [] вимірювання. З урахуванням попереднього аналізу можна зробити висновок, що така комбінована техніка також ґрунтуватиметься на частотній області вимірювань.
7.2.3 Мікрохвильова мікроскопія
Принцип дії мікрохвильового мікроскопа - зміна резонансної частоти відкритого мікрохвильового резонатора, що виникає внаслідок взаємодії електромагнітного поля резонатора та об'єктів, розміщених під шкірою, таких як пухлини молочної залози (рис. 7.6).
Це можна проілюструвати за допомогою співвідношення для відносної зміни резонансної частоти резонатора, при зміні діелектричної проникності :
, (7.4)
де і - резонансні частоти вихідної й збуреної порожнин, відповідно; і - поля вихідної порожнини з об'ємом .
Рівняння (7.4) показує, що будь-яке збільшення у будь-якій точці порожнини призводить до зменшення резонансної частоти. Цей метод забезпечує високу просторову роздільну здатність, оскільки він базується на ближньопольовій взаємодії, яке не обмежується дифракційною межею. Ближньопольова мікрохвильова мікроскопія успішно використовувалася для дослідження поверхневої характеристики біологічних тканин із просторовою роздільною здатністю в діапазоні від л/50 до л/1000. Нещодавно ця техніка була запропонована для діагностики раку молочної залози []. Максимальна ефективна глибина виявлення становить кілька сантиметрів. Для глибоко розміщених пухлин така система, на жаль, втрачає свою субхвильову здатність фокусування.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 7.6 - Мікрохвильова мікроскопія. Зміна резонансної частоти за наявності пухлини
Мікрохвильова мікроскопія для діагностики раку молочної залози має ряд важливих переваг: дозволяє уникнути спеціальної обробки тканин шкіри та реалізації комплексних алгоритмів зворотного розсіювання; працює в дуже вузькому діапазоні частот, таким чином немає ніякої потреби в складних дисперсійних діелектричних моделях тканин молочних залоз; апріорне знання діелектричних властивостей пухлини не є критичним для успіху виявлення їх наявності; метод може бути використаний для виявлення раку молочної залози у чоловіків.
7.2.4 Комбіновані методи
Мікрохвильове теплове акустичне відображення. Мікрохвильове теплове акустичне відображення поєднує в собі переваги високого контрасту провідності злоякісних тканин у діапазоні надвисоких частот і високу просторову роздільну здатність ультразвукового зображення.
Генератор НВЧ-імпульсів використовується тут для опромінення молочної залози (рис. 7.7).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 7.7 - НВЧ-індукована, теплова візуалізація
Мікрохвильова потужність обсягу плазми, поглиненої в одиниці об'єму тканини, пропорційна її електричній провідності:
В/м3,
де - амплітуда напруженості електричного поля всередині тканин [35]. Це поглинання стимулює термопружне розширення тканин і викликає термоакустичні хвилі, які можуть бути виявлені за допомогою акустичних сенсорів, розміщених за межами молочної залози. Виміряний надлишковий тиск є функцією ширини НВЧ-імпульсу та дифракційного енергетичного поглинання на одиничний обсяг тканини в певному положенні. Акустичні хвилі, що генеруються таким чином, несуть інформацію про мікрохвильове поглинання енергії, властивості тканин під опроміненням. Згідно із (7.5) мікрохвильова енергія, поглинена пухлиною та нормальними тканинами молочних залоз, істотно відрізнятиметься і сильніша акустична хвиля буде проведена пухлиною.
Основною проблемою під час клінічної реалізації цієї методики є підвищений рівень електромагнітного випромінювання. НВЧ-потужність імпульсів становить від одного до кількох десятків кіловатів, що навіть у середньому значно вище, ніж використовувані іншими мікрохвильовими системами візуалізації, які описані вище. Більшість проблем, що стоять перед описуваною мікрохвильовою тепловою акустичною системою відображення, пов'язані з неоднорідністю тканини молочних залоз. Це призводить до неоднорідного мікрохвильового енергетичного розподілу, сильного втручання від шкіри та стінки грудної клітки, й отже, до складних алгоритмів реконструкції зображення. Біологічні тканини повинні бути нагріті мікрохвильовим джерелом рівномірно, інакше теплові акустичні сигнали викликатимуться неоднорідним мікрохвильовим енергетичним розподілом, що призводить до зображень, які важко інтерпретувати. Збудження небажаних електромагнітних коливань поля високого порядку в тканини молочної залози також сприяє неоднорідному мікрохвильовому енергетичному розподілу. Оскільки шкіра грудей, тканини молочної залози, грудна стінка та пухлина поглинають мікрохвильову енергію та перетворюють енергію в тепло, то відповідно до (7.5) усі вони виробляють теплові акустичні сигнали. Виміряні теплові акустичні сигнали містять у собі випромінювання від пухлини, а також від інших здорових тканин молочної залози. Теплові акустичні сигнали, що генеруються шкірою, набагато сильніші, ніж ті, що вироблені локальної пухлиною, через високу провідність шкіри й акустичних датчиків, розміщених дуже близько до шкіри. Через нерівномірні швидкості звуку в біологічних тканинах час повернення акустичного імпульсу, у місці розміщення пухлини, не може бути визначено точно. Всі ці фактори ускладнюють інтерпретацію властивостей зворотного поширення теплових акустичних сигналів.
Шкірні реакції, як правило, компенсуються шляхом усереднення за аналогією з радарною технікою. Перешкоди також можуть бути зменшені за рахунок використання дисперсійних властивостей і роботи одночасно на декількох частотах, як це спостерігається, наприклад, у радіометрії. Інформація, зібрана від багаточастотної стимуляції, може допомогти пом'якшити згадані вище проблеми.
Ультразвуковий контроль мікрохвильових зображень. Потенціал тяжіння передбачає інформацію об'єднання відображення мультимодальних, зібраних від різних систем, щоб забезпечити більш повний діагностичний інструмент, який покриває повний спектр фізіологічних і патологічних станів тканин. Кероване ультразвуком мікрохвильове відображення - це така комбінація двох методів, де мікрохвильове відновлення зображень орієнтується на УЗД. Ультразвукові зображення використовуються для збору апріорної інформації про структуру молочної залози та про геометрію впроваджених об'єктів. Це допомагає створити оптимальну сітку з добре вдосконаленою цільовою областю для ефективного числового аналізу електромагнітного завдання []. Отже, просторова роздільна здатність мікрохвильового відображення може бути збільшена, що призводить до більш точного відображення пухлин.
Мікрохвильова візуалізація зображення має значний потенціал для діагностики раку молочної залози та інших пухлин через високий контраст у властивостях діелектрика тканини на мікрохвильових частотах. До цих засобів потрібно віднести: термографію, мікрохвильову томографію, мікрохвильову мікроскопію, стимульоване мікрохвильове теплове акустичне відображення та ультразвуковий контроль мікрохвильових зображень. Кожен метод має свої переваги та недоліки, але кількість наукових досліджень і розробок вивчення кожного можливого підходу продовжує зростати.
Відзначаючи велику різноманітність запропонованих методів, потрібно відзначити, що деякі системи, такі як пасивні системи, 2D-томографи в частотній області, а останнім часом надширокосмуговий мережевий аналізатор уже використовується в клінічних випробуваннях.
Список літератури
1.Ермолов И. Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества: учебное пособие / И. Н. Ермолов, Ю. Я. Останин. - М. : Высш. шк., 1988. - 368 с.
2.Бадалян В. Г. Ультразвуковая дефектометрия металлов с применением голографических методов / В. Г. Бадалян, Е. Г. Базулин, А. Х. Вопилкин и др.; под ред. А. Х. Вопилкина. - М., 2008. - 298 с.
3.Брюховецкий Ю. А. Практическое руководство по ультразвуковой диагностике. Общая ультразвуковая диагностика. - 2-е издание / Ю. А. Брюховецкий, С. Г. Бурков, Н. В. Заболотская и др.; под ред. В. В. Митькова. - М. : Видар-М, 2011. - 712 с.
4.Горелик С. С. Рентгенографический электронно-оптический анализ: учебное пособие для вузов / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - М. : МИСИС, 1994. - 328 с.
5.Гурвич А. К. Неразрушающий контроль: практическое пособие: в 5 кн. / под ред. В. В. Сухорукова. - М. : Высш. шк., 1991-1992. - 1427 с.
6.Каневский И. Н. Неразрушающие методы контроля / И. Н. Каневский, Е. Н. Сальникова. - Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2007. - 243 с.
7.Федоров Г. Є. Контроль якості продукції в машинобудуванні: навч. посіб. / Г. Є. Федоров, М. М. Ямшинський, А. М. Фусенко та ін. - К. : Політехніка, 2008. - 332 с.
8.Неразрушающий контроль: справочник: в 8 т. / под общ. ред. В. В. Клюева. - М. : Машиностроение, 2005-2006. - 5977 с.
9.Куценко В. П. Методы и средства сверхвысокочастотной радиометрии / В. П. Куценко, Ю. А. Скрипник, Н. Ф. Трегубов и др. - Севастополь : Вебер, 2012. - 324 с.
10.Усиков А. Я. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн / А. Я. Усиков, Э. А. Канер, И. Д. Трутень и др.; под ред. А. Я. Усикова. - К. : Наукова думка, 1988. - 368 с.
11.Breese M. B. Materials analysis using a nuclear microprobe / M. B. Breese, D. N. Jamieson, P. J. King at al. - New York, 1996. - 428 p.
12.Черепин В. Т. Ионный микрозондовый анализ. - К. : Наук. думка, 1992. - 344 с.
13.Проценко І. Ю. Прилади і методи дослідження плівкових матеріалів: навч. посіб. / І. Ю. Проценко, А. М. Чорноус, С. І. Проценко; за заг. ред. І. Ю. Проценка. - Суми : Видавництво СумДУ, 2007. - 264 с.
14. Reed S. J. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology / S. J. Reed. - Cambridge : University Press, 2005. - 215 p.
15.Pennycook S. J. Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging and Analysis / S. J. Pennycook, P. D. Nellist. - Springer, 2011. - 774 p.
16.Погребняк А. Д. Применение микро- и нанозондов для анализа малоразмерных 3D-материалов, наносистем и нанообъектов / А. Д. Погребняк, А. Г. Пономарев, А. П. Шпак и др. // Успехи физических наук. - 2012. - Т. 182, № 3. - C. 287-321.
17.Соколов С. В. Теорія електромагнітного поля та основи техніки НВЧ: навч. посіб. / С. В. Соколов, Л. Д. Писаренко, В. О. Журба; за заг. ред. Г. С. Воробйова. - Суми : Сумський державний університет, 2011. - 394 с.
18.Карпов Ю. О. Теоретичні основи електротехніки. Електромагнітне поле: навчальний посібник / Ю. О. Карпов, Ю. Г. Ведміцький, В. В. Кухарчук. - Вінниця : УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2008. - 406 с.
19.Vorobjov G. Electromagnetic Waves / G. Vorobjov, Y. Shulga, V. Zhurbenko, Edited by Vitaliy Zhurbenko. - Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2011. - 587 p.
20.Чернышев П. Н. Техническая электродинамика: учебное пособие / П. Н. Чернышев, В. П. Самсонов, Н. П. Чернышев. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2006. - 272 с.
21.Шматько А. А. Электронные приборы сверхвысоких частот: учебное пособие / А. А. Шматько. - Харьков : ХНУ им. В. Н. Каразина, 2006. - 328 с.
22.Бизнюк В. В. Квантовые источники излучения / В. В. Бизнюк, С. М. Гвоздев. - М. : ВИГМА, 2006. - 400 с.
23.Светцов В. И. Вакуумная и плазменная электроника: учебное пособие / В. И. Светцов. - Иваново : Иван. гос. хим. - технолог. ун-т, 2003. - 172 с.
24.Аксенов А. И. Вакуумная и плазменная электроника: учебное пособие / А. И. Аксенов, А. Ф. Злобина. - Томск : Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007. - 168 с.
25.Готри З. Ю. Фізичні основи електронної техніки / З. Ю. Готри. - Л. : Бескид Біт, 2004. - 879 с.
26.Щука А. А. Электроника: учебное пособие / А. А. Щука. - Петербург : БХВ, 2005. - 800 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Особливості поширення електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону в живих тканинах. Характеристики полів, що створюються тілом людини. Електронні переходи в збудженій молекулі. Фоторецепторні клітини.
реферат [238,5 K], добавлен 12.02.2011Характеристика методів отримання плівкових матеріалів, заснованих на фізичному випаровуванні: від історично перших методів термічного випаровування до сучасних іонно-плазмових, молекулярно-променевих та лазерних методів осадження. Рідкофазна епітаксія.
курсовая работа [865,1 K], добавлен 17.05.2012Існування електромагнітних хвиль. Змінне електромагнітне поле, яке поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. Наслідки теорії Максвелла. Хвильові рівняння електромагнітних хвиль та рівняння Максвелла. Енергія електромагнітних хвиль, вектор Пойнтінга.
реферат [229,2 K], добавлен 06.04.2009Температурна залежність опору плівкових матеріалів: методика і техніка проведення відповідного експерименту, аналіз результатів. Розрахунок та аналіз структурно-фазового стану гранульованої системи Ag/Co. Аналіз небезпечних та шкідливих факторів.
дипломная работа [5,7 M], добавлен 28.07.2014Закон повного струму. Рівняння Максвелла для циркуляції вектора напруженості магнітного поля. Використання закону для розрахунку магнітного поля. Магнітний потік та теорема Гаусса. Робота переміщення провідника із струмом і контуру у магнітному полі.
учебное пособие [204,9 K], добавлен 06.04.2009Вплив зовнішнього магнітного поля на частоту та добротність власних мод низькочастотних магнітопружних коливань у зразках феритів та композитів з метою визначення магнітоакустичних параметрів та аналізу допустимої можливості використання цих матеріалів.
автореферат [1,4 M], добавлен 11.04.2009Магнітні властивості композиційних матеріалів. Вплив модифікаторів на електропровідність композитів, наповнених дисперсним нікелем і отверджених в магнітному полі. Методи розрахунку діелектричної проникності. Співвідношення Вінера, рівняння Ліхтенекера.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 18.06.2013Розгляд особливостей методів калібровки лічильників електричних індуктивних. Визначення недоліків та переваг різних методів калібровки, опис автоматизованого способу. Детальний аналіз особливостей роботи автоматизованого пристрою калібровки лічильників.
отчет по практике [411,5 K], добавлен 14.07.2015Характеристика обертального моменту, діючого на контур із струмом в магнітному полі. Принцип суперпозиції магнітних полів. Закон Біо-Савара-Лапласа і закон повного струму та їх використання в розрахунку магнітних полів. Вихровий характер магнітного поля.
лекция [1,7 M], добавлен 24.01.2010Класифікація та методи вимірювання. Термодинамічні величини. Термодинамічна температура. Температурний градієнт. Температурний коефіцієнт відносної зміни фізичної величини. Теплота, кількість теплоти. Тепловий потік. Коефіцієнт теплообміну. Ентропія.
реферат [65,6 K], добавлен 19.06.2008
