Хвилевідна діелектрометрія біологічних об'єктів в області частотної дисперсії вільної води

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.317.7:537.868.3

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ХВИЛЕВІДНА ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЯ БІОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ В ОБЛАСТІ ЧАСТОТНОЇ ДИСПЕРСІЇ ВІЛЬНОЇ ВОДИ

Красов Павло Сергійович

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Фісун Анатолій Іванович Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (м. Харків) провідний науковий співробітник відділу твердотільної електроніки

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор Гордієнко Юрій Омелянович ХНУРЕ, завідувач кафедрою

- доктор технічних наук, професор Назаренко Леонід Андрійович Національний науковий центр "Інститут метрології" м. Харків провідний науковий співробітник

Захист відбудеться " 27" жовтня 2011р. о 13 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.04 при Харківському Національному Університеті Радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14, ауд.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Харківського Національного Університету Радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14.

Автореферат розісланий "__" вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Бородін Б.Г.

Анотації

Красов П.С. Хвилевідна діелектрометрія біологічних об'єктів в області частотної дисперсії вільної води. - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів та систем. - Харківський Національний Університет Радіоелектроніки, м. Харків, 2011 р.

У роботі теоретично та експериментально досліджено електродинамічні властивості хвилевідних вимірювальних систем на основі закороченого відрізку хвилеводу прямокутного перетину, а також на основі відкритого кінця хвилеводу прямокутного перерізу і рупора. Встановлено, що діелектричні вставки симетричної та несиметричної клиноподібної форми суттєво впливають на ступень зміни модуля і фази комплексного коефіцієнта відбиття від вимірювальної хвилевідної кювети відповідно до зміни комплексної сталої досліджуваного об'єкту, та можуть поліпшити загальну чутливість визначення КДП до трьох разів, порівнюючи з сенсором без додаткових елементів. Встановлено, що вимірювальні сенсори на основі відкритого кінця хвилеводу чи прямокутного рупора з діелектричними узгоджувальними вставками не мають переваг за чутливістю у порівнянні з кюветами на основі закороченого хвилеводу. Вперше показано, що для розглянутих вимірювальних кювет вплив вищих типів коливань не є фактором зменшення похибки вимірів КДП. З використанням системного підходу створено автоматизований дослідний апаратно-програмний комплекс для проведення медико-біологічних експериментів на базі хвилеводного методу вимірювання КДП. З його використанням in vitro був підтверджений відомий у фармакології ефект втрати здатності еритроцитів крові людини реагувати на адреналін після проведення блокади їх в-адренергічних рецепторів. Вперше хвилеводним методом проведені виміри часових залежностей реакції діелектричної проникності еритроцитів крові людини на дію біологічно активних речовин.

Красов П.С. Волноводная диэлектрометрия биологических объектов в области частотной дисперсии свободной воды. - Рукопись.

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Харьковский Национальный Университет Радиоэлектроники, г. Харьков, 2011.

В работе теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства волноводных измерительных систем на основе закороченного отрезка волновода прямоугольного сечения, а также на основе открытого конца волновода прямоугольного сечения и рупора. Метод FDTD выбран для моделирования сложных измерительных структур, содержащих сильнопоглощающий биологический объект. На основе метода FDTD разработана методика проведения вычислительного эксперимента для оценки точностных характеристик измерительных волноводных структур в заданном диапазоне КДП и оценки применимости измерительных методов в медико-биологических экспериментах. Методика основана на априорных знаниях диапазона КДП исследуемых веществ и её возможных изменениях. Установлено, что диэлектрические вставки симметричной и несимметричной клиновидной формы существенно влияют на степень изменения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения от измерительной волноводной кюветы с изменением КДП исследуемого объекта. Следовательно, такие элементы могут улучшить общую чувствительность её определения до трех раз в сравнении с сенсором без дополнительных элементов. Установлено, что измерительные сенсоры на основе открытого конца волновода или прямоугольного рупора с диэлектрическими вставками не имеют преимуществ по чувствительности по сравнению с кюветами на основе закороченного волновода. Впервые показано, что для рассмотренных измерительных кювет влияние высших типов колебаний не является фактором уменьшения погрешности измерения КДП. С использованием системного подхода создан автоматизированный исследовательский аппаратно-программный комплекс для проведения медико-биологических экспериментов на базе волноводного метода измерения КДП. Рабочая частота комплекса 39,5 ГГц. В его основе лежит четырехзондовая измерительная линия, для которой разработаны улучшенные алгоритмы калибровки. Разработан интерфейсный блок, который управляет работой комплекса и передает информацию на ПК. Программное обеспечение и разработанная методика проведения экспериментов позволяют проводить измерения как ККО, так и КДП образцов при полном документировании и контроле измерений. Точность измерений КДП не хуже 2% по реальной и 4% по мнимой частям. С использованием автоматизированного комплекса in vitro был подтвержден известный в фармакологии эффект потери способности эритроцитов крови человека реагировать на адреналин после проведения блокады их в-адренорецепторов. Впервые волноводным методом проведены измерения временных зависимостей реакции КДП эритроцитов крови человека на действие биологически активных веществ.

Krasov P.S. Waveguide dielectrometry of biological objects in the free water dispersion band. - Manuscript.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогоднішній день вивчення біологічних систем різних рівнів організації є актуальною проблемою в біології, біофізиці та медицині. Особливо гострою є необхідність розвитку методів досліджень біологічних об'єктів без порушення їх функціонального та структурного стану. Інструментом для аналізу може виступати низькоінтенсивне електромагнітне випромінювання (ЕМВ). В якості досліджуваної характеристики можна вибрати електрофізичну величину - комплексну діелектричну проникність (КДП), яка відображає міру взаємодії ЕМВ з речовиною. Особливий інтерес викликає діапазон частотної дисперсії вільної води, оскільки внесок в релаксаційні процеси чинять тільки молекули вільної води. При цьому зміна стану біологічного об'єкту визначається за зміною об'ємного перерозподілу між вільною та зв'язаною водою, що міститься у біологічному об'єкті. Проте, вимірювання фізичних характеристик діелектриків з великими втратами, до яких якраз відносяться вода і біологічні об'єкти, є складним процесом з точки зору як обчислювальної, так й прикладної електродинаміки, до того ж ефекти зміни КДП у життєздатних біологічних об'єктів є незначними. Тому розробка нових та удосконалення існуючих методів та приладів для дослідження біологічних об'єктів радіофізичними методами є актуальною проблемою.

У процесі розробки апаратури для медико-біологічних досліджень необхідно забезпечити міждисциплінарний підхід, що використовує результати підготовчої аналітичної роботи з об'єктом дослідження. Для біологічних об'єктів цей підхід повинен враховувати інформацію про електрофізичні характеристики зразка (КДП), фізичні характеристики (змочування, плинність і хімічна активність), його обсяг, доступний для використання, можливу тривалість проведення експерименту. Саме ці дані визначають коло методів, котрі бажано застосувати. Для біологічних рідин, наприклад суспензії еритроцитів крові людини, з точки зору радіофізичних методів найбільш важливими є такі характеристики - великий тангенс кута втрат, мала кількість зразка, велика кількість необхідних вимірів, та невелика тривалість збереження життєздатності клітин крові. Незважаючи на високу чутливість, резонаторні методи характеризуються складною розробкою для вимірів широкого спектру сильнопоглинаючих речовин. Крім того потрібно багато часу на зміну зразка, наприклад у капілярі. Виміри у вільному просторі навпаки потребують великої кількості зразка. Тому для вивчення біологічних об'єктів доцільно використати хвилевідний метод. У рамках цього методу можливо реалізувати диференційні виміри, але у разі малого об'єму зразка точність виготовлення кювет для необхідного розбігу параметрів повинна бути невиправдано високою. Хвилевідний метод "на відбиття" при послідовному виміру зразків є таким, що задовольняє усім вказаним вище вимогам до обраного типу медико-біологічних досліджень. На його базі можливо створити вимірювальний сенсор, в якому використовується мала кількість зразка, а технічна реалізація дає можливість легкого та швидкого внесення та видалення його залишків. Треба відзначити, що для поліпшення статистичної достовірності і розширення можливостей досліджування біооб'єктів необхідно збільшити чутливість вимірювань КДП у порівнянні із вживаними хвилевідними методами, в яких використовуються пласкопаралельні структури, що включають зразок. Одним із шляхів поліпшення чутливості є внесення в структуру додаткових діелектричних вставок для зміни умов узгодження зразка з вимірювальною приладовою частиною. Незважаючи на те, що такі діелектричні неоднорідності у хвилеводі вже відомі, їх використання при вимірах КДП у літературі не виявлено, отже становить інтерес. Зв'язано це, насамперед, зі складним модовим складом в таких системах. Тому, для теоретичних досліджень таких систем необхідно вибрати адекватний інструмент моделювання, який би дозволив реалізувати потрібну геометрію і вивчити амплітуди модового складу вимірювальної хвилевідної системи. Також, незважаючи на наявність методів знаходження електродинамічних характеристик неоднорідностей, не існує методик використання хвилевідних діелектричних вставок в процесі оптимізації таких вимірювальних систем для чітко визначеного ряду об'єктів. Отже, розробка методики для оптимізації кювет під біологічні об'єкті є актуальною і важливою задачею. Автоматизація вимірів повинна не лише дати змогу провести експеримент у межах часу збереження життєздатності клітин крові та скоротити час проведення експериментів, але й дозволити проводити їх нові типи. Наприклад, дослідження часової реакції клітин на специфічний вплив, що може дати додаткову інформацію щодо їх функціонування. Важливо зауважити, що при впровадженні апаратури для медичних досліджень бажано, щоб вона давала можливість проведення експериментів медичним персоналом, та забезпечувала мінімізацію помилок у вимірах і при обробці даних. Тому у процесі розробки як самого комплексу, так і його програмного забезпечення повинні враховуватися й ці важливі фактори.

Отже, стає вочевидь, що потрібна методологія, яка б змогла об'єднати усі визначені вимоги до апаратури, структуризувати існуючі дані для вимірювальної апаратури НВЧ діапазону та допомогла б у розробці методів теоретичного вивчення електродинамічних характеристик вимірювальних хвилевідних кювет та методик їх удосконалення. Цим вимогам відповідає системний підхід. Він дозволяє виявляти закономірності та взаємозв'язки з метою їх більш ефективного використання, при цьому системний підхід є не стільки методом вирішення завдань, скільки методом їх постановки. Таким чином, його використання необхідне у рамках розробки автоматизованого комплексу для визначення комплексної діелектричної сталої біологічних об'єктів, зокрема крові людини та її компонентів, та її зміни під впливом специфічних факторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано у відділі твердотільної електроніки ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках науково-дослідної роботи за договором №дз/308-2008/1 від 01.09.2008 "Розробка методу хвилевідної рефлектометрії, який використовується в апаратному комплексі КВЧ-діелектрометра" ("Електрон", № держреєстрації 0108U008184) та держбюджетних науково-дослідних робот: "Теоретичне та експериментальне дослідження хвильових процесів в активних та пасивних приладах й системах мікрохвильового та міліметрового діапазонів" ("Буксир-3", № держреєстрації 0100U006441); "Теоретичне та експериментальне обґрунтування використання радіофізичних методів неруйнівного контролю міліметрового діапазону для дослідження керуючих систем живої клітини ("Причал", № держреєстрації 0103U002258); "Метод експрес аналізу in vitro молекулярних механізмів дії лікарських препаратів для їх конструювання, підбору доз і сполук" ("Фарм", № держреєстрації 0104U008860); "Розробка біосенсорів на основі мікроскопічних водоростей для контролю забруднень альгоценозів водоймищ" ("Біосенсор", № держреєстрації 0104U006888); "Розробка методики аналізу систем внутрішньоклітинної сигналізації дріжджів для створення біосенсорів з використанням КВЧ-діелектрометрії" ("Гриб", № держреєстрації 0105U006566); "Дослідження універсальних систем регуляції живої клітини з використанням радіофізичних підходів на основі діелектрометрії у міліметровому діапазоні радіохвиль" ("Мембрана", № держреєстрації 0107U001085). Автор є одним з виконавців цих робот, і його науковий внесок відображено у дисертації.

Мета і задачі роботи. Метою роботи є створення, використовуючи системний підхід, автоматизованого дослідницького апаратно-програмного комплексу для проведення медико-біологічних експериментів, який ґрунтується на хвилевідному методі вимірювання КДП.

Виходячи з мети роботи, були поставлені такі задачі :

1. Вивчити електродинамічні властивості вимірювальних хвилевідних структур, що містять біологічний об'єкт та узгоджувальні діелектричні вставки клиноподібної форми для підвищення роздільної здатності визначення КДП. Вибрати математичний метод, придатний для проведення обчислювальних експериментів з дослідження характеристик хвилевідних вимірювальних структур складної геометрії. Розробити методику проведення обчислювальних експериментів з оцінки впливу внесених до структури змін на чутливість визначення КДП для хвилевідних вимірювальних систем декількох типів: систем, заснованих на закороченому відрізку хвилеводу прямокутного перетину для зразків у малих обсягах, та вимірювальних систем на основі відкритого кінця хвилеводу прямокутного перерізу і рупора для зразків у великих обсягах.

2. Створити автоматизований апаратно-програмний комплекс міліметрового діапазону (рефлектометр) для визначення комплексного коефіцієнта відбиття (ККВ) від довільних НВЧ навантажень на фіксованій частоті. Для цього провести модифікацію існуючих і реалізувати нові технічні рішення для досягнення необхідних характеристик всіх важливих компонентів вимірювального комплексу: джерела НВЧ коливань, аналізатора ККВ міліметрового діапазону довжин хвиль і системи отримання та обробки даних. Провести тестові вимірювання ККВ фіксованих НВЧ навантажень для визначення точнісних характеристик.

3. Експериментально дослідити на розробленому рефлектометрі ряд промодельованих вимірювальних структур, які мають найбільш цікаві характеристики щодо практичного застосування у медико-біологічних експериментах.

4. Визначити КДП тестових сильнопоглинаючих речовин із застосуванням рефлектометра з базовим варіантом хвилевідної кювети в якості досліджуваного навантаження для визначення точнісних характеристик.

5. Провести тестовий медико-біологічний експеримент, спрямований на вивчення адренореактивності еритроцитів крові людини. Провести тестові виміри часових залежностей реакції діелектричної проникності еритроцитів крові людини на дію біологічно активних речовин.

Об'єктом дослідження є фізичні поля, що виникають при взаємодії коливань НВЧ з елементами вимірювальних хвилевідних структур, до складу яких входять біологічний об'єкт та діелектричні вставки різної геометрії.

Предметом досліджень є електродинамічні характеристики вимірювальних хвилевідних структур складної геометрії міліметрового діапазону довжин хвиль, що містять біологічний об'єкт; точнісні характеристики вимірювань КДП науково-дослідної апаратури медико-біологічного спрямування.

1. Метод кінцевих різниць у часовій області (FDTD) для проведення обчислювальних експериментів з вивчення та оптимізації вимірювальних хвилевідних структур складної геометрії, що містять біологічний об'єкт.

2. Експериментальні вимірювання: вимірювання ККВ фіксованих НВЧ навантажень і хвилевідних вимірювальних структур, вимірювання параметрів НВЧ елементів, складових вимірювального комплексу, вимірювання КДП тестових сильнопоглинаючих речовин і біологічних об'єктів. Проведення медико-біологічних експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Впроваджено системний підхід до розробки приладу для діелектрометрії біологічних об'єктів у міліметровому діапазоні довжин хвиль. З його використанням знайдено та реалізовано новий спосіб суттєвого поліпшення точністних та експлуатаційних характеристик хвилевідного вимірювального сенсора стосовно вимог заданого медико-біологічного експерименту, визначені методи розробки вимірювального пристрою.

2. Вперше проведено електродинамічне моделювання взаємодії хвилевідних хвиль з біологічними об'єктами у хвилевідних кюветах, що мають додаткові діелектричні узгоджувальні елементи. Доведено, що ці елементи дають змогу підвищити чутливість хвилевідного метода до зміни комплексної сталої досліджуваного об'єкту на одній частоті, та зменшити похибку виміру діелектричної сталої.

3. Виявлено, що для розглянутих вимірювальних кювет діелектричні вставки симетричної форми суттєво впливають на зміну фази комплексного коефіцієнту відбиття від хвилевідної кювети при зміні діелектричної сталої досліджуваного об'єкту. Для розглянутих у роботі тестових речовин, максимальна зміна фази досягає на порядок більшу величину у порівнянні із сенсором без додаткових елементів. Виявлено, що несиметрична клиноподібна вставка збільшує зміну як модуля, так і фази комплексного коефіцієнта відбиття при зміні комплексної сталої досліджуваного об'єкту.

4. Вперше розглянуто вплив вищих типів коливань на похибку виміру діелектричної сталої хвилевідним методом. Показано, що для розглянутих вимірювальних кювет наявність вищих типів коливань не є фактором зменшення похибки, незважаючи на те, що вони мають вплив на абсолютне значення коефіцієнта відбиття на основному типі хвилі.

5. В результаті комп'ютерного моделювання встановлено, що вимірювальні сенсори на основі відкритого кінця хвилеводу чи прямокутного рупора з діелектричними узгоджувальними вставками не мають переваг щодо чутливості порівняно з кюветами на основі закороченого хвилеводу.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що діелектрометри, що основані на хвилевідних кюветах з додатковими діелектричними узгоджувальними елементами, є перспективними щодо проведення медико-біологічних експериментів, які потребують малих кількостей досліджуваного матеріалу, та великих серій вимірювань. Зокрема, завдяки використанню новітнього автоматизованого вимірювального комплексу у дослідженнях еритроцитів крові людини підтверджено попередні результати з діагностики судинних патологій. Вперше хвилевідним методом проведені виміри часових залежностей реакції діелектричної проникності еритроцитів крові людини на дію біологічно активних речовин. Вперше реалізовано автоматизований апаратно-програмний комплекс для одночастотного вимірювання ККВ у міліметровому діапазоні довжин хвиль на основі багатозондової вимірювальної лінії (БВЛ). Даний комплекс може бути використаний як для практичного дослідження вимірювальних структур, так і в комплекті з хвилевідним вимірювальним сенсором для проведення медико-біологічних експериментів. Отримано рекомендації щодо розробки та застосування вимірювальних систем на основі закороченого відрізка хвилеводу прямокутного перетину, а також відкритого кінця хвилеводу прямокутного перетину і рупора для визначення КДП біологічних об'єктів, які можуть бути використані при створенні науково-дослідної апаратури при проведенні медико-біологічних експериментів.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором розроблений підхід, який дозволяє досліджувати хвилевідні вимірювальні сенсори для сильнопоглинаючих речовин у НВЧ діапазоні [10,13] та проведено моделювання таких сенсорів різної геометрії [5,11,12]. Проаналізовано методику встановлення діелектричної сталої зразка за значенням комплексного коефіцієнта відбиття від базового варіанту вимірювальної кювети, удосконалено методику вибору та аналізу параметрів базового варіанту вимірювальної кювети. Автором проведено розробку автоматизованого апаратно-програмного комплексу для дослідження параметрів вимірювальних сенсорів [6,9] та здійснення медико-біологічних експериментів [3]. В рамках даної розробки обрано НВЧ генератор й проведено виміри його характеристик [4]. Проведена апробація комплексу в медико-біологичних експериментах [1,2,4,7,8] у клінічних умовах.

Апробація результатів дисертації. Роботи за темою дисертації доповідалися і обговорювалися на наукових кваліфікаційних семінарах "Радіофізика та електроніка міліметрових та субміліметрових хвиль" ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України, а також на наукових конференціях: "Биоэтика - путь к мировым стандартам", Харків, 4-7 жовтня 2005; "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (CriMiCo2009), Севастополь, 14-18 вересня 2009; The Seventh International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'10), Харків, 21-26 червня, 2010; IX Міжнародна науково-технічна конференція "Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів", Кременчук, 5-7 листопада 2010.

Публікації. Матеріали дисертації та її зміст відображено у 13 друкованих працях, з них 5 статей у фахових періодичних віданнях, 3 у інших наукових виданнях та 5 тез доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, переліку умовних скорочень і позначень, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 127 сторінок, з яких 112 сторінок основного тексту. Список використаних джерел на 15 сторінках включає 134 найменування. Усього в дисертації 70 рисунків і 5 таблиць.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, викладено відомості про апробацію результатів, публікації, зміст та структуру дисертації.

У розділі 1 розглянуті основні мікрохвильові технології вимірювань КДП. Показано, що успішна розробка вимірювальних комплексів НВЧ діапазону для вивчення КДП сильнопоглинаючих речовин ґрунтується не тільки на виборі адекватної мікрохвильової технології, але й більшою мірою на специфічних знаннях, що стосуються досліджуваного матеріалу. Зручність як проведення процесу вимірювань, так і підготовки до них (складність і тривалість калібрування, реалізація розрахунків шуканих величин і кількість необхідних при цьому вимірювань) визначають поширеність методу у лабораторній та промисловій практиці.

У розділі 2 розглядаються особливості вузлів розробленого апаратно-програмного комплексу, виходячи з вимог проведення медико-біологічних експериментів. Представлено обраний для використання в приладі НВЧ генератор на основі діода Ганна і стабілізований сферокутниково-ешелетним відкритим резонатором. Автором дисертації проведені вимірювання характеристик його експериментального зразка. Розроблено і реалізовано вдосконалений алгоритм калібрування БВЛ і проведено оптимізацію чутливості визначення ККВ конструктивним розташуванням зондів БВЛ. Також представлено рішення задачі визначення ККВ за даними з БВЛ. Проаналізовано вимірювальну кювету в базовому варіанті, яка представляє пласко-паралельну структуру, розташовану в перетині прямокутного хвилеводу і представлено рішення задачі знаходження КДП досліджуваного зразка за значенням ККВ від кювети. Початковий варіант такої кювети і ця задача були досліджені колективом авторів під керівництвом доктора фіз.-мат. наук Щеголєвої Т.Ю. в 1980-х рр. У даній дисертаційній роботі результати вирішення цієї задачі застосовувалися для створення базового варіанту вимірювальної кювети, з використанням розробленої автором дисертації методики підбору параметрів кювети для роботи з біологічними об'єктами. Базовий варіант є основою при пошуку систем, що мають поліпшені характеристики. Отримані чисельно-аналітичні вирази використовуються у користувальницькому додатку для роботи з комплексом у підпрограмі знаходження ККВ за даними амплітудних вимірювань з зондів БВЛ і в підпрограмі знаходження КДП досліджуваних речовин за значеннями ККВ від базового варіанту вимірювальної кювети. Варто відзначити, що обрана програмна та апаратна структури від початку розраховані для використання різних оптимізованих під конкретні експерименти вимірювальних кювет з єдиним автоматизованим вимірником ККВ.

У розділі 3 проведено ряд обчислювальних експериментів з вивчення електродинамічних якостей вимірювальних хвилевідних кювет. В даній роботі досліджувалися модифікації базової хвилевідної кювети (рис.1. моделі 1 і 2) і вимірювальних сенсорів на основі відкритого кінця хвилеводу (рис.1. модель 3).

Рис. 1. Моделі досліджених систем та фото базового варіанту кювети

На рис. 1 показані: d₁ - товщина прокладки, що межує з короткозамикачем; d₂ - товщина зразка; d₃ - товщина слюдяної прокладки; d₄ - товщина проміжної прокладки; d₅ - товщина досліджуваної узгоджуючої вкладки. Для наочності зображення бічна та верхня стінки прямокутного хвилеводу не показані. У випадку системи 3, геометрія і товщина зразка вибирається достатньою для повного згасання в ньому хвилі, що пройшла. Для аналізу сформульовано вихідні вимоги і умови, а також обрано адекватну модель і математичний метод моделювання, побудовано алгоритм дослідження. Модельні вимірювальні структури в даній задачі зведені до скалярних двовимірних. Це не позбавило можливості вивчити особливості просторово-часової трансформації і взаємодії хвиль, але істотно полегшило моделювання. З метою проведення обчислювальних експериментів був обраний комплекс програмних засобів розробки ІРЕ НАН України, в якому використовується метод кінцевих різниць у часовій області (FDTD). Досліджувалися відбивні характеристики для перших трьох мод в частині робочої смуги частот прямокутного хвилеводу перетином 5,2Ч2,6 мм - 35-48 ГГц (k= 750-1000 рад*м^-1). Робоча частота вимірювального комплексу відповідає k = 827 рад*м^-1. Значення фази, що визначене в результатах експерименту, наводиться відносно порта живлення як референсної площини. Методика дослідження полягає в одержанні відгуку від вимірювальної системи при внесенні в неї тестових речовин та аналізі досягнутої роздільної здатності. Відгук являє собою частотну залежність амплітуди і фази ККВ від такої системи, а роздільна здатність - різниця цих значень на робочій частоті при внесенні до них тестових речовин. Чим вона більше, тим імовірніше відрізнити два стани біологічного об'єкту, які характеризуються малою різницею КДП. В даному випадку також коректно використовувати поняття диференціальної чутливості. Тестові речовини обрані за результатами практичних досліджень біооб'єктів та вимірювань характеристик бінарних рідин в експерименті на базовій кюветі. Крайніми значеннями діапазону КДП в методиках дослідження біологічних об'єктів, які нас цікавлять, є значення для води та водного розчину етилового спирту з мольної часткою Х ₂=0,08, а додатковою тестовою речовиною, яка дозволяє оцінити рівномірність розподілу диференціальної чутливості, слугує водний розчин спирту з мольною часткою Х ₁=0,04. У поставлених експериментах частотна дисперсія речовин може не враховуватися, тому що метою є не моделювання реального експерименту з вимірювання КДП у смузі частот, а вивчення реакцій вимірювальних систем на зміни їх геометрії при фіксованому КДП тестового зразка, значення якого вибирається відповідно до робочої частоти приладу. Таким чином моделювання одночастотних вимірювань коректно і з точки зору дисперсійних характеристик зразків, що підтверджено експериментами.

Встановлено, що діелектричні вставки різної форми (симетричні або несиметричні вставки клиноподібної форми) суттєво впливають на ступінь зміни як модуля, так і фази комплексного коефіцієнту відбиття від вимірювальної хвилеводної кювети відповідно до зміни комплексної сталої досліджуваного об'єкту.

Рис. 2. Характеристики кювет: а - базовий варіант, б - поліпшений варіант

На рис. 2 представлені результати моделювання (лінії) та практичних вимірювань (крапки) характеристик базового та модифікованого варіантів кювет при внесенні до них тестових зразків. Кювета зі вставкою несиметричної форми має збалансовану диференціальну чутливість за модулем та фазою (рис.2.б), проста при збірці і менш критична до відхилень при виготовленні в порівнянні з системою зі вставкою у вигляді симетричного клину. При її використанні експериментально досягнуто збільшення роздільної здатності за модулем ККВ в 1,5-2 рази, а за фазою в 3-4 рази, в різних діапазонах зміни КДП. Даний факт дозволяє припустити збільшення точності вимірювання діелектричної проникності при використанні модифікованої кювети. Показано, що, маючи заданий діапазон діелектричної проникності вимірюваних об'єктів, можна підібрати параметри елементів вимірювальної системи для досягнення більш високої диференціальної чутливості до змін КДП в порівнянні з варіаціями класичного хвилеводного методу, що використовує пласкопаралельні структури та зразки. Для системи зі симетричним клином товщиною d₅=2,1 мм (рис.3.а) для деяких k досягається збільшення чутливості за фазою на порядок (різниця ~180° в фазах для тестових речовин), в порівнянні з базовим варіантом. Отже, такий варіант може бути використаний для більш успішної диференціації станів біологічного об'єкта, незважаючи на нерівномірність чутливості за фазою, яка була виявлена в ході додаткових експериментів з більшою кількістю (8) проміжних тестових речовин.

Рис. 3. Кювета з симетричною клиноподібною вставкою та сенсор на основі відкритого кінця хвилеводу

Розглянуто різні варіанти сенсорів на основі відкритого кінця хвилеводу і рупора, доповнені діелектричними вставками, аналогічними, використовуваним в кюветах на основі закритого кінця хвилеводу. Для жодного з варіантів не було досягнуто істотного поліпшення характеристик, що в комплексі з меншою початковою диференціальною чутливістю виключає такі системи з практичного використання в обраних медико-біологічних дослідженнях. В якості ілюстрації показані електродинамічні характеристики сенсора зі вставкою (рис.3.б), що збільшила чутливість хвилеводної кювети, які додатково ілюструють вплив вищих типів хвиль на ККВ на основному типі хвилі. Однак, застосування вставок різної форми і зміна форми розкриву дозволяє незначно збільшувати чутливість при одночастотних вимірах, а також впливати на характеристики кривої для модуля ККВ в методах, де проводяться вимірювання мінімуму модуля ККВ і його положення для визначення КДП досліджуваного об'єкта.

У розділі також розглянуто вищі типи хвиль, що виникають в обох типах хвилевідних сенсорів, та показано, що вони не впливають на результати вимірювань комплексного коефіцієнта відбиття від неї, та на чутливість до зміни комплексної сталої у досліджуваному об'єкті. Для більшості досліджених діелектричних вставок, які являють собою незначну неоднорідність, амплітуда вищих мод мала, що спільно з їх затухаючим характером дозволяє зменшити їх вплив на ККВ на основній моді. Відсутність різких стрибків на графіках модуля ККВ опосередковано підтверджує правомірність такого підходу. Для інших, більш сильних неоднорідностей, вплив вищих мод виражається в "модуляції " кривої для основної моди, особливо, в діапазоні, який допускає їх розповсюдження.

У розділі 4 показано, як в результаті впровадження системного підходу побудовано автоматизований апаратно-програмний комплекс, який можливо використовувати насамперед для вивчення стану біологічних об'єктів на частоті 39,5 ГГц, та який має поліпшені як точнісні, так й експлуатаційні характеристики в порівнянні з існуючими зразками, які використовують хвилевідний метод виміру діелектричної сталої зразків. При розробці апаратурного комплексу було використано ключову особливість методики - вимірювання на одній частоті, які дозволили вибрати БВЛ в якості вимірника ККВ і досягти необхідних її характеристик. Для БВЛ обрана конструкція з великим перехідним ослабленням в каналах (не менше 40 дБ), що дає можливість знехтувати впливом детекторних зондів на розподіл поля в основному хвилеводі. Система збору та обробки інформації побудована на сучасній елементній базі і дозволяє проводити регульоване посилення, аналого-цифрове перетворення, первинну цифрову фільтрацію і обробку сигналів з детекторних секцій БВЛ. Отримані дані відправляються за допомогою оптоізольованого послідовного інтерфейса до ПК. Час вимірювання одного НВЧ навантаження становить близько 3-х секунд. Під час роботи комплексу здійснюється контроль температури зовнішнім датчиком, підключеним до плати збору та обробки даних. Користувальницький додаток, що входить в комплект комплексу, дозволяє на ПК з операційною системою MS Windows управляти настройками інтерфейсного блоку, проводити вимірювання та калібрування. За рахунок цього додатка розширені функціональні можливості: впроваджено вимірювання часових реакцій КДП біологічних об'єктів на специфічний вплив діючих речовин, забезпечена можливість проведення скринінгу і реалізовано режим повного документування експерименту. Для своєчасного виявлення помилок в роботі комплексу та зменшення похибок були введені додаткові проміжні вимірювання тестових фіксованих навантажень, що здійснюються між серіями вимірювань зразків, з автоматичним контролем та проміжним калібруванням одержуваних значень ККВ. Розрахунок КДП здійснюється за набором даних, що включає результати вимірювань зразків, калібрувальних вимірювань короткозамикаючого навантаження зі змінною фазою, проміжних вимірювань навантажень з відомим коефіцієнтом відбиття, контрольних вимірювань води і порожньої кювети. Розрахунок КДП проводився лише для вимірювань на базовому варіанті кювети. Для модифікованих варіантів кювет визначення КДП не реалізовано, хоч і можливо в результаті проведення набору прямих розрахунків ККВ відповідного набору значень КДП і подальшої вибірки з такого масиву.

Рис. 4. Апаратно-програмний комплекс

Для перевірки точнісних характеристик апаратурного комплексу було проведено низку експериментів з використанням навантажень з КСХ = 1,4 і КСХ = 2, що входять у комплект вимірника КСХН та послаблень Р 2-68, і навантаження з КСХ ~ 5. Це навантаження було виготовлено з відрізка хвилеводу відповідного перетину, короткозамикаючого поршня та вкладки клиноподібної форми з поглинаючої речовини. Проведено дослідження статистичної похибки вимірювань протягом різних періодів часу, тому що саме ця похибка визначає можливості по розрізненню двох станів біологічного об'єкта. У першому експерименті вимірювання проводилися 10 разів протягом години, а у другому здійснювалася одна серія з 10-ти вимірювань в день протягом 10 днів. Отримана в першому випадку похибка (не гірше ±0.6% за модулем ККВ та не гірше ±0.3° за фазою) дозволяє проводити вимірювання малих відмінностей ККВ з точністю, необхідною для експериментів. Результати щоденних вимірів добре узгоджуються з літературними даними (статистична похибка 1-3%). Зростання статистичної похибки при переході до щоденних вимірів можливо викликані температурною нестабільністю елементів комплексу. Проведено контроль абсолютних величин модуля коефіцієнта відбиття з використанням вимірювальної лінії з рухомим зондом. Показано, що статистична похибка вимірювання рефлектометром нижче такої у вимірювальної лінії з рухомим зондом при модулі ККВ> 0,163, а абсолютні величини для тестових навантажень відрізняються в середньому на 2%. Оскільки розроблений комплекс призначений для вимірювання КДП біологічних об'єктів, в яких основним структурно-функціональним компонентом є вода, проведено його перевірку за результатами вимірювання води та водних розчинів етилового спирту, тому що для них у літературі добре представлені розрахункові формули для КДП у діапазоні частот. Виміряна діелектрична проникність для води при температурі 25°С склала еґ=19,0±0,3 й еЅ=27,2±0,3, а для водних розчинів етилового спирту з мольними долями Х₁ - еґ=13,8±0,2 й еЅ=21,5±0,2, та Х₂ - еґ=10,6±0,1 й еЅ=17,1±0,2 відповідно. Невелика розбіжність між експериментальними і розрахунковими абсолютними величинами (близько 3-7%) може бути пояснена відмінностями в температурах при проведенні експериментів, точністю вимірювання води в якості калібрувальної речовини, а також й головним чинником - ступенем хімічної чистоти використовуваних реактивів. Таким чином, даний вимірювальний комплекс може бути застосований для вимірювання діелектричних характеристик сильнопоглинаючих речовин на фіксованій частоті.

В якості ілюстрації роботи діелектрометра у біологічному експерименті наведені результати вимірювань діелектричної проникності еритроцитів людини до і після їх послідовної стимуляції адреналіном та блокади в-блокатором - пропранололом. Вивчення функціонального стану мембранно-рецепторного комплексу еритроцитів при сумісній дії адреналіну та його блокатора лежить в основі ряду тестів з оцінки адренореактивності клітин крові. Однак у процесі таких досліджень за допомогою традиційних біохімічних методів об'єкт втрачає свою нативність (природню життєздатність), що в свою чергу ускладнює зіставлення даних in vitro и in vivo. Тому тестування функціонального стану біооб'єкту з використанням КВЧ діелектрометрії має ряд переваг. По-перше, дослідження проводиться в умовах, що виключають руйнування об'єкта. По-друге, незважаючи на те, що передбачається проведення великої кількості контрольних вимірів і повторних вимірювань зразків, метод дозволяє працювати з малими кількостями зразка і діючої речовини (для проведення всієї експериментальної серії необхідно 1-5 мл біологічного матеріалу). Варто зазначити, що тест повинен бути проведений протягом часу збереження життєдіяльності зразка, що для обраної методики підготовки еритроцитів крові людини до вимірювань становить близько 3 годин.

Результати тесту представлені на рис. 5.а у вигляді відмінностей діелектричної проникності відносно контролю, в якості якого виступав зразок з еквіоб'ємною добавкою фізіологічного розчину (0,9% NaCl).

Рис. 5. Експерименти з еритроцитами крові людини

В результаті гормонального впливу адреналіном і в-блокатором обзиданом (на рис. 5а діючі речовини позначені як А та О, відповідно) на в-адренергічні рецептори еритроцитів спостерігається реакція клітин у вигляді зменшення діелектричної проникності, причому реакція на блокатор проявляється більш значною мірою. У той же час, клітини, попередньо інкубовані в-блокатором протягом 25 хвилин при кімнатній температурі, втрачають здатність реагувати на адреналін, в чому і проявляється суть блокади - обзидан, зв'язуючись з в-адренергічними рецепторами, перешкоджає зв'язуванню адреналіну. Таким чином, з використанням КВЧ діелектрометрії був підтверджений відомий у фармакології ефект, що дозволяє говорити про перспективу використання даного методу при дослідженні біологічних об'єктів. Проведено попередні вимірювання часових залежностей зміни діелектричної проникності еритроцитів крові людини (ріс. 5.б) під впливом активатора і блокатора (лінія 1 - значення е' після додавання блокатора; лінія 2 - значення е' після додавання адреналіну) з даних на визначення адренореактивності. Результати показали наявність відмінностей е' в даних реакціях як за величиною, так й у швидкості протікання. Така інформація стала доступна завдяки розширеним можливостям комплексу і може лягти в основу поліпшеного тесту на адренореактивність, так як дозволяє проводити додаткове диференціювання реакцій.

Висновки

хвилеводний вимірювання еритроцит діелектричний

Застосований у роботі системний підхід дозволив поставити і розв'язати задачі щодо створення апаратурного комплексу для вивчення біооб'єктів радіофізичним методом:

1. Створено автоматизований апаратно-програмний комплекс для вимірювання ККВ від довільних навантажень (рефлектометр), який працює на частоті 39,5 ГГц. Проведено перевірку роботи комплексу з вимірювання ККВ від тестових НВЧ навантажень з фіксованим значенням КСХН. Показано, що в діапазоні величин модуля ККВ 0,05 - 0,8 похибка його визначення не гірше ±1,5%, а для фази ККВ в діапазоні 0-360° похибка її визначення не гірше ±1,5°. Встановлено, що протягом малого періоду часу (кілька годин) при вимірюванні навантажень з КСХН більше 1,4 середньоквадратичне відхилення у вибірці з 10 вимірів склало для модуля не гірше ±0,6% і для фази не гірше ±0,3°. Відзначено, що апаратурний комплекс дозволяє проводити його модифікацію, наприклад, для виконання завдань аналізу характеристик НВЧ вузлів на одній частоті з діапазону 31-53 ГГц.

2. Показано, що використання з рефлектометром базового варіанту вимірювальної кювети, що представляє собою шарувату структуру в поперечному перетині прямокутного хвилеводу, дозволяє проводити вимірювання КДП сильнопоглинаючих речовин, в тому числі біологічних об'єктів. Статистична похибка вимірювань КДП у цьому випадку не більше 2% за реальною частиною і 4% за уявною. Такий апаратно-програмний комплекс успішно пройшов перевірку послідовних вимірів КДП дистильованої води та двох водних розчинів етилового спирту протягом єдиного експерименту. Результати порівнювалися з даними за абсолютним значенням КДП, отриманими іншими авторами. Невелика розбіжність в результатах порівняно з літературними (близько 3-7%) обумовлена різними ступенем хімічної чистоти використовуваних реактивів.

3. Проведено успішну апробацію розробленого апаратно-програмного комплексу в медико-біологічному експерименті з визначення адренореактивності еритроцитів крові людини. Експеримент проводився в клінічних умовах. Були зафіксовані статистично достовірні відмінності КДП зразків еритроцитів крові людини до та після впливу біологічно активними речовинами. На їх комбінацію реакція була відсутня, що відповідає відомому у фармакології ефекту втрати здатності еритроцитів реагувати на адреналін після проведення блокади їх в-адренергічних рецепторів. Таким чином, показано, що досягнутої чутливості до змін КДП зразка достатньо для вивчення біологічних ефектів у ряді медико-біологічних експериментів. Автоматизація вимірювань дозволила успішно провести експеримент в умовах обмеженого часу життєздатності біологічного зразка.

4. Проведені тестові виміри часових залежностей реакції діелектричної проникності еритроцитів крові людини на дію біологічно активних речовин. Вони показали можливість диференціювати різні діючі речовини за їх часом реакції.

5. Проведено доопрацювання застосовуваних методик калібрування БВЛ, системи стабілізації частоти НВЧ генератора і вузлів збору, обробки і передачі даних на комп'ютер інформації з датчиків БВЛ для підвищення точності, збільшення динамічного діапазону вимірювача і поліпшення стабільності вимірювань. Алгоритми розрахунків ККВ та КДП реалізовані у складі користувальницького додатка, що використовуються також для управління апаратно-програмним комплексом. Ця програма дозволяє проводити вимірювання ККВ в режимі реального часу, а КДП після проведення процедури точного калібрування всього комплексу. Для збільшення імовірності виявлення помилкових вимірювань в процедуру внесені проміжні калібрування, поєднані з повіркою.

6. Встановлено, що метод FDTD добре підходить і має перспективу для моделювання хвилевідних вимірювальних структур, які містять сильнопоглинаючий біологічний об'єкт та діелектричні вставки клиноподібної форми. На його основі розроблено методику проведення обчислювального експерименту для оцінки диференційної чутливості вимірювальних хвилевідних структур в заданому діапазоні КДП. Методика заснована на апріорних знаннях діапазону КДП досліджуваних речовин та її можливих змін. Під час проведення оцінки визначається чутливість вимірювань в заданому діапазоні значень КДП і порівнюється з її змінами, можливими в процесі проведення експериментів.

7. Вивчено модифікації базової вимірювальної хвилеводної кювети в обчислювальних експериментах з метою розробки нових модифікацій таких кювет з підвищеною диференційною чутливістю та точністю визначення КДП. Для цього використовувалися діелектричні вставки клиноподібної форми, що змінюють умови узгодження вимірюваного об'єкта з вимірювальним приладом. Встановлено, що такі модифікації збільшують чутливість одночастотних вимірювань КДП біологічних об'єктів. Вставки несиметричної клиноподібної форми, довжиною менше довжини хвилі в хвилеводі, дозволяють отримувати збалансовані за змінами модуля та фази ККВ від вимірювальної кювети при зміні тестових речовин. У той же час вставки симетричної клиноподібної форми, довжиною порядку третини довжини хвилі в хвилеводі, дозволяють досягти зсув фази ККВ близько 180° при зміні вибраних тестових речовин. Доведено, що впливом хвиль вищих порядків, які виникають на клиноподібних діелектричних вставках у вимірювальних системах, на результати вимірювання ККВ на основній моді можна знехтувати в силу наявності відстані між вимірювальної лінією і кюветою, достатньої для їх загасання. До того ж, хвилевід, заповнений фторопластом, є для них позамежним на робочій частоті, отже, вищі типи хвиль згасають навіть в обсязі кювети. Показано, що результати експериментальних вимірювань характеристик промодельованих структур добре збігаються з теоретичними.

8. Вивчено модифікації вимірювальної системи на основі відкритого кінця хвилеводу. Використання діелектричних вставок клиноподібної форми не дозволило збільшити чутливість одночастотних вимірювань КДП біологічних об'єктів, що вказує на необхідність підвищення динамічного діапазону аналізатора ККВ для поліпшення точнісних характеристик таких вимірювальних систем.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Щеголева Т.Ю. Метод КВЧ диэлектрометрии для контроля загрязнений водоемов поверхностно активными веществами / Т.Ю. Щеголева, Т.В. Паршикова, Е.А. Ружельник,Н.В. Брюзгинова, Б.Р. Масюк, П.С. Красов // Радиофизика и электроника. -2007. -№2. -С 435-438.

2. Щеголева Т.Ю. Разработка тест-систем для изучения влияния электромагнитного излучения на биологические объекты / Т.Ю. Щеголева, Е.Н. Громозова, С.И. Войчук, Н.В. Брюзгинова, Б.Р. Масюк, П.С. Красов // Радиофизика и электроника. -2008. -№3. -С 568-571.

3. Krasov P.S. Instrument for measuring the complex permittivity of biological objects / P.S. Krasov, E.A. Arkhipova // Telecomunication and Radio Engineering. -2009. -Vol.68. -№8. -P. 727-733.

4. Архипова Е.А. КВЧ диэлектрометрия сильно поглощающих сред. источники излучения, область взаимодействия / Е.А. Архипова, П.С. Красов, А.И. Фисун // Журнал нано- та електронної фізики. -2010. -№1. -С 33-41.

5. Krasov P.S. Sensitization of waveguide measuring cuvette for biological objects permittivity investigation / P.S. Krasov // Telecomunication and Radio Engineering. -2011. -Vol.70. -№6. - P.491-496.