А.Г. Гудков – д.т.н., проф.; ген. директор,

НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана; ООО «НПИ ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)

E-mail: ooo.giperion@gmail.com

С.Г. Веснин – к.т.н., ст. науч. сотрудник; гл. конструктор,

НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана; ООО «РТМ Диагностика» (Москва, Россия)

E-mail: vesnin47@gmail.com

В.Ю. Леушин – к.т.н., ст. науч. сотрудник; зам. ген. директора,

НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана; ООО «НПИ ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия) E-mail: ra3bu@yandex.ru

С.В. Агасиева – к.т.н., доцент; ст. науч. сотрудник,

ФГАОУ ВО РУДН; НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

С.В. Чижиков – аспирант; мл. науч. сотрудник; техник,

МГТУ им. Н.Э. Баумана; НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана; ЦМИТ «Куб» (Москва, Россия) E-mail: tehnoinnov@mail.ru

В.Н. Вьюгинов – к.ф.-м.н., доцент,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, Россия) E-mail: vvyuginov@yandex.ru

М.К. Седанкин – к.т.н., доцент; ст. науч. сотрудник,

Национальный исследовательский университет «МЭИ»; ФГБУ ГНЦ РФ ФМБЦ А.И. Бурназяна ФМБА России (Москва, Россия)

E-mail: msedankin@yandex.ru

Е.А. Гудков – мл. науч. сотрудник,

ФГБУ ГНЦ РФ ФМБЦ А.И. Бурназяна ФМБА России (Москва, Россия)

E-mail: eh1770802@gmail.com

Постановка проблемы. Выпускаемые в настоящее время диагностические приборы, использующие метод микроволновой радиометрии, являются одноканальными и одночастотными устройствами. Достаточно громоздкие датчики последовательно прикладываются к нескольким точкам на проекции обследуемого органа, однако для повышения эффективности диагностики необходимо располагать информацией о внутренних температурах и динамике их изменения в нескольких точках тела и на различной глубине одновременно. Объединение в одном приборе принципов многоканальности и многочастотности потребует принципиально новых технических решений, а также существенного уменьшения размеров радиометра, что подразумевает использование технологий монолитных интегральных схем. Таким образом, для повышения эффективности метода микроволновой радиотермометрии в медицинской практике необходимо создание миниатюрного многоканального многочастотного радиотермомографа, обеспечивающего получение информации о внутренних температурах и динамике их изменения во времени в нескольких точках и на различной глубине одновременно.

Цель. Провести обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы, анализ современных схемотехнических и технологических решений медицинских радиотермографов, широкополосности антенн-аппликаторов и на основе полученной информации определить принципы построения многоканального многочастотного радиотермомографа, а также возможности его реализации с использованием технологии монолитных интегральных схем. 

Результаты. В качестве оптимального построения микроволнового миниатюрного многочастотного многоканального радиотермометра предложено использовать N-частотный СВЧ-приемник с СВЧ-переключателем на N-каналов N сверхширокополосных антенн соответственно.

Практическая значимость. Предложенный вариант схемы построения многоканального многочастотного радиотермографа может быть использован в исследованиях, связанных с созданием опытного образца медицинского изделия. 

Гудков А.Г., Веснин С.Г., Леушин В.Ю., Агасиева С.В., Чижиков С.В., Вьюгинов В.Н., Седанкин М.К., Гудков Е.А. Принципы построения многоканального многочастотного радиотермографа на основе монолитных интегральных схем // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 10. С. 30–49. DOI: 10.18127/j20700784-202010-02.

1. Официальный сайт http://www.radiometry.ru/rtm-01-res/description
2. Spiliopoulos S. et al. Multi-center feasibility study of microwave radiometry thermometry for non-invasive differential diagnosis of arterial disease in diabetic patients with suspected critical limb ischemia // Journal of Diabetes and its Complications. 2017. Т. 31. №. 7. P. 1109–1114.
3. Gudkov A.G., Leushin V.Yu., Meshkov S.A., Popov V.V. Application of complex technological optimization for monolithic microwave circuits designing // CriMiCo – 18th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings. 2008. Т. 2. P. 535–536.
4. Tikhomirov V.G., Gudkov A.G., Agasieva S.V., Gorlacheva E.N., Shashurin V.D., Zybin A.A., Evseenkov A.S., Parnes Y.M. The sensitivity research of multiparameter biosensors based on HEMT by the mathematic modeling method. Journal of Physics: Conference Series. 2017. 917 (4). № 042016.
5. Parnes Y.M., Tikhomirov V.G., Petrov V.A., Gudkov A.G., Marzhanovskiy I.N., Kukhareva E.S., Vyuginov V.N., Volkov V.V., Zybin A.A. Evaluation of the influence mode on the CVC GaN HEMT using numerical modeling Saint Petersburg OPEN 2016 // Journal of Physics: Conference Series 741 (2016). 012024.
6. Aleksandr G., Shashurin V., Vyuginov V., Tikhomirov V., Vidyakin S., Agasieva S., Chizhikov S. Dependence analysis of the GaN HEMT parameters for space application on the thickness AlGaN barrier layer by numerical simulation // 2017 – 2nd International Conference on Opto-Electronic Information Processing (ICOIP 2017) . July 7-9, 2017 Singapore. IEEE Catalog Number: CFP17F81-PRT (P. 79–82).
7. Tikhomirov V.G., Gudkov A., Petrov V., Agasieva S., Zybin A., Yankevich V., Evseenkov A. Simulation of electric field distribution in GaN HEMTs for the onset of structure degradation // In 2017 11th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMCCompo) (P. 115–118).
8. Klemetsen Ø. Design and evaluation of a medical microwave radiometer for observing temperature gradients subcutaneously in the human body: PhD thesis. University of Tromso, faculty of science department of physics and technology. Tromso, 2011.
9. Park W., Jeong J. Total Power Radiometer for Medical Sensor Applications Using Matched and Mismatched Noise Sources // Sensors. 2017. Т. 17. № 9. С. 2105.
10. Вайсблат А.В. Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2001. № 8. C. 11–23.
11. Dicke R.H. The measurement of thermal radiation at microwave frequencies // Review Science Instruments. 1946. V. 17. № 7. Р. 268–275.
12. Barrett A.H., Myers P.C. Subcutaneous temperature: a method of noninvasive sensing // Science. 1975. V. 90. P. 669–671.
13. Barrett A.H., Myers Ph. C., Sadovsky N.L. Microwave thermography in the detection of breast cancer // AJR. 1980. № 134. Р. 365–368.
14. Iudicello S. Microwave radiometry for breast cancer detection. PhD thesis // Universita’ degli studi tor vergata Roma, dipartimento di informatica, sistemi e produzione geoinformation research doctorate. Rome. 2009. P.111.
15. Dubois L. et al. Contact-less sensors for temperature measurement by microwave radiometry in medical or industrial applications // Proceedings of ISAP. Niigata. Japan. 2007. P. 1262–1265.
16. Clarisse Beaucamp-Ricard et al. Temperature measurement by microwave radiometry // IEEE transactions on instrumentation and measurement. 2009. V. 58. № 5. P. 1712–1719.
17. Stauffer P.R. et al. Stable microwave radiometry system for long term monitoring of deep tissue temperature // Energy-based Treatment of Tissue and Assessment VII. International Society for Optics and Photonics. 2013. Т. 8584. С. 85840R.
18. Rodrigues D.B. et al. Microwave radiometry for noninvasive monitoring of brain temperature. In Emerging Electromagnetic Tech-nologies           for            Brain        Diseases Diagnostics,             Monitoring               and           Therapy   (2018.      P.              87–127). Springer,                   Cham. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-75007-1_5.
19. Vesnin S. et al. Research of a microwave radiometer for monitoring of internal temperature of biological tissue // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. V. 4. P. 6–15.
20. Патент на изобретение № RU2460081 РФ. «Многоканальный нулевой» радиометр / Филатов А.В., Убайчин А.В., Розина Е.И. ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР). № 2010147776/28, 23.11.2010, 27.08.2012.
21. Патент на изобретение № RU2718292 РФ. Прибор для диагностики функционального состояния головного мозга / Леушин В.Ю., Гудков А.Г., Чижиков С.В. ООО «Научно-производственное предприятие «Технологические инновации», 24.07.2019, 24.07.2019.
22. Патент на изобретение № RU2541426 РФ. Многоприемниковый нулевой радиометр / Филатов А.В., Убайчин А.В. ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», 23.09.2013,23.09.2013.
23. Патент на изобретение № 2328751 РФ. Многочастотный радиотермограф / Бирюков Е.Д., Верба В.С., Гудков А.Г., Леушин В.Ю., Плющев В.А., Сидоров И.А. Открытое акционерное общество «Концерн радиостроения «Вега», 14.08.2006, 14.08.2006.
24. Hand et al. Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modeling // Physics in Medicine & Biology. 2001. V. 46. №. 7. P. 1885–1903.
25. Sedankin M.K. et al. Development of a miniature microwave radiothermograph for monitoring the internal brain temperature // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. V. 3. № 5. P. 26–36.
26. Popovic Z., Momenroodaki P., Scheeler R. Toward wearable wireless thermometers for internal body temperature measurements // IEEE Communications Magazine. 2014. V. 52. №. 10. P. 118–125.
27. Momenroodaki P., Popovic Z., Scheeler R. A 1.4-GHz radiometer for internal body temperature measurements // 2015 European Microwave Conference (EuMC). IEEE. 2015. P. 694–697.
28. Мomenroodaki P. et al. Noninvasive Internal Body Temperature Tracking With Near-Field Microwave Radiometry // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. № 5. P. 2535–2545.
29. Ravi V.M., Arunachalam K. A low noise stable radiometer front-end for passive microwave tissue thermometry // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2019. Т. 33. № 6. P. 743–758.
30. Gudkov A.G. et al. Studies of a microwave radiometer based on integrated circuits // Biomedical Engineering. 2020. V. 53(6). P. 413–416. URL: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10527-020-09954-w
31. Sedankin M.K. Sedankin M.K., Nelin I.V., Leushin V.Yu., Skuratov V.A., Mershin L.Y., Vesnin S.G. System of rational parameters of antennas for designing a multi-channel multi-frequency medical radiometer // 2020 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE. 2020. P. 154–159. URL: http://apede.sstu.ru/prog.html
32. Stec B., Dobrowolski A., Susek W. Estimation of deep-seated profile of temperature distribution inside biological tissues by means of multifrequency microwave thermograph. IEEE. 2002.
33. Stec B., Dobrowolski A. Estimation of internal distribution of temperature inside biological tissues by means of multifrequency microwave thermograph // Journal of telecommunications and information technology. 2002.
34. Svein Jacobsen, Paul R. Stauffer Multifrequency Radiometric Determination of Temperature Profiles in a Lossy Homogeneous Phantom Using a Dual-Mode Antenna With Integral Water Bolus // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 2002.
35. Sugiura T. et al. Five-band microwave radiometer system for noninvasive brain temperature measurement in newborn babies: Phantom experiment and confidence interval // Radio Science. Oct. 2011. V. 46. № 5. P. 1–7.
36. Sugiura T. et al. Five-band microwave radiometer system for noninvasive measurement of brain temperature in new-born infants: system calibration and its feasibility // The 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 1-5 Sept. 2004, San Francisco, CA, USA. V. 1. P. 2292–2295.
37. Bardati F., Marrocco G., Tognolatti P. New-born-infant brain temperature measurement by microwave radiometry // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (IEEE Cat. No. 02CH37313). 16-21 June 2002 San Antonio, TX, USA. V. 1. P. 811–814.
38. Gudkov A.G. et al. Use of multichannel microwave radiometry for functional diagnostics of the brain // Biomedical Engineering. Jul. 2019. V. 53, № 2. P. 108–111.
39. Kublanov V.S. Radiophysical system for examining functional state of a patient’s brain // Biomedical Engineering. Aug. 2000. V. 43. № 3. P. 114–119.
40. Patent № KR20150066089A. Multichannel diagnostic device using radiometer for diagnosing breast disease early. 2013.
41. Stec B., Dobrowolski A., Susek W. Multifrequency microwave thermograph for biomedical applications // IEEE transactions on biomedical engineering. 2004. V. 51. № 3. P. 548–550.
42. Гудков А.Г., Леушин В.Ю., Сидоров И.А. и др. Электронный модуль многоканального СВЧ тракта для систем радиотермокартирования // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. № 1. С. 27–34.
43. Jacobsen S., Stauffer P. Multi-frequency radiometric determination of temperature profiles in a lossy homogenous phantom using a dual-mode antenna with integral water bolus // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. № 50. P. 1737–1746.
44. Гудков А.Г. и др. Информационно-измерительные и управляющие радиоэлектронные системы и комплексы. Монография / Под. ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника. 2020.
45. Livanos N.A. et al. Design and interdisciplinary simulations of a hand-held device for internal-body temperature sensing using microwave radiometry. IEEE Sensors Journal. 2018. V. 18. № 6. P. 2421–2433.
46. Rodrigues D.B. et al. Design and optimization of an ultra wideband and compact microwave antenna for radiometric monitoring of brain temperature // IEEE Transactions on Biom. Eng. Jul. 2014. V. 61. № 7. P. 2154–2160.
47. León G. et al. Wideband epidermal antenna for medical radiometry Sensors. 2020. Т. 20. № 7. С. 1987.
48. Веснин С.Г., Седанкин М.К., Гудков А.Г., Леушин В.Ю., Сидоров И.А., Порохов И.О., Агасиева С.В., Видякин С.И. Печатная антенна со встроенным инфракрасным датчиком температуры для медицинского многоканального микроволнового радиотермографа // Медицинская техника. 2020. № 4. С. 4–7.
49. Ullah H. et al. A Wearable Radiometric Antenna for Non-Invasive Brain Temperature Monitoring // 2018 18th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM). IEEE. 2018. P. 1–2.
50. Седанкин М.К. и др. Диагностическая конформная система для нейровизуализации головного мозга с использованием многоканального радиотермометра на основе монолитных интегральных схем // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2020. Т. 12. № 1. С. 5–12.
51. Sedankin M.K., Chupina D.N., Nelin I.V., Skuratov V.A. Development of patch textile antenna for medical robots // 2018 Int. Conf. Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). IEEE. 2018. P. 413–420.
52. Vesnin S., Turnbull A.K., Dixon J.M., Goryanin I. Modern microwave thermometry for breast cancer // Journal of Molecular Imaging & Dynamics [Online]. Oct. 2017. V. 7. № 136. P. 10–1109. URL: https://www.longdom.org/open-access/modern-microwavethermometry-for-breast-cancer-2155-9937-1000136.pdf
53. Sedankin M.K., Leushin V.Yu., Gudkov A.G., Vesnin S.G., Sidorov I.A., Agasieva S.V., Markin A.V. Mathematical simulation of heat transfer processes in a breast with a malignant tumor // Biomed. Eng. 2018. V. 52. № 3. P. 190–194.
54. Cheboksarov D.V., Butrov A.V., Shevelev O.A., Amcheslavsky V.G., Pulina N.N., Buntina M.A., Sokolov I.M. Diagnostic opportunities of noninvasive brain thermomonitoring // Anesteziol. Animatol. 2015. V. 60. № 1. P. 66–69.