Выявление и исследование ключевых элементов медицинских радиотермометров в монолитном интегральном исполнении, обеспечивающих выполнение предъявляемых к ним высоких требований по чувствительности, точности, широкополосности, помехозащищенности

Проект направлен на выявление и исследование ключевых элементов медицинских радиотермометров в монолитном интегральном исполнении, обеспечивающих выполнение предъявляемых к ним высоких требований по чувствительности, точности, широкополосности, помехозащищенности. Актуальность предлагаемых исследований обусловлена возможностью ранней диагностики и неинвазивного мониторинга методом радиотермометрии злокачественных новообразований и других патологий тканей человека в различных стадиях развития. В ежегодном обзоре от 31 марта 2017 г. приведен статистический анализ состояния дел в области онкологии по результатам обработки статистических данных нескольких штатов США (A.Jemal, E.M. Ward, C.J. Johnson, et al. Annual Report to the Nation on the Status of Cancer, 1975–2014, Featuring Survival.// J. Natl. Cancer Inst. 2017,109(9). https://doi.org/10.1093/jnci/djx030 https://academic.oup.com/jnci/article-lookup/doi/10.1093/jnci/djx030). Представленный анализ показывает, что несмотря на значительные научные и финансовые усилия, прикладываемые к повышению пятилетней выживаемости, статистика по многим типам рака улучшается незначительно. Это относится к раку бронхов, легкого, пищевода, желудка, поджелудочной железы, печени, желчных протоков, мозга. Остальные типы рака имеют лучшие параметры выживаемости, что объясняется экспертами или хорошим ответом на химиотерапию или достаточно поздней активацией метастазирования, что позволяет идентифицировать опухоль инструментальными методами до стадии метастазирования и удалить хирургически. По приведенным результатам американских авторов минимальный размер опухоли, диагностируемый с применением методов ядерной медицины, составляет 15 мм в диаметре в среднем по клиникам США (Y.E. Erdi. Limits of Tumor Detectability in Nuclear Medicine and PET. // Mol. Imaging Radionucl.Ther. 2012, 21(1): Pp. 23–28. DOI: 10.4274/Mirt.138 http://mirt.tsnmjournals.org/article_6013/Limits-Of-Tumor-Detectability-In-Nuclear-Medicine-And-Pet). Невозможность раннего обнаружения является основной причиной неудач в лечении опухолей, которые начинают метастазировать при меньших размерах. Поэтому важной задачей является поиск чувствительных методов и инструментов, позволяющих диагностировать опухоли минимальных размеров на ранних стадиях. Метод микроволновой радиотермометрии (РТМ-метод) позволяет измерять и визуализировать на экране монитора внутреннюю температуру тканей пациента, тем самым данный метод представляет интерес для ранней диагностики онкологических заболеваний, и может быть использован в различных областях медицины (маммологии, урологии, гинекологии, невропатологии и т.д.). РТМ-метод основан на измерении интенсивности собственного электромагнитного излучения физического тела в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-диапазоне): измеряя мощность шумового сигнала на выходе антенны, можно получить информацию о температуре объекта. Измерение мощности шумового сигнала, поступающего с выхода антенны, происходит в СВЧ-приемниках – радиотермометрах, к которым предъявляется ряд существенных требований. Медицинские радиотермометры должны обладать помехозащищенностью и высокой чувствительностью необходимой для приема и обработки крайне слабых шумовых сигналов мощностью ≈ 10-13÷10-12 Вт, высокой точностью измерения температуры объекта (допустимая разрешающая способность измерителя температуры составляет 0,1 К). Конструкция должна обладать миниатюрностью и при этом позволять проводить одновременно несколько измерений температуры, что может быть обеспечено применением многоканальных систем передачи и приема СВЧ сигнала. Одним из возможных путей обеспечения выполнения данных требований является применение современных технологий микроэлектроники и современной полупроводниковой СВЧ компонентной базы различного назначения. Высокая диэлектрическая проницаемость таких материалов как GaAs, GaN и твердых растворов на их основе позволяет создавать планарные антенны с минимальными топологическими размерами. Эта особенность указанных материалов позволяет создавать приемно-передающие тракты в виде монолитно-интегральных схем (МИС), обеспечивающих, с одной стороны, снижение коэффициента шума приемного тракта, с другой-уменьшение потери мощности сигнала от антенн к усилителю. Следует отметить, что применение МИС в качестве компонентной базы позволяет существенно увеличить вариативность схемотехнических решений, что позволит, в ходе выполнения работы, обеспечить оптимальные характеристики разрабатываемого прибора. Учитывая перечисленные преимущества, применение компонентной СВЧ базы в монолитном интегральном исполнении является оптимальным техническим решением по снижению массогабаритных характеристик устройства, позволяющим существенно сократить размеры прибора и его составных частей с обеспечением необходимых функциональных и технических характеристик. Микроволновые радиотермометры могут быть созданы на основе различных принципов структурных схем. Два наиболее распространенных варианта: радиотермометр полной мощности и радиотермометр, построенный на основе схемы R. H. Dicke. Большинство радиотермометров, представленных в публикациях, построено на базе данных схем или их модификациях. Основными элементами конструкции приемника радиотермометра, обеспечивающими технические и функциональные характеристики устройства, являются переключатель, малошумящий усилитель и фильтры. Основными предъявляемыми к ним требованиями являются широкий диапазон рабочих частот, обеспечение высокого коэффициента усиления, низкого коэффициента отражения и малых значений уровня шума. Цель проекта – определить ключевые элементы, определяющие характеристики медицинского радиотермометра, и исследовать возможность их применения в составе радиотермометра в монолитном интегральном исполнении с целью улучшения технических характеристик и расширения функциональных возможностей устройства.