Приборы и техника эксперимента, 2023, № 2, стр. 152-154

Акустотермометрический метод измерения температуры предназначен для решения задач медицинской диагностики и основан на измерении уровня акустического шума мегагерцового диапазона, излучаемого нагретой областью в глубине тела человека и принимаемого с помощью пьезоэлектрического элемента. Существуют различные методы пассивной акустотермометрии: модуляционный − с периодически переключаемой к входному усилителю нагрузки, эквивалентной принимающему пьезоэлементу; корреляционный − с использованием двух принимающих пьезоэлементов; компенсационный − с использованием эталона акустической нагрузки с известной температурой [1]. Изготовленные на их основе макеты приборов (одноканальные и многоканальные) являются стационарными, и для регистрации данных используется компьютер с внешней платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На практике такие приборы применялись для дистанционного измерения акустояркостной температуры различных органов человека (печени, грудной клетки, кисти, предплечья) при воздействии на них медицинских препаратов или после перенесенных болезней [2, 3]. Установлена также возможность контроля температуры прооперированного органа в послеоперационный период с помощью этих приборов.

Для решения задачи оперативного проведения измерений в условиях клиники на основе компенсационного метода разработан и изготовлен портативный измеритель с индикацией и регистрацией данных микроконтроллером MSP430F247, имеющим микромощное потребление тока. Особенностью измерителя является то, что, помимо акустояркостной температуры Т₁ в глубине тела, он измеряет и термодинамическую температуру Т₂ по шкале Цельсия в месте контакта датчика с поверхностью. Это позволило повысить достоверность и информативность измерений. При создании измерителя была решена задача многоканальной записи и сохранения данных во внешнюю (съемную) флэш-память, что позволило не только оперативно проводить измерения температур, но и сохранять данные для последующей обработки и систематизации уже на стационарном компьютере. Перед проведением измерений компенсационным методом необходимо выполнить процедуру калибровки путем прикосновения рабочей поверхности датчика к образцам с известной температурой и затуханием звука [4]. Внешний вид электронного блока и датчика измерителя приведен на рис. 1.

Рис. 1.

Измеритель акустояркостной температуры.

Датчик предназначен для преобразования акустического шума в электрический сигнал и измерения температуры в месте его контакта с поверхностью исследуемого объекта. Рабочая часть датчика с пьезоэлементом прикладывается к поверхности через акустический гель и в таком положении удерживается рукой. В качестве чувствительного элемента используется пьезоэлектрический элемент диаметром 10 мм из ЦТС-19 с резонансной частотой 2 МГц. Он закреплен по контуру в кольце из латуни. С рабочей стороны пьезоэлемент акустически согласован с биологической тканью с помощью четвертьволнового слоя из Herculite XRV (Kerr), а с противоположной − акустически нагружен на воздух и электрически согласован с предусилителем на малошумящем транзисторе BFR193, имеющим входное сопротивление 300 Ом. С внутренней стороны к пьезоэлементу также приклеен датчик температуры TC1047. Входной электрический сигнал, создаваемый собственными тепловыми шумами пьезоэлемента, составляет 0.1−0.3 мкВ. Общий коэффициент усиления предусилителя и многокаскадного усилителя на микросхемах AD8014 в полосе частот 1.5−2.5 МГц составляет 145 дБ.

Электронный блок содержит жидкокристаллический двухстрочный индикатор MT-08S2A-2FLG-3V0, микроконтроллер MSP430F247 с тактовой частотой 16 МГц и встроенным 8-канальным 12-разрядным АЦП, два Li-Ion аккумулятора типоразмера 18650 (2400 мА · ч, 3.7 В) и узлы коммутации, стабилизации напряжений и дополнительной аналоговой обработки сигналов. Усиленный сигнал с пьезоэлемента подается на квадратичный детектор на микросхеме AD835, и уже сигнал, пропорциональный акустояркостной температуре, поступает на вход АЦП микроконтроллера. Далее этот сигнал, записанный с частотой дискретизации 300 Гц, усредняется за одну, три или пять секунд. От времени усреднения зависит чувствительность измерений. С помощью микроконтроллера осуществляется запись и обработка данных: проведение расчетов, вывод результатов измерений на дисплей, а также запись значений акустояркостной температуры, текущей температуры пьезоэлемента и сигнала маркера событий во внешнюю флэш-память на микросхеме 24FC256T-I/SN, вставляемую в корпус электронного блока. Для считывания данных из флэш-памяти в компьютер используется плата UMFT4222H с протоколом I2C обмена данных. Результат измерений сохраняется в ASCI-формате в виде матрицы из трех столбцов, позволяющем для последующей обработки данных пользоваться стандартными пакетами программ (MathCad, Exсel и др.).

На рис. 2 приведены результаты типичного демонстрационного эксперимента. В кювету с водой из воздушной среды В в момент, отмеченный штриховой линией 1, на глубину 1 см погружали рабочую поверхность датчика. Затем в область приема датчиком акустического шума периодически вводили (моменты введения соответствуют штриховым линиям 2 и 4) и полностью выводили (моменты выведения соответствуют штриховым линиям 3 и 5) указательный палец руки. При этом расстояние между поверхностью пальца и рабочей поверхностью датчика составляло примерно 1 см. Время усреднения выбрано равным 3 с. Согласно рис. 2, изменения температур Т₁ и Т₂ датчика существенно различны. В частности, по изменению акустояркостной температуры Т₁ можно определить наличие нагретого объекта в области приема датчика, в то время как изменение термодинамической температуры Т₂ это не показывает.

Рис. 2.

Изменение акустояркостной (Т₁) и термодинамической (Т₂) температур при периодическом введении (штриховые линии 2, 4) и выведении (штриховые линии 3, 5) пальца руки в область измерения датчика. Штриховая линия 1 − момент погружения рабочей поверхности датчика из воздушной среды В в воду.

Основные технические характеристики портативного измерителя. Диапазон частот измеряемого шума 1.5−2.5 МГц; чувствительность 0.3°C при времени интегрирования 5 с; глубина измерений шума до 3−4 см; ручной и автоматический (непрерывный) режимы измерения и записи данных; время усреднения 1, 3, 5 с; количество записываемых сигналов в одном отсчете 3; максимальное количество отсчетов 3950. Напряжение питания 6−8 В; ток потребления 70 мА. Габариты: электронного блока − 100 × 180 × 40 мм, датчика − ∅20 × 115 мм.