СТОЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к биомедицинской технике и может быть использовано для исследования биологических объектов (БО), представляющих собой ткани и клетки растительного, животного происхождения и биологические среды человека и животных, на воздействия электромагнитного поля (ЭМП).

Существуют разнообразные комбинации электротехнических и медицинских устройств для изучения воздействия ЭМП на БО, например изучение удельного поглощения электромагнитной энергии БО в открытой ТЕМ-ячейке, в которой размещена чаша Петри [Ticaud N., et al. Specific absorption rate assessment using simultaneous electric field and temperature measurements // IEEE Antennas and wireless propagation Letters 2012. V. 11. pp. 252-255], с использованием медицинских стекол [Schuderer J. et al. In vitro exposure systems for RF exposures at 900 MHz // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2004. V. 52. No. 8. pp. 2067-2075] или лабораторных сосудов в открытой GTEM-ячейке [Z. Ji. et al. FDTD analysis of a gigahertz ТЕМ cell for ultra-wideband pulse exposure studies of biological specimens // IEEE Trans, on Biomed. Eng. 2006. V. 53. No. 5. pp. 780-789]. Однако данные конструкции не позволяют осуществлять видеонаблюдение влияния указанных факторов на исследуемый объект, не извлекая БО из-под воздействия ЭМП, а соответственно из установки, внутри которой происходит воздействие. Между тем такая возможность даст новое качество в оценке результатов воздействия.

Также известны специальные устройства, предназначенные для крепления и поворота исследуемого и/или испытуемого объекта, представляющего собой отдельный узел радиоэлектронного устройства или небольшое устройство в целом, внутри безэховой, реверберационной камер и/или в TEM/GTEM-ячейках, и необходимые при испытаниях на электромагнитную совместимость (ЭМС), а именно при измерении уровней излучаемых эмиссий и/или устойчивости к воздействию ЭМП на испытуемый объект.

Из патента US 7107020 В2, Н04B 1/38, 12.09.2006 известно устройство позиционирования, изготовленное из акрилового материала и материала с низким коэффициентом отражения и предназначенное для испытания на излучаемые эмиссии и восприимчивость мобильных телефонов. Устройство позиционирования выполнено из основания с двигателем, на которое установлена платформа с опорным валом для вращения, а также двух толкателей из пневматических цилиндров. На платформу с обратной стороны установлена U-образная рамка, которая вращается при помощи шарнирного соединения, расположенного на платформе. Вращение происходит в трех плоскостях на 90 градусов. Испытываемое устройство помещается на платформу и фиксируется U-образной рамкой. Недостатком данного устройства позиционирования является невозможность помещения на платформу БО без дополнительного медицинского стекла и проведения видеонаблюдения за объектом исследования и испытания. Соответственно, затруднено применение данного устройства позиционирования при исследовании БО в режиме реального времени.

Из патента US 5430456 A, H01Q 17/00, G01R 31/00, 4.07.1995 известно устройство для испытания аппаратуры на эмиссии электромагнитных помех. Устройство содержит ТЕМ-ячейку с фиксированной под углом продольной осью, по отношению к горизонтальной плоскости. Вращающаяся платформа, на которой располагается испытуемое электронное устройство, расположена внутри ТЕМ-ячейки. Платформа установлена горизонтально, а ее ось вращения вертикально (параллельно вектору силы тяжести). Ось поворотной платформы пересекает испытательный объем ТЕМ-ячейки, тем самым позволяя осуществлять вращение платформы. При помощи данного устройства возможно измерить амплитуды трех взаимно ортогональных компонент ЭМП, путем размещения испытуемого объекта на платформе и вращения оси платформы, через каждые 120 градусов, что позволяет измерить амплитуды компонент ЭМП, не наклоняя объект испытания. Недостатком данного устройства является грубая настройка ориентации испытуемого объекта во внутреннем пространстве ячейки и невозможность контроля результатов воздействия, не извлекая объект исследования из-под воздействия ЭМП, а также отсутствие механизма для подъема объекта испытания. Соответственно, исследования воздействия ЭМП на БО с применением данного устройства затруднены.

Из патента ЕР 1136831 A1, G01R 29/08, 31/00, 26.09.2001 известно устройство-манипулятор для размещения испытуемого объекта внутри ТЕМ-ячейки в трех разных положениях. Устройство имеет гидравлический привод, установленный на опорной плите в нижней части ТЕМ-ячейки, и поворотную систему с валом, на котором установлен испытательный стол, обеспечивающую полный поворот испытуемого объекта за 1200 шагов. Недостатком устройства является невозможность провести визуальный контроль испытуемого объекта, не извлекая его из-под воздействия ЭМП.

Из патента RU 2207678 C1, H01Q 17/00, G01R 31/00, 19.11.2001 известна ТЕМ-камера с устройством видеонаблюдения, предназначенная для проведения испытаний технических средств на устойчивость к воздействию ЭМП. ТЕМ-камера снабжена смотровым отверстием и включает в себя отрезок прямоугольного волновода с пирамидальными элементами, прилегающими к торцам прямоугольного волновода, в вершинах которых выполнены коаксиальные выводы, высокочастотный генератор и согласующую нагрузку, подключенные к коаксиальным выводам. Смотровое отверстие выполнено в стенке пирамидального элемента, прилегающего к высокочастотному генератору. При этом ТЕМ-камера может быть снабжена видеокамерой, расположенной напротив смотрового отверстия, а видеокамера может быть заключена в экранирующий кожух, сопряженный с внешней поверхностью пирамидального элемента ТЕМ-камеры. К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность проведения исследований по воздействию ЭМП на БО в широком диапазоне частот, что связано с большими габаритами камеры, а следовательно, низкой верхней граничной частотой, а также отсутствие устройства, предназначенного для размещения БО во внутреннем испытательном объеме ТЕМ-камеры, и отсутствие подсветки объекта исследования и испытания в полностью экранированном от внешнего излучения объеме ТЕМ-камеры. Уменьшение геометрических размеров и размещение видеокамеры в пирамидальном элементе окажет существенное влияние на равномерность распространения поперечной волны внутри ТЕМ-камеры.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство поворотного стола CN 101881788 В, G01R 1/02, 1/04, 31/01, 4.07.2012 для проведения испытания на ЭМС в ТЕМ-ячейке, включающее корпус, механизм прерывистого вращения, два перекидных механизма, механизм разблокировки, механизм управления подъемом. Корпус состоит из основания, на котором располагаются электродвигатели и две червячные передачи. С нижней стороны основания располагаются, по меньшей мере, четыре опорные ножки. Внутреннее кольцо корпуса оснащено местом для крепления испытуемого объекта, лифтового механизма и имеет червячную передачу для прерывистого механизма поворота. Внутренний каркас корпуса имеет два механизма опрокидывания. Возможно вращение и опрокидывание испытуемого объекта, закрепленного на испытательном столе, по всем необходимым направлениям в ходе испытания по воздействию ЭМП внутри ТЕМ-ячейки. Испытательный стол имеет преимущества точного вращения и угла переворачивания, устройство занимает немного места и имеет компактный монтаж, стабильный и простой в использовании, а также подходит для других случаев, когда испытуемый объект должен быть повернут и/или перевернут. Недостатками устройства-прототипа является невозможность видеонаблюдения объекта испытания, не извлекая объект из-под воздействия ЭМП, а также наличие множества металлических элементов, которые могут быть причиной неравномерности ЭМП во внутреннем пространстве ТЕМ-ячейки.

Заявляется стол для электромагнитных исследований биологических объектов, включающий механизм прерывистого вращения, механизм управления подъемом, корпус с основанием, на котором с нижней стороны располагаются, по меньшей мере, четыре опорные ножки, внутреннее кольцо с червячной передачей для прерывистого механизма поворота, отличающийся тем, что основание является съемным, выполнено из электропроводящего материала, имеет прямоугольную форму и четыре ножки в виде фиксаторов, по периметру основания размещены экранирующие прокладки и, по меньшей мере, восемь электрических контактов, на поверхности основания располагается корпус в форме полого цилиндра из неметаллического материала и/или материала с низким коэффициентом отражения, во внутренних стенках которого расположен световод и полая трубка, подводимые к испытательному столу и прикрепленные к корпусу прозрачным держателем цилиндрической формы, испытательный стол имеет цилиндрическую форму П-образного продольного сечения и выполнен из прозрачного материала, в отверстии металлического основания вертикально под исследуемым объектом расположена оптическая система, которая состоит, по меньшей мере, из объектива, оптоволоконного кабеля, окуляра и видеоматрицы, между объективом и внутренней поверхностью испытательного стола размещены экранирующее стекло и светоотражатель конусообразной формы, у которого, по меньшей мере, одна поверхность отражающая, лифтовой поворотный механизм выполнен в виде внутреннего и внешнего колец с червячными передачами, внутреннее кольцо с внешней стороны имеет насечки для червячной передачи, с внешней стороны выполнен держатель в виде паза, к которому крепится испытательный стол, внешнее кольцо имеет полость, в которой располагаются шестерни червячной передачи, управляемые механизмом, проходящим через отверстие в основании.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, является возможность видеонаблюдения результатов эмиссий и воздействия ЭМП на БО, в режиме реального времени, с минимальными искажениями ЭМП, не извлекая БО и обеспечив возможность непрерывного воздействия ЭМП на объект исследования.

Технический результат достигается за счет использования оптической системы эндоскопического типа, объектив которой расположен вертикально в отверстии металлического основания, размещения БО на поверхности прозрачного испытательного стола с равномерной подсветкой его стенок световодом видимого свечения, расположенным в корпусе из неметаллического материала и/или материала с низким коэффициентом отражения ЭМП, а также за счет повышенной эффективности экранирования при помощи перекрытия апертуры, образованной корпусом устройства, в котором возбуждается ЭМП, и основанием.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

На фиг. 1 приведен изометрический вид устройства сверху.

На фиг. 2 приведен изометрический вид устройства снизу.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства.

На фиг. 4 приведена структурная схема оптической системы устройства.

На фиг. 5 а приведен пример расположения устройства внутри закрытой ТЕМ-ячейки.

На фиг. 5 б приведен пример расположения устройства внутри открытой GTEM-ячейки.

Заявляемый стол для электромагнитных исследований биологических объектов включает основание 1, выполненное в виде металлической плиты, которая может соответствовать размерам, указанным в нормативных документах на помехоэмиссию (IEC 61967-2) и/или помехоустойчивость (IEC 62132-2) интегральных микросхем. На поверхности основания расположен корпус цилиндрической формы 2 из неметаллического материала и/или материала с низким коэффициентом отражения ЭМП. Во внутренней полости корпуса расположена лифтовая поворотная система испытательного стола 3. Испытательный стол 3 выполнен из прозрачного материала, в виде полого цилиндра с П-образным продольным сечением и расположен таким образом, что внутренняя полость испытательного стола находится со стороны объектива 4 оптической системы. Лифтовая поворотная система позволяет поднять и/или опустить испытательный стол 3 при помощи кольца вертикального скольжения 5, четырех червячных шестеренок 6 с червячной передачей 7, расположенной в полости кольца вертикального скольжения 5. Червячная передача 7 имеет полую вертикальную управляющую ось с зубчатым наконечником 8, проходящую через отверстие в основании 1, и позволяет круговым вращением поднять или опустить испытательный стол 3. Поворот испытательного стола 3 на заданный угол осуществляется при помощи поворотного кольца 9 по направляющему пазу с внутренней стороны кольца вертикального скольжения 5, четырех шестеренок 10, червячной передачи 7 и вертикальной управляющей оси с зубчатым наконечником 11, расположенной во внутренней полости вертикальной управляющей оси с зубчатым наконечником 8. В основании 1 имеется отверстие 12 с защитным кожухом 13, через которое внутрь корпуса 2 вводится полая трубка 14 для подачи питательных веществ БО и/или световод бокового свечения 15 в защитном кожухе 17. В корпусе 2 также имеется плавное скругление, переходящее к креплению трубки 16 и световода бокового свечения 15 без защитного кожуха 17, предназначенное для перехода из большего в меньший диаметр цилиндрического корпуса 2. Световод бокового свечения 15 совместно с конусным отражателем 18 предназначен для равномерного подсвечивания испытательного стола 3. В центре металлического основания 1 имеется отверстие, через которое подводится и закрепляется конусным кольцом 19 оптоволоконный кабель 20 оптической системы, с одной стороны которого располагается объектив 4, который направлен вертикально на испытательный стол 3. На боковой поверхности металлического основания 1 располагаются металлические экранирующие прокладки 21, а также металлические накладки 22 с пружинами электрического контакта 23, необходимые для повышения эффективности экранирования корпусом при помощи перекрытия щели и плотного прижатия металлического основания 1 посредством фиксаторов 24 и входящих в конструкцию замков ТЕМ- или GTEM-ячеек, расположенных на корпусах 25 и 26, соответственно. Возбуждение ЭМП внутри ТЕМ- или GTEM-ячеек происходит при помощи генератора, подключенного к коаксиальному разъему 27, соединенному с корпусами 25, 26 и центральными проводниками 28, 29, для ТЕМ- и GTEM-ячеек соответственно. При этом заявляемое устройство должно быть расположено на сплошном полигоне одной из стенок 25 или 26 корпуса ТЕМ- или GTEM-ячейки соответственно, а высота корпуса заявляемого устройства должна быть задана конструкцией ячейки, для обеспечения заданной равномерности поля вблизи объекта исследования, в заданном диапазоне частот.

Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. БО, например живая ткань, помещается на испытательный стол 3. После крепления фиксаторов 24 защелками, входящими в конструкцию корпуса ТЕМ-ячейки 25 или GTEM-ячейки 26, БО оказывается внутри ТЕМ- или GTEM-ячейки. При необходимости к живым исследуемым объектам через полую трубку 14 могут подводиться питательные вещества из медицинского резервуара 30. Внешним источником света 31 через световод бокового свечения 15, который вводится в корпус устройства через угловое отверстие (обеспечивая минимальный изгиб) в основании 1, подсвечивается объект исследования 35. Световой поток, подсвечивая объект исследования 35, проходит через экранирующее стекло 32, попадая на объектив 4 короткофокусной оптической системы, содержащий группу линз. Сфокусированное изображение через оптоволоконный кабель 20 и окуляр 33 попадает на видеоматрицу видеокамеры 34, после чего может быть обработано отдельным устройством, включающим сигнальный процессор, устройство записи сигнала и видеовыход высокого разрешения, или может быть выведено на монитор.

Элементы оптической системы: объектив 4, оптоволоконный кабель 20 и окуляр 33. Они идентичны эндоскопу, но отличаются подстройкой фокусного расстояния l' между окуляром 33 и видеоматрицей видеокамеры 34. (Подстройка фокусного расстояния на объект исследования 35 позволяет настроить четкость изображения, при неподвижном испытательном столе 3, на расстоянии L от ТЕМ-ячейки.) Нижняя точка спуска лифтовой поворотной системы определяется оптическими характеристиками оптической системы, а именно фокусным расстоянием и расстоянием до испытательного стола l. Размер апертуры объектива D должен иметь относительно малое значение для минимизации диаметра отверстия в испытательном столе. (Большой диаметр может повлиять на равномерность поля и эффективность экранирования ячейки.)