CN112020644B - 使用经引导电磁场确定非均匀样本的特性的层析成像系统及方法 - Google Patents

使用经引导电磁场确定非均匀样本的特性的层析成像系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112020644B
CN112020644B CN201980028253.0A CN201980028253A CN112020644B CN 112020644 B CN112020644 B CN 112020644B CN 201980028253 A CN201980028253 A CN 201980028253A CN 112020644 B CN112020644 B CN 112020644B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electric field
propagation
uniform dielectric
dielectric sample
along
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980028253.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112020644A (zh
Inventor
T·L·卡戈尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Spike Trom
Original Assignee
Spike Trom
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Spike Trom filed Critical Spike Trom
Publication of CN112020644A publication Critical patent/CN112020644A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112020644B publication Critical patent/CN112020644B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0223—Magnetic field sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0536—Impedance imaging, e.g. by tomography

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本文提供一种用于通过引导电场穿过非均匀电介质样本的传播来确定非均匀电介质样本内特定区域的特性的系统。各种实施例包含用于产生电磁波形的至少一个电磁能量源，所述电磁波形包括沿着指定路径传播的电场，所述指定路径界定电场传播穿过的一系列空间区域。在一些实施例中，指定路径包含电场调制元件，所述电场调制元件确定沿着指定路径的电场传播的速率。一些实施例包含用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体，当电场沿着指定路径传播时，电场跨越多个导体中的两者或更多者之间。在一些实施例中，多个导体是在非均匀电介质样本的外部。

Description

使用经引导电磁场确定非均匀样本的特性的层析成像系统及 方法
相关申请
本专利申请要求2018年4月25日提交的标题为“使用经引导电磁波确定非均匀对象的特性的层析成像系统及方法(Tomographic Systems and Methods for DeterminingCharacteristics of Inhomogenous Subjects Using Guided Electromagnetic Waves)”的第62/662,594号美国临时专利申请及2018年12月19日提交的标题为“将电介质特性的测量局部化到非均匀电介质内的区域的方法(Method to Localize Measurement ofDielectric Characteristics to a Region within Inhomogeneous Dielectrics)”的第62/781,846号美国临时专利申请的优先权及权益。上述揭示内容(包含其中引用的所有参考文献)在此以引用的方式全部并入本文中。
技术领域
本技术涉及用于确定对象的特性及/或内容物的询问系统。特别地但非限制性地，本技术提供用于确定电介质样本的特性及/或内容物的询问系统。
背景技术
本节中描述的方法可被实行，但不一定是先前已设想或实行的方法。因此，除非另有指示，否则不应仅凭借本节中所描述的方法的任何者包含在本节中而将其假定为现有技术。
电阻抗、电容及微波层析成像术有可能成为医学、安全及制造领域以及其它领域的有力工具，这些领域将受益于可从材料介电性质收集的大量诊断信息。与主要指示材料密度的X射线或超声波测量不同，介电性质对个别材料可以是唯一的，且例如可用于识别特定组织或肿瘤，或区分爆炸物与食品。迄今为止，已发现这些介电成像技术在精品诊断或允许进行介电测量的特定情况下的使用有限。
材料的介电性质不容易解析到特定的空间区域，因为介电结构可使电磁场的传播以非线性方式弯曲、扭曲、反射及衍射，从而使它们的空间位置及底层介电特性都变得模糊。
电磁场穿过受研究对象(即样本)的路径将根据场的频率或更一般地根据场的变化速率而改变。在静态条件下，或在波长比受调查介电结构长一个数量级或更多的情况下，受研究对象的阻抗特性将确定电流的路径——场将被牵引到最低阻抗的材料中。但是，随着频率增加，传播将呈现更多类似射线的行为，且传播将由传播速度最高的材料主导。
传统上，这两种方案的处理方式不同。低频或静态技术，例如电阻抗层析成像术(EIT)或电容层析成像术(ECT)(通常称为软场层析成像术，因为场的弯曲及折曲与穿过物体的X射线的硬场或直线形成对比)将电极阵列施加到受研究物体的表面，且循序地施加电流使其通过电极对以绘制等势线。接着，计算机算法迭代遍历区域的可能阻抗，以匹配在数据中测得的等势曲线。
低频或静态EIT/ECT场可极大地使内部细节模糊，尤其在距介电结构相当大的距离处，因为场随着距离趋向平滑。静态技术还难以应对多层结构，这是将EIT/ECT电极直接施加到受研究物体的关键原因，因为气隙会添加高阻抗层，且阻抗边界可使其中的场结构模糊。
在更高的频率下，例如微波层析成像术(MWT)等技术使用与受研究介电结构的大小类似的波长。在这些频率下，波自由传播且呈现更多类似射线的特性。尽管微波路径在某些结构中可更呈线性，但它们通常不会深入穿透例如人体等所关注对象(即样本)，且可在介电结构周围明显地衍射、反射及散射，从而产生比EIT/ECT更动态的逆散射问题，这可能在计算上要求更高。
虽然在低频/静态及微波方案下散射行为是不同的，但两者都会产生不适定(ill-posed)散射数据，这些数据无法被明确地反转用于解析散射介电结构的空间及电特性。在两种方案下产生的数据求解起来可能很麻烦且耗时，且可具有多个数学上可能的解，或者根本没有解。
因此，两个关键问题限制了介电阻抗层析成像术在三维非均匀或复杂的高介电常数结构(例如人体)中的广泛应用。首先，这些结构的介电特性与周围空气的介电特性之间明显失配。其次，对穿过复杂结构的多路径或散射电磁波求解逆是数学上不适定的问题。
不同介电材料之间的阻抗失配严重限制非接触式测量，这是因为大多数测量电磁波将从所关注样本反射或折射，且在空气中提供合理空间分辨率(通常为GHz及以上)的波长在许多高介电常数的样本中极易耗散。当前通过直接与样本接触来测量阻抗或在介电匹配介质中执行测量来解决此限制。在许多需要考虑吞吐量及中断的情况下，例如医疗创伤、安全或制造应用，此类约束是不切实际的。
即使在获得空间上多样的数据时，当探测电磁波自由传播、共振及相互干扰时，求解非均匀电介质的内部结构也可变得困难。虽然有很多文献致力于研究这个数学问题，但可能需要大量的计算资源才能开发出粗略的解决方案。
已提出若干技术来解决介电阻抗层析成像术的固有问题。例如，若干已发布的美国专利详细描述需要探针或探针阵列与患者或样本完全接触的方法。例如，参见第9,042,957号、第8,391,968号及第5,807,251号美国专利。
不需要样本接触的电阻抗层析成像术方法需要中间介质或使用非常短的波长及高功率。例如，在若干已发布的美国专利(包含：8,010,187、4,135,131、7,164,105及7,205,782)中，描述了不需要样本接触但需要中间介质的电阻抗层析成像术方法。例如，在若干已发布的美国专利(包含：8,933,837、7,660,452及7,664,303)中，描述了例如不需要样本接触但使用非常短波长及高功率的电阻抗层析成像术方法。
电容测量技术或电容层析成像术可通过完成施加在样本上的电容电极之间的电路，提供比使用自由传播场的阻抗方法更优越的优点。例如，在包含9,110,115及8,762,084的若干已发布的美国专利中描述了例如通过约束其传播到用于电容性层析成像技术的电容器电路而固有地使用较低频率的系统。虽然这些技术可降低多路径复杂性及高频衰减，但它们需要直接样本接触，且在大型或复杂结构中表现不佳，因为电场被牵引到介电常数最高的区域，在低介电常数区域或非均匀性周围循环，且潜在地使所关注特征模糊。
在待研究的介电分布仅沿单一维度延伸的情况中，已成功使用传输线方法。例如，在第9,074,922号及第4,240,445号美国专利中。另见非专利文献：《应用于森林区域的宏观电性质测量的明线传输线》(Open-wire Transmission Lines Applied to theMeasurement of the Macroscopic Electrical Properties of a Forest region)，约翰·泰勒(John Taylor)等人，斯坦福研究所(Stanford Research Institute)，1971年10月；《在射频及微波频率下测量生物物质介电性质的同轴线反射方法——综述(CoaxialLine Reflection Methods for Measuring Dielectric Properties of BiologicalSubstances at Radio and Microwave Frequencies-A Review)》，IEEE仪器与测量期刊(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement)(第29卷，第3期，1980年9月)；及《使用时域反射计的电磁液位指示(EMLI)系统(Electromagnetic LevelIndicating(EMLI)System Using Time Domain Reflectometry)》，威廉·J·哈尼(William J.Harney)，克里斯托弗·P·奈马里奇(Christopher P.Nemarich)，海洋会议83会议记录(Oceans'83，Proceedings)，1983年8月29日至9月1日。
因此，需要新颖的系统及方法来对介电材料进行层析成像，这些系统及方法产生空间上可解的数据，且不需要过高的频率、中间介质或与受测试样本紧密接触。
具有线性或硬场特性的电磁场将解决这些问题，因为它们将从已知及经界定的区域生成层析成像数据。已知在以横向电(TE)或横向电磁(TEM)模式传播的波中，电场正交于传播方向。因此，如果电磁场在已知方向上传播，且确定其传播为TE或TEM模式，那么可假定电场的线性及方向，从而创建类似硬场的条件。
还已知在以TE或TEM模式传播穿过介质时，传播速度(Vprop)及阻抗(Z)与介质的相对极化率或介电常数(εr)有关，作为其电极化率的分量(ε＝εrε0)，使得：
其中μ是材料的磁导率，且ε0是自由空间的极化率。在由相对于探测波长足够小的结构组成(或者其穿越时间占探测频率周期的很小一部分)的非均匀电介质中的TE传输中保持上述关系，因此电介质表现为混合物或复合电介质，其中构成电介质的线性贡献由其它者公式化为：
其中εeff是由具有介电常数ε1的第一材料及具有介电常数ε2的第二材料组成的混合物的有效介电常数，包括混合物的体积分数f2。
然而，在具有较大结构的非均匀电介质中，速度及阻抗可由结构中某些构成物理元素的ε主导。例如，如果通过构成介电结构的穿越时间相差探测频率周期的一小部分以上，那么必须考虑构成介电结构的几何形状及定向，且上述混合方程不再精确。在穿越时间上具有显著频率分数或更长的复杂结构的解析方程是复杂的，不容易求解，且通常没有唯一的解。
这种现象的实际实例是泡沫聚乙烯(PE)同轴电缆：均匀的泡沫PE电介质产生75欧姆且传播速度(Vprop)为光速的83％的传输线(例如RG-59电缆)。而含有相同体积的空气及PE，但集中在纯PE及纯空气的区域中的相同结构将具有对于纯PE而言60欧姆及66％Vprop及对于空气而言90欧姆及99％Vprop的区域特性。如果这些分叉区域沿传播方向对齐，则不同的传播速度将扰乱TEM行为，且波将在较慢与较快的介电组件之间遇到明显的频散。从测量角度来看，线的阻抗(或复合εeff)及传播速度将是探测频率及PE及空气构成几何形状的复杂函数。
在上面的实例中，如果线可恢复到TE模式，那么有效介电常数εeff可再次成为构成分量的分数的线性函数，例如方程2，而不管它们的分叉。这可通过感应加载同轴电缆的中心导体以减慢其速度以匹配较慢的固态PE构成来实现。RG-63同轴电缆是这种行为的实际体现。通过感应加载核心导体，RG-63在TEM模式下以均匀的125欧姆及81％的速度传播，尽管沿着传播方向含有分叉的PE及空气电介质。
发明内容
本技术的各种实施例包含一种用于通过引导电场穿过非均匀电介质样本的传播来确定非均匀电介质样本内特定区域的特性的系统。在一些实施例中，所述系统包括：(a)至少一个电磁能量源，其用于产生电磁波形，所述电磁波形包括沿着界定电场传播穿过的一系列空间区域的指定路径传播的电场，所述指定路径包括确定沿着指定路径的电场传播的速率的电场调制元件；(b)多个导体，其用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播，当电场沿着指定路径传播时，电场跨越多个导体中的两者或更多者之间，所述多个导体在所述非均匀电介质样本的外部；及(c)多个测量点，其用于确定沿着指定路径传播的电场的测量，所述电场的所述测量用于确定非均匀电介质样本的区域介电特性及非均匀电介质样本内特定区域的介电特性。
在各种实施例中，用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体包括平行于第二导体的第一导体。
在一些实施例中，用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体包括平行导体对阵列。在各种实施例中，平行导体对阵列中的每一对在非均匀电介质样本的相对侧上相对。在一些实施例中，平行导体对阵列中的每一对在非均匀电介质样本的同一侧上彼此相邻。
在各种实施例中，沿着所述指定路径的电磁波形跨多个导体排序，所述经排序电磁波形用于创建电场传播的动态指定传播路径及动态速率。
在一些实施例中，用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体包括离散导体阵列。在各种实施例中，沿着指定路径的电磁波形跨离散导体阵列的对排序，所述经排序电磁波形用于创建电场传播的动态指定传播路径及动态速率。
在各种实施例中，确定沿着指定路径的电场传播的速率的电场调制元件包括物理延迟结构，所述物理延迟结构减慢沿着所述指定路径的电场传播的速率且减小沿着所述指定路径的电磁波的速度。
在一些实施例中，确定沿着指定路径的电场传播的速率的电场调制元件包括电子组件，所述电子组件控制沿着指定路径的电场传播的速率且控制沿着指定路径的电磁波的速度。
在各种实施例中，确定沿着指定路径的电场传播的速率的电场调制元件包括有源电子组件，所述有源电子组件产生电场以屏蔽寄生效应。
在一些实施例中，对沿着指定路径传播的电场的测量测量沿着指定路径传播的电场的电压、电流、相位及强度中的一或多者。
在各种实施例中，本技术的系统进一步包括：(d)至少一个处理器；及(e)存储处理器可执行指令的存储器，其中所述至少一个处理器经配置用于在执行处理器可执行指令时实施以下操作：(i)确定非均匀电介质样本内特定区域的有效介电常数；(ii)确定非均匀电介质样本内特定区域的有效介电常数是否与沿着指定路径的电场传播的速率一致；(iii)当非均匀电介质样本内特定区域的有效介电常数与沿着指定路径的电场传播的速率不一致时，调制沿着指定路径的电场传播；(iv)使用穿过非均匀电介质样本内特定区域的电场传播来测量波形；及(v)使用所述波形确定非均匀电介质样本内特定区域的特征。
在一些实施例中，所述至少一个处理器进一步经配置用于在执行处理器可执行指令时实施以下操作：使用非均匀电介质样本内特定区域的特征产生非均匀电介质样本的层析成像图。
在各种实施例中，系统进一步包括辅助传感器，所述辅助传感器测量所述指定路径中的所述多个导体与所述非均匀电介质样本之间的气隙。
在一些实施例中，所述至少一个处理器进一步经配置用于在执行处理器可执行指令时实施以下操作：测量所述指定路径中的所述多个导体与所述非均匀电介质样本之间的气隙；及使用气隙的测量来调整非均匀电介质样本内特定区域的有效介电常数的确定，以增加有效介电常数的确定的准确性。
附图说明
附图(其中相同的参考数字在所有单独的视图中指相同或功能相似的元件)连同下面的详细描述被并入说明书中并形成说明书的一部分，且用于进一步说明包含所主张的揭示内容的的概念的实施例，及解释那些实施例的各种原理及优点。
本文中揭示的方法及系统已在适当的情况下在图式中通过常规符号来表示，图式中仅展示与理解本发明的实施例相关的那些具体细节，以避免对受益于本文中描述的所属领域的一般技术人员而言显而易见的细节使本发明模糊。
图1A到C说明根据本技术的各种实施例的区域的概念，本技术在所述区域内测量有效介电常数εeff。
图2说明根据本技术的各种实施例的沿着每一线的传播路径界定区域的线性行的传输线结构阵列。
图3展示根据本技术的各种实施例的在接地平面上方的金属正方形的网格，每一正方形界定穿过电介质样本的区域，说明区域的网格图案。
图4从概念上说明根据本技术的各种实施例的在各种传播速度下测量时通过非均匀电介质区域测量的阻抗。
图5A到B说明根据本技术的各种实施例的经过非均匀电介质的电磁波的场行为。
图6说明根据本技术的各种实施例的经定位用于测量区域界定结构与受研究样本之间的空气空间的四个辅助传感器。
图7A到D说明根据本技术的实施例的针对各种屏蔽及非屏蔽传输线测量的电场及区域的示意图。
图8说明根据本技术的实施例的系统的示意图，所述系统包含具有由有源跟随器驱动的屏蔽板的传输线。
图9说明根据本技术的实施例的系统的示意图，所述系统包含施加到样本表面且由屏蔽板屏蔽并由有源元件驱动的平行传输线结构。
图10说明根据本技术的各种实施例，从测量的阻抗及传播速度迭代地确定特定区域的εeff的过程。
图11说明根据本技术的各种实施例，当脉冲从一个区域移动到另一个区域时由电流传感元件测量的通过传输线结构的电流。
图12说明根据本技术的各种实施例的传输线结构的阵列，每一传输线结构被感应地加载或设计成以不同的速度传播，从而测量不同速度下的区域的阻抗。
图13说明根据本技术的各种实施例，沿着单一无源传输线的长度的硬件的概念布局。
图14展示根据本技术的各种实施例，图13的控制及分析计算机将发出的概念排序。
图15说明根据本技术的各种实施例，沿着单一可编程传输线的长度的硬件的概念布局，所述可编程传输线类似于有源线，但对于每一区域并入可编程元件。
图16说明根据本技术的各种实施例的用于场传播的完全有源排序的二维区段的硬件的概念布局。
图17说明根据本技术的各种实施例，当区域场源从左到右排序时，跨有源实施例的二维区段的场的概念传播。
图18说明根据本技术的各种实施例，当区域场源以向外或径向图案排序时，在有源实施例的二维区段中的场的概念传播。
图19说明根据本技术的各种实施例，通过在有源实施例中调整场产生元件使得区域在传播到页面中时区域从左下角到右上角成角度的区域倾斜的概念。
图20说明根据本技术的实施例的当脉冲沿着基于传输线的系统从一个区域移动到另一个区域时从固体蜡样本收集的电压数据的图。
图21说明根据本技术的实施例的当脉冲沿着基于传输线的系统从一个区域移动到另一个区域时从含水腔的固体蜡样本收集的电压数据的图。
图22说明呈计算系统形式的实例性机器的示意性表示，在其中执行用于引起机器执行本文中所讨论的方法中的任一者或多者的指令集。
具体实施方式
尽管本技术易于以许多不同形式进行实施，但是在图式中展示且在本文中将详细描述几个具体实施例，应理解本发明应视为本技术原理的示例且不希望将本技术限于所说明的实施例。
在各种实施例中，本技术提供了一种类似传输线的设备，其在空间上及时间上引导电磁场穿过非均匀电介质样本传播，同时提供揭示电介质内部结构的外部测量点。
在各种实施例中，本技术涉及通过使用外部结构来引导电磁场的空间传播、调节其穿过样本的时间速度及提供用于外部测量的结构(其内部介电特征将在其上显现)来使介电阻抗层析成像术问题易于处理的系统及方法。当电磁场的传播是通过引导外部结构(例如传输线)来引导时，使得使用自由传播场的层析成像方法复杂化的相同阻抗失配揭示并表征样本的不同介电特征，因为这些内部介电特征引起的扰动是沿着引导结构在外部测量的。
在各种实施例中，本技术包含电场沿着其传播的导体对或导体对阵列，导体的布置使得在它们之间的传播场经过受测试样本。如所示，传输线由射频(RF)或脉冲探测信号源驱动，且可与或可不与已知阻抗端接。在各种实施例中，场引导系统包括延迟构件，其用于延缓探测信号的传播，使得探测信号的传播速度与受测试样本内的电磁传播速度相匹配。
本技术在受研究非均匀电介质区域内创建类似TE传播，使得可精确地确定所述区域的有效介电常数(εeff)。它通过测量界定区域的两个导电元件之间的阻抗，同时还测量及/或调制场穿过所述区域传播的速度来实现这一点。因此，区域的εeff由两个测量导出：阻抗及测量阻抗时的传播速度。
用于研究的空间区域通常被定义为两个导电板之间的柱状区域，如图1A到C所示。将在所述两个板之间测量阻抗，且如在基于传输线的实施例中，穿过所述区域的电磁传播的速度是被动地确定的，或者在有源实施例中，所述电磁传播的速度被调制为指定值。如图2所示，区域可沿着平行传输线的长度对齐，以在空间上界定用于从一个区域传播到下一个区域的路径，或者它们可以是具有动态确定传播途径的物理上单独元件，如图3所示。如在传输线的情况下，从一个区域到另一个区域的传播可为无源过程，或者在相控驱动电路将场从一个区域传播到下一个区域的情况下是有源过程。在有源或无源实施例中，区域可界定在单一接地平面上方，如图2及3所示，具有相对的元件，如图14及15所示，或沿着样本的单一侧，如图9所示。
在无源或有源实施例中，本技术通过从阻抗计算值来确定区域内的εeff，所述阻抗是通过电子器件探测特定区域的电压、电流及/或相位信息来测量的。在阻抗是由通过区域的位移电流测量时，所述区域的εreff可计算为：
其中，I(ω)是跨A面积及d长度的区域对于激励E(ω)在频率(ω)下测量的电流。交替测量跨区域的电压或区域之间的电流将产生类似的公式，前提是基于所进行的电压及电流测量导出所述区域的介电常数。
同样，Vprop可看作是区域在传播方向上的长度及场的渡越时间的函数：
其中，Δt是从一个区域到另一个区域的传播时间，其是测量的或者由系统主动调制的，且Δd是区域在传播方向上的长度。
如图4说明，在区域内测量的阻抗将随探测场穿越所述区域的速度而变化。在εeff的特性速度下，阻抗将处于最小值。然而，如果传播速度比εeff快，阻抗将增加，因为场没有时间与较慢的低阻抗介电组件充分相互作用。同样地，如果从一个区域到另一个区域的传播速度太慢，阻抗也将增加，因为来自先前区域的场将从它们的预期区域跑出且底切进入前面的区域中。一般来说，当区域的速度与所述区域的电磁传播的固有速度适当地匹配时，所述区域的阻抗将处于最小值。
为获得区域的εeff的精确值，必须在多个传播速度下进行测量。这可通过添加感应、电子或其它减速机制来减慢Vprop使得Vprop与区域中最慢的介电组件相匹配(如图5A到B所示)以建立TE模式来实现。此外，可使用慢波或超材料结构(例如电子带隙结构)来延迟场传播。
从某种意义上说，这些减速机制改变快介电组件，以形成速度与慢介电组件的速度相匹配的虚拟电介质，从而实现穿过区域的类似TE的传播模式。图5A到B说明根据本技术的实施例的电场以不同速度传播的示意图500。图5A展示电场穿过传输线的传播，其行进得比在具有介电常数εsp的受检查电介质501(即样本)中的传播速度更快，因此使具有介电常数ε<εsp的样本502的内部特征模糊。相比之下，图5B展示当传输线减慢以适应样本的有效介电常数、样本的内部特征及周围气隙，因此允许电场与电介质的代表性相互作用时电场的传播。在图5B中更详细地展示，穿过样本的波前被分布式感应元件505减慢以适应样本的εeff、内部特征及周围气隙510，从而创建类似TE的传播模式，并获得场与电介质的更充分且更具代表性的相互作用。
穿过传输线的速度或传播是每单位长度电容(Ctl0)及电感(Ltl0)的函数，使得：
传输线的Ctl0是线几何形状及其内部电介质的ε的函数。传播方程(4)的传输线速度的上述公式与方程(1)中电介质电磁传播的固有速度的公式相似，不同之处在于传输线传播的每单位长度特性由物理结构确定且因此可被操控。因此，通过添加每单位长度的感应负载或电阻LL0，使得：
其中Vprops是在所关注的样本区域中的电磁传播的速度，如图5B所示，可获得类似TE模式。
图7A到D说明根据本技术的实施例的针对各种屏蔽及非屏蔽传输线测量的电场及区域的示意图700。根据本技术的实施例，图7A展示非屏蔽传输线，图7B展示具有外部高εr特征705的非屏蔽传输线，图7C展示屏蔽中心传输线，及图7D展示具有内部高εr特征710的屏蔽中心传输线。更详细地说，图7A到D的示意图700展示在平行于给定线的任一侧的线上传播的电磁波，其提供屏蔽或限制中心线场的x轴扩展的场，从而在中心线的x轴上创建更窄或更集中的区域。图7A展示非屏蔽线中的电场(及等效地经测量的区域)。图7B展示具有外部高εr特征705的非屏蔽线。图7C展示由平行对应体屏蔽的中心线中的场。图7D展示由平行对应体屏蔽的中心线的未扰动场，其中一者在平行对应体之间含有内部高εr特征710。
在本技术的各种实施例中，通过使用如图8所示的有源屏蔽元件，线的灵敏度还可经定向例如在单一线上或用于将场的z轴扩展限制在样本区域上方或下方。图8说明根据本技术的实施例的系统800的示意图，系统800包含具有由有源跟随器驱动的屏蔽板的传输线。图8展示包括引导结构805及由有源跟随器驱动的屏蔽板的系统800。例如，由有源电压跟随器810驱动的屏蔽板815。在这种情况下，有源组件(例如有源电压跟随器810)测量沿着线的随波的传播而改变的电压，且驱动板(例如，屏蔽板815)或其它辐射元件来对抗从线向不期望的方向辐射的场。例如，在一些实施例中，确定沿着指定路径的电场传播速率的电场调制元件可包括电子组件，所述电子组件控制沿着指定路径的电场传播速率及控制沿着指定路径的电磁波的速度。例如，在各种实施例中，确定沿着指定路径的电场传播速率的电场调制元件包括有源电子组件，所述有源电子组件还产生电场以屏蔽寄生效应。
图9说明根据本技术的实施例的系统900的示意图，所述系统900包含施加到样本的单一表面的平行传输线结构。如同在平行传输线位于样本相对侧的配置中，特性区域存在于平行导体之间，但还延伸到样本的顶层及平行线上方的空气两者中。例如，平行导体对阵列中的每一对可在非均匀电介质样本的同一侧上彼此相邻。图9进一步展示有源屏蔽板903及904以及驱动元件905及906，所述有源屏蔽板903及904以及驱动元件905及906被施加到平行带状线901及902以屏蔽特性区域的范围使其不延伸到平行线上方的空气中。此类实施例用于仅可接近样本的一侧或仅需表征非均匀电介质的薄层或顶层的情况。
由于在各种实施例中本技术可不涉及与受研究样本的接触，如图6所示，可通过并入辅助传感器来确定区域内样本上方或下方的气隙量来进一步改进准确性。在区域内但在样本外部的气隙空间(例如，气隙510)看起来与其在样本内部时基本上相同。有利的是，由于周围空气空间可通过其它手段(例如物理、光学、声学等)容易地测量，因此可使用类似于方程2的混合方程，从区域的εeff中容易地计算出其影响。
根据本技术的实施例，在图10中描述用于确定区域的εeff的测量的过程。可被动地、以编程方式或主动地改变传播速度及传播图案，以实现图10中描述的过程。所述过程首先通过如方程3的测量及计算确定候选εeff。然后评估候选εeff是否与Vprop一致；
即，是否候选或者/>
如果那么候选εeff过低且减小Vprop以获得更精确的候选εeff。可改变时间及空间图案，以最优地获得最优候选εeff。或者，过程可执行所有可能的速度及传播图案的组合，且接着稍后评估最佳候选εeff的全部数据。
在无源实施例中，如图2所示，若干传输线被平行排列，以便横向地界定跨平行传输线的跨度的区域行(如图7C及7D根据各种实施例所展示)。通过沿着每一线的长度的测量点在传播方向上界定区域。线由射频(RF)或脉冲源探测信号驱动，且可与或可不与已知阻抗端接。当RF或脉冲信号沿线传播时，阻抗变化将经由如图11所示对线的表面进行的电压或电流测量来揭示。尽管这些阻抗变化将揭示介电结构的空间位置，但它们可能无法完全揭示特定区域的εeff，因为所述结构可能在线内引起非TEM模式，如图5A所示。在沿着线的表面的点处获得揭示阻抗变化的测量对于解决仅由时域反射计方法造成的空间不确定性可能很重要，在时域反射计方法中，通过末端端口进行的测量无法将短区段的慢速电介质与长区段的高速电介质区分开。
如图5B及方程5所示，可通过感应地加载或改变具有慢波结构的线阵列来获得额外速度下的无源线数据。提供各种传播速度的图5B的另一实施例是图12中所示的平行传输线阵列。每一线经结构化为具有略微不同的传播速度。阵列机械地经过样本，且当通过不同速度的每一线扫描时，收集每一区域的阻抗数据。比较不同速度的线在经过样本的相同物理区域时的阻抗数据，可根据上面的方程6识别与传播速度相匹配的最小阻抗值。
根据各种实施例，经由无源实施例的每一区域内的电压及/或电流探针来测量所述区域的阻抗。然后通过已知驱动信号或来自先前相邻区域的信号，经由欧姆定律来计算阻抗。然后，基于区域及任何添加的感应或减速结构的物理边界，从线的阻抗计算候选εeff。图13展示在区域之间使用电流传感器的优选实施例的硬件。图14展示由控制计算机协调的在区域之间使用电流传感器的操作过程。如图13所说明，由单一速度线产生的速度及阻抗数据可由计算机存储，用于与来自不同速度线的速度及阻抗数据(例如来自图12中的数据)进行比较，以确定εeff的最优拟合。
无源实施例的扩展是可编程实施例，其中，沿着线的区域之间的感应或延迟元件可被改变或编程以将线路调谐到不同的速度，如图12所说明。延迟元件(例如电感器或可编程延迟线)可根据控制计算机的指示接通或改变其特性。例如，确定沿着指定路径的电场传播的速率的电场调制元件可包括物理延迟结构，所述物理延迟结构减慢沿着指定路径的电场传播的速率及减小沿着指定路径的电磁波的速度。
在有源实施例中，从一个区域到另一个区域的场传播由电子器件控制，而不是像在无源实施例中那样的自由传播。每一区域含有其自己的可由控制及分析计算机控制的探测信号源，以及用于阻抗测量及/或波形捕获的机制。在有源实施例中，从一个区域到另一个区域的传播速率及方向由控制及分析计算机确定，且可动态地或迭代地改变以确定区域的εeff。
有源区域可由呈网格、六边形、圆弧或适合于应用的其它重复图案的板界定。从一个区域到另一个区域的传播同样可改变以适合于应用。当从较低ε向较高ε传播时，介电结构之间边界的检测可更清晰，且传播路径与边界垂直。因此，复杂的有源实施例动态地改变传播路径及图案以辨别更精细的细节。例如，区域可在一个方向上传播，且然后返回，径向地或同心地对角跨扫描平面传播，或者以棋盘图案交替或定相，如图18所示。在有源实施例中，传播可在各个点起始及终止。有源传播还消除对机械操作的需要，例如扫掠图12的不同速度线实施例或将样本重新定向，以收集完整的层析成像数据。
所有实施例产生柱状区域的εeff，所述柱状区域在柱的轴上仍可含有多个介电组件。为了解决这种不确定性并产生完整的层析成像呈现，必须从正交轴收集数据。在无源实施例中，这可通过将样本或无源线重新定向来实现。在两侧有源实施例中，可通过如图19所示将单元的顶板及底板略微定相来使区域倾斜及/或通过相邻区域板创建屏蔽场而获得交替区域轴，只要倾斜的区域在传播方向上仍接近TE。
所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，可对上文揭示的实施例进行多种修改及变更。
图1A到C说明本技术在其中测量有效介电常数(εeff)的区域的概念。如图1A中描绘，穿过区域的阻抗由垂直通过的电流指示，而场向右传播，图1B及图1C分别以二维及三维说明传输线结构内的此概念区域。例如，用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体可包括平行于第二导体的第一导体。
图2说明沿着每一线的传播路径界定区域的线性行的传输线结构的阵列。例如，用于引导电场在指定路径中穿过非均匀电介质样本传播的多个导体可包括平行导体对阵列。在一些实施例中，平行导体对阵列中的每一对在非均匀电介质样本的相对侧上相对。
图3展示在接地平面上方的金属正方形的网格，每一正方形界定穿过电介质样本的区域，说明区域的网格图案。图3的网格描绘图2的连续线的集总或分段版本。在垂直方向的正方形之间添加连接元件将允许电磁场从一个区域垂直地传播到另一个区域。添加水平连接元件将允许场水平地传播，类似于图2中的线。
图4从概念上说明在各种传播速度下测量时通过非均匀电介质区域测量的阻抗。在从一个区域到另一个区域的传播相对于电介质的本征太慢的情况下，归因于来自较早的相邻区域的场的底切，经量测区域的阻抗是高的。在传播快的情况下，因为场没有时间穿透较慢的介电组件，阻抗又很高。
图5A到B说明穿过非均匀电介质的电磁波的场行为。在图5A中，波以超过较慢介电组件的传播速度的速度移动。在图5B中，传输线结构已经减慢，以允许波以横向电(TE)模式传播。
在图5A中，电场穿过传输线的传播行进得比受检查电介质中的传播速度更快，因此使样本的内部特征模糊。相比之下，图5B展示当传输线减慢以适应受检查的电介质501(即样本)的有效介电常数(εeff)、样本502的内部特征及周围气隙510，因此允许电场与电介质的代表性相互作用时电场的传播。
图6说明经定位用于测量区域界定结构及受研究对象610(即样本)之间的空气空间的四个辅助传感器600。辅助传感器可通过雷达、红外线、超声波或光学/视频手段操作，以量化样本及区域界定结构之间的空气空间量。在各种实施例中，辅助传感器测量指定路径中的多个导体与非均匀电介质样本之间的气隙。
图10说明从测量的阻抗及传播速度迭代地确定特定区域的εeff的过程。
图11说明当脉冲从一个区域移动到另一个区域时由电流传感元件1100测量的通过传输线结构的电流。图11说明根据本技术的实施例的系统中测量的脉冲电流波形的示意图。图11展示在沿着第一导体1105及第二导体1110的长度的若干点处测量的脉冲电流波形1103。第一导体1105及第二导体1110包围经受测试的样本1115，样本1115包含相对于样本1115的介电常数而言具较小介电常数的特征1120及具较大介电常数的特征1125。
图11还展示具有较低电流的脉冲电流波形1103，较低电流说明脉冲电流波形1103上与具较小介电常数的特征1120相对应的谷1130。相比之下，脉冲电流波形1103具有较高电压，其说明脉冲电流波形1103上与具较大介电常数的特征1125相对应的的峰1135。
图12说明传输线结构的阵列，每一传输线结构被感应地加载或设计为以不同的速度传播，从而测量不同速度线下的区域的阻抗。此类阵列如方向1210所示经过受研究样本1200(即样本)，以测量不同速度线下样本的相同区域。例如，沿着指定路径的电磁波形跨平行导体对阵列的每一对排列，经排序的电磁波形可用于创建电场传播的动态指定路径。
图13说明沿着单一无源传输线的长度的硬件的概念布局。每一区域由电流传感元件界定，且每一电流传感元件通过多路复用装置(MUX)被多路复用到模数转换器(ADC)中，然后模数转换器(ADC)将数据传输到控制及分析计算机。
图14展示图13的控制及分析计算机将发出的概念排序。它首先用多路复用装置选择待获取的区域，然后指示RF源发出驱动信号，然后获取信号及驱动，然后对数据进行分析。
图15说明沿着单一可编程传输线的长度的硬件的概念布局，所述可编程传输线类似于有源线，但对于每一区域并入可编程元件。
图16说明用于场传播的完全有源排序的二维区段的硬件的概念布局。
图17说明当区域场源从左到右排序时，跨有源实施例的二维区段的场的概念传播。
图18说明当区域场源以向外或径向图案排序时，在有源实施例的二维区段中的场的概念传播。
图19说明通过在有源实施例中调整场产生元件使得区域在以方向1905传播到页面时从左下角到右上角成角度的区域倾斜的概念。
图20说明使用根据本技术的实施例的系统产生的固体蜡(εr＝2.2)样本的形貌数据的图2000。与图21相比，当在跨越固体蜡样本的区域内测量脉冲电压时，没有展示谷或峰。连续脉冲高度的略微向上斜升是由于仪器误差引起的。
图21说明使用根据本技术的实施例的系统产生的含有嵌入水腔(εr＝80)的蜡样本的形貌数据的图2100。如图11所述，在沿着第一导体1105及第二导体1110的长度的若干点处测量脉冲电流波形。图11还展示具有较低电流的脉冲电流波形1103，所述较低电流说明脉冲电流波形1103上与具较小介电常数的特征1120相对应的谷1130。类似地，图21的脉冲电压波形说明谷2105，谷2105指示样本中具较高介电性的水腔，其原因与图11的谷1130相同。
图22是呈计算机系统1的形式的实例机器的示意性表示，在其中可执行用于引起机器执行本文中所讨论的方法中的任一者或多者的指令集。例如，对传播速度或图案进行编程以迭代地细化数据。在各种实例实施例中，机器作为独立装置操作，或可连接(例如网络化)到其它机器。在网络化部署中，机器可在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份操作，或者作为对等(或分布式)网络环境中的对等机器来操作。所述机器可为个人计算机(PC)、嵌入式计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、平板PC、蜂窝电话、便携式媒体装置(例如，便携式硬驱动音频装置，例如动态图像专家组音频层3(MP3)播放器)、web设备、网络路由器、交换机或网桥，或任何能够执行一组指令(顺序的或其它方式)的机器，这些指令指定所述机器要采取的动作。此外，虽然仅说明单一机器，但术语“机器”还应被视为包含个别地或共同地执行一组(或多组)指令以执行本文中所讨论的方法中的任一或多者的机器的任何集合。
实例计算机系统1包含处理器或多个处理器5(例如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)，或两者)及主存储器10及静态存储器15，它们经由总线20彼此进行通信。计算机系统1可进一步包含视频显示器35(例如液晶显示器(LCD))。计算机系统1还可包含字母数字输入装置30(例如键盘)、光标控制装置(例如鼠标)、语音识别或生物测定验证单元(未展示)、驱动单元37(也称为磁盘驱动单元)、信号产生装置40(例如扬声器)、网络接口装置45及电介质测量硬件60。计算机系统1可进一步包含用于加密数据的数据加密模块(未展示)。
磁盘驱动单元37包含计算机或机器可读媒体50，其上存储体现或利用本文中描述的方法或功能中的任一者或多者的一或多组指令及数据结构(例如，指令55)。在由计算机系统1执行指令55期间，指令55还可完全或至少部分地驻留在主存储器10内及/或在处理器5内。主存储器10及处理器5还可构成机器可读媒体。
指令55可进一步利用许多已知传送协议中的任一者(例如，超文本传送协议(HTTP))经由网络接口装置45在网络上传输或接收。虽然机器可读媒体50在实例实施例中展示为单一媒体，但术语“计算机可读媒体”应被视为包含存储一或多组指令的单一媒体或多个媒体(例如，集中式或分布式数据库及/或相关联的高速缓存及服务器)。术语“计算机可读媒体”还应被视为包含能够存储、编码或携带供机器执行且引起机器执行本申请的方法中的任一者或多者的一组指令，或能够存储、编码或携带由这样一组指令利用或与之相关联的数据结构的任何媒体。术语“计算机可读媒体”应相应地包含但不限于固态存储器、光学及磁性媒体以及载波信号。此类媒体还可包含(但不具限制性)硬盘、软盘、闪存卡、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。本文中描述的实例实施例可在包括安装在计算机上的软件的操作环境中、在硬件中或在软件及硬件的组合中实施。
所属领域的技术人员将认识到，因特网服务可经配置以向耦合到因特网服务的一或多个计算装置提供因特网接入，且计算装置可包含一或多个处理器、总线、存储装置、显示装置、输入/输出装置等。此外，所属领域的技术人员可理解，因特网服务可耦合到一或多个数据库、存储库、服务器等，这些数据库、存储库、服务器等可被用于实施本文中所述的本公开的任何实施例。
这些计算机程序指令还可存储在计算机可读媒体中，所述计算机可读媒体可指引计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以特定方式起作用，使得存储在计算机可读媒体中的指令产生图像、层析成像，或从所述图像或层析成像导出的解析结果，或其构成数据，包含实施流程图及/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的指令。
计算机程序指令还可被加载到计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置上，以使在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列操作步骤，以产生计算机实施的处理，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实施流程图及/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的过程。
在说明书中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定实施例、过程、技术等，以便提供对本技术的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员来说，显而易见的是，本技术可在脱离这些具体细节的其它实施例中实践。
虽然为了说明目的，上面描述了系统的具体实施例及实例，但是正如相关领域的技术人员将认识到的，在系统的范围内可进行各种等效的修改。例如，当过程或步骤以给定顺序呈现时，替代实施例可执行具有不同顺序的步骤的例程，并且可删除、移动、添加、细分、组合及/或修改某些过程或步骤以提供替代或子组合。这些过程或步骤中的每一者可以各种不同的方式实施。此外，虽然过程或步骤有时被展示为串行执行，但是这些过程或步骤可改为并行执行，或者可在不同的时间执行。
虽然上面已经描述各种实施例，但是应理解，它们只是通过实例而不是限制来呈现的。这些描述并不打算将本技术的范围限制于本文中所述的特定形式。相反，本说明书旨在涵盖所属领域的一般技术人员所理解的、可包含在本技术的精神及范围内的此类替代、修改及等效物。因此，优选实施例的宽度及范围不应受到上述任何示例性实施例的限制。

Claims (16)

1.一种用于通过引导电场穿过非均匀电介质样本的传播来确定所述非均匀电介质样本内特定区域的特性的系统，所述系统包括：
至少一个电磁能量源，其用于产生电磁波形，所述电磁波形包括沿着界定电场传播穿过的一系列空间区域的指定路径传播的所述电场，所述指定路径包括确定沿着所述指定路径的电场传播的速率的电场调制元件；
多个导体，其用于引导所述电场在所述指定路径中穿过非均匀电介质样本传播，当所述电场沿着所述指定路径传播时，所述电场跨越所述多个导体中的两者或更多者之间，所述多个导体在所述非均匀电介质样本的外部；
多个测量点，其用于确定沿着所述指定路径传播的所述电场的测量，所述电场的所述测量用于确定所述非均匀电介质样本的区域介电特性及所述非均匀电介质样本内所述特定区域的介电特性；
至少一个处理器；及
存储处理器可执行指令的存储器，其中所述至少一个处理器经配置用于在执行所述处理器可执行指令时实施以下操作：
确定所述非均匀电介质样本内所述特定区域的有效介电常数；
确定所述非均匀电介质样本内所述特定区域的所述有效介电常数是否与沿着所述指定路径的所述电场传播的所述速率一致；
当所述非均匀电介质样本内所述特定区域的所述有效介电常数与沿着所述指定路径的所述电场传播的所述速率不一致时，调制沿着所述指定路径的所述电场传播；
使用穿过所述非均匀电介质样本内所述特定区域的所述电场传播来测量波形；及
使用所述波形确定所述非均匀电介质样本内所述特定区域的特征。
2.根据权利要求1所述的系统，其中用于引导所述电场在所述指定路径中穿过所述非均匀电介质样本传播的所述多个导体包括平行于第二导体的第一导体。
3.根据权利要求1所述的系统，其中用于引导所述电场在所述指定路径中穿过所述非均匀电介质样本传播的所述多个导体包括平行导体对阵列。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述平行导体对阵列中的每一对在所述非均匀电介质样本的相对侧上相对。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述平行导体对阵列中的每一对在所述非均匀电介质样本的同一侧上彼此相邻。
6.根据权利要求1所述的系统，其中沿着所述指定路径的所述电磁波形跨所述多个导体排序，经排序的所述电磁波形用于创建电场传播的动态指定传播路径及动态速率。
7.根据权利要求1所述的系统，其中用于引导所述电场在所述指定路径中穿过所述非均匀电介质样本传播的所述多个导体包括离散导体阵列。
8.根据权利要求7所述的系统，其中沿着所述指定路径的所述电磁波形跨所述离散导体阵列的对排序，经排序的所述电磁波形用于创建电场传播的动态指定传播路径及动态速率。
9.根据权利要求1所述的系统，其中确定沿着所述指定路径的电场传播的所述速率的所述电场调制元件包括物理延迟结构，所述物理延迟结构减慢沿着所述指定路径的电场传播的所述速率且减小沿着所述指定路径的电磁波的速度。
10.根据权利要求1所述的系统，其中确定沿着所述指定路径的电场传播的所述速率的所述电场调制元件包括电子组件，所述电子组件控制沿着所述指定路径的电场传播的所述速率且控制沿着所述指定路径的电磁波的速度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中确定沿着所述指定路径的电场传播的所述速率的所述电场调制元件包括有源电子组件，所述有源电子组件产生电场以屏蔽寄生效应。
12.根据权利要求1所述的系统，其中对沿着所述指定路径传播的所述电场的所述测量包括测量沿着所述指定路径传播的所述电场的电压、电流、相位及强度中的一或多者。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个处理器进一步经配置用于在执行所述处理器可执行指令时实施以下操作：
使用所述非均匀电介质样本内所述特定区域的所述特征产生所述非均匀电介质样本的层析成像图。
14.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括辅助传感器，所述辅助传感器测量所述指定路径中的所述多个导体与所述非均匀电介质样本之间的气隙。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述至少一个处理器进一步经配置用于在执行所述处理器可执行指令时实施以下操作：
测量所述指定路径中的所述多个导体与所述非均匀电介质样本之间的所述气隙；及
使用所述气隙的所述测量来调整所述非均匀电介质样本内所述特定区域的所述有效介电常数的所述确定，以增加所述有效介电常数的所述确定的准确性。
16.一种用于通过引导电场穿过非均匀电介质样本的传播来确定所述非均匀电介质样本内特定区域的特性的系统，所述系统包括：
至少一个电磁能量源，其用于产生电磁波形，所述电磁波形包括沿着界定电场传播穿过的一系列空间区域的指定路径传播的所述电场，所述指定路径包括确定沿着所述指定路径的电场传播的速率的电场调制元件；
多个导体，其用于引导所述电场在所述指定路径中穿过非均匀电介质样本传播，当所述电场沿着所述指定路径传播时，所述电场跨越所述多个导体中的两者或更多者之间，所述多个导体在所述非均匀电介质样本的外部；
辅助传感器，所述辅助传感器测量所述指定路径中的所述多个导体与所述非均匀电介质样本之间的气隙；及
多个测量点，其用于确定沿着所述指定路径传播的所述电场的测量，所述电场的所述测量用于确定所述非均匀电介质样本的区域介电特性及所述非均匀电介质样本内所述特定区域的介电特性。
CN201980028253.0A 2018-04-25 2019-04-12 使用经引导电磁场确定非均匀样本的特性的层析成像系统及方法 Active CN112020644B (zh)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862662594P 2018-04-25 2018-04-25
US62/662,594 2018-04-25
US201862781846P 2018-12-19 2018-12-19
US62/781,846 2018-12-19
US16/378,425 US10542906B2 (en) 2018-04-25 2019-04-08 Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
US16/378,425 2019-04-08
PCT/US2019/027327 WO2019209556A1 (en) 2018-04-25 2019-04-12 Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112020644A CN112020644A (zh) 2020-12-01
CN112020644B true CN112020644B (zh) 2024-06-18

Family

ID=68290846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980028253.0A Active CN112020644B (zh) 2018-04-25 2019-04-12 使用经引导电磁场确定非均匀样本的特性的层析成像系统及方法

Country Status (3)

Country Link
US (3) US10542906B2 (zh)
CN (1) CN112020644B (zh)
WO (1) WO2019209556A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10542906B2 (en) 2018-04-25 2020-01-28 Spectrohm, Inc. Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
US11890550B2 (en) * 2020-01-02 2024-02-06 Mattel, Inc. Electrical tomography-based object recognition

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4493039A (en) * 1980-05-06 1985-01-08 President And Directors Of Georgetown University Apparatus and method for image reproduction of materials using their magnetic and electric properties

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3653892A (en) * 1969-07-01 1972-04-04 Xerox Corp Manifold imaging process wherein the imaged elements may be recombined and reused
US4134395A (en) 1976-12-29 1979-01-16 Biomagnetics International, Inc. Method of using magnetic fields to conduct a screening diagnostic examination
US4135131A (en) 1977-10-14 1979-01-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Microwave time delay spectroscopic methods and apparatus for remote interrogation of biological targets
US4240445A (en) 1978-10-23 1980-12-23 University Of Utah Electromagnetic energy coupler/receiver apparatus and method
US4271848A (en) * 1979-01-11 1981-06-09 Bio Systems Design, Corp. Apparatus for electromagnetic radiation of living tissue and the like
US5119034A (en) 1989-07-12 1992-06-02 Murata Manufacturing Co., Ltd. Method of measuring dielectric material constants and measuring device employed therefor
US5807251A (en) 1994-03-11 1998-09-15 British Technology Group Limited Electrical impedance tomography
CN1163000A (zh) * 1994-09-09 1997-10-22 狄肯研究公司 具有电控制波导路由的显示面板
RU2129406C1 (ru) 1996-09-25 1999-04-27 Корженевский Александр Владимирович Способ получения томографического изображения методом магнитной индукционной томографии
AU9485998A (en) 1997-09-11 1999-03-29 West Virginia University Research Corporation Electrical property enhanced tomography (epet) apparatus and method
US6375697B2 (en) * 1999-07-29 2002-04-23 Barringer Research Limited Apparatus and method for screening people and articles to detect and/or to decontaminate with respect to certain substances
GB0110298D0 (en) * 2001-04-26 2001-06-20 Plasma Antennas Ltd Apparatus for providing a controllable signal delay along a transmission line
AU2003214627A1 (en) 2002-04-04 2003-10-20 Transscan Medical Ltd. Assuring quality of breast impedance measurements
US7164105B2 (en) 2002-04-05 2007-01-16 Microwave Imaging Systems Technologies, Inc. Non-invasive microwave analysis systems
JP4517679B2 (ja) 2003-03-31 2010-08-04 Ｔｄｋ株式会社 誘電体の複素誘電率の測定装置
JP4729856B2 (ja) 2003-10-31 2011-07-20 Ｔｄｋ株式会社 粉体の誘電体の比誘電率の測定方法
CN100471453C (zh) * 2005-06-14 2009-03-25 佳能株式会社 放射线成像装置、其控制方法和放射线成像系统
US7205782B2 (en) 2005-07-11 2007-04-17 Brigham Young University Scanned impedance imaging system method and apparatus
EP1913546A4 (en) 2005-08-09 2009-12-16 Gil Zwirn HIGH-RESOLUTION MEDICAL HIGH-FREQUENCY IMAGING AND THERAPY SYSTEM
DE202007019566U1 (de) * 2006-06-28 2013-10-31 Medtronic Ardian Luxembourg S.à.r.l. Vorrichtungen und Systeme für eine thermisch-induzierte renale Neuromodulation
JP2010533840A (ja) * 2007-07-13 2010-10-28 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リランド スタンフォード ジュニア ユニヴァーシティ 改善された生物学的アッセイのための電場を用いる方法および器具
US8010187B2 (en) 2008-01-25 2011-08-30 The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology Three-dimensional impedance imaging device
CN102095612B (zh) * 2008-06-27 2013-06-05 同方威视技术股份有限公司 检测毒品、爆炸物等违禁品的门式行人安全检查方法
US8762084B2 (en) 2009-06-30 2014-06-24 The University Of Connecticut Multiple excitation capacitance polling for enhanced electronic capacitance tomography
US8933837B2 (en) 2009-07-02 2015-01-13 Univeristy Of Manitoba Imaging system and method using spatially separated radiated fields
WO2011031625A2 (en) 2009-09-08 2011-03-17 California Institute Of Technology New technique for performing dielectric property measurements at microwave frequencies
US20120226200A1 (en) * 2011-03-02 2012-09-06 Highland Instruments, Inc. Methods of stimulating tissue based upon filtering properties of the tissue
DE102011018505B4 (de) 2011-04-23 2021-06-24 Drägerwerk AG & Co. KGaA Vorrichtung zur Elektroimpedanztomographie
US8872695B2 (en) * 2011-06-14 2014-10-28 Rosemount Tank Radar Ab Guided wave radar level gauge system with dielectric constant compensation through multi-mode propagation
CN102901471B (zh) * 2011-07-26 2015-06-03 中国科学院物理研究所 纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统
EP2790603A4 (en) * 2011-12-13 2015-05-20 Lazure Scient Inc CONTROL AND OUTPUT OF ELECTRICAL FIELDS OVER AN ELECTRODE ARRANGEMENT
US20140283604A1 (en) * 2012-10-26 2014-09-25 The Regents Of The University Of Michigan Three-dimensional microelectromechanical systems structure
US9074922B2 (en) 2012-12-10 2015-07-07 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc Systems and methods for remotely measuring a liquid level using time-domain reflectometry (TDR)
US9110115B2 (en) 2013-08-13 2015-08-18 Tech4Imaging Llc Modular stretchable and flexible capacitance sensors for use with electrical capacitance volume tomography and capacitance sensing applications
US9320451B2 (en) 2014-02-27 2016-04-26 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Methods for assessing health conditions using single coil magnetic induction tomography imaging
EP3164880B1 (en) 2014-07-01 2019-12-04 Atomnaut Inc. Systems and methods for using multimodal imaging to determine structure and atomic composition of specimens
CN106659422A (zh) * 2014-07-17 2017-05-10 埃尔瓦有限公司 为mri和nmr装置提供局域b1磁场的人工结构化单位单元
CN104573240B (zh) * 2015-01-12 2017-09-15 西安电子科技大学 周期性非均匀介质波导特征模分析的七点频域有限差分方法
US20180137961A1 (en) 2015-05-12 2018-05-17 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Magnetic-photoconductive material, magneto-optical data storage device, magneto-optical data storage system, and light-tunable microwave components comprising a photoconductive-ferromagnetic device
US20200124558A1 (en) 2018-04-25 2020-04-23 Spectrohm, Inc. Methods for determining regional impedance characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
US10542906B2 (en) 2018-04-25 2020-01-28 Spectrohm, Inc. Tomographic systems and methods for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
WO2020132099A1 (en) 2018-12-19 2020-06-25 Spectrohm, Inc. Methods for determining regional impedance characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4493039A (en) * 1980-05-06 1985-01-08 President And Directors Of Georgetown University Apparatus and method for image reproduction of materials using their magnetic and electric properties

Also Published As

Publication number Publication date
US20240115152A1 (en) 2024-04-11
WO2019209556A1 (en) 2019-10-31
EP3785023A1 (en) 2021-03-03
US20200121217A1 (en) 2020-04-23
US10542906B2 (en) 2020-01-28
US11925448B2 (en) 2024-03-12
EP3785023A4 (en) 2022-01-12
US20190328267A1 (en) 2019-10-31
CN112020644A (zh) 2020-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240115152A1 (en) Tomographic Systems for Spatial and Temporal Control of an Electromagnetic Field to Image a Specimen Having Regions of Different Dielectric Constants
US20200124558A1 (en) Methods for determining regional impedance characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
Pastorino Microwave imaging
Altuncu et al. On the scattering of electromagnetic waves by bodies buried in a half-space with locally rough interface
US4950897A (en) Thermal wave sub-surface defect imaging and tomography apparatus
Theodoulidis Developments in efficiently modelling eddy current testing of narrow cracks
Gurbuz et al. An efficient nonlinear imaging approach for dielectric objects buried under a rough surface
US20110160554A1 (en) Device and method for determining at least one characterizing parameter of multilayer body tissue
Park Real-time microwave imaging of unknown anomalies via scattering matrix
Doğu et al. Truncated singular value decomposition for through‐the‐wall microwave imaging application
CN113227773A (zh) 用于使用导引电磁场确定不均匀样本的区域阻抗特性的方法
Park Direct sampling method for anomaly imaging from scattering parameter
Reznik et al. Electrodynamics of microwave near-field probing: Application to medical diagnostics
Kang et al. Single-and multi-frequency direct sampling methods in a limited-aperture inverse scattering problem
Zhao et al. The metal thickness detection using pulsed eddy-current computation and detection method
Batool et al. Scattering from a cylindrical obstacle deeply buried beneath a planar non-integer dimensional dielectric slab using Kobayashi potential method
Li et al. A threshold optimization strategy for reducing the noise of co-planar array capacitive imaging
EP3785023B1 (en) Tomographic systems for determining characteristics of inhomogenous specimens using guided electromagnetic fields
Kang et al. A qualitative analysis of bifocusing method for a real-time anomaly detection in microwave imaging
Galka et al. Resonance Near-Field Microwave Probing of Burn Wounds
Funke et al. Conductivity spectroscopy covering 17 decades on the frequency scale
Massa et al. A microwave imaging method for NDE/NDT based on the SMW technique for the electromagnetic field prediction
Gaikovich Methods and Applications of Near-Field Subsurface Diagnostics
Kazemi et al. Microwave near-field imaging of biological samples using a microstrip resonator probe
Gaikovich Methods of near-field subsurface diagnostics: theory, study, comparison

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant