CN113614787A - 用于电磁头部成像的可穿戴天线组件 - Google Patents

用于电磁头部成像的可穿戴天线组件 Download PDF

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Abstract

一种用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件，该天线组件包括：弹性帽，其被戴在受验者的头上，该受验者的脑将被成像；天线的阵列，其在相应的相互间隔开的位置处至少部分地嵌在帽中，使得当帽被受验者戴着时，天线布置在受验者的脑周围；其中帽具有多层结构，该多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的层以改善介电特性与受验者的头部的介电特性的匹配。

Description

用于电磁头部成像的可穿戴天线组件
背景
脑中风是全世界残疾和死亡的主要原因之一。根据澳大利亚中风基金会组织，在2017年，大约55,831个澳大利亚人每九分钟遭受一次威胁生命的中风，且在不采取行动的情况下这个数字到2050年底为止将增加到每四分钟一次中风。诊断和治疗的时间对于快速和完全的恢复是至关重要的。因此，需要一种快速的、便于携带的现场和准确检测工具来拯救成千上万的生命。虽然存在几种现有的成像技术，例如x射线乳房造影术、计算机化和正电子发射断层扫描以及磁共振成像(MRI)，但这些技术在农村医院是难得到的，而且在任何情况下对低收入患者是几乎负担不起的。最重要地，这种系统的大尺寸使护理人员团队为了快速诊断而携带和在现场使用变得几乎不可能。此外，这些技术要么基于电离辐射要么需要使用起来昂贵的庞大静态结构；因此，将这些现有工具用于持续的监控是不切实际的。
先前的研究已经证明了使用低功率电磁(EM)波来检测和诊断人脑内的异常的可行性。该技术作为与上述标准技术相比的补充低成本、快速和非电离方法被引入。EM成像系统由在低微波频带中操作的低功率天线阵列和简单收发器组成。因此，它提供可用作现场诊断工具的低成本可靠系统。
EM图像重建基于人类头部内部的健康和不健康组织的介电特性中的对比。因为EM信号的散射、穿透和吸收取决于这些特性，这些特性中的差异可用于通过重建有用的图像来检测异常。已经提出了用于脑中风和癌症检测和诊断的几种类型的EM头部成像系统。然而，由于需要被解决的几个困难，这些系统不是很容易适用于临床使用。现有系统的主要限制是它们的尺寸和与人类头部的有限兼容性、电磁信号进入头部内的穿透深度、天线与头部组织的不匹配以及空气-皮肤界面反射，这些限制引起对有用的反射信号的干扰，导致不准确和低分辨率的图像。
克服或减轻现有技术的一个或更多个困难或者至少提供有用的备选方案因此是期望的。
概述
发明人已经发现，成像天线阵列在EM头部成像系统的性能(例如图像准确度、检测能力)及其物理特性(例如便携性、柔性、重量)中起关键作用。对于高效的和便于携带的EM头部成像系统，需要轻量级可穿戴平台和宽带低剖面单向和高效的天线阵列。然而，由于在低微波频带中操作时的尺寸限制、相邻天线之间的高相互耦合以及抑制EM波的穿透的人类头部组织的复杂性/高衰减，具有这样的特征的天线阵列的获得是非常有挑战性的。现有技术EM头部成像系统使用在刚性介电印刷电路板(PCB)上或基于陶瓷加载波导制造的常规成像天线。对刚性常规PCB板的依附限制了提高性能和控制这种系统的尺寸、兼容性、柔性和便携性的能力。
根据本发明的一些实施例，提供了一种用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件，该天线组件包括：
弹性帽，其用于戴在受验者的头上，该受验者的脑将被成像；
天线的阵列，其在相应的相互间隔开的位置处至少部分地嵌在帽中，使得当帽被受验者戴着时，天线布置在受验者的脑周围；
其中帽具有多层结构，该多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的层以改善介电特性与受验者的头部的介电特性的匹配。
在一些实施例中，该层的成分提供约20的相对介电常数和在1GHz处的约0.016的损耗角正切(loss tangent)。
在一些实施例中，石墨和氧化铝粉末按重量以约0.2:1.8:10的比分散在PDMS中。
在一些实施例中，天线在两行中布置在受验者的脑周围。
在一些实施例中，帽包括在受验者的头部和每个天线的收发元件之间的PDMS层。
在一些实施例中，天线的接地面相互间隔开以允许帽的柔性和弹性。
在一些实施例中，每个天线的收发元件配置有多个开口和将收发元件短路到相应的接地面的多个引脚，使得天线支持多个谐振，并且它的输出在耦合到受验者的头部时实质上是单向和宽带的。
在一些实施例中，帽包括由第一弹性材料形成并且由比第一弹性材料更具延展性的第二弹性材料连接的两个间隔开的半部分，使得帽由具有更大范围的头部尺寸的受验者可穿戴。
在一些实施例中，每个天线由相应的RF电缆电连接到公共多引脚连接器，该多引脚连接器附着到帽。
在一些实施例中，每个天线包括整体式同轴连接器，该整体式同轴连接器具有直接连接到天线的收发元件的信号引脚和直接连接到天线的接地面的接地部分。
根据本发明的一些实施例，提供了一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，该方法包括以下步骤：
形成用于戴在脑将被成像的受验者的头上的弹性帽，包括在相应的相互间隔开的位置处将天线的阵列至少部分地嵌在帽中，使得当帽被受验者戴着时，天线布置在受验者的脑周围；其中弹性帽具有多层结构，该多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与受验者的头部的介电特性的匹配。
根据本发明的一些实施例，提供了一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，该方法包括以下步骤：
形成第一PDMS层；
形成大致平面的收发元件和相应的大致平面的接地面；
在PDMS层上将收发元件布置在相应的相互间隔开的位置处；
在收发元件和第一PDMS层上形成由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与受验者的头部的介电特性的匹配；
在匹配材料层上将接地面布置在与收发元件的位置对准的相应的相互间隔开的位置处；以及
在接地面和匹配材料层上形成第二PDMS层以封装接地面；
其中因而得到的组件是以将由受验者戴着的弹性帽的形式，该受验者的脑将被成像，收发元件和相应的接地面形成嵌在帽内的相应天线。
在一些实施例中，该方法包括通过将石墨和氧化铝粉末与胶状物形式的PDMS混合并允许它硬化来形成匹配材料。
在一些实施例中，匹配材料的成分是按重量以约0.2:1.8:10的比的石墨:氧化铝粉末:PDMS。
在一些实施例中，该方法包括由相应的RF电缆将天线连接到公共多引脚连接器，并将多引脚连接器附着到帽。
根据本发明的一些实施例，提供了一种确定布置在受验者的头部周围的天线阵列的天线的相对空间位置和定向的方法，该受验者的脑将使用由天线发射并从受验者的脑散射的电磁信号来成像，该方法包括以下步骤：为天线提供相应的基准标记；使用3D成像相机来自动识别基准标记，确定基准标记的空间位置和定向，并处理基准标记的空间位置和定向和表示受验者的头部的外表面的数据以确定天线相对于受验者的头部的定向以及每个天线到受验者的头部的距离。
根据本发明的一些实施例，提供了一种用于布置在受验者的身体部位周围的天线阵列的天线，该身体部位将使用由天线发射并从该身体部位散射的电磁信号来成像，天线包括大致平面的收发元件和与收发元件对准的对应的大致平面的接地面，收发元件配置有多个开口和将收发元件短路到接地面的多个引脚，使得天线支持多个谐振，并且它的输出在耦合到受验者的身体部位时实质上是单向和宽带的。
根据本发明的一些实施例，提供了一种使用磁性材料以除了减小天线尺寸并能够为了更好的图像质量而使用更大数量的天线以外还改善匹配、带宽和在人类头部内部的信号穿透的方法。
在本文还描述了一种用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件，该天线组件包括：
弹性帽，其用于戴在受验者的头上，该受验者的脑将被成像；
天线的阵列，其在相应的相互间隔开的位置处至少部分地嵌在帽中，使得当帽被受验者戴着时，天线布置在受验者的脑周围，
每个天线包括大致平面的收发元件和与收发元件对准的对应的大致平面的接地面，其中具有至少10的相对介电常数的匹配材料布置在收发元件和接地面之间。
本文还描述了一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，该方法包括以下步骤：
形成第一PDMS层；
形成大致平面的收发元件和相应的大致平面的接地面；
在PDMS层上将收发元件布置在相应的相互间隔开的位置处；
在收发元件和第一PDMS层上形成具有至少10的相对介电常数的匹配材料层；
在匹配材料层上将接地面布置在与收发元件的位置对准的相应的相互间隔开的位置处；以及
在接地面和匹配材料层上形成第二PDMS层以封装接地面；
其中因而得到的组件是以将由受验者戴着的弹性帽的形式，该受验者的脑将被成像，收发元件和相应的接地面形成嵌在帽内的相应天线。
为了解决现有技术的困难，发明人基于聚合物复合材料技术发展了用于EM头部成像和脑中风检测的可穿戴宽带和轻质天线组件。这提高了EM成像系统的物理兼容性、便携性和性能。在逐渐引到本发明的工作中，发明人发展了多层定制的柔性聚合物复合基底材料。多层复合基底材料由聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物、微米级石墨、氧化铁(FeO.Fe2O3)、氧化铝(Al2O3)、粉末组成。在所描述的实施例中，每个天线元件被蚀刻并嵌在柔性基底层内部。在有显著减小成像系统的物理尺寸并提高成像系统的性能的能力的情况下，可穿戴天线组件的三个方面被总结如下：
a)成像天线和EM头部成像系统平台的柔性多层聚合物复合基底材料的发展：PDMS被用作天线和平台的一种基底材料。它具有非常适合的机械和电特性，包括高柔性、耐用性、透明度和低介电损耗。此外，PDMS具有高体积电阻率(约2.9×1014Ω-cm)，这帮助防止在基底中的寄生电流的产生，寄生电流将降低天线性能。另一种基底材料是PDMS与微米级氧化铝和石墨粉末的混合物，这些粉末提供良好的介电特性，包括高介电常数、稳定性和合理的损耗。这些添加剂材料拥有与PDMS的优良分散和溶解特性。通过氧化铝和石墨与PDMS的浓度比来调整的被发展结构的电特性已被特征化以得到满足EM头部成像系统的性能要求的介电特性，包括增强天线与人体组织的匹配以及天线的尺寸。此外，所描述的多层结构是高度柔性的并且与人类头部兼容，允许天线组件像游泳帽一样被戴着。
此外，具有良好的磁特性例如低损耗、高稳定性和与许多其它材料的优良分散和溶解特性的磁铁矿氧化铁(FeO.Fe2O3)也可以与PDMS合成，并且Al2O3作为被发展的基底的第二版本。这样的基于磁性的基底由于其磁导率大于1而拥有有希望的RF特性。磁铁矿氧化铁将与PDMS和Al2O3以不同的比率混合在一起以获得有助于天线与人类头部匹配的最佳电磁特性。它将提高在头部内部的电磁波穿透，加宽天线的带宽，并减小它的物理尺寸。
b)成像天线阵列：如上所述，天线是EM成像系统的关键元件，因为系统的检测能力、图像分辨率和准确度主要基于这些天线的性能。系统的紧凑性和便携性取决于成像天线阵列的尺寸和重量。实现高效和紧凑的EM头部系统的每个天线元件的最重要的特性是宽带、单向、高前后比(FTBR)EM性能以及低剖面和紧凑机械特性。需要宽带、单向和高FTBR特征来确保EM波进入人类头部组织内的高穿透深度，这导致高信噪比(SNR)，其增强来自中风或在脑内部的其他异常的有用反射信号。满足上面提到的要求的成像天线的阵列基于被发展的可调谐柔性基底在本文被描述，并且被嵌在具有在头部周围的椭圆形形状的帽状支撑结构内部。
c)便携式和可穿戴EM头部成像系统的硬件架构：所描述的天线组件基于多层柔性支撑结构或“帽”，其可以以与游泳帽相同的方式被戴着。虽然基于PDMS的被发展材料是非常柔性的，但它们的拉伸能力是有限的。为了使帽符合不同的头部形状，帽的两个半部分由柔性基底形成，且然后通过薄的可拉伸和柔性硅树脂膜相互连接。作为低成本结构，帽可以以不同的尺寸形成以适应极其不同的头部尺寸。具有优化性能的天线阵列嵌在帽中以实现在头部内部的有效扫描。天线阵列由充当天线阵列的接地面的导电铜片的阵列屏蔽。这些导电贴片以小间隙间隔开以确保帽的柔性，并确保结构的所有层被固定在一起。
为了成功的图像重建，需要知道在头部周围的每个天线的确切位置以确定传送有用信息的散射信号的对应时间延迟。成像天线的确切位置和几何布置对成像处理算法是迫切需要的。因为天线组件与穿戴者的头部是共形的，组件和天线的面向内部的结构以不同的角度向内指向头部。这在阵列中的天线元件当中产生不相等的距离和不对称的角度，并且直接确定每个天线的确切位置是困难的。对于不同的人类头部，阵列的天线将具有不同的位置。为了克服这些挑战，3D深度相机技术可以用于确定每个天线的确切位置，特别是每个成像天线的激励端口。然后，这个信息作为先验信息被包括在图像处理算法中。
在使用中时，成像天线通过RF同轴电缆连接到大动态范围VNA(或微波收发器)。对VNA和RF电缆的校准被执行以消除可能影响结果的准确性的噪声。然后，VNA经由成像天线来产生并发射和接收信号。来自中风或其他异常的反射信号由VNA收集，并同时被发送到计算机用于使用适当的处理算法(例如基于雷达或断层摄影技术)进行信号处理和图像重建。整个系统是成本低的、便于携带的和轻重量的。
附图说明
仅作为例子参考附图在下文描述本发明的一些实施例，其中：
图1包括根据本发明的实施例的天线组件的天线部件的示意性横截面侧视图、天线部件的天线结构(左手侧)和替代实施例的替代天线结构(右手侧)的平面图以及示出天线部件的层的布置的分解图；
图2包括由受验者戴着的天线组件的横截面侧视图以及天线组件的平面图，该受验者的脑将被成像；
图3是根据本发明的实施例的用于脑断层摄影的系统(包括可穿戴天线组件)的示意图；
图4是用于确定天线相对于受验者的头部的空间位置和定向的过程的流程图；
图5是复合基底的制造过程的示意图；
图6是复合基底的介电特性(介电常数和损耗角正切)的测量值的曲线图；以及
图7是单个天线元件的模拟和测量反射系数(S11)的曲线图。
详细描述
如图3所示，用于检测脑损伤的电磁医学成像系统包括天线组件102、矢量网络分析器(VNA)204和分析部件206。天线组件102是可穿戴的，并且在图1中被示为戴在人类受验者的头上，受验者的脑将被成像。天线组件102包括布置在受验者的头部周围的天线的阵列，使得阵列的每个天线可以选择性地被供给能量以将电磁波或微波频率的信号辐射到受验者的脑中以被散射，并且对应的散射信号由阵列的所有天线(包括发射对应信号的天线)检测。为了参考的方便，顺序地使阵列的每个天线发射对应的微波信号并使用天线来接收对应的散射信号的总体过程在本文被称为“扫描”。
如本领域中的技术人员所知的，矢量网络分析器(VNA)110如上所述在0.5至2GHz的频带上供给天线能量，并记录来自天线的对应信号作为数据(在本文被称为“散射”数据)，该数据以在本领域中被称为“散射参数”或“S参数”的形式表示散射微波的振幅和相位。VNA 110将该数据发送到分析部件206用于处理，以生成受验者头部的内部特征(例如脑血凝块、出血部位和其他特征)的图像，并将这些特征分类(例如，分为脑血凝块或出血部位)。
根据本发明的所述实施例，天线组件包括嵌在柔性和弹性复合材料中的天线阵列，使得该组件可以在人类受验者的头上伸展并像游泳帽一样被戴着。天线阵列是紧凑、重量轻、便于携带的宽带天线阵列，这使它变得适合于便携式电磁医学成像系统。
A.天线组件
天线阵列是提高系统的物理兼容性、便携性和性能的如图3所示的可穿戴、宽带、紧凑和重量轻的天线组件的一部分。天线组件(图3)是以柔性的和弹性地可变形的且有弹性的可穿戴帽(类似于游泳帽)的一般形式，其中天线阵列被嵌入，允许天线阵列与受验者的头部对准并被固定成极接近受验者的头部。该帽由复合材料组成，复合材料是被选择来将复合材料的相对介电常数从2.9的纯PDMS值增加到大于10的值的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、微米级石墨(G)和氧化铝(Al2O3)粉末的混合物，因而改善与人类头部的介电特性的匹配，人类头部一般具有大约45的相对介电常数。另一方面，磁铁矿氧化铁(FeO.Fe2O3)也可以与PDMS和Al2O3混合以形成基于磁性的复合基底。基于磁性的基底被发展以增强头部上的天线匹配、带宽、穿透，并减小天线的物理尺寸。
为了参考的方便，第一复合材料在本文中被称为“PDMS-G-Al2O3”，并且基于磁性的基底材料是PDMS-FeO.Fe2O3-Al2O3。第一被发展的基底如下被制造。首先，PDMS聚合物弹性体由两个组分组成：基础树脂和固化剂。基础树脂与固化剂以10:1的重量比混合。然后将石墨和氧化铝的微粒以不同的比率分散在PDMS弹性体中，如下所述。使用磁搅拌器来搅拌混合溶液以确保因而得到的结构是均质的。然后通过将混合物放置在55℃的烘箱干燥器中来在帽模具中将混合物固化3-4小时。使用3D打印机制造具有人类头部的解剖形状的帽模具。然后使用介电探针套件和矢量网络分析器110来表征和评估复合PDMS-G-Al2O3混合物的介电特性。基于结果，混合成分的最佳比例可以被确定并用于天线优化。
特别地，纯PDMS的相对介电常数为2.9，损耗角正切在1GHz处为0.013。通过分别以10:0.2:1.8的重量比混合PDMS、微米级石墨和氧化铝(PDMS-G-Al2O3)，相对介电常数增加到20，损耗角正切在1GHz处为0.016。因为人类头部的平均介电常数约为45，这显著改善天线与人类头部的匹配，同时限制天线元件的介电损耗。PDMS-G-Al2O3材料是非常柔韧的；例如，对于高达至少10mm的薄片厚度，180°的完全弯曲(U形弯曲)是可能的。
基于磁性的基底由重量比分别是10:2:2的PDMS、微米级氧化铁和氧化铝的组合物形成。该基底的制造过程如上面针对第一基底所描述的，除了石墨由氧化铁代替以外。
B.天线阵列
如图1和2所示，天线阵列的每个天线包括充当天线接地面103的导电铜片、导电多槽辐射元件106和将接地面103连接到辐射元件106的相应位置的导电引脚107。在所描述的实施例中，辐射元件106包括四个导电短路引脚107，如在图1的左手列中心行中所示的。然而，在其他实施例中情况不需要是这样；例如，图1的右手列中心行示出了替代实施例，其中辐射元件106包括六个短路引脚107。
如在图1的顶部分中所示的，每个天线还包括对应的同轴连接器104，该同轴连接器104包括围绕连接到辐射元件的对应位置的内引脚104B的中空圆柱形特氟隆(Teflon)绝缘套管104A以及连接到接地面103的外壳104C。导电接地面103和辐射元件106附着到柔性复合PDMS-G-Al2O3层102的相对表面，该层102充当天线基底。复合基底材料的高介电常数允许天线元件的显著小型化。每个天线被配置作为修改的多槽平面磁电(ME)偶极子天线。电偶极子由双面多槽辐射贴片106产生，而磁偶极子由平行和侧面短接引脚107引入。磁偶极子和电偶极子共同形成平面ME极子。由于由在贴片中的多槽108引起的电长度的增加以及由每个辐射元件的短路引脚107产生多个谐振，这样的配置允许进一步的小型化和宽带性能。在图7中示出了单个元件(具有四个短路引脚)108的模拟和测量反射系数(S11)。
两个纯PDMS层101、105附着到接地面103和辐射元件106的被暴露面，使得每个天线包括由外PDMS层105、接地面103、作为要么是PDMS-G-Al2O3要么PDMS-Fe2O3-Al2O3层102的复合基于PDMS的材料、辐射元件106和内PDMS层101组成的一叠层。由于它的低介电常数(其可以减少在受验者的头部内的信号穿透)，设置在辐射元件106和受验者的头部之间的内PMDS基底层101是相对薄的，在所述实施例中为1mm。相反，在接地面103上方的外PDMS层105的厚度在系统性能方面来说并不重要，且被选择为1mm以仅仅减小可穿戴天线组件的重量。辐射元件106和接地面103嵌在PDMS层101、105之间，保护天线阵列免受灰尘、腐蚀、水和铁锈，并允许天线组件在具有挑战性的环境中是稳健的。
在所描述的实施例中，每个天线元件的横向尺寸为2.5cm×2.8cm，厚度为0.025mm。如图2所示，天线作为两个大致同心的椭圆环204、205被布置在受验者的头部周围。下外环204包括16个天线，而上内环205包括8个天线。接地面103充当系统的电磁屏蔽。为了保持可穿戴天线组件的柔性，不使用全实心导电接地面。替代地，采用以小间隙被间隔开的有限铜片。这个配置确保重量轻、结构紧凑的组件，并且实际上只有微不足道的电磁功率通过接地面薄片103之间的间隙而泄漏。
可穿戴天线组件被配置作为将由受验者戴着的可拉伸且有弹性的帽。尽管PDMS和PDMS-G-Al2O3材料是非常柔韧的，它们仍然具有用于拉伸的有限能力。因此，为了允许帽适合不同的头部尺寸和形状，在一些实施例中帽被形成为两个半部分203A和203B，这两个半部分203A和203B然后通过薄的和高度可拉伸和柔性的膜201互连，如图2所示。外PDMS层105、接地面103、复合PDMS-G-Al2O3层102、辐射元件106、内PDMS层101和帽互连膜201的厚度分别为1mm、0.012mm、3.5mm、0.012mm、1mm和3.5mm。对于极端的头部尺寸，不同尺寸的帽可以以低成本被生产。
C.制造过程
参考图5，完整的3D多层可穿戴组件的制造过程被总结如下。首先，产生1mm的内PDMS层101。一旦该层硬化，天线元件106就在第二步骤中形成(通过冲压和蚀刻0.012mm的铜片)，并根据图2所示的一般布置在相应位置处附着到内PDMS层101的一侧。然后，厚度为3.5mm的复合PDMS-G-Al2O3层102在辐射元件106上被产生并硬化，并附着到内PDMS层101。在下一步骤中，0.012mm厚的铜片被切割以形成天线的接地面103，并在相应位置处附着到复合PDMS-G-Al2O3层102，使得它们与相应的天线元件106对准。最后，1mm的PDMS层被附着以形成覆盖接地面103的外PDMS层105。最后，所有层粘合在一起以形成一个复合结构，因为当PDMS是以胶状物形式时，它是高度有粘性的。在图6中示出具有不同浓度的几个PDMS-G-Al2O3样品的介电特性。
在具有可调整厚度的3D帽模具上形成并组装层。在所描述的实施例中，使用3D打印机技术来制造模具。3D模具用于形成人类头部的解剖形状，并确保在可穿戴帽和受验者的头部的皮肤之间没有明显的空气间隙。
每个天线元件与对应的RF连接器104相关联。在所描述的实施例中，RF连接器104是用于激励天线的50Ω同轴连接器，并且连接到沿着外PDMS层105布线的短长度的高质量RF电缆302，如图3所示，连接到位于帽的顶部上的公共多引脚端子301。在其他实施例中，电缆可以由形成柔性基底的一部分的低损耗传输线代替。这些线可以与柔性基底上的开关矩阵集成在一起，且因此只需要一条RF电缆和一条控制线来将天线组件连接到外部收发器和处理单元。
C.天线阵列位置和3D深度相机
为了成功的图像重建，需要知道布置在受验者的头部周围的天线的相对位置以确定散射微波信号的对应时间延迟。当帽由受验者戴着时，天线阵列通常变得与受验者的头部共形，但是天线相对于受验者的头部仍然可以具有不同的定向和距离。鉴于此，3D相机和图像处理可以用于确定每个天线(特别是每个成像天线的激励端口)的空间位置和定向。
用于定位天线位置的过程在如图4所示的步骤402通过对放置在头部表面上的天线阵列执行标注和扫描来开始。扫描是为了获取天线阵列的3D结构，同时不同的标签(每个标签是以Aruco标记的形式——由宽黑色边界组成的正方形标记和以由内部二进制矩阵表示的小正方形白色形状的标识符)被附着；接下来，天线端口302用作用于检测天线位置的锚点。被扫描的图像包含阵列的空间分布的信息以及每个天线的被编码的标记。为了确保天线位置在与成像系统相同的坐标系中被表示，被扫描的结构在步骤404与标准化坐标系对准。
在步骤406，使用来自扫描过程的信息(即被对准的结构和标记)来确定天线位置。在一个实施例中，使用点击和收集方法406A。包含标记的被对准的结构被导入并被视觉地表示。天线的位置通过点击对应的标记来手动地被确定，而它的位置(天线位置)通过使用所开发的代码来相应地被记录和计算。在替代实施例中，使用标记检测算法406B。该系统通过利用开源计算机视觉库(Opencv)来自动识别每个天线的位置。该过程包括两个主要步骤：检测标记候选物和将标记候选物分类。在第一步骤中，分析被扫描的图像以找到正方形形状(以黑色和白色)，该正方形形状为标记的候选物。在下一步骤中，标记候选物被分类以通过分析它们的内部编码来确认它们是否是真实的标记，内部编码由包含每个标记的唯一二进制矩阵的白色正方形形状表示。这涉及提取和分析每个标记的标记位，其中标记的图像被阈值化和划分以确定和分离黑色和白色位。然后分析这些位以确认标记是否是已知的(例如，它是否属于系统的标记库)。此外，该步骤还基于每个标记的唯一代码来确认哪个标记代表哪个天线。当标记被确认时，它们的空间位置被存储并用于确定天线的位置(通过考虑每个标记位置与它的对应天线的位置之间的已知偏移)。
在步骤410，系统使用检测到的天线位置和受验者的头部的3D头部表面408来计算每个天线到头部表面之间的相对距离。此外，通过使用天线位置和受验者的头部表面，还可以确定每个天线朝向头部表面的定向。
许多修改对本领域中的技术人员将是明显的而不偏离本发明的范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件，所述天线组件包括：
弹性帽，其用于戴在受验者的头上，所述受验者的脑将被成像；
天线的阵列，其在相应的相互间隔开的位置处至少部分地嵌在所述帽中，使得当所述帽被所述受验者戴着时，所述天线布置在所述受验者的脑周围；
其中所述帽具有多层结构，所述多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其中所述层的成分提供约20的相对介电常数和在1GHz处的约0.016的损耗角正切。
3.根据权利要求1或2所述的天线组件，其中所述石墨和氧化铝粉末按重量以约0.2:1.8:10的比分散在所述PDMS中。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的天线组件，其中所述天线在两行中布置在所述受验者的脑周围。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的天线组件，其中所述帽包括在所述受验者的头部和每个天线的收发元件之间的PDMS层。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的天线组件，其中所述天线的接地面相互间隔开以允许所述帽的柔性和弹性。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的天线组件，其中每个天线的收发元件配置有多个开口和将所述收发元件短路到对应的接地面的多个引脚，使得所述天线支持多个谐振，并且在所述天线耦合到所述受验者的头部时所述天线的输出实质上是单向和宽带的。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的天线组件，其中所述帽包括由第一弹性材料形成并且由比所述第一弹性材料更具延展性的第二弹性材料连接的两个间隔开的半部分，使得所述帽由具有更大范围的头部尺寸的受验者可穿戴。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的天线组件，其中每个天线由相应的RF电缆电连接到公共多引脚连接器，所述多引脚连接器附着到所述帽。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的天线组件，其中每个天线包括整体式同轴连接器，所述整体式同轴连接器具有直接连接到所述天线的收发元件的信号引脚和直接连接到所述天线的接地面的接地部分。
11.一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成用于戴在脑将被成像的受验者的头部上的弹性帽，包括在相应的相互间隔开的位置处将天线的阵列至少部分地嵌在所述帽中，使得当所述帽被所述受验者戴着时，所述天线布置在所述受验者的脑周围；其中所述弹性帽具有多层结构，所述多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配。
12.一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成第一PDMS层；
形成大致平面的收发元件和相应的大致平面的接地面；
在所述PDMS层上将所述收发元件布置在相应的相互间隔开的位置处；
在所述收发元件和所述第一PDMS层上形成由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配；
在所述匹配材料层上将所述接地面布置在与所述收发元件的位置对准的相应的相互间隔开的位置处；以及
在所述接地面和所述匹配材料层上形成第二PDMS层以封装所述接地面；
其中因而得到的组件是将由脑将被成像的受验者戴着的弹性帽的形式，所述收发元件和相应的接地面形成嵌在所述帽内的相应天线。
13.根据权利要求12所述的方法，包括通过将石墨和氧化铝粉末与胶状物形式的PDMS混合并允许它硬化来形成所述匹配材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述匹配材料的成分是按重量以约0.2:1.8:10的比的石墨:氧化铝粉末:PDMS。
15.根据权利要求12到14中的任一项所述的方法，包括由相应的RF电缆将所述天线连接到公共多引脚连接器，并将所述多引脚连接器附着到所述帽。
16.一种确定布置在受验者的头部周围的天线阵列的天线的相对空间位置和定向的方法，所述受验者的脑将使用由所述天线发射并从所述受验者的所述脑散射的电磁信号来成像，所述方法包括以下步骤：为所述天线提供相应的基准标记；使用3D成像相机来自动识别所述基准标记，确定所述基准标记的空间位置和定向，并处理所述基准标记的空间位置和定向和表示所述受验者的头部的外表面的数据以确定天线相对于所述受验者的头部的定向以及每个天线到所述受验者的头部的距离。
17.一种用于布置在受验者的身体部位周围的天线阵列的天线，所述身体部位将使用由所述天线发射并从所述身体部位散射的电磁信号被成像，所述天线包括大致平面的收发元件和与所述收发元件对准的对应的大致平面的接地面，所述收发元件配置有多个开口和将所述收发元件短路到所述接地面的多个引脚，使得所述天线支持多个谐振，并且在所述天线耦合到所述受验者的身体部位时所述天线的输出实质上是单向和宽带的。

Claims (18)

1.一种用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件，所述天线组件包括：
弹性帽，其用于戴在受验者的头上，所述受验者的脑将被成像；
天线的阵列，其在相应的相互间隔开的位置处至少部分地嵌在所述帽中，使得当所述帽被所述受验者戴着时，所述天线布置在所述受验者的脑周围；
其中所述帽具有多层结构，所述多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其中所述层的成分提供约20的相对介电常数和在1GHz处的约0.016的损耗角正切。
3.根据权利要求1或2所述的天线组件，其中所述石墨和氧化铝粉末按重量以约0.2:1.8:10的比分散在所述PDMS中。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的天线组件，其中所述天线在两行中布置在所述受验者的脑周围。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的天线组件，其中所述帽包括在所述受验者的头部和每个天线的收发元件之间的PDMS层。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的天线组件，其中所述天线的接地面相互间隔开以允许所述帽的柔性和弹性。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的天线组件，其中每个天线的收发元件配置有多个开口和将所述收发元件短路到对应的接地面的多个引脚，使得所述天线支持多个谐振，并且在所述天线耦合到所述受验者的头部时所述天线的输出实质上是单向和宽带的。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的天线组件，其中所述帽包括由第一弹性材料形成并且由比所述第一弹性材料更具延展性的第二弹性材料连接的两个间隔开的半部分，使得所述帽由具有更大范围的头部尺寸的受验者可穿戴。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的天线组件，其中每个天线由相应的RF电缆电连接到公共多引脚连接器，所述多引脚连接器附着到所述帽。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的天线组件，其中每个天线包括整体式同轴连接器，所述整体式同轴连接器具有直接连接到所述天线的收发元件的信号引脚和直接连接到所述天线的接地面的接地部分。
11.一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成用于戴在脑将被成像的受验者的头部上的弹性帽，包括在相应的相互间隔开的位置处将天线的阵列至少部分地嵌在所述帽中，使得当所述帽被所述受验者戴着时，所述天线布置在所述受验者的脑周围；其中所述弹性帽具有多层结构，所述多层结构包括由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配。
12.一种形成用于受验者的断层脑成像的可穿戴天线组件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成第一PDMS层；
形成大致平面的收发元件和相应的大致平面的接地面；
在所述PDMS层上将所述收发元件布置在相应的相互间隔开的位置处；
在所述收发元件和所述第一PDMS层上形成由分散在PDMS中的石墨和氧化铝粉末组成的匹配材料层以改善介电特性与所述受验者的头部的介电特性的匹配；
在所述匹配材料层上将所述接地面布置在与所述收发元件的位置对准的相应的相互间隔开的位置处；以及
在所述接地面和所述匹配材料层上形成第二PDMS层以封装所述接地面；
其中因而得到的组件是将由脑将被成像的受验者戴着的弹性帽的形式，所述收发元件和相应的接地面形成嵌在所述帽内的相应天线。
13.根据权利要求12所述的方法，包括通过将石墨和氧化铝粉末与胶状物形式的PDMS混合并允许它硬化来形成所述匹配材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述匹配材料的成分是按重量以约0.2:1.8:10的比的石墨:氧化铝粉末:PDMS。
15.根据权利要求12到14中的任一项所述的方法，包括由相应的RF电缆将所述天线连接到公共多引脚连接器，并将所述多引脚连接器附着到所述帽。
16.一种确定布置在受验者的头部周围的天线阵列的天线的相对空间位置和定向的方法，所述受验者的脑将使用由所述天线发射并从所述受验者的所述脑散射的电磁信号来成像，所述方法包括以下步骤：为所述天线提供相应的基准标记；使用3D成像相机来自动识别所述基准标记，确定所述基准标记的空间位置和定向，并处理所述基准标记的空间位置和定向和表示所述受验者的头部的外表面的数据以确定天线相对于所述受验者的头部的定向以及每个天线到所述受验者的头部的距离。
17.一种用于布置在受验者的身体部位周围的天线阵列的天线，所述身体部位将使用由所述天线发射并从所述身体部位散射的电磁信号被成像，所述天线包括大致平面的收发元件和与所述收发元件对准的对应的大致平面的接地面，所述收发元件配置有多个开口和将所述收发元件短路到所述接地面的多个引脚，使得所述天线支持多个谐振，并且在所述天线耦合到所述受验者的身体部位时所述天线的输出实质上是单向和宽带的。
18.使用磁性材料以除了减小天线尺寸并能够为了更好的图像质量而使用更大数量的天线以外还改善匹配、带宽和在人类头部内部的信号穿透的方法。
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