CN113660898B - 微带波导结构、介电光谱系统和介电光谱传感器 - Google Patents

微带波导结构、介电光谱系统和介电光谱传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微带波导结构、介电光谱系统和介电光谱传感器。设备包括具有多部分介电复合材料的传感器。微带透射线形成在介电复合材料上，并且该微带透射线包括输入节段、辐射体部分以及输出节段。将与辐射体部分相邻的介电材料选择成大致匹配正被感测的活的有机体的某些部分的介电材料，从而允许对有机体的其它组分进行感测。这允许辐射体部分有效地进行响应，就好像其嵌入了有机体内部一样，从而去除了测量过程中的大量不确定性。然后，通过向传感器施加多个信号，可以对该信号的反射分量和透射分量进行测量，并且被用于确定有机体中存在的某些组分的量。

Description

微带波导结构、介电光谱系统和介电光谱传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月4日提交的美国临时专利申请No.62/788,197的优先权，其全部内容通过引用并入。
技术领域
本发明总体上涉及使用电信号来对活的有机体(organism)的生物学特性进行测量的传感器和相关设备，更特别地，涉及使用介电光谱技术来消除在传感器和活的有机体的接触面(interface)处的介电可变性。
背景技术
被不同地称为扫频介电常数、电阻光谱、阻抗光谱或电阻脉冲光谱的、使用1Hz到数十GHz量级的电磁场来表征生物样本在该宽频率范围内的介电常数响应更常被称为介电光谱。参见H.Fricke,Philos.Mag.14,310(1932)、K.S.Cole and R.H.Cole,J.Chem.Phys.9,341(1941)、K.Asami,E.Gheorghiu,and T.Yonezawa,Biophys.J.76,3345(1999)、C.Prodan and E.Prodan,J.Phys.D 32,335(1999)以及G.Smith,A.P.Duffy,J.Shen,and C.J.Olliff,J.Pharm.Sci.84,1029(1995)。被用于描述此类技术的不同术语部分地反映了电特性可能具有等同表示的事实。例如，将阻抗表示为复数等同于将电导表示为复数，并且也等同于将介电常数表示为复数。在这个意义上，“等同”表示经由简单的数学变换，可以从任何其它表示中完全获得上述任何表示。其它这样的等同表示也是可能的，并且被包括在本公开的范围内。介电光谱搜索由D.C.到RF的频率范围内的阻抗或电容数据以及GHz范围内的微波传播组成的介电常数指纹。参见H.E.Ayliffe,A.B.Frazier,andR.D.Rabbitt,IEEE J.Microelectromech.Syst.8,50(1999)以及J.Hefti,A.Pan,andA.Kumar,Appl.Phys.Lett.75,1802(1999)。理想情况下，溶液中的不同成分(component)在不同频率范围内将具有不同的色散模式。例如，理想情况下，溶液中的离子显示出处于1Hz到>1GHz的频率范围内的特定色散特性(被称为α(alpha)色散)。溶液中的宏观物种(诸如细胞或细胞器)表现出它们自己的、通常处于1kHz到1MHz范围内的特定色散模式(被称为β(beta)色散)。最后，在从1MHz延伸到数百GHz的频率范围内，溶液中的溶剂表现出这里所谓的γ(gamma)色散。参见J.Gimsa and D.Wachner,Biophys.J.75,1107(1998)和V.Raicu,Phys.Rev.E 60,4677(1999)。事实上，整个活的生物有机体的响应并没有那么明显的区分，并且在整个关注频率范围内，不同成分的色散特性存在相当大的频率重叠。参见H.P.Schwan and S.Takashima,Encyclopedia of Applied Physics(VCH,New York,1993)、Vol.5,pp.177-200,P.Debye,Polar Molecules(Dover,New York,1929)、G.DeGasperis,X.Wang,J.Yang,F.F.Becker,and P.R.C.Gascoyne,Meas.Sci.Technol.9,518(1998)、A.K.Jonscher,Nature(London)267,673(1977)。由于生物样本的化学多样性，因此，获得广泛的频率范围对于这些生物样本很重要。参见B.Onaral,H.H.Sun,andH.P.Schwan,IEEE Trans.Biomed.Eng.31,827(1984)和P.A.Cirkel,J.P.M.van derPloeg,and G.J.M.Koper,Physica A 235,269(1997)。R N Clarke(Ed.),“A Guide to theCharacterisation of DielectricMaterials at RF and Microwave Frequencies,”Published by The Institute of Measurement&Control(UK)&NPL,2003。J.Baker-Jarvis,M.D.Janezic,R.F.Riddle,R.T.Johnk,P.Kabos,C.Holloway,R.G.Geyer,C.A.Grosvenor,“Measuring the Permittivity and Permeability of LossyMaterials:Solids,Liquids,Metals,Building Materials,and Negative-IndexMaterials,”NIST Technical Note,2005。“Test methods for complex permittivity(Dielectric Constant)of solid electrical insulating materials at microwavefrequencies and temperatures to 1650°,”ASTMStandard D2520,American Societyfor Testing and Materials.Janezic M.and Baker-Jarvis J.,“Full-wave Analysisof a Split-Cylinder Resonator for Nondestructive Permittivity Measurements,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques vol.47,no.10,Oct 1999,pg.2014-2020。J.Krupka,A.P.Gregory,O.C.Rochard,R.N.Clarke,B.Riddle,J.Baker-Jarvis,“Uncertainty of Complex Permittivity Measurement by Split-PostDielectric Resonator Techniques,”Journal of the European Ceramic SocietyNo.10,2001,pg.2673-2676。“Basics of Measuring the Dielectric Properties ofMaterials”.Agilent application note.5989-2589EN,2005年4月28日。因此，在介电光谱领域已经有了广泛的研究和知识。
活的生物有机体的介电光谱揭示了从细胞水平到分析物分子水平的丰富多样的动态过程。实现对这些过程和组合物(composition)的更好表征与理解不仅受到学术上的关注，而且与医学应用高度相关，举例来说，如确定人体的特定体内平衡过程以及农业上的应用。例如，这些过程可以被用于检测植物病害，植物病害可以极大地影响粮食和农业物料的总产量，并且在质量、数量以及经济意义上可能会导致大量的损失。此外，这些过程可以指示各种组合物的化学存在和水平，这些组合物按照惯例是使用侵入性手段(例如，抽血)并且分析取自有机体或人的样本来进行测量的。
生物细胞的介电特性可以提供有关给定细胞群的细胞和分子状态的信息。这些特性的主要特征是β色散，一种在无线电频谱的中高频(HF)至甚高频(VHF)范围内观察到的介电弛豫现象。许多生物受试者中的β色散机制是由于磷脂膜外接触面与内接触面处的Maxwell-Wagner极化(接触面极化)，并且是由生物细胞膜阻碍电流的能力而造成的。由于细胞器、细胞群的异质性以及其它现象的存在，可能会观察到对许多生物受试者中的β色散的额外贡献。
用于对生物有机体、微生物、细胞或生物分子在它们的正常生物环境之外进行分析的许多现有技术是在体外(“在玻璃内”)，即，在使用试管、培养皿等的实验室环境中进行的。这些技术不希望地改变了正被测量的有机体的特征，使得该有机体以不希望的方式发生改变，从而歪曲测试结果。它们还需要从有机体中去除生物材料。
用于体外估计生物细胞的介电特性的介电光谱技术例如在美国专利No.4,810,650、No.4,965,206、No.6,496,020、No.6,596,507以及No.7,930,110中进行了讨论。在估计生物特性数据的已知技术中，通过将信号施加至跨多个频率的细胞溶液来接收电特性数据。
然而，这些技术仅限于体外或玻璃测量。研究发现，体外与体内测量结果之间可能存在很大差异。在β驰豫与γ弛豫之间，观察到显著的色散，然而，这可以通过这些弛豫过程的叠加来加以解释，而不是由于在生物物质中经常发现的额外的δ(delta)弛豫。
可以被用于执行介电光谱的合适的测量装置对于本领域的普通技术人员是容易辨别的。例如，有三种主要形式的设备被用于进行介电光谱测量，这些设备是同轴探头、自由空间方法以及透射线(transmission line)方法。在一些示例中，测量装置包括：信号发生器、接收器以及信号分析器，该信号分析器联接至用于测量样本的电磁特性的设备。由此产生的电容或介电频谱将会受到细胞属性(诸如形态、膜电荷、细胞器、健康状态和/或细胞内代谢物的积累或存在)的影响，因而，由此产生的电容可以实时生成有关这些属性的信息。
介电光谱共振技术在高度准确的同时还要求将受试者完全放置到电共振室中，这对于活的有机体来说是完全不切实际的，因而在此不加以考虑。目前，在介电光谱领域，上述针对生物组织的精确介电光谱的方法通常不适用于整个活的生物有机体或者会极大地扰乱有机体。这些方法不希望地改变了正被测量的有机体的特征，使得该有机体以不希望的方式发生改变，从而歪曲测试结果。
开放式同轴探头是透射线的截断部分。通常通过将探头浸入液体中或者将探头接触到固体(或粉末)材料的平坦面来测量材料。探头末端的场“以边缘(fringe)”进入材料并且随着它们与测试下的材料相接触而发生改变。可以测量采用S参数(S11)形式的反射信号，并且根据频率与材料的相对介电常数相关。开放式同轴探头方法是宽频带的和非破坏性的。然而，对于生物体内测量，该方法要求受试者：a)厚度半无限的，b)各向同性和均质的，c)平坦的表面，以及d)没有气隙。开放式同轴探头方法通常与矢量网络分析器(VNA)结合使用，以记录频率相关的复反射系数。然后，使用标准反演技术从探头孔径处的反射系数计算样本的随频率的介电常数。
开放式同轴探头必须进行仔细校准，以使反射系数测量结果参考探头孔径平面。这通常是按以下两种方式之一来完成的：1)在探头的开口端使用参考液体进行直接校准，或者2)与将参考平面转换成孔径的探头模型相组合地，在连接器平面使用机械或电子校准标准。这些要求使得使用开放式同轴探头在用于测量体内过程方面非常不切实际。
自由空间方法使用天线将无线电能量聚焦于材料样本处或者穿过材料样本，而无需测试夹具。这种方法是非接触式的，并且可以被应用于要在高温和恶劣环境下进行测试的材料。与开放式同轴探头方法一样，自由空间方法是宽频带的和非破坏性的。然而，对于生物体内测量，该方法并不实用，因为它需要大的、平坦的、平行面样本，这在生物受试者中受限于针对微波区的高频的实际样本尺寸。
透射线方法涉及将材料放置在封闭透射线的一部分内部。该线通常是矩形波导或同轴电缆(coaxial airline)的一部分。介电常数er *和磁导率(magnetic permeability)μr *均是根据反射信号S参数(S11)和透射信号(S21)的测量结果计算得出的。与开放式同轴探针方法和自由空间方法一样，透射线方法是宽频带的。与开放式同轴探头方法和自由空间方法不同，透射线方法是破坏性的，这是因为生物材料必须填充透射线传感器的夹具横截面，在夹具壁处没有气隙。然而，可以在透射线波导中测量各向异性材料。
用于体内估计生物受试者的介电特性的介电光谱技术例如在美国专利No.9,247,905、No.7,315,767、No.7,184,810、No.8,200,307、No.7,693,561中进行了讨论。其中描述的所有解决方案都是同轴探针方法的变体，并且作为实际问题，即使未申明，所有这些都要求生物受试者是各向同性和均质的。这些条件几乎从未出现于生物体内受试者，因此，上述用于估计生物受试者的介电特性的技术涉及尝试校正这些变化的一种或更多种机制。
例如，当尝试通过皮肤进入体内以执行介电光谱分析时，这第一个缺陷在体内受试者中会被放大，因为这些受试者根据定义是各向异性的。第二个缺陷在上述所有常规方法中出现于开放式同轴探针或探针状结构与皮肤表面之间的接触面处。迄今为止，尽管付出了巨大的努力，但是没有普遍可接受的人体皮肤电模型。校正由皮肤-探针接触面引起的测量缺陷的各种方法包括：血量检测器和估计器、汗液检测器、温度传感器、皮肤含水量传感器和估计器、皮肤电容估计器以及气隙传感器和估计器。这些传感器提供的信息通常可以指示可以加以考虑的皮肤的电响应变化，但鉴于有多个变量，计算准确的响应变得非常复杂。第三个缺陷出现于上述许多解决方案中是由于以下事实：用于检测生物过程异常、表征标称或稳态生物过程、以及识别新的生物过程以通过随时间观察生物有机体而不是具有很高分析精度的特设(ad hoc)样本来估计该生物有机体的最可能状态的实际持久数据收集策略因体内受试者的舒适度而不可能。
因此，需要克服上述现有技术的问题。
发明内容
本发明设备消除了这种缺陷，从而可使实现强调收集系统持续的能力的持久数据收集策略、按需收集数据、密切符合其所附着的活的生物有机体的自然未改变形状，从而最大限度地减少对正常生活的干扰。
因此，本发明的目的是，通过提供一种能够生成、检测以及识别观察到的电磁信号的设备和方法来克服现有技术的缺点，这提供了有益的持久数据收集策略，以检测生物过程异常、确定标称生物过程、表征标称生物过程、识别促进抢先活动的制定和执行的生物过程以制止或阻止预期的不利行动、以及提供近实时或实时的补救评估和再处理。
本发明公开的实施方式提供了一种能够通过观察到的电磁信号响应来生成、检测以及识别体内生物过程的设备和方法。
本发明公开的实施方式致力于具有各向异性电学和/或机械特性的体内生物有机体的介电光谱测量，其中本发明设备创建波导(即，波导部件)的虚拟图像，该波导在电学上被认为处于生物有机体内部，而实际的物理波导是在生物有机体外部的。
对于介电光谱，虽然已知将最大的电磁信号耦合到样品(specimen)中以在阻抗匹配时产生最大可能的E场，但是阻抗匹配更为重要，因而可以检测和测量由于受试者体内不同分析物之间的极化差异而造成的最小E场扰动。
术语“阻抗匹配”是指使第一信号介质(该第一信号介质可以是电的、机械的、声学的、光学的或介电的)的阻抗成为一体，看起来像是传播信号的另一种介质。经常地，有必要将负载阻抗与驱动源的源阻抗或内部阻抗相匹配。最大功率传输定理讲到，要将最大量的功率从电源传输到负载，负载阻抗应当与源阻抗匹配。
对于生物有机体中的介电光谱，关键方面是信号发射器与生物有机体之间的由气隙产生的电容的极端可变性，以及对于体内人类和动物受试者，是血量、汗液、温度对皮肤的影响、皮肤和组织的含水量以及最重要地缺乏跨频率的皮肤电容模型等额外问题。因此，生物体内介电光谱的一个限制因素是生物受试者、特别是人类和动物受试者的皮肤的各向异性。
本发明公开的实施方式通过使用多个介电来创建以下波导结构从而绕开这种因素：该波导结构尽可能接近地阻抗匹配由各向异生物受试者的复合介电混合物所形成的有效介电介质的电磁阻抗。
本领域技术人员将理解，本发明设备采取嵌入各向异性介质中的透射线的一般形式，其中，介电各向异性强度的影响遵循这些规则：a)E场在具有最高电导率的方向上发展得最强烈；b)E场跟随最高的程度与各向异性的强度成正比；c)存在各向异性介质时的阻抗变化；以及d)E场实际上“跟随”各向异性。
本发明设备通过将传感器与生物受试者接触面处的各向异性降低到接近零，通过将介电特性彼此匹配，来使该接触面变得更加各向同性，从而使传感器与生物受试者的接触面消失，有效地使波导在生物有机体内部形成电图像，而实际的物理波导传感器处于生物有机体外部，由此可使生物受试者的各向异性能够支配测量。
在介电光谱的正常过程中，波导结构然后由电信号加以驱动，该电信号的频率内容分布在从100kHz到1GHz的极宽频率范围内。
波导结构是通过多个附加的波导结构借助于适当的连接器联接至信号发生器和接收器的，由此记录生物有机体对输入信号的响应。
因此，本发明设备通过提供一种能够生成、检测以及识别成分的电磁信号响应的设备和方法来克服现有技术的缺点，该设备和方法提供了有益的持久数据收集策略，以检测生物过程异常、确定标称生物过程、表征标称生物过程、识别促进抢先活动的制定和执行的生物过程以制止或阻止预期的不利行动、以及提供近实时或实时的补救评估和再处理。
根据本发明公开，提供了一种对有机体的电导率(electric permeability)进行体内感测的微带波导结构，其中，有机体的电导率包括已知电导率分量和未知电导率分量，微带波导结构包括介电复合材料，该介电复合材料具有第一侧以及与第一侧相反的第二侧。介电复合材料包括线性地组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区以及第三介电区，其中，处于第一介电区与第三介电区之间的第二介电区具有各向异性电导率，该各向异性电导率不同于第一介电区和第三介电区的电导率。电导率的差异是值方面的并且也可以是各向同性方面的。第二介电区的各向异性电导率被选择为大致等于有机体的电导率的已知电导率分量(例如，在20％内)。微带波导还包括微带透射线，该微带透射线形成在介电复合材料的第一侧上，并且具有：输入节段，其形成在第一介电区上；辐射体(radiator)部分，其形成在第二介电区上；以及输出部分(output portion)，其形成在第三介电区上。还具有地平面，该地平面形成在介电复合材料的第二侧上。
根据另一特征，第一介电区的电导率等同于第三介电区的电导率。
根据另一特征，微带透射线的辐射体部分被形成为平面缠绕(planar winding)。
根据另一特征，平面缠绕被形成为交替曲折(alternating meander)。
根据另一特征，平面缠绕被形成为平面螺旋。
根据另一特征，介电复合材料是弯曲的。
根据另一特征，第二介电区的介电常数为25至55。
根据另一特征，第二介电区的介电常数为2至3。
根据另一特征，第二介电区的介电常数为400并且具有+/-10％的变化量。
根据另一特征，介电复合材料的厚度小于有机体的高度的一半。
根据另一特征，第二介电区的介电常数被选择为大致等于处于100kHz到220kHz的频率范围内的有机体的电导率的已知电导率分量。
根据另一特征，第一介电区和第三介电区中的至少一个介电区具有各向异性介电常数。
根据本发明公开，提供了一种用于对有机体的组分(constituent)进行体内测量的介电光谱系统，该有机体包括具有第一介电常数的第一组分集合，以及具有待测量的介电常数的第二组分集合，该系统包括传感器，该传感器具有介电复合材料，该介电复合材料具有第一侧以及与第一侧相反的第二侧。介电复合材料包括线性地组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区以及第三介电区。第二介电区具有各向异性电导率，该各向异性电导率不同于第一介电区和第三介电区的电导率。第二介电区的各向异性电导率被选择为大致等于有机体的电导率的已知电导率分量。该传感器还包括微带透射线，该微带透射线形成在介电复合材料的第一侧上，并且具有：输入节段，其形成在第一介电区上；辐射体部分，其形成在第二介电区上；以及输出部分，其形成在第三介电区上。该传感器还具有地平面，该地平面形成在介电复合材料的第二侧上。该系统还包括信号发生器，该信号发生器联接至输入节段，该信号发生器被配置成提供多个不同频率下的信号；耦合器，该耦合器联接至输入节段，该耦合器对来自传感器的反射信号进行检测；以及接收器，该接收器联接至传感器的输出节段(output section)，该接收器接收透射信号。
根据另一特征，第一介电区的电导率等同于第三介电区的电导率。
根据另一特征，微带透射线的辐射体部分被形成为平面缠绕。
根据本发明公开，还提供了一种对有生命的受试者进行体内感测的介电光谱传感器，该介电光谱传感器包括：介电复合材料，该介电复合材料具有第一侧以及与第一侧相反的第二侧。介电复合材料包括串联组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区以及第三介电区。第二介电区处于第一介电区与第三介电区之间，并且具有各向异性电导率，该各向异性电导率不同于第一介电区和第三介电区的电导率。该传感器还包括微带透射线，该微带透射线形成在介电复合材料的第一侧上，并且具有：输入节段，其形成在第一介电区上；辐射体部分，其形成在第二介电区上；以及输出部分，其形成在第三介电区上。还具有地平面，该地平面形成在介电复合材料的第二侧上。第二介电区的各向异性电导率按如下方式来选择：在给定频率范围内，辐射体部分显现为在电学上嵌入有机体内。
根据另一特征，第一介电区的电导率等同于第三介电区的电导率。
根据另一特征，其中，所述微带透射线的所述辐射体部分被形成为平面缠绕。
根据另一特征，其中，所述平面缠绕被形成为交替曲折。
根据另一特征，其中，所述平面缠绕被形成为平面螺旋。
尽管在此将本发明例示并描述为具体实施成用于体内光谱的设备，然而，这并非旨在要限制成所示的细节，因为在不脱离本发明的精神的情况下并且在权利要求的范围以及等同物的范围内，可以在其中进行各种修改和结构性改变。另外，本发明的示例性实施方式的公知要素将不会被详细描述或者将被省略，以免混淆本发明的相关细节。
被认为是本发明的特征的其它特征在所附权利要求中进行了阐述。根据需要，本文公开了本发明的详细实施方式；然而，要理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式来具体实施。因此，本文所公开的具体结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而是仅作为权利要求的基础，以及作为教导本领域普通技术人员在实际上的任何适当详细说明的结构中以各种方式采用本发明的代表性基础。此外，本文所使用的术语和短语并非旨在进行限制；而相反是提供对本发明的易于理解的描述。虽然本说明书以定义被认为是新颖的本发明特征的权利要求作为结束，但是相信通过结合附图考虑以下描述将会更好地理解本发明，其中相同的标号转次页。附图未按比例绘制。
在公开和描述本发明之前，要理解，本文所使用的术语仅是用来描述特定的实施方式，并非旨在进行限制。如本文所使用的，术语“一(a或an)”被定义为一个或多于一个。如本文所使用的，术语“多个”被定义为两个或多于两个。如本文所使用的，术语“另一”被定义为至少第二个或更多。如本文所使用的，术语“包括”和/或“具有”被定义为包含性的(comprising)(即，开放式语言)。如本文所使用的，术语“联接(coupled)”被定义为连接(connected)，但不一定是直接连接，也不一定是机械连接。术语“提供(providing)”在本文中是以其最广泛的含义来定义的，例如，一次性或者在一段时间内整体或者多部分地带进/进入物理存在、使可用和/或供应给某人或某物。
在本发明的实施方式的描述中，除非另外指定，否则由诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“头”、“尾”等的术语所表示的方位角或位置关系是基于附图的方位角或位置关系的，这仅仅是为了便于对本发明实施方式的描述以及简化描述，而并非表示或暗示装置或组件必须具有特定的方位角，或者以特定的方位角进行构造或操作，因此不能被理解为对本发明实施方式的限制。而且，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语仅被用于描述目的，并且不能被解释为表示或暗示相对重要性。
在本发明的实施方式的描述中，应注意，除非另有明确定义和限制，否则诸如“安装(installed)”、“联接”、“连接”的术语应当作广义解释，例如可以是固定连接，或者可以是可拆卸连接，或者是成一体连接；可以是机械连接，或者可以是电连接；可以是直接连接，或者可以经由中间介质间接连接。如本文所使用的，术语“大约”或“近似”适用于所有数值，而无论是否进行了明确指出。这些术语通常是指本领域技术人员认为等同于所陈述的值(即，具有相同功能或结果)的数字的范围。在许多情况下，这些术语可以包括被四舍五入到最接近的有效数字的数字。在本文档中，除非另有指示，否则术语“纵向”应理解为意指沿与透射线部件的延长方向相对应的方向。如本文所使用的，术语“程序”、“软件应用”等被定义为被设计用于在计算机系统上执行的指令序列。“程序”、“计算机程序”或“软件应用”可以包括子例程、函数、过程、对象方法、对象实现、可执行应用、小应用程序(applet)、小服务程序(servlet)、源代码、对象代码、共享库/动态加载库和/或被设计用于在计算机系统上执行的其它指令序列。本领域技术人员可以根据具体情况来理解本发明实施方式中的上述术语的具体含义。
附图说明
附图用于完全根据本发明来进一步例示各种实施方式并且解释各种原理和优点，在附图中相同的标号遍布单独的视图来指代相同或功能上相似的要素，并且与下面的详细描述一起被并入并形成本说明书的一部分。
图1是根据一些实施方式的使用具有复合介电构造的传感器的介电光谱系统的框图；
图2是根据一些实施方式设计的被用于测量受试者的频率响应的介电光谱传感器的侧截面图；
图3是根据一些实施方式的介电光谱传感器的俯视图；
图4是根据一些实施方式的介电光谱传感器的俯视图；
图5是根据一些实施方式的弯曲介电光谱传感器的侧视图；
图6是介电光谱传感器的侧截面图，指示辐射部分(radiating portion)如何越过传感器到皮肤接触面在受试者内部进行成像；
图7是根据一些实施方式的使用介电光谱传感器的方法的流程图；以及
图8示出了根据一些实施方式的供在用于介电光谱的传感器中使用的具有各向异性介电常数的材料部分的示例。
具体实施方式
虽然本说明书以定义被认为是新颖的本发明特征的权利要求作为结束，但是相信通过结合附图考虑以下描述将会更好地理解本发明，其中相同的标号转次页。要理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式来具体实施。
图1是根据一些实施方式的使用具有复合介电构造的传感器105的体内介电光谱系统100的框图。该传感器被用于对生物受试者108执行介电光谱学，如这里所示，该生物受试者是较大有机体或其它生物实体的一部分。在传感器106和受试者108相遇的地方有接触面。例如，当受试者是动物(或人)时，传感器将与受试者的皮肤相接触，该皮肤存在可变和各向异性的介电成分。通常，对于使用常规的开放式同轴探头进行介电光谱分析，必须具体了解皮肤的特定介电响应、给定的温度、血量、汗液等。然而，传感器106被设计为具有通常与皮肤的各向异性介电材料相匹配的各向异性介电材料。结果，使传感器的辐射体部分在受试者内部在电学上成像，从而消除了传感器到皮肤接触面的影响。可以将传感器配置用于特定的受试者，举例来说，如人类、各种动物以及各种植物受试者(诸如鳄梨、香蕉等)。一旦理解了本发明公开的原理，本领域技术人员将能够使本文的教导适应于各种测试受试者。
可以将变频发生器102用于提供各种频率下的测试信号。对于给定的测试受试者，测试信号可以是具有规则频率间隔或关注间隔的音调信号。将测试信号经由信号线104提供给传感器106。然后，接收器/分析器110可以测量传感器的信号输出(例如，S21参数)以及反射信号分量(例如，S11参数)。可以使用耦合器112来测量反射信号分量，而可以使用输出线114来测量穿过传感器106的透射信号分量。可以通过数据线116或者与计算机118的等效连接来提供测得的信号响应参数。计算机118可以执行软件程序，所述软件程序允许诸如通过控制线122控制变频源102，。计算机还可以分析由接收器/分析器110提供的结果，例如，通过将各种频率下的测量结果与利用校准测试样本生成的测量结果进行比较，可以在数据存储装置120中提供该校准测试样本，该数据存储装置是作为计算机118的一部分的，附接至计算机118，或者以其它方式(例如，通过网络)计算机118可访问。数据存储装置120可以包含针对各种关注分量的介电光谱响应模型，其可以被应用于测量测试结果。
图2是根据一些实施方式设计的被用于测量受试者204的介电频率响应的介电光谱传感器200的侧截面图。介电光谱传感器200可以与图1的传感器106相同，并且包括具有串联设置的三个介电材料区的介电复合结构202，所述三个介电材料区包括：第一介电区208、第二介电区210以及第三介电区212。第二介电区210的介电常数值分别不同于第一介电区208和第三介电区212的介电常数值。关于不同是指它们在整个频率范围内具有不同的介电常数值，并且也可以展现出不同的各向同性。在一些实施方式中，第一介电区208和第三介电区212的介电常数可以相等。第二介电区210还可以展现出各向异性介电常数，这意味着介电常数值取决于测量介电常数的方向。这在图8中作为示例示出，其中，在三个不同的维度上，介电材料可以具有不同的介电常数ε1、ε2、ε3。在介电复合材料202的面向受试者的表面上是由导电层形成的微带透射或波导，该导电层包括在第一介电区208上的、处于介电复合材料202的第一端的输入节段214。输入节段214联接至第二介电区210上的辐射体部分216。辐射体部分被设计成向外辐射电磁波并使该电磁波进入受试者204。同时，电磁波同样会以相反的方向辐射并进入第二介电区210。辐射部分216是与第三介电区212上的输出节段218串联联接的。在介电复合材料202的相反侧或底侧是地平面220，该地平面延伸跨越所有三个介电区208、210、212。馈线222可以提供来自频率发生器的信号。耦合器可以对输入线222上的反射信号S11进行测量。接收线224可以接收穿过传感器200的透射信号S21，并且将透射信号提供给接收器/分析器用于进行测量。
受试者204可以包括将传感器200与受试者204的内部分隔开的皮肤206或类似外层。该皮肤206表示与受试者204内部不同的介电常数，并且在常规的介电光谱技术下，必须高度了解该介电常数，以便越过皮肤206进行测量。然而，使用介电复合材料，足以近似皮肤206的介电常数。为此，对于人类受试者，第二区域的介电常数可以处于25到55的量级。对于干燥的树木，它可以处于2到3的量级。对于鳄梨水果，它可以处于大约400的量级。
在介电光谱的正常过程中，输入节段214、辐射部分216以及输出节段218的波导结构是利用具有分布在极宽频率范围(从100kHz到1GHz)内的频率内容的电信号来驱动的。波导结构21、216、218是通过多个附加的波导结构222、224借助于适当的连接器联接至信号发生器和接收器的，由此测量并记录受试者204对输入信号的响应。第一介电区208、第二介电区210以及第三介电区212中的各个介电区在一个、两个或三个维度上皆可以是各向异性的，由此，各个区域208、210、212在它们的复介电常数er *以及介电区208、210、212的复磁导率μr *方面皆是彼此不同的，以尽可能接近地匹配受试者204(意思是皮肤206和不受关注的其它组分)。因此，所关注的组分具有未知的介电常数和磁导率。波导部分214、216、218的尺寸以及介电区208、210、212的尺寸可以根据需要加以改变，以实现选定的复介电常数er *和复磁导率μr *以及希望的总阻抗。
本领域技术人员可以意识到，如果受试者204的高度远大于介电区210的高度，则总个系统的有效复介电常数er *将是区域210的复介电常数和受试者204的复介电常数的混合。虽然闭式表达是可能的，但是诸如Maxwell Garnett公式和Bruggeman公式的经典混合规则并不能可靠地起作用，这最有可能是因为这些规则要求复合基质中含有均匀的内含物，所述复合基质对于生物材料在体内测试中进行测试是无效的。
本发明的阻抗光谱传感器200的价值在于隔离了对多步骤过程中的电信号进行响应的个体现象。假设各个现象皆具有唯一的关联时间常数，就可以在频域中分离各种现象。所关注现象可以包括受试者204的各种生物组分中的任一生物组分。例如，可以基于检测和测量血糖的特征响应来测量血糖水平。尽管可以应用任何类型的扰动，但是大多数报告的研究都是将小的正弦电流扰动应用于平衡系统并测量对应的电压响应的。本领域技术人员还将意识到，传感器200对反射值和透射值的计算不受测试下的生物材料的各向异性性质的影响。已经发现，手腕区域的人体组织混合物的有效介电常数介于30至55之间。因此，为了测量手腕区域的组分，第二介电区210应当在关注频率范围内在该区域中具有介电常数值，这将取决于正在测量/检测哪些组分。
将材料的复杂电磁介电常数表征为频率函数的最流行的程序之一是：基于测试下的样品在透射线中随频率的透射/接收测量结果的Nicolson Ross-Weir(NRW)方法(通过扩展因Maxwell-Wagner极化而造成的复杂β色散机制的表征)。测试下的材料的特性是根据它们的阻抗以及材料中的作为频率的函数的波速取得的。这种方法流行的主要原因是，如果样品的厚度小于材料中半波长的整数倍，就可以形成闭式解，否则，由于波相位的2π周期性，该方法会生成模棱两可的结果。在一些实施方式中，本发明的传感器响应可以在基于常用技术的另选透射线配置中使用NRW技术的变体(诸如嵌入式RF微带)来进行处理，以找到描述作为以下复合材料的体内生物样品的宏观电特性的介电有效介质的近似值：该复合材料是从构成作为复合材料的生物样品(例如，受试者204)的组分的多个值的平均值发展而来的。因此，本发明的设备使用两种介电材料之间的接触面条件而不是边界条件下的电磁场行为；第一种介电材料(例如，区域210)具有完全已知的特性，第二种介电材料(例如，受试者204)具有已知特性和未知特性的某一组合，以对第二种介电材料(例如，受试者204)的未知特性进行测量。通过近似介电区210中的受试者204的组分中的一些组分的随频率的介电响应，由于那些“已知”组分与第二介电区210有效匹配，因此将这些“已知”组分从效应中去除。因此，在电学上，辐射部分216有效地显现为处于受试者204内部或者嵌入受试者204中，如图6所示。在图6中，横波或准横波602可以被辐射到受试者204中。由于介电区210的介电常数与受试者204的组分(例如，皮肤)的相似性，因此，辐射部分216有效地表现得好像它在受试者204内部一样，如作为嵌入式微带的线604所示。
在组分层面，活的受试者204的电磁介电常数值是变化且不均匀的。精确计算许多组分值几乎是不可能的。然而，有可能生成可接受的近似值，这些可接受的近似值又将受试者204的有用参数和特性作为整体来加以描述。在这个意义上，有效介质近似值是基于从计算得出的其分量的特性和相对分数而进行的对介质(受试者204)的描述。因此，本发明的设备通过使用传感器结构来修改公共RF嵌入式微带，其中，辐射部分216下方的区域210填充有具有已知特性的介电，并且辐射部分216上方的受试者204具有不完全已知的特性。即，一些特性是已知的，一些特性是未知的。受试者204的随频率的介电特性中的一些介电特性可以是先验已知的，并且辐射部分216下方的第二介电区210可以创建具有类似于受试者204的已知介电特性的电特性，并且与地平面220组合地，辐射部分216充当嵌入式微带透射线，该嵌入式微带透射线在电学上埋入受试者204中，而在物理上保持处于受试者204外部。
传感器200可以作为透射线进行馈电，并且可以使用考虑该传感器的三个部分的透射线方法，来进行由受试者204和介电复合材料202(已知介电)的组合所形成的有效介质的透射/反射测量；所述传感器的三个部分为:第一介电区208上的输入节段214、第二介电区210上的辐射部分216以及第三介电区212上的输出节段218。
测试下的受试者204的特性是根据它们的阻抗以及材料中的作为频率的函数的波速取得的。由已知介电特性(208、210、212)的受试者204产生的介电有效介质的电磁介电常数表征可以通过Nicolson Ross-Weir(NRW)方法来获得，并且通过扩展因Maxwell-Wagner极化而造成的β色散机制的表征，由此在体内取得测试下的受试者204的特性。
利用本发明的传感器200来确定作为频率函数的复电磁介电常数的另一种方法是NIST迭代方法，该NIST迭代使用Newton-Raphson的求根方法来执行计算，并且仅适于介电常数计算。它利用受试者204的全部四个散射参数(S11、S21、S12、S22)或者一对散射参数(S11、S21)来计算反射系数和透射系数。如果有好的初始猜测可用，那么该方法效果很好，并且在样本厚度是二分之一波长的整数倍nλg/2时，绕过NRW方法中存在的不准确峰。它适于长样本和表征低损耗材料。
利用本发明的传感器200来确定材料的作为频率函数的复电磁介电常数的又一种方法是非迭代方法，该非迭代方法类似于NRW方法但具有不同的公式，并且适于磁导率μr＝1的情况下的介电常数计算。它利用受试者204的全部四个散射参数(S11、S21、S12、S22)或者仅两个散射参数(S11、S21)来计算反射系数和透射系数。这种方法的优点是在任意样本长度的整个频率范围内是稳定的，并且基于NRW方法的简化版本。在样本中的与二分之一波长的倍数相对应的频率下没有观察到发散。该方法不需要介电常数的初始估计并且可以非常快速地执行计算。该方法的准确度与迭代方法相当，并且使用与NRW方法部分不同的公式。它可以很容易地扩展至其它测量样本，例如，微带线或共面线。它还使介电常数和磁导率出现在有效电磁参数的表达式中。有效电磁参数表示传播模式。
利用本发明的传感器200来确定作为频率函数的复电磁介电常数的又一种方法是短路线(SCL)方法，该段路线方法波导上的单端口测量。SCL方法使用与NIST迭代方法相同的Newton-Raphson数值方法来执行计算，并且仅适于介电常数计算。该方法仅利用受试者204的S11参数来计算反射系数。该方法需要良好的初始猜测，以便获得准确的结果。该方法还需要已知样本长度和位置才能进行准确测量。
图3是根据一些实施方式的介电光谱传感器202的俯视图。微带波导由第一介电区208上的输入节段214、第二介电区210上的辐射部分216以及第三介电区212上的输出节段218组成。可以将信号如箭头300所示施加至该结构，由此产生由箭头302指示的反射波以及由304指示的透射波。可以使用上述方法来使用这些响应的值，以确定与辐射部分216相接触的受试者(例如，204)的组分的“未知”介电常数。如在此所示，辐射部分是中心馈电式全交替曲折，意思是该导电迹线开始于中心，向一侧横穿，然后绕其自己向另一侧反向行进，依此类推，然后联接至输出节段218。
图4是根据一些实施方式的介电光谱传感器400的俯视图。传感器400大致类似于传感器202，传感器400包括：第一介电部分或介电区402、第二介电区404以及第三介电区406。将微带波导结构的输入节段408形成在第一介电区402上。将辐射部分或部件412形成在第二介电区404上并且由输入节段408进行馈电。将输出节段410形成在第三介电区406上并且联接至辐射部分412的一端。如在此所示，辐射部分412是中心馈电式平面螺旋缠绕。馈线414将输入节段408连接至辐射部分412的中心，并且在第二介电部分404顶部上的缠绕迹线下方横穿第二介电部分404。将第二介电区404的介电常数选择为近似给定测试受试者的某些组分的介电常数，以便测量受试者的其它组分的介电常数。
图5是根据一些实施方式的弯曲介电光谱传感器500的侧视图。传感器500可以是弯曲的或者以其它方式进行成形以接收对应形状的受试者。例如，弯曲的传感器500形成凹部516，可以将患者的手腕容纳在该凹部中并且放置成与传感器500相接触。传感器500包括三个介电区502、504以及506。介电区504的介电常数被选择，以与受试者的、在被用于正被测试或确定的组分的频率范围内未被测试的组分基本匹配，并且与介电区502、506的介电常数不同。因此，微带波导由第一介电区502上的输入节段510组成，输入节段510向第二介电区504上的辐射部分508馈电，并且辐射部分508的输出端联接至第三介电区506上的输出节段512。地平面514处于介电区502、504、506的与微带波导部件510、508、512相反的一侧上。
图7是根据一些实施方式的使用介电光谱传感器的方法700的流程图。在开始702处，已经标识了用于测试的受试者，无论是特定的还是普通的。在步骤704中，提供了传感器和系统(诸如图1的传感器和系统)，其中，传感器包括由串联设置的三个节段形成的介电复合材料，并且将微带波导结构放置在该介电复合材料的一侧上，而将地平面放置在该介电复合材料的另一侧上。微带波导结构由第一介电区上的输入节段、第二介电区上的辐射部件以及第三介电区上的输出节段组成。第二介电节段的介电常数被选择为等于正被测试的受试者的已知的某些组分的介电常数。这些电特性将基于受试者以及正被测量的组分而改变。此外，第一介电区和第三介电区的介电常数不同于第二介电区的介电常数。
在步骤706中，将传感器放置成与受试者相接触，并且具体地，将微带波导的辐射部件面向受试者放置。在步骤708中，将一系列不同频率下的信号施加至传感器，并且对于所使用的各个频率，测量反射信号和透射信号。在输入端测量反射信号，并且在传感器的输出端(例如，在辐射部件的另一侧)测量透射信号。在步骤710中，对测得的反射信号和透射信号进行处理并与正被测试的组分的已知模型响应进行比较。在步骤712中，可以准备或生成报告，然后该方法完成714。
在实践中，使用如本文所示和所述配置的传感器，横向电磁(TEM)波作为准TEM波从辐射部件发射，并且由部件微带波导与由介电复合材料和正被测试的受试者所生成的最终阻抗组合地进行变换。通过第二介电区与辐射部件和地平面的组合，在受试者中产生E场。由于受试者和第二介电区相同或者几乎相同，因此，在受试者与辐射部件之间的接触面处由波导结构引入的各向异性被降低到接近零，通过将介电特性彼此匹配，从而使该接触面变得更加各向同性。因此，该接触面有效地消失了，使得辐射部件在电学上成像于受试者内部，而实际的物理传感器处于受试者外部。
穿过辐射部件的TEM波被输出节段和地平面与第三介电部件组合地变换成接收器的标称阻抗。本领域技术人员应意识到，上述微带波导配置的阻抗不需要具有50欧姆的标称阻抗。本领域技术人员将应意识到，介电区可以在一个、两个或三个维度上是各向异性的，并且将介电复合区的复介电常数和复磁导率选择成尽可能匹配生物样品。
本领域技术人员还应意识到，通过调节或改变微带波导部件的宽度和厚度以确定希望的总阻抗，各个部件的尺寸可以进行变化以实现希望的介电常数和磁导率。还应意识到，传感器与受试者组合的最终所得介电常数和磁导率可以使用如本文所述的各种方法来进行测量。
因此，已经公开了形成微带波导结构的传感器以及各种关联方法，它们可使微带波导的辐射体部分能够在正被测试的受试者内部进行有效成像，从而可以测量受试者的某些组分的介电常数。本发明的布置消除了对侵入性技术的需要并且允许对受试者进行体内测试。因此，可以持续监测受试者的动态过程，而不会干扰受试者或者在动物/人类受试者的情况下引起不适。

Claims (20)

1.一种对有机体的电导率进行体内感测的微带波导结构，其中，所述有机体的电导率包括已知电导率分量和未知电导率分量，所述微带波导结构包括：
介电复合材料，所述介电复合材料具有第一侧以及与所述第一侧相反的第二侧，所述介电复合材料包括线性地组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区以及第三介电区，其中，所述第二介电区具有各向异性电导率，所述第二介电区的所述各向异性电导率不同于所述第一介电区和所述第三介电区的电导率，并且其中，所述第二介电区的各向异性电导率被选择为大致等于所述有机体的电导率的所述已知电导率分量；
微带透射线，所述微带透射线形成在所述介电复合材料的所述第一侧上，并且所述微带透射线具有：输入节段，所述输入节段形成在所述第一介电区上；辐射体部分，所述辐射体部分形成在所述第二介电区上；以及输出部分，所述输出部分形成在所述第三介电区上；以及
地平面，所述地平面形成在所述介电复合材料的所述第二侧上。
2.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第一介电区的电导率等同于所述第三介电区的电导率。
3.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述微带透射线的所述辐射体部分被形成为平面缠绕。
4.根据权利要求3所述的微带波导结构，其中，所述平面缠绕被形成为交替曲折。
5.根据权利要求3所述的微带波导结构，其中，所述平面缠绕被形成为平面螺旋。
6.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述介电复合材料是弯曲的。
7.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第二介电区的介电常数为25至55。
8.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第二介电区的介电常数为2至3。
9.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第二介电区的介电常数为400并且具有+/-10％的变化量。
10.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述介电复合材料的厚度小于所述有机体的高度的一半。
11.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第二介电区的介电常数被选择为大致等于处于100kHz到220kHz的频率范围内的所述有机体的电导率的所述已知电导率分量。
12.根据权利要求1所述的微带波导结构，其中，所述第一介电区和第三介电区中的至少一个介电区具有各向异性介电常数。
13.一种用于对有机体的组分进行体内测量的介电光谱系统，所述有机体包括具有第一介电常数的第一组分集合以及具有待测量的介电常数的第二组分集合，所述系统包括：
传感器，所述传感器具有：
介电复合材料，所述介电复合材料具有第一侧以及与所述第一侧相反的第二侧，所述介电复合材料包括线性地组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区和第三介电区，其中，所述第二介电区具有各向异性电导率，所述第二介电区的所述各向异性电导率不同于所述第一介电区和所述第三介电区的电导率，并且其中，所述第二介电区的所述各向异性电导率被选择为大致等于所述有机体的电导率的已知电导率分量；
微带透射线，所述微带透射线形成在所述介电复合材料的所述第一侧上，并且所述微带透射线具有：输入节段，所述输入节段形成在所述第一介电区上；辐射体部分，所述辐射体部分形成在所述第二介电区上；以及输出部分，所述输出部分形成在所述第三介电区上；以及
地平面，所述地平面形成在所述介电复合材料的所述第二侧上；
信号发生器，所述信号发生器联接至所述输入节段，所述信号发生器被配置成提供多个不同频率下的信号；
耦合器，所述耦合器联接至所述输入节段，用于对来自所述传感器的反射信号进行检测；以及
接收器，所述接收器联接至所述传感器的输出节段，以接收透射信号。
14.根据权利要求13所述的介电光谱系统，其中，所述第一介电区的电导率等同于所述第三介电区的电导率。
15.根据权利要求13所述的介电光谱系统，其中，所述微带透射线的所述辐射体部分被形成为平面缠绕。
16.一种对有生命的受试者进行体内感测的介电光谱传感器，所述介电光谱传感器包括：
介电复合材料，所述介电复合材料具有第一侧以及与所述第一侧相反的第二侧，所述介电复合材料包括串联组织的三个介电区，所述三个介电区包括第一介电区、第二介电区以及第三介电区，其中，所述第二介电区处于所述第一介电区与所述第三介电区之间，并且所述第二介电区具有各向异性电导率，所述第二介电区的所述各向异性电导率不同于所述第一介电区和所述第三介电区的电导率；
微带透射线，所述微带透射线形成在所述介电复合材料的所述第一侧上，并且所述微带透射线具有：输入节段，所述输入节段形成在所述第一介电区上；辐射体部分，所述辐射体部分形成在所述第二介电区上；以及输出部分，所述输出部分形成在所述第三介电区上；以及
地平面，所述地平面形成在所述介电复合材料的所述第二侧上；
其中，所述第二介电区的各向异性电导率按如下方式来选择：在给定频率范围内，所述辐射体部分显现为在电学上嵌入有机体内。
17.根据权利要求16所述的介电光谱传感器，其中，所述第一介电区的电导率等同于所述第三介电区的电导率。
18.根据权利要求16所述的介电光谱传感器，其中，所述微带透射线的所述辐射体部分被形成为平面缠绕。
19.根据权利要求18所述的介电光谱传感器，其中，所述平面缠绕被形成为交替曲折。
20.根据权利要求18所述的介电光谱传感器，其中，所述平面缠绕被形成为平面螺旋。
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