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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion/Rekonstruktion der
dreidimensionalen Struktur (Oberfläche) von mit Mikrowellen
zu untersuchenden Gegenständen und Körpern.
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Anwendung
findet das erfindungsgemäße Verfahren z. B. für
die Rekonstruktion der menschlichen Körperoberfläche,
insbesondere die Brustoberfläche bzw. den Brustkorb im
Bereich der medizinischen Bildgebung, in dem mit Hilfe von Mikrowellen
Tumore erkannt und lokalisiert werden. Ebenso kann die Rekonstruktion
der Oberfläche von Gegenständen als Grundlage
ihrer zerstörungsfreien Untersuchung (Inhaltsprüfung) mit
Mikrowellen, aber auch die Detektion und Oberflächenrekonstruktion
von Gegenständen oder Raumteilen (z. B. Innenecken, Außenecken,
Wände, Pfeiler) in Szenarien, in denen z. B. auf Grund
von Feuer oder Rauch optische Sensoren nicht einsetzbar sind und
deshalb mit Hilfe von Mikrowellen unbekannte Umgebungen erfasst
und rekonstruiert werden sollen, realisiert werden.
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Bekannte
Verfahren zur Oberflächenrekonstruktion mittels Mikrowellen
beruhen darauf, dass das Oberflächenmaterial des zu untersuchenden
Körpers einen ausreichenden dielektrischen Kontrast zum
Medium, in dem sich die Antennen befinden (im Allgemeinen Luft),
aufweist. Das bedeutet, dass die Differenz der Dielektrizitätskonstante
(Permittivität) zwischen dem Körperoberflächenmaterial
und dem Medium, in dem sich die Antennen befinden, ausreichend sein
muss, damit entsprechend des resultierenden Reflexionsfaktors das an
der Körperoberfläche reflektierte Signal vom Empfänger
des Radar-Gerätes erfasst werden kann.
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Die
algorithmische Grundlage bildet der sog. SEABED-Algorithmus, der
2004 von Sakamoto und Sato [T. Sakamoto, T. Sato, "A
target shape estimation algorithm for pulse radar systems based
an boundary scattering transform", IEICE Trans. Commun.
vol. E87-B, No. 5, pp. 1357–1365, May, 2004] eingeführt
wurde und dessen Basisalgorithmus die Boundary Scattering Transformation
darstellt. Dieser als 2D-Bildgebungsverfahren für mono-statische
Messungen eingeführte Algorithmus wurde anschließend
für mono-statische 3D-Messungen [T. Sakamoto, "A
fast algorithm for 3-dimensional imaging with UWB pulse radar systems",
IEICE Trans. Commun. vol. E90-B, no. 3, pp. 636–644, Mar.
2007] und bi-statische 3D-Messungen [S. Kidera,
Y. Kani, T. Sakamoto, T. Sato, "Fast and Accurate 3-D Imaging
Algorithm with Linear Array Antennas for UWB Pulse Radars",
IEICE Trans. Commun. vol. E91-B, no. 8, pp. 2683–2691,
Aug, 2008] erweitert.
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Das
Grundprinzip besteht darin, die Front der am Körper reflektierten
Welle (sog. Wellenfront) im Radarsignal zu detektieren, daraus die
Laufzeit zu errechnen, welche die elektromagnetische Welle vom Sender zur
Körperoberfläche und zurück zum Empfänger
benötigt, und anschließend diese Laufzeit bezüglich
der zwei orthogonalen Koordinaten der Scanebene zu differenzieren.
Mit Hilfe dieser beiden Werte und der Koordinaten der Antennen können
die Koordinaten des Punktes der Körperoberfläche,
an dem die elektromagnetische Welle reflektiert wird, berechnet
werden. Durch Bewegung der Antennen, des Objektes oder durch Verwendung eines
Antennen-Arrays gelangt man zu weiteren Reflexionspunkten und kann
auf diese Weise die Körperoberfläche rekonstruieren.
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Momentan
besteht die Beschränkung des Verfahrens jedoch darin, dass
die zu rekonstruierenden Körper nur planar, d. h. durch
in einer Ebene liegende Antennen bzw. sich in einer Ebene bewegende
Antennen bestrahlt werden. Diese Ebene wird im Folgenden Scanebene
bezeichnet. Auf diese Weise gelingt es im Wesentlichen nur, die
Oberfläche einer Seite des Körpers abzubilden.
In 1 ist dieses Verfahren prinzipiell dargestellt.
Die Rekonstruktion seitlicher Details kann verbessert werden, indem
die Scanebene weit über die Ausdehnung des Körpers
hinausgeht und auf diese Weise auch die Seiten bestrahlt werden
können. Das ist praktisch nicht sinnvoll und zumeist auch
nicht möglich, zumal die Rückseite des Körpers
auf diese Weise auch nicht rekonstruiert werden kann. Hier setzt
unsere Erfindung an.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem eine umfassendere, flexiblere und genauere 3D-Oberflächenrekonstruktion
von konvexen und konkaven Körpern sowohl für mono-statische
Messungen als auch für multi-statische Messungen realisiert
werden kann.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten
Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 – Grundprinzip
der Oberflächenrekonstruktion mit Hilfe des SEABED-Algorithmus
basierend auf einer planaren Scanebene und bi-statischen Messungen,
wobei n den Messindex symbolisiert
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2 – Erweiterung
der Oberflächenrekonstruktion mit Hilfe nicht-planarer
Scanflächen am Beispiel einer zirkularen Scanfläche
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3 – Oberflächenrekonstruktion
(rechts) eines mit Phantommaterial (Wasser) gefüllten weiblichen Torsos
(links) mittels zylindrischen Scans
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4 – Oberflächenrekonstruktion
eines metallischen Quaders und eines metallischen Zylinders
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Im
Gegensatz zum beschriebenen Forschungsstand wird eine dreidimensionale
Antennen- bzw. Objektbewegung erlaubt. Die dreidimensionale Fläche,
die durch die sich bewegenden Antennen bzw. im Falle einer Objektbewegung
und stationären Antennen durch die sich relativ bewegenden
Antennen gebildet wird, wird im Folgenden Scanfläche bezeichnet.
Das bedeutet, das Verfahren wird von der rein planaren Scanebene auf
beliebige Scanflächen erweitert. Dies wird durch eine Koordinaten-Transformation
erreicht, wobei im transformierten Koordinatensystem (gekennzeichnet
durch Querbalken über den Symbolen) die folgenden Bedingungen
erfüllt sein müssen:
- – die
Scanebene (Tangentialebene der Scanfläche im zugehörigen
Punkt der Antennenposition; bei bi-statischer Messung im Mittelpunkt
zwischen den Antennen) ist parallel zu einer der drei orthogonalen
Ebenen, die von den Koordinatenachsen aufgespannt werden
- – bei bi-statischen Messungen ist die Antennenachse
(Verbindungsachse der Phasenzentren beider Antennen) parallel zu
einer der drei Koordinatenachsen
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Unter
diesen Bedingungen kann zur Berechnung eines Reflexionspunktes die
Signallaufzeit bezüglich der zwei orthogonalen Koordinaten
der zugehörigen Scanebene differenziert werden.
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Entsprechend
der im transformierten Koordinatensystem resultierenden Scanebene
(xy-Ebene, zz-Ebene oder yz-Ebene) werden
diese Werte in die folgenden Transformationsgleichungen eingesetzt.
Für den Fall, dass die Antennenachse im transformierten
Koordinatensystem parallel zur
x-Achse verläuft,
lauten diese:
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Dabei
gilt folgende Symbolik:
x,
y,
z: Koordinaten des Reflexionspunktes an
der Körperoberfläche
X,
Y,
Z: Koordinaten des Mittelpunktes
zwischen beiden Antennen
d: halber Abstand zwischen den Antennen
D:
Hälfte der Gesamtdistanz Sendeantenne-Reflexionspunkt-Empfangsantenne
Ableitung von D bzgl. der
jeweiligen Koordinate, d. h.:
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Die
Gleichungen (1) bis (3) stellen eine Verallgemeinerung der bisher
bekannten Boundary Scattering Transformation dar und resultieren
aus der Lösung des Gleichungssystems
wobei
F = (D2 – d2)(x – X)2 +
D2(y – Y)2 +
D2(z – Z)2 – D2(D2 – d2) (5) durch
Umstellung der Ellipsoidengleichung
welche die Position des Reflexionspunktes
beschreibt, resultiert.
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Für
den Fall, dass die Koordinatentransformation in der Art erfolgt,
dass die Antennenachse im transformierten Koordinatensystem parallel
zur
y-Achse bzw. zur
z-Achse verläuft,
liegen die Ellipsoidengleichungen
zu Grunde.
Nach Umstellung und Lösung des Gleichungssystems resultieren
Transformationsgleichungen, in denen im Gegensatz zu den Transformationsgleichungen
(1) bis (3)
und
vertauscht sind.
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2 stellt
diese Verallgemeinerung an Hand einer zylindrischen Scanfläche
dar. Die Antennenachse ist hier im Original-Koordinatensystem parallel
zur z-Achse und im transformierten Koordinatensystem parallel zur
x-Achse. Die Scanebene (Tangentialebene der zylindrischen Scanfläche)
ist im transformierten Koordinatensystem parallel zur xz-Ebene. Das Symbol
n symbolisiert den Messindex.
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Anschließend
werden die berechneten Reflexionspunkte in das reale Koordinatensystem
zurück transformiert. Dabei ist zu bemerken, dass bei nicht
planaren Scanflächen die Tangentialebenen der jeweiligen Antennenpositionen
verschieden sind und deshalb auch die Transformationsmatrizen verschieden
sind.
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Anwendungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens
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Die
Detektion von Brusttumoren mit Hilfe von Mikrowellen zeichnet sich
gegenüber der Mammographie u. a. dadurch aus, dass die
Brust nicht schmerzhaft komprimiert werden muss und keine ionisierenden Röntgenstrahlen
verwendet werden. Des Weiteren nutzen Mikrowellen-basierte Verfahren
den in Studien nachgewiesenen hohen dielektrischen Kontrast zwischen
malignem (bösartigem) und benignem (gutartigem) Gewebe.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an, denn die möglichst
genaue Rekonstruktion der Brustoberfläche ist aus zwei
Gründen entscheidend: Zum einen stellt das an der Brustoberfläche
reflektierte Signal die dominante und für die Bildgebung
des Brustinneren zugleich störende Komponente des Empfangssignals
dar, die eliminiert werden muss und zum anderen ist die Kenntnis
der Brustoberfläche entscheidend, um z. B. Brechungswinkel
berechnen zu können, um mit Migrations-basierten Verfahren
das Brustinnere abzubilden.
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Das
hier beschriebene Verfahren unterscheidet sich von bislang publizierten
Verfahren [
WO 2006/083672 ,
WO 2006/086529 ] dadurch:
- – dass nicht in vereinfachender Weise
davon ausgegangen wird, dass die Antennen und der Reflexionspunkt
dieselbe z-Koordinate besitzen, sondern auch die z-Koordinate des
Reflexionspunktes berechnet wird,
- – dass nicht ausschließlich von einer konvexen
Oberfläche ausgegangen wird, sondern auch konkave Strukturen
rekonstruiert werden können
und
- – dass es auch für multi-statische Messungen
anwendbar ist.
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Eine
mögliche Messanordnung kann dadurch gekennzeichnet sein,
dass mit Hilfe eines xyz-Scanners bestehend aus maximal 3 Lineareinheiten
und 3 Rotationseinheiten (6 Freiheitsgrade) die Antennen um die Brust
bzw. den Brustkorb bewegt werden. Dabei ist es für das
Verfahren prinzipiell unerheblich, ob der Scanvorgang in Luft oder
einem anderen Koppelmedium erfolgt, solange der Reflexionskoeffizient
zwischen dem Koppelmedium und der Haut ausreichend groß und
die Dämpfung im Koppelmedium ausreichend klein ist, um das
an der Körperoberfläche reflektierte Signal vom
Empfänger des Radar-Gerätes noch erfassen zu können.
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Der
Scan kann im einfachsten Fall zylindrisch um den Oberkörper
erfolgen. Zur Verbesserung der Auflösung speziell der Brustoberfläche
kann ein weiterer Scan entlang einer Halbkugel oder eines Halbellipsoiden über
der Brust erfolgen. Das Rekonstruktionsergebnis auf Basis eines
zylindrischen Scans ist in 3 dargestellt.
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Nach
dem gleichen Prinzip und mit gleicher Messanordnung kann unter der
Voraussetzung, dass die menschliche Kleidung eine vernachlässigbare
Dämpfung und Reflexion hervorruft, das beschriebene Verfahren
auch eingesetzt werden, um in sicherheitstechnischen Bereichen anatomische
Anormalitäten zu testender Personen zu detektieren, die
z. B. auf das Tragen von Waffen oder Sprengstoff deuten können.
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Auch
in technischen Bereichen, z. B. bei der zerstörungsfreien
Prüfung von Bauwerksteilen, Betonelementen oder nicht metallischen
Behältnissen, in Tunneln und Bergwerken versucht man verstärkt
Mikrowellen einzusetzen. Bei nicht-ebenen Objekten besteht auch
hier das Problem, dass eine sachgerechte Bildgebung des Inneren
nur basierend auf der Kenntnis der Oberfläche erfolgen
kann. Hierzu kann ebenfalls die beschriebene Erfindung eingesetzt
werden.
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Die
Eigenschaft elektromagnetischer Wellen, optisch dichte (undurchsichtige)
Medien durchdringen zu können, prädestiniert sie
im Gegensatz zu optischen Sensoren auch für einen Einsatz
in Notfallszenarien, in denen es z. B. brennt und zu starken Rauch-
und Qualmentwicklungen kommt. Hierbei versucht man, mit Hilfe von
Mikrowellen die unzugängliche unbekannte Umgebung zu erfassen
und zu rekonstruieren. Zur Auswertung des Radarsignals werden vorrangig
Migrations-basierte Algorithmen eingesetzt, die zur Oberflächenrekonstruktion
weniger geeignet sind und eine geringere Auflösung ermöglichen.
Stattdessen kann auch hier das vorgeschlagene Verfahren gewinnbringend
zum Einsatz gebracht werden. Sowohl für Migrations-basierte
Verfahren als auch für die hier beschriebene Erfindung
ist es wesentlich, dass die Bewegung der Antennen und somit bei
bekannter Startposition auch deren aktuelle Position synchronisiert
zum Radarsignal erfasst werden muss.
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4 illustriert
die Rekonstruktion eines metallischen Quaders (entspricht z. B.
einem Schrank, einem rechteckigen Pfosten oder Pfeiler) und eines
Zylinders (entspricht z. B. einer Tonne, einem runden Pfosten oder
Pfeiler), um welche die Antennen zylindrisch bewegt wurden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/083672 [0023]
- - WO 2006/086529 [0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - T. Sakamoto,
T. Sato, ”A target shape estimation algorithm for pulse
radar systems based an boundary scattering transform”,
IEICE Trans. Commun. vol. E87-B, No. 5, pp. 1357–1365,
May, 2004 [0004]
- - T. Sakamoto, ”A fast algorithm for 3-dimensional
imaging with UWB pulse radar systems”, IEICE Trans. Commun.
vol. E90-B, no. 3, pp. 636–644, Mar. 2007 [0004]
- - S. Kidera, Y. Kani, T. Sakamoto, T. Sato, ”Fast and
Accurate 3-D Imaging Algorithm with Linear Array Antennas for UWB
Pulse Radars”, IEICE Trans. Commun. vol. E91-B, no. 8,
pp. 2683–2691, Aug, 2008 [0004]
welche die Position des Reflexionspunktes beschreibt, resultiert.
und
vertauscht sind.