DE102010014795A1

DE102010014795A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern

Info

Publication number: DE102010014795A1
Application number: DE102010014795A
Authority: DE
Inventors: Christian 85551 Evers
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-07-14

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern (20), die in einen zu untersuchenden Körper (4) eingebracht sind. Die Vorrichtung weist dabei eine Kontakteinheit (1) auf, die mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung verbunden ist. Die Sende- und Empfangsvorrichtung sendet ein Signal (23) aus und misst das reflektierte und/oder transmittierte Signal nach Betrag und Phase. Weiterhin ist dabei eine Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) einer Kontur des zu untersuchenden Körpers (4) angepasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern, die in einen Körper eingebracht sind.
Einhergehend mit dem stärker zunehmenden Reiseverkehr steigt auch die Anzahl an Gegenständen, die durch Grenzkontrollen aufgespürt werden, deren Einfuhr einer Genehmigung bedarf, bzw. gänzlich untersagt ist. Gerade bei Gegenständen aus dem Betäubungsmittelbereich ist eine stetige Zunahme erkennbar. Allerdings erweist sich das Erkennen solcher Gegenstände gerade dann als besonders schwierig, wenn diese invasiv in den Körper eingebracht sind. Seit mehreren Jahren zielen die Kontrollen auch daraufhin ab, Sprengstoffe aufzuspüren, die die Transportmittel, insbesondere Flugzeuge, irreparabel schädigen. Gerade bei Flugzeugen kann ein kleines Loch in der Flugkabine, einhergehend mit den dann wirkenden Druckausgleichskräften, wie sie auf der Reiseflughöhe herrschen, dazu führen, dass die Flugkabine diesem Druck nicht mehr Stand halten kann. Die dazu notwendigen explosiven Stoffe können dabei von Personen im Körper in ausreichender Menge mitgeführt werden.
Aus der US 6,965,340 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, welches eine Erkennung von Gegenständen ermöglicht, die eine Person unter ihrer Kleidung mitführt. Dabei werden zwei Antennenarrays diametral zueinander aufgestellt, wobei sich die zu überprüfende Person in die Mitte dieser Antennenarrays stellt. Die Frequenz und die Bandbreite werden 60 eingestellt, dass die ausgesendete Mikrowellenstrahlung die Kleidung durchdringt und vom Körper, bzw. von verborgenen Gegenständen reflektiert wird. Im Weiteren wird die Phasenverschiebung jeder Antenne mehrfach verändert, so dass der Körper durch das Mikrowellensignal abgetastet werden kann. Reflektierende Spiegel an den Seiten der Vorrichtung erlauben, dass alle Seiten der zu überprüfenden Person erfasst werden können.
Nachteilig an der US 6,965,340 B1 ist, dass es nicht möglich ist, invasive, also in den Körper eingebrachte Fremdkörper zu detektieren und zu lokalisieren. Allerdings ist gerade dies wünschenswert, zumal Verfahren, wie das Röntgen von Personen nur zu medizinischen Zwecken oder allenfalls bei einem konkreten Verdacht erfolgen dürfen.
Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen und zerstörungsfreien Detektion und zur Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern in einem Körper zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 umfasst dabei zumindest eine Kontakteinheit, die mit zumindest einer Sende- und Empfangsvorrichtung verbunden ist. Dabei sendet die Sende- und Empfangsvorrichtung ein Signal aus und misst das reflektierte und/oder transmittierte Signal nach Betrag und Phase. Eine Oberfläche der Kontakteinheit ist dabei der Kontur des zu untersuchenden Körpers angepasst.
Besonders vorteilhaft ist, wenn es durch eine an die Konturen des zu untersuchenden Körpers angepasste Oberfläche der Kontakteinheit möglich ist, dass ein in Richtung des zu untersuchenden Körpers ausgesendetes Signal nicht bereits an dem Übergang zwischen der Oberfläche der Kontakteinheit und dem zu untersuchenden Körper reflektiert wird, sondern in den zu untersuchenden Körper eindringt. Ein invasiver Fremdköper bewirkt, dass ein Teil des ausgesendeten Signals reflektiert und/oder nur ein Teil des ausgesendeten Signals durch den zu untersuchenden Körper transmittiert wird. Dies ist der Fall, sobald sich die Permittivität ε_r des Fremdkörpers von der Permittivität ε_r des zu untersuchenden Körpers unterscheidet. Lebende menschliche Körper bestehen zum größten Teil aus Wasser, welches eine Permittivität von ca. 80 aufweist, wovon sich die Permittivität des zu detektierenden Fremdkörpers deutlich unterscheidet. Die Permittivität für Glycerin beträgt z. B. ca. 42,5. Eine Auswertung nach Betrag und Phase erlaubt dabei nicht nur eine Detektion und räumliche Lokalisierung des invasiven Fremdkörpers, sondern es ist dabei auch möglich, Aussagen über das Material des invasiven Fremdkörpers zu treffen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird über eine mit der Sende- und Empfangsvorrichtung verbundenen Antenne ein elektromagnetisches Signal in Richtung des zu untersuchenden Körpers ausgesendet. In einem zweiten Schritt wird das reflektierte und/oder transmittierte elektromagnetische Signal über zumindest eine Antenne durch die Sende- und Empfangsvorrichtung nach Betrag und Phase empfangen und zu Messdaten verarbeitet.
Bevorzugt wird im Folgenden werden diese Messdaten gespeichert und anschließend werden die die mit der Sendeeinheit und Empfangseinheit der Sende- und Empfangsvorrichtung verbundenen Antennen durch eine Matrix zyklisch getauscht, wobei nach jedem Tausch die vorangegangenen Verfahrensschritte wiederholt werden. Danach wird die Frequenz des auszusendenden elektromagnetischen Signals mehrfach verändert, wobei die vorangegangenen Verfahrensschritte wiederholt werden. Nachdem ein bestimmter Frequenzbereich durchlaufen wurde, beginnt eine Auswerteeinheit aus den gespeicherten Messdaten Bilddaten zu generieren und diese anzuzeigen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Frequenz des zu sendenden elektromagnetischen Signals mehrfach verändert wird, weil das elektromagnetische Signal dadurch einerseits unterschiedlich tief in den zu untersuchenden Körper eindringt und andererseits über die hohe Bandbreite auch die notwendige Auflösung hergestellt werden kann, die es erlaubt, dass ein invasiver Fremdköper entdeckt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht, wenn eine Oberfläche der Kontakteinheit elastisch ausgebildet ist, so dass sich diese der Körperkontur der zu untersuchenden Person anpasst, wodurch das ausgesendete Signal besonders gut in den zu untersuchenden Körper eindringen kann, weil zwischen der elastisch ausgeformten Oberfläche der Kontakteinheit und dem zu untersuchenden Körper keine weiteren Sprünge in der Permittivität, etwa durch eine zusätzliche Luftschicht, auftreten.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein Bereich innerhalb der Kontakteinheit zwischen zumindest einer an die Sende- und Empfangsvorrichtung angeschlossenen Antenne und der an den Körper angrenzenden Oberfläche der Kontakteinheit mit einem Medium gefüllt ist, dessen Permittivität der des Körpers in etwa entspricht. Dadurch wird erreicht, dass die ausgesendeten Signale erst an einem durch den invasiven Fremdkörper hervorgerufenen Sprung in der Permittivität reflektiert werden.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn an die Sende- und Empfangsvorrichtung ein Antennenarray angeschlossen ist und das Antennenarray nur eine oder wenige Antennenzeilen oder nur eine einzelne Antenne aufweist, deren räumliche Lage durch eine mechanische Bewegung innerhalb der Vorrichtung veränderbar ist. Dadurch vereinfacht sich der Verschaltungsaufwand erheblich, wobei durch die mechanische Bewegung das ausgedünnte Antennenarray dennoch wie ein vollständiges Antennenarray wirkt.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung zusätzlich eine Ultraschallsensorik aufweist, die in der Kontakteinheit integriert ist, wobei das Medium innerhalb der Kontakteinheit gleichzeitig zur Kontaktverbesserung der Ultraschallsensorik dienen kann. Über diese Ultraschallsensorik kann eine weitere Messung aufgenommen werden, deren Messdaten mit den Messdaten der Sende- und Empfangsvorrichtung kombiniert werden können, so dass sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, mit welcher ein Fremdkörper entdeckt wird.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft beschrieben. Gleiche Gegenstände weisen dieselben Bezugszeichen auf. Die entsprechenden Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1 eine räumliche Darstellung der Kontakteinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Kontakteinheit in Form einer Sitzfläche ausgeführt ist;
2 eine räumliche Darstellung der Kontakteinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Oberfläche der Kontakteinheit an eine Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers angepasst ist;
3 eine Seitenansicht der Kontakteinheit zusammen der mit Sende- und Empfangsvorrichtung und weiteren Verarbeitungseinheiten;
4A eine Seitenansicht des zu untersuchenden Körpers zusammen mit einer ersten erfindungsgemäßen Kontakteinheit;
4B eine Seitenansicht des zu untersuchenden Körpers zusammen mit einer ersten und einer zweiten erfindungsgemäßen Kontakteinheit;
5A eine erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung für ein Antennenarray;
5B eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bewegungsvorrichtung für ein Antennenarray;
6A eine erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung für einen Reflektor in einer Kontakteinheit;
6B eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Bewegungsvorrichtung für einen Reflektor in einer Kontakteinheit;
7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und Lokalisierung von Fremdkörpern;
8 ein zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern ohne Verwendung einer Kontakteinheit;
9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern unter Verwendung einer Kontakteinheit;
10 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern unter Verwendung einer Kontakteinheit und einer Bewegungsvorrichtung für ein Antennenarray;
11 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern unter Verwendung einer zweiten Kontakteinheit.
1 zeigt eine räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1. Die Kontakteinheit 1 ist dabei als Sitzkissen ausgebildet und kann auf einen herkömmlichen Stuhl aufgelegt werden, bzw. mit einem Stuhlbeim verschraubt und/oder verklebt werden. Eine Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ist dabei in Form einer Sitzfläche ausgeführt. Die Kontur der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 dient dabei dazu, dass sich ein zu untersuchender Körper 4 in sitzender Position formschlüssig an die Kontakteinheit 1 anpasst. Durch die Gewichtskraft, die dem zu untersuchenden Körper 4 widerfährt, ist sichergestellt, dass außer der Kleidung der keine großen Spalte oder ähnliches zwischen dem zu untersuchenden Körper 4 und der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 vorhanden sind. Die Spaltbreite zwischen dem zu untersuchenden Körper 4 und der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 sollte dabei deutlich kleiner sein, als die Wellenlänge des ausgesendeten Signals. Ansonsten kommt es zu störenden Reflektionen. Um dieses Problem noch besser zu vermeiden, kann die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 auch elastisch ausgeführt sein.
Die Kontakteinheit 1 weist im Weiteren zumindest eine Antenne 2, bevorzugt eine Vielzahl an Antennen 2 auf, die mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden sind. Diese Vielzahl mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Antennen 2 sind zu einem Antennenarray zusammengefasst. Das Antennenarray kann dabei verschiedene Antennenstrukturen enthalten, um dadurch mit einer möglichst hohen Bandbreite betrieben werden zu können. In 1 sind diese Antennen 2 als Patch-Antennen dargestellt, die z. B. auf einer nicht dargestellten Leiterplatte ausgebildet sind. Weiterhin können auch Dipolantennen und/oder Hornantennen innerhalb des Antennenarrays ausgebildet sein. Das Antennenarray muss auch nicht, wie in 1 gezeigt, vollständig gefüllt (ausgebildet) sein. Es ist möglich, dass die Antennen 2 innerhalb des Antennenarrays örtlich unterschiedlich verteilt sind. Es kann Flächen geben, auf denen viele Antennen 2 eng nebeneinander angeordnet sind und es kann Flächen geben, auf denen nur wenige oder auch keine Antennen 2 ausgebildet sind. Ein solches Antennenarray wird auch als ausgedünntes Antennenarray bezeichnet (engl. sparse-array oder thinned-array). Die Positionen und damit der Abstand zwischen den einzelnen Antennen 2 sind allerdings genau bekannt.
Über die einzelnen Antennen 2 des Antennenarrays werden Signale ausgesendet und empfangen bei denen es sich um elektromagnetische Wellen handelt. Vorzugsweise werden die in die Kontakteinheit 1 integrierten Antennen 2 in einem Frequenzbereich von ca. 100 MHz bis ca. 10 GHz betrieben, wobei, wie bereits erwähnt, die Wellenläge größer sein sollte, als eine Spaltbreite zwischen der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 und des zu untersuchenden Körpers 4.
Der Bereich zwischen dem aus einzelnen Antennen 2 bestehenden Antennenarray, welches mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden ist, und der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ist mit einem Medium 6 gefüllt, dessen komplexe Brechzahl oder Permittivität ε_r in etwa der Brechzahl bzw. der Permittivität ε_r des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht. Dadurch werden ungewollte Reflektionen vermieden, weil der Abstand zwischen dem aus einzelnen Antennen 2 bestehenden Antennenarray und dem zu untersuchenden Körper 4 größer als die Wellenlänge des zu sendenden elektromagnetischen Signals sein kann. Obwohl ein menschlicher oder tierischer Körper zu einem großen Teil aus Wasser besteht und mit guter Näherung auch die komplexe Brechzahl von Wasser für den menschlichen Körper angenommen werden darf, sollte auf Wasser als Medium 6 innerhalb der Kontakteinheit 1 verzichtet werden, weil dieses eine zu stark dämpfende Wirkung auf das elektromagnetische Signal besitzt. Dem Fachmann sind allerdings gängige Ersatzstoffe bekannt. Beispielsweise eignen sich öle oder Emulsionen aus verschiedenen ölen.
Die Funktionsweise der als Sitzfläche ausgebildeten Kontakteinheit 1 aus 1 ist wie folgt. Über eine in 1 nicht dargestellte Sendeinheit wird ein zu sendendes elektromagnetisches Signal über eine in 1 nicht dargestellte Schaltmatrix an zumindest eine Antenne 2 des Antennenarrays übertragen und von dieser Antenne ausgesendet. Der Frequenzbereich des elektromagnetischen Signals 23 ist dabei so gewählt, dass das elektromagnetische Signal 23 den zu untersuchenden Körper 4 durchdringen kann. Dadurch, dass das Antennenarray innerhalb der Kontakteinheit 1 in unmittelbarer Nähe zu dem zu untersuchenden Körper 4 angeordnet ist, oder dass die Kontakteinheit 1 mit dem oben genannten Medium 6 ausgefüllt ist, treten keinerlei Reflektionen zwischen dem Antennenarray und der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 4 auf.
Das elektromagnetische Signal 23 durchdringt den menschlichen Körper 4, wobei durch den invasiven Fremdkörper ein Teil des elektromagnetischen Signals 23 wieder reflektiert wird. Dieser Teil wird von den nicht mit der Sendeeinheit 7 verbundenen Antennen 2 innerhalb des Antennenarrays der Kontakteinheit 1 empfangen und über eine in 1 nicht dargestellte Schaltmatrix 9 an eine in 1 nicht dargestellte Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 übertragen. Innerhalb dieser Empfangseinheit 8 wird das empfangene Signal 24 nach Betrag und Phase ausgewertet. Im Weiteren wird die mit der Sendeeinheit 7 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundene Antenne 2 zyklisch mit den mit der Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung verbundenen Antennen 2 getauscht.
Wurde das Signal von allen Antennen 2 oder von den Antennen 2 mit einer bestimmten Antennenstruktur, welche sich für das Aussenden des elektromagnetischen Signals 23 für eine bestimmte Frequenz eignet, ausgesendet, so wird die Frequenz gewechselt. Über die über mehrere Oktaven ermittelten Messdaten, ist eine Materialerkennung möglich, die einen Fremdkörper 20 als solchen erkennen lässt. Aussagen über die Größe und die räumliche Lage des Fremdkörpers 20 innerhalb des zu untersuchenden Körpers 4 sind dadurch möglich.
2 zeigt eine räumliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1. Die Kontakteinheit 1 ist dabei als Rückenlehne ausgebildet, wobei die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 an die Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers 4 angepasst ist. Die als Rückenlehne ausgebildete Kontakteinheit 1 kann dabei ebenfalls mit einem nicht dargestellten Standfuß verschraubt und/oder verklebt sein oder an einer Wand aufgehängt sein. Die Wirkungsweise und der Aufbau ist mit der als Sitzkissen ausgebildeten Kontakteinheit 1 aus 1 identisch, weshalb hiermit auf die Figurenbeschreibung zu 1 verwiesen wird. Die als Rückenlehne ausgebildete Kontakteinheit 1 umschließt dabei die Rückenpartie, beginnend unterhalb der Schulter des zu untersuchenden Körpers 4 und endet zwischen Gesäß und Oberschenkel. Dadurch können deutlich mehr Bereiche im zu untersuchenden Körper 4 untersucht werden, als wenn die Kontakteinheit 1 als Sitzfläche ausgeführt ist.
Die Kontakteinheit 1 in 2 ist, wie die Kontakteinheit 1 in 1, ebenfalls mit einem Medium 6 gefüllt, dessen komplexe Brechzahl, bzw. Permittivität ε_r der des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht. Die Oberfläche 3, der als Rückenlehne ausgeführten Kontakteinheit 1, ist ebenfalls elastisch ausgeführt, so dass diese formschlüssig an verschiedene Körperkonturen angepasst werden kann. Das Antennenarray innerhalb der Kontakteinheit 1 besteht aus einer Vielzahl von Antennen, wobei, wie auch in der Kontakteinheit 1 aus 1, verschiedene Antennenstrukturen zum Einsatz kommen können, um dadurch eine hohe Bandbreite der Vorrichtung in einem Bereich von ungefähr 100 MHZ bis ungefähr 10 GHz erzielen zu können. Die Antennen 2 müssen nicht gleichmäßig, wie in 2 gezeigt, verteilt sein. Wie auch in 1, ist es in 2 möglich, dass es Bereiche in der Kontakteinheit 1 gibt, die über eine hohe Dichte von Antennen 2 verfügen, wohingegen in anderen Bereichen nur wenige oder überhaupt keine Antennen 2 ausgebildet sind.
3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1 zusammen mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 und weiteren Verarbeitungseinheiten. Die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ist dabei an die Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers 4 angepasst und als Rückenlehne, wie aus 2 bekannt, ausgebildet. Eine Vielzahl von Antennen 2 sind innerhalb der Kontakteinheit 1 ausgebildet. Die Position der Antennen 2 in der Kontakteinheit 1 und der Abstand der Antennen 2 zueinander ist dabei genau bekannt. Der Ausrichtungswinkel der Antennen 2 muss nicht bei allen Antennen 2 identisch sein. Die unterste Antenne 2 ist in 3 geneigt ausgebildet, damit Körperregionen, die für verstecke Fremdkörper bevorzugt in Frage kommen, stärker beleuchtet werden können. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Antennen 2 über eine nicht dargestellte Vorrichtung während der Untersuchung des Körpers 4 gezielt und unabhängig voneinander geneigt werden können. Die Antennen 2 des Antennenarrays der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 sind dabei bevorzugt von einem Medium 6 umgeben, dessen komplexe Brechzahl, bzw. Permittivität ε_r der des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht.
Antennentypen, wie z. B. Patch-Antennen, die entsprechend den Antennen 2 in 2 ausgerichtet sind, strahlen das elektromagnetische Signal 23 nicht nur in Richtung des zu untersuchenden Körpers 4 aus, sondern auch in die dem zu untersuchenden Körper 4 entgegengesetzte Richtung. Um zu verhindern, dass Reflektionen, die z. B. durch die rückseitig angebrachte Messelektronik hervorgerufen werden, das Messergebnis beeinflussen, werden breitbandige Absorber 14 eingesetzt. Diese Absorber 14 sollen den Teil des elektromagnetischen Signals 23, welcher in die entgegengesetzte Richtung des zu untersuchenden Körpers 4 ausgesendet wird, absorbieren, um im Weiteren ungewollte Reflektionen zu vermeiden. Einhergehend mit dem Einsatz von Absorbern 14 muss die Befestigung und die Verkabelung der Antennen 2 derart erfolgen, dass ungewollte Reflektionen bestmöglich unterdrückt werden.
Die mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Antennen 2 des Antennenarrays werden über Kabelverbindungen 10 mit einer Schaltmatrix 9 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden. Die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 weist ferner eine Sendeeinheit 7 und eine Empfangseinheit 8 auf. Die Sendeeinheit 7 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 erzeugt ein elektromagnetisches Signal 23 mit einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude. Die Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 misst die ihr zugeführten Signale simultan nach Betrag und Phase. Bevorzugt wird das von der Sendeeinheit 5 erzeugte elektromagnetische Signal 23 nur von einer Antenne 2 des Antennenarrays gleichzeitig ausgesendet. Die Schaltmatrix 9 verbindet daher bevorzugt eine Antenne 2 mit der Sendeeinheit 7. Auf der anderen Seite werden alle Antennen 2, die nicht über die Schaltmatrix 9 mit der Sendeeinheit 7 verbunden sind, über die Schaltmatrix 9 mit der Empfangseinheit 8 verbunden. Antennen die sich nicht für den Empfang der Frequenz des ausgesendeten elektromagnetischen Signals 23 eigen, müssen nicht mit der Empfangseinheit 8 verbunden werden. Dadurch wird ein zusätzlicher Kopplungsaufwand eingespart. Die Schaltmatrix 9 weist dabei eine geringe Dämpfung über den zu nutzenden Frequenzbereich auf. Das Dämpfungsverhalten der Schaltmatrix 9 kann ferner in Kalibrationsdaten gespeichert werden.
Weiterhin weisen die Kabelverbindungen 10 bevorzugt die gleiche Länge auf, so dass die Signallaufzeiten jeder Antenne 2 zu der Sendeeinheit 7 und der Empfangseinheit 8 ebenfalls gleich lang sind. Bei Einsatz unterschiedlicher Kabellängen können ebenfalls Kalibrationsdaten dazu verwendet werden, dass die unterschiedlichen Signallaufzeiten berücksichtigt werden. Die Kalibrationsdaten für die Kabel 10 können ebenfalls die Kabeldämpfung enthalten. Die mit der Sendeeinheit 7 verbundene Antenne 2 sendet das elektromagnetische Signal 23 aus, wohingegen die anderen Antennen 2 mit der Empfangseinheit 8 verbunden sind, die das reflektierte Signal 24 nach Betrag und Phase misst.
Im Weiteren wird die Frequenz mehrfach verändert, so dass z. B. ein Frequenzbereich von ungefähr 100 MHz bis zu ungefähr 10 GHz mit einer vorbestimmten Schrittweite durchlaufen wird. Für jede Frequenz werden die empfangenen reflektierten elektromagnetischen Signale 24 des durch die Sendeeinheit 7 erzeugten elektromagnetischen Signals 23 durch die Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 zu Messdaten verarbeitet und in einer Speichereinheit 11 gespeichert. Die Sendeeinheit 7 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 speichert die Frequenz und die Amplitude des elektromagnetischen Signals 23 in der Speichereinheit 11 ab. In der Speichereinheit 11 wird auch erfasst, welche der Antennen 2 das elektromagnetische Signal 23 sendet und welche der Antennen ein elektromagnetisches Signal empfangen.
Anschließend wird über die Schaltmatrix 9 eine andere Antenne 2 mit der Sendeeinheit 7 verbunden und es wird erneut der voreingestellte Frequenzbereich durchlaufen und die Messdaten gespeichert. Stehen für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedliche Antennenstrukturen zur Auswahl, so wird über die Schaltmatrix 9 auf den Antennentyp gewechselt, der eine bestmögliche Abstrahlung und einen bestmöglichen Empfang des elektromagnetischen Signals für die entsprechende Frequenz ermöglicht.
Die von der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 ausgesendeten elektromagnetischen Signale 23 sind dabei multifrequent.
Nach Beendigung der Messung liest eine Auswerteeinheit 12 die Messdaten aus der Speichereinheit 11 aus, berechnet die Lage und die Größe des invasiven Fremdkörpers 4 und wandelt diese in darzustellende Bilddaten um. Die Auswerteeinheit 12 greift dabei auch auf vorhandene Kalibrierdaten zurück, die z. B. die verschiedenen Kabellängen, den Antennengewinn der einzelnen Antennen oder das Dämpfungsverhalten der Schaltmatrix 9 beinhaltet.
Die ausgewerteten Messdaten werden im Folgenden durch die Auswerteeinheit 12 als Bilddaten an die Anzeigeeinheit 13 übergeben. Die Anzeigeeinheit 13 stellt die ausgewerteten Messdaten auf einer Bildschirmeinheit dar. Dadurch, dass die Bandbreite der von der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 ausgesandten multifrequenten Signale bevorzugt mehrere Oktaven umfasst, ist eine Materialunterscheidung mittels der Messdaten möglich, so dass ein Fremdkörper 4 zuverlässig erkannt werden kann.
4A zeigt in einer Seitenansicht den zu untersuchenden Körpers 4 zusammen mit der erfindungsgemäßen Kontakteinheit 1. Die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ist dabei an die Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers 4 angepasst und als Rückenlehne, wie in 2 dargestellt, ausgebildet. Gut zu erkennen ist, dass die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 den zu untersuchenden Körper 4 ab unterhalb der Schulterpartie bis zur Gesäß-, bzw. Oberschenkelpartie formschlüssig umschließt. Natürlich ist es möglich die Kontakteinheit 1 derart zu erweitern, dass sie weitere Körperpartien umfasst. Zu erkennen sind Spalte 21 zwischen der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 und der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 4, die sich aus einem möglichen Luftspalt und der Dicke der Kleidung ergibt. Dadurch, dass die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 die Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers 4 nachbildet und die Oberfläche 3 zusätzlich elastisch ausgeführt ist, ist die Spaltweite des Spalts 21 geringer als die Wellenlänge des gesendeten elektromagnetischen Signals 23 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5.
Zu erkennen ist weiterhin ein Fremdkörper 20 innerhalb des zu untersuchenden Körpers 4. Die Antennen 2 des Antennenarrays sind entsprechend den Erläuterungen zu 3 verschalten. Eine Antenne 2 sendet ein elektromagnetisches Signal 23 aus. Dieses durchdringt die Kontakteinheit 1 und dringt in den zu untersuchenden Körper 4 ein. Reflektionen an Grenzschichten sind aufgrund des Einsatzes eines Mediums 6 mit einer komplexen Permittivität ε_r, die ungefähr der des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht, sowie der formschlüssigen Anlage der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 an den zu untersuchenden Körper 4 zu vernachlässigen.
Das ausgesendete elektromagnetische Signal 23 trifft auf den invasiven Fremdkörper 20, wobei sich die komplexe Brechzahl bzw. Permittivität ε_r des invasiven Fremdkörpers 20 von der des zu untersuchenden Körpers 4 unterscheidet. Dies führt dazu, dass zumindest ein Teil des ausgesendeten Signals 23 reflektiert wird. Das reflektierte Signal 24 durchdringt den zu untersuchenden Körper 4 und die Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 und wird von zumindest einer Antenne 2 empfangen. Das empfangene Signal wird, wie bereits zu 3 erläutert, über die Schaltmatrix 9 einer Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 zugeführt und nach Betrag und Phase erfasst. Die Kabelverbindung 10 verbindet die Kontakteinheit 1 mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5. Bevorzugt sind aber zumindest die Schaltmatrix 9, die Sendeeinheit 7 und die Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 bereits in die Kontakteinheit 1 integriert, so dass die Kabelverbindungen 10 zu den Antennen 2 des Antennenarrays möglichst kurz und von gleicher Länge sind.
Über die Kabelverbindung 25 ist in diesem Fall die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 mit der Speichereinheit 11 verbunden. Allerdings kann in einem weiteren nicht dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Speichereinheit 11 und die Auswerteeinheit 12 ebenfalls zusammen mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 in die Kontakteinheit 1 hinter den Absorbern 14 integriert sein. Über die Kabelverbindung 25 werden dann einzig die Anzeigeeinheit 13 und eine nicht dargestellte Eingabeeinheit mit der Auswerteeinheit 12 verbunden. Bei der Speichereinheit 11 und der Auswerteeinheit 12 kann es sich um Komponenten handeln, die in einen Computer, z. B. in einen Personal Computer in Software implementiert sind.
4B zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zu Detektion und Lokalisierung eines invasiven Fremdkörpers 20. Im Unterschied zu der Vorrichtung aus 4A weist die Vorrichtung aus 4B zwei Kontakteinheiten 1 und 31 auf, wobei der zu untersuchende Körper 4 durch Reflektionsmessungen und/oder Transmissionsmessungen auf invasive Fremdkörper 20 untersucht wird. Die zweite Kontakteinheit 31 ist dabei als Handsonde ausgebildet. Der Aufbau der zweiten Kontakteinheit 31 ist identisch zu dem Aufbau der Kontakteinheit 1. Eine Oberfläche 36 der zweiten Kontakteinheit 31 ist ebenfalls elastisch ausgebildet. Die zweite Kontakteinheit 31 weist ebenfalls ein aus Antennen 33 gebildetes Antennenarray auf, das dem aus der Kontakteinheit 1 entspricht, mit der Ausnahme, dass das Antennenarray der Kontakteinheit 31 weniger Antennen 33 aufweist, als das Antennenarray der Kontakteinheit 1. Zwischen den Antennen 33 und der Oberfläche 36 der Kontakteinheit 31 ist ein Medium 32 ausgebildet, dessen komplexe Brechzahl bzw. Permittivität ε_r der des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht.
Über einen Haltebügel 35 kann die zweite Kontakteinheit 31 von einer ausgebildeten Person derart an den zu untersuchenden Körper 4 angepresst werden, dass neben Reflektionsmessungen auch Transmissionsmessungen eingesetzt werden können, um invasive Fremdkörper 20 zu entdecken. Über eine Kabelverbindung 37 ist die zweite Kontakteinheit 31 mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 oder mit einer zweiten nicht dargestellten Sende- und Empfangsvorrichtung verbunden. Über nicht dargestellte Bewegungssensoren und/oder Positionssensoren kann die räumliche Lage der als Handsonde ausgebildeten zweiten Kontakteinheit 31 ermittelt werden. Gerade die Position der Antennen 33 der zweiten Kontakteinheit 31 ist in Bezug auf die Position der Antennen 2 der Kontakteinheit 1 für die Messungen entscheidend.
Gut zu erkennen ist ein Fremdkörper 20 innerhalb des zu untersuchenden Körpers 4. Ein elektromagnetisches Signal 23 wird von einer Antenne 2 des Antennenarrays, welches mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden ist, ausgesendet und durchdringt, wie schon beschrieben, den zu untersuchenden Körper 4. Ein Teil des elektromagnetischen Signals 23 wird reflektiert und dieses elektromagnetische Signal 24 kann von den Antennen 2 des Antennenarrays der Kontakteinheit 1 empfangen werden. Ein Teil des elektromagnetischen Signals 23 wird durch den invasiven Fremdkörper 4 allerdings auch in Richtung der zweiten Kontakteinheit 31 reflektiert und/oder transmittiert. Dieses weitere elektromagnetische Signal 30 wird dann von den Antennen 33 des Antennenarrays der zweiten Kontakteinheit 31 empfangen und an die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 oder an eine weitere Sende- und Empfangsvorrichtung weitergeleitet und dort nach Betrag und Phase erfasst und als Messdaten der zweiten Kontakteinheit 31 zusammen mit den Positionsdaten der zweiten Kontakteinheit 31 in der Speichereinheit 11 oder in einer weiteren Speichereinheit gespeichert. Die Auswerteeinheit 12 hat im Folgenden Zugriff auf die Messdaten und die Positionsdaten der zweiten Kontakteinheit 31 und kann zusammen mit den Messdaten der Kontakteinheit 1 die Größe und die Position des invasiven Fremdkörpers 4 genau bestimmen.
Das Antennenarray der zweiten Kontakteinheit 31 kann verschiedene Antennenstrukturen umfassen, damit die zweite Kontakteinheit dadurch mit einer möglichst hohen Bandbreite betrieben werden kann. Die Antennen 33 des Antennenarrays der zweiten Kontakteinheit 31 können entsprechend den Antennen 2 der ersten Kontakteinheit 1 angeordnet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine oder mehrere der Antennen 33 der zweiten Kontakteinheit 31 ein elektromagnetisches Signal aussenden, und dass über die Antennen 2 des Antennenarrays der ersten Kontakteinheit 1 Reflektionen und/oder Transmissionen von diesem elektromagnetischen Signal gemessen werden. Über die zweite Kontakteinheit 31 kann bevorzugt ein zu untersuchender Körper 4 näher untersucht werden, bei dem bereits mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein invasiver Fremdkörper 20 festgestellt wurde.
In einem weiteren, nicht dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, weist die Vorrichtung hierzu zusätzlich eine Ultraschallsensorik auf. Die Ultraschallsensorik kann dabei in der Kontakteinheit 1 und/oder in der zweiten Kontakteinheit 31 integriert sein, wobei das Medium 6, 32 gleichzeitig zur Kontaktverbesserung der Ultraschallsensorik dient. Die Ultraschallsensorik kann auch in einer separaten Kontakteinheit integriert sein, deren Aufbau analog zur Kontakteinheit 31 erfolgt und ein weiteres Medium in dieser separaten Kontakteinheit dient dabei zur Kontaktverbesserung der Ultraschallsensorik. Die Ultraschallsensorik ist mit der Sendeeinheit 7 und der Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden, wobei die Sendeeinheit 7 und die Empfangseinheit 8 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 über einen separaten Ausgang mit der Ultraschallsensorik kommuniziert. Ebenfalls ist es möglich, dass die Ultraschallsensorik mit einer separaten Sendeeinheit und einer separaten Empfangseinheit verbunden ist.
Mittels Bewegungssensoren und/oder Positionssensoren kann die genaue Lage des Sendekopfs der Ultraschallsensorik ermittelt werden. Die empfangenen Messsignale werden von der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 in Messdaten der Ultraschallsensorik umgewandelt und zusammen mit den Positionsdaten des Sendekopfs der Ultraschallsensorik in einer Speichereinheit 11 gespeichert. Die Auswerteeinheit 12 liest die Mess- und Positionsdaten der Ultraschallsensorik, sowie die Messdaten der Kontakteinheit 1 und gegebenenfalls die Messdaten der Kontakteinheit 31 aus der Speichereinheit 11 aus und berechnet die Lage und die Größe des invasiven Fremdkörpers 20 und erzeugt hierzu Bilddaten, die von der Auswerteeinheit 12 an die Anzeigeeinheit 13 übermittelt werden. Die Messdaten der Ultraschallsensorik können dabei parallel oder sequentiell zu den Messdaten der Kontakteinheit 1 und der Kontakteinheit 31 erfasst werden.
5A zeigt eine erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung für ein Antennenarray einer Kontakteinheit 1, welche mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden ist. Wie ersichtlich ist, nimmt bei einer zunehmenden Anzahl an Antennen 2 der Verkabelungsaufwand und der Verschaltungsaufwand innerhalb der Schaltmatrix 9 stark zu. Daher wird in diesem Ansatz das Ziel verfolgt den Verkabelungsaufwand und den Verschaltungsaufwand möglichst gering zu halten, indem das Antennenarray der Kontakteinheit 1 über nur eine oder wenige Antennenzeilen verfügt, deren räumliche Lage durch eine mechanische Bewegung innerhalb der Kontakteinheit 1 veränderbar ist. In 5A weist das Antennenarray eine einzige Antennenzeile auf. Die einzelnen Antennen 2 sind dabei auf einem Schlitten 40 montiert, der z. B. aus einem Platinenmaterial bestehen kann. Der Schlitten 40 wird dabei entlang von zwei Schienen 42 bewegt, die über die Bohrlöcher 41 mit der Kontakteinheit 1 fest verschraubt sind.
Die Schienen 42 weisen in ihrer Mitte eine Nut 43 zur Spurführung auf, in die ein nicht dargestelltes Antriebsrad des Schlittens 40 greift. Die Nut 43 ist bevorzugt mit Querrillen versehen, wobei das Antriebsrad des Schlittens 40 als Zahnrad ausgeführt ist und in diese Querrillen greift. Dadurch kann der Schlitten 40 auf besonders einfache Weise innerhalb des Mediums 6 bewegt werden, welches eine flüssige bis zähflüssige Konsistenz aufweist. Das Antriebsrad kann dabei durch einen elektrischen Motor oder einen hydrostatischen Motor angetrieben werden. Durch die mechanische Bewegung des Schlittens 40, welcher eine Antennenzeile oder mehrere Antennenzeilen aufweist, kann eine räumliche Auflösung wie bei einem voll ausgebildetes Array, wie es in 1 und 2 dargestellt ist, erreicht werden. Nicht alle verfügbaren Plätze für Antennen 2 der Antennenzeile aus 5A müssen dabei auch besetzt sein. Bleiben einige Plätze unbesetzt, so wirkt die Antennenzeile wie ein ausgedünntes Antennenarray, wie es in 1 und 2 schon ausführlich erläutert wurde.
5B zeigt eine weitere erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung für ein Antennenarray der mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Kontakteinheit 1. Der Schlitten 40, auf welchem die einzelnen Antennen 2 als eine Antennenzeile angeordnet sind, ist dabei durch eine Bohrung 44 derart mit einem Antriebsmotor verbunden, dass eine rotatorische Bewegung in Umlaufrichtung erfolgt. Der Aufbau ist deutlich einfacher, als in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel aus 5A, wobei durch den Wegfall der Schienen 42 weitere ungewollte Reflektionen vermieden werden.
6A zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Bewegungsvorrichtung für eine Kontakteinheit 1. Ein aus einer oder mehreren Antennen 2 bestehendes Antennenarray ist dabei auf einer Unterlage 51 innerhalb der Kontakteinheit 1 angebracht. Das Antennenarray kann im Gegensatz zu dem Antennenarray aus 5A und 5B nicht bewegt werden. Stattdessen ist neben dem Antennenarray eine Bewegungsvorrichtung angeordnet, wie sie bereits aus der 5A bekannt ist, auf die hiermit verwiesen wird. Der einzige Unterschied besteht darin, dass auf dem Schlitten 40 keine Antennen 2 angeordnet sind, sondern ein Reflektor 50 angeordnet ist. Dieser Reflektor 50 kann dabei aus einem einzigen Reflektor 50 bestehen oder aus mehreren kleinen Reflektoren 50 aufgebaut sein, die eng zusammen angeordnet sind und gegebenenfalls unterschiedlich geneigt sind. Durch die mechanische Bewegung des Schlittens 40, welcher den Reflektor 50 aufweist, kann eine räumliche Auflösung, wie von der des voll ausgebildeten Arrays, wie es in 1 und 2 dargestellt ist, erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist daran, dass die Kabelzuführungen zu den Antennen 2 keinen mechanischen Belastungen unterworfen sind, wie dies bei Bewegung der Antennen 2 der Fall wäre.
6B zeigt eine weitere erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung für eine Kontakteinheit 1. Der Schlitten 40, auf welchem der Reflektor 50 angeordnet ist, ist dabei durch eine Bohrung 44 derart mit einem Antriebsmotor verbunden, dass eine rotatorische Bewegung in Umlaufrichtung erfolgt. Der Reflektor kann dabei auch aus mehreren einzelnen Reflektoren 50 bestehen, die eng zusammen angeordnet sind und gegebenenfalls unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen. Der Aufbau erfolgt deutlich einfacher, als in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel aus 6A. Die mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Antennen 2 sind auf einer Unterlage 51 neben dem Schlitten 40 angebracht. Durch die Drehbewegung des Schlittens 40, welcher den Reflektor aufweist, kann eine räumliche Auflösung, wie von der des voll ausgebildeten Arrays, wie es in 1 und 2 dargestellt ist, erreicht werden.
In einer weiteren nicht dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich einen mm-Wellen Scanner auf. Über diesen mm-Wellenscanner ist es möglich, die genauen Körperkonturen des zu untersuchenden Körpers 4 zu erfassen. Die als Sitzkissen und/oder als Rückenlehne ausgebildete Kontakteinheit 1 dient weiterhin dazu, den zu untersuchenden Körper 4 optimal innerhalb des mm-Wellenscanners zu platzieren. Hierzu ist die als Sitzkissen ausgebildete Kontakteinheit 1 z. B. höhenverstellbar. Der mm-Wellenscanner dient dabei dazu, diejenigen Körperpartien auf unter der Kleidung versteckte Fremdkörper zu untersuchen, die von der Kontakteinheit 1 nicht abgedeckt werden müssen. Bei den Bereichen handelt es sich z. B. um Fuß- und Armbereiche. Das von dem mm-Wellenscanner erzeugte Körperprofil des zu untersuchenden Körpers kann ebenfalls in der Speichereinheit 11 gespeichert werden. Die Auswerteinheit 12 erstellt im Folgenden Bilddaten, die den invasiven Fremdkörper 20 in dem vom mm-Wellenscanner erzeugten Körperprofil zeigen. Dadurch ist eine realistischere Darstellung möglich. Weitere an der Körperoberfläche angebrachte Gegenstände können dabei ebenfalls besonders gut visualisiert werden.
7 beschreibt ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern 20, die in einen zu untersuchenden Körper 4 eingebracht sind, indem Antennen 2 mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbunden werden. Das Verfahren besteht aus mehreren Verfahrensschritten. In einem ersten Verfahrensschritt S₁ wird ein elektromagnetisches Signal 23 in einer Sendeeinheit 7 der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 erzeugt und über zumindest eine Antenne 2 in Richtung des zu untersuchenden Körpers 4 ausgesendet.
In einem zweiten Verfahrensschritt S₂, welcher auf den ersten Verfahrensschritt S₁ folgt, wird durch zumindest eine Antenne 2 das reflektierte und/oder transmittierte Signal empfangen und an die Empfangsvorrichtung 8 weitergeleitet, welche dieses nach Betrag und Phase erfasst und dabei das empfangene Signal zu Messdaten verarbeitet. Alle Antennen 2, die über die Schaltmatrix 9 mit der Empfangseinheit 8 verbunden sind, werden dabei gleichzeitig abgefragt.
In einem darauffolgenden dritten Verfahrensschritt S₃ werden die Messdaten gespeichert. Die Messdaten umfassen dabei auch die Frequenz und die Amplitude des elektromagnetischen Signals, sowie die Stellung der Schaltmatrix 9. Diese Messdaten werden in der Speichereinheit 11 gespeichert.
In dem darauffolgenden vierten Verfahrensschritt S₄ wird über die Schaltmatrix 9 eine andere Antenne 2 mit der Sendeeinheit 7 verbunden. Die zuvor mit der Sendeeinheit 7 verbundene Antenne 2 wird im Folgenden durch die Schaltmatrix 9 mit der Empfangseinheit 8 verbunden. Anschließend werden die Verfahrensschritte S₁, S₂ und S₃ wiederholt. Dieses zyklische Tauschen der mit der Sendeeinheit 7 verbundenen Antenne 2 kann solange stattfinden, bis jede für die Frequenz des elektromagnetischen Signals geeignete Antenne 2 einmal mit der Sendeeinheit 7 verbunden war.
In einem fünften Verfahrensschritt S₅ wird die Frequenz des zu sendenden elektromagnetischen Signals 23 mehrfach verändert, so dass ein voreingestellter Frequenzbereich mit einer voreingestellten Schrittweite durchlaufen wird. Sobald eine neue Frequenz für das elektromagnetische Signal 23 eingestellt ist, werden die Schritte S₁, S₂, S₃ und S₄ erneut durchlaufen. Sobald der voreingestellte Frequenzbereich mit der voreingestellten Schrittweite durchlaufen ist, wird der Verfahrensschritt S₆ ausgeführt.
Im Verfahrensschritt S₆ liest eine Auswerteeinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherten Messdaten aus und beginnt diese auszuwerten. Die ausgewerteten Messdaten werden als Bilddaten einer Anzeigeeinheit 13 übergeben, die diese auf einem Anzeigeelement darstellt.
Bei den Verfahrensschritten S₁ bis S₆ handelt es sich um grundlegende Verfahrensschritte, die auch in den weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten Anwendung finden.
8 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 7. Die mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Antennen 2 eines Antennenarrays sind derart beabstandet von dem zu untersuchenden Körper 4 angeordnet, dass auf einer Länge zwischen den Antennen 2 des Antennenarrays und der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 4 eine Luftschicht ausgebildet ist, wobei die Länge größer sein kann, als die Wellenlänge des elektromagnetischen Signals 23.
In einem ersten Schritt S₇ wird ein erster Frequenzbereich des von der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 erzeugten und ausgesendeten elektromagnetischen Signals 23 so gewählt, dass das gesendete elektromagnetische Signal 23 den zu untersuchenden Körper 4 nicht oder nur wenig durchdringt, sondern stattdessen von diesem reflektiert wird. Der Frequenzbereich wird dabei entsprechend dem Frequenzbereich gewählt, wie er bei mm-Wellenscannern (mm-Wellenabtaster) Anwendung findet. Zu betonen ist dabei, dass das elektromagnetische Signal von dem zu untersuchenden Körper 4 reflektiert wird und nicht von der Kleidung des zu untersuchenden Körpers 4. Das Antennenarray (Antennenfeld) weist dabei Antennen 2 auf, die für diesen Frequenzbereich geeignet sind.
Ein weiterer Verfahrensschritt S₈ beinhaltet die Verfahrensschritte S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅ aus dem Verfahren aus 7. Diese werden entsprechend der Beschreibung zu 7 ausgeführt.
Im Anschluss daran wird der Verfahrensschritt S₉ ausgeführt. In diesem Verfahrensschritt wird ein zweiter Frequenzbereich des von der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 erzeugten und ausgesendeten elektromagnetischen Signals 23 so festgelegt, dass das gesendete elektromagnetische Signal 23 in den zu untersuchenden Körper 4 eindringt. Ein Frequenzbereich von ca. 100 MHz bis ca. 10 GHz erweist sich dabei als besonders vorteilhaft. Das Antennenarray verfügt hierfür über Antennen 2, die für diesen Frequenzbereich geeignet sind.
Im nächsten Verfahrensschritt S₁₀ werden die Verfahrensschritte S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅ aus dem Verfahren aus 7 ausgeführt. Dieses erfolgt analog zu der Beschreibung zu 7. Aufgrund des großen Luftspalts, einhergehend mit einer starken Änderung der komplexen Brechzahl bzw. Permittivität ε_r kommt es bei dem zweiten Frequenzbereich dennoch zu starken Reflektionen, sobald das elektromagnetische Signal 23 auf den zu untersuchenden Körper 4 auftrifft. Diese Reflektionen sind in den Messdaten für den zweiten Frequenzbereich enthalten. Um allerdings Rückschlüsse auf invasive Fremdkörper 20 ziehen zu können, müssen diese Reflektionen herausgerechnet werden.
Dies erfolgt in dem Verfahrensschritt S₁₁, indem die Messdaten für den ersten Frequenzbereich zur Korrektur für die Messdaten des zweiten Frequenzbereichs herangezogen werden. Die Messungen selbst laufen derart schnell ab, dass davon ausgegangen werden darf, dass sich der zu untersuchende Körper 4 zwischen den Verfahrensschritten S₈ und S₁₀ nicht oder nur minimal bewegt. Durch das nach Betrag und Phase ausgewertete elektromagnetische Signal des ersten Frequenzbereichs lässt sich sehr gut eine Kontur des zu untersuchenden Körpers 4 ermitteln. Im Verfahrensschritt S₁₁ wird dabei der Teil des empfangenen elektromagnetischen Signals für den zweiten Frequenzbereich verworfen, welcher aufgrund der Signallaufzeit einer Reflektion an der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers zuzuordnen ist. Der im Anschluss daran verbleibende Teil des elektromagnetischen Signals, welcher auf Reflektionen und/oder Transmissionen im Inneren des zu untersuchenden Körpers 4 hindeutet, kann zusätzlich mit Kalibrierdaten in einer Tabelle gewichtet werden, die in der Speichereinheit hinterlegt sind. Diese Kalibrierdaten beinhalten die Dämpfung eines elektromagnetischen Signals in Abhängigkeit der Frequenz in dem zu untersuchenden Körper 4. Dadurch kann eine genauere Detektion eines invasiven Fremdkörpers 20 erfolgen.
Im nächsten Verfahrensschritt S₁₂ werden die korrigierten Messdaten des zweiten Frequenzbereichs in einer Speichereinheit 11 gespeichert.
Im Verfahrensschritt S₁₃ liest eine Auswerteeinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherten korrigierten Messdaten für den zweiten Frequenzbereich aus und beginnt diese auszuwerten. Die ausgewerteten korrigierten Messdaten des zweiten Frequenzbereichs werden als Bilddaten einer Anzeigeeinheit 13 übergeben, die diese auf einem Anzeigeelement darstellt.
9 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 7. Die mit der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 verbundenen Antennen 2 sind gemäß einem ersten Verfahrensschritt S₁₄ in die Kontakteinheit 1 eingebracht. Eine Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ist dabei elastisch ausgebildet und formschlüssig an den zu untersuchenden Körper 4 angepasst. Innerhalb der Kontakteinheit 1 ist zwischen den Antennen 2 und der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 ein Medium 6 ausgebildet, dessen komplexe Brechzahl bzw. Permittivität ε_r in etwa der des zu untersuchenden Körpers 4 entspricht. Weiterhin wird ein Frequenzbereich von z. B. ca. 100 MHz bis ca. 10 GHz für das zu sendende elektromagnetische Signal 23 ausgewählt, so dass dieses besonders gut in den zu untersuchenden Körper 23 eindringen kann.
In dem zweiten Verfahrensschritt S₁₅ werden die Verfahrensschritte S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ und S₆ für den im Verfahrensschritt S₁₄ festgelegten Frequenzbereich ausgeführt.
10 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 9. Im Antennenarray der Kontakteinheit 1 sind dabei nur eine oder wenige Antennenzeilen ausgebildet, die durch eine Bewegungseinrichtung in ihrer Position verschoben werden können. Eine solche Anordnung ist z. B. in 5A und 5B gezeigt.
Ein erster Verfahrensschritt S₁₆ ist identisch mit dem zuvor schon beschriebenen Verfahrensschritt S₁₄, auf den hiermit verwiesen wird.
Im nächsten Verfahrensschritt S₁₇ werden die bereits beschriebenen Verfahrensschritte S₁, S₂, S₃, S₄ und S₅ ausgeführt. Im Verfahrensschritt S₃ wird allerdings zusätzlich die aktuelle Position der Antennen 2 gespeichert.
In einem weiteren Verfahrensschritt S₁₈ wird das Antennenarray mehrfach mit einer vorbestimmten Schrittweite verschoben. Dies kann gemäß 5A durch ein Hoch- bzw. Runterfahren des Schlittens 40 geschehen oder gemäß 5B durch Drehen des Schlittens 40 um einen bestimmten Winkel. Nachdem die Bewegung gestoppt ist, wird erneut der Verfahrensschritt S₁₇ ausgeführt. Der Verfahrensschritt S₁₈ wird so oft ausgeführt, bis eine gewünschte Fläche durch das Antennenarray abgedeckt wurde.
Anschließend wird der Verfahrensschritt S₁₉ ausgeführt. Im Verfahrensschritt S₁₉ liest eine Auswerteeinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherten Messdaten aus und beginnt diese auszuwerten. Dabei werden die Positionsdaten der einzelnen Antennen 2 des Antennenarrays mit berücksichtigt. Die ausgewerteten Messdaten werden als Bilddaten einer Anzeigeeinheit 13 übergeben, die diese auf einem Anzeigeelement darstellt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines nicht dargestellten Verfahrens ist sehr ähnlich zu dem Verfahren aus 10. Der einzige Unterschied ist, dass im Verfahrensschritt S₃ nicht die Position der Antennen 2 gespeichert wird, sondern die Position des Reflektors 50. Im Verfahrensschritt S₁₈ wird nicht das Antennenarray durch eine Bewegungseinrichtung verschoben, sondern der Reflektor 50. Folglich wird im Verfahrensschritt S₁₉ auch nicht die Position der Antennen 2 berücksichtigt, sondern die Position des Reflektors 50.
11 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 9 oder 10. Die Vorrichtung selbst umfasst dabei noch eine als Handsonde ausgebildete zweite Kontakteinheit 31, wie sie in 4B beschrieben ist, worauf hiermit verwiesen wird.
Diese Handsonde weist optional noch eine Ultraschallsensorik auf.
Im ersten Verfahrensschritt S₂₀ wird die Handsonde bevorzugt auf den der Oberfläche 3 der Kontakteinheit 1 gegenüberliegenden Teil des zu untersuchenden Körpers 4 gepresst. Neben Reflektionsmessungen erlaubt die als Handsonde ausgebildete zweite Kontakteinheit 31 auch Transmissionsmessungen. In einem zweiten Verfahrensschritt S₂₁ wird über Bewegungs- und/oder Positionssensoren die exakte Position der als Handsonde ausgebildeten zweiten Kontakteinheit 31 ermittelt.
In einem dritten Verfahrensschritt S₂₂ werden die Verfahrensschritte der Verfahren aus 9 und 10 ausgeführt. Es ist zu beachten, dass im Verfahrensschritt S₂ ebenfalls das reflektierte und/oder transmittierte elektromagnetische Signal in der zweiten als Handsonde ausgebildeten Kontakteinheit 31 erfasst wird. Dieses elektromagnetische Signal wird im Weiteren in dem Verfahrensschritt S₃ in der Speichereinheit 11 gespeichert. Optional kann über die Antennen 33 des Antennenarrays der zweiten Kontakteinheit 31 auch ein elektromagnetisches Signal ausgesendet werden, so dass über die Antennen 2 der Kontakteinheit 1 ein transmittiertes Signal empfangen wird. In diesem Fall können im Verfahrensschritt S₄ in dem zyklischen Tauschen auch die Antennen 33 des Antennenarrays aus der zweiten Kontakteinheit 31 mit eingebunden werden.
Optional kann vor, während oder nach der Messung mit einem elektromagnetischen Signal die Ultraschallsensorik eingeschalten werden. Die von der Ultraschallsensorik erzeugten Messdaten werden ebenfalls in der Speichereinheit 11 abgespeichert.
Anschließend wird der Verfahrensschritt S₆ im Verfahrensschritt S₂₂ ausgeführt. Im Verfahrensschritt S₆ liest eine Auswerteeinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherten Messdaten aus und beginnt diese auszuwerten. Dabei werden die zusätzlichen Messdaten und Positionsdaten der zweiten Kontakteinheit und auch optional der Ultraschallsensorik berücksichtigt. Die ausgewerteten Messdaten werden als Bilddaten einer Anzeigeeinheit 13 übergeben, die diese auf einem Anzeigeelement darstellt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Elemente sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar. Beispielsweise ist es auch möglich, die Trennung der den einzelnen Antennen zugeordneten Signale in anderer Weise als über eine Schaltmatrix vorzunehmen. Die den einzelnen Antennen zugeordneten Signale können beispielsweise durch Modulation mit einer orthogonalen Frequenz orthogonalisiert werden. Dann können alle Antennen gleichzeitig Senden und Empfangen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6965340 B1 [0003, 0004]

Claims

Vorrichtung zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern (20), die in einen zu untersuchenden Körper (4) eingebracht sind, wobei die Vorrichtung zumindest eine Kontakteinheit (1), die mit zumindest einer Sende- und Empfangsvorrichtung (5) verbunden ist, aufweist, wobei die Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ein Signal (23) aussendet und das reflektierte und/oder transmittierte Signal nach Betrag und Phase misst und wobei eine Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) einer Kontur des zu untersuchenden Körpers (4) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) elastisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Signal (23) um elektromagnetische Wellen, insbesondere in einem Frequenzbereich von ca. 100 MHz bis ca. 10 GHz handelt, wobei deren Wellenlänge größer ist, als eine Spaltbreite (21) zwischen dem zu untersuchenden Körper (4) und der Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1).
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich innerhalb der Kontakteinheit (1) zwischen zumindest einer Antenne (2) und der an den zu untersuchenden Körper (4) angrenzenden Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) mit einem Medium (6) gefüllt ist, dessen Permittivität ε_r der des zu untersuchenden Körpers (4) in etwa entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ausgesandten Signale (23) multifrequent sind und/oder die an die Sende- und Empfangsvorrichtung angeschlossenen Antennen entweder multistatisch oder bistatisch oder monostatisch ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) in Form einer Sitzfläche für den zu untersuchenden Körper (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) an eine Rückenkontur des zu untersuchenden Körpers (4) angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zweite Kontakteinheit (31) aufweist und die zweite Kontakteinheit (31) als eine Handsonde ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Lage der zweiten Kontakteinheit (31) durch einen Bewegungssensor und/oder Positionssensor bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsvorrichtung (5) mit einem Antennenarray verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray nur eine oder wenige Antennenzeilen oder nur einzelne Antennen (2) aufweist, deren räumliche Lage durch eine mechanische Bewegung innerhalb der Kontakteinheit (1) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray aus einer oder mehreren einzelnen feststehenden Antennen (2) besteht und die Vorrichtung weiterhin einen Reflektor (50) aufweist, dessen räumliche Lage durch eine mechanische Bewegung innerhalb der Kontakteinheit (1) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Ultraschallsensorik aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensorik in der Kontakteinheit (1) und/oder in der Kontakteinheit (31) integriert ist und das Medium (6,32) gleichzeitig zur Kontaktverbesserung der Ultraschallsensorik dient.
Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von invasiven Fremdkörpern (20), die in einen Körper (4) eingebracht sind, mit zumindest einer mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung (5) verbundenen Antenne (2) mit den folgenden Verfahrensschritten: – Erzeugen und Aussenden eines elektromagnetischen Signals (23) mit einer Sendeeinheit (7) der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) über zumindest eine Antenne (2) in Richtung des zu untersuchenden Körpers (4), – Empfangen des vom Fremdkörper (20) reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Signals (24,36) über zumindest eine Antenne (2) einer Empfangseinheit (8) der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) nach Betrag und Phase und Verarbeiten des empfangenen Signals zu Messdaten – Speichern der Messdaten und – Auswerten der Messdaten durch eine Auswerteeinheit (12) und Anzeigen der ausgewerteten Messdaten als Bilddaten.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch – zyklisches Tauschen der mit der Sendeeinheit (7) und Empfangseinheit (8) verbundenden Antenne (2) durch die Matrix (9) und Wiederholen der vorangegangenen Verfahrensschritte (S₁, S₂, S₃) und/oder – Mehrfaches Verändern der Frequenz des von der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ausgesandten elektromagnetischen Signals (23) und Wiederholen der vorangegangenen Verfahrensschritte (S₁, S₂, S₃, S₄) für die veränderte Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Frequenzbereich des von der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ausgesandten elektromagnetischen Signals (23) so gewählt wird, dass die gesendeten elektromagnetischen Signale (23) den zu untersuchenden Körper (4) nicht oder nur wenig durchdringen, sondern von diesem reflektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Frequenzbereich des von der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ausgesandten elektromagnetischen Signals (23) so gewählt wird, dass das elektromagnetische Signal (23) in den zu untersuchenden Körper (4) eindringt und das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist: – Ermitteln von korrigierten Messdaten des zweiten Frequenzbereichs durch Herausrechnen eines Signalanteils der durch Reflektion an der Körperoberfläche entsteht, indem hierfür die gespeicherten Messdaten für den ersten Frequenzbereich genutzt werden – Speichern der korrigierten Messdaten des zweiten Frequenzbereichs, – Auswerten von korrigierten Messdaten durch eine Auswerteeinheit (12) und Anzeigen der ausgewerteten korrigierten Messdaten als Bilddaten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) verbundene Antenne (2) in eine Kontakteinheit (1) eingebracht ist, wobei eine Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) den Konturen des zu untersuchenden Körpers (4) angepasst ist und der zu untersuchende Körper (4) zumindest nahezu formschlüssig gegen die elastische Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) gedrückt wird und ein Frequenzbereich des von der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ausgesendeten elektromagnetischen Signals (23) so gewählt wird, dass das elektromagnetische Signal (23) in den zu untersuchenden Körper (4) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kontakteinheit (1) zwischen der zumindest einen mit der Sende- und Empfangsvorrichtung (5) verbundenen Antenne (2) und der Oberfläche (3) der Kontakteinheit (1) ein Medium (6) ausgebildet ist, welches in etwa dieselbe Permittivität ε_r wie der zu untersuchende Körper (4) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsvorrichtung (5) ein Antennenarray aufweist, in welchem nur eine oder wenige Antennenzeilen ausgebildet ist bzw. sind, dass das Antennenarray mittels einer Bewegungseinrichtung innerhalb der Kontakteinheit (1) in mindestens eine Richtung verschiebbar ist, dass das Antennenarray mehrfach verschoben wird und zwischen jeder Verschiebung die Verfahrensschritte Erzeugen und Senden (S₁), Empfangen (S₂), Speichern der Messdaten (S₃) ausgeführt werden, und dass der Schritt der Auswertung (S₁₉) der Messdaten die Positionen des Antennenarrays berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich nachfolgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Andrücken einer zweiten Kontakteinheit (31) an den zu untersuchenden Körper (4) an eine der ersten Kontakteinheit (1) gegenüberliegenden Stelle; – Erfassen der Position der zweiten Kontakteinheit (31) mit Bewegungssensoren und/oder Positionssensoren; – Empfangen des vom Fremdkörper (20) transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Signals über zumindest eine Antenne (33) einer Empfangseinheit einer Sende- und Empfangsvorrichtung der zweiten Kontakteinheit (1) nach Betrag und Phase und Verarbeiten des empfangenen Signals und der erfassten Position zu Mess- und Positionsdaten; – Speichern der Mess- und Positionsdaten; – Auswerten der Messdaten und Auswerten der Mess- und Positionsdaten durch eine Auswerteeinheit (12) und Anzeigen der ausgewerteten Messdaten und Mess- und Positionsdaten als Bilddaten.