DE3200410A1

DE3200410A1 - Verfahren zur messung der temperatur eines koerpers mittels mikrowellen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3200410A1
Application number: DE19823200410
Authority: DE
Inventors: Maurice Chive; Eugene 59650 Villeneuve D'Ascq Constant; Yves 59320 Haubourdin Moschetto; Jean-Pierre 59410 Anzin Sozanski
Original assignee: HYPERFREQUENCES ET SEMICONDUCT; Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Current assignee: HYPERFREQUENCES ET SEMICONDUCT; Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Priority date: 1981-01-09
Filing date: 1982-01-09
Publication date: 1982-08-19
Also published as: FR2497947A1; FR2497947B1; JPS589031A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Körpers mittels Mikrowellen, bei welchem die von einem durch eine bewegliche Sonde abgedeckten, Prüfvolumen genannten Volumen dieses Körpers ausgehenden Signale des Wärmerauschens gemessen werden, wobei die Sonde in mechanischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Prüfvolumens steht und wobei die Signale des vom Prüfvolumen ausgehenden Wärmerauschens von der Sonde in einem im Bereich der Hyperfrequenzen liegenden und durch eine Mittenfrequenz definierten Frequenzband aufgenommen und ausgewählt und einem auf diese Mittenfrequenz abgestimmten, verstärkenden Empfänger zugeleitet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei diesem Verfahren wird eine Übereinstimmung zwischen der Intensität der empfangenen Signale und der Temperatur des Körpers begründet.

Das Wort "Körper" wird hier in einem sehr allgemeinen Sinne verstanden und bezeichnet sowohl lebendes Gewebe als auch totes Material, Stoffe aller Art, usw..

Jeder Körper sendet Signale des Wärmerauschens in direktem Verhältnis zu seiner Temperatur aus. Diese Signale des Wärmerauschens werden in einem sehr weiten Frequenzbereich ausgesandt.

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Es ist derzeit bekannt, die Signale im Infrarotbereich aufzufangen. Lichtempfindliche Filme, welche auf die Infrarotstrahlung ansprechen und Infrarotkameras ermöglichen es, diese Strahlung aufzufangen, wobei die am geläufigsten angewandte Verfahrensweise zur Sichtbarmachung darin besteht, die Farbnuancen und die unterschiedliche Intensität als Funktion der Temperatur zu bewerten.

Dieses Meßverfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß es nur die Temperaturmessung an der Oberfläche eines Körpers ermöglicht. Die aufgefangenen Infrarotsignale werden hauptsächlich von der Oberfläche des geprüften Körpers abgegeben.

Ein bekanntes Verfahren zur Messung der Temperaturen unter der Oberfläche eines Körpers besteht darin, ein Thermoelement zu benutzen und die Spannung an den Klemmen dieses Thermoelements zu messen. Es ist dabei erforderlich, das Thermoelement in das Innere des Körpers einzuführen, dessen Temperatur man zu messen wünscht» Dies erweist sich als grundsätzlich nachteilig bei der Messung der Temperaturen lebender Gewebe. Außerdem ermöglicht das Verfahren nur eine Messung in einem relativ begrenzten örtlichen Bereich, so daß es sehr schwierig wird, Temperaturmessungen über einen gewissen Bereich hinweg durchzuführen.

Um diesen Nachteil zu überwinden, bestehen andere Messverfahren darin die Signale des Wärmerauschens aufzufangen und zu messen, welche von einem Körper im Bereich der Hyperfrequenzen abgegeben werden, d.h. im Bereich von Frequenzen zwischen etwa 0,5 und 20 GHz.

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Diese Signale werden außerhalb der Oberfläche durch eine Antenne oder eine Sonde aufgefangen und sind abhängig von der Temperatur, welche im Körper in einem Volumen herrscht, welches sich unterhalb der Oberfläche befindet, welche dieser Überprüfung unterzogen wird. Dieses Volumen wird anschließend Prüfvolumen genannt.

Die Anwendung einer Antenne zum Auffangen dieser Signale in einer gewissen Entfernung ermöglicht keine sehr zuverlässigen Messungen. Tatsächlich werden von der Antenne parallel zu den vom Körper ausgesandten Signalen parasitäre Signale aufgefangen, welche von der Umgebung ausgehen und welche nur sehr schwierig eliminiert oder bewertet werden können.

Andere Vorrichtungen messen diese Signale durch Sonden, welche mit dem Körper in Kontakt gebracht werden. Ausgehend von der geringen Stärke der empfangenen Signale ist es dabei jedoch schwierig, eine direkte und zuverlässige Beziehung zwischen der Stärke dieser Signale und der Temperatur herzustellen, welche im Prüfvolumen herrscht.

Andere Vorrichtungen führen einen Vergleich zwischen den vom Körper ausgesandten Signalen und Bezugssignal en durch. Derartige Messungen erfordern jedoch langwierige und schwierige Arbeiten. Tatsächlich ist es erforderlich, für jede Messung die Bezugssignale zu justieren und einen Vergleich durchzuführen.

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Zusätzlich zu diesen Problemen ergeben sich Probleme thermischer Abweichungen im Bereich der Meßvorrichtung und von Reflexionen im Bereich der Sonde, oder insbesondere im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Körper und der Sonde, wodurch die Präzision und Verlässlichkeit der Messungen leidet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu überwinden und ein Temperaturmeßverfahren im Bereich der Hyperfrequenzen zu schaffen, welches sowohl zuverlässig ist, als auch einen geringen Arbeitsaufwand erfordert.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches es gestattet, sich vom Einfluß der Reflexion der Signale im Sondenbereich frei zu machen und einen Teil der Messungen in Bezug auf Referenzsignale durchzuführen, welche man einstellt und einen Teil der Messungen ausgehend von eingestellten BezugsSignalen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei dem eingangs erwähnten Verfahren darin, daß man wenigstens einen Teil der Messungen, Messungen gegen NULL genannt, derart durchführt, daß man Signale des Wärmerauschens . welche mittels einer Hilfrauschquelle für Wärmerauschen erzeugt werden und welche hinsichtlich ihrer Stärke regelbar und entsprechend einer Bezugstemperaturskala geeicht

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sind, auf die Messleitung des verstärkenden Empfängers in Richtung auf die Sonde über einen Kommutator leitet, welcher die Meßleitung mit der Sonde verbindet und die Meßleitung zyklisch kurzschließt, daß man im Bereich des Empfängers die Signale integriert, welche man den zwei zyklischen Zuständen des Kommutators entsprechend erhält und daß man die Leistung der Hilfsrauschquelle derart einstellt, daß das integrierte Signal am verstärkenden Empfänger im wesentlichen gleich NULL ist, wobei dann die mittlere Temperatur des Prüfvolumens im wesentlichen gleich der Bezugstemperatur ist, welche der Leistung der Hilfsrauschquelle entspricht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Sonde für den mechanischen Kontakt mit der Außenfläche eines Körpers und geeignet zur Aufnahme der von dem Körper ausgehenden Signale des Wärmerauschens und mit einem über eine Meßleitung mit der Sonde verbundenen, für Hyperfrequenzen geeigneten, verstärkenden Empfänger besitzt erste Mittel, um auf die Meßleitung in Richtung auf die Sonde Wärmerauschsignale mit veränderlicher Leistung zu leiten und zweite zyklisch wirkende Mittel, die geeignet sind, die Meßleitung mit der Sonde zu verbinden und die Meßleitung kurzzuschließen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den UnteranSprüchen.

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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, Temperaturmessungen mit größter Genauigkeit nicht nur an der Oberfläche eines Körpers, sondern auch für den Bereich eines unter der Sonde befindlichen Prüfvolumens durchzuführen, wobei insbesondere Einflüsse von Reflexionserscheinungen im Bereich der Kontaktfläche zwischen Sonde und Körper eliminiert werden können.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine für das erfindungsgemäße Verfahren benutzte Sonde als Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten

Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schematischer Darstellung der zur Durchführung des Verfahrens benutzten Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schematischer Darstellung der zur Durchführung des Verfahrens benutzten Vorrichtung,

Fig. 4 eine Variante des Verfahrens im Bereich der Messung auf dem Körper,

Fig. 5 in schematischer Darstellung eine der Anwendung sformen der Erfindung und

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Fig. 6 ein Stativ für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren fängt die von einem Körper durch das Wärmerauschen ausgesandten Signale auf. Die tatsächlich gezählten Signale werden in einem Frequenzband ausgewählt, welches durch seine Mittenfrequenz definiert ist. Dieses Frequenzband befindet sich im Bereich der Hyperfrequenzen, d.h. zwischen etwa 0,5 und 20 GHz.

Die Mittenfrequenz wird hauptsächlich durch den verstärkenden Empfänger bestimmt und zwar durch die Frequenz, auf welche dieser Empfänger abgestimmt ist.

Die Temperaturmessung wird mittels einer Sonde 1 durchgeführt, welche in mechanischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche eines Körpers 2 gebracht wird, dessen Temperatur man zu kennen wünscht. Die Sonde empfängt die Signale des Wärmerauschens, welche von einem Volumen 3 ausgesandt werden, das man als Prüfvolumen bezeichnet und welches sich unter der Kontaktfläche zwischen der Sonde 1 und dem Körper 2 befindet.

Die Sonde kann von jeder geeigneten Art sein und ist auch die Meßfrequenz oder auf das Meßfrequenzband abgestimmt. Sie wird beispielsweise durch einen Abschnitt eines Polleiters gebildet.

In Fig. 1 ist als Beispiel eine Sonde 1 gezeigt, die aus einem hohlen Gehäuse 32 von im wesentlichen rechteckiger

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Quaderform besteht, das an seinem einen Ende eine Öffnung 33 besitzt, die dazu bestimmt ist, auf den Körper aufgesetzt zu werden und welche die Empfangsfläche der Sonde bildet. Diese Fläche steht in mechanischen Kontakt mit dem Körper Es ist anzumerken, daß zwar ein guter Kontakt mit dem Körper 2 vorhanden sein soll, daß aber kein Druck ausgeübt werden soll, um die Messung nicht zu beeinträchtigen.

Der Innenraum der Sonde kann mit einem . Dielektrikum geringer Dämpfung gefüllt sein, z.B. mit einem Bariumtitanat enthaltenden Dielektrikum.

Berechnungen haben ergeben, daß gute Ergebnisse erhalten werden, wenn man das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite der Öffnung 33 zwischen 0,4 und 0,6 hält, vorzugsweise im wesentlichen gleich 0,5. Genauergesagt wird erfindungsgemäß eine Öffnung bevorzugt, deren Länge im wesentlichen gleich der Wellenlänge der Mittenfrequenz der Messung ist und deren Breite im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge ist.

Ein Übergangsstück 34 gestattet die Herstellung einer Koaxialverbindung zwischen der Sonde und dem Empfänger. Die geometrischen Parameter dieses Übergangsstücks 34 sind der Sonde angepaßt und nach einem numerischen Näherungsverfahren berechnet, wobei die Impedanz der durch die Sonde gebildeten Antenne mit in die Berechnung einbezogen wird. Die Qualität des Übergangs wird geprüft durch Messung des Übertragungskoeffizienten zweier gekuppelter Sonden.

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Es ist anzumerken, daß die Sonde, und insbesondere die Übergangsfläche zwischen der Sonde 1 und dem Körper 2, einen Reflexionskoeffizienten besitzt, welcher mit ^ bezeichnet ist. Dieser Koeffizient kennzeichnet den Teil des durch das Prüfvolumen ausgesandten Signals, der an der Übergangsfläche zwischen der Sonde 1 und dem Körper reflektiert wird und damit nicht von der Sonde 1 empfangen wird. Beispielsweise liegt der Reflexionskoeffizient der in Fig. 1 gezeigten Sonde unter 0,2.

Die Sonde 1 ist mit einer Meßleitung 5 mit einem verstärkenden Empfänger 6 verbunden. Dieser Empfänger kann von jeder geeigneten Bauart sein. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, ist eines der Merkmale des Empfängers seine Empfangsbandbreite und die Mittenfrequenz auf welche sie eingestellt ist. Der Empfänger ist geeignet, bei 7 eine für die Temperatur des Prüfvolumens 3 und das Meßverfahren charakteristisches Signal abzugeben. Vorzugsweise wird dieses Signal Mitteln zur sichtbaren Anzeige zugeleitet, welche später noch erläutert werden.

Wenn die Sonde 1 direkt mit dem verstärkendem Empfänger 6 verbunden ist, ist das vom Prüfvolumen in Richtung auf den Empfänger abgegebene Signal proportional (1 -(^ ) T, wobei T die Temperatur des Prüfvolumens 3 ist.

Erfindungsgemäß wird ein aus einer Hilfsrauschquelle 8 mit veränderlicher Leistung und Eichung entsprechend einer Temperaturskala stammendes Signal auf die Meßleitung 5 in Richtung der Sonde 1 übertragen.

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Die Regelung der Rauschleistung erfolgt vorzugsweise mittels eines geeichten Dämpfungsglieds 9.

Dieses in Richtung auf die Sonde 1 ausgesandte Signal wird teilweise im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Sonde und der äußeren Oberfläche des Körpers 2 reflektiert. Das reflektierte, von der Hilfsrauschquelle 8 stammende Signal ist proportional <» Tr, wobei Tr die Stärke des von der Hilfsrauschquelle ausgesandten Signals bezeichnet und durch die Eichung der Hilfsrauschquelle mit veränderlicher Leistung oder durch das Dämpfungsglied definiert ist.

Wenn die Sonde 1 direkt mit dem verstärkenden Empfänger 6 verbunden ist und wenn das von der Hilfsrauschquelle 8 gelieferte Signal in Richtung auf die Sonde geleitet wird, ist somit das im Bereich des verstärkenden Empfängers erhaltene Signal proportional (1- ^)T+ ^Tr. Dieses Signal entspricht dem nicht reflektierten Teil des vom Prüfvolumen 3 stammenden Wärmerauschens und dem reflektierten Teil des von der Hilfsrauschquelle stammenden Signals.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aussendung der Signale von der Hilfsrauschquelle in Richtung auf die Sonde mittels eines Umlaufschalters (circulateur) 10 bewirkt, der von bekannter Bai art und in der Meßleitung 5 angeordnet ist. Dieser Umlaufschalter 10 erfüllt die oben beschriebenen Aufgaben und gestattet die Aussendung der Signale der Hilfsrauschquelle in Richtung auf die Sonde und die Überleitung der überlagerten,

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vom Körper 2 und von der Hilfsrauschquelle 8 nach Reflexion stammenden Signale in Richtung auf den Empfänger 6.

Erfindungsgemäß ist dieLeitung 5 mit einem zwei Zustände aufweisenden Kommutator 11 verbunden. Dieser Kommutator ist von geeigneter Bauart, die insbesondere für Hyperfrequenzen geeignet ist. Er wechselt zyklisch zwischen zwei Zuständen und dieser Wechsel wird beispielsweise durch einen Impulsgenerator 12 gesteuert. Im einen Zustand des Kommutators, Zustand 2 genannt, ist die Sonde 1 mit der Meßleitung 5 verbunden. Das Signal im Bereich des verstärkenden Empfängers 6 ist dann im wesentlichen proportional (1 - o) T + <^Tr, wie dies vorstehend beschrieben wurde.

Der andere, Zustand 1 genannte Zustand des Kommutators 11 schließt die Meßleitung kurz. Die von der Hilfsrauschquelle 8 erzeugten Signale werden dann vollständig reflektiert und dem verstärkenden Empfänger 6 zugeleitet. Das erhaltene Signal ist dann proportional Tr, d.h. es entspricht der Signalstärke der Hilfsrauschquelle.

Das zyklische Verhältnis der Zustandswechsel des Kommutators ist im wesentlichen gleich 0,5.

Die den beiden Kommutatorzuständen entsprechenden Signale werden aufeinanderfolgend und zyklisch durch den verstärkenden Empfänger 6 empfangen, welcher sie integriert, derart, daß ein Signal ausgegeben wird, welches

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( (1 - ^) + ς Tr) - Tr entspricht, d.h. (1 - <») (T- Tr).

Erfiudungsgemäß wird die Tr entsprechende Leistung des Signals der Hilfsrauschquelle derart eingestellt, daß das integrierte Signal im Bereich des Empfängers 6, welches zwei zyklischen Zuständen des Kommutators 11 entspricht, gleich NULL ist. Dies entspricht einer Temperatur T im wesentlichen gleich der Temperatur Tr. Tr ist erhältlich durch die Eichung der Leistung der Hilfsrauschquelle 8. Dadurch ist T, d.h. die Temperatur des Prüfvolumens bekannt.

Der Impulsgenerator 12, welcher die beiden Zustände des Kommutators 11 steuert, steuert auch den verstärkenden Empfänger 6.

Lediglich beispielsweise und ohne einschränkende Absicht kann die Zeitkonstante für die Integration im Bereich des Empfängers 6 eine Sekunde betragen und die zyklische Frequenz des Kommutators einige KHz.

Dieses Meßverfahren erlaubt es vorteilhafterweise, sich von der Reflexionskonstante q für die Kontaktfläche zwischen Sonde 1 und Körper 2 zu lösen. Die Messungen sind somit besonders zuverlässig. Die Eichung der Vorrichtung, welche hauptsächlich aus einer Eichung der Hilfsrauschquelle besteht, wird dadurch bewirkt, daß man die Sonde in eine Umgebung bekannter Temperatur verbringt, beispielsweise in eine thermisch stabilisierte Flüssigkeit,

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Die Messungen erfolgen analog zu der beschriebenen Verfahrensweise, d.h. die Leistung der Hilfsrauschquelle wird solang verändert, bis das Ausgangssignal gleich NULL ist. Die oben genannte Formel wird in umgekehrtem Sinn verwendet, das heißt T ist bekannt und gestattet es, Tr zu bestimmen. Es kann somit die Eichkurve der Hilfsrauschquelle mit veränderbarer Leistung oder ihres Dämpfungsgliedes bestimmt werden. Es können aber auch andere Eichverfahren angewandt werden.

Die so durchgeführten Temperaturmessungen werden als Messungen gegen NULL bezeichnet, weil sie einer Rückführung des Ausgangssignals des verstärkenden Empfängers auf NULL entsprechen.

Ohne die Stärke des aus der Hilfsrauschquelle stammenden Signals zu verändern, ist es erfindungsgemäß mit annehmbarer Genauigkeit möglich, andere Temperaturmessungen entsprechend anderen Sonden Positionen durchzuführen. Wenn T' die Temperatur des Prüfvolumens an einer neuen Sondenposition ist, ist das Ausgangssignal des verstärkenden Empfängers proportional T' - T, oder T¹ - Tr. Die Proportionalitätskonstante ist im allgemeinen leicht bestimmbar und die Temperatur T¹ kann mit guter Genauigkeit erhalten werden.

Beispielsweise wird auf lebenden Geweben eine Genauigkeit besser als ί 0,2 C für Messungen gegen NULL und besser als t 0,3 C für Messungen erhalten, welche von einer Messung gegen NULL ausgehen.

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Um Fehlerquellen zu vermeiden und die Temperaturmessungen zuverlässiger zu machen, schlägt die Erfindung Varianten des Verfahrens und der Vorrichtung vor, welche nun beschrieben werden.

Die erste Variante besteht darin, die Sonde auf einer konstanten Temperatur zu halten und zwar in der Nachbarschaft der Temperatur des zu messenden Körpers. Diese Temperatur kann näherungsweise bestimmt werden. Die Sonde wird dann annähernd auf diese Temperatur gebracht und auf ihr gehalten. Die Vorrichtung zur Temperaturregelung ist von bekannter Bauart. Sie wird beispielsweise durch zwei Transistoren auf dem Träger der Sonde gebildet, von denen der eine die Wärme abgibt und der andere die abgegebene Wärme ermittelt und überwacht. Auf diese Weise kann eine Genauigkeit von 1/10 C erhalten werden.

Die Temperaturregelung der Sonde ermöglicht es, Ströungen zu vermeiden, welcher von der Sonde selbst im Bereich des Prüfvolumens ausgehen, welches abgekühlt oder erwärmt werden könnte.

Nach einer anderen Variante zur Filterung der parasitären Geräusche, insbesondere der Geräusche mit niedriger Frequenz, welche vom Kommutator 11 ausgehen, schlägt die Erfindung vor, einen Bandfilter zwischen dem Kommutator 11 und dem Umlaufschalter 10 in der Meßleitung 5 anzuordnen. Dieser Filter ist auf das Frequenzband des verstärkenden Empfängers 6 eingestellt. Vorzugsweise wird er durch zwei im wesentlichen der Meßsonde entsprechende Sonden gebildet, deren Empfangsflächen zu beiden Seiten

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einer Isolierfolie einander zugewandt sind und mit den Oberflächen der Isolierfolie in Berührung stehen. Die Isolierfolie besteht beispielsweise aus einem Glimmerplättchen. Dieser Filter gestattet außerdem die Elimination kontinuierlicher Signale.

Um Störungen im Bereich der Hilfsrauschquelle mit veränderlicher Leistung zu vermeiden, wird diese auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist vorzugsweise das geeichte Dämpfungsglied thermisch stabilisiert.

Mit einer temperaturgeregelten Sonde, einer Filterung und einer thermisch stabilisierten Hilfsrauschquelle mit veränderlicher Leistung kann bei Messungen gegen NULL die Genauigkeit der Messungen besser sein als - 0,1 C.

Eine andere Variante der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Nach dieser Variante wird die Hilfsrauschquelle durch eine Belastung mit koaxialer Struktur gebildet, welche für Hyperfrequenzen geeignet ist. Die durch diese Belastung ausgehenden Signale des Wärmerauschens sind der Temperatur direkt proportional, auf welcher die Belastung gehalten wird. Die Übereinstimmung zwischen der Stärke der von der Belastung ausgehenden Signale des Wärmerauschens und der Bezugstemperatur Tr ergibt sich direkt durch Messung der Temperatur der Belastung mittels eines herkömmlichen Meßverfahrens, wobei diese Temperatur im wesentlichen gleich Tr ist. Für eine Messung gegen

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NULL, ist es ausreichend, die Temperatur der Belastung zu verändern und die Temperatur zu messen, welche das im Bereich des verstärkenden Empfängers integrierte Signal auf NULL bringt. Diese Temperatur ist im wesentlichen gleich der mittleren Temperatur des Prüfvolumens im Bereich der Sonde.

Als nicht einschränkend gedachtes Beispiel sei hier erwähnt, daß man gute Resultate erhält, wenn man eine Belastung zwischen 40 und 60 Ohm und vorzugsweise etwa in der Größenordnung von 50 Ohm vorsieht.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante der Erfindung im Bereich der Meßsonde. Nach dieser Variante wird die Sonde 1 der vorhergehenden Figuren ersetzt durch eine Mehrzahl von im wesentlichen identischen Sonden 14, welche auf dem zu überprüfenden Körper 2 verteilt sind, wobei jede der Sonden 14 geeignet ist, mit der schematisch dargestellten und durch 16 gekennzeichneten Meßvorrichtung über einen elektronischen Kommutator 15 verbunden zu werden. Die Meßvorrichtung 16 ist mit Mitteln 17 zur Verarbeitung beispielsweise der Signale verbunden, welche am Ausgang 7 des verstärkenden Empfängers 6 auftreten.

Eine Folgesteuerung 18 steuert den elektronischen Kommutator 15 und vorzugsweise gleichermaßen die Mittel zur Verarbeitung der Signale, derart, daß in diesem Bereich die Temperaturmessung und die Position der entsprechenden Sonde in Übereinstimmung gebracht werden.

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Der elektronische Kommutator 15 verbindet aufeinanderfolgend und ausgehend von den durch die Folgesteuerung abgegebenen Signalen jede der Sonden 14 mit der Meßvorrichtung 16. Diese Ausführungsform gestattet es, die Zeit einzusparen, welche für das unterschiedliche positionieren einer einzelnen Sonde erforderlich ist.

Außerdem ist es erfindungsgemäß unter Berücksichtigung der oben gemachten Ausführungen möglich, eine Messung gegen NULL mittels einer der Sonden 14 durchzuführen und mit den anderen Sonden Messungen vorzunehmen, welche als Bezugsgröße diese Messung gegen NULL verwenden.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen zahlreiche Anwendungen, weil sie es ermöglichen, die Temperatur eines Prüfvolumens von seiner Oberfläche her zu ermitteln. Insbesondere können zahlreiche Anwendungen im klinischen Bereich gefunden werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es Temperaturanomalien im menschlichen Körper zu lokalisieren, welche auf Tumore, Infektionen usw. zurückgehen.

Diese Anwendungen sind jedoch nicht die einzig möglichen und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten besitzen, um Temperaturen oberhalb oder unterhalb von 0 C bei toten Materialen oder Substanzen zu messen, wie beispielsweise bei Lebensmitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere im Falle einer therapeutischen Anwendung vorteilhafterweise ver-

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bunden werden mit einer unter Verwendung von Hyperfrequenzen arbeitenden Heizvorrichtung zur lokalen Hyperthermieanwendung. Die Fig. 5 zeigt schematisch eine solche Anwendungsform. Dort ist die der beschriebenen Temperaturme ßvorr ich tung entsprechende Einrichtung schematisch mit 19 bezeichnet. Eine Einrichtung zur lokalen Erwärmung mittels Hyperthermie ist schematisch mit 20 bezeichnet. Die Sonden 21 wird zyklisch mit der Meßvorrichtung 19 und der Heizvorrichtung 20 durch einen elektronischen Kommutator 22 verbunden. Es ist anzumerken, daß die Frequenzen der Meßvorrichtung und der Heizvorrichtung vorzugsweise im wesentlichen gleich sind. Auf diese Weise ist es möglich, mit der gleichen Sonde örtlich ein Volumen 23 eines Körpers zu beheizen und in regelmäßigen Abständen mittels der Meßvorrichtung 19 die Wirkung der Hyperthermie-Heizung zu ermitteln bzw. zu überwachen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise mit Behandlungsmitteln verbunden werden, wie beispielsweise mit einer Anordnung, welche es gestattet, die den unterschiedlichen Positionen der Sonden auf einem Körper zuzuordnenden Meßergebnisse zu speichern und sichtbar zu machen.

Der Fachmann kann leicht die am besten geeigneten Mittel zur Anzeige der Meßergebnisse auswählen. Indessen bevorzugt die Erfindung zwei Meßverfahren. Das erste Verfahren besteht darin, thermische Profile zu bestimmen. Dieses Verfahren entspricht einer linearen Verlagerung der Sonde und ermöglicht es, eine Kurve zu ermitteln,

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welche die Temperatur in Abhängigkeit von der Position der Sonde gegenüber einer Bezugsposition zeigt.

Ein anderes Verfahren besteht in einem kartografischen Verfahren. Die Sonde wird dabei über dem Körper verlagert und die ihre Position anzeigenden Parameter werden festgehalten. Die Anzeige der verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von den verschiedenen Positionen der Sonde kann beispielsweise auf einem Kathodenstrahlschirm erfolgen. Die Position des Lichtpunkts entspricht dann der Position auf dem Körper und die Temperatur kann durch eine veränderliche Intensität oder eine veränderliche Farbe des Lichtpunkts angezeigt werden. In diesem Fall gestattet es eine Speichervorrichtung vorteilhafterweise, eine Gruppe von Meßergebnissen sichtbar zu machen.

Es ist noch zu bemerken, daß eine Verarbeitung der Parameter der Position der Sonde die Möglichkeit bietet, das Profil des Körpers zu berücksichtigen, auf welchem die Sonde verlagert wird.

Beispielsweise zeigt die Fig. 6 eine Sonde 24, welche am Ende eines gelenkig angeschlossenen Arms 25 angeordnet ist, der seinerseits von einer Stütze 26 getragen wird. Die Meßvorrichtung, welche schematisch mit 27 bezeichnet ist, befindet sich vorzugsweise so nahe wie möglich an der Sonde. Die verschiedenen Parameter der Position der Sonde entsprechen den Gelenkstellen 28 bis 31 des Gelenkarms und werden ermittelt und verarbeitet, beispielsweise durch einen Rechner. In diesem Fall befindet sich im Bereich der

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Gelenkverbindungen zwischen der Sonde 24 und der Meßvorrichtung 27 eine Drehverbindung, welche die Kontinuierlichkeit des durch die Sonde ausgegebenen Signals im Bereich der Gelenkverbindung gewährleistet.

Es können natürlich auch andere Tragvorrichtungen vom Fachmann gefunden werden, welche mit den Mitteln zur geeigneten Positionierung verbunden sind. Insbesondere kann die Positionierung der Sonde durch ein Bezugssystem der Radarbauart bestimmt werden oder mittels zweier Kameras, und in allgemeinerer Form durch Mittel bekannter Bauart, welche es gestatten, einen Punkt im Raum festzulegen.

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Claims

DIPLOMINGENIEUR - -- -: - HELMUT LAMPRECHT PAT E N TA N WA LT PROFESSIONAL REPRESENTATIVE BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE CORNELIUSSTR. 42· D-8OOO MÜNCHEN 5 ■ TEL. ΟΘ9/24Ο7 75· TELEX 528425 3099 CENTRE DE TECHNOLOGIE BIOMEDICALE (INSERM) und CENTRE HYPERFREQUENCES ET SEMICONDUCTEURS L.A. C.N.R.S. Verfahren zur Messung der Temperatur eines Körpers mittels Mikrowellen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ansprüche:

1./Verfahren zur Messung der Temperatur eines Körpers mittels Mikrowellen, bei welchem die von einem durch eine bewegliche Sonde abgedeckten, Prüfvolumen genennten Volumen dieses Körpers ausgehenden Signale des Wärmerauschens gemessen werden, wobei die Sonde in mechanischem Kontakt mit der Außenfläche des Prüfvolumens steht und wobei die Signale des vom Prüfvolumen ausgehenden Wärmerauschens von der Sonde in einem im Bereich der Hyperfrequenzen liegenden und durch eine Mittenfrequenz definierten Frequenz-

POSTSCHECKKONTO MÜNCHEN 9904β-β0β ( BUZ 700 1 OO 80) DEUTSCHE BANK MÜNCHEN. PRO M EN AO E PLAT 2, KONTO-NR. 10/20 994 CBLZ 700 700 10)

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band aufgenommen und ausgewertet und einem auf diese Mittenfrequenz abgestimmten, verstärkenden Empfänger zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen Teil der Messungen, Messungen gegen NULL genannt, derart durchführt, daß man Signale des Wärtnerauschens, welche mittels einer Hilfsrauschquelle für Wärmerauschen erzeugt werden und welche hinsichtlich ihrer Stärke regelbar und entsprechend einer Bezugstemperaturskala geeicht sind, auf die Meßleitung des verstärkenden Empfängers in Richtung auf die Sonde über einen Kommutator leitet, welcher die Meßleitung mit der Sonde verbindet und die Meßleitung zyklisch kurzschließt, daß man im Bereich des Empfängers die Signale integriert, welche man den beiden zyklischen Zuständen des Kommutators entsprechend erhält, und daß man die Leistung der Hilfsrauschquelle derart einstellt, daß das integrierte Signal am verstärkenden Empfänger im wesentlichen gleich NULL ist, wobei dann die mittlere Temperatur des Prüfvolumens im wesentlichen gleich der Bezugstemperatur ist, welche der Leistung der Hilfsrauschquelle entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen anderen Teil der Messungen derart durchführt, daß man als Bezugsgröße eine Rauschleistung benutzt, welche durch die Hilfsrauschquelle und deren entsprechende Temperatur (Tr) definiert ist, wie sie durch eine Messung gegen NULL erhalten wird, daß man die Stärke des am verstärkenden Empfänger empfangenen Signals nach der Integration mißt, und daß eine vorgegebene Beziehung zwischen der Stärke des erhaltenen Signals und dem Abstand zwischen der Temperatur T' des Prüfvolumens im Bereich der Sonde

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und der Temperatur Tr besteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hilfsrauschquelle derart eicht, daß eine Beziehung zwischen der Stärke der von ihr ausgesandten Signale und einer Temperaturskala dadurch geschaffen wird, daß man die Sonde in ein bekanntes Temperaturmilieu Tr¹ verbringt, beispielsweise in eine thermisch stabilisierte Flüssigkeit, daß man die Leistung der Hilfsrauschquelle bis zu einer Leistung Pr^f verändert, welche einem integrierten Signal von im wesentlichen NULL am verstärkenden Empfänger entspricht, daß man das Verhältnis Tr*/T?x^% erhöht und dann den beschriebenen Vorgang mit einem unterschiedlichen Temperaturmilieu erneut durchführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sonde auf einer im wesentlichen konstanten und der Temperatur des zu messenden Körpers benachbarten Temperatur hält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hilfsrauschquelle eine an Hyperfrequenzen angepaßte Belastung koaxiafer Struktur verwendet, deren Emissionsleistung man dadurch verändert, daß man die Temperatur verändert und steuert, wobei ihre durch direkte Messung zugängliche Temperatur im wesentlichen gleich der Temperatur des Prüfvolumens ist, für ein im wesentlichen NULL betragendes Signal im Bereich des verstärkenden Empfängers nach der Integration und/oder

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im wesentlichen gleich der genannten Bezugstemperatur Tr.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Sonde benutzt, deren Empfangsfläche einen mechanischen Kontakt mit dem Körper aufweist und im wesentlichen rechteckig ist, wobei das Verhältnis zwischen Länge und Breite zwischen 0,4 und 0,6 und vorzugsweise im wesentlichen bei 0,5 liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß man eine Sonde verwendet, deren Länge im wesentlichen gleich der entsprechenden Wellenlänge der Mittenfrequenz des für die Messung benutzten Frequenzbandes ist.

8. Verfahren nach einem der vorheregenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das durch den verstärkenden Empfänger empfangene Signal mittels zweier im wesentlichen mit der Meßsonde identischer Sonden filtert, deren Empfangsflächen einander zugewandt und durch eine Isolierfolie voneinander getrennt sind, mit deren Flächen die Empfangsflächen in Kontakt stehen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere über den Körper verteilte Sonden benutzt, mit deren jeder aufeinanderfolgend eine Temperaturmessung durchgeführt wird, wobei man eine Messung gegen NULL mit einer dieser Sonden durchführt, während die anderen Sonden diese Messung gegen NULL als Bezugsgröße verwenden.

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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sonde mit Mitteln zur Hyperthermie bei Hyperfrequenz verbindet, bei einer Temperatur, welche im wesentlichen der Mittenfrequenz der Messung entspricht, und daß man zyklisch die Beheizung des Prüfvolumens und die Temperaturmessung des Prüfvolumens mittels der gleichen Sonde durchführt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Sonde für den mechanischen Kontakt mit der Außenfläche eines Körpers und geeignet zur Aufnahme der von dem Körper ausgehenden Signale des Wärmerauschens und mit einem über eine Meßleitung mit der Sonde verbundenen, für Hyperfrequenzen geeigneten, verstärkenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß erste Mittel (10) vorgesehen sind, um auf die Meßleitung (5) in Richtung auf die Sonde (1) Wärmerauschsignale mit veränderlicher Leistung zu leiten, und daß zweite zyklisch arbeitende Mitel. (11) vorgesehen sind, um die Meßleitung (5) mit der Sonde (1) zu verbinden und die Meßleitung (5) kurzzuschließen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die ersten Mittel eine Hilfsrauschquelle mit veränderlicher Leistung umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hilfsrauschquelle (9) ausgesandten Signale einem Umlaufschalter (10) zuleitbar sind, welcher sich in der Meßleitung (5) befindet und geeignet ist, die Signale der Sonde (1) zuzuleiten.

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13.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsrauschquelle mit veränderlicher Leistung eine für Hyperfrequenzen geeignete Belastung (13) mit koaxialer Struktur ist, deren Temperatur, auf welcher sie gehalten wird, direkt die Stärke der von ihr ausgesandten Signale des Wärmerauschens bestimmt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) eine Empfangsfläche aufweist, die geeignet ist, mit einem Körper in Berührung gebracht zu werden und welche im wesentlich rechteckig gestaltet ist und ein Verhältnis zwischen ihrer Breite und Länge aufweist, welches zwischen 0,4 und 0,6 und vorzugsweise im wesentlichen bei 0,5 liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Empfangsfläche der Sonde (1) im wesentlichen gleich der Wellenlänge ist, welche der Mittenfrequenz der gemessenen Signale entspricht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter aus zwei Sonden gebildet wird, welche im wesentlichen mit der Meßsonde (1) identisch sind, wobei ihre Empfangsflächen einander zugewandt und voneinander durch eine Isolierfolie getrennt sind, an deren Flächen die Empfangsflächen anliegen, und daß der Filter in der Meßleitung (5) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Sonden (14) umfaßt und Mittel zur aufeinanderfolgenden, sequentiellen

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Vebindung jeder dieser Sonden mit der Meßleitung (5).

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11- 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (24) sich am Ende eines Gelenkarms (25) befindet, dessen Positionierungsparameter meßbar und speicherbar sind, und daß die Mittel zur Anzeige und/oder Registrierung die gemessenen Temperaturen anzeigen und/oder registrieren in Abhängigkeit von den aufeinanderfolgenden Positionen der Sonde, ausgehend von den Positionierungsparametern der Sonde und den entsprechenden Temperaturmessungen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung in dem zwischen der Sonde (24) und dem Empfänger (27) befindlichen Gelenkbereich des Gelenkarms (25) drehbare Kontakte aufweist, welche ein kontinuierliche Übertragung über die Meßleitung gewährleisten.