JP2011502565A - ヒトまたは動物の構造を精査するアンテナ - Google Patents

Abstract

ヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステムである。システムは、体へまたは体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る１つまたは複数のアンテナを備え、各々のアンテナは、導体素子に形成されたスロットを備え、スロットは、導体素子の略閉鎖内側縁によって画定された外部境界を有する。受信機は、１つまたは複数の信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成される。プロセッサは、体の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理するように構成される。アンテナスロットは、内部境界を有しない連続スロットであり、スロットの境界は、導体素子の内側縁によって完全に画定される。各々のアンテナは、２つ以上の伝導性フィードラインを更に備えてもよく、各々のフィードラインは、スロットのそれぞれの部分へのおよび／または部分からのエネルギーを結合する。

Description

本発明は、ヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステムおよび方法に関する。この精査は、１つまたは複数のアンテナから体内へ電磁エネルギーを送り、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出することによって行われる。各々のアンテナは、伝導性素子に形成されたスロットを備える。

胸部癌検出用の偏心環状スロットアンテナが、「有限差分時間領域法に基づく胸部癌検出用偏心環状スロットアンテナ」（”Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ａｎｎｕｌａｒ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｂｒｅａｓｔ ｃａｎｃｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ−ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ” Ｒａｊａ， Ｖ．Ｋ． Ｅｌ−Ｓｈｅｎａｗｅｅ， Ｍ．， Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ２００５． ＩＥＥＥ／ＡＣＥＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄａｔｅ： ３−７ Ａｐｒｉｌ ２００５， ｐａｇｅ（ｓ）： ４０１−４０４， ＩＳＢＮ： ０−７８０３−９０６８−７）に記載されている。

アンテナは、伝導性シートの円形内側縁によって画定される外部境界を有する環状スロットと、前記外部境界の中心からオフセットされた材料の「島」によって画定される内部境界と、を有する。

このアンテナは、多くの問題を抱えている。第１に、スロットは比較的複雑な幾何学的形状を有し、材料の「島」を正確な位置に取り付けることが必要である。第２に、円形内側縁は、「島」に対して物理的に適応するように比較的大きくなければならず、その結果、（シート平面における）アンテナの寸法は、比較的大きくなければならない。スロットの円形外部境界は直径３ｃｍであり、材料のシートは直径約５ｃｍである。第３に、−１０ｄＢにおけるスロットの帯域幅は比較的低い（「ほぼ３．８７ＧＨｚ」）。

胸部癌検出用の他のアンテナが、「胸部癌検出用超広帯域マイクロ波撮像システム」（ＡＮ ＵＬＴＲＡ ＷＩＤＥＢＡＮＤ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＢＲＥＡＳＴ ＣＡＮＣＥＲ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ， Ｗｅｅ Ｃｈａｎｇ Ｋｈｏｒ ａｎｄ Ｍａｒｅｋ Ｅ． Ｂｉａｌｋｏｗｓｋｉ， １０ｔｈ Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ， Ｓｙｄｎｅｙ， Ａｕｓｔｒａｌｉａ， １４−１５ Ｆｅｂ． ２００７）に記載されている。

この場合、アンテナは、３．１ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間で作動するテーパ状スロットアンテナである。このアンテナは、Ｒａｊａらに記載されたアンテナよりも更に大きく、この場合は直径約６ｃｍである。

胸部癌検出用の他のアンテナが、「胸部癌検出用誘電体充填スロットラインボウタイアンテナ」（“Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｌｌｅｄ ｓｌｏｔｌｉｎｅ ｂｏｗｔｉｅ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｂｒｅａｓｔ ｃａｎｃｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ” ｂｙ Ｓｈａｎｎｏｎ， Ｃ． Ｊ．； Ｆｅａｒ， Ｅ． Ｃ．； Ｏｋｏｎｉｅｗｓｋｉ， Ｍ．， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ４１， Ｉｓｓｕｅ ７， ３１ Ｍａｒｃｈ ２００５ Ｐａｇｅ（ｓ）： ３８８−３９０）に記載されている。これもまたテーパ状スロットであり、測定の寸法は数ｃｍである。

ワイドスロットアンテナが、「マイクロストリップ線送り込み印刷ワイドスロットアンテナの帯域幅向上」（Ｊｉａ−Ｙｉ Ｓｚｅ， ａｎｄ Ｋｉｎ−Ｌｕ Ｗｏｎｇ， “Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ−ｌｉｎｅ−ｆｅｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｗｉｄｅ−ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， Ｖｏｌｕｍｅ ４９， Ｊｕｌｙ ２００１ ｐｐ： １０２０−１０２４ （以下「Ｓｚｅら」と呼ぶ））に記載されている。このアンテナは、デュアルフォーク形マイクロストリップフィードを有する正方形のワイドスロットアンテナであり、このマイクロストリップフィードは４．４の比誘電率を有する基板の上に構築されている。このアンテナは胸部癌検出用に設計されてはいないが、その代わりに２〜６．５ＧＨｚからの４．５ＧＨｚの作動帯域幅を用いて自由空間内に放射するよう意図されている。

国際公開第２００６／０８５０５２号

本発明の目的は、ヒトまたは動物の体の内部構造を精査するのに適しており、小型で高帯域幅を有するアンテナを提供することである。

本発明の第１の態様は、
それぞれが、導体素子に形成されたスロットを備え、スロットは、導体素子の略閉鎖内側縁によって画定された外部境界を有する、体へまたは体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る１つまたは複数のアンテナと、
１つまたは複数の信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
体の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理するように構成されたプロセッサと、
を備え、
アンテナのスロットは、内部境界を有しない連続スロットであり、スロットの境界は、導体素子の内側縁によって完全に画定されることを特徴とするヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステムを提供する。

内部境界を有するＲａｊａらのスロットとは対照的に、このスロットは連続スロットであって、内部境界を有しない。ＫｈｏｒらのアンテナおよびＳｈａｎｎｏｎらのアンテナとは対照的に、このスロットは、導体素子の略閉鎖内側縁によって画定された外部境界を有する。なお、境界は完全に閉鎖される必要がないこと、即ち、略閉鎖であって小さい開口を有してもよい。

典型的には、各アンテナは、スロットへのおよび／またはスロットからのエネルギーを結合するための１つまたは複数の導体素子を更に備える。導体素子は、例えば、パッチ、フィードライン、または２つ以上の伝導性フィードラインであってよく、各フィードラインはスロットのそれぞれの部分と結合する。

本発明の第２の態様は、
それぞれが、導体素子に形成されたスロットを備え、体内へ電磁エネルギーを送る１つまたは複数のアンテナと、
１つまたは複数の信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
体の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理するように構成されたプロセッサと、
を備え、
各アンテナは２つ以上の伝導性フィードラインを更に備え、各フィードラインはスロットのそれぞれの部分へのおよび／または部分からのエネルギーを結合することを特徴とするヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステムを提供する。

２つ以上の伝導性フィードラインの使用によって、比較的広い帯域幅が得られる。この場合、スロットは、開放スロット、環状スロット、または内部境界を有しない連続スロットを備えてよく、スロットの外部境界は導体素子の内側縁によって完全に画定される。

次の注釈は、本発明の双方の態様に適用される。

典型的には、各アンテナは、最小、最大、および中心波長を含む波長範囲内の放射を送るおよび／または受け取るように構成され、各アンテナのスロットは、中心波長よりも小さい最大寸法を有する。

典型的には、各アンテナのスロットは、３０ｍｍよりも小さい最大寸法、および好ましくは１８ｍｍよりも小さい最大寸法を有する。

システムは、電磁エネルギーを体へ送るために用いられ、かつ、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するための受信機部分としても機能する単一のアンテナを備えるだけでもよい。しかしながら、より好ましくは、システムは２つ以上のアンテナを備える。この場合、アンテナの幾つかが、専用送信機であってよく、他のアンテナが専用受信機であってよく、または代案として、アンテナは逐次または同時に送信機および受信機として働いてもよい。好ましい作動モードでは、アンテナが逐次に駆動され、残りの（送信していない）アンテナは受信機として機能する。

スロットは任意の形状であってよい。例えば、スロットは正方形であるか（Ｓｚｅらにあるような）、伸長された形状を有してもよい（例えば、長方形または楕円形）。

スロットは、平面または非平面であってよい。例えば、アンテナはヒトまたは動物の体の表面と整合する。

スロットが形成される導体素子は、伝導性材料の単純な薄いシートを備えるか、代案として、伝導性材料の層をプリント基板または適切なマイクロ波基板の上に備えてよい。

本発明の第３の態様は、
それぞれが、電磁エネルギーを体へまたは体から送るおよび／または受け取る導体素子、および導体素子へおよび／または導体素子からのエネルギーを結合する１つまたは複数のスロットを備える１つまたは複数のアンテナと、
１つまたは複数の信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
体の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理するように構成されたプロセッサと、
を備えるヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステムを提供する。

本発明の第３の態様は、第１および第２の態様と類似したシステムを提供するが、アンテナが相補的構造を有する。

本発明の第４の態様は、第１、第２、または第３の態様のシステムを用いてヒトまたは動物の体の内部構造を精査する方法を提供する。この方法は、
アンテナを用いて体へおよび／または体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る工程と、
１つまたは複数の信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出する工程と、
体の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理する工程と、
を備える。

好ましくは、この方法は、ヒトの胸部の内部構造を精査するために使用される。

第１のアンテナの平面図である。 図１Ａのアンテナの側面図である。 図１Ａのアンテナの変形例の横断側面図である。 第２のアンテナの平面図である。 １７ｍｍのｘ寸法および変動するｚ寸法を有するスロットについて、シミュレートされたｓ_１１を示すグラフである。 変動する接地平面サイズを有するアンテナ構成について、ファントム内に３５ｍｍでシミュレートされたボアサイト伝達関数を示すグラフである。 １７ｘ１２ｍｍスロット、１ｘ５ｍｍ接地平面、および様々なフィードギャップを有するアンテナについて、シミュレートされたｓ１１を示すグラフである。 ヒトの胸部の内部構造を精査するシステムの概略図である。

図１および図２に示されるアンテナは、導体素子１に形成されたスロット２を備える。スロット２は、導体素子１の略閉鎖内側縁によって画定された長方形外部境界を有する。スロット２は、内部境界を有しない連続スロットであり、スロットの境界は導体素子１の内側縁によって完全に画定される。

マイクロストリップフィードライン３は、図１Ｂに見られるように、導体素子１から離間している。線３の遠位端は、図１Ａに見られるように、スロット２の幾何学的中心に位置する。フィードラインは、スロット２へのおよび／またはスロット２からのエネルギーを公知の手法で結合する。

フィードライン３および導体素子１は、誘電体基板（図示されず）の対向する側面に取り付けられる。

図１ｃに示される変形例において、スロット２の後方側は、キャビティ２０を共に画定する伝導性材料の壁２１、２２、２３によって略取り囲まれている。この場合、スロット２はスロットの前方半空間内のみに（即ち、キャビティ２０から離れて）放射する。

図２に示されるアンテナは、図１Ａおよび図１Ｂのアンテナと類似し、同一の構成要素を示すため同じ参照番号が使用される。マイクロストリップフィードライン３は、２つの平行なフィードライン４および５へ分岐する。各フィードラインは、スロット２のそれぞれの部分へのおよび／または部分からのエネルギーを結合する。フィードライン４および５は、スロットの中心線に関して対称に置かれる。図２の実施形態におけるスロット２の後方側も、図１Ｃに示されるように、伝導性材料の壁によって略取り囲まれる。

図１および図２に示されるアンテナは、９．５ｍｍの最小波長、３２ｍｍの最大波長、および２１ｍｍの中心波長を含む波長の−１０ｄＢ帯域で放射を送るように構成され、スロット２は中心波長よりも小さい最大寸法（即ち、対角線）を有する。

図１および図２のアンテナは、胸部癌検出用の実開口合成組織レーダシステムで使用される。このシステムは図６に示される。システムは、胸部１１に近接または接触するＮ個（例えば、１３個）のアンテナの２次元アレイ１２を採用することによって作動する。各アンテナは順番にパルスを送り、他のアンテナの各々での受信信号は回路１９へ入力される。回路１９は、受信信号を記録することによって、体が電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機、および胸部の内部構造を示す出力を生成するため、信号を処理するように構成されたプロセッサを組み込んでいる。

パルス生成器１８および回路１９は、図６に示されるように切り換えマトリックス１５によって時分割されてよい。任意の送信または受信経路増幅（１６、１７）も同様であってよい。図６のシステムの作動モードは、特許文献１で更に詳細に説明されているように作動する。この特許文献１の内容は、参照して本明細書に組み入れられる。

胸部１１は約９の比誘電率を有する。アンテナのサイズを最小にするため、新規のアンテナに選ばれた誘電体基板は、ε_ｒ＝１０．２の比誘電率を有するＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄである。ＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄ基板内の波長（λ）は、Ｓｚｅらの設計の波長よりも小さいので、もし性能特性を維持するのであれば、スロットおよびフィードの寸法がそのように変更されなければならない。スロットは胸部１１と直接接触すべきであり、従って空気の誘電体界面は存在しないから、Ｓｚｅらのアンテナのサイズと新規アンテナのサイズとの比は、４．４／１０．２の平方根であり、これは約０．５である。これにより、ＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄ基板を使用して、スロット２およびフィードフォーク（３、４、５）のサイズを２因子だけ低減することができる。マイクロストリップ・フォーク・フィードの幅は、新しい基板誘電率について再計算された。結果の設計は、１７ｘ１７ｍｍの正方形スロットである。

アンテナは、できるだけ小型であることが望ましく、結果として、スロットのサイズを低減することの効果が、主要な考慮事項となる。スロットのｚ寸法（ｚ軸はフィードライン３、４、５に平行である）の変更によってアンテナ性能にもたらされる効果は、図３に見ることができる。主要な零位における反射減衰量は、スロットサイズを減少することによって１０ｄＢだけ改善されるが、図３は、スロットのｚ寸法の低減が、アンテナの−１０ｄＢ帯域幅に対してほとんど効果を有しないことを示す。これは、アンテナ設計に有利であり、スロットのサイズを１７ｘ１２ｍｍ（即ち、ｘ方向で１７ｍｍおよびｚ方向で１２ｍｍ）まで著しく低減することができる。

スロットのｘ寸法は、アンテナの低帯域幅カットオフ値にほとんど直接に関連することが見出された。カットオフ周波数は合理的な値にあるため、更なる精査を実行する必要はない。

図４は、様々なアンテナ設計のボアサイト伝達関数を示す。これらのプロットは、導体素子１（「接地平面」）の幾何学的形状にかかわらず、最悪の場合（導体素子１がｘ方向でスロットよりも２ｍｍだけ大きく、ｚ方向で２０ｍｍだけ大きい場合）にボアサイト伝達関数が１０ｄＢよりも小さく変動し、最良の場合（素子がｘ方向で２ｍｍだけ大きく、ｚ方向で１０ｍｍだけ大きい場合）に６ｄＢよりも小さく変動することを示す。対象の周波数範囲を横切る伝達関数の変動の欠乏および「平坦性」は、アンテナによって送られた任意の信号が最小の歪みを有する可能性を意味する。ボアサイトから離れた角度では、スロットの上方および下方で５．１ｍｍ接地を有する場合に最も平坦な伝達関数が見られる。非常に小さいか大きい接地は、ボアサイトから離れると伝達関数に一層大きい変動を引き起こす。最も適切な接地サイズは、スロットの各々の側でｘ方向において１ｍｍであり、スロットの最上部および最下部の各々でｚ方向において５ｍｍである。

導体素子１（接地平面）の寸法をｘ方向に変動させても、アンテナのｓ１１には、ほとんど影響しない。伝達関数データの一般的傾向は、接地平面のｘ方向サイズが低減されたとき、アンテナ性能の改善が見られることである。これは、アンテナサイズを最小化する場合に有利であり、スロットの各々の側で１ｍｍの接地を使用することが可能になる。

図５は、最適化アンテナ構成（１ｘ５．１ｍｍの接地を有する１７ｘ１２ｍｍスロット）について、スロットの下縁とフォークフィードとの間のギャップ（フィードギャップ）サイズに対するｓ１１の変動を示す。このグラフは、フィードギャップのサイズが０．５ｍｍから２．０ｍｍへ増加するにつれて、−１０ｄＢ帯域幅は２ＧＨｚ（３〜５ＧＨｚ）から５．５ＧＨｚ（１．５〜７ＧＨｚ）へ増加することを示す。反射減衰量は２．５ＧＨｚ〜０．５ＧＨｚ周波数範囲において−１０ｄＢレベルよりも増加するが、２ｍｍを超える値へフィードギャップを増加しても、−１０ｄＢ帯域幅に顕著な増加を生じない。

伝送特性は、特に高い周波数で、フィードギャップの増加に伴う一般的改善を示す。これらの結果から、最も効果的なフィードギャップは２ｍｍである。これらの結果は、このパラメータの小さい変更でさえも、アンテナ性能に対して大きな影響を有することを更に強調する。故に、そのようなアンテナの製造公差を決定するとき、大きな注意を払わなければならない。

本発明は、これまで１つまたは複数の好ましい実施形態を参照して説明されたが、添付された特許請求の範囲内で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更または修正が行われてよいことが理解されるであろう。

特に、アンテナの更なる小型化が可能であることに留意されたい。１０ｍｍｘ１０ｍｍよりも小さい全体寸法を有する試作品設計が成功裏に評価された。

更に、アンテナは、バビネの原理によれば、類似特性を有する相補的構造で置換されてよい。即ち、スロット２は伝導性材料の補対パッチによって置換され、マイクロストリップフィードライン３、４、５は伝導性材料シート内の相補的スロットによって置換されてよい。

Claims (12)

1. それぞれが、導体素子に形成されたスロットを備え、前記スロットは、前記導体素子の略閉鎖内側縁によって画定された外部境界を有する、体へまたは体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る１つまたは複数のアンテナと、
   １つまたは複数の信号を記録することによって、前記体が前記電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
   前記体の前記内部構造を示す出力を生成するため、前記信号を処理するように構成されたプロセッサと、
   を備え、
   前記アンテナの前記スロットは、内部境界を有しない連続スロットであり、前記スロットの前記境界は、前記導体素子の前記内側縁によって完全に画定されることを特徴とするヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステム。
2. 前記アンテナの各々は、前記スロットへのおよび／または前記スロットからのエネルギーを結合する１つまたは複数の導体素子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記導体素子は２つ以上の伝導性フィードラインを備え、前記フィードラインの各々は前記スロットのそれぞれの部分と結合する、請求項２に記載のシステム。
4. それぞれが、導体素子に形成されたスロットを備え、体へまたは体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る１つまたは複数のアンテナと、
   １つまたは複数の信号を記録することによって、前記体が前記電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
   前記体の前記内部構造を示す出力を生成するため、前記信号を処理するように構成されたプロセッサと、
   を備え、
   前記アンテナの各々は２つ以上の伝導性フィードラインを更に備え、前記フィードラインの各々は前記スロットのそれぞれの部分へのおよび／または部分からのエネルギーを結合することを特徴とするヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステム。
5. 前記スロットの１つの側が、伝導性材料の壁によって略取り囲まれた、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記アンテナの各々は、最小、最大、および中心波長を含む波長範囲の放射を送るおよび／または受け取るように構成され、各アンテナの前記スロットは、前記中心波長よりも小さい最大寸法を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 各アンテナの前記スロットは、１８ｍｍよりも小さい最大寸法を有する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシステム。
8. ２つ以上のアンテナを備える、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記アンテナを逐次に駆動する手段を更に備える、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記スロットは伸長形状を有する、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のシステム。
11. それぞれが、電磁エネルギーを体へまたは体から送るおよび／または受け取る導体素子、および前記導体素子へおよび／または前記導体素子からのエネルギーを結合する１つまたは複数のスロットを備える１つまたは複数のアンテナと、
    １つまたは複数の信号を記録することによって、前記体が前記電磁エネルギーの通過に与える影響を検出するように構成された受信機と、
    前記体の前記内部構造を示す出力を生成するため、前記信号を処理するように構成されたプロセッサと、
    を備えるヒトまたは動物の体の内部構造を精査するシステム。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のシステムを用いてヒトまたは動物の体の内部構造を精査する方法であって、
    前記アンテナを用いて体へおよび／または体から電磁エネルギーを送るおよび／または受け取る工程と、
    １つまたは複数の信号を記録することによって、前記体が前記電磁エネルギーの通過に与える影響を検出する工程と、
    前記体の前記内部構造を示す出力を生成するため、前記信号を処理する工程と、
    を備える方法。

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