JP5308812B2 - 組織の特性決定のための電磁センサ - Google Patents

Description

本発明は、反射された電磁波信号の共振による組織の特性決定のための方法及び装置に関する。

組織の種類の間の区別を行うための電磁反射特性による組織の特性決定は知られている。一般的に、それは、電磁波発生器から特性決定されるべき組織への同軸ケーブル中でのマイクロ波範囲の周りでの電磁波の伝搬を含む。組織に関する近位端で同軸ケーブルは切断されることができ、組織と接触されることができる。代わりに、組織プローブとして作動できる様々な外形が同軸端として与えられることができる。

例えば、Ｂｕｒｄｅｔｔｅら［Ｂｕｒｄｅｔｔｅ ｅｔ ａｌ，“Ｉｎ Ｖｉｖｏ Ｐｒｏｂｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｔ ＶＦＷ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ＆ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＭＴＴ−２８（４）：４１４−４２７，１９８０］は、半固体材料及び生きている組織の誘電特性をその場で決定するためのプローブ技術の理論及び実験的使用を記述する。この方法は以下の点で既知の方法と比較して有利である：
１．約０．１ ＧＨｚ〜約１０ ＧＨｚの連続的周波数範囲での生きている組織の誘電特性の測定を可能にする。
２．単調で退屈なサンプル調製の必要性を排除する。そして、
３．実時間ベースでのデータ処理を可能にする。

Ｂｕｒｄｅｔｔｅの考え方は、生きている組織中への挿入に好適な短い単極アンテナをインビボプローブとして使用するというものである。このプローブは、テフロン（登録商標）誘電体によって分離された外側及び内側（中央）導電体を有する同軸ケーブルとして設計される。内側導電体ケーブルは、操作者に関して遠位端に単極の電場を作り出すために外側導電体ケーブルより少し長い。この端は、誘電特性が測定されるべき組織中に挿入されるべきものである。外側導電体は、フリンジ効果を最小にするために接地されることができる。内側導電体とテフロン（登録商標）誘電体をまず除去し、ＳＭＡコネクタを外側導電体に半田付けし、そしてプローブをコネクタの中央ピンとしての中央導電体と共に再組立てすることによってＳＭＡコネクタはプローブに取付けられる。分解中に、プローブ導電体はニッケルめっきでフラッシされ、次にプローブと検査されるべき組織内の電解質との間の化学反応を減少させるために金でめっきされる。このプロセスは、プローブの金属表面の酸化を事実上排除し、低周波数での電極分極効果を最小化することを助ける。

Ｃｈａｎらへの米国特許第５７４４９７１号は、文化的材料（例えば油絵の如き作品）の保存処置の非侵襲的監視において使用されるのに好適な（しかし、これに限定されない）、材料の誘電特性を測定するための同軸プローブの使用を教示する。このプローブは、操作者に関して遠位端に延びる同軸構造を有する針状装置である。このプローブは、Ｂｕｒｄｅｔｔｅの侵襲的プローブとは対照的に体外型である。この同軸プローブの設計はＢｕｒｄｅｔｔｅらのものとは少し異なる。

Ｓｋｌａｄｎｅｖらへの米国特許第６０２６３２３号は、単一の装置中に光学的試験と電気的試験を組合せた、組織の種類を特性決定するためのプローブを記述する。このプローブは、組織表面の極めて小さい面積から光学的データと電気的データをほぼ同時に与えることができる。このアプローチに対する解決の鍵は、組織の同じ小さい面積をほぼ同時に電気的にかつ光学的に測定することを可能にする器具である。各測定は事象の複雑な配列を含み、これらは以下のものを含む：光学的及び電気的組織刺激及び引続く組織応答の検出、フィルタリング及びディジタル化；光学的及び電気的信号からの特定パラメータの抽出；エラーのチェック及び引続く様々な組織の種類のカテゴリーへの抽出されたパラメータの分類；及びシステム操作者へのフィードバック。プローブは中央光ファイバーを有し、これはハンドル中の光検出ダイオードへの電磁放射を行い、光ファイバーの束の中央に配置されており、これらは全て外部管の内部に配置されている。三つの金電極が外部管の内側表面に隣接してかつこれと当接して配置されている。プローブケーブルは、単一の全体的な編み組シールドを有する多くの個々の同軸導電体からなり、医療等級のシリコーン外部ジャケットに包囲されている。ケーブルの両端は丸いプラスチックピンの雄コネクタを有する。電極及び光ファイバーは、刺激及び組織の特性検出のための組織と直接接触させられる。プローブの先端は磨かれ、滑らかにされており、輪郭を付けられた縁を有する。エポキシ樹脂が先端部分を電気的に絶縁し、封止する。

Ｈａｓｈｉｍｓｈｏｎｙへの米国特許第６８１３５１５号は、組織の誘電特性に従ってある組織を他の組織から区別するために組織を検査するためのプローブ、方法及びシステムを教示する。この方法は、検査される組織中にフリンジ電界を作り出して組織自体の中へ侵入する無視できる放射を有する反射されたパルスをそこから生成させ；反射された電気パルスを検出し；そして反射された電気パルスの電気的特性を印加された電気パルスと比較して、検査される組織の誘電特性の指標を与えるものである。測定装置は、操作者に関して遠位端に空洞を有する同軸プローブとして構築され、その空洞に検査されるべき組織のサンプルが閉じ込められる。プローブそれ自体は、外側導電体から絶縁されかつ外側導電体によって包囲されている内側導電体を有し、外側導電体は一端で開放されており、軸方向に内側導電体を通り過ぎて延びており、操作者に関してプローブの遠位端に開放空洞を規定する。内側導電体は開放空洞内に先端を含み、この先端はフリンジ電界を増強させるために少なくとも二つの異なる直径を有するように形成されている。

Ｃａｍｐｂｅｌらへの米国特許第６３７０４２６号は、基質の相対的水和を測定するための方法及び装置を記述する。基質の電気的特性の測定値、それに印加される力、及び測定中の基質の温度は、基質のかかる相対的水和を決定するための入力を与える。この場合に使用されるセンサの構造は二つの同軸導電体であり、そのうち一つは対称軸に沿って延び、同軸絶縁体によって分離され、外側導電体の外側に同軸絶縁体を有する。両方の導電体及び分離絶縁体は操作者に関して遠位端で対称軸に垂直な平面で終り、従って同軸構造は試験される組織と接触するがそれに侵入しない。

Ｅｉｎａｔらへの英国特許第０１１５３９８０号は、近傍領域の同定及び特性決定のためのプローブとして作動するＲＦアンテナを記述する。それは電磁場を生成する第一及び第二の放射部分を有し、これらは遠方領域の放射を抑制するために実質的に対向している。遠方領域の抑制は、近傍領域の特性決定が求められている場合に遠方領域からの寄与を最小化する。

Ｇｏｌｄｆｉｎｅらへの米国特許第６３８０７４７号は、測定された誘電測定信号の処理、最適化、較正及び表示のための方法を記述する。特性推定器が、電極構造に結合されており、この特性推定器は、感知された電磁応答を、誘電率及びオーム導電率、層厚さ又は他損失のある誘電体又は金属物体の存在もしくは誘電特性に影響を与える他の物理的特性の如き、材料の一つ以上の予め選択された特性又は寸法の推定へと変換する。電場の異なる有効侵入深さを有するように、ただし同一の空気間隙、流体間隙、又はくさび離昇高さを有するすべての構成を持つように様々な方法で連結されることができる誘電測定センサが開示されており、未知の数を減少させることによって特性推定器の性能を大きく改良する。センサの外形は、同じセンサ設置面積内で多数の波長を与える単一の感知要素を常時有する周期構造からなる。

上述のシステムは共振せず、異なる組織の種類からの信号の間の差異は小さい。

対称的に、Ｋｉｎｇらへの米国特許第５２２７７３０号、Ｋｉｎｇへの米国特許第５３３４９４１号、及びＴｏｂｉａｓへの米国特許第６４１１１０３号は共振要素を追加する。

Ｋｉｎｇらへの米国特許第５２２７７３０号は、インビボ又はインビトロの損失のある（散逸性の）誘電材料、特に生物学的組織の複雑な誘電特性を感知するための方法及び装置を教示する。この考え方は針状共振センサに基づいており、これは試験材料中に共振周波数でのその誘電特性を測定するために挿入される。上述のセンサと比較した主要な利点は、共振効果のため、誘電定数は大きな精度及び解像度で並びに（立方センチメートルのオーダーの）大きな体積で測定されることができるということである。従って、共振センサは腫瘍と正常な組織とをより良好に区別することができる。Ｋｉｎｇらによって設計されるような針状共振センサは、双極子共振器の形を有し、この共振器はミニチュア同軸供給ケーブルに平行にかつこれと隣接して配置されており、これから電気的に絶縁されている。双極子共振器は、ケーブルシールド中の電気的に短い円周間隙切れ目によって同軸ケーブル中のマイクロ波電力に誘導結合される。間隙を双極子にその中心で結合させることにより、電流が双極子中に完璧にバランスのとれた対称的な態様で誘導される。供給間隙を適切に設計することにより、双極子インピーダンスは、双極子の共振周波数での間隙からの極めて小さい反射を持って同軸ケーブルに良く適合されることができる。双極子と試験媒体との間の結合の度合いを制御するため、薄い円筒形の誘電鞘が装置全体を包囲する。かかる鞘は例えば誘電カテーテルであることができ、その中に双極子共振器が取付けられた同軸ケーブルが挿入される。

Ｋｉｎｇへの米国特許第５３３４９４１号は、固体、液体又は気体の複雑な誘電及び導電特性をマイクロ波周波数で非破壊的に測定又は監視するための高感度の直接接触型インシチューセンサを記述する。金属のマイクロストリップ双極子共振器は、銅の接地面に結合された誘電支持体の表面でエッチングされる。双極子共振器は、接地面に形成された短い非共振供給スロットへの相互誘導結合によって電磁的に駆動される。スロットは、入射波を励起する掃引マイクロ波周波数源から延びる同軸供給ライン又はマイクロストリップ供給ラインによって駆動される。代わりに、金属共振器は省略され、スロットの長さはそれが共振器になるように増大される。使用時にはセンサは、複雑な誘電定数．ｅｐｓｉｌｏｎ．^＊（＝．ｅｐｓｉｌｏｎ．’−ｊ．ｅｐｓｉｌｏｎ．”）又は導電率．ｓｉｇｍａ．を有する試験材料に密接に物理的に接触して置かれる。マイクロ波源の周波数が掃引されるにつれ、反射波中の鋭い減少が共振周波数で生じる（同軸供給ライン又はマイクロストリップ供給ラインがセンサ入力にほぼ臨界的に結合されていると仮定して）。共振周波数及び入力結合係数の測定は．ｅｐｓｉｌｏｎ．’，．ｅｐｓｉｌｏｎ．”及び．ｓｉｇｍａ．における小さな変化を大きな解像度で決定する。共振器と試験材料との間の電磁的結合を減少させるため、及び共振器を傷害及び磨耗から保護するために、上層が追加されてもよい。

Ｔｏｂｉａｓらへの米国特許第６４１１１０３号は、物質の誘電特性を測定するための漂遊電場センサを記述する。このセンサは電場を生成するための生成要素及び生成された電場をシールドするためのシールド要素を含む。シールド要素は、電場を外側空間に結合させるための少なくとも二つの開口を有し、従って電場はシールド要素の外側に少なくとも部分的に位置される。

さらに、ドイツ国出願ＤＥ１９７０５２６０Ａ１及びＤＥ１９７３４９７８Ａ１は、試験されるべき物質が共振器中にもたらされて共振回路の共振周波数に影響を与えるシステムを記述する。

本発明は、組織の特性決定のためのセンサであって、特性決定のための組織に侵入することなしに前記組織の縁に近接して配置されるように構成された共振器であって、前記縁に実質的に平行な平面で直径等価寸法Ｄを有し、かつ特徴サイズｄを有する導電性構造を含む共振器；及び外部システムとの通信を与えるための少なくとも一つの導電性リード線を含み、前記共振器は、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲に相当する周波数で共振するように構成されており、前記λは直径等価寸法Ｄの少なくとも約１０倍であり、約λ〜約４０λの範囲の信号を受信すると、センサは約Ｄの直径を有する組織中の近傍領域（近距離領域とも言う）に電場及び磁場を誘導するように構成されており、これにより近傍領域の組織は共振器の一部として効果的に機能してその共振値に影響を与え、これにより近傍領域の組織は共振器の共振応答によってその電磁特性によって特性決定されることを特徴とするセンサに関する。

別途定義されない限り、本明細書中で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味する。本明細書中に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、好適な方法および材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

図面の説明
本明細書では本発明を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の好ましい実施態様を例示考察することだけを目的としており、本発明の原理や概念の側面の最も有用でかつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示していることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に本発明の構造の詳細は示さないが、図面について行う説明によって本発明のいくつもの形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
図１は、本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのシステム及びセンサを模式的に示す。
図２Ａ〜２Ｂは、本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサのための回路を模式的に示す。
図３Ａ〜３Ｎは、本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。
図４Ａ〜４Ｃは、本発明のいくつかの実施態様による、薄い柔軟な構造として形成された、組織の特性決定のためのセンサを模式的に示す。
図５Ａ〜５Ｇは、本発明のいくつかの実施態様による、ハウジングと共に作動する、組織の特性決定のためのセンサを模式的に示す。
図６Ａ〜６Ｃは、本発明のいくつかの実施態様による、平面螺旋と三次元螺旋を組合せる様々な態様を模式的に示す。
図７Ａ及び７Ｂは、本発明の組織の特性決定のためのセンサの実験データを模式的に示す。

本発明は、組織の特性決定のためのセンサであって、特性決定のための組織に侵入することなしに前記組織の縁に近接して配置されるように構成された共振器であって、前記縁に実質的に平行な平面で直径等価寸法Ｄを有し、かつ特徴サイズｄを有する導電性構造を含む共振器；及び外部システムとの通信を与えるための少なくとも一つの導電性リード線を含み、前記共振器は、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲に相当する周波数で共振するように構成されており、前記λは直径等価寸法Ｄの少なくとも約１０倍であり、約λ〜約４０λの範囲の信号を受信すると、センサは約Ｄの直径を有する組織中の近傍領域に電場及び磁場を誘導するように構成されており、これにより近傍領域の組織は共振器の一部として効果的に機能してその共振値に影響を与え、これにより近傍領域の組織は共振器の共振応答によってその電磁特性によって特性決定されることを特徴とするセンサに関する。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明において示される細部、または、実施例によって例示される細部に限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または、様々な方法で実施することができ、または、様々な方法で実施される。また、本明細書中で用いられる表現法および用語法は記述のためであって、限定であると見なしてはならないことを理解しなければならない。

さて、図面を参照すると、図１は、本発明の第一実施態様による、組織の特性決定のためのセンサ２０を有するシステム１０を模式的に示す。

センサ２０は、特性決定されるべき組織である組織１８に関して近位端２１及び遠位端２９を有する。

センサ２０は、空気１６の中に、即ち特性決定のための組織１８に侵入することなしにこの組織１８の縁１３に近接して配置されるように構成された導電性構造４２を含む。

図１に示される第一実施態様によれば、導電性構造４２は共振センサ２０として作動する。

導電性構造４２は、直径等価寸法Ｄを規定する。これは、要素４２の断面積と実質的に同一の断面積を有する円の直径である。従って、Ｄは縁１３と実質的に平行な縁１３の側上の断面積を規定する。好ましくは、Ｄは約３ｍｍ〜約２５ｍｍである。これより大きいか又は小さい他の値も同様に使用できることは理解されるであろう。導電性構造４２は特徴サイズｄをさらに規定し、これは例えば図３Ｂに関して以下に示されるように電線厚さ及び電線間隔に基づく。

さらに、導電性構造４２は、抵抗結合によって又は誘導結合もしくは容量結合によって回路４０に結合されている。回路４０は、結合器５０及び伝送線（例えば同軸ケーブル５６）を介して外部信号生成制御及び分析システム３０と通信する。

導電性構造４２は、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲で共振するように構成されており、前記λは直径等価寸法Ｄの少なくとも約１０倍である。従って、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲は、約１０Ｍｈｚ〜約５Ｇｈｚの周波数範囲に一般的に等しい。

約λ〜約４０λの範囲の信号を受信すると、導電性構造４２は、組織１８の近傍領域１７中に電場１２及び磁場１４を誘導するように構成されている。電場１２は組織１８にｄ（Ｅ）の深さまで侵入し、磁場１４は組織１８にｄ（Ｂ）の深さまで侵入し、両者は特徴サイズｄのオーダーのものである。好ましくは、ｄ（Ｂ）はｄ（Ｅ）よりいくらか大きく、例えば１．１〜５倍大きい。代わりにそれらは実質的に同一である。しかし、ある場合にはｄ（Ｂ）はｄ（Ｅ）より小さいことができることは理解されるであろう。

従って、侵入領域は、一般的に直径が約直径等価寸法Ｄであり厚さが約特徴サイズｄである円板１５であり、これは組織の縁１３から始まる。円板１５中の組織１８は、共振器の一部として効果的に機能し、その共振応答を変化させる。結果として、円板１５中の組織１８はその共振応答によってその電磁的特性に基づいて特性決定されることができる。

さらに、導電性構造４２は、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲について効果的でないアンテナとして構成され、従って遠方領域（遠距離領域とも言う）１９におけるその放射効率は０．１％未満、好ましくは０．０１％未満である。結果として、遠方領域の寄与は最小化され、組織の特性決定は、縁１３に極めて近い近傍領域１７の円板１５に限定される。

この効果は、Ｅｉｎａｔらへの英国特許第０１１５３９８０号によって達成される効果と同様である。この英国特許は、近傍領域の同定及び特性決定のためのプローブとして作動するＲＦアンテナを記述する。それは、電磁場を生成する第一の及び第二の放射部分を有し、これらは遠方領域での放射を抑制するために実質的に対向している。遠方領域の抑制は、近傍領域の特性決定が求められている場合に遠方領域からの寄与を最小にする。

外部信号生成制御及び分析システム３０は、信号生成器３２、分析器３４及び制御器３６を含むことが好ましいが、これらは単一のユニット中に統合されることもできる。予め決定された作動パラメータ及び設定を与えるために及び試験結果を記憶するためにユーザーインターフェースが与えられることができ、これは例えば、読取り及び書込みドライブ３１の形のもの（ディスケット、ＣＤ、ＤＶＤ、ディスクオンキーなど）である。表示スクリーン３８は共振応答を表示することができる。他の出力手段、例えばプリンタやファクシミリも可能であることは理解されるであろう。キーボード３５は、患者の詳細、特定の試験の日時、信号パラメータなどのデータを入力するために使用されることができる。さらに、制御器３６は他の入力及び出力装置、例えばＵＳＢポート３３及び他の公知の手段を含むことができる。

図面をさらに参照すると、図２Ａ及び２Ｂは本発明の他の実施態様によるセンサ２０の模式的回路を示し、そこでは導電性構造４２は電子的支持構造と共に共振センサ２０として作動する。

図２Ａに見られるように、センサ２０は回路４０として表されることができ、これは組織１８に近接して配置されるように構成されている導電性構造４２を含む。さらに、回路４０は、実効抵抗、実効インダクタンス及び実効キャパシタンスを有する実効部品４４を含むことができ、これらは導電性構造４２と直列に接続されることができる。回路４０は、実効抵抗、実効インダクタンス及び実効キャパシタンスを有する実効部品４６をさらに含むことができ、これらは導電性構造４２と並列に接続されることができる。

従って、実効部品４４又は実効部品４４及び４６は、電子的支持構造を形成することができる。従って、共振センサ２０は、導電性構造４２及び実効部品４４から効果的に形成されることができるか、又は導電性構造４２及び両方の実効部品４４及び４６から効果的に形成されることができる。従って、この実施態様によれば、約λ〜約４０λの自由空気波長範囲に相当する周波数で共振するように構成されているのはセンサ２０全体である。

結合器５０は接続構造５２を含むことが好ましく、これは、例えば回路４０の又は部品４４及び４６の全インピーダンスを変更させるために、同調、スイッチング及び置換能力の少なくとも一つを備えることが好ましい。これらの能力は、異なる種類の組織、例えば主に脂肪からなる胸組織、筋肉組織、皮膚組織及び骨を特性決定するために相互交換可能なようにセンサ２０を最適化するために望まれるかもしれない。

コネクタ５４は、接続構造５２と伝送線５６を接続し、好ましくはインピーダンス整合及びバランスを確実にしながらこれを行う。

図２Ｂに見られるように、センサ２０は二つの回路４０Ａ及び４０Ｂとして表されることができる。これらの回路は二つの共振器２０Ａ及び２０Ｂを形成し、並列に接続された二つの導電性構造４２Ａ及び４２Ｂを含む。さらに、回路４０Ａ及び４０Ｂは実効部品４４Ａ及び４４Ｂを含むことができ、これらの各々は実効抵抗、実効インダクタンス及び実効キャパシタンスを有し、これらは導電性構造４２Ａ及び４２Ｂと直列に接続されることができる。回路４０Ａ及び４０Ｂは実効部品４６Ａ及び４６Ｂをさらに含むことができ、これらの各々は実効抵抗、実効インダクタンス及び実効キャパシタンスを有し、これらは導電性構造４２Ａ及び４２Ｂに並列に接続されることができる。

共振器２０Ａは、導電性構造４２Ａ及び実効部品４４Ａから効果的に形成されることができるか、又は導電性構造４２Ａ及び両方の実効部品４４Ａ及び４６Ａから効果的に形成されることができる。共振センサ２０Ｂは、導電性構造４２Ｂ及び実効部品４４Ｂから効果的に形成されることができるか、又は導電性構造４２Ｂ及び両方の実効部品４４Ｂ及び４６Ｂから効果的に形成されることができる。

さらに、二つの回路４０Ａ及び４０Ｂは接続構造５２Ａ及び５２Ｂに結合されることができ、これらは回路４２Ａ及び４２Ｂに対して同調、スイッチング及び置換能力の少なくとも一つを与えることが好ましい。

コネクタ５４は、接続構造５２Ａ及び５２Ｂと伝送線５６を接続し、好ましくはインピーダンス整合及びバランスを確実にしながらこれを行う。

図面をさらに参照すると、図３Ａ〜３Ｎは、本発明のいくつかの実施態様による、組織特性決定のためのセンサ２０の導電性構造４２についての様々な外形を模式的に示す。

図３Ａ及び３Ｂに見られるように、導電性構造４２は、銅、金又は他の公知の導電体の如き導電性材料の平坦な平面螺旋として形成されている。内側端４１は導電性リード線４３を介して結合器５０に抵抗接続されることができる。しかし、第二端４７は、回路４０に誘導結合又は容量結合されるために自由端であることができる（図３Ａ）。代わりに、第二端４７が結合器５０に接続され、第一端４１が自由端であることもできる。

平面螺旋２２は直径等価寸法Ｄを有する。

図３Ｂに見られるように、平面螺旋２２は支持体４９上に約２〜３０ミクロンの厚さで付着されることができる。他の寸法も同様に使用できることは理解されるであろう。支持体は例えばポリカーボン、石英又は他の公知材料であることができる。支持体４９の目的はセンサ２０に機械的支持を与えることである。

好ましくは、約４〜５０ミクロンの例えばＫａｐｔｏｎの絶縁層４８が平面螺旋２２の上に付与されることができる。他の寸法も同様に使用できることは理解されるであろう。

導電性材料４５の幅ｄ１及び間隔ｄ２は、一般的に同じオーダーのものであり、特徴サイズと名付けられ、本明細書では一般的にｄと称される。特徴サイズｄはセンサ２０の解像能力、特に平面螺旋の解像度に影響を与えることがありえ、好ましくは望ましい解像能力のわずかに半分のサイズである。例えば、約０．２５ｍｍの最小検出可能物体サイズが求められている場合、約０．１ｍｍの特徴サイズ（望ましい解像能力の４０％）が使用されることができる。

好ましくは、特徴サイズｄは直径等価寸法Ｄの約１／１０〜１／２０である。

図３Ｃは、両端４１及び４７が導電性リード線４３を介して回路４０に抵抗結合された平面螺旋２２を示す。

図３Ｄは、二つの内側端４１が抵抗結合されており、二つの外側端４７が自由端である二重平面螺旋２２Ａを示す。

図３Ｅ及び３Ｆは円錐三次元螺旋２４を模式的に示し、これは支持体４９の上に同様に付着されている。しかし、支持体４９は漏斗として形成されており、円錐形状を有する導電性材料４５を与える。

円錐三次元螺旋２４は直径等価寸法Ｄ及び長さＬを有している。さらに、それは導電性材料４５の幅ｄ１及び間隔ｄ２を平面螺旋２２に関する限り有する。円錐三次元螺旋２４は抵抗結合されているように示されている。代わりに、それは誘導結合又は容量結合されることができる。

図３Ｇ〜３Ｋは、導電性材料４５が図３Ｈ及び３Ｉに示されるように相互の中に挿入される二つのコーム４５Ａ及び４５Ｂとして形成され、構造２８を形成する導電性構造４２を模式的に示す。

構造２８を形成する導電性材料４５は、約１００ミクロンの厚さのＫａｐｔｏｎの如き絶縁材料４８の上に付着されることができ、約４〜５０ミクロンの厚さのＫａｐｔｏｎの如き絶縁材料４８で被覆されることができる。

接触点５５は、構造２８に対する抵抗結合を与える。

好ましくは、構造２８は、ハウジング５３によって形成された中空領域５１の上に配置される。中空領域５１の目的は、構造２８の遠位側からの応答を防止することである。電気的絶縁体５１が中空領域５１の代わりに使用されてもよい。

図３Ｌ及び３Ｎは、導電性材料４５に円錐形状を与えるために漏斗として成形された支持体４９の上に付着された図３Ｆの円錐三次元螺旋２４をさらに示す。

導電性材料の好ましくは管状の壁３７は、円錐三次元螺旋２４を包囲し、組織に関して近位側３１上に円錐三次元螺旋を越えて延び、開放空洞３９を形成する。

従って、円錐三次元螺旋２４が長さＬを有する一方、壁３７は長さＬ１を有し、これはＬよりいくらか、例えば１０〜１００％大きい。

上述のように、円錐三次元螺旋２４は直径等価寸法Ｄ及び実質的に同様の値の特徴サイズｄ１及びｄ２（従ってｄとみなされる）を有し、ここで特徴サイズｄは直径等価寸法Ｄの約１０分の１であることが好ましい。円錐三次元螺旋２４は抵抗結合されているものとして示されている。代わりに、それは誘導結合又は容量結合されることもできる。

本質的に、開放空洞３９は、Ｈａｓｈｉｍｓｈｏｎｙへの米国特許第６８１３５１５号に教示されるようなものである。この特許は以下の工程によって組織を試験するための方法及びシステムを記述する：開放空洞を有するように形成されているプローブを介して試験されるべき組織に電気パルスを印加し、これによりプローブが開放空洞内の試験されるべき組織中にフリンジ電界を生成し、試験される組織の近くの他の組織又は生物学的体中へ侵入する放射が無視できるように試験される組織から反射される電気パルスを生成し；反射された電気パルスを検出し；そして反射された電気パルスの電気的特性を印加された電気パルスのそれと比較して試験される組織の誘電特性の指標を与える。

この例では、図３Ｎに見られるように、組織１８の侵入領域は空洞３９内に含まれている。空洞３９内に含まれている組織１８は共振器の一部として機能し、その共振応答を変化させる。結果として、空洞３９内に含まれている組織１８は、その共振応答によってその電磁的特性に基づいて特性決定されることができる。

図３Ｎの例は円錐状開放空洞を示すが、円筒状開放空洞（例えば導電性管状壁３７を図３Ａ及び３Ｂの実施態様に追加することによって形成されるような）も同様に可能である。

図３Ａ〜３Ｎのいずれの導電性構造４２も抵抗結合によって又は誘導結合もしくは容量結合によって図２Ａの回路４０に結合されることができ、この回路４０は、結合器５０及び伝送線（例えば同軸ケーブル５６）を介して外部信号生成制御及び分析システム３０と通信するということは理解されるであろう。

代わりに、図３Ａ〜３Ｎのいずれの導電性構造４２も抵抗結合によって又は誘導結合もしくは容量結合によって図２Ｂの回路４０Ａ及び４０Ｂに結合されることができる。

図面をさらに参照すると、図４Ａ〜４Ｃは、本発明の実施態様に従って薄い柔軟な構造７５として形成されたセンサ２０を模式的に示す。

好ましくは、センサ２０は、約２〜３０ミクロンの厚さの平面螺旋２２を含み、これは約１００ミクロンの厚さのＫａｐｔｏｎの如き絶縁材料４８の上に付着されており、約４〜５０ミクロンの厚さのＫａｐｔｏｎの如き絶縁材料４８で被覆されており、従って本質的に自己支持型である。

柔軟な構造７５は線７７で曲がるように構成されており、従って作動時には平面螺旋２２は柔軟な構造７５の残りに対して実質的に直角である。さらに、柔軟な構造７５は、ポリカーボンの上部カバー５７を有する中空ハウジング７４中に挿入されたときに作動するように適合されており、そこでは平面螺旋２２はポリカーボンの上部カバー５７を覆う近位カバーを形成し、組織１８の縁１３との接触又は接触に近い状態を形成する（図１）。中空ハウジング７４は、センサ２２の遠位側に実効中空領域５１を本質的に与える。

ハウジング７４は絶縁材料で充填されてもよいことは理解されるであろう。

柔軟な構造７５は、ハウジング７４の内に挿入される代わりにハウジング７４に取付けられてもよいことは理解されるであろう。

図面をさらに参照すると、図５Ａ〜５Ｇは、本発明のいくつかの実施態様による、ハウジング７０と共に作動するセンサ２０を模式的に示す。

この実施態様によれば、センサ２０は平面螺旋２２及び三次元螺旋２６を含むことができる。これらは図２Ｂに示されるように直列に接続されてもよいし、又は並列に接続されてもよい。さらに、いずれか一方が抵抗結合されてもよい。代わりに、いずれか一方が誘導結合又は容量結合されてもよく、従って一つの自由端を有してもよい。

ハウジング７０は、円形ヘッド６２及びレッグ６４を有する内側支持体構造６５を含むことが好ましく、Ｔ形状の断面及び組織に関して近位端６１及び遠位端６９を有することが好ましい。

平面螺旋２２はヘッド６２に位置されることが好ましい。三次元螺旋２６はレッグ６４の周りに巻かれることができる。レッグ６４は、平面螺旋２２の導電性リード線４３を収容するためにさらに使用されることができる。

図５Ｇは、ハウジング７０の遠位端６９に接続構造５２及びコネクタ５４を有する結合器５０を模式的に示す。

図面をさらに参照すると、図６Ａ〜６Ｃは、本発明のいくつかの実施態様による、平面螺旋２２と三次元螺旋２６を組合せる様々な態様を模式的に示す。

図６Ａでは、平面螺旋２２及び三次元螺旋２６は並列に接続され、両者は誘導結合又は容量結合されている。

図６Ｂでは、平面螺旋２２及び三次元螺旋２６は直列に接続され、両者は誘導結合又は容量結合されている。抵抗結合された直列接続も可能であることは理解されるであろう。

図６Ｃでは、平面螺旋２２及び三次元螺旋２６は並列に接続され、両者は接点２５を介して抵抗結合されている。

図７Ａ及び７Ｂは、本発明の組織の特性決定のためのセンサの実験データを模式的に示す。

図７Ａは反射信号の反射係数の振幅を示す。

図７Ｂは反射信号の反射係数の位相を示す。

振幅及び位相の少なくとも一つが使用できることは理解されるであろう。さらに、両方が使用されることもできる。

図７Ａ及び７Ｂは、本発明の共振器の広帯域性質を示す。反射信号の反射係数の振幅の少なくとも１０％の変化として応答を規定すると（図７Ａ）、図７Ａの応答の範囲は約１８０〜約２６０ＭＨｚであることに気付く。図７Ａの実施例では、範囲は２２０ＭＨｚの共振値の周りの８０ＭＨｚである。

広帯域はしばしばΔｆ／ｆとして規定され、又はこの実施例では８０／２２０である。広帯域を百分率で表現することは３６％又は±１８％の値に導く。

本発明の他の実施例によれば、広帯域は±５０％もの大きさであることができる。代わりに、それは少なくとも±２５％又は少なくとも±１５％であることができる。

この特許の存続期間の間に、組織特性決定のための関連のある多くの広帯域センサが開発されうることが期待され、本発明の範囲は、全てのかかる新技術を演繹的に含むことを意図する。

本明細書で使用される場合、用語「実質的に（“ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ”）」は±１０％を意味する。

本明細書で使用される場合、用語「一般的に（“ｇｅｎｅｒａｌｌｙ”）」及び「約（“ａｂｏｕｔ”）」は±３０％を意味する。

明確にするため別個の実施態様で説明されている本発明の特定の特徴は単一の実施態様に組み合わせて提供することもできることが認識されるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施態様で説明されている本発明の各種の特徴は別個に又はいかなる適切なサブコンビネーションでも提供することもできる。

本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更及び変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入る係る別法、変更及び変形すべてを包含するものである。

本明細書中で挙げた刊行物、特許及び特許願は全て、個々の刊行物、特許及び特許願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願でのいかなる引用又は確認したことも本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。

本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのシステム及びセンサを模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサのための回路を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサのための回路を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、組織の特性決定のためのセンサの導電性構造のための様々な外形を模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、薄い柔軟な構造として形成された、組織の特性決定のためのセンサを模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、ハウジングと共に作動する、組織の特性決定のためのセンサを模式的に示す。 本発明のいくつかの実施態様による、平面螺旋と三次元螺旋を組合せる様々な態様を模式的に示す。 本発明の組織の特性決定のためのセンサの実験データを模式的に示す。 本発明の組織の特性決定のためのセンサの実験データを模式的に示す。

Claims (21)

1. センサの近距離領域の組織の特性決定のためのセンサであって、
   特性決定のための組織に侵入することなしに前記組織の縁に近接して配置されるように構成された広帯域共振器であって、前記縁に実質的に平行な平面で直径等価寸法Ｄを有し、かつ特徴サイズｄを有する導電性構造を含む広帯域共振器、ただし、前記導電性構造は、予め決められた間隔寸法の間隔で配置された導電性材料を含み、前記特徴サイズｄは、前記予め決められた間隔寸法に実質的に等しい；及び
   外部システムとの通信を与えるための一つの導電性リード線
   を含み、
   前記広帯域共振器は、±１５％のΔｆ／ｆで設計されておりかつ約λ〜約４０λの自由空気波長範囲に相当する周波数で共振するように構成されており、前記Δｆは、広帯域共振器の反射信号の反射係数振幅において少なくとも１０％の変化がある周波数の範囲であり、前記ｆは、対応する共振周波数を表わし、前記λは直径等価寸法Ｄの約１０倍であり、
   約λ〜約４０λの範囲の信号を受信すると、センサは組織中の近距離領域に電場及び磁場を誘導するように構成されており、前記近距離領域は一般的に円板状領域であり、約Ｄの直径及び特徴サイズｄによって制限される侵入深さによって画定されており、
   これにより近距離領域の組織は広帯域共振器の一部として効果的に機能してその共振値に影響を与え、これにより近距離領域の組織は広帯域共振器の共振応答によってその電磁特性によって特性決定されることを特徴とするセンサ。
2. 特徴サイズｄが直径等価寸法Ｄの約１／１０〜１／２０であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 共振器が電子的支持体構造をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 共振応答が、反射信号の反射係数の振幅及び反射信号の反射係数の位相からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 共振器が、共振値の周りの約±５０％の範囲及び共振値の周りの約±２５％の範囲からなる群から選択される、前記Δｆ／ｆにおける範囲に応答するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
6. 前記センサに対して遠距離領域において、センサが約λ〜約４０λの自由空気波長範囲について０．１％未満の放射効率を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
7. 送信ラインへのコネクタをさらに含み、前記コネクタがセンサと送信ラインの間に実質的なインピーダンス整合を与えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
8. センサを様々な用途に交換可能なように最適化するために、同調能力、スイッチング能力、及び置換能力からなる群から選択される能力をコネクタの構成要素に与えるために、コネクタと関連する連結構造をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
9. 以下のものからなる群から選択される構造として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
   薄い柔軟な構造、
   中空ハウジングに取付けられたときの操作のために適合された、薄い柔軟な構造、
   電気絶縁材料で充填されたハウジングに取付けられたときの操作のために適合された、薄い柔軟な構造、
   中空ハウジング中に挿入されたときの操作のために適合された、薄い柔軟な構造、及び
   電気絶縁材料で充填されたハウジング中に挿入されたときの操作のために適合された、薄い柔軟な構造。
10. 導電構造が、実質的に平坦な平面螺旋及び相互に巻きついた二つの実質的に平坦な平面螺旋からなる群から選択された態様として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
11. センサが、ハウジングに取付けられたとき及びハウジング中に挿入されたときからなる群から選択された態様の操作のために適合された、薄い柔軟な構造として形成されており、導電性構造が曲がってハウジングへの近接頂部を形成することを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
12. 導電性構造が円錐三次元螺旋として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
13. 漏斗形状の支持体上に付着されていることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
14. 組織の方へ近接して延びて、円錐状開放空洞及び円筒状開放空洞からなる群から選択された空洞を形成する導電性材料の管状壁をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
15. 近距離領域が開放空洞内に含まれることを特徴とする請求項１４に記載のセンサ。
16. 導電性構造が、相互の中に挿入された二つのコームとして形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
17. 導電性構造が、自己支持支持体の上に付着されている導電性構造、薄い支持体の上に付着され、中空領域を形成するハウジングの上に配置されている導電性構造、及び薄い支持体の上に付着され、電気絶縁体から形成されるハウジングの上に配置されている導電性構造からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
18. 導電性構造が実質的に平坦な平面螺旋及び三次元螺旋という二つの部分から形成されること、及び二つの部分が並列及び直列からなる群から選択された態様で連結されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
19. 導電性構造が、誘導結合、容量結合、誘導結合かつ容量結合、及び抵抗結合からなる群から選択された態様で結合されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
20. Ｄが約３ｍｍ〜約２５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
21. センサの近距離領域の組織の特性決定のためのセンサを含む組織の特性決定のためのシステムであって、センサが、
    特性決定のための組織に侵入することなしに前記組織の縁に近接して配置されるように構成された広帯域共振器であって、構造要素、及び前記構造要素の間の予め決定された間隔寸法の間隔を有する導電性構造を含む広帯域共振器、ただし、前記導電性構造は、前記縁に実質的に平行な平面で直径等価寸法Ｄを有し、かつ前記予め決められた間隔寸法に実質的に等しい特徴サイズｄを有する；
    及び外部システムとの通信を与えるための一つの導電性リード線を含み、
    前記広帯域共振器は、±１５％のΔｆ／ｆで設計されておりかつ約λ〜約４０λの自由空気波長範囲に相当する周波数で共振するように構成されており、前記Δｆは、広帯域共振器の反射信号の反射係数振幅において少なくとも１０％の変化がある周波数の範囲であり、前記ｆは、対応する共振周波数を表わし、前記λは直径等価寸法Ｄの約１０倍であり、
    約λ〜約４０λの範囲の信号を受信すると、センサは組織中の近距離領域に電場及び磁場を誘導するように構成されており、前記近距離領域は一般的に円板状領域であり、約Ｄの直径及び特徴サイズｄによって制限される侵入深さによって画定されており、これにより近距離領域の組織は広帯域共振器の一部として効果的に機能してその共振値に影響を与え、これにより近距離領域の組織は広帯域共振器の共振応答によってその電磁特性によって特性決定され、
    システムは、一つの導電性リード線を介してセンサと通信する外部信号発生制御及び分析システムをさらに含むことを特徴とするシステム。