JP7340598B2 - 電磁ヘッドイメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリ - Google Patents

Description

脳卒中は、世界中で障害および死亡の主な原因の１つである。オーストラリアの脳卒中財団機構によると、２０１７年には、５５，８３１人のオーストラリア人が９分ごとに命に関わる脳卒中を患っており、アクションを取らなければ、この数値は、２０５０年までに４分ごとに１人の脳卒中にまで増加するであろう。急速かつ完全な回復のために、診断および治療の時間が極めて重要である。したがって、何千もの命を救うために、迅速で、現場に携帯可能で、正確な検出ツールが必要とされている。Ｘ線マンモグラフィ、コンピュータ化された陽電子放出断層撮影スキャン、核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）などのいくつかの既存のイメージング技術が存在するが、これらの技術は、地方病院では利用できず、いずれにせよ、低所得の患者にとって手ごろな価格ではない。最も重要なのは、そのようなシステムはサイズが大きいため、救急医療のチームが迅速診断のために現場に運んで使用することがほとんど不可能であるということである。さらに、これらの技術は、電離放射線に基づいているか、使用するのに費用のかかるかさばる静的な構造を必要とする。そのため、これらの既存のツールを継続的な監視に使用することは実用的ではない。

これまでの研究で、低電力電磁（ＥＭ）波を使用して人間の脳内の異常を検出および診断することの実現可能性が示されてきた。これらの技術は、上述の標準技術と比較して、補完的な低コスト、迅速、および非電離の方法として導入された。ＥＭイメージングシステムは、低マイクロ波周波数帯域で動作する低電力アンテナアレイと、単純なトランシーバで構成される。したがって、現場での診断ツールとして使用可能な、低コストで信頼性の高いシステムを提供する。

ＥＭ画像再構成は、人間の頭の中の健康な組織および不健康な組織の誘電特性のコントラストに基づいている。ＥＭ信号の散乱、透過、および吸収は、これらの特性に依存するため、これらの特性の相違を利用して、有用な画像の再構成することで異常を検出することができる。脳卒中および癌の検出および診断のために、いくつかのタイプのＥＭヘッドイメージングシステムが提案されている。しかし、これらのシステムは、対処すべきいくつかの問題のために、臨床用途ですぐに利用することができない。既存のシステムの主な制限は、大きさと人間の頭部への適合性の制限、頭部への電磁信号の浸透深度、頭部の組織とのアンテナのミスマッチ、および、有用な反射信号との干渉を引き起こす空気と皮膚との界面反射であり、その結果、不正確で低解像度の画像しか得られない。

したがって、従来技術の１つまたは複数の問題を克服または軽減し、少なくとも有用な代替手段を提供することが望まれている。

発明者らは、ＥＭヘッドイメージングシステムの性能（例えば、画像の正確性、検出能力）、およびその物理的特徴（例えば、携帯性、適応性、重量）において、イメージングアンテナアレイが重要な役割を担うことを特定した。効率的で携帯可能なＥＭヘッドイメージングシステムには、軽量なウェアラブルプラットフォームと、広帯域、薄型、単一指向性、効率的なアンテナアレイと、が必要である。しかし、そのような特徴を有するアンテナアレイを実現することは、低マイクロ波周波数帯域で動作する場合のサイズ制限、隣接したアンテナ間の高い相互結合、ＥＭ波の透過を抑制する人間の頭部組織の複雑性／高い減衰性などの理由により、非常に困難である。従来技術のＥＭヘッドイメージングシステムは、リジッド誘電体プリント基板（ＰＣＢ）に組み立てられた、または、セラミックロード導波管（ｃｅｒａｍｉｃ－ｌｏａｄｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）に基づいて製造された、従来のイメージングアンテナを使用している。従来のリジッドＰＣＢ基板に固執することにより、そのようなシステムの、性能の向上、およびサイズ、互換性、柔軟性、および携帯性のコントロールが制限される。

本発明のいくつかの実施の形態によると、被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを提供する。アンテナアセンブリは、
脳の画像を取得する被験者の頭部に装着される弾力キャップと、
キャップが被験者に装着されているときにアンテナが被験者の脳の周りに配置されるよう、それぞれ互いに間隔をあけた位置で少なくとも一部がキャップに埋め込まれたアンテナのアレイと、を含み、
キャップは、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）に分散されたグラファイトと酸化アルミニウム粉末とで構成される層を含む多層構造を有し、被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングを改善する。

いくつかの実施の形態では、層の組成により、約２０の比誘電率および１ＧＨｚで約０．０１６の損失正接が得られる。

いくつかの実施の形態では、グラファイトと酸化アルミニウム粉末とは、ＰＤＭＳに、重量比で約０．２：１．８：１０の割合で分散される。

いくつかの実施の形態では、アンテナは、被験者の脳の周りに２列に配置される。

いくつかの実施の形態では、キャップは、被験者の頭部と、それぞれのアンテナの送受信要素（ｔｒａｎｓｃｅｉｖｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）との間にＰＤＭＳ層を有する。

いくつかの実施の形態では、アンテナのグランドプレーンが互いに間隔をあけて配置されることで、キャップの柔軟性と弾力性が確保される。

いくつかの実施の形態では、それぞれのアンテナの送受信要素は、対応するグランドプレーンに送受信要素を短絡する複数の開口と複数のピンとで構成されるため、アンテナが複数の共振をサポートし、被験者の頭部に結合されたときにその出力が実質的に単一指向性および広帯域である。

いくつかの実施の形態では、キャップは、間隔をあけた２つの半分を含む。２つの半分は、第１弾力性材料で形成されて第１材料よりも伸縮性のある第２弾力性材料により結合される。このため、キャップは、より広い範囲の頭部のサイズを有する被験者に対して装着可能である。

いくつかの実施の形態では、それぞれのアンテナは、それぞれのＲＦケーブルにより共通マルチピンコネクタに電気的に接続される。マルチピンコネクタは、キャップに取り付けられる。

いくつかの実施の形態では、それぞれのアンテナは、アンテナの送受信要素に直接接続される信号ピンと、アンテナのグランドプレーンに直接接続される接地部と、を有する一体型同軸コネクタを有する。

本発明のいくつかの実施の形態によると、被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを形成する方法を提供する。方法は、
脳の画像を取得する被験者の頭部に装着される弾性キャップを形成するステップ、を含む。弾性キャップは、キャップが被験者に装着されているときにアンテナが被験者の脳の周りに配置されるよう、それぞれ互いに間隔をあけた位置で少なくとも一部がキャップに埋め込まれたアンテナのアレイを含む。弾性キャップは、ＰＤＭＳに分散されたグラファイトと酸化アルミニウム粉末とで構成されたマッチング材料の層を含む多層構造を有し、被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングを改善する。

本発明のいくつかの実施の形態によると、被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを形成する方法を提供する。方法は、
ＰＤＭＳの第１層を形成するステップと、
略平面の送受信要素と、それぞれの略平面のグランドプレーンと、を形成するステップと、
ＰＤＭＳ層上のそれぞれ互いに間隔をあけた位置に送受信要素を配置するステップと、
送受信要素とＰＤＭＳの第１層との上に、ＰＤＭＳに分散されたグラファイトとアルミニウム粉末とで構成されるマッチング材料の層を形成するステップであって、被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングが向上するステップと、
マッチング材料の層上の送受信要素の位置に合わせてそれぞれ互いに間隔をあけた位置に、グランドプレーンを配置するステップと、
グランドプレーンとマッチング材料の層との上にＰＤＭＳの第２層を形成し、グランドプレーンが封入するステップと、を含み、
得られたアセンブリは、脳の画像を取得する被験者に装着される弾性キャップの形態であり、送受信要素およびそれぞれのグランドプレーンは、キャップの中に埋め込まれたそれぞれのアンテナを形成する。

いくつかの実施の形態では、方法は、グラファイトと酸化アルミニウム粉末とをゼリー状のＰＤＭＳと混合して、それを硬化することにより、マッチング材料を形成するステップを含む。

いくつかの実施の形態では、マッチング材料の組成は、グラファイト：酸化アルミニウム粉末：ＰＤＭＳが重量比で、約０．２：１．８：１０の割合である。

いくつかの実施の形態では、方法は、それぞれのＲＦケーブルにより共通マルチピンコネクタにアンテナを接続するステップと、マルチピンコネクタをキャップに取り付けるステップと、を含む。

本発明のいくつかの実施の形態によると、アンテナから送信され、被験者の脳から散乱される電磁信号を使用して、脳の画像を取得する被験者の頭部の周りに配置されたアンテナのアレイのアンテナの相対空間的位置と方向とを決定する方法を提供する。方法は、アンテナにそれぞれの基準マーカーを提供するステップと、３Ｄ画像カメラを使用して、自動的に基準マーカーを識別し、基準マーカーの空間的位置と方向とを決定し、それらと被験者の頭部の外表面を示すデータとを処理して被験者の頭部に対するアンテナの方向と被験者の頭部に対するそれぞれのアンテナの距離とを決定するステップと、を含む。

本発明のいくつかの実施の形態によると、アンテナから送信され、身体部分から散乱される電磁信号を使用して、画像を取得する被験者の身体部分の周りに配置されたアンテナのアレイのアンテナを提供する。アンテナは、略平面の送受信要素と、送受信要素に整列した対応する略平面のグランドプレーンと、を含む。送受信要素は、グランドプレーンに送受信要素を短絡する複数の開口と複数のピンとで構成されるため、アンテナが複数の共振をサポートし、被験者の身体部分に結合されたときにその出力が実質的に単一指向性および広帯域である。

本発明のいくつかの実施の形態によると、磁性材料を使用してマッチング、帯域幅、人間の頭部内での信号の浸透を改善し、さらに、アンテナサイズを縮小しより良い画質のためにより多くのアンテナを使用することを可能にする方法を提供する。

また、本明細書では、被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリに関して記載されており、アンテナアセンブリは、
脳の画像を取得する被験者の頭部に装着される弾性キャップと、
キャップが被験者に装着されているときにアンテナが被験者の脳の周りに配置されるよう、それぞれ互いに間隔をあけた位置で少なくとも一部がキャップに埋め込まれたアンテナのアレイと、を含み、
それぞれのアンテナは、略平面の送受信要素と、送受信要素に整列した対応する略平面のグランドプレーンと、を含む。送受信要素とグランドプレーンとの間には、少なくとも１０の比誘電率を有するマッチング材料が配置されている。

また、本明細書では、被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを形成する方法に関して記載されており、方法は、
ＰＤＭＳの第１層を形成するステップと、
略平面の送受信要素と、それぞれ略平面のグランドプレーンと、を形成するステップと、
ＰＤＭＳ層上のそれぞれ互いに間隔をあけた位置に送受信要素を配置するステップと、
送受信要素とＰＤＭＳの第１層との上に、少なくとも１０の比誘電率を有するマッチング材料の層を形成するステップと、
マッチング材料の層上のそれぞれ互いに間隔をあけた位置に、送受信要素の位置に整列してグランドプレーンを配置するステップと、
グランドプレーンとマッチング材料の層との上にＰＤＭＳの第２層を形成し、グランドプレーンを封入するステップと、を含み、
得られたアセンブリは、脳の画像を取得する被験者に装着される弾性キャップの形態であり、送受信要素およびそれぞれのグランドプレーンは、キャップの中に埋め込まれたそれぞれのアンテナを形成する。

先行技術の問題に対処するために、本発明者らは、高分子複合材料の技術に基づいて、ＥＭヘッドイメージング用および脳卒中検出用のウェアラブル、広帯域、および軽量のアンテナアセンブリを開発した。これは、ＥＭイメージングシステムの物理的な互換性、携帯性、および性能を改善する。本発明に至るまでに、本発明者らは、多層構造のカスタムメイド可撓性高分子複合基板材料を開発した。多層構造の複合基板材料は、ポリジメチルシロサキン（ＰＤＭＳ）ポリマー、マイクロスケールグラファイト、酸化鉄（ＦｅＯ．Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末から構成される。本実施の形態では、それぞれのアンテナ要素は、エッチングされ、フレキシブル基板層の内部に埋め込まれる。物理的サイズを大幅に縮小し、イメージングシステムのパフォーマンスを向上させることのできるウェアラブルアンテナアセンブリの３つの側面を以下のように要約する。

＜ａ：イメージングアンテナおよびＥＭヘッドイメージングシステムプラットフォーム用の多層構造可撓性高分子複合基板材料の開発＞
ＰＤＭＳは、アンテナおよびプラットフォーム用の１つの基板材料として使用される。ＰＤＭＳは、高い柔軟性、耐久性、透明性、および低い誘電損失を含む、適切な機械的および電気的特徴を有する。さらに、ＰＤＭＳは、高い体積抵抗率（約２．９×１０^１４Ω－ｃｍ）を有し、アンテナ性能を低下させる基板内の寄生電流の生成を抑制するのに役立つ。別の基板材料は、ＰＤＭＳとマイクロスケールの酸化アルミニウムおよびグラファイトの粉末との混合物であり、高い誘電率、安定性、および適度な損失などを含む、好ましい誘電特性を提供する。これらの添加剤は、ＰＤＭＳへの優れた分散特性および溶解特性を有する。ＰＤＭＳとの酸化アルミニウムおよびグラファイトとの濃度比により調整される開発された構造体の電気的特性は、人体組織とのアンテナマッチングの向上、およびアンテナの小型化を含む、ＥＭヘッドイメージングシステムの性能要求を満たす誘電特性を取得するよう特徴づけられる。さらに、記載されている多層構造体は柔軟性が高く、人間の頭部に適合しているため、アンテナアセンブリを水泳帽のように着用することができる。
加えて、低損失、高安定性、および多くの他の材料への優れた分散特性および溶解特性などの、好ましい磁気特性を有するマグネタイト酸化鉄（ＦｅＯ．Ｆｅ_２Ｏ_３）はまた、ＰＤＭＳと複合化することができ、開発された基板の第２のバージョンとしてＡｌ_２Ｏ_３を使用することもできる。このような磁気ベースの基板は、その透磁率が１よりも大きいため、有望なＲＦ特性を有する。マグネタイト酸化鉄は、異なる比率でＰＤＭＳおよびＡｌ_２Ｏ_３と混合されて、アンテナを人間の頭部にマッチさせるのに役立つ最適な電磁特性を取得する。そのため、頭部内への電磁波の浸透度を改善し、アンテナの帯域幅を広げ、物理的サイズを縮小することができる。

＜ｂ：イメージングアンテナアレイ＞
上述のように、アンテナは、ＥＭイメージングシステムの重要な要素であり、検出能力、画像解像度、およびシステムの正確性は、主にこれらのアンテナの性能に基づく。システムのコンパクト性と携帯性とは、イメージングアンテナアレイの大きさおよび重量に依存する。効率的で小型のＥＭヘッドシステムを達成するためのそれぞれのアンテナ要素の最も重要な特性は、広帯域、単一指向性、高前後比（ＦＴＢＲ）ＥＭ性能、および薄型で小型な機械的特性である。広帯域、単一指向性、および高ＦＴＢＲの特徴は、人間の頭部組織へのＥＭ波の高い浸透深度を確保するために必要である。その結果、脳卒中または他の脳内異常からの有用な反射信号を高める高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を得ることができる。開発された調整可能な可撓性基板に基づき、頭部の周りに楕円形状を有する帽子状支持構造体内に埋め込まれた、上述の要求を満たすイメージアンテナのアレイについて、本明細書で説明する。

＜ｃ：ポータブルおよびウェアラブルＥＭヘッドイメージングシステム用のハードウェアアーキテクチャ＞
説明されているアンテナアセンブリは、多層構造の柔軟な支持構造体、または水泳帽と同様の方法で装着することができる「キャップ」に基づく。ＰＤＭＳに基づいて開発された材料は高い柔軟性を有するが、その伸縮性には限界がある。様々な頭部の形状にキャップをフィットさせるために、キャップの２つの半分は、可撓性基板から形成され、薄くて伸縮性のある柔軟なシリコン膜により相互接続される。低コスト構造として、キャップは、様々な頭部の大きさにフィットするよう、異なる大きさに形成することができる。最適化された性能を有するアンテナアレイは、頭部内を効率的にスキャンできるようキャップに埋め込まれる。アンテナアレイは、アンテナアレイのグランドプレーンとして機能する導電性銅板のアレイによりシールドされている。これらの導電性パッチは、キャップの柔軟性を確保し、構造のすべての層が確実に貼り付けられるよう、小さな隙間により分離されている。

画像の再構成を成功させるために、頭部の周りのそれぞれのアンテナの正確な位置を知り、有用な情報を伝達する散乱信号の対応する時間遅延を決定する必要がある。イメージングアンテナの正確な位置および幾何学的配置は、イメージングプロセスアルゴリズムにとって非常に重要である。アンテナアセンブリは着用者の頭部に対してコンフォーマル（ｃｏｍｆｏｒｍａｌ）であるため、アセンブリおよびアンテナの内側に面した構造は異なる角度で頭部の内側に向けられている。これにより、アレイ中のアンテナ要素間で距離が不均等になったり、角度が非対称になったりする。このため、それぞれのアンテナの正確な位置を直接決定することが困難になる。異なる人間の頭部に対して、アレイのアンテナの位置が異なる。これらの課題を克服するために、３Ｄデプスカメラ技術を使用してそれぞれのアンテナの正確な位置、特に、それぞれのイメージングアンテナの励起ポートを決定する。そして、この情報はアプリオリ情報（ａ ｐｒｉｏｒｉ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）としてイメージングプロセスアルゴリズムに含まれる。

使用中に、イメージングアンテナは、ＲＦ同軸ケーブルを介して大きなダイナミックレンジＶＮＡ（またはマイクロ波トランシーバ）に接続される。ＶＮＡおよびＲＦケーブルに対するキャリブレーションは、結果の正確性に影響するノイズを除去するために実行される。そして、ＶＮＡは、イメージングアンテナを介して信号を生成、送信、および受信する。脳卒中または他の異常からの反射信号は、ＶＮＡにより収集され、同時に、レーダー方式または断層撮影法などの適切な処理アルゴリズムを使用して信号処理および画像再構成のためにコンピュータに送信される。システム全体が、低コストであり、携帯性を有し、かつ軽量である。

本発明のいくつかの実施の形態は、単なる例示として、添付の図面を参照して、以下に説明される。

本発明の一実施の形態にかかるアンテナアセンブリのアンテナ部品の概略断面側面図、アンテナ部品のアンテナ構造（左手側）および代替的な実施の形態のアンテナ構造（右手側）の平面図、および、アンテナ部品の層の配置を示す分解斜視図 脳の画像を取得する被験者に装着されたアンテナアセンブリの断面側面図、およびアンテナアセンブリの平面図 本発明の一実施の形態にかかるウェアラブルアンテナアセンブリを含む、脳断層撮影システムの概略図 被験者の頭部に対するアンテナの空間的位置および方向を決定するプロセスを示すフローチャート 複合基板の製造プロセスを示す概略図 複合基板の誘電特性（誘電率および損失正接）の測定値を示すグラフ 単一のアンテナ要素の反射係数（Ｓ１１）のシミュレーション値および測定値を示すグラフ

図３に示すように、脳の損傷を検出する電磁画像診断システムは、アンテナアセンブリ１０２と、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）２０４と、分析コンポーネント２０６と、を有する。アンテナアセンブリ１０２はウェアラブルであり、図１に示すように、脳の画像を取得する人間の被験者の頭部に装着される。アンテナアセンブリ１０２は、被験者の頭部に配置されたアンテナのアレイを含み、アレイのそれぞれのアンテナは、選択的に励起されて、被験者の脳内に散乱される電磁波またはマイクロ波周波数の信号を放射する。対応する信号を送信するアンテナを含むアレイのすべてのアンテナにより、対応する散乱信号を検出することができる。参照の便宜のために、アレイのそれぞれのアンテナにより対応するマイクロ波信号を連続して送信し、アンテナを使用して対応する散乱信号を受信する全体のプロセスが、本明細書では「スキャン（ａ ｓｃａｎ）」と呼ぶ。

当業者に知られているように、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）１１０は、上述のように、０．５から２ＧＨｚの周波数帯域にわたってアンテナに電圧を印加し、「散乱パラメータ」または「Ｓパラメータ」として当技術分野で知られている形式で、散乱マイクロ波の振幅および位相を示すデータ（ここでは「散乱（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）」データと呼ぶ）として、アンテナからの対応する信号を記録する。ＶＮＡ１１０は、このデータを分析コンポーネント２０６に送信して、被験者の頭部の内部の特徴（例えば、脳血栓、出血部位、および他の特徴）の画像を生成し、これらの特徴を（例えば、脳血栓または出血部位として）分類する処理を行う。

本発明の説明した実施の形態によると、アンテナアセンブリは、柔軟性および弾力性を有する複合材料に埋め込まれたアンテナのアレイを含み、アセンブリを人間の被験者の頭部上で伸ばして水泳帽のように着用することができる。アンテナアレイは、小型、軽量、および携帯可能な広帯域アンテナのアレイであり、ポータブル電磁画像診断システムに適している。

＜Ａ．アンテナアセンブリ＞
アンテナアレイは、図３に示すように、ウェアラブル、広帯域、小型、および軽量のアンテナアセンブリの一部であり、システムの物理的な互換性、携帯性、および性能を向上させる。アンテナアセンブリ（図３）は、アンテナアレイが埋め込まれた、柔軟で弾性変形可能な弾力性を有するウェアラブルキャップ（水泳帽に似ている）の一般的な形をしており、アンテナアレイを被験者の頭部に近接して整列し、固定することができる。キャップは、複合材料の比誘電率を純ＰＤＭＳの値２．９から１０よりも大きい値に増加させるよう選択された、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、マイクロスケールグラファイト（Ｇ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末の混合物である複合材料で構成される。したがって、通常約４５の比誘電率を有する人間の頭部の誘電特性へのマッチングが向上する。一方、マグネタイト酸化鉄（ＦｅＯ．Ｆｅ_２Ｏ_３）をＰＤＭＳおよびＡｌ_２Ｏ_３に混合して、磁気ベースの複合基板を形成することもできる。磁気ベースの基板を開発することで、頭部とのアンテナマッチング、帯域幅、浸透度を向上し、アンテナの物理的サイズを縮小することができる。

参照の便宜上、本明細書では、第１複合材料を「ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３」と呼び、磁気ベース基板材料をＰＤＭＳ－ＦｅＯ．Ｆｅ_２Ｏ_３－Ａｌ_２Ｏ_３と呼ぶ。第１開発基板は、次のように作られる。まず、ＰＤＭＳポリマーエラストマーは、基材樹脂と硬化剤との２つの成分で構成される。基材樹脂と硬化剤とは、１０：１の重量比で混合される。次に、グラファイトおよび酸化アルミニウムの微粒子を、後述するように異なる比率でＰＤＭＳエラストマーに分散させる。混合溶液をマグネチックスターラーを使用して攪拌し、得られた構造体が均質であることを確認する。次に、混合物を帽子型に入れ、５５℃のオーブン乾燥機内で３～４時間かけて硬化する。人間の頭部の解剖学的形状を有する帽子型は、３Ｄプリンタを使用して製造される。複合ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３の誘電特性は、誘電プローブキットおよびベクトルネットワークアナライザ１１０を使用して特徴づけられ、評価される。結果に基づいて、混合成分の最適な比率を決定し、アンテナの最適化に役立てることができる。

具体的には、純ＰＤＭＳの比誘電率は２．９であり、１ＧＨｚでの損失正接は０．０１３である。ＰＤＭＳ、マイクロスケールグラファイト、および酸化アルミニウムをそれぞれ１０：０．２：１．８の重量比で混合することにより（ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３）、比誘電率が２０に上昇し、１ＧＨｚでの損失正接が０．０１６となる。人間の頭部の平均誘電率は、およそ４５であるため、これは、アンテナ要素の誘電損失を抑えつつ、人間の頭部に対するアンテナのマッチングを著しく向上している。ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３材料は、非常に柔軟であり、例えば、シートの厚さが１０ｍｍ以上の場合、１８０度の完全曲げ（Ｕ字型曲げ）が可能である。

磁気ベース基板は、ＰＤＭＳ、マイクロスケール酸化鉄、および酸化アルミニウムの、それぞれ１０：２：２の重量比の組成物から形成される。基板の製造プロセスは、上述のように、グラファイトを酸化鉄に置き換えることを除いては、第１基板について上述した通りである。

＜Ｂ．アンテナアレイ＞
図１および図２に示すように、アンテナアレイのそれぞれのアンテナは、アンテナグランドプレーン１０３として機能する導電性銅板と、導電性マルチスロット放射要素１０６と、グランドプレーン１０３を放射要素１０６のそれぞれの位置に接続する導電性ピン１０７と、を有する。説明した実施の形態では、図１の中央の行で、左側の列に示すように、放射要素１０６は、４つの導電性短絡ピン１０７を含む。しかし、他の実施の形態ではこうである必要はなく、例えば、図１の中央の行、右側の列では、放射要素１０６が６つの短絡ピン１０７を含む実施の形態を示している。

図１の上部に示すように、それぞれのアンテナはまた、放射要素の対応する位置に接続される内部ピン１０４Ｂを囲む中空円筒形のテフロン（登録商標）絶縁スリーブ１０４Ａと、グランドプレーン１０３に接続される外側ケース１０４Ｃとを含む、対応する同軸コネクタ１０４を含む。導電性グランドプレーン１０３と放射要素１０６とは、アンテナ基板として機能する可撓性複合ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３層１０２の対向する表面に取り付けられる。複合基板材料の高い誘電率により、アンテナ要素を大幅に小型化することができる。それぞれのアンテナは、改良されたマルチスロット平面磁気電気（ＭＥ）ダイポールアンテナとして構成される。電気双極子は２面マルチスロット放射パッチ１０６により作成される一方、磁気双極子は平行および側面短絡ピン１０７により導入される。磁気双極子および電気双極子はともに平面ＭＥ双極子を形成する。このような構成により、パッチ内でのマルチスロット１０８による電気的長さの増加、およびそれぞれの放射要素の短絡１０７による多重共振の生成に起因して、さらなる小型化と広帯域化が可能になる。（４つの短絡ピンを含む）単一要素１０８の反射係数（Ｓ１１）のシミュレーション値と測定値を図７に示す。

２つの純ＰＤＭＳ層１０１、１０５は、グランドプレーン１０３および放射要素１０６の露出面に取り付けられ、それぞれのアンテナが、外側ＰＤＭＳ層１０５、グランドプレーン１０３、ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３またはＰＤＭＳ－Ｆｅ_２Ｏ_３－Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかの層１０２としての複合ＰＤＭＳベース材料、放射要素１０６、および内側ＰＤＭＳ層１０１からなる層のスタックを含む。被験者の頭部への信号の浸透を低減する可能性のある低誘電率のため、放射要素１０６と被験者の頭部との間に配置された内側ＰＤＭＳ基板層１０１は比較的薄く、本実施の形態では１ｍｍである。対照的に、グランドプレーン１０３上の外側ＰＤＭＳ層１０５の厚さは、システム性能の観点では重要ではなく、単にウェアラブルアンテナアセンブリの重量を低減するために、１ｍｍが選択される。放射要素１０６とグランドプレーン１０３とは、ＰＤＭＳ層１０１、１０５の間に埋め込まれ、アンテナアレイを埃、腐食、水、およびさびから保護し、厳しい環境においてアンテナアセンブリの耐久性を向上することができる。

説明した実施の形態では、それぞれのアンテナの横方向の寸法が２．５ｃｍ×２．８ｃｍで、厚さが０．０２５ｍｍである。図２に示すように、アンテナは、被験者の頭部の周りに２つの略同心の楕円リング２０４、２０５として配置される。下部外側リング２０４は、１６個のアンテナを含み、上部内側リング２０５は、８個のアンテナを含む。グランドプレーン１０３は、システムの電磁シールドとして機能する。ウェアラブルアンテナアセンブリの柔軟性を維持するため、完全な固体の導電性グランドプレーンは使用されない。代わりに、小さな隙間により分離された有限の銅板が採用されている。この構成は、軽量で小型のアセンブリを実現可能であり、実際には、わずかな電磁力がグランドプレーンシート１０３の間の隙間から漏れるだけである。

ウェアラブルアンテナアセンブリは、被験者に装着する伸縮自在の弾性キャップとして構成される。ＰＤＭＳおよびＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３材料は非常に柔軟であるが、それにもかかわらず、伸縮性には限界がある。そのため、キャップを様々な頭部の大きさおよび形状にフィットさせるために、いくつかの実施の形態では、図２に示すように、キャップは２つの半分２０３Ａおよび２０３Ｂとして形成され、それらは、薄くて高い伸縮性および柔軟性を有するメンブレン２０１により相互に接続されている。外側ＰＤＭＳ層１０５、グランドプレーン１０３、複合ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３層１０２、放射要素１０６、内側ＰＤＭＳ層１０１、およびキャップ相互接続メンブレン２０１の厚さは、それぞれ、１ｍｍ、０．０１２ｍｍ、３．５ｍｍ、０．０１２ｍｍ、１ｍｍ、および３．５ｍｍである。極端な頭部の大きさの場合、異なる大きさのキャップを低コストで製造することができる。

＜Ｃ．製造プロセス＞
図５を参照して、３Ｄ多層ウェアラブルアセンブリ一式の製造プロセスを次のように要約する。まず、１ｍｍの内側ＰＤＭＳ層１０１を製造する。この層を硬化すると、第２ステップでは、アンテナ要素１０６を（０．０１２ｍｍの銅板の打ち抜きおよびエッチングにより）形成し、図２に示すような一般的な配置に従い、それぞれの位置に内側ＰＤＭＳ層１０１の片側に取り付けられる。次に、厚さ３．５ｍｍの複合ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３層１０２を製造し、放射要素１０６上で硬化し、内側ＰＤＭＳ層１０１に取り付ける。次のステップでは、０．０１２ｍｍの厚さの銅板を切断してアンテナグランドプレーン１０３を形成し、それぞれのアンテナ要素１０６に並んで配置されるよう、それぞれの位置で複合ＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３層１０２に取り付ける。最後に、１ｍｍのＰＤＭＳ層を取り付けてグランドプレーン１０３を覆う外側ＰＤＭＳ層１０５を形成する。ＰＤＭＳは、ゼリー状である場合は接着性が高いため、最終的に、すべての層を接着して１つの複合構造体を形成する。図６に、異なる濃度のいくつかのＰＤＭＳ－Ｇ－Ａｌ_２Ｏ_３のサンプルの誘電特性を示す。

層は、厚さを調整可能な３Ｄ帽子型で形成され、組み立てられる。説明された実施の形態では、３Ｄプリンタ技術を使用して型を製造する。３Ｄ型は、人間の頭部の解剖学的形状を形成し、ウェアラブルキャップと被験者の頭部の皮膚との間に大きな空隙がないことを保証するために使用される。

それぞれのアンテナ要素は、対応するＲＦコネクタ１０４に関連付けられる。説明された実施の形態では、ＲＦコネクタ１０４は、アンテナを励起するために使用される５０Ω同軸コネクタであり、外側ＰＤＭＳ層１０５に沿って配線される短い長さの高品質ＲＦケーブル３０２に接続され、図３に示すように、キャップの上部に配置された共通マルチピン端子３０１に接続される。他の実施の形態では、ケーブルを、フレキシブル基板の一部を形成する低損失伝送線路に置き換えてもよい。これらの伝送線路は、フレキシブル基板上のスイッチングマトリックスに統合されてもよい。したがって、アンテナアセンブリを外部のトランシーバおよび処理ユニットに接続するのに、ＲＦケーブルおよび制御ラインだけが必要である。

＜Ｄ．アンテナアレイの位置および３Ｄデプスカメラ＞
画像再構成を成功させるために、被験者の頭部の周りに配置されたアンテナの相対的な位置を把握し、散乱したマイクロ波信号の対応する時間遅延を決定する必要がある。被験者がキャップを装着しているとき、アンテナアレイは、被験者の頭部と概してコンフォーマルになるが、アンテナは、被験者の頭部に対して異なる方向および距離を有することがある。この点で、３Ｄカメラおよび画像処理を、それぞれのアンテナの空間的位置および方向、特に、それぞれの画像アンテナの励起ポート、を決定するのに使用することができる。

頭部表面に配置されたアンテナアレイのラベリングおよびスキャンを実行することにより、アンテナの位置を特定するプロセスは、図４に示すステップ４０２で始まる。スキャンはアンテナアレイの３Ｄ構造を取得する。一方、それぞれＡｒｕｃｏマーカー（幅広の黒枠と、内側のバイナリマトリックスで示される白い小さな正方形の識別子と、で構成される正方形のマーカー）の形式である異なるラベルが付されている。次に、アンテナポート３０２がアンテナの位置を検出するアンカーポイントとして使用される。スキャンされたイメージは、それぞれのアンテナのコード化されたマーカーと同様に、アレイの空間分布の情報を含む。イメージングシステムと同様の座標系に示されるアンテナの位置を保証するため、ステップ４０４で、スキャンされた構造体は正規化された座標系に並べられる。

ステップ４０６で、スキャンプロセスからの情報、すなわち、並べられた構造体およびマーカー、を使用してアンテナの位置を決定する。一実施の形態では、クリックアンドコレクト方式４０６Ａが使用される。マーカーを含む並べられた構造体が取り込まれ、視覚的に示される。アンテナの位置は対応するマーカーをクリックすることにより手動で決定される。一方、そのポジション（アンテナの位置）は開発されたコードを使用して適切に記録および計算される。代替的な実施の形態では、マーカー検出アルゴリズム４０６Ｂが使用される。システムは、オープンソースコンピュータビジョンライブラリ（Ｏｐｅｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ Ｌｉｂｒａｒｙ：ＯｐｅｎＣＶ）を利用することにより、それぞれのアンテナのポジションを自動的に識別する。このプロセスは、２つの主要なステップ、マーカー候補の検出および分類を含む。第１ステップでは、スキャンされた画像を分析して、マーカーの候補である正方形（黒色および白色）を見つける。次のステップでは、マーカー候補を分類して、それぞれのマーカーの一意なバイナリマトリックスを含む白い正方形で示される内部のコード（ｃｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を分析することにより、それらが本物のマーカーであるか否かを確認する。これは、それぞれのマーカーのマーカービットを展開および分析することを含み、マーカーの画像を閾値処理し、黒のビットと白のビットとに分割する。次に、ビットを分析して、マーカーが既知であるか否か（例えば、システムのマーカーライブラリに属しているか否か）を確認する。さらに、このステップはまた、それぞれのマーカーの一意のコードに基づいて、どのマーカーがどのアンテナを示しているかを確認する。マーカーが確認されると、それらの空間的位置が記憶され、（それぞれのマーカーの位置と対応するアンテナの位置との間の既知のオフセットを考慮することにより）アンテナの位置を決定するのに使用される。

ステップ４１０で、システムは、検出されたアンテナの位置および被験者の頭部の３Ｄ頭部表面４０８を使用して、頭部表面とそれぞれのアンテナと間の相対距離を計算する。さらに、アンテナの位置と被験者の頭部表面とを使用して、頭部表面に向かうそれぞれのアンテナの方向もまた決定する。

本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には多くの変更が明らかであろう。

Claims (15)

1. 被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリであって、
   脳の画像を取得する被験者の頭部に装着される弾性キャップと、
   それぞれ互いに間隔をあけた位置で、少なくとも部分的に前記キャップに埋め込まれたアンテナのアレイであって、前記被験者が前記キャップを装着しているときに、前記アンテナが前記被験者の脳の周りに配置されるアンテナのアレイと、
   を備え、
   前記キャップは、ＰＤＭＳに分散されたグラファイトおよび酸化アルミニウム粉末により構成される層を含む多層構造を有し、前記被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングを向上する、
   アンテナアセンブリ。
2. 前記層の組成により、２０の比誘電率と、１ＧＨｚで０．０１６の損失正接とが得られる、
   請求項１に記載のアンテナアセンブリ。
3. 前記グラファイト：酸化アルミニウム粉末：前記ＰＤＭＳの重量比は、０．２：１．８：１０である、
   請求項１または２に記載のアンテナアセンブリ。
4. 前記アンテナは、前記被験者の脳の周りに２列に配置される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
5. 前記キャップは、前記被験者の頭部とそれぞれの前記アンテナの送受信要素との間にＰＤＭＳの層を含む、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
6. 前記アンテナのグランドプレーンは、前記キャップの柔軟性および弾力性を可能にするよう、互いに間隔を空けて配置される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
7. 前記アンテナのそれぞれの送受信要素は、対応するグランドプレーンに前記送受信要素を短絡する複数の開口部と複数のピンとで構成され、前記アンテナは、多重共振をサポートし、前記被験者の頭部に接続されている場合に、その出力は単一指向性かつ広帯域である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
8. 前記キャップは、第１弾性材料により形成され前記第１弾性材料よりも伸縮性の高い第２弾性材料によって結合された、間隔をあけた２つの半分を含み、前記キャップはより大きい範囲の頭部の大きさを有する被験者に装着可能である、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
9. それぞれの前記アンテナは、それぞれのＲＦケーブルにより共通マルチピンコネクタに電気的に接続され、前記マルチピンコネクタは前記キャップに取り付けられている、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
10. それぞれの前記アンテナは、前記アンテナの送受信要素に直接接続された信号ピンを有する一体型同軸コネクタと、前記アンテナのグランドプレーンに直接接続された接地部と、を含む、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のアンテナアセンブリ。
11. 被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを形成する方法であって、
    脳の画像を取得する被験者に装着される弾性キャップを形成するステップであって、前記被験者が前記キャップを装着しているときに、アンテナが前記被験者の脳の周りに配置されるよう、前記キャップにそれぞれ互いに間隔を空けた位置にアンテナのアレイを少なくとも部分的に埋め込むことを含む、ステップ、
    を含み、
    前記弾性キャップは、ＰＤＭＳに分散されたグラファイトおよび酸化アルミニウム粉末により構成されるマッチング材料の層を含む多層構造を有し、前記被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングを向上する、
    方法。
12. 被験者の断層脳イメージング用のウェアラブルアンテナアセンブリを形成する方法であって、
    ＰＤＭＳの第１層を形成するステップと、
    略平面の送受信要素と、それぞれ略平面のグランドプレーンと、を形成するステップと、
    ＰＤＭＳ層上のそれぞれ互いに間隔をあけた位置に、前記送受信要素を配置するステップと、
    前記送受信要素および前記ＰＤＭＳの第１層の上に、ＰＤＭＳに分散されたグラファイトおよび酸化アルミニウム粉末により構成されるマッチング材料の層を形成し、前記被験者の頭部の誘電特性との誘電特性のマッチングを向上させるステップと、
    前記マッチング材料の層上のそれぞれ互いに間隔を空けた位置に、前記送受信要素の位置に整列して、前記グランドプレーンを配置するステップと、
    前記グランドプレーンおよび前記マッチング材料の層の上に、ＰＤＭＳの第2層を形成し、前記グランドプレーンを封止するステップと、
    を含み、
    得られたアセンブリは、脳の画像を取得する被験者に装着される弾性キャップの形式であり、前記送受信要素およびそれぞれの前記グランドプレーンは、前記キャップに埋め込まれたそれぞれのアンテナを形成する、
    方法。
13. グラファイトおよび酸化アルミニウム粉末をゼリー状のＰＤＭＳと混合してマッチング材料を形成し、それを硬化するステップ、
    を含む、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記マッチング材料の組成において、グラファイト：酸化アルミニウム粉末：ＰＤＭＳが重量比で０．２：１．８：１０である、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記アンテナをそれぞれのＲＦケーブルにより共通マルチピンコネクタに接続し、前記マルチピンコネクタを前記キャップに取り付けるステップ、
    を含む、
    請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。

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