SE532807C2 - Antennanordning och enhet för mikrovågsavbildning - Google Patents

Description

25 30 E32 EÜ? En aspekt av mikrovågsavbildningssystem är gränssnittet mellan mikrovâgsantennen/mikrovågsantennerna och objektet. Om gränssnittet är felaktigt kan mikrovågsenergi som sänds ut från antennen reflekteras av ytan på objektet i stället för tränga in i det. För att minska detta fenomen, används ett bolusmaterial.

Bolusmaterialet har liknande dielektriska egenskaper som objektet som skall avbildas och minskar därmed reflektion av mikrovågsenergin.

Känd teknik beskriver mikrovågsavbildningsteknik av huvudsakligen två typer, där den första typen är när sändande och mottagande antenner är nära beläget objektet som avbildas, och den andra typen är där sändande och mottagande antenner är avlägsna från objektet som avbildas. I den första typen (närhet) är antennerna oftast i direkt kontakt med objektet, eventuellt med ett tunt ( flytande, oftast en vätska med hög viskositet). En kort beskrivning av bolus för användning i närhet av objektet beskrivs i EP-O 694 282. I den andra typen (avlägset belägna antenner), är bolusen en vätska eller en gas.

Exempel på för närvarande använda boluslösningar för avlägset belägna antennstrukturer beskrivs i ES-2007134.

I de fall där en apparat är avsedd för avbildning av liknande men något annorlunda objekt, finns det ett problem med placeringen av antenner. En möjlig lösning är att placera flertalet antenner i fysisk kontakt med objektet. Denna metod behöver inte kräva något bolusmaterial alls, men positionerna för alla antenner måste vara noggrant registrerade och objektet i sig 10 15 20 25 Lfi 111,3 FJ behöver vara något deformerbart att möjliggöra fullständig kontakt för varje antenn med objektet.

US-2003/0088180 beskriver en antennstrukturenhet som placeras nära bröstet eller annan del av kroppen som skall avbildas med användning av ett matchningselement, såsom en vätskefylld påse, som anpassar sig efter konturen på bröstet eller annan del av kroppen som avbildas för att minimera luftluckor och oönskade reflektioner av mikrovågsenergi.

I alla system enligt känd teknik, skulle dock ett bättre signal-brus-förhållande förbättra avbildningsdata och därmed bildskapandet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att öka ett signal-brus-förhållande jämfört med känd teknik.

En första aspekt av uppfinningen är en antennanordning för användning vid mikrovågsavbildning av ett biologiskt objekt. Antennanordningen innefattar: ett flertal antenner, varvid var och en av flertalet antenner har en framsida som är avsedd att vara vänd mot objektet varvid flertalet antenner är anordnade att, när de används, i huvudsak omge objektet, och ett energiläckageminskande material som är försett på baksidan av var och en av flertalet antenner, där baksidan är belägen mittemot framsidan.

Genom att förse det energiläckageminskande materialet på baksidan av antennerna sänds mer av den nyttiga signalen till objektet, vilket förbättrar signal-brus- förhållandet, varigenom bilddatan förbättras. Dessutom 10 15 20 25 533 ÉÜ? möjliggör det förbättrade signal-brus-föhållandet en kortare tid av mikrovågsstrålning för datainsamling för att få samma kvalitet på bilddatan. Denna kortare strålning kan förbättra upplösningen, särskilt för ett dynamiskt föränderligt objekt.

Mikrovågor bryts i ett gränsomrâde mellan två material, vilket ändrar riktning på mikrovågorna. För att återskapa den inre strukturen av objektet är det fördelaktigt att ha mätningar av hur mikrovågsenergin sänts via objektet i så många riktningar som möjligt.

Fler kombinationer av sändande och mottagande antennpositioner, vilket är fallet med antenner som i huvudsak omger objektet, leder således till bättre data för att återskapa objektet. På grund av fysiska begränsningar är det ibland inte möjligt att ha antenner som omger objektet helt och hållet. Däremot, även om antennerna inte helt omger, då det finns en eller flera luckor mellan antennerna som är små i förhållande till en fullständig cirkel runt objektet (d.v.s. i huvudsak omgivande antenner), erhålls bättre data jämfört med känd teknik.

Dessutom kan det ökade signal-brus-förhållandet möjliggöra att avbildning utförs, t.ex. när avbildning utförs av en levande patient, utan krav på avlägsnande av kläder eller liknande.

Antennanordning kan vidare innefatta ett mikrovågsreflektionsminskande material som förses på framsidan. Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan till exempel vara en bolus. 10 15 20 25 532 BG? Antennanordning kan vidare innefatta ett antennstöd som håller flertalet antenner, och varvid det flexibla antennstödet är avsett att placeras runt objektet, samtidigt som antennstödets ändar låtes fixeras i förhållande till varandra.

Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan ha en tjocklek på åtminstone 1 cm, mätt från var och en av flertalet antenner. Genom att förse ett så tjockt mikrovågsreflektionsminskande material kan antennerna fixeras lättare. Till exempel kan antennstrukturerna vara stela, vilket möjliggör att positionen för varje antenn kan vara känd, vilket minskar komplexiteten av beräkningar.

En tjocklek på var och en av flertalet antenner, mätt från framsidan till baksidan, kan vara mindre än 0,5 mm.

Var och en av flertalet antenner kan vara en dipolantenn, en flugformad antenn eller en patchantenn.

Det energiläckageminskande materialet och det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan vara av samma material. Att vara av samma material kan förenkla produktion.

Var och en av antennerna kan omges med nämnda samma material.

Det energiläckageminskande materialet och det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan vara av olika material.

Det energiläckageminskande materialet kan vara ett material som är anpassat att minska läckage till luft och det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan 10 15 20 25 nfl nu Nä vara ett material med dielektriska egenskaper som liknar objektet.

Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan innefatta ett deformerbart fast material.

Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan vara ett material som väljs från en grupp som består av silikon, någon annan elastomer, mjukplast, gelatin eller någon kombination av dessa.

Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan innefatta en vätska som är innesluten i en elastisk väska.

Det mikrovågsreflektionsminskande materialet kan vara försett med en icke-klibbig yta pâ en sida som är avsedd att vara vänd mot objektet.

En andra aspekt av uppfinningen är en anordning för mikrovågsavbildning av ett biologiskt objekt.

Anordningen innefattar: en antennanordning enligt den första aspekten; en mikrovâgssändare som är ansluten till antennanordningen; en mikrovågsmottagare som är ansluten till antennanordningen, och en styrenhet som är anordnad att, med hjälp av sändaren och mottagaren, skapa en bild av objektet.

Generellt sett skall alla termer som används i patentkraven tolkas i enlighet med deras vanliga betydelse i det tekniska området, om de inte uttryckligen definieras på annat sätt här. Alla hänvisningar till "en/ett element, apparat, komponent, organ, steg etc." skall tolkas öppet såsom hänvisande till åtminstone en instans av elementet, apparaten, 10 15 20 25 532 EG? komponenten, organget, steget etc., om inte något annat uttryckligen uppges. Stegen i vilken metod som helst åtminstone som beskrivs häri behöver inte utföras i den exakta ordning som beskrivs, om inte det uttryckligen Uppges .

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen beskrivs nu, genom exempel, med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka: figur la-b är schematiska diagram som visar antenner och bolus i ett mikrovågsavbildningssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, och figur 2 är ett schematiskt diagram som illustrerar ett antennstöd enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. nETALJERAn nasxnivniuc Av Föamnnzxcnn ursönzncsrommn Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer utförligt nedan med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka vissa utföringsformer av uppfinningen visas. Denna uppfinning kan dock utföras i många olika former och skall inte betraktas som begränsad till de utföringsformer som anges här, utan dessa utföringsformer ges som exempel, så att denna beskrivning kommer att vara noggrann och fullständig, och kommer att fullt ut förmedla omfattningen av uppfinningen för fackmannen. Likadana siffror avser likadana element genom hela beskrivningen.

För denna ansökans syfte, och för tydlighets skull, definieras termen objekt som ett objekt av vilket en 10 15 20 25 30 32 EG? U? mikrovâgsbild skall tas. Objektet kan vara en fullständig biologisk organism, levande eller död.

Objektet kan också vara en del av en levande eller död biologisk organism (t.ex. ben, arm, huvud, bröst, penis, testiklar, svans, bål eller någon annan del av en biologisk organism). Objektet har vanligen en volym på 0,1 - 500 liter, företrädesvis 0.5-15 liter och sträcker sig vanligtvis mindre än 3 m, företrädesvis mindre än 0,5 m. Begreppet bolus omfattar här ett mikrovågsreflektionsminskande material (fast eller flytande), som har dielektriska egenskaper som matchar objektet, varigenom antennen matchas med objektet.

Effekten liknar immersionsolja för optisk mikroskopi.

Med hänvisning nu till figur la-b, visas en struktur av antenner och bolus i ett mikrovågsavbildningssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. I figur la avbildas tre strukturer 100, 101, 102 av antenner i perspektiv. Antennstrukturerna 100, 101, 102 kallas även antennstöd. Varje struktur 100, 101, 102 innefattar fyra enskilda mikrovågsantenner 110 som är anordnade i en uppbyggnad bestående av fyra antenner i rad. Antennerna 110 är oftast platta eller trådlika, d.v.s. antennerna 110 har en tjocklek som är mindre än 5 mm, företrädesvis mindre än 2 mm, eller ännu mer företrädesvis mindre än 0,5 mm. Andra uppbyggnader är likväl möjliga. Två av strukturerna 100, 101 är fast monterade. Den tredje strukturen 102 är monterad på en släde 120 så att positionen för den tredje strukturen kan justeras och klämma åt objektet för vilket en bild skall tas. Genom att veta positionen för släden 120 möjliggörs att positionen för varje antenn att är känd. 10 15 20 25 30 532 EQ? En styrenhet 130, såsom en bärbar eller stationär dator för allmänna ändamål, anordnas för att styra processen.

Styrenheten 130 är ansluten till en mikrovågssändare och -mottagare 134. Sändaren/mottagaren 134 kan vara uppdelad i separata sändar- och mottagardelar.

Anslutningen 132 mellan styrenheten 130 och sändaren/ mottagaren 134 kan vara en lämplig kabelbaserad eller trådlös anslutning, till exempel en USB (universal serial bus), seriell anslutning av typ RS232, parallell anslutning av typ Centronics, Bluetooth, trådlös USB, Ethernet, trådlösa nätverk, etc.

I figur lb, avbildas de tre strukturerna 100, 101, 102 från ovan, och innefattar ett objekt 150 och bolus 160 i diagrammet. Antennenstrukturerna 100, 101, 102 är i direkt kontakt med bolusmaterial 160 och energiläckageminskande material 162. Den rörliga strukturen av antenner 102 pressas mot objektet 150.

Bolusmaterialet 160 har dielektriska egenskaper som liknar objektet och därmed minskar reflektion av mikrovågsenergi av ytan på objektet. Bolusmaterialet 160 är därför i kontakt både med antennerna och objektet.

Bolusen kan antingen vara en deformerbar fast kropp, såsom en elastomer såsom silikon, mjukplast, gelatin, eller liknande, eller en inkapslad vätska såsom olja som innehâlls i en elastisk påse, såsom en gummiballong, varvid den del av bolusen som är i kontakt med objektet har en icke-klibbig, ren yta.

Det läckageminskande materialet 162 har dielektriska egenskaper som har valts för att förbättra antennstabilitet. Antennstabilitet innebär att 10 15 20 25 30 f i HJ TW üü fiï ”J 10 resonansproblem minskas, vilket är mer troligt att inträffa när det finns luft bakom antennen. Antennen verkar sedan mer jämnt över hela driftsfrekvensomrâdet.

Dessutom, med ökad stabilitet hanterar antennen olika material bättre, vilket minskar resonansproblem när ett objekt med annorlunda dielektriska egenskaper införs.

Den förbättrade stabiliteten resulterar i sin tur i ett . högre signal-brus-förhållande. Dessutom ökar antennbandbredden (d.v.s. ökning av driftsområdet vad gäller frekvens för antennen). Den fysiska storleken på antennen kan också minskas. Det läckageminskande materialet 162 liknar normalt bolusmaterial 160 i större utsträckning än vad det liknar luft. Likväl behöver det läckageminskande materialet 162 inte vara identiskt med bolusmaterialet, även om det är fördelaktigt om de har liknande dielektriska egenskaper. Således väljs det läckageminskandematerialet 162 utifrân dielektriska egenskaper och kan till exempel vara keramiska material, fasta eller deformerbara plastmaterial inklusive polyetrar, polyestrar eller en vätska såsom alkoholer som omges av ett membran. Det bör observeras att många andra material kan användas så länge som materialet har de lämpliga dielektriska egenskaperna.

Om objektet 150 är en del av en människa, kommer det, på grund av de tre antennstrukturerna i denna utföringsform, ha ungefär ett triangulärt tvärsnitt och kommer det att finnas skelettben 151 inuti benet.

Sålunda är konturen av antennstrukturanordningen som visas i figurerna la-b anpassade för enkel fixering av långsträckta, i stort sett triangulära objekt såsom mänskliga ben i en struktur där alla antennpositioner antingen är fasta eller erhållna genom en läsning av 10 15 20 25 30 ll positionen av släden 120. När släden 120 skjuts in omger därmed antennerna objektet som skall avbildas. I en situation som illustreras i figur lb kan till exempel systemet användas för att detektera djup ventrombos.

Såsom kommer att visas nedan i samband med figur 2, är andra uppbyggnader som gör det möjligt för antenner, när de används, omge objektet som ska avbildas lika möjliga.

Dessutom förses det flexibla bolusmaterialet med en icke-klibbig, ren yta i utrymmet mellan benet och strukturerna. Följaktligen innesluts benet, eller annat objekt, vilket minimerar eventuella luftluckor och tillhörande mikrovågsenergiläckage.

För att erhålla bilden ger styrenheten 130 order för att få mikrovågor att sändas från en antenn och den utsända mikrovågsenergin mäts i de flesta, eller till och med alla, de andra antennerna. I en utföringsform mäts de utsända mikrovågorna i alla andra antenner utom antennerna som ligger i direkt anslutning till den sändande antennen på bägge sidor. De närliggande antennerna kan uteslutas när det finns betydande överhörning från den sändande antennen till de närliggande antennerna. När detta upprepas så att åtminstone en, oftast en mångfald av, eller till och med alla antennerna har sänt ut mikrovågor, erhålls det tillräcklig data för återuppbyggnad av bilden.

Sändningen och mottagningen kan valfritt upprepas för ett flertal frekvenser för att få bättre data för skapande av bilden. Ãteruppbyggnad av bilden kan utföras av styrenheten 130 t.ex. genom att lösa Maxwells ekvationer och iterativt förändra materialegenskaperna i 10 15 20 25 mf EQ FU 12 den interna representationen av objektet till dess att fördelningen av dielektriska egenskaper i objektet resulterar i en teoretisk mikrovågssändningsmönster som nära liknar det uppmätta mönstret.

Mikrovågsavbildning förlitar sig på ett tillräckligt antal antennelement som placeras runt ett objekt, varvid elementen sänder ut och tar emot mikrovågor enligt ett fördefinierat protokoll. Som ett exempel, för ett objekt med en volym på cirka 1 liter, är cirka 10 antenner tillräckligt. På grund av storleken på varje antennelement (normalt ca 10 mm till 50 mm), vilket i sin tur beror på frekvensen för mikrovågsstrålningen, kan det vara svårt att få fram en struktur med ett tillräckligt antal antenner per areaenhet nära objektet.

Detta innebär att för att uppnå en högupplöst bild av ett objekt måste antennstrukturerna antingen vara belägna långt från objektet (så att varje antennelement upptar bara en bråkdel av rymdvinkeln ur objektets perspektiv) eller så måste de översättas i rymden för att avläsa en sekvens av närliggande bilder av objektet, som tillsammans kan användas för återuppbyggnad av en högupplöst bild. Dessutom, under tiden för sändning eller mottagning av mikrovågor, bör positionen för antennelementen i förhållande till objektet vara kända.

Genom att använda bolus i denna utföringsform ökar omkretsen för antennen strukturer runt objektet, varigenom ett större antal antenner med fasta positioner kan användas jämfört med när antenner trycks direkt på objektet. 10 15 20 25 13 Fördelaktigen är antennerna anpassade till det omgivande mediumet för att fungera väl. Om en antenn pressas mot ett biologiskt objekt och baksidan är utsatt för luft, kan den stora skillnaden i elektromagnetiska egenskaper» hos objektet och luften orsaka antennen att fungera suboptimalt och läcka en väsentlig del av den utsända energin till luft.

I de fall där en antenn pressas mot objektet kan det hända att några, eller till och med merparten, av energin för de utsända mikrovågorna sänds bakåt, d.v.s. bort från objektet. I enlighet med föreliggande uppfinning, förses ett lämpligt läckageminskande material 162 på baksidan av antennen, varigenom en större del av mikrovågsenergin sänds till det objekt som skall avbildas. Detta kan till exempel realiseras genom omslutning av antennen i bolusmaterial, vilket då förser bolusmaterial inte bara framför antennen men också på baksidan av antennen§ Det bör också observeras att det läckageminskande materialet 162 på baksidan av antennen inte behöver vara desamma som det framför. Med ett lämpligt material försett på baksidan av antennerna minskar energiläckaget.

Mikrovågsstrålning i luft är normalt inte farlig i sig, men kan störa elektronisk utrustning och orsaka fel i olika anordningar. I sjukhusmiljöer kan sådana fel ha dödlig utgång för patienterna. Dessutom, genom att minska läckaget sänds mer strålning till objektet som ska avbildas, vilket ökar signalen som skall mätas, varigenom signal-brus-förhållandet ökar. 10 15 20 25 30 ßí 03 FJ Üä Éfi “M 14 Det optimala avståndet mellan antenn och objekt beror på flera omständigheter. För det första dikterar antalet antenner som krävs för godtagbar avbildning av ett objekt den ungefärliga storleken på antennanordningen; Storleken på det önskade objektet kan vara mycket mindre än antennanordningens storlek, vilket leder till ett minsta avstånd mellan antennerna och objektet som överstiger 2 cm, eller till och med överstiger 5 cm. I den andra änden, när objektets storlek är stort nog att ge ett tillräckligt antal antenner längs gränsen av objektet, finns det fortfarande ett behov av att fixera antenner att ha en bolusskikt som är åtminstone 1 cm, företrädesvis åtminstone 2 cm. Bolusskiktet möjliggör koppling mellan utsända mikrovågor när ett antal liknande objekt avbildas, även om objekten har små skillnader i storlek och form. Dessutom, för att antennerna skall vara omgivna av ett känt medium, utformas antennen och bolusen till att alltid ha åtminstone 5 cm, företrädesvis åtminstone 1-2 cm, och ännu mer företrädesvis 0,5 cm som minsta avstånd mellan någon antenn och objektet.

Figur 2 är ett schematiskt diagram som visar en antennanordning enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. Här innefattar ett antennstöd 100, även känd som en antennstruktur, ett antal antenner 110. Pâ insidan av antennerna 110, d.v.s. vid den sida av antennerna som är avsedd att vara vänd mot de objekt som skall avbildas, förses ett bolusmaterial 160, vilket minskar reflektioner av mikrovågor i övergången till objektet. Pâ baksidan förses ett andra material 162 som minskar läckage av mikrovågsstrålning. I en utföringsform är detta andra material 162 detsamma som 10 15 20 15 bolus 160. I en annan utföringsform väljs det andra materialet 162 för att i synnerhet minska mikrovågsläckage och kan vara ett annat material än bolusen 160.

Antennstödet 100 innefattar ett fäste 170 som gör att antennen till fullo omsluter, eller omger, objektet som ska avbildas. Fästet kan vara justerbart, vilket låter omkretsen på antennstödet varieras beroende på storleken på objektet som ska avbildas.

Det skall observeras att medan utföringsformerna ovan beskriver användning av en bolus mellan antennerna och objektet, är detta inte nödvändigt för uppfinningen. Det är också möjligt att placera antennerna direkt på ytan av objektet, t.ex. på huden av ett mänskligt ben.

Uppfinningen har främst beskrivits ovan med hänvisning till nâgra utföringsformer. Däremot är, som lätt inses fackmannen, andra utföringsformer än de som beskrivs ovan lika möjliga inom skyddsomfånget för uppfinningen, såsom definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (15)

10 15 20 25 I f' 111.3 fü Ü3 fifi w 16 PATENTKRÄV

1. Antennanordning för användning vid mikrovägsavbildning av ett biologiskt objekt, varvid antennanordningen innefattar: ett flertal antenner, varvid var och en av flertalet antenner har en framsida som är avsedd att vara vänd mot objektet k ä n n e t e c k n a d a v att flertalet antenner är anordnade att, när de används, i huvudsak omge objektet, och ett energiläckageminskande material som är försett pà baksidan av var och en av flertalet antenner, där baksidan är belägen mittemot framsidan.

2. Antennanordning enligt patentkrav 1, vidare innefattande ett mikrovàgsreflektionsminskande material som är försett pä framsidan.

3. Antennanordning enligt patentkrav l eller 2, vidare innefattande ett antennstöd som håller flertalet antenner, och varvid det flexibla antennstödet är avsett att placeras runt objektet, samtidigt som antennstödets ändar làtes fixeras i förhållande till varandra.

4. Antennanordning enligt patentkrav 2 eller 3, varvid det mikrovàgsreflektionsminskande materialet har en tjocklek på åtminstone 1 cm, mätt fràn var och en av flertalet antenner.

5. Antennanordning enligt något av ovanstående patentkrav, varvid en tjocklek pà var och en av flertalet antenner, mätt fràn framsidan till baksidan, är mindre än 0,5 mm. 10 15 20 25 EEE 5G? 17

6. Antennanordning enligt något av ovanstående patentkrav, där var och en av flertalet antenner är en dipolantenn, en flugformad antenn eller en patchantenn.

7. Antennanordning enligt något av patentkrav 2-6, varvid det energiläckageminskande materialet och det mikrovàgsreflektionsminskande materialet är av samma material.

8. Antennanordning enligt patentkrav 7, varvid var och en av antennerna omges med nämnda samma material.

9. Antennanordning enligt nàgot av patentkrav 2-6, varvid det energilàckageminskande materialet och det mikrovàgsreflektionsminskande materialet är av olika material.

10. Antennanordning enligt något av patentkrav 2-9, varvid det energiläckageminskande materialet är ett material som är anpassat att minska läckage till luft och det mikrovàgsreflektionsminskande materialet är ett material med dielektriska egenskaper som liknar objektet.

11. Antennanordning enligt nàgot av patentkrav 2-10, varvid det mikrovàgsreflektionsminskande materialet innefattar av ett deformerbart fast material.

12. Antennanordning enligt patentkrav 11, varvid det mikrovàgsreflektionsminskande materialet är ett material som väljs fràn en grupp som består av silikon, någon annan elastomer, mjukplast, gelatin eller någon kombination av dessa.

13. Antennanordning enligt något av patentkrav 2-10, varvid det mikrovàgsreflektionsminskande materialet 10 15 "w W Na fm Ü *J 18 innefattar en vätska som är innesluten i en elastisk väska.

14. Antennanordning enligt något av patentkrav 2-13, varvid det mikrovàgsreflektionsminskande materialet är försett med en icke-klibbig yta pà en sida som är avsedd att vara vänd mot objektet.

15. Anordning för mikrovàgsavbildning av ett biologiskt objekt, varvid anordningen innefattar: en antennanordning enligt någon av patentkrav 1-14; en mikrovàgssändare som är ansluten till antennanordningen; en mikrovàgsmottagare som är ansluten till antennanordningen, och en styrenhet som är anordnad att, med hjälp av sändaren och mottagaren, skapa en bild av objektet.