説明

ヒトまたは動物の構造を精査するアンテナ

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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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」)。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】国際公開第2006/085052号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
次の注釈は、本発明の双方の態様に適用される。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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)。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1A】第1のアンテナの平面図である。
【図1B】図1Aのアンテナの側面図である。
【図1C】図1Aのアンテナの変形例の横断側面図である。
【図2】第2のアンテナの平面図である。
【図3】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s11を示すグラフである。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【発明を実施するための形態】
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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=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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1A】
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【図1B】
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【図1C】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公表番号】特表2011−502565(P2011−502565A)
【公表日】平成23年1月27日(2011.1.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−531583(P2010−531583)
【出願日】平成20年11月4日(2008.11.4)
【国際出願番号】PCT/GB2008/003718
【国際公開番号】WO2009/060181
【国際公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【出願人】(510119544)マイクリーマ リミテッド (2)
【Fターム(参考)】