ТЕКСТИЛЬНАЯ АНТЕННА ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОТЕРМОМЕТРИИ Российский патент 2018 года по МПК A61B5/01 G01K11/00 

Область техники

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к созданию гибких антенных систем. Изобретение может быть использовано в медицинской аппаратуре и при создании приборов для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей, мониторинга за их состоянием в процессе жизнедеятельности пациента, выявления температурных изменений и тепловых аномалий внутренних тканей, в диагностических комплексах для ранней диагностики воспалительных процессов и злокачественных новообразований.

Уровень техники

Одной из важных задач современной медицины является разработка методов и приборов для неинвазивного выявления температурных аномалий внутренних тканей и ранней диагностики заболеваний внутренних органов.

В настоящее время для этих целей используется метод радиотермометрии (РТМ), позволяющий неинвазивно измерять радиояркостную температуру внутренних тканей человека путем измерения интенсивности их собственного электромагнитного излучения. Для измерения собственного излучения тканей используются антенны, которые в процессе измерения контактируют с биообъектом. Причем, для достоверных измерений необходимо обеспечить плотный контакт антенны с кожей по всей площади антенны. Наибольшее распространение в радиотермометрии получили печатные антенны на керамическом основании или диэлектрической подложке компании Rogers. Эти антенны имеют плоскую поверхность и обеспечить плотное прилегание антенны к сферической поверхности биообъекта не всегда удается.

Особенно это проблема актуальна для антенных решеток, состоящих из нескольких излучателей, в частности, для носимых систем мониторинга температуры внутренних тканей. Подобные системы могут применяются для ранней диагностики рака молочной железы Tahir H, Shah E, Siores C, Daskalakis. Non-invasive devices for early detection of breast tissue oncological abnormalities using microwave radio thermometry. HalaGali-Muhtasib. Advances in Cancer Therapy. InTech, 2011; 447-476.

Также известны носимые радиотермометрические системы (РТМ системы), измеряющие собственное излучение человека в процессе его жизнедеятельности (US 20160317062 A1, опубл. 03.11.2016).

Новое направление технологии телекоммуникационных систем связывают с новым типом беспроводных сетей, расположенных на человеческом теле (Wireless Body Area Network, WBAN). Такие системы в сочетании с персональными сетями беспроводной связи обеспечивают мониторинг состояния биологических объектов в режиме реального времени. Эффективность многоканальных диагностических приборов в значительной мере зависит от характеристик антенн, интегрированных в систему. Гибкие беспроводные технологии требуют применения низкопрофильных, легких и компактных антенн, которые должны быть механически прочными, устойчивыми к изгибу и, в то же время, обеспечивать требуемые диаграммы направленности излучения и соответствующие характеристики. В таких системах широко используются текстильные антенны, у которых излучатель нанесен на текстильную ткань. Подобные системы легко принимают форму тела и могут обеспечить надежный контакт. Но диэлектрическая проницаемость текстильных материалов не высока, и излучатели подобных антенн имеют большие габариты. Для снижения размеров антенн, в системах WBAN иногда используют гибкие полимерные подложки с керамическим наполнителем. Наибольшее распространение получили подложки, изготовленные из полимера PDMS с керамическим наполнением.

Традиционные антенны, используемые в телевидение, системах связи, радиолокации и других областях техники имеют хорошее согласование с воздушным пространством. Например, СВЧ антенны и их конфигурации, раскрытые в US2005235482 A1 и US7450077 B2 принимают сигнал из эфира (из внешнего пространства) или посылает сигнал во внешнее пространство. Указанные антенны должны быть изолированы от тела. В патенте US7450077 B2, описывающим гибкую текстильную встраиваемую в одежду антенну с многослойной структурой, есть специальный изолирующий слой, который изолирует антенну от человека. Свойства каждого слоя оптимизированы для обеспечения наилучшего общего отклика антенны. В связи с тем, что такие антенны не должны принимать сигналы от человека, то поэтому не требуется хороший контакт подобных антенн с кожей человека.

К антеннам медицинского назначения для измерения собственного излучения биологических объектов предъявляются определенные требования, которые существенно отличаются от требований к антеннам для систем WBAN.

В частности, антенны для систем WBAN проектируют таким образом, чтобы ее электрическое поле находилось вне тела человека, т.е. в системах WBAN минимизируют удельный коэффициент поглощения - Specific Absorption Rate (SAR). В тоже время в радиотермометрии поле антенны должно как можно глубже проникать в тело за счёт снижения доли мощности, принимаемой из кожных слоёв пациента.

Кроме этого, антенны для систем WBAN работают в узком диапазоне частот (100-200 МГц), а в РТМ устройствах необходимо обеспечить полосу пропускания порядка 500 МГц.

В отличие от традиционных антенн для WBAN антенны для радиотермометрии (РТМ антенны) должны быть согласованы с тканями биообъекта. Диэлектрическая проницаемость мышц и кожи в 30-40 раз отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, поэтому непосредственно использовать антенны WBAN в радиотермометрии нельзя, и для микроволновых радиотермометров необходимо разрабатывать гибкие антенны согласованные и тканями биообъекта и имеющие широкую полосу пропускания.

Наиболее близким аналогом заявленной текстильной антенной системы для микроволновой радиотермометрии является гибкая антенна, представленная в статье «Afyf A., Bellarbi L., Riouch F., Errachid A., Sennouni M.A. Flexible Antenna Array for Early Breast Cancer Detection Using Radiometric Technique. International journal of biology and biomedical engineering, 2016, vol. 10, pp. 10-17», предназначенная для ранней диагностики рака молочной железы с помощью микроволновой радиотермометрии. На Фиг.1 представлена структурная схема указанной антенны. Она состоит из тонкой полиимидной пленки (2), на которой с одной стороны напечатан излучатель (3), контактирующий с биообъектом (1), а с противоположной стороны установлен коаксиально-полосковый переход (4) для передачи СВЧ сигнала от антенны на вход микроволнового радиотермометра. Экран коаксиального полоскового перехода (5) соединен с земляным проводником излучателя (6), а центральный проводник (7) коаксиально-полосковый перехода (4) соединен с излучателем (3). Толщина полиимидной пленки составляет 120 мкм, что обеспечивает гибкость антенны только в одной плоскости. Изгиб одновременно в двух плоскостях затруднен. На фиг. 2 представлено несколько топологий излучателей, гибких антенн для микроволновых радиотермометров согласно аналогу.

Подобные антенны можно использовать для мониторинга температуры молочных желез, но использовать их для мониторинга внутренней температуры частей тела с малым радиусом кривизны, в частности коленного сустава, конечности у детей, и т.д. затруднительно. Кроме этого, в связи с малой толщиной диэлектрического основания, подобные антенны имеют меньшую глубину измерения по сравнению, с традиционными антеннами для микроволновой радиотермометрии.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание текстильной антенной системы с использованием гибких полимерных материалов для определения температурных тепловых изменений и тепловых аномалий внутренних тканей биологического объекта путем неинвазивного измерения радиояркостной температуры внутренних тканей одновременно в нескольких точках биообъекта с возможностью встраивания в элементы одежды, и осуществления мониторинга внутренней температуры в процессе жизнедеятельности человека.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение глубины измерения внутренней температуры тканей биообъекта и возможность изгиба антенной системы одновременно в двух плоскостях, снижение допустимого радиуса изгиба антенной системы.

Указанная задача и технический результат изобретения достигается за счет новой схемы многослойной антенной системы, имеющей деформируемую подложку, выполненную из гибкого диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью, нижняя поверхность которой контактирует с исследуемой областью биологического объекта; по меньшей мере один печатный излучатель, связанный с фидером и сформированный на верхней поверхности указанной подложки; по меньший мере один слой текстильной ткани, контактирующий с по меньшей мере одним излучателем; по меньший мере один слой металлизированной ткани, нанесенный на слой текстильной ткани.

В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка выполнена в виде сплошного слоя.

В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка выполнена в виде слоистой структуры.

В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере два слоя подложки выполнены из гибкого диэлектрического материала с отличной друг от друга диэлектрической проницаемостью.

В некоторых вариантах осуществления изобретения антенная система дополнительно содержит по меньшей мере один гибкий защитный слой ткани между подложкой и исследуемой областью биологического объекта.

В некоторых вариантах осуществления изобретения гибкий защитный слой ткани выполнен съемным.

В некоторых вариантах осуществления изобретения защитный слой ткани выполнен из металлизированнной ткани и содержит отверстия, равные и расположенные над печатными излучателями концентрически.

В некоторых вариантах осуществления изобретения указанные отверстия заполнены неметаллизированной тканью, соединенной с защитным слоем ткани.

В некоторых вариантах осуществления изобретения первый защитный слой ткани, выполненный из металлизированной ткани, и второй защитный слой ткани, выполненный из неметаллизированной ткани и контактирующий с исследуемой областью биологического объекта, при этом первый защитный слой ткани выполнен с равными отверстиями, расположенными над печатными излучателями и заполненными неметаллизированной тканью.

В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка выполнена в виде по меньшей мере двух отдельных элементов, на поверхности каждого из которых сформирован печатный излучатель.

В некоторых вариантах осуществления изобретения антенная система дополнительно включает тонкий слой пленки c клеевым слоем, расположенным между излучателями и слоем текстильной ткани.

В некоторых вариантах осуществления изобретения антенная система дополнительно включает электронный переключатель, имеющий по меньшей мере два входа для подключения антенных фидеров и один выход, который соединен со входом микроволнового радиотермометра.

В некоторых вариантах осуществления изобретения переключатель снабжен датчиком температуры для измерения температуры электронного переключателя.

В некоторых вариантах осуществления изобретения датчик температуры выполнен с возможностью передачи измеренных данных контроллеру микроволнового радиотермометра.

В некоторых вариантах осуществления изобретения излучатели принимают собственное излучение биологического объекта в разных частотных диапазонах с разных глубин.

В некоторых вариантах осуществления изобретения излучатели принимают собственное излучение биологического объекта в одном частотном диапазоне с разных глубин.

В некоторых вариантах осуществления изобретения излучатели выполнены съемными. Подобные антенные системы можно будет встраивать в бюстгальтер для ранней диагностики рака молочной железы (SMART BRA), устанавливать на голове для оценки изменения внутренней температуры головного мозга при воздействии различных нагрузок (SMART HEAD), для выявление температурных аномалий в области сонных артерий с целью прогнозирования риска инсульта (SMART CAROTID), для доклинической диагностики артрита коленного сустава (SMART KNEE).

Для увеличения глубины измерения излучатель наносят на одну сторону подложки толщиной несколько миллиметров, при этом противоположная сторона подложки непосредственно контактирует с биообъектом в отличие от известных способов конструирования антенных систем, в которых поверхность антенны металлизируют. Металлизация поверхности антенны, которая контактирует с телом, снижает срок службы изделия. Поскольку во многих случаях перед использованием антенны, ее дезинфицируют специальным раствором, в результате, спустя некоторое время, металлизация, нанесенная на пленку, стирается.

Термины и определения

В описании данного изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».

Термин "соединенный" в данном документе означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).

Под биологическим объектом (биобъектом) в данной заявке понимают живой организм как объект какого-либо наблюдения или изучения, предпочтительно человек, более предпочтительно исследуемая часть тела пациента.

Используемый в документе термин «область измерения внутренней температуры» определен как объем, внутри которого сосредоточено 85% мощности, принимаемой антенной. Для большинства антенных система указанная область имеет форму эллипсоида. Под термином «глубина измерения внутренней температуры» в указанной заявке понимают размер области измерения внутренней температуры вдоль по глубине исследуемого объекта.

Под термином «радиояркостная температура» (радиотемпературой, радиометрической температурой, яркостной температурой) в данной заявке понимают величину температуры шумов на выходе антенной системы, находящейся в контакте с исследуемым объектом, или среднюю температуру в объеме под антенной.

Термин «антенна, согласованная с тканями биообъекта» означает, что коэффициент отражения антенны, если её приложить к ткани биообъекта будет близок к нулю.

Используемый в документе термин «допустимый радиус кривизны антенной системы» в настоящем документе определен как максимальный радиус кривизны, при котором не происходит повреждение антенной системы, выражающееся в нарушении целостности различных слоев антенной системы и снижении её функциональных характеристик. Допустимый радиус кривизны антенной системы зависит от диаметра антенны. При диаметре антенны 20 мм допустимый радиус кривизны антенной системы может быть 50 мм, если диаметр антенны составляет 3 мм, то допустимый радиус кривизны может лежать в диапазоне 6-7 мм.

Термин «фидер» в настоящем документе означают электрическую цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от антенны к радиоприёмнику. Под вспомогательными устройствами понимают соединители, вентили, фазовращатели и т.д. Под линией передач понимают металлический волновод, коаксиальный кабель и т.д. Конструкция фидера определяется частотой источника. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 (мОм) или 75 (мОм).

Под термином «печатный (плоский) излучатель» в настоящем документе понимают излучатели разных топологий, в частности, спиральные, patch-антенны, щелевые антенны, и разных геометрических конфигураций в зависимости от размеров исследуемой области биологического объекта. Излучатели сконструированы (изготовлены) любыми известными технологиями.

В качестве текстильной ткани в данной заявке могут быть использованы различные ткани и материалы, в том числе фетр, шерсть (овечья), шелк, хлопок, нейлоновая ткань и т.д. Толщина текстильной ткани составляет 0,1-6 мм, предпочтительно 0,1-1, более предпочтительно 0,09 (radioscreen textile). Основные характеристики применяемых в носимых системах текстильных тканей приведены в таблице на фиг. 3.

В качестве пленки в указанной заявке понимают полиимид с нанесенной топологией или без неё.

В указанной заявке под термином «тонкий слой пленки» понимают ткань толщиной 30-100 мкм, предпочтительно 30-50 мкм, более предпочтительно 30 мкм.

Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых частей.

На Фиг.1 представлена структурная схема гибкой антенны для микроволнового радиотермометра, известной из уровня техники, согласно аналогу.

На Фиг.2 варианты топологии гибкой антенны для микроволнового радиотермометра согласно аналогу.

На Фиг.3 представлена таблица с основными характеристиками применяемых в носимых антенных системах текстильных тканей.

На Фиг.4 представлена структурная схема варианта исполнения текстильной антенной системы для многоканального радиотермометра согласно заявленному изобретению.

На Фиг.5 представлена структурная схема варианта исполнения гибкой антенный системы для многоканального радиотермометра с несколькими гибкими диэлектрическими подложками

На Фиг.6 представлена структурная схема варианта исполнения гибкой антенный системы в состав которой входит электронный многоканальный коммутатор

На Фиг. 7 представлены варианты топологии единичных излучателей, которые могут быть элементами текстильной антенной системы.

На Фиг. 8 представлен вариант топологии единичной антенны с двумя разными излучателями, принимающими излучение тела с разных глубин излучателей, которые могут быть элементами текстильной антенной системы.

На фиг. 9 представлена многоканальная текстильная антенна, состоящая из 9 антенн (9) и одного переключателя (15) с нанесенным щелевыми излучателями на полиимидной пленке, соединенной с диэлектрической подложкой и экранированной металлизированной тканью.

На фиг. 10 представлена одноканальная гибкая текстильная антенна с нанесенным щелевым излучателем на полиимидной пленке, соединенной с диэлектрической подложкой, экранированной металлизированной тканью (вид сверху и поперечное сечение).

Подробное описание изобретения.

Эффективность методов медицинской диагностики злокачественных опухолей на основе методов радиотермометрии в существенной мере зависит от точности определения пространственного распределения температуры внутри биологической ткани и выявления связи между этой температурой в разных зонах с наличием раковых образований.

Заявленное изобретение направлено на создание гибкой многослойной антенной системы для регистрации собственного электромагнитного (планковского) излучения глубоких тканей биологического объекта в микроволновом диапазоне частот, по которому расчетным путем определяют значения внутренней (глубинной) температуры тканей в области (точке) измерения. Известно, что при бурном развитии опухоли повышаются энергетические затраты и растет тепловыделение. Следовательно, при диагностировании у пациента повышенной температуры внутренних тканей (тепловых аномалий) в исследуемой области есть вероятность обнаружения наиболее опасных опухолей (с малым временем удвоения объема (массы, числа клеток) в опухоли, которым характеризуется динамика развития опухоли).

Проведенные исследования показали перспективность метода для диагностики заболеваний щитовидной железы, воспалительного заболеваний малого таза, тазобедренного сустава, нижних конечностей, головного мозга и т.д.

Для исследования электромагнитных и тепловых явлений внутри биологического объекта созданная антенная система в целом содержит гибкую подложку, выполненную из гибкого диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью. На одну из сторон подложки наносится излучателей в виде металлической топологии с помощью известных печатных технологий, а другая - контактирует с исследуемой областью биологического объекта. Излучатели соединены через фидерные линии передачи с радиотермометром. С излучателями контактирует слой текстильной ткани с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими диссипативными потерями. На указанный слой нанесен слой металлизированной ткани для экранировки излучателей от внешних электромагнитных воздействий. Слой текстильной ткани используется для изоляции металлизированной ткани. Фидерные линии передач могут проходить насквозь слои текстильной и металлизированной ткани.

Между собой слои антенной системы могут быть, например, склеены или связаны любым известным способом. При этом методы, используемые для соединения различных слоёв, не должны влиять на электрические свойства антенны (на поверхностное сопротивление и свойства подложки).

Возможно связывать слои антенной системы через шов, при этом шов должен быть плоским, без сминаний, и при прохождении всех материалов шов не должен вызывать короткие замыкания между ними.

В некоторых вариантах осуществления можно использовать жидкие клеи. При применении клейких веществ с текстильными материалами клейкие вещества следует наносить не на всю площадь текстильного материала, а на по меньшей мере часть площади.

Предпочтительно соединять слои антенной системы с использованием клеевых листов или проводящих тканей с термоклеящей поверхностью. При этом при поцизионировании текстильных тканей необходимо учитывать различие между лицевой и изнаночной сторонами (шероховатости, плотность проводящих элементов).

Для разработки носимых антенных систем используются деформируемые подложки из разнообразных гибких диэлектрических материалов, такие как каптоновая полиимидная пленка, полимерные и углерод-эпоксидные композиты, текстильные ткани, бумага и другие. Диэлектрические материалы для гибких антенн характеризуются параметрами εr = 2-3,3 и tgδ = 0,003-0,005 в частотном диапазоне 0,4-2,5 ГГц.

Предпочтительно использовать подложку, изготовленную из полидиметилсилоксана (polydimethylsiloxane, PDMS) или любого другого подходящего силиконового соединения, полиуретана (PU) или других эластомеров.

Более предпочтительно изготовление подложки из PDMS, обладающего низкими диссипативными потерями, низкой гигроскопичностью и инертностью. В частности, возможно использовать материал PDMS марки polymer Sylgard-184 компании «Dow Corning» или иной другой. Некоторые производители используют T2 Silastic компании «Dow Corning», другие производители – RTC6166f компании «GE Plastic». Эти материалы имеют низкие электрические потери поэтому могут использоваться на частотах нескольких ГГц. Подобные материалы состоят из двух компонентов: «основной полимер» («base prepolymer») и соединяющий агент («cross-linking agent»). В большинстве работ при изготовлении подложек соотношение двух компонент составляет 1:10 (по весу).

Для повышения диэлектрической проницаемости исходного силиконового материала используют различные керамические наполнители: титанат бария BaTiO₃, Mg-Ca-Ti (MCT), strontium titanate SrTiO₃ (Trans-Tech Inc), Bi-Ba-Nd-Titanate, BBNT (Ferro Corporation). Диэлектрическая проницаемость BaTiO₃ может изменяться от десяти единиц до нескольких тысяч в зависимости от размера зерна, его формы, добавок и температуры окружающей среды. Диэлектрическая проницаемость других керамических материалов ВВNT, MCT, Dr 270 находятся в пределах 95-270. За счет этих добавок можно увеличить диэлектрическая проницаемость подложки до 10-20 единиц.

Созданная подложка с напечатанными на ее поверхности излучателями является деформируемой в ответ на приложенное пользователем усилие. Деформирование подложки включает в себя по меньшей мере изгиб по меньшей мере части подложки, растяжение, продавливание без значительных изменений характеристик. При наличии локальных искривлений исследуемой части биологического объекта гибкая подложка антенной системы будет плотно прилегать к ее поверхности, повторяя форму изгиба.

Диэлектрическая подложка согласно настоящему изобретению может быть выполнена в виде одного гибкого сплошного слоя с одним коэффициентом диэлектрической проницаемости или в виде слоистой структуры. В последнем случае слои подложки могут быть как одинаковой, так и разной толщины. По меньшей мере два слоя подложки имеют разный коэффициент диэлектрической проницаемости.

Например, при изготовлении гибкой диэлектрической подложки из двух гибких диэлектрических слоев, первый, контактирующий с биообъектом, может быть выполнен из PDMS, а в качестве второго слоя, на который наносятся излучатели, можно использовать полиимидную пленку. Такое решение упрощает задачу нанесения металлической топологии на диэлектрическое основание. Силиконовый материал PDMS, который можно использовать для изготовления гибкого основания имеет плохую адгезию, и технология металлизации силикона достаточно сложна. В тоже время, металлизация полиимидных пленок, которые обладают хорошей адгезией, не вызывает проблем. Толщина пленок может составлять 20-50 мкм. Между собой два слоя диэлектрика могут можно склеить стандартным клеем для силикона.

Излучатели в антенной системе могут быть использованы для работы в диапазоне частот 0,8-5 ГГц.

Излучатели могут быть расположены в любых удобных местах гибкой подложки. Например, излучатели могут быть расположены равномерно по длине подложки. В антенных системах большего размера излучатели могут быть расположены вдоль краев подложки, в центре, по углам подложки и т.д.

Излучатели могут быть построены на базе нескольких топологий (нескольких антенн) и позволяют принимать собственное излучение биологического объекта в разных частотных диапазонах. Это позволяет измерять радиояркостную температуру на разных глубинах и затем осуществлять трехмерную реконструкцию температурного поля на глубине, а значит, большее пространственное разрешение по сравнению с одночастотными излучателями, большая информативность исследования. Глубина измерения температуры также зависит от формы и размера излучателя, поэтому для реконструкции трехмерного поля могут быть задействованы излучатели с разной геометрией, работающие на одной частоте.

Число, геометрические размеры, форма наносимых на подложку излучателей может быть различными в зависимости от исследуемого участка биологического объекта. Излучатели антенной системы могут быть съемными (одноразовыми).

Для изготовления излучателей используют полиимидную или лавсановую плёнку, поэтому излучатели способны легко деформироваться после формирования проводящего слоя. Имеется ряд марок полиимида с торговыми марками Kapton, Rogers, Dupont. Материалы Rogers имеют хорошие параметры (тангенс угла потерь, диэлектрическую проницаемость и т.д.).

В качестве фидерной линии передач может использоваться, например, гибкий коаксиальный кабель, внутренний проводник которого запаивается в излучателе на одной стороне излучателя, а внешний проводник – на противоположной стороне.

На Фиг. 4 представлена структурная схема одного из варианта исполнения текстильной антенной системы для многоканального радиотермометра согласно заявленному изобретению. Антенная система состоит из гибкой диэлектрической подложки (8), на которую нанесены N излучателей (9), контактирующих со слоем текстильной ткани (11). Слой металлизированной ткани (12) контактирует с текстильной тканью (11).

Электромагнитный сигнал, излучаемый биообъектом проходит через гибкую диэлектрическую подложку (8), имеющую низкие диссипативные потери, и поступает на излучатель (9). Затем по фидерной линии передач (10) сигнал поступает на один из входов N-канального микроволнового радиотермометра (не показан).

На Фиг.5 представлена структура другого варианта исполнения гибкой антенной системы для многоканального радиотермометра. Антенная система содержит К гибких диэлектрических оснований (13), на поверхности которых нанесены N излучателей (9). При этом антенная система содержит тонкий и гибкий защитный слой (14) ткани, расположенный между биообъектом (1) и диэлектрическими основаниями (13). На N излучателей (9) наносят тонкий слой пленки c клеевым слоем на обоих сторонах пленки, который в свою очередь контактирует со слоем текстильной ткани (11). Слой металлизированной ткани (12) находится в контакте с текстильной тканью (11).

Электромагнитный сигнал, излучаемый биообъектом, проходит через гибкий защитный слой (14) и через гибкое диэлектрическое основание (подложку,состоящую из нескольких слоев) (13), имеющее низкие диссипативные потери и поступает на излучатель (9). Затем по фидерной линии передач (10) сигнал поступает на один из входов N-канального радиотермометра.

Этот вариант антенной системы обладает большей гибкостью по сравнению с вариантом с одной гибкой подложкой, представленной на фиг.3. Гибкий защитный слой (14) ткани защищает излучатели (9) от попадания частиц грязи на них. Этот слой (14) должен иметь малые диссипативные потери, быть гигиеничным и не впитывать влагу.

В качестве защитного слоя можно использовать полиэтиленовую пленку, которая также имеет низкие диссипативные потери. Можно использовать текстильную ткань, в частности, шелковую ткань, толщиной 50 мкм.

В некоторых вариантах осуществления в качестве защитного слоя используют слой металлизированной ткани, которая содержит равные отверстия, расположенные над печатными излучателями строго концентрически.

Указанные отверстия могут быть заполнены неметаллизированной тканью, которая находится в контакте с защитным слоем.

В некоторых вариантах выполнения антенная система включает второй защитный слой, расположенный между первым защитным слоем ткани и исследуемой областью биологического объекта, при это указанный второй защитный слой выполнен из неметаллизированной ткани.Защитный слой можно сделать съемным и прикреплять к антенной системе на липучках, чтобы упростить процесс стерилизации антенной системы. Такой защитный слой является одноразовым, и, следовательно, не требует чистки. Если существует необходимость в его повторном использовании, то оно, как правило, допускается производителем, при этом следует учитывать, что очистка с помощью растворителя любого типа вызовет потерю части клеящего слоя.

На Фиг.6 представлена структурная схема варианта исполнения текстильной антенный системы, в состав которой входит электронный многоканальный коммутатор (15), позволяющий нескольким излучателям работать только с одним устройством записи.

В этом варианте предлагаемой антенной системы N фидерных линий передач (10) поступают на N входов электронного переключателя (15), выход (16) которого соединен со входом радиотермометра. Электронный коммутатор поочередно подключает один из излучателей (9) ко входу радиотермометра. Такое построение антенной системы в N раз сокращается число каналов радиотермометра, что снижает стоимость изделия и его размеры. В тоже время такая система имеет в N раз худшее быстродействие по сравнению со схемой, изображенной на фиг.3, так как один канал радиотермометра последовательно обрабатывает сигналы от каждого излучателя. Но во многих случаях тепловые изменения биообъекта проходят достаточно медленно, поэтому использование многоканального коммутатора в таких случаях допустимо.

Поскольку электронный переключатель (15) имеет значительные потери (около 1.5 дБ) то, его температура оказывает сильное влияние на измеряемую температуру. Для компенсации ошибки измерения, связанной с изменением температуры переключателя, необходимо знать его температуру. Для измерения температуры переключателя он может содержать датчик температуры. Результаты измерения температуры переключателя передаются на контроллер радиотермометра. Данные могут передаваться с помощью беспроводной передачи данных, причем, не ограничиваясь, могут использоваться технологии беспроводной передачи данных Bluetooth или Wi-Fi, или ZigBee.

Многоканальный электронный переключатель можно строить на основе MMIC SP3T SKY13373-460LF QFN компании Skyworks Inc или MMIC SP2T MASW-007107 компании Tyco Electronics. В качестве датчика температуры можно использовать датчик температуры AD7415ART-0500 SOT23-5 фирмы Analog Devices.

На фиг. 7 представлены варианты исполнения излучателя в форме круга и в форме «бабочки». Излучатель (9) сформирован на подложке (8). В случае выполнения излучателя в форме «бабочки» центральный проводник коаксиального кабеля (7) припаивается к одной стороне «бабочки», а экран (5) к противоположной стороне. Подобный излучатель имеет хорошее согласование в широкой полосе частот (500 МГц) и высокую глубину измерения.

Вариант топологии единичной антенны с двумя разными излучателями, принимающими излучение тела с разных глубин излучателей изображен на фиг. 8.

Примеры использования изобретения

Пример 1.

На фиг. 9 представлена многоканальная текстильная антенна, которая может быть использована в нейрошлеме.

На полиимидную пленку нанесен слой металлизации в виде щелевого излучателя (9) в количестве 9 шт. Геометрические размеры излучателей (9) соответствовали размерам антенны, полученным в ходе математического моделирования и экспериментальных исследований. Далее 9 излучателей на полиимиде были закреплены на подложке (8) согласно фиг. 9. Центры восьми излучателей (9) равномерно располагались по окружности, центр которой совпадал с центром девятого, центрального излучателя (9). В качестве диэлектрической подложки 9 антенн нейрошлема могут быть использованы материалы RT/duroid5000, RT/duroid6002, RO3000, RO4000. Полиимид 0,034 может играть роль излучателя при установке его на подложку из PDMS при условии её диэлектрической проницаемости ε=20-60.

Монтаж гибкой антенной системы осуществлялся следующим образом: сначала припаивали СВЧ-кабели (10) к излучателям (9), затем они закрывались тремя слоями текстильной ткани, а именно, флисом толщиной 2-3 мм (диэлектрическая проницаемость - 1,17), а затем двумя слоями металлизированной ткани толщиной 0,09 мм (radioscreen Cu-Ni plated) «крест-накрест» для экранировки центральной антенны, причём кабель проходит насквозь ткани вверх.

Часть тканей были прошиты неметаллизированной нитью, а часть - соединены с помощью клея. Кабели (10) были пропущены через отверстия в слоях тканей и выведены к центру конструкции.

СВЧ-переключатель был установлен в центр конструкции и закреплен сверху на центральной антенне. СВЧ-кабели припаивались к местам запайки на плате СВЧ-переключателя. Рабочая поверхность PDMS была закрыта тонким слоем шёлка.

Пример 2.

На фиг. 10 схематично представлена конструкция одноканальной гибкой антенной системы, которая может быть встроена в ткань бюстгальтера.

Антенная система представляет собой подложку (8), по форме соответствующую окружности, небольшой высоты. Подложка со всех сторон экранируется материалом (12) radioscreen (толщина 0,09 мм), кроме стороны снизу, контактирующей с биологическим объектом (1). Внутри антенная система заполнена подложкой (материал PDMS) ш19 мм, толщиной 1,5-2 мм. На верхнюю сторону подложки с помощью клея БФ2 приклеена полиимидная плёнка (е=3,5) с напечатанной топологией, которая представляет собой щелевой излучатель (9) в форме "бабочки" с зазором 2 мм. На одну сторону щели запаивается внутренний проводник коаксиального кабеля (10), на другую – внешний проводник. Пространство между излучателем и внешней стороной экрана заполнено материалом флис (11) толщиной ≈2,5 мм (ε=1.17) для обеспечения необходимой жесткости конструкции антенны. Этим же материалом или другим текстильным материалом (11) может быть заполнено пространство антенной системы.

Подложка (8) антенны имеет диаметр ш19 мм, толщину 1,5 мм с диэлектрической проницаемостью е=20. Нижняя открытая часть подложки (8) контактирует с телом. Щелевой излучатель (9) в форме "бабочки" выполнен на верхней стороне плёнки (толщина 0,034 мм) с диэлектрической проницаемостью е=3,5. Общая высота антенны составляет 5 мм. Рабочая частота антенны – 3.8 ГГц с рабочей полосой 500 МГц. Пространство внутри антенны между излучателем и верхней стороной корпуса заполнено материалом толщиной ≈2,5 мм с диэлектрической проницаемостью ε=1.17.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения рассмотрены в данном описании со ссылкой на различные примеры, необходимо понимать, что модификации данных примеров могут быть выполнены без выхода за рамки объема настоящего изобретения. Признаки, рассмотренные в настоящем описании, могут быть использованы в комбинациях, отличающихся от комбинации, описанных в данном описании явным образом

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к созданию гибких антенных систем для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей. Гибкая антенная система содержит деформируемую подложку, выполненную из гибкого диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью, нижняя поверхность которой обращена к исследуемой области биологического объекта, а на ее верхней поверхности сформирован по меньшей мере один печатный излучатель, связанный с фидером, при этом с другой стороны печатного излучателя выполнен по меньшей мере один слой текстильной ткани, на который нанесен по меньшей мере один слой металлизированной ткани. Использование антенной системы позволит одновременно осуществить изгиб антенной системы в двух плоскостях, повысить глубину измерения радиояркостной температуры тканей биообъекта при увеличении толщины подложки и уменьшении допустимого радиуса кривизны антенной системы. 16 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Гибкая антенная система для неинвазивного измерения радиояркостной температуры внутренних тканей биологического объекта, содержащая деформируемую подложку, выполненную из гибкого диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью, нижняя поверхность которой обращена к исследуемой области биологического объекта, а на ее верхней поверхности сформирован по меньшей мере один печатный излучатель, связанный с фидером, при этом с другой стороны печатного излучателя выполнен по меньшей мере один слой текстильной ткани, на который нанесен по меньшей мере один слой металлизированной ткани.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде сплошного слоя.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде слоистой структуры.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что по меньшей мере два слоя подложки выполнены из гибкого диэлектрического материала с отличной друг от друга диэлектрической проницаемостью.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один гибкий защитный слой ткани между подложкой и исследуемой областью биологического объекта.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что гибкий защитный слой ткани выполнен съемным.

7. Система по п. 5, отличающаяся тем, что защитный слой ткани выполнен из металлизированнной ткани и содержит отверстия, равные и расположенные над печатными излучателями концентрически.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что указанные отверстия заполнены неметаллизированной тканью, соединенной с защитным слоем ткани.

9. Система по п. 5, отличающаяся тем, что содержит первый защитный слой ткани, выполненный из металлизированной ткани, и второй защитный слой ткани, выполненный из неметаллизированной ткани и контактирующий с исследуемой областью биологического объекта, при этом первый защитный слой ткани выполнен с равными отверстиями, расположенными над печатными излучателями и заполненными неметаллизированной тканью.

10. Система по любому из пп. 5-9, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде по меньшей мере двух отдельных элементов, на поверхности каждого из которых сформирован печатный излучатель.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что дополнительно включает тонкий слой пленки c клеевым слоем, расположенным между излучателями и слоем текстильной ткани.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает электронный переключатель, имеющий по меньшей мере два входа для подключения антенных фидеров и один выход, который соединен с входом микроволнового радиотермометра.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что переключатель снабжен датчиком температуры для измерения температуры электронного переключателя.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что датчик температуры выполнен с возможностью передачи измеренных данных контроллеру микроволнового радиотермометра.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатели принимают собственное излучение биологического объекта в разных частотных диапазонах с разных глубин.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатели принимают собственное излучение биологического объекта в одном частотном диапазоне с разных глубин.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатели выполнены съемными.