L'invention concerne d'une façon générale le couplage électromagnétique etThe invention relates generally to electromagnetic coupling and
l'analyse L'invention concerne plus particulièrement une antenne qui peut combiner les fonctions de divers dispositifs à résistivité et constante diélectrique dans un seul outil, capable de travailler sur une large gamme de fréquences Elle est particulièrement utile dans le domaine de la technologie médicale. Dans le domaine de la technologie médicale, il est bien connu que de l'énergie électromagnétique est utile dans divers types de diagnostics et de traitements Par exemple, des statistiques récentes montrent que les maladies pulmonaires et cardio-pulmonaires sont responsables de plus de trois millions d'admissions dans les hôpitaux et de trente mille décès chaque année aux Etats-Unis d'Amérique Les anomalies pulmonaires sont pratiquement toujours associées à des modifications de la teneur en eau ou de la distribution de l'eau dans les poumons La plupart des spécialistes sont d'accord sur le fait que l'on ne dispose d'aucune méthode unique non destructive pour détecter avec précision et précocement des The invention relates more particularly to an antenna that can combine the functions of various devices with resistivity and dielectric constant in a single tool, capable of working over a wide range of frequencies. It is particularly useful in the field of medical technology. In the field of medical technology, it is well known that electromagnetic energy is useful in various types of diagnostics and treatments For example, recent statistics show that pulmonary and cardiopulmonary diseases are responsible for more than three million of admissions to hospitals and thirty thousand deaths each year in the United States of America Pulmonary abnormalities are almost always associated with changes in the water content or distribution of water in the lungs Most specialists agree that there is no single, non-destructive method for accurately and early detection of
variations de la teneur en eau des poumons. changes in the water content of the lungs.
Pour une technique cliniquement utile, il est souhaitable de détecter précocement des variations portant à la fois sur l'eau pulmonaire extravasculaire, ce qui reflète de façon prononcée la plupart des anomalies For a clinically useful technique, it is desirable to detect early variations in both extravascular pulmonary water, which strongly reflects most abnormalities.
pulmonaires, et le compartiment intra-vasculaire. pulmonary, and intravascular compartment.
Récemment, l'utilisation des procédés électromagnétiques pour détecter des variations de la teneur en eau des poumons a donné des résultats initiaux prometteurs, en particulier pour la détection de petites variations de la teneur en eau Aux hyperfréquences, en particulier, des variations des propriétés diélectriques des tissus sont liées étroitement à la quantité d'eau présente Les35 techniques électromagnétiques utilisent donc fondamentalement des variations de la permittivité et de la conductivité de la région pulmonaire pour détecter des variations de la teneur en eau des poumons Ce procédé a pour avantage d'utiliser des signaux électromagnétiques hautement pénétrants plutôt que des signaux ultrasoniques qui sont à la fois fortement atténués et dispersés dans le poumon En outre, les techniques électromagnétiques offrent la possibilité de surveiller en continu les patients dans des unités de soins intensifs, tels que les patients Recently, the use of electromagnetic methods to detect changes in the water content of the lungs has given promising initial results, particularly for the detection of small variations in microwave water content, in particular, variations in dielectric properties. Tissues are closely related to the amount of water present. Electromagnetic techniques therefore basically use variations in the permittivity and conductivity of the lung region to detect changes in the water content of the lungs. This method has the advantage of using highly penetrating electromagnetic signals rather than ultrasonic signals that are both highly attenuated and dispersed in the lung In addition, electromagnetic techniques offer the ability to continuously monitor patients in intensive care units, such as patients
atteints d'une défaillance cardiaque ou les grands brûlés. with heart failure or severe burns.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 240 445 décrit un procédé de couplage d'énergie électromagnétique dans une matière telle qu'un tissu, pour mesurer la teneur en eau La mesure de la teneur en eau des U.S. Patent No. 4,240,445 discloses a method of coupling electromagnetic energy into a material such as tissue to measure the water content.
poumons est une application particulièrement utile. lungs is a particularly useful application.
Cependant, le dispositif décrit dans le brevet précité est si grand que seulement quelques antennes peuvent être mises en place sur la poitrine, et l'antenne ne peut pas être décrite comme étant une source ponctuelle De plus, le champ électrique disparaît à une certaine distance de l'antenne, car les champs électriques dans les deux fentes parallèles sont directement opposés En outre, une résistance est incorporée dans l'antenne, laquelle dissipe une grande partie de l'énergie électromagnétique dans l'antenne elle-même et introduit une limitation portant sur la puissance pouvant être transmise par l'antenne D'autres travaux antérieurs comprennent: M F Iskander et C H. Durney ( 1980): "Electromagnetic Techniques for Medical However, the device described in the aforementioned patent is so large that only a few antennas can be placed on the chest, and the antenna can not be described as a point source In addition, the electric field disappears at a distance of the antenna, because the electric fields in the two parallel slots are directly opposite In addition, a resistor is incorporated in the antenna, which dissipates much of the electromagnetic energy in the antenna itself and introduces a limitation On the power that can be transmitted by the antenna Other earlier work includes: MF Iskander and C H. Durney (1980): "Electromagnetic Techniques for Medical
Diagnosis: A Review", Proceedings if IEEE, vol 68, no 1. Diagnosis: A Review, "Proceedings IEEE, Vol 68, No. 1.
et M F Iskander et collaborateurs ( 1982):"Two- and M. Iskander et al. (1982): "Two-
dimensional Technique to Calculate the EM Power Deposition Pattern in the Human Body", Journal of Microwave Power, vol 17, no 3 On a donc besoin d'un dispositif assez compact pour permettre la mise en place de nombreuses antennes formant un réseau sur la poitrine d'un patient pour retenir une image bien définie de la cavité thoracique, d'un dispositif qui comporte une antenne pouvant être décrite mathématiquement comme étant une source ponctuelle, et un dispositif qui n'est pas affecté de l'annulation du champ électrique à une certaine distance. Un dispositif de transmission et de mesure diélectrique peut également être utilisé pour chauffer une partie intérieure du corps d'un mammifère afin de détruire ou réduire la dimension de tumeurs La thérapie de réduction des tumeurs, ou thérapie du cancer par hyperthermie, combinée aux rayons ou aux médicaments, est connue dans la technique pour arrêter ou ralentir la croissance de cellules cancéreuses, ou pour provoquer la mort des cellules cancéreuses (Voir, par exemple, Streffer, C, "Cancer Therapy by Hyperthermia and Radiation", Urban and Schwarzenberg, Munich, F R G, 1980 et Dethylefsen, L A (Editor), "The Third International Symposium Cancer Therapy by Hyperthermia, Drugs and Radiation, Colorado State University, Ft Collins, U S A, 1980) Un tel dispositif est décrit par J Scheiblich et collaborateurs "Radiofrequency-Induced Hyperthermia in the Prostate", Journal of Microwave Power, vol 17, N O 3, 1982, Ottawa, Canada Ce dernier dispositif ne travaille Therefore, we need a compact enough device to allow the placement of numerous antennas forming a network on the chest. of a patient to retain a well-defined image of the chest cavity, a device that includes an antenna that can be described mathematically as a point source, and a device that is not affected by the cancellation of the electric field at A dielectric transmission and measurement device may also be used to heat an interior portion of a mammalian body to destroy or reduce the size of tumors Tumor Reduction Therapy, or hyperthermia cancer therapy, combined with rays or drugs, is known in the art to stop or slow the growth of cancer cells, or to cause r death of cancer cells (See, for example, Streffer, C, "Cancer Therapy by Hyperthermia and Radiation", Urban and Schwarzenberg, Munich, FRG, 1980 and Dethylefsen, LA (Editor), "The Third International Cancer Therapy Symposium by Hyperthermia, Drugs and Radiation, Colorado State University, Ft Collins, USA, 1980) Such a device is described by J Scheiblich et al., "Radiofrequency-Induced Hyperthermia in the Prostate," Journal of Microwave Power, Vol 17, No. 3, 1982, Ottawa, Canada This last device only works
-,à qu'à une seule fréquence.- at only one frequency.
Une onde électromagnétique se propageant possède deux caractéristiques fondamentales, l'amplitude et la phase En comparant l'amplitude et la phase d'une onde électromagnétique à son passage par des récepteurs, on peut étudier les caractéristiques de propagation du milieu sondé Une mesure de ces deux caractéristiques peut être utilisée pour déterminer la constante diélectrique et la conductivité du milieu à travers lequel l'onde est propagée. Cependant, aucun outil dans l'art antérieur n'est capable de sonder ou de coupler de l'énergie dans une matière sur une large gamme de fréquences Il est donc A propagating electromagnetic wave has two fundamental characteristics, the amplitude and the phase. By comparing the amplitude and the phase of an electromagnetic wave to its passage through receivers, one can study the propagation characteristics of the probed medium A measure of these two features can be used to determine the dielectric constant and the conductivity of the medium through which the wave is propagated. However, no tool in the prior art is capable of probing or coupling energy into a material over a wide range of frequencies.
avantageux d'étendre la gamme de fréquences. advantageous to extend the frequency range.
L'obstacle principal au développement d'un tel outil diélectrique à large bande était l'absence d'une antenne à large bande convenable pouvant introduire dans une matière, et en recevoir, par couplage, de l'énergie électromagnétique, et étant assez compacte pour se loger The main obstacle to the development of such a broadband dielectric tool was the lack of a suitable broadband antenna capable of introducing into a material, and receiving, by coupling, electromagnetic energy, and being compact enough for housing
dans les limites d'un outil.within the limits of a tool.
L'art antérieur est limité dans les tentatives de couplage, d'analyse et de traitement électromagnétiques par le fait que l'on n'a conçu aucun élément d'antenne unique convenable pouvant coupler de l'énergie électromagnétique dans une matière, telle qu'un tissu de mammifère, sur une large gamme de fréquences, qui est également suffisamment compacte et capable de transmettre des niveaux de puissance élevés On a donc besoin d'un dispositif et d'un procédé à utiliser dans de telles The prior art is limited in attempts at electromagnetic coupling, analysis and processing by the fact that no suitable single antenna element capable of coupling electromagnetic energy into a material, such as mammalian tissue, over a wide frequency range, which is also sufficiently compact and capable of transmitting high power levels. There is therefore a need for a device and a method for use in such
applications à large bande.broadband applications.
La présente invention procure un procédé et un appareil destinés à combiner, avec un succès étonnant, les fonctions de divers dispositifs à conductivité et constante diélectrique et de dispositifs de couplage d'énergie électromagnétique en un seul dispositif capable de fonctionner sur une large gamme de fréquences Elle est particulièrement utile dans des applications à la The present invention provides a method and apparatus for surprisingly combining the functions of various dielectric constant and conductivity devices and electromagnetic energy coupling devices into a single device capable of operating over a wide range of frequencies. It is particularly useful in applications to the
technologie médicale.medical technology.
Un outil de mesure ou de couplage électro- An electronic measuring or coupling tool
magnétique, présentant une face d'outil, comporte aussi une antenne émettrice nouvelle et une antenne réceptrice nouvelle De l'énergie électromagnétique est transmise à l'antenne émettrice Un adaptateur de ligne triplaque permet à l'énergie de circuler vers une ligne triplaque ayant un ruban central métallique Une face du ruban central est pliée approximativement à angle droit et présente une hauteur qui est compatible avec une couverture Magnetic, having a tool face, also includes a new transmitting antenna and a new receiving antenna Electromagnetic energy is transmitted to the transmitting antenna A triple plate adapter allows the energy to flow to a triplate line having a metallic central ribbon One side of the central ribbon is folded approximately at right angles and has a height that is compatible with a blanket
de fréquences souhaitée.desired frequency.
Un plan de masse s'étend de l'adaptateur de ligne triplaque jusqu'au pli à angle droit, afin qu'une extrémité distale du ruban central s'en éloigne, et un vide A ground plane extends from the triplate line adapter to the right angle fold so that a distal end of the central ribbon moves away from it, and a vacuum
est engendré entre le ruban central et le plan de masse. is generated between the central ribbon and the ground plane.
Un diélectrique est disposé de façon à remplir approximativement le vide Le diélectrique est constitué d'une matière ayant une constante diélectrique très élevée et une perte d'énergie très faible L'antenne émettrice est positionnée de façon que le plan de masse soit relié fixement à l'outil de mesure et que la face du ruban s'étende à fleur de la face de l'outil, afin que de l'énergie électromagnétique puisse être transmise dans la A dielectric is arranged to fill approximately the void The dielectric is made of a material having a very high dielectric constant and a very low energy loss The transmitting antenna is positioned so that the ground plane is fixedly connected to the measuring tool and that the ribbon face extends flush with the face of the tool, so that electromagnetic energy can be transmitted in the
matière à analyser.subject matter to be analyzed.
Une enceinte entourant la ligne triplaque est constituée de quatre parois métalliques qui sont placées en contact électrique avec le plan de masse et l'adaptateur de ligne triplaque, afin que la face du ruban soit pratiquement centrée dans l'ouverture formée par les parois An enclosure surrounding the strip line consists of four metal walls that are placed in electrical contact with the ground plane and the triplate line adapter, so that the face of the strip is substantially centered in the opening formed by the walls.
et le plan de masse.and the ground plane.
Une matière non conductrice et sans perte remplit tout espace libre restant dans l'enceinte, afin que la matière non conductrice forme une paroi supplémentaire A non-conductive and lossless material fills any remaining free space in the enclosure, so that the non-conductive material forms an additional wall
qui est réellement à plat contre la face du ruban. which is really flat against the face of the ribbon.
Une antenne réceptrice est constituée essentiellement de la même manière que l'antenne émettrice et est positionnée dans l'outil afin qu'elle puisse recevoir l'énergie électromagnétique qui a traversé la matière sondée Un moyen destiné à surveiller l'énergie A receiving antenna is essentially in the same manner as the transmitting antenna and is positioned in the tool so that it can receive the electromagnetic energy that has passed through the probed material. A means for monitoring the energy
reçue détecte la phase et l'amplitude. received detects phase and amplitude.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, des mesures à large bande sont prises pour déterminer la quantité d'un fluide dans une matière, telle In another embodiment of the invention, broadband measurements are taken to determine the amount of a fluid in a material, such as
que de l'eau dans un poumon.only water in a lung.
Un objet de l'invention est que de l'énergie électromagnétique soit émise et reçue sur une large gamme de fréquences, en particulier de quelques k Hz à quelques G Hz Une gamme de fréquences communément utilisée va de An object of the invention is that electromagnetic energy is emitted and received over a wide range of frequencies, in particular from a few kHz to a few GHz. A frequency range commonly used ranges from
2 k Hz à 4 G Hz.2 kHz to 4 GHz.
L'outil peut comporter en outre un patin qui épouse sensiblement la surface du tissu du mammifère et maintient les antennes Au moins une antenne émettrice est nécessaire Aucune antenne réceptrice n'est nécessaire, bien que plusieurs de ces antennes soient souvent The tool may further include a pad that substantially conforms to the surface of the mammalian tissue and maintains the antennas. At least one transmitting antenna is required. No receiving antenna is required, although many of these antennas are often
souhaitables.desirable.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique du dispositif de l'invention placé de façon à être adjacent à des tissus d'un mammifère; la figure 2 est une vue en perspective avant, par le dessus et par le côté, de l'antenne émettrice nouvelle selon l'invention; la figure 2 A est une vue analogue à la figure 2, illustrant en outre les parois métalliques d'enceinte; la figure 3 est une vue en plan d'une antenne montée sur une face d'outil; la figure 4 montre trois graphiques d'émission et d'atténuation de retour en fonction de la fréquence; la figure 5 est un graphique de l'émission et de l'atténuation de retour en fonction de la fréquence, pour de basses fréquences; et la figure 6 montre quatre graphiques de mesures d'émission dans le domaine temporel à diverses distances The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting example and in which: FIG. 1 is a schematic sectional view of the device of the invention placed so as to be adjacent to a mammal; Figure 2 is a front perspective view, from above and from the side, of the new transmitting antenna according to the invention; Figure 2A is a view similar to Figure 2, further illustrating the metal walls of the enclosure; Figure 3 is a plan view of an antenna mounted on a tool face; Figure 4 shows three graphs of return transmission and attenuation as a function of frequency; Fig. 5 is a graph of transmission and return attenuation as a function of frequency, for low frequencies; and Figure 6 shows four graphs of time domain emission measurements at various distances
d'une plaque de réflecteur métallique dans une saumure. of a metal reflector plate in a brine.
Conformément à l'invention, un procédé et un appareil nouveaux et perfectionnés pour introduire par couplage de l'énergie électromagnétique dans une matière afin de déterminer la nature de diverses matières et des fluides qu'elles contiennent et pour induire une In accordance with the invention, a novel and improved method and apparatus for coupling electromagnetic energy into a material to determine the nature of various materials and the fluids they contain and to induce
hyperthermie, en utilisant un appareil de mesure à large bande, ont été développés. hyperthermia, using a broadband measuring device, have been developed.
En référence aux dessins, une première forme de réalisation de l'outil 101 à large bande selon l'invention est représentée sur la figure 1, placée autour d'une partie With reference to the drawings, a first embodiment of the broadband tool 101 according to the invention is shown in FIG.
d'un corps de mammifère telle qu'une cavité thoracique 103. of a mammalian body such as a thoracic cavity 103.
Un moyen tel qu'une ceinture 109 de montage positionne une face 111 d'outil à proximité de la peau 104 du mammifère, afin que des antennes émettrices telles que Tl et T 2 et des antennes réceptrices telles que Ri et R 2 soient placées en contact avec la surface de la peau, en 104 La face d'outil 111 est définie comme étant la surface de la ceinture 109 de montage contenant le plan d'ouverture des antennes, et A means such as a mounting belt 109 positions a tool face 111 in the vicinity of the mammalian skin 104, so that transmitting antennas such as T1 and T2 and receiving antennas such as Ri and R 2 are placed in position. The tool face 111 is defined as the surface of the mounting belt 109 containing the opening plane of the antennae, and
elle est avantageusement une surface métallique continue. it is advantageously a continuous metal surface.
La ceinture 109 de montage peut être réalisée en toute matière flexible convenable pouvant être sanglée autour de la partie concernée du corps du mammifère Un composé conducteur tel qu'une graisse conductrice peut être appliqué à l'interface 113 entre la face d'outil 111 et la surface 104 de la peau pour améliorer le couplage entre les The mounting belt 109 may be made of any suitable flexible material that may be cinched around the relevant portion of the mammalian body. A conductive compound such as a conductive fat may be applied to the interface 113 between the tool face 111 and the surface 104 of the skin to improve the coupling between the
antennes et la cavité thoracique 103. antennas and the thoracic cavity 103.
La région du corps de mammifère à étudier peut ne pas être électriquement homogène Dans la cavité thoracique 103, par exemple, il y a des organes tels que le coeur 105, la région pulmonaire 106, les vertèbres 107, et il peut également y avoir une tumeur 108 Il est souvent souhaitable d'analyser ou de traiter des parties choisies The region of the mammalian body to be studied may not be electrically homogeneous. In the thoracic cavity 103, for example, there are organs such as the heart 105, the pulmonary region 106, the vertebrae 107, and there may also be an tumor 108 It is often desirable to analyze or treat selected parts
d'une telle cavité 103.of such a cavity 103.
Une analyse de la cavité thoracique 103, par exemple, peut être réalisée par la formation d'une image diélectrique de la cavité Ceci est réalisé par l'émission d'une énergie électromagnétique à une fréquence convenable à travers la cavité thoracique 103 à partir d'une antenne émettrice telle que l'antenne Tl, et la réception de cette énergie à une antenne réceptrice telle que l'antenne Rn De cette manière, on détermine la phase et l'amplitude de l'onde électromagnétique propagée sur le trajet Tl Rn (représenté en traits tiretés) Etant donné qu'il peut y avoir un grand nombre d'antennes émettrices Tn et un grand nombre d'antennes réceptrices Rn, un grand nombre de ces trajets croisant dans tous les sens la totalité de la cavité thoracique peuvent être étudiés A partir dé cette information et en utilisant des techniques bien connues, on peut générer une image diélectrique de la cavité thoracique Une telle image montre les divers organes dans la cavité et, lorsqu'elle est convenablement produite, peut révéler la présence d'une tumeur 108 Les propriétés diélectriques, et donc une image diélectrique, peuvent être déterminées en fonction d'une position dans la matière sondée Etant donné qu'une image diélectrique est très sensible à la présence d'eau, elle peut également donner An analysis of the thoracic cavity 103, for example, may be performed by forming a dielectric image of the cavity. This is accomplished by emitting electromagnetic energy at a suitable frequency through the thoracic cavity 103 from the a transmitting antenna such as the antenna T1, and the reception of this energy to a receiving antenna such as the antenna Rn. In this way, the phase and the amplitude of the electromagnetic wave propagated on the path Tl Rn are determined. (shown in dashed lines) Since there can be a large number of transmitting antennas Tn and a large number of receiving antennas Rn, many of these paths crossing in all directions the whole of the thoracic cavity can From this information, and using well-known techniques, a dielectric image of the thoracic cavity can be generated. Such an image shows the various organs in the body. cavity and, when properly produced, can reveal the presence of a tumor 108 The dielectric properties, and thus a dielectric image, can be determined according to a position in the probed material Since a dielectric image is very sensitive to the presence of water, it can also give
une évaluation de la teneur en eau des poumons; Cf. an assessment of the water content of the lungs; Cf.
"Microwave Methods of Measuring Changes in Lung Water", de M F Iskander et C H Durney, Journal of Microwave Power, "Microwave Methods of Measuring Changes in Lung Water" by M. F Iskander and C H Durney, Journal of Microwave Power,
vol 18 ( 3), 1983, p 265.vol 18 (3), 1983, p 265.
Il convient de noter que, bien que les antennes aient été décrites comme étant des antennes émettrices ou réceptrices, toute antenne donnée peut assumer les deux fonctions. L'aptitude à une large bande des antennes est un avantage dans les applications ci-dessus pour les raisons suivantes: des structures (par exemple le coeur,25 une tumeur) de différentes dimensions ont besoin de différentes fréquences pour être le mieux définies sur l'image; des régions à forte atténuation, telles que des fluides, peuvent nécessiter l'utilisation de fréquences relativement basses de manière que les pertes électromagnétiques soient acceptables; dans une application à un domaine temporel, une information It should be noted that, although the antennas have been described as transmitting or receiving antennas, any given antenna can assume both functions. The broadband capability of the antennas is an advantage in the above applications for the following reasons: structures (eg heart, tumor) of different dimensions need different frequencies to be best defined on the field. 'picture; regions with high attenuation, such as fluids, may require the use of relatively low frequencies so that the electromagnetic losses are acceptable; in an application to a time domain, information
simultanée à des fréquences multiples peut être développée. simultaneous at multiple frequencies can be developed.
Dans le mode en traitement, il est souhaitable de réduire ou d'éliminer la tumeur 108 par hyperthermie, c'est-à-dire en chauffant sélectivement uniquement la région 108 de la tumeur, à une température élevée Ainsi, en choisissant un groupe convenable d'antennes pour l'émission, on peut déposer sélectivement de l'énergie In the treatment mode, it is desirable to reduce or eliminate the tumor 108 by hyperthermia, i.e. by selectively heating only the region 108 of the tumor, to an elevated temperature. Thus, by selecting a suitable group antennas for the emission, it is possible to deposit energy selectively
électromagnétique dans la région de la tumeur 108; Cf. electromagnetic in the region of tumor 108; Cf.
"l Two-dimensional Technique to Calculate the EM Power Deposition Pattern in the Human Body", de M F Iskander, P F Turner, J B Du Bow et J Kao, Journal of Microwave "Two-dimensional Technique to Calculate the EM Power Deposition Pattern in the Human Body", by M. F Iskander, P F Turner, J B Du Bow and J Kao, Journal of Microwave
Power, vol 17 ( 3), 1982, p 175.Power, vol 17 (3), 1982, p 175.
L'aptitude à une large bande des antennes est un avantage dans l'application ci-dessus car, pour une situation donnée, on peut sélectionner la fréquence qui produit simultanément le dépôt optimal d'énergie et une localisation du chauffage en utilisant des techniques connues. Un exemple de l'antenne émettrice 150 de l'invention est montré sur la figure 2 Un moyen de connexion coaxiale, tel qu'un connecteur coaxial 151, est connecté électriquement à un adaptateur de ligne triplaque 153 qui est capable de transmettre de l'énergie électromagnétique depuis le connecteur coaxial 151 jusqu'à une section de ligne triplaque ayant un ruban central métallique 155 Un adaptateur de ligne triplaque particulièrement utile est un modèle n' 3070-1404-10 conçu par Omni-Spectra, ou d'autres types d'adaptateurs de ligne triplaque hyperfréquence D'autres types de moyens de transmission peuvent être utilisés pour transmettre de l'énergie électromagnétique à l'antenne Par exemple, une ligne de transmission à ruban peut être connectée électriquement à la section triplaque ayant le ruban central métallique 155 Etant donné qu'un moyen commercial de transition coaxiale-ligne triplaque à été utilisé, les dimensions incluses ici reflètent ce moyen L'homme de l'art réalisera que les dimensions peuvent être modifiées pour changer la couverture de fréquences et pour obtenir The broadband capability of the antennas is an advantage in the above application since, for a given situation, the frequency which simultaneously produces the optimal energy deposition and a localization of the heating can be selected using known techniques. . An example of the transmitting antenna 150 of the invention is shown in FIG. 2. A coaxial connection means, such as a coaxial connector 151, is electrically connected to a stripline adapter 153 which is capable of transmitting electromagnetic energy from the coaxial connector 151 to a triplate line section having a metal central ribbon 155 A particularly useful triplate line adapter is a model No. 3070-1404-10 designed by Omni-Spectra, or other types of electrodes. Microwave triplate line adapters Other types of transmission means may be used to transmit electromagnetic energy to the antenna For example, a ribbon transmission line may be electrically connected to the triplate section having the central metal ribbon 155 Since a commercial means of coaxial-line triplate transition has been used, the dimensions included here reflect this means. the art will realize that the dimensions can be modified to change the frequency coverage and to obtain
des performances d'accord fin.fine tuning performance.
Le ruban central métallique 155 comporte une extrémité avant 157, un corps de ruban plat 159, une face The central metal strip 155 has a front end 157, a flat ribbon body 159, a face
plate 161 de ruban et une extrémité distale 163. ribbon flat 161 and a distal end 163.
L'extrémité avant 157 est connectée électriquement au conducteur central 169 de l'adaptateur de ligne triplaque 153 De la soudure constitue un moyen de connexion particulièrement utile Le corps de ruban plat 159 peut également être effilé de façon à aboutir à un point à l'extrémité avant 157 pour établir une transition électrique en douceur entre le conducteur central 169 et le ruban central 155 La face 161 du ruban est pliée approximativement à angle droit par rapport au corps 159 du ruban, et elle a une hauteur qui est mesurée depuis le pli à angle droit jusqu'à l'extrémité distale 163 La hauteur The leading end 157 is electrically connected to the center conductor 169 of the throat line adapter 153. The solder is a particularly useful connection means. The flat ribbon body 159 may also be tapered so as to terminate at a point in the line. front end 157 for establishing a smooth electrical transition between central conductor 169 and central ribbon 155 The face 161 of the ribbon is folded approximately at right angles to the body 159 of the ribbon, and has a height which is measured from the fold at right angles to the distal end 163 The height
est compatible avec la couverture de fréquences souhaitée. is compatible with the desired frequency coverage.
Plus la hauteur est grande, plus la couverture de fréquences admissible est basse Une hauteur de 12,7 mm permet une gamme de fréquences d'environ 2 k Hz à 1 G Hz Une hauteur de 5 mm élève la limite supérieure de fréquences à approximativement 2 G Hz Une limite supérieure de fréquences de 4 G Hz peut être atteinte aussi bien Le ruban central métallique 155 peut être réalisé en un métal quelconque Du cuivre, du laiton ou de l'aluminium sont The higher the height, the lower the allowable frequency coverage. A height of 12.7 mm allows a frequency range of about 2 kHz to 1 GHz. A height of 5 mm raises the upper frequency limit to approximately 2 G Hz An upper frequency limit of 4 GHz can be reached as well The metal central strip 155 can be made of any metal Copper, brass or aluminum are
particulièrement utiles.particularly useful.
Un plan de masse 165 s'étend de l'adaptateur 153 de ligne triplaque jusqu'au pli à angle droit du ruban central 155 de manière que l'extrémité distale 163 s'étende à l'écart du plan de masse 165 et qu'un vide existe entre le ruban central 155 et le plan de masse 165 Le plan de masse 165 est constitué d'un métal De l'acier inoxydable de qualité industrielle est particulièrement utile Il est souhaitable de maintenir le plan de masse et le ruban central aussi courts que possible pour permettre à l'appareil de rester aussi compact que possible et pour A ground plane 165 extends from the stripline adapter 153 to the right-angle fold of the central ribbon 155 so that the distal end 163 extends away from the ground plane 165 and a gap exists between the central ribbon 155 and the ground plane 165 The ground plane 165 is made of a metal Industrial grade stainless steel is particularly useful It is desirable to maintain the ground plane and the central ribbon as well as short as possible to allow the device to remain as compact as possible and to
permettre l'utilisation d'autant d'antennes que possible. allow the use of as many antennas as possible.
Le vide entre le plan de masse 165 et le ruban central 155 est largement rempli d'un diélectrique 167 Le diélectrique 167 doit avoir une constante diélectrique très il élevée et une atténuation très basse Par atténuation, on entend la dissipation d'énergie Le diélectrique 167 peut être un diélectrique céramique, et il est constitué d'une The vacuum between the ground plane 165 and the central ribbon 155 is largely filled with a dielectric 167 The dielectric 167 must have a very high dielectric constant and a very low attenuation By attenuation means the energy dissipation The dielectric 167 can be a ceramic dielectric, and it consists of a
matière telle que du titanate de baryum ou du zirconate- material such as barium titanate or zirconate
titanate de plomb Un diélectrique cristallin peut lead titanate A crystalline dielectric can
également être utilisé, bien qu'il soit plus coûteux. also be used, although it is more expensive.
L'épaisseur du diélectrique 167 est déterminée par l'adaptateur 153 de ligne triplaque utilisé Le diélectrique 167 agit de façon à rendre très grande la The thickness of the dielectric 167 is determined by the adapter 153 of the triplate line used. The dielectric 167 acts in such a way as to make the
capacité du ruban central 155.capacity of the central ribbon 155.
On achève de construire l'antenne en enfermant le ruban central 155 à l'aide de parois métalliques 181, 182, 183 et 184 qui sont en contact électrique avec le plan de masse 165 et l'adaptateur 153, comme montré sur la figure 2 A Les parois ajoutent de la rigidité et empêchent la fuite du rayonnement électromagnétique La face 161 du ruban est approximativement centrée dans l'ouverture rectangulaire formée par les bords des parois et le bord du plan de masse 165 Par conséquent, la distance entre un bord de la face 161 du ruban et le bord adjacent d'une paroi est sensiblement égale à l'épaisseur du diélectrique 167 L'espace vide entier dans l'antenne, enfermé par les parois, y compris le décrochement 168 au bord du diélectrique, est rempli d'une matière non conductrice, sans perte, telle qu'un mélange d'époxy et d'alumine qui The antenna is completed by enclosing the central ribbon 155 with metal walls 181, 182, 183 and 184 which are in electrical contact with the ground plane 165 and the adapter 153, as shown in FIG. The walls add rigidity and prevent the leakage of electromagnetic radiation The face 161 of the ribbon is approximately centered in the rectangular opening formed by the edges of the walls and the edge of the ground plane 165 Therefore, the distance between an edge of the face 161 of the ribbon and the adjacent edge of a wall is substantially equal to the thickness of the dielectric 167 The entire empty space in the antenna, enclosed by the walls, including the recess 168 at the edge of the dielectric, is filled a non-conductive, lossless material, such as a mixture of epoxy and alumina which
durcit, scelle l'antenne et la rend plus robuste. hardens, seals the antenna and makes it stronger.
Le plan de masse 165 et les parois 181, 182, 183 et 184 sont reliés fixement à un outil d'analyse ou de couplage électromagnétique tel que représenté sur la figure 3 La face 161 du ruban est placée de façon à s'étendre à fleur de la face 171 de l'outil (qui est identique à la face 111 d'outil de la figure 1) afin que l'antenne émettrice 150 puisse transmettre de l'énergie électromagnétique dans une matière telle que des tissus de mammifère Une substance conductrice, connue dans la technique, est habituellement placée sur la face extérieure des tissus de mammifère pour permettre l'introduction d'un flux d'énergie électromagnétique suffisant dans les tissus. Un espace vide 173 est rempli d'une matière non conductrice, sans perte, telle qu'un composé époxy-5 aluminium Le plan de masse 165 et les parois 181, 182 et The ground plane 165 and the walls 181, 182, 183 and 184 are fixedly connected to an electromagnetic analysis or coupling tool as shown in FIG. 3 The face 161 of the ribbon is placed so as to extend flush of the face 171 of the tool (which is identical to the tool face 111 of FIG. 1) so that the transmitting antenna 150 can transmit electromagnetic energy in a material such as mammalian tissue. A conductive substance As is known in the art, it is usually placed on the outer surface of mammalian tissues to allow the introduction of sufficient electromagnetic energy flux into tissues. An empty space 173 is filled with a non-conductive, lossless material, such as an epoxy-aluminum compound. The ground plane 165 and the walls 181, 182 and
183 sont reliés à la face d'outil. 183 are connected to the tool face.
Une antenne électromagnétique réceptrice est constituée essentiellement de la même manière que l'antenne émettrice, et est positionnée dans l'outil de la même manière que pour l'antenne émettrice, de façon que l'antenne réceptrice puisse recevoir l'énergie A receiving electromagnetic antenna is essentially in the same manner as the transmitting antenna, and is positioned in the tool in the same manner as for the transmitting antenna, so that the receiving antenna can receive the energy
électromagnétique qui a traversé la matière analysée. electromagnetic that went through the analyzed material.
La présente invention est particulièrement utile dans le domaine des diagnostics par hyperfréquence The present invention is particularly useful in the field of microwave diagnostics
portant sur une teneur en fluide et une quantité de fluide. relating to a fluid content and a quantity of fluid.
Par exemple, l'appareil peut introduire par couplage de For example, the device can introduce by coupling
l'énergie électromagnétique dans des tissus de mammifère. electromagnetic energy in mammalian tissues.
L'énergie électromagnétique peut être contrôlée ou surveillée pour donner une indication de la quantité et de la répartition d'un fluide, tel que de l'eau, dans les tissus d'un mammifère Une application particulièrement utile est la mesure de la teneur en eau d'un poumon Le présent appareil est très compact et a donc besoin d'une aire de contact avec la peau beaucoup plus petite De plus, de nombreuses antennes peuvent être placées sur une cavité thoracique pour que l'on obtienne une image bien définie de cette cavité Les antennes selon l'invention peuvent être décrites mathématiquement comme étant une source ponctuelle, ce qui facilite donc l'analyse des données Une substance conductrice doit être placée sur le côté extérieur de la cavité thoracique pour permettre la pénétration d'un flux d'énergie électromagnétique suffisant Electromagnetic energy can be controlled or monitored to give an indication of the amount and distribution of a fluid, such as water, in the tissues of a mammal. A particularly useful application is the measurement of the This device is very compact and therefore needs a much smaller skin contact area. In addition, many antennas can be placed on a chest cavity for a well-defined image. The antennas according to the invention can be described mathematically as being a point source, which facilitates the analysis of the data. A conductive substance must be placed on the outside of the thoracic cavity to allow the penetration of a flow. sufficient electromagnetic energy
dans la cavité thoracique.in the thoracic cavity.
L'art antérieur (Iskander et collaborateurs) a pour inconvénient que le champ électrique disparaît à une certaine distance de la face de l'outil, car les champs présents dans les deux fentes parallèles sont de directions The prior art (Iskander et al.) Has the drawback that the electric field disappears at a certain distance from the face of the tool, because the fields present in the two parallel slots are of directions.
opposées Aucune annulation de ce type n'apparaît avec la présente invention En outre, l'incorporation d'une résistance dans l'antenne de Iskander et collaborateurs5 introduit une limitation de puissance. In addition, the inclusion of a resistor in the antenna of Iskander et al. 5 introduces a power limitation.
Dans une autre forme de réalisation, la présente invention peut être utilisée dans le domaine de l'hyperthermie par hyperfréquence L'appareil peut introduire par couplage de l'énergie électromagnétique dans10 la partie intérieure du corps d'un mammifère afin que l'énergie électromagnétique soit concentrée pour chauffer In another embodiment, the present invention may be used in the field of hyperfrequency hyperthermia. The apparatus may couple electromagnetic energy into the interior portion of a mammalian body to electromagnetic energy. be concentrated to heat
et réduire ainsi la dimension d'une tumeur ou la détruire. and thus reduce the size of a tumor or destroy it.
Une thérapie de réduction de tumeur ou une thérapie du cancer, par hyperthermie, combinée avec des rayons ou des médicaments, est connue dans la technique pour arrêter ou ralentir la croissance de cellules cancéreuses, ou A tumor reduction therapy or cancer therapy, by hyperthermia, combined with rays or drugs, is known in the art to stop or slow the growth of cancer cells, or
provoquer la mort des cellules cancéreuses. cause death of cancer cells.
La présente invention a pour avantage sur l'art The present invention has the advantage over art
antérieur de permettre de choisir de nombreuses fréquences. prior to allow to choose many frequencies.
Etant donné l'absence de limitation de l'aptitude à transmettre de la puissance dans l'antenne de l'invention, Since there is no limitation on the ability to transmit power in the antenna of the invention,
l'invention est particulièrement adaptée à l'application d'énergie hyperfréquence dans une zone localisée à l'intérieur du corps d'un mammifère, tel qu'un être humain.25 Une seule antenne ou un réseau d'antennes peut être utilisé. the invention is particularly suited to the application of microwave energy in a localized area within the body of a mammal, such as a human being.25 A single antenna or an array of antennas may be used.
Dans une autre forme de réalisation, encore, l'appareil peut être implanté à l'intérieur du corps d'un mammifère et utilisé en tant qu'antenne radiofréquence Une seule antenne ou un réseau d'antennes peut être utilisé. Etant donné que l'antenne de l'invention peut être réalisée de façon à être très petite (de dimensions pouvant descendre à environ 10 mm de longueur et environ 5 mm de hauteur), elle est particulièrement adaptée à cette35 application Lorsque les dimensions de l'antenne diminuent, la couverture de fréquences se décale vers des fréquences plus élevées L'appareil peut être réalisé avec un connecteur micro-coaxial du commerce Cependant, des dispositifs plus petits peuvent être réalisés par l'utilisation d'un connecteur coaxial adapté à une utilisation particulière. L'appareil peut fonctionner dans le domaine des fréquences, en utilisant une seule fréquence, des fréquences multiples (par exemple simultanées, pouvant être sélectionnées ou multiplexées dans le temps) ou des techniques à balayage de fréquences En variante, l'appareil peut fonctionner dans le domaine temporel, en utilisant des impulsions ayant une large diversité de formes, de largeurs, de temps de montée et de descente, etc Lorsque les impulsions sont transformées dans le domaine des fréquences, soit électroniquement au moyen d'un analyseur de spectre, soit numériquement au moyen de transformées mathématiques, on obtient la même information que celle qui serait donnée par un outil travaillant dans In yet another embodiment, the apparatus may be implanted within the body of a mammal and used as a radiofrequency antenna. A single antenna or antenna array may be used. Since the antenna of the invention can be made to be very small (of dimensions down to about 10 mm in length and about 5 mm in height), it is particularly suitable for this application. antenna decreases, the frequency coverage shifts to higher frequencies The device can be realized with a commercially available micro-coaxial connector However, smaller devices can be realized by using a coaxial connector adapted to a particular use. The apparatus can operate in the frequency domain, using a single frequency, multiple frequencies (eg simultaneous, selectable or multiplexed over time) or frequency scanning techniques Alternatively, the apparatus can operate in the time domain, using pulses having a wide variety of shapes, widths, rise and fall times, etc. When the pulses are transformed in the frequency domain, either electronically by means of a spectrum analyzer, or numerically by means of mathematical transforms, we obtain the same information that would be given by a tool working in
le domaine des fréquences.the frequency domain.
On a construit un outil prototype comportant les antennes de l'invention L'outil est constitué d'une antenne émettrice et d'une antenne réceptrice dont A prototype tool comprising the antennas of the invention has been constructed. The tool consists of a transmitting antenna and a receiving antenna of which
l'écartement est variable.the spacing is variable.
Une antenne diélectrique acceptable doit satisfaire les critères suivants: (i) elle doit pouvoir transmettre par couplage suffisamment d'énergie dans la matière et à partir de cette matière dans sa fréquence de travail pour permettre un sondage de la matière; (ii) cette énergie de sondage doit pénétrer dans la matière, plutôt que s'accrocher à la surface de l'outil (c'est-à-dire qu'elle doit se déplacer sous la forme d'une onde se propageant librement plutôt que d'une An acceptable dielectric antenna must meet the following criteria: (i) it must be capable of coupling enough energy into the material and from that material into its working frequency to permit probing of the material; (ii) this sounding energy must penetrate the material, rather than clinging to the surface of the tool (that is, it must move in the form of a freely propagating wave rather than a
onde de surface guidée le long de la face de l'outil). surface wave guided along the face of the tool).
Dans le cas présent, les deux conditions ci- dessus doivent être respectées sur toute la gamme des In this case, both of the above conditions must be respected across the full range of
fréquences de fonctionnement.operating frequencies.
On teste le premier des critères ci-dessus en mesurant l'atténuation de retour pour l'antenne émettrice et l'atténuation d'émission depuis l'émission jusqu'à l'antenne réceptrice toutes deux en fonction de la fréquence Ces mesures sont montrées sur la figure 4 o l'outil est placé dans l'air et contre une saumure d'une conductivité de 0,5 s/m (pour représenter un milieu biologique) La courbe d'atténuation de retour dans la saumure montre qu'il entre suffisamment d'énergie dans la saumure sur la gamme de fréquences du dispositif de mesure The first of the above criteria is tested by measuring the return attenuation for the transmitting antenna and the transmission attenuation from transmission to the receiving antenna both as a function of frequency. These measurements are shown in Figure 4 where the tool is placed in the air and against a brine with a conductivity of 0.5 s / m (to represent a biological medium) The return attenuation curve in the brine shows that between enough energy in the brine over the frequency range of the measuring device
(analyseur à réseau Hewlett-Packard HP 8505 A; 500 k Hz- Hewlett-Packard HP 8505A Network Analyzer, 500 kHz
1300 M Hz) pour permettre un sondage La perte de transmission montre que suffisamment d'énergie est reçue à 1300 M Hz) to allow a sounding The transmission loss shows that enough energy is received at
l'antenne réceptrice pour permettre des mesures. Des mesures ont été réalisées par l'utilisation d'un autre dispositif de the receiving antenna to allow measurements. Measurements were made by the use of another device of
mesure (analyseur à réseau HP 3577 A; 5 Hz 200 M Hz) pour tester la limitation de basse fréquence de l'antenne Les résultats sont montrés sur la figure 5, qui fait apparaître que la limitation de basse fréquence est d'environ 5 k Hz Le comportement amélioré en atténuation de retour dans la région de 200 M Hz (sur la figure 4) résulte d'un séchage (maturation) du measurement (HP 3577 A, 5 Hz 200 MHz) to test the low frequency limitation of the antenna The results are shown in Figure 5, which shows that the low frequency limitation is about 5 k Hz The improved return attenuation behavior in the region of 200 M Hz (in Figure 4) results from a drying (maturation) of the
remplissage en époxy-alumine entre les mesures. epoxy-alumina filling between the measurements.
La figure 6 montre des mesures de transmission dans le domaine temporel à diverses distances (d) d'une plaque de réflecteur métallique dans la saumure La variation d'amplitude de l'impulsion reçue en fonction de la distance du réflecteur métallique montre que l'énergie a Figure 6 shows time domain transmission measurements at various distances (d) from a metal reflector plate in the brine. Variation in amplitude of the received pulse as a function of the distance of the metal reflector shows that the energy has
pénétré dans la saumure jusqu'à l'emplacement de la plaque. penetrated into the brine to the location of the plate.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil et au procédé décrits It goes without saying that many modifications can be made to the described apparatus and method
et représentés sans sortir du cadre de l'invention. and shown without departing from the scope of the invention.
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