用于使用导引电磁场确定不均匀样本的区域阻抗特性的方法技术

本文中提供用于通过导引场传播穿过不均匀样本来确定所述不均匀样本内的特定区域的特性的方法。各个实施例包含用于产生电磁波形的至少一个电磁能量源，所述电磁波形包括沿着界定一系列空间区域的规定的路径传播的电场及磁场，所述场传播穿过所述一系列空间区域。在一些实施例中，所述规定的路径包含确定沿着所述规定的路径的场传播速率的场调制元件。一些实施例包含用于导引所述场传播在所述规定的路径中穿过不均匀样本的多个导体，当所述场沿着所述规定的路径传播时，所述场跨越所述多个导体中的两者或两者以上之间。在一些实施例中，所述多个导体在所述不均匀样本外部。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用导引电磁场确定不均匀样本的区域阻抗特性的方法相关申请案本专利申请案主张2019年12月17日申请的标题为“用于使用导引电磁场确定不均匀样本的区域阻抗特性的方法(MethodsforDeterminingRegionalImpedanceCharacteristicsofInhomogenousSpecimensUsingGuidedElectromagneticFields)”的第16/718,102号美国专利申请案，所述美国专利申请案是2019年4月8日申请的标题为“用于使用导引电磁场确定不均匀样本的特性的层析成像系统及方法(TomographicSystemsandMethodsforDeterminingCharacteristicsofInhomogenousSpecimensUsingGuidedElectromagneticFields)”的第16/378,425号美国专利申请案，所述美国专利申请案主张2018年12月19日申请的标题为“将电介质特性的测量局部化到不均匀电介质内的区域的方法(MethodtoLocalizeMeasurementofDielectricCharacteristicstoaRegionwithinInhomogeneousDielectrics)”的第62/781,846号美国临时专利申请案的权益。前述公开特此依其全文(包含其中引用的所有参考文献)以引用的方式并入本文中。
本技术涉及用于确定对象的特性及/或内容的询问方法。特定来说，但并非通过限制，本技术提供用于确定电介质样本的特性及/或内容的询问方法。
技术介绍
可追求此段中描述的方法，但所述方法并不一定是先前已经设想或追求的方法。因此，除非另外指示，否则不应假定此段中描述的方法中的任何方法仅凭借其包含于此段中就作为现有技术。电气阻抗、电气电容、及微波层析成像有潜力变成医药、安全、及制造领域以及将受益于可从材料的电介质性质收集的丰富的诊断信息的其它领域中的有力工具。不同于X射线或主要指示材料的密度的超声测量，电介质性质对个别材料来说可为唯一的且可用于例如识别特定组织或肿瘤、或区分炸药与食品。迄今为止，这些电介质成像技术在精品诊断或准许进行电介质测量的特定情况中有限地使用。材料的电介质性质不容易解析到特定空间区域，这是因为电介质结构可以依非线性方式折弯、扭曲、反射及衍射电磁场的传播，这遮掩其空间位置及基础电介质特性两者。电场及磁场穿过所研究对象(即样本)的路径将根据所述场的频率或更一般来说根据所述场的变化率而改变。在静态条件中或在波长比所调查电介质结构长一个数量级或更长的情况下，所研究对象的阻抗特性将确定电流的路径，即场将被吸引到最低阻抗的材料中。然而，随着频率增加，传播将呈现更多类射线行为，且传播将由最高传播速率的材料主导。传统上，这两种状态被不同地处理。如电气阻抗层析成像(EIT)或电气电容层析成像(ECT)(因为场的折曲及弯曲与穿过物体的硬场或直线X射线形成对比，所以通常被称为软场层析成像)的低频或静态技术将电极阵列应用到所研究物体的表面且通过电极对循序地施加电流来绘制出等势线。接着，计算机算法迭代通过区域的可能阻抗以匹配在数据中测量的等势曲线。低频或静态EIT/ECT场可极大地遮掩内部细节，尤其是在与电介质结构相距明显的距离处，这是因为场往往会随着距离而变得平滑。静态技术也难以应对多层结构，这是为何将EIT/ECT电极直接应用于所研究物体的一个关键原因，因为气隙将增加高阻抗层，且阻抗边界会遮掩内部的场结构。在高得多的频率下，例如微波层析成像(MWT)的技术使用类似于所研究电介质结构的尺寸的波长。在这些频率下，波自由传播且呈现出更类射线的特性。尽管微波路径可更加线性地通过某些结构，但其通常不深入穿透所关注对象(即样本)(例如人体)且可在电介质结构周围剧烈衍射、反射及散射，从而产生比EIT/ECT更动态的逆散射问题，这可能对计算要求更高。尽管低频/静态及微波状态下的散射行为不同，但两者产生病态散射数据，所述数据无法明确反转以解析散射电介质结构的空间及电气特性。在两种状态中产生的数据求解起来既麻烦又费时，且可能有多种数学上可能的解决方案或根本没有解决方案。因此，两个关键问题限制了电介质阻抗层析成像在三维、不均匀或复杂的高介电常数结构(例如人体)中的广泛应用。首先是这些结构与周围空气的电介质特性之间的显著不匹配。其次是通过复杂结构解决多路径或散射电磁波的逆问题，即一个数学上病态的问题。不同电介质材料之间的阻抗不匹配严重限制非接触式测量，这是因为大多数测量电磁波将从所关注样本反射或折射，且在空气中提供合理空间分辨率的波长(通常为GHz及以上)在许多材料中是极其耗散的。目前藉由通过直接接触样本测量阻抗或在电介质匹配介质中执行测量来解决此限制。在关注吞吐量及中断的许多情况下，例如医疗创伤、安全或制造应用，此类约束并不实用。即使在获得空间多样化数据时，当探测电磁波自由传播、共振及相互干扰时，解决不均匀样本的内部结构也被证实是棘手的。尽管很多文献已致力于研究此数学问题，但即使是粗略的解决方案，也可能需要大量的计算资源。已经提出几种技术来解决电介质阻抗层析成像中的固有问题。举例来说，若干所发布美国专利详述需要探针或探针阵列来与患者或样本完全接触的方法。举例来说，参见第9,042,957、8,391,968及5,807,251号美国专利。不需要样本接触的电气阻抗层析成像方法需要中间介质或使用非常短的波长及高功率。不需要样本接触但需要中间介质的电气阻抗层析成像方法描述于例如包含以下的若干所发布美国专利中：8,010,187、4,135,131、7,164,105及7,205,782。举例来说，不需要样本接触但使用非常短的波长及高功率的电气阻抗层析成像方法描述于例如包含以下的若干所发布美国专利中：8,933,837、7,660,452及7,664,303。电容测量技术或电容层析成像可通过完成应用于样本的电容器电极之间的电路来提供优于使用自由传播场的阻抗方法的优势。举例来说，通过将其传播约束到用于电容层析成像技术的电容器电路来固有地使用较低频率的方法描述于例如包含以下的若干所发布美国专利中：9,110,115及8,762,084。尽管这些技术可减小多路径复杂性及高频率的衰减，但其需要直接样本接触，且在大型或复杂结构中较差地执行，这是因为电场被吸引到最高介电常数的区域，在低介电常数区域或不均匀性周围形成环路，且潜在地遮掩所关注特征。在要研究的电介质轮廓仅沿着单个维度延伸的情况下，已成功使用传输线方法。举例来说，在第9,074,922及4,240,445号美国专利中。还参见非专利文献：约翰·泰勒(JohnTaylor)等人的应用到林区的宏观电气性质的测量的明线传输线(Open-wireTransmissionLinesAppliedtotheMeasurementoftheMacroscopicElectricalPropertiesofaFo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过导引电场或磁场传播穿过不均匀样本来确定所述不均匀样本内的特定区域的特性的方法，所述方法包括：/n产生电磁波形，所述电磁波形沿着规定的路径传播，所述规定的路径界定一系列空间区域，所述电磁波形的场作为传播场传播穿过所述一系列空间区域；/n导引所述传播场在所述规定的路径中穿过不均匀样本；及/n确定沿着所述规定的路径传播的所述电磁波形的所述场的测量，所述电磁波形的所述场的所述测量用于确定所述不均匀样本的区域特性及所述不均匀样本内的特定区域的特性。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181219 US 62/781,846;20190408 US 16/378,425;20191.一种用于通过导引电场或磁场传播穿过不均匀样本来确定所述不均匀样本内的特定区域的特性的方法，所述方法包括：
产生电磁波形，所述电磁波形沿着规定的路径传播，所述规定的路径界定一系列空间区域，所述电磁波形的场作为传播场传播穿过所述一系列空间区域；
导引所述传播场在所述规定的路径中穿过不均匀样本；及
确定沿着所述规定的路径传播的所述电磁波形的所述场的测量，所述电磁波形的所述场的所述测量用于确定所述不均匀样本的区域特性及所述不均匀样本内的特定区域的特性。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导引所述传播场在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本使用多个导体，所述多个导体包括平行于第二导体的第一导体。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述导引所述传播场在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本使用多个导体，所述多个导体包括平行导体对阵列。


4.根据权利要求3所述的方法，其中每一对所述平行导体对阵列在所述不均匀样本的相对侧上对置。


5.根据权利要求3所述的方法，其中每一对所述平行导体对阵列在所述不均匀样本的同一侧上邻近彼此。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述导引所述传播场在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本使用多个导体；
其中所述方法进一步包括：
沿着所述规定的路径跨所述多个导体排序所述电磁波形；及
使用所述经排序电磁波形创建动态规定的传播路径及动态场传播速率。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述导引所述传播场在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本使用多个导体，所述多个导体包括离散导体阵列。


8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
沿着所述规定的路径跨所述离散导体阵列对排序所述电磁波形；及
使用所述经排序电磁波形创建动态规定的传播路径及动态场传播速率。


9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括
使用场调制元件调制在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本的所述传播场，所述场调制元件包括物理延迟结构，所述物理延迟结构减慢沿着所述规定的路径的所述传播场的速率且减小沿着所述规定的路径的电磁波速度。


10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用场调制元件调制在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本的所述传播场，所述场调制元件包括电子组件，所述电子组件控制沿着所述规定的路径的所述传播场的速率且控制沿着所述规定的路径的电磁波速度。


11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用场调制元件调制在所述规定的路径中穿过所述不均匀样本的所述传播场，所述场调制元件包括有源电子组件，所述有源电子组件产生屏蔽寄生效应的场。


12.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定沿着所述规定的路径传播的所述电磁波形的所述场的所述测量测量沿着所述规定的路径传播的所述电磁波形的所述电场及/或磁场的电压、电流、相位、及强度中的一或多者。


13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
确定所述不均匀样本内的所述特定区域的有效常数；
确定所述不均匀样本内的所述特定区域的所述有效常数是否与沿着所述规定的路径的所述传播场的速率一致；
当所述不均匀样本内的所述特定区域的所述有效常数与沿着所述规定的路径的所述传播场的所述速率不一致时，调制沿着所述规定的路径的所述传播场；
使用穿过所述不均匀样本内的所述特定区域的所述传播场测量波形；及
使用所述波形确定所述不均匀样本内的所述特定区域的特征。


14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
使用所述不均匀样本内的所述特定区域的所述特征产生所述不均匀样本的层析成像图。


15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
测量所述规定的路径中多个导体与所述不均匀样本之间的气隙。


16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
使用所述测量所述气隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·卡戈尔，
申请(专利权)人：斯派克特罗姆公司，
类型：发明
国别省市：美国;US