JP2009537259A - Uwbレーダによる共振タグの検出 - Google Patents
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- G01S13/753—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal using frequency selective elements, e.g. resonator
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Abstract
Description
→レーダ技術[例えば、非特許文献2、特許文献8及び特許文献9に示されているような胎児心拍及び呼吸数並びに子宮収縮]、
→例えば特許文献10のような、(埋め込まれた)バイオセンサの読取り値を時間領域のパルス列として送信し/受信するUWB信号通信。このようなバイオセンサは、生化学的なイベント(感染症、ホルモン)のみならず身体的なイベント(例えば、身体の上の電極を用いる子宮収縮の監視。)を示すこともできる。
上記パルス列のエコーパルスを識別するための受信機であって、上記エコーパルス上に重畳されるシグネチャを識別するように適合化されている少なくとも1つの受信機とを備えた検出システムであって、
上記シグネチャは上記パルス列によって誘起される磁気共鳴を示す物質を示す。
エコーパルス上に重畳されるシグネチャを識別するための手段を備え、
上記シグネチャは上記パルス列によって誘起される磁気共鳴を示す物質からの反射を示す。
超広帯域システムは短距離の無線通信及び/又はレーダシステムであって、超広帯域幅を有する極超短の(ultra−short)持続時間のパルスは他の狭帯域の信号源からのフェージング及び干渉に対して優れた電磁耐性を有するという事実を活用する。超広帯域レーダは、その比帯域幅が中心周波数又は信号の時間帯域幅積(time−bandwidth product)に関わらず約0.2より大きい任意のレーダとして定義される。UWBレーダ技術は、物体によるUWB信号の反射/透過に対する時間的なパルス応答に焦点を当てており、これにより、物体の位置、形状などに関して正確な情報を与える。パルスの持続時間は、典型的には1ナノ秒より短い。これは、典型的には500MHz及び20GHzの間の中心周波数及び中心周波数の最低で20又は25%から200%までの超広帯域幅を有する周波数領域の信号に変換される。
本発明の実施形態は、ターゲットを非曖昧にラベリングするタグとして磁気共鳴物質を用い、これにより、特に、例えば人体であるクラッタが高い環境において、位置決め及び識別のアプリケーションに関する信号対雑音比を高める。本発明の実施形態は、例えばパルスの形状の変化、時間遅れ、偏波又はパルスの周波数スペクトル(振幅及び位相)である極めて特殊なシグネチャによって処理対象のターゲットを識別する磁気共振タグを用いることによって、低い信号対雑音比及び信号対クラッタ比の問題に対処する。信号処理アルゴリズムを、信号対雑音比を高めタグに関する極めて正確な位置決め情報を得るように、タグの特定のシグネチャへと最適化することができる。例えば、受信信号とタグの特定のシグネチャの保存されたバージョンとの時間相関は、受信機における高い信号対雑音をもたらし、高精度の位置決め及びトラッキングアルゴリズムをもたらす。別の方法は、偏波の解析を用いて信号対雑音比を高める。タグに特定の検出アルゴリズムに加えて、従来の時間−周波数及びデジタルフィルタリング操作を用いて、信号対雑音をさらに高めてもよい。本システムをまた、過剰なマルチパス反射を回避するために無響室に置くこともできる。
本発明の実施形態は、メタマテリアルとして知られている別の種類の材料を用いることもできる。メタマテリアルは、電磁波との相互作用において特別な特性を呈する新しい秩序化された(ordered)種類のナノコンポジットである。これらはほとんど、金属−誘電体のマイクロ又はナノ構造体で構成される。所定の人工的なコンポジットの構造体に関しては、構造体の有効誘電率又は透磁率は、構成する材料の誘電率又は透磁率とは全く異なる可能性がある。これらは、500MHz〜20GHzの周波数範囲において共鳴磁気応答又は誘電応答を有するように設計されてもよい。この場合、共鳴はUWB放射の入射時に励起され、その結果、散乱された信号波に特定のシグネチャが生じる。
タグはまた、無線センサシステムの一部であってもよく、当該無線センサシステムにおいて、タグの磁化はセンサ情報を示すように変えられ、結果的に異なる共鳴シグネチャ(位相)になる。これにより、センサからのUWB信号を送信する優れた変調方法が提供される。メタマテリアルのタグの場合は、タグ自体がセンサ値を表してもよく(例えば、大動脈の直径に対応する直径を有するステント内で用いられるリングタグ。)、変化する直径は共鳴周波数を変え、UWB信号によって直接的に探索されることが可能である。複数のタグはより複雑な情報を示してもよく、これにより、UWB信号によってその状態を探索できる磁気メモリが形成される。メモリは、識別コード又は格納されるべき複雑な情報を含むことができる。タグの磁化情報を書き込むためには、追加のハードウェア(例えば、磁石。)が必要な場合がある。
磁気共鳴イメージング(MRI(Megnetic resonance imaging))は、人体内部の断層撮影の高品質な画像(2Dスライス又は3D画像)を生成する周知の技術である。MRIは、核磁気共鳴(NMR(nuclear magnetic resonance))の原理に基づく。一般に、MRIは1〜3TのDC磁界を用いて核を磁化する。特定の核の共鳴特性(周波数、緩和時間)を識別する際には、狭帯域の周波数範囲における電磁波が選択される。例えば、ヒトの組織のイメージングには、体内の高濃度のH2Oに起因して、一般に1Tで42MHzに近い共鳴周波数を有する陽子が用いられる。他の核のラーモア周波数は50KHz〜100MHzの範囲内にあり、これらのイメージングへのアプリケーションにおける処理対象の全体の周波数スペクトルは約10kHz〜1MHzである。これは超狭帯域であって、ハードウェアはこの単一の周波数を発生し受信するように最適化され、例えば、ヘテロダイン検出器は信号源の周波数帯域に一致される。MRI実験によっては、特定のタイプのNMR信号の生成に関して、狭帯域のRF波の複雑なパルスシーケンスを用いて核の位相が操作される。パルスは、核スピンを正確に90度又は180度以上回転させなければならず、パルスは核共鳴と共に調整されなければならず、1〜2000マイクロ秒であり得る。
UWB放射がタグの磁気共鳴を励起し、その結果、電磁界をローカルに変える均一なモード又はスピン波の励起、及び磁気運動の散逸に起因する共鳴熱の発生の両方が生じることは明らかである。ほとんどの物質で、共鳴熱の発生は、例えば渦電流である他の任意の損失による誘導熱の発生を超過することがある。これは、非特許文献3に示されており、非特許文献3では、強磁性共鳴分光法は、強磁性体において、吸収される熱を熱量測定法を用いて測定することによって実行されている。タグに衝突するUWBパルスは、UWB周波数範囲内の共鳴の吸収に起因してタグをほぼ瞬時に加熱する。熱は、タグの表面から直近の周囲へ、即ち、タグが接触している組織又は生体分子結合に伝達される。熱の伝達は極めて短い時間スケール(ナノ秒)で発生する場合があるので、短いUWBパルスのタグへの周期的な衝突は組織又は結合の瞬間的な加熱を引き起こすことができ、これにより、熱的に起動されるプロセスが誘導される。これは遠隔的に発生されるが、生体組織の(空間及び時間の両方で)極めてローカルな加熱は、その直近の周囲に例えば生化学反応であるイベントをトリガするために用いられてもよい。その優位点は、バルクの加熱が発生せず、タグ表面の近くでのみ加熱が発生することにある。典型的なアプリケーションは温熱療法であり、上記温熱療法において、磁性体の小片は、この場合は強磁性共鳴加熱によって加熱されて熱が周囲へ伝達され、これにより、小片と直接的に熱的に接触している細胞が破壊される。温熱療法を、癌治療として用いることができる。他の例は、例えば熱的に誘導されるDNA(デ)ハイブリダイゼーション、熱的に誘導される変性又は他の共形の変形(conformal change)(例えば、タンパク質である。)、放射時の薬剤の熱放出などのローカルに誘導される分子レベルでの吸熱反応、ローカルな神経刺激などであってもよい。UWBパルスによって励起される共鳴磁気双極子場又は電界はまた、生化学的な刺激剤として作用してもよい。UWB信号及び共振タグはまた、これらの原理に基づく治療装置として用いられてもよく、この場合、治療(例えば、薬剤の放出である。)は無線超広帯域信号によって引き起こされる。UWBパルスの繰返し速度を、UWBレーダ通信において一般に用いられるもの(0.5〜100ns毎に250psパルスの繰返し。)を超えて増大して、治療効率を高めてもよい。
・タグ:例えば、強磁性体、フェライト、常磁性体から製造される磁性材料。
・タグ:磁気共鳴を示す磁性体から製造されるマイクロ及びナノ粒子。
・タグ:これらの磁性体の多層構造、磁性体と他の物質との多層構造。
・タグ:磁気共鳴を示すメタマテリアル。
・タグ:磁性体又は物質を充填される他の物質(例えば、誘電体、ポリマ、人体組織である。)。
・タグ:タグの磁気的な特性は、一意のIDであるように調整されてもよい(例えば、異なる共鳴特性を有する小片のチェーンである。)。
・タグ:タグは、一種のバーコードを生成するように、一意の共鳴をそれぞれ有する複数のタグ(例えば、複数の層である。)にて成ってもよい。
・タグ:例えば、(例えば脳、細胞、組織、小器官の)特定の結合又は取り込みによって生物検体をターゲットとするように機能化されたマイクロ及びナノ粒子。
・タグ:ラベリングの機能(例えば薬剤のラベリング)を有するように機能化されたマイクロ及びナノ粒子。
・タグ:コーティングを有する生化学的なプラットフォームの一部、ターゲットの分子、薬剤、他のナノ粒子など。
・タグは、UWBレーダによってトランスデューサ起動されることが可能である。例えば、UWBレーダは薬剤放出の起動、刺激の誘起などを行うことができる。
・タグ:埋込まれ、注入され、嚥下されることなど…ができる。
タグの探索に用いられるハードウェアの実施形態は、(複数の)超広帯域送信機、(複数の)受信機及び複数のアンテナを含むことが可能である。
−少なくとも1つの受信機/送信機を、一本の線上(距離)への相対的な位置決めを行うように用いることができる。
−少なくとも2つを、1つの平面上への相対的な位置決めを行うように用いることができる。
−少なくとも3つを、空間内での相対的な位置決めを行うように用いることができる。
−複数のアンテナの複数のベースライン又は複数のアレイを、ビームステアリング(位置決め)を行うように用いることができる。
・地理位置情報(ジオロケーション)/位置決め:3つの受信機(3Dの座標。)又は1つの平面上の2つの受信機(2Dの座標。)又は1つの受信機(距離のみ。)による1つの信号発生器/タグのパルス前縁(しきい値。)の検出又は時間相関。
・マルチパスモード:異なる複数の受動又は能動タグ及び異なる複数の受信機。空間相関は、タグの絶対的な及び相対的な距離に関する情報を与える。
・イメージングモード:上述したとおりであるが、アンテナグリッド又はアンテナベースラインを用いる走査又はビームフォーミングを含む。
Claims (32)
- UWB電磁放射のパルス列を送信するための送信機(30、50)と、
上記パルス列のエコーパルスを識別するための受信機であって、上記エコーパルス上に重畳されるシグネチャを識別するように適合化されている少なくとも1つの受信機(40、45、50、55)とを備えた検出システムであって、
上記シグネチャは上記パルス列によって誘起される磁気共鳴を示す物質を示す検出システム。 - 上記送信されるUWB電磁放射のパルスは、少なくとも20%の比帯域幅及び500MHz及び20GHzの間の中心周波数を有する請求項1記載の検出システム。
- 上記受信機は、上記物質のシグネチャを識別する相関器回路を含む請求項1記載の検出システム。
- 上記受信機は、パルス形状の変化、時間遅れ、偏波の変化及び上記パルスの周波数スペクトルのうちの任意の1つ又はそれ以上を決定することによって上記シグネチャを識別するように設けられた先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 上記磁気共鳴物質は、フェリ磁性体、強磁性体、反強磁性体、超常磁性体及び上記送信されるパルスの比帯域幅内で磁気共鳴を示すメタマテリアルのうちの何れかから選択された先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 上記磁気共鳴物質の形状は、球、楕円又は楕円体、細長いワイヤ、円形又は正方形の閉リング、スプリットリング又は非閉リング、複数のスプリットを有するリング、2つ以上の同心リングのうちの何れかである請求項5記載の検出システム。
- 上記磁気共鳴物質は、周期的又はランダムな順序で配列されたN個の形状の集合から成る請求項6記載の検出システム。
- 上記受信機は、到達時間を決定することによって上記磁気共鳴物質の上記受信機への距離を決定するように設けられた先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 少なくとも2つの受信機を有し、当該受信機は到達時間及び/又は到来角によって上記磁気共鳴物質の位置を決定するように適合化された先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 到達時間差を決定することによって2つの磁気共鳴物質の相対的な位置を決定するように設けられた先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 上記磁気共鳴物質は電子識別タグの一部である先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 使用に際して、上記物質は0.3T未満の磁界に設けられる先行する任意の請求項記載の検出システム。
- 上記送信されるUWB電磁放射のパルスは、20%から200%までの比帯域幅を有する先行する任意の請求項記載の検出システム。
- UWB電磁放射のパルス列のエコーを受信するための受信機であって、
エコーパルス上に重畳されるシグネチャを識別するための手段を備え、
上記シグネチャは上記パルス列によって誘起される磁気共鳴を示す物質からの反射を示す受信機。 - 上記識別するための手段は、上記パルス列からエコーパルスを識別するための相関器回路である請求項14記載の受信機。
- UWB電磁放射のパルスによる照射に対するシグネチャ磁気共鳴応答を有する物質を検出するための受信機であって、
上記パルスが上記物質と相互に作用した後に上記パルスを検出するための検出器(40、45)と、
上記検出されたパルスにおいて上記物質の上記シグネチャを識別するように設けられた識別器(55)とを有する受信機。 - 上記検出されたパルスの伝搬時間を決定することによる上記物質からの距離、動きの解析又は位置トラッキングのための上記物質の連続的な位置、上記物質の方位のうちの任意の1つ又はそれ以上を決定するように設けられた信号プロセッサ(55)を有する請求項16記載の受信機。
- 複数の受信アンテナ(70、80)を有し、
空間相関を実行して2次元又は3次元の位置決めを決定するように設けられた請求項16又は17記載の受信機。 - 上記識別器は、1つの活性物質からの又は異なるシグネチャを有する複数の物質からの異なるシグネチャを区別するように設けられた請求項16乃至18のうちの任意の請求項記載の受信機。
- 上記パルスの走査から又は上記物質を介する受信機の走査から画像を生成するように設けられたプロセッサ(55)を有する請求項16乃至19のうちの任意の請求項記載の受信機。
- 送信機と請求項16乃至20のうちの任意の請求項記載の受信機とを有するシステム。
- 上記物質を異なる角度から照射するための複数のアンテナを有し、
上記受信機は異なる角度からの上記パルスを区別するように設けられた請求項21記載のシステム。 - ビームを送信し上記物質を介して上記ビームを走査するように設けられ、
上記受信機は上記ビームの走査に従って上記物質の位置を決定するように設けられた請求項22記載のシステム。 - 共鳴を励起するためのパルスと上記励起された共鳴を探索するためのパルスとを別々に送信するように設けられ、
上記受信機は上記励起のためのパルスと上記探索のためのパルスとを区別するように設けられた請求項22又は23記載のシステム。 - 人体内又は動物の身体内の部分を走査するように構成された請求項22、23又は24のうちの何れかに記載されたシステム。
- シグネチャ磁気共鳴応答を有する物質を有するタグでタグ付けされたアイテムを走査する方法であって、
上記アイテムをUWB電磁放射のパルスで照射するステップと、
上記パルスが上記物質と相互に作用した後に上記パルスを検出するステップと、
上記検出されたパルスにおいて上記物質のシグネチャを識別するステップとを有する方法。 - 上記タグは能動タグであり、
上記方法は、上記パルスを用いてタグを起動するステップを有する請求項26記載の方法。 - 上記アイテムは人体又は他の動物の身体である請求項26又は27記載の方法。
- アイテム内のタグを起動する方法であって、
上記タグはシグネチャ磁気共鳴応答を有する物質を有し、
上記方法は、上記タグのシグネチャが上記タグを起動するように、上記アイテムをUWB電磁放射のパルスで照射するステップを有する方法。 - 上記タグは、UWB電磁放射による上記タグの照射によって引き起こされる上記タグの磁気共鳴加熱によって熱的に起動される請求項29記載の方法。
- 先行する任意の請求項記載のシステム、受信機又は方法によって用いられるためのタグであって、
異なるタグが当該タグのシグネチャによって識別されかつ区別されることが可能であるように、UWB放射パルスによる照射に対する識別可能なシグネチャ応答を提供するように設けられた物質であってシグネチャ磁気共鳴応答を有する物質を有するタグ。 - 先行する任意の請求項記載のシステム、受信機又は方法によって用いられるためのタグであって、
無線センサとして動作するように、UWB放射のパルスによって探索されているセンサ値を表す何れかのパラメータに関連する共鳴周波数を提供するように設けられた物質であってシグネチャ磁気共鳴応答を有する物質を有するタグ。
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