Sensores electromagnéticos para la caracterización de tejidos.

Un sensor (20) para caracterización de tejido en la zona cercana,

que comprende:

un resonador (40), configurado para su colocación proximalmente a un borde de un tejido para su caracterización, sin penetrar en el tejido, resonador que comprende una estructura conductora (42) asociada a una dimensión de diámetro equivalente D, en un plano básicamente en paralelo con el borde (13), y

al menos un cable conductor (43), para proporcionar comunicación con un sistema externo,

estando el resonador configurando para resonar a una frecuencia que corresponde a un intervalo de longitudes de onda al aire libre de entre aproximadamente λ y aproximadamente 40 λ, en el que λ es al menos aproximadamente diez veces el diámetro equivalente D,

y en el que después de recibir una señal en el intervalo de entre aproximadamente λ y aproximadamente 40 λ, el sensor está configurado para inducir campos eléctricos y magnéticos en la zona cercana en el tejido en el que en una zona lejana, el sensor tiene una eficacia de radiación inferior a un 0,1 %, para el intervalo de longitudes de onda al aire libre de entre aproximadamente λ y aproximadamente &almbda;minimizando las contribuciones de la zona lejana, siendo la zona cercana una región generalmente con forma de disco, delimitada por un diámetro de aproximadamente D y una profundidad de penetración, y

siendo el sensor para conexión con un sistema externo de control y análisis de generación de señales (30), en comunicación con el sensor, a través de al menos un cable conductor para proporcionar la señal y caracterizar 20 dicho tejido usando una respuesta de resonancia del resonador;

en el que

la estructura conductora (42) es una de espiral plana; espiral doble; hélice cónica o dos peines insertados entre sí que tiene una anchura del conductor (d1) y una separación (d2) generalmente del mismo orden de magnitud que un tamaño del elemento (d);

siendo el resonador un resonador de banda ancha, resonador de banda ancha que está diseñado con un intervalo de respuesta en banda ancha Δf/f de al menos ± 15 %, siendo Δf un intervalo de frecuencias para las que hay un cambio de al menos un 10 % en la amplitud del coeficiente de reflexión de una señal de reflexión del resonador, y f una frecuencia de resonancia correspondiente, y siendo la profundidad de la zona cercana de penetración dicho tamaño del elemento (d), la profundidad de penetración, con dicha minimización de la zona lejana, asegurando que el tejido que está localizado en la zona cercana varía las respuestas de resonancia del resonador, y permitiendo que el tejido en la zona cercana se caracterice por sus propiedades electromagnéticas, por la respuesta de resonancia del resonador de banda ancha

Sensores electromagneticos para la caracterizacion de tejidos.

Campo de la invención

La presente invencion se refiere a un sensor para la caracterizacion de tejidos por resonancia de senales de ondas electromagneticas reflejadas.

Antecedentes de la invención

Se conoce la caracterizacion de tejidos mediante sus propiedades de reflexion electromagneticas para la diferenciacion entre tipos de tejidos. En general, esto implica la propagacion de una onda electromagnetica aproximadamente en el rango de microondas, en un cable coaxial, a partir de un generador de ondas electromagneticas al tejido a caracterizar. En el extremo proximal con respecto al tejido, el cable coaxial se puede cortar y poner en contacto con el tejido. Como alternativa, se pueden proporcionar diversas geometrias, tales como extremos coaxiales, que funcionan como sondas para tejidos. Por ejemplo, Burdette y col. [Burdette y col, "In Vivo Probe Measurement Technique for Determining Dielectric Properties at VFW Through Microwave Frequencies", IEEE Trans. On Microwave Theor y & Techniques, MTT-28 (4) : 414-427, 1980] describen teorica y experimentalmente el uso de una tecnica de sonda para determinar las propiedades dielectricas de materiales semisolidos y de tejido vivo, in situ. Este metodo es ventajoso en comparacion con los metodos anteriores conocidos por el siguiente contexto:

1. permitir medidas de las propiedades dielectricas en tejido vivo en un intervalo de frecuencias continuas de entre aproximadamente 0, 1 GHz y aproximadamente 10 GHz,

2. eliminar la necesidad de la preparacion tediosa de muestras, y

3. permitir el procesamiento de datos en una base de tiempo real. La idea de Burdette es usar una antena de monopolo corto, adecuada para su insercion en tejidos vivos, tal como la sonda in vivo. La sonda esta disenada en forma de un cable coaxial que tiene un conductor externo y uno interno (centro) separados por un material dielectrico de Teflon. El cable del conductor interno es ligeramente mas largo que el del externo para crear un campo electrico de un monopolo en la punta distal con respecto al operario. Esta punta se va a insertar en el tejido, cuyas propiedades dielectricas se van a medir. El conductor externo se puede conectar a tierra para minimizar efectos marginales. Un conector SMA esta unido a la sonda mediante una primera eliminacion del conductor interno y del material dielectrico de Teflon, soldandolo al conductor externo y a continuacion volviendo a montar la sonda con el conductor central en forma del perno central del conector. Cuando se desmontan, los conductores de la sonda se sueldan con un revestimiento de niquel y a continuacion se revisten con oro para reducir las reacciones quimicas entre la sonda y el electrolito dentro del tejido a examinar. Este proceso elimina practicamente la oxidacion de las superficies metalicas de las sondas y ayuda a minimizar los efectos de polarizacion del electrodo en las frecuencias mas bajas. La patente de Estados Unidos N° 5.744.971, de Chan y col., ensena el uso de una sonda coaxial para medir las propiedades dielectricas de materiales adecuados, aunque no de forma exclusiva asi, para el uso en la monitorizacion no invasiva del tratamiento de conservacion del material cultural, por ejemplo, obras de arte tales como lienzos. La sonda es un dispositivo similar a una aguja con la estructura coaxial que se extiende hasta la punta distal con respecto al operario. La sonda es extracorporea en oposicion a la sonda invasiva de Burdette. El diseno de esta sonda coaxial difiere ligeramente de la de Burdette y col. La patente de Estados Unidos N° 6.026.323, de Skladnev y col. describe una sonda para caracterizar tipos de tejidos que combina ensayos opticos y electricos en un solo dispositivo, capaz de proporcionar los datos opticos y electricos casi simultaneamente a partir de areas muy pequenas de una superficie de tejido. En este enfoque es fundamental un instrumento capaz de hacer mediciones opticas y electricas casi simultaneas en las mismas pequenas areas de tejido. Cada medida implica una secuencia compleja de sucesos que incluyen: estimulaciones de tejido opticas y electricas con la deteccion, filtracion y digitalizacion posterior de la respuesta del tejido; extraccion de parametros especificos a partir de las senales opticas y electricas; comprobacion de errores y clasificacion posterior de los parametros extraidos en diversas categorias de tipos de tejido; y retroalimentacion al operario del sistema. La sonda tiene una fibra optica central, que conduce la radiacion electromagnetica a un diodo fotodetector en el tirador y esta colocado en el centro de un haz de fibras opticas todas las cuales estan colocadas dentro de un tubo externo. Tres electrodos de oro se colocan adyacentes y se apoyan contra la superficie interna del tubo externo. El cable de la sonda consta de muchos conductores coaxiales individuales con una sola proteccion general trenzada, encerrado en una cubierta externa de silicona clasificada medicamente. Ambos extremos del cable tienen conectores redondos de clavija macho de plastico. Los electrodos y las fibras opticas se ponen en contacto directo con el tejido para la estimulacion y la deteccion de las caracteristicas del tejido. La punta de la sonda esta pulida y alisada y tiene bordes perfilados. Una resina de epoxi aisla electricamente y cierra hermeticamente la seccion de la punta.

La patente de Estados Unidos N° 6.813.515 de propiedad comun de Hashimshony ensena una sonda, metodo y sistema para examinar tejidos, para diferenciarlos de otros tejidos, de acuerdo con sus propiedades dielectricas. El metodo consiste en generar un campo marginal electrico en el tejido examinado para producir un pulso reflejado a partir del mismo con radiacion insignificante que penetra en el propio tejido; detectar el pulso electrico reflejado; y comparar las caracteristicas electricas del pulso electrico reflejado con respecto al pulso electrico aplicado para proporcionar una indicacion de las propiedades dielectricas del tejido examinado. El dispositivo de medida esta construido como una sonda coaxial con una cavidad en su punta distal con respecto al operario en la que se localiza una muestra del tejido a examinar. La sonda en si misma tiene conductor interno aislado de, y encerrado por, un conductor externo abierto en un extremo y que se extiende mas alla del conductor interno en la direccion axial, definiendo una cavidad abierta en el extremo distal de la sonda con respecto al operario. El conductor interno incluye una punta dentro de la cavidad abierta, punta que esta formada con al menos dos diametros diferentes para mejorar el campo electrico marginal.

La patente de Estados Unidos N° 6.370.426, de Campbel y col., describe un metodo y un aparato para medir la hidratacion relativa de un sustrato. Las medidas de las caracteristicas electricas del sustrato, la fuerza aplicada a este y la temperatura del sustrato durante la medida proporcionan datos para determinar dicha hidratacion relativa del sustrato. La estructura del sensor usado en este caso es de dos conductores coaxiales, uno de los cuales pasa a lo largo del eje de simetria, separado por un aislante coaxial y que tiene un aislante coaxial fuera del conductor externo. Ambos conductores y el aislante de separacion acaban en un plano perpendicular al eje de simetria en la punta distal con respecto al operario, de modo que la estructura coaxial se pone en contacto con el tejido examinado pero no lo penetra.

La patente britanica N° GB01153980, de Einat y col., describe una antena de RF, que funciona como una sonda para la identificacion y la caracterizacion en campo cercano. Esta tiene una primera y una segunda porciones radiativas, que generan campos electromagneticos, que basicamente estan en oposicion, con el fin de suprimir la radiacion en campo lejano. La supresion del campo lejano minimiza la contribucion desde el campo lejano, cuando se busca la caracterizacion en el campo cercano.

La patente de Estados Unidos N° 6.380.747, de Goldfine y col., describe un metodo para procesar, optimizar, calibrar y visualizar senales medidas de dielectrometria. Un estimador de propiedad esta acoplado por medio de instrumentacion a una estructura de electrodo y traduce respuestas electromagneticas detectadas en estimaciones de una o mas propiedades o dimensiones del material seleccionados previamente, tales como permitividad dielectrica y conductividad ohmica, espesor de la capa, u otras propiedades fisicas que afectan a las propiedades dielectricas, o la presencia de otros objetos con perdidas o metalicos. Se desvela un sensor de dielectrometria, el cual puede estar conectado de diversas maneras para tener diferentes profundidades de penetracion eficaces de campos electricos pero con todas las configuraciones con el mismo hueco de aire, hueco... [Seguir leyendo]

1. Un sensor (20) para caracterizacion de tejido en la zona cercana, que comprende:

un resonador (40) , configurado para su colocacion proximalmente a un borde de un tejido para su caracterizacion, sin penetrar en el tejido, resonador que comprende una estructura conductora (42) asociada a una dimension de diametro equivalente D, en un plano basicamente en paralelo con el borde (13) , y al menos un cable conductor (43) , para proporcionar comunicacion con un sistema externo, estando el resonador configurando para resonar a una frecuencia que corresponde a un intervalo de longitudes de onda al aire libre de entre aproximadamente I y aproximadamente 40 I, en el que I es al menos aproximadamente diez veces el diametro equivalente D, y en el que despues de recibir una senal en el intervalo de entre aproximadamente I y aproximadamente 40 I, el sensor esta configurado para inducir campos electricos y magneticos en la zona cercana en el tejido en el que en una zona lejana, el sensor tiene una eficacia de radiacion inferior a un 0, 1 %, para el intervalo de longitudes de onda al aire libre de entre aproximadamente I y aproximadamente 40 I, minimizando las contribuciones de la zona lejana, siendo la zona cercana una region generalmente con forma de disco, delimitada por un diametro de aproximadamente D y una profundidad de penetracion, y siendo el sensor para conexion con un sistema externo de control y analisis de generacion de senales (30) , en comunicacion con el sensor, a traves de al menos un cable conductor para proporcionar la senal y caracterizar dicho tejido usando una respuesta de resonancia del resonador; en el que la estructura conductora (42) es una de espiral plana; espiral doble; helice conica o dos peines insertados entre si que tiene una anchura del conductor (d1) y una separacion (d2) generalmente del mismo orden de magnitud que un tamano del elemento (d) ; siendo el resonador un resonador de banda ancha, resonador de banda ancha que esta disenado con un intervalo de respuesta en banda ancha ºf/f de al menos º 15 %, siendo ºf un intervalo de frecuencias para las que hay un cambio de al menos un 10 % en la amplitud del coeficiente de reflexion de una senal de reflexion del resonador, y f una frecuencia de resonancia correspondiente, y siendo la profundidad de la zona cercana de penetracion dicho tamano del elemento (d) , la profundidad de penetracion, con dicha minimizacion de la zona lejana, asegurando que el tejido que esta localizado en la zona cercana varia las respuestas de resonancia del resonador, y permitiendo que el tejido en la zona cercana se caracterice por sus propiedades electromagneticas, por la respuesta de resonancia del resonador de banda ancha.

2. Un sistema para caracterizacion de tejidos que comprende:

el sensor de la reivindicacion 1, y un sistema externo de control y analisis de generacion de senales (30) , en comunicacion con el sensor, a traves de al menos un cable conductor.

3. Uso de un sensor de acuerdo con la reivindicacion 1 o de un sistema de acuerdo con la reivindicacion 2 o caracterizacion de tejidos.

4. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el tamano del elemento d es entre aproximadamente 1/10 y 1/20 del diametro equivalente D.

5. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el resonador comprende adicionalmente una estructura de soporte electronico.

6. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que la respuesta de resonancia esta seleccionada entre grupo que consiste en una amplitud del coeficiente de reflexion de una senal de reflexion y una fase del coeficiente de reflexion de una senal de reflexion.

7. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el resonador esta configurado para reaccionar en un intervalo seleccionado entre el grupo que consiste en al menos aproximadamente º 50 % alrededor de un valor de resonancia, al menos aproximadamente º 25 % alrededor de un valor de resonancia.

8. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el sensor incluye adicionalmente un conector a una linea de transmision, conector que proporciona un emparejamiento de impedancia basica entre el sensor y la linea de transmision.

9. El sensor de la reivindicacion 8 o el sistema de la reivindicacion 8 o el uso de la reivindicacion 8, en los que el sensor incluye adicionalmente una estructura de conexion, asociada con el conector, para proporcionar una capacidad seleccionada entre el grupo que consiste en una capacidad de sintonizacion, una capacidad de conmutacion y una capacidad de sustitucion, a componentes del conector, para optimizar el sensor de forma intercambiable a diferentes aplicaciones.

10. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el sensor esta formado como una estructura, seleccionada entre el grupo que consiste en:

una estructura flexible fina, una estructura flexible fina, adaptada para funcionar cuando esta unida a una cubierta hueca, una estructura flexible fina, adaptada para funcionar cuando esta unida a una cubierta, rellena con un material electricamente aislante, una estructura flexible fina, adaptada para funcionar cuando se inserta en una cubierta hueca, una estructura flexible fina, adaptada para funcionar cuando se inserta en una cubierta, rellena con un material electricamente aislante.

11. El sensor de la reivindicacion 1 o sistema de la reivindicacion 2 o uso de la reivindicacion 3, en los que la estructura conductora es la espiral plana o la espiral doble, el sensor esta formado como una estructura flexible fina, adaptada para funcionar de una forma seleccionada entre el grupo:

cuando esta unida a una cubierta, y cuando esta insertada en una cubierta, en los que la estructura conductora se dobla para formar una parte superior proximal a la cubierta.

12. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que la estructura conductora esta formada como una helice conica y uso en el que el sensor esta depositado en un sustrato con forma de embudo.

13. El sensor o sistema o uso de la reivindicacion 12, en los que el sensor incluye adicionalmente una pared tubular de un material conductor, que se extiende de forma proximal hacia el tejido, para formar una cavidad abierta, seleccionada entre el grupo que consiste en:

una cavidad abierta conica, y una cavidad abierta cilindrica.

14. El sensor o sistema o uso de la reivindicacion 15, en los que la zona cercana esta contenida dentro de la cavidad abierta.

15. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que la estructura conductora esta seleccionada entre el grupo que consiste en:

una estructura conductora depositada sobre un sustrato de autosoporte, una estructura conductora, depositada sobre un sustrato fino y colocada sobre una cubierta que forma una region hueca, y una estructura conductora, depositada sobre un sustrato fino y colocada sobre una cubierta, que esta formada por un aislante electrico.

16. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que la estructura conductora esta formada por dos partes, una espiral basicamente plana y una helice, y adicionalmente en los que las dos partes estan conectadas de una manera seleccionada entre el grupo que consiste en, en paralelo y en serie.

17. El sensor de la reivindicacion 1 o el sistema de la reivindicacion 2 o el uso de la reivindicacion 3, en los que el D esta entre aproximadamente 3 y aproximadamente 25 mm.