(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造を含み、前記メタマテリアル構造によってそれぞれ生成されるコンポーネント出力電磁信号の和であり且つ患者身体の少なくとも一部分の中を無線で伝播するよう構成された出力ＥＭ信号を生成する、移相素子アレイと、
前記コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、前記出力ＥＭ信号が前記身体内の標的領域にて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ前記身体内の非標的領域にてゼロまたは低強度の放射線を有するようにするため、前記コンポーネント出力電磁信号の位相および振幅のいずれか一方または両方を制御するよう構成された制御回路とを備え、
それぞれのメタマテリアル構造は、
第１の金属層構造と、
電気的に絶縁された第２の金属層構造と、
前記第１および第２の金属構造間に配置された誘電体層とを備え、前記第１および第２の金属層構造は、前記メタマテリアル構造が固定静電容量で前記入力ＥＭ信号の周波数で共振するよう協調的に構成され、
前記第１の金属層構造は前記誘電体層の誘電体上面に配置され、
前記メタマテリアル構造は前記誘電体上面に配置され前記第１の金属層構造から離隔された第３の金属層構造をさらに備え、
第２のメタマテリアル構造は、誘電体下面に配置され前記第２の金属層構造から離隔された第４の金属層構造をさらに備え、
可変コンデンサは前記第２の金属層構造に電気的に結合された第１の端子と前記第４の金属層構造に電気的に結合された第２の端子とを有する、
装置。
【請求項２】
前記高強度のＥＭ放射線は前記標的領域にて温熱治療に適した組織温度を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記標的領域における前記組織温度は約４０℃〜５０℃の範囲内である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御回路は前記標的領域における前記高強度のＥＭ放射線の位置、焦点、および強度の少なくともいずれか１つを制御するよう構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記制御回路は、
前記メタマテリアル構造にそれぞれ電気的に結合された可変コンデンサであって、前記可変コンデンサのいずれか１つの静電容量の変化によって対応するメタマテリアル構造のコンポーネント出力電磁信号の位相は変化する、前記可変コンデンサと、
前記可変コンデンサの静電容量を制御する制御信号を生成するよう構成された制御信号生成器とを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記入力ＥＭ信号はワイヤープローブアンテナを通って前記移相素子アレイまで無線で伝播される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の金属層構造は前記誘電体層の誘電体上面に配置され、
前記メタマテリアル構造は前記誘電体上面に配置され前記第１の金属層構造から離隔された第３の金属層構造をさらに備え、
可変コンデンサは前記第１の金属層構造に電気的に結合された第１の端子と前記第３の金属層構造に電気的に結合された第２の端子とを有する、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般的に温熱治療システムとかかるシステムに関係する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
温熱治療は、身体組織を若干高い温度（例えば約１００Ｆを上回る温度）に晒して癌細胞にダメージを与えたり癌細胞を死滅させたりする治療法の一種である。温熱治療は、癌細胞を放射線治療やある種の化学療法薬といった別の治療の効果を受けやすい状態にするのに役立つ。温熱治療は進行癌や再発癌を患う患者にとって有望な治療選択肢である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
いくつかの実施形態は、入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造を含む移相素子アレイを有する装置を対象とする。移相素子アレイは出力ＥＭ信号を生成し、出力ＥＭ信号はメタマテリアル構造によってそれぞれ生成されるコンポーネント出力電磁信号の和であり、患者身体の少なくとも一部分の中を無線で伝播するよう構成される。装置はコンポーネント電磁出力信号の位相および振幅のいずれか一方または両方を制御するよう構成された制御回路を含み、コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、出力信号は身体内の標的領域にて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ身体内の非標的領域にてゼロまたは低強度の放射線を有する。高強度ＥＭ放射線は標的領域での温熱治療に適した組織温度を生成する。例えば標的領域における組織温度は約４０℃〜５０℃の範囲内となり得る。制御回路は標的領域における高強度ＥＭ放射線の位置、焦点、および強度の少なくともいずれか１つを制御するよう構成され得る。
【０００４】
いくつかの態様によると、制御回路はメタマテリアル構造にそれぞれ電気的に結合された可変コンデンサを含み、可変コンデンサのいずれか１つの静電容量の変化は対応するメタマテリアル構造のコンポーネント出力信号の位相を変化させる。制御回路は可変コンデンサの静電容量を制御する制御信号を生成するよう構成された信号生成器を含む。入力ＥＭ信号はワイヤープローブアンテナおよび／または導波管を通ってメタマテリアル構造アレイまで伝播し得る。
【０００５】
いくつかの態様によると、それぞれのメタマテリアル構造は、第１の金属層構造と、電気的に絶縁された第２の金属層構造と、第１および第２の金属構造間に配置された誘電体層とを含む。第１および第２の金属層構造は、メタマテリアル構造が固定静電容量で入力ＥＭ信号の周波数で共振するよう協調的に構成される。第１の金属層構造は誘電体層の誘電体上面に配置され得る。メタマテリアル構造は、誘電体上面に配置され第１の金属層構造から離隔された第３の金属層構造をさらに含み得る。可変コンデンサは、第１の金属層構造に電気的に結合された第１の端子と、第３の金属層構造に電気的に結合された第２の端子とを有する。
【０００６】
いくつかの実施形態において、第１の金属層構造は誘電体層の誘電体上面に配置される。メタマテリアル構造は、誘電体上面に配置され第１の金属層構造から離隔された第３の金属層構造をさらに備える。第２のメタマテリアル構造は、誘電体下面に配置され第２の金属層構造から離隔された第４の金属層構造を備える。第２の可変コンデンサは第２の金属層構造に電気的に結合された第１の端子と第４の金属層構造に電気的に結合された第２の端子とを有する。例えば、誘電体上面のメタマテリアル構造は誘電体下面のメタマテリアル構造の鏡像であり得る。
【０００７】
いくつかの実施形態によると、第１の金属層構造は１つ以上の開放領域を画定するパターン加工平面構造を備える。例えば第１の金属層構造は、外周辺を含む周辺枠部と、周辺枠部へ一体的に接続された第１の端を各々有し周辺枠部からメタマテリアル構造の中央領域にかけて内側に延びる１つ以上の放射状腕と、１つ以上の放射状腕の第２の端へ一体的に接続され周辺枠部から隔てられた内側構造とを含み得る。
【０００８】
いくつかの構成において、検出区域にわたって出力信号を走査するため、制御信号はコンポーネントＥＭ出力信号を制御するよう構成される。制御回路は出力信号の瞬時走査方向を示すビーム方向データを生成するよう構成され得る。装置は、身体内の構造物から反射される出力信号部分を検出するよう構成された検出回路と、走査方向と出力信号の反射部分を総合して構造物に関する情報を提供するよう構成された信号処理回路とを含み得る。例えば情報は、存在、サイズ、位置、および像情報のいずれか１つ以上を含み得る。
【０００９】
いくつかの実施形態は治療を提供する方法を対象とする。入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造によってそれぞれ生成されるコンポーネント出力電磁信号の和である出力ＥＭ信号が生成される。出力ＥＭは患者身体の少なくとも一部分の中で無線で伝播される。コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、出力信号が身体内の標的領域にて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ身体内の非標的領域にてゼロまたは低強度の放射線を有するようにするため、コンポーネント電磁出力信号の位相および振幅のいずれか一方または両方が制御される。高強度電磁放射線は標的領域での温熱治療に適した組織温度を生成する。
【００１０】
いくつかの実施形態において、方法はさらに、検出区域にわたって出力信号を走査するため、コンポーネント電磁出力信号を制御することを含む。出力信号の瞬時走査方向を示すビーム方向データが生成される。身体内の構造物から反射される出力信号部分が検出される。走査方向と出力信号の反射部分が総合されて構造物に関する情報が提供される。
【００１１】
いくつかの実施形態によると、装置は、入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造を備える移相素子アレイを含む。移相素子アレイは出力ＥＭ信号を生成し、出力ＥＭ信号はメタマテリアル構造によってそれぞれ生成されるコンポーネント出力電磁信号の和である。出力ＥＭ信号は患者身体の少なくとも一部分の中を無線で伝播するよう構成される。制御回路はコンポーネント電磁出力信号の位相および振幅のいずれか一方または両方を制御するよう構成され、コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、出力信号は検出区域にわたって走査する。制御回路は出力信号の瞬時走査方向を示すビーム方向データを生成する。検出回路は身体内の構造物から反射される出力信号部分を検出する。信号処理回路は走査方向と出力信号の反射部分を総合して構造物に関する情報を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａはいくつかの実施形態によるシステムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂはいくつかの種々実施形態による使用中の治療システムを示すものである。
【図１Ｃ】図１Ｃは本発明の一般的実施形態による移相装置を示す簡略側面図である。
【図２】図２は図１の移相装置の作動に関わる例示的移相特性を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは一例示的実施形態による移相素子を示す分解斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは一例示的実施形態による移相素子を示す組立斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは一例示的実施形態による第１および第２のメタマテリアル構造を含む移相素子を示す分解および組立斜視図である。
【図４】図４は別の一例示的実施形態による図３Ｂの移相素子を含む移相装置を示す側断面図である。
【図５】図５は別の一実施形態による例示的パターン加工メタマテリアル構造を含む移相素子を示す上面図である。
【図６】図６は別の一例示的実施形態による４つの移相素子を含む簡略化されたフェイズドアレイシステムを示す側断面図である。
【図７】図７は別の一例示的実施形態による移相素子アレイを示す簡略斜視図である。
【図８】図８は別の一実施形態による図７の移相素子アレイを含むフェイズドアレイシステムを示す簡略図である。
【図９】図９は別の一例示的実施形態による二次元パターンに配置されたメタマテリアル構造を含むフェイズドアレイシステムを示す簡略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは図９のフェイズドアレイシステムによって様々な例示的方向に生成された放射ビームを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは図９のフェイズドアレイシステムによって様々な例示的方向に生成された放射ビームを示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは図９のフェイズドアレイシステムによって様々な例示的方向に生成された放射ビームを示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄはｘ、ｙ、および（身体内）深さ次元に局所高熱ビームを集束する様子を示すモデリングデータを提供するものである。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、ｘ、ｙおよび（身体内）深さ次元に局所高熱ビームを集束する様子を示すモデリングデータを提供するものである。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、ｘ、ｙおよび（身体内）深さ次元に局所高熱ビームを集束する様子を示すモデリングデータを提供するものである。
【図１０Ｇ】図１０Ｇは、ｘ、ｙおよび（身体内）深さ次元に局所高熱ビームを集束する様子を示すモデリングデータを提供するものである。
【図１１】図１１はいくつかの実施形態による撮像システムのブロック図である。
【図１２】図１２はいくつかの実施形態による撮像システムを示す簡略側面図である。
【００１３】
これらの図は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。これらの図で使われている類似する番号は類似する構成要素を指している。ただし或る図の中で或る構成要素を指す或る番号の使用が、別の図で同じ番号が付された当該構成要素を限定するものではないことは理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本書で説明する実施形態は腫瘍の治療および／または検出に役立つ治療および／または撮像システムに関係する。システムは、患者身体内の標的領域へ電磁放射線を選択的に提供する移相アレイを基礎とする。移相アレイは入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造を含む。移相素子アレイは出力ＥＭ信号を生成し、出力ＥＭ信号はそれぞれのメタマテリアル構造によって生成されるコンポーネント出力電磁信号を合わせたものである。出力信号は患者身体の少なくとも一部分の中を無線で伝播するよう構成される。制御回路はコンポーネント電磁出力信号の位相および振幅のいずれか一方または両方を制御し、コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、出力信号は身体内の標的領域にて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ身体内の非標的領域にてゼロまたは低強度の放射線を有する。高強度ＥＭ放射線は標的領域で所定量の熱流束を生成し、患者身体内で非侵襲性温熱治療を提供する。
【００１５】
いくつかの態様によると、システムはそれぞれのコンポーネント出力信号の位相を制御するよう構成され得、これにより、出力信号は対象となる区域または領域を走査すなわち「スイープ」し得る。制御回路は出力信号の瞬時走査方向を含む走査方向データを生成する。システムは身体内の１つ以上の構造物から反射される出力信号部分を検出するよう構成された受信回路を含む。信号処理回路は走査方向と出力信号の検出部分を総合して構造物の存在と位置に関する情報を提供する。
【００１６】
図１Ａは、いくつかの実施形態によるシステム１６０の概略図である。図１Ａは、移相アレイ１６２へ入力電磁（ＥＭ）放射信号を提供する入力源１６１を示している。制御回路１６３は移相アレイ１６２を制御するため結合され、入力源を制御するため任意に結合される。いくつかの種々実装によると、制御回路１６３は、各コンポーネント出力信号の位相、各コンポーネント出力信号の振幅、入力信号の周波数、および入力信号の振幅のいずれか１つ以上を制御できてもよい。入力源１６１は発振器等の信号生成器１６１ａを含んでおり、信号生成器１６１ａは入力信号を増大させる電力増幅器１６１ｂに結合されている。いくつかの実装によると、入力源１６１は、所定のマイクロ波周波数で、例えば３ｋＨｚ〜３００ＧＨｚで、あるいはいくつかの実装においては約９１５ＭＨｚで、正弦波状に振動する連続波（ＣＷ）電圧を生成し得る。入力信号は、アンテナおよび／または導波管１６１ｃを通じて移相アレイへ伝送でき、例えば金属導波管構造内に配置され、後ほど詳述するようにフェイズドアレイに入力信号を入射させるワイヤープローブアンテナを通じて移相アレイへ伝送できる。フェイズドアレイ１６２は、コンポーネント出力電磁信号間の建設的および／または相殺的干渉によって出力信号ビームのビーム形成とビーム整形を提供するよう構成される。このビーム形成／ビーム整形により、出力ビーム１６６ａは患者身体１６４内の標的領域１６４ａにて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ患者身体１６４内の非標的領域１６４ｂにてゼロまたは低強度の放射線を有する。患者の身体内で非侵襲性温熱治療を施すため、高強度ＥＭ放射線は標的領域１６４ａにて所定量の熱流束まで制御できる。
【００１７】
いくつかのシナリオでは、複数の出力ビーム１６６ａ、１６６ｂを生成するため複数のフェイズドアレイ１６２ａ、１６２ｂが使用され得る。オプションとして、いくつかの実施形態では、第１の出力信号ビーム１６６ａが第２の出力信号ビーム１６６ｂに対し概ね直角となり得る。図１Ｂは患者に対して配置されたフェイズドアレイ１６２を示すものであり、制御線１６３ａと導波管１６１ｃを見ることができる。
【００１８】
図１Ｃは、一般的な例示的実施形態による少なくとも１つのメタマテリアル移相素子１００を含むシステム２００を示す簡略側面図である。移相素子１００はメタマテリアル構造１４０を利用して印加／受信入力信号ＳＩＮと同じ電波周波数を有する出力信号ＳＯＵＴを生成し、可変コンデンサ１５０を利用し印加位相制御信号（例えば外部から供給されるデジタル信号Ｃまたは直流制御電圧Ｖｃ）により出力信号ＳＯＵＴの位相ｐＯＵＴを制御する。システム２００はまた、移相素子１００に近接して配置され、移相素子１００の共振特性に整合する特定の電波周波数（例えば３ｋＨｚ〜３００ＧＨｚ範囲内）と入力位相ｐＩＮで入力信号ＳＩＮを生成するよう構成された信号源２０５部分（例えばフィードホーンまたは漏洩波フィード）と、予めプログラムされた信号生成方式か外部から供給される位相制御信号Ｃによって決まる（例えば直接的にか間接的に比例する）電圧レベルで可変コンデンサ１５０に印加される位相制御電圧Ｖｃを生成するよう構成された制御回路２１０（例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはマイクロプロセッサのいずれかによって制御されるデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ））とを含んでいる。
【００１９】
メタマテリアル構造１４０は望ましくは層状金属・誘電体複合アーキテクチャであるが、異なる形態に作ることもでき、その場合は、印加される入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振するよう構成され、且つ共振付近で大きい位相変動を有する構造とし、メタマテリアル構造１４０が入力信号ＳＩＮを再伝送（例えば反射／散乱）することによって入力信号周波数の出力信号ＳＯＵＴを生成するようにする。この共振を提供するため、所望の共振特性を集合的に提供する固有「固定」静電容量ＣＭと対応するインダクタンスを有するメタマテリアル構造１４０が製造される。当技術で周知のように、用語「メタマテリアル」とは所望の電磁特性を集合的にもたらす２つ以上の材料と複数の素子で形成された人工構造を指す。メタマテリアルはその組成から所望の特性を達成するのではなく、材料によって形成される構造素子の厳密設計構成（例えば精密な形、幾何学的構造、サイズ、向き、および配置）から所望の特性を達成する。本書で用いる句「メタマテリアル構造」は、本書に記載された目的に適した大きい位相変動特性と電波周波数共振特性とを有する動的に再構成／調整可能なメタマテリアルを意味することを意図する。出来上がった構造は従来にはない形で電波周波（電磁放射波）に作用し、従来の材料では達成できない材料特性を呈する。メタマテリアル構造は、サブ波長サイズの（λ／２以下の周期を有する）構造素子を採用することによって、例えばメタマテリアル構造が作用する波の電波周波長より実際に小さい要素を採用することによって、所望の効果を達成する。後述する実用的実施形態において、メタマテリアル構造１４０は廉価な金属膜やＰＣＢ製造技術を用いて製造され、マクスウェル方程式を解くことにより、印加入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振し、入力信号ＳＩＮを再伝送（例えば反射／散乱）することによって入力信号周波数の出力信号ＳＯＵＴを生成するようにする。
【００２０】
可変コンデンサ１５０はメタマテリアル構造１４０とグラウンド（または他の固定直流（ＤＣ）電圧源）の間に接続される。当技術で周知のように、可変コンデンサは、印加電子制御信号により意図的に繰り返し充電できる静電容量を生成するよう構成された通常は２端子の電子装置である。この場合、可変コンデンサ１５０はメタマテリアル構造１４０へ結合されているため、メタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆは固有静電容量ＣＭと可変コンデンサ１５０から供給される可変静電容量ＣＶの積で決まる。メタマテリアル構造１４０の出力位相は実効静電容量Ｃｅｆｆによって部分的に決まるため、出力信号ＳＯＵＴの出力位相ｐＯＵＴは可変静電容量ＣＶを変えることによって所望の位相値まで「調整可能」（調節可能に制御可能）であり、これは可変コンデンサ１５０に印加される位相制御信号（例えばデジタル制御信号Ｃおよび／またはＤＣバイアス電圧Ｖｃ）を変えることによって達成される。
【００２１】
図２は移相装置２００の作動に関わる例示的移相特性を示す図である。具体的に述べると、図２は出力信号ＳＯＵＴの出力位相ｐＯＵＴが位相制御電圧Ｖｃとの関係でどのように変化するかを示している。出力位相ｐＯＵＴはメタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆによって変化し、順に実効静電容量Ｃｅｆｆは可変コンデンサ１５０によってメタマテリアル構造１４０上に生成される可変静電容量ＣＶによって変化するため（図１Ｃに図示）、図２は可変コンデンサ１５０の作動特性をも実質的に示している（例えば、出力位相ｐＯＵＴが位相制御電圧Ｖｃによって変化する様子を示す図２は、可変静電容量ＣＶが位相制御電圧Ｖｃによって変化することも実質的に例証している）。例えば位相制御電圧Ｖｃが６Ｖの電圧レベルを有する場合、可変コンデンサ１５０は対応する静電容量レベルの可変静電容量ＣＶ（「ＣＶ＝Ｃ１」と表示）を生成し、メタマテリアル構造１４０は対応する約１８５°の出力位相ｐＯＵＴで出力信号ＳＯＵＴを生成する。位相制御電圧Ｖｃがその後６Ｖから第２の電圧レベル（例えば８Ｖ）まで上げられると、可変コンデンサ１５０は第２の静電容量レベルの可変静電容量（「ＣＶ＝Ｃ２」と表示）を生成し、メタマテリアル構造１４０は対応する約２９０°の第２の出力位相ｐＯＵＴで出力信号ＳＯＵＴを生成する。
【００２２】
図１Ｃを再び参照する。位相制御電圧Ｖｃは、メタマテリアル構造１４０へ接続された、または可変コンデンサ１５０の端子へ直結された、導電構造１４５によって可変コンデンサ１５０に印加される。具体的に述べると、可変コンデンサ１５０はメタマテリアル構造１４０へ接続された第１の端子１５１とグラウンドへ接続された第２の端子１５２とを含んでいる。図１Ｃに図示されているように、導電構造１４５はメタマテリアル構造１４０へ、または可変コンデンサ１５０の第１の端子１５１へ、接続されるため、導電構造１４５に位相制御電圧Ｖｃが印加されると、可変コンデンサ１５０は図２に図示のように位相制御電圧Ｖｃの電圧レベルによって変化する静電容量レベルを有する対応する可変静電容量ＣＶを生成する（例えば可変静電容量ＣＶの静電容量レベルは位相制御電圧Ｖｃに正比例して変化する）。
【００２３】
前の例示的実施形態に記載されているように、いくつかのシナリオにはメタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆを選択的に調整することによって電波出力信号位相ｐＯＵＴを制御する移相法が関係する。この例示的実施形態において、これは、位相制御電圧Ｖｃを用いて可変コンデンサ１５０を制御して可変静電容量ＣＶを生成し、可変静電容量ＣＶをメタマテリアル構造１４０に適用することによって実施される。可変コンデンサ１５０の使用は可変静電容量ＣＶを生成する現時点で好適な実施形態であるが、当業者なら別の回路を用いて本書で説明するようにメタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆを制御する可変静電容量を生成できることに気づくであろう。新しい方法はまた、メタマテリアル構造１４０を入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振させることと、可変静電容量ＣＶによってメタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆを変えるため、（例えば何らかの適当な可変静電容量供給回路から）メタマテリアル構造１４０に可変静電容量ＣＶを適用することと、メタマテリアル構造１４０の実効静電容量Ｃｅｆｆをメタマテリアル構造１４０が所望の位相値（例えば２９０°）に設定された出力位相ｐＯＵＴで電波周波数出力信号ＳＯＵＴを生成する静電容量値にするまで、（例えば適当な可変静電容量供給回路を制御することにより）可変静電容量ＣＶを調整することとを、含むものとして説明される。
【００２４】
上述したように、いくつかの実装では層状メタマテリアル構造を使用する。図３Ａおよび３Ｂは、２端子可変コンデンサ１５０Ａと例示的３階層実施形態を有するメタマテリアル構造１４０Ａとを含む移相素子１００Ａを示す、分解斜視図と組立斜視図である。図４は移相素子１００Ａを含む移相装置２００Ａの側断面図を示すものである。これより、メタマテリアル構造１４０Ａを形成するのに使用される３層構造の有利な特徴および態様と、メタマテリアルに基づく移相素子１００Ａおよび装置２００Ａを形成するにあたっての３層構造の有用性を、図３Ａ、３Ｂ、および４を参照しながら説明する。
【００２５】
図３Ａおよび３Ｂを参照する。３層メタマテリアル構造１４０Ａは、上位／第１の金属層（島）構造１４１Ａと、電気的に絶縁された（例えば浮遊）背面（下位／第２の金属）層構造１４２Ａと、上位島構造１４１Ａと背面層１４２Ａとの間に挟まれた誘電体層１４４Ａ−１とから成り、島構造１４１Ａと背面層１４２Ａは、メタマテリアル構造１４０Ａの複合３層構造が静電容量Ｃ１４１−１４２（例えば島構造１４１Ａと背面層１４２Ａ間の静電容量）によって少なくとも部分的には形成される固有（固定）静電容量ＣＭを有し、且つメタマテリアル構造１４０Ａが所定の電波周波数（例えば２．４ＧＨｚ）で共振するように、協調的に調整される（例えばサイズ、形、および誘電体層１４４Ａ−１による間隔が設定される）。上述したように、メタマテリアル構造１４０Ａの実効静電容量は固定静電容量ＣＭと適用可変静電容量の組み合わせとして生成され、適用可変静電容量はこの場合、可変コンデンサ１５０Ａによって島構造１４１Ａに適用される。この構成で島構造１４１Ａは波面整形器として機能し、出力信号ＳＯＵＴが上方向のみに誘導されるようにし（例えば電波周波数出力信号が背面層１４２Ａから遠のく方向に島構造１４１Ａから放出されるようにし）、且つ移相による効率的散乱で消費電力を最小限に抑える。
【００２６】
現時点で好適な実施形態によると、誘電体層１４４Ａ−１は無損失誘電材料から成る。例えばいくつかの実装において、誘電材料は、いずれもコネティカット州ロジャースのＲｏｇｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されているＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）６２０２  Ｌａｍｉｎａｔｅｓ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびＴＭＭ４（登録商標）誘電体から成り得る。このような無損失誘電材料の使用により入射放射線（例えば入力信号ＳＩＮ）の吸収は軽減され、入射放射線エネルギーの殆どが出力信号ＳＯＵＴで再放出される。背面層１４２Ａをさらに絶縁し、且つ後述するように制御回路の背面装着を容易にするため、オプションの下位誘電体層１４４Ａ−２が設けられる。
【００２７】
別の特徴によると、島（第１の金属層）構造１４１Ａと基礎（第３の）金属層構造１２０Ａはいずれも誘電体層１４４Ａ−１の上面１４４Ａ−１Ａに配置され、基礎金属構造１２０Ａは島構造１４１Ａから離隔されている（例えば間隙Ｇによって電気的に分離されている）。金属層構造１２０Ａは作動中に地電位へ接続され、基礎金属層構造１２０Ａは製造時に可変コンデンサ１５０Ａの低コスト装着を助長する。例えば可変コンデンサ１５０Ａはピックアンドプレース方式で装着され、第１の端子１５１Ａは（例えば半田または無半田接続方式により）島構造１４１Ａへ接続され、第２の端子１５２Ａも同様に基礎金属構造１２０Ａへ接続される。
【００２８】
いくつかの実装によると、基礎金属構造１２０Ａは、内周辺１２４Ａの内側に配置された開口部１２３Ａによって画定される領域を除いて誘電体上面１４４Ａ−１Ａを全面的に覆う金属膜またはＰＣＢファブリケーション層を備え、島構造１４１Ａは開口部１２３Ａの内側に配置され、島構造１４１Ａの外周辺１４１Ａ−１は周辺全体にわたって固定間隙距離を有する周辺間隙Ｇによって内周辺１２４Ａから分離される。島構造１４１Ａによって占有されない誘電体上面１４４Ａ−１Ａの全部分を実質的に覆う形で基礎金属構造１２０Ａを設けることにより、基礎金属層１２０Ａは、集団モード振動を支援し、且つ前方向での波散乱を確かなものにする散乱面を形成する。加えて、島構造１４１Ａと背面層１４２Ａと基礎金属構造１２０Ａは、固有（固定）静電容量ＣＭが島−背面成分Ｃ１４１−１４２と島−基礎成分Ｃ１４１−１２０の両方を含むように、且つメタマテリアル構造１４０Ａが所望の電波周波数で共振するように、協調的に構成される（例えばサイズ、形、および間隔が設定される）。このように、基礎金属構造１２０Ａは、固定静電容量ＣＭを高めることによってメタマテリアル構造１４０Ａの一部を実質的に形成するというさらなる目的を提供する。
【００２９】
別の特徴によると、基礎（第３の）金属層構造１２０Ａと島（第１の金属層）構造１４１Ａはいずれも単一の金属から成る（例えば基礎金属構造１２０Ａと島構造１４１Ａはいずれも全く同一の金属成分から、例えば銅から、成る）。この単一金属の特徴は、単一金属膜またはＰＣＢファブリケーションを上位誘電体層１４４Ａ−１Ａ上に配置し、その後エッチングにより周辺間隙Ｇを画定する、低コスト製造法の運用を促進する。別の実施形態では、異なる金属のパターニングによって異なる構造が形成され得る。
【００３０】
図３Ａに図示された別の特徴によると、下位誘電体層１４４Ａ−２、背面層１４２Ａに画定された開口部１４３Ａ、上位誘電体層１４４Ａ−１、および島構造１４１Ａに形成されたオプションの穴Ｈを通って可変コンデンサ１５０Ａの第１の端子１５１Ａに接触する金属ビア構造１４５Ａが従来の手法で形成される。このビア構造アプローチは、メタマテリアル構造１４０Ａの電気的特性に大きく影響することなく可変コンデンサ１５０Ａに位相制御電圧を印加することを容易にする。後述するように、このアプローチはまた、フェイズドアレイを形成する複数のメタマテリアル構造へ複数の制御信号を分配する作業を簡素化する。
【００３１】
図４は、外部から供給される位相制御信号Ｃによって決定される出力位相ｐＯＵＴで出力信号ＳＯＵＴを生成する移相装置２００Ａを示す側断面図である。装置２００Ａは、信号源２０５Ａと、移相素子１００Ａと、制御回路２１０Ａとを含んでいる。信号源２０５Ａは適当な信号生成器（例えばフィードホーン）を含み、信号生成器は特定の電波周波数（例えば２．４ＧＨｚ）で入力信号ＳＩＮを生成し、入力信号ＳＩＮが移相素子１００Ａへ誘導されるよう配置され、移相素子１００Ａは上述したように特定の電波周波数（例えば２．４ＧＨｚ）で共振して出力信号ＳＯＵＴを生成するよう構成される。制御回路２１０Ａは位相制御信号Ｃに応じて位相制御電圧Ｖｃを生成するよう構成され、位相制御電圧Ｖｃは位相制御信号Ｃの変化に応じて変化する。位相制御電圧Ｖｃが可変コンデンサ１５０Ａへ伝送されると、可変コンデンサ１５０Ａは対応する可変静電容量を生成し、これを島構造１４１Ａに適用し、これによりメタマテリアル構造１４０Ａは位相制御信号Ｃによって決定する出力位相ｐＯＵＴで出力信号ＳＯＵＴを生成する。尚、制御回路２１０Ａは誘電体層１４４Ａ−２の下に（例えば背面層１４２Ａの下に）装着され、位相制御電圧Ｖｃは導電ビア構造１４５Ａを通って可変コンデンサ１５０Ａの端子１５１Ａへ伝送される。
【００３２】
当業者なら、本書で概説するメタマテリアル構造が、所定の電波周波数で共振し、且つ共振付近で大きい位相変動を有することを条件とし、数多くの形態および形状をとり得ることを理解するであろう。いくつかの実施形態による基本コンセプトを例証するため、図３Ａ、３Ｂ、および４に図示された実施形態では簡素化された正方形のメタマテリアル構造と立体の島構造１４１Ａが使われている。具体的に述べると、メタマテリアル構造１４０Ａは、基礎金属構造１２０Ａの開口部１２３Ａを取り巻く内周辺１２４Ａと島構造１４１Ａの外周辺１４１Ａ−１が同心となる正方形を成し、周辺間隙Ｇの幅が島構造１４１Ａの外周全体にわたって概ね一定となるよう形成される。正方形構造の使用は幾何学的構成を簡素化し、限られた自由度を提供するため、位相制御電圧Ｖｃを所望の静電容量変化と対応する移相とに相関させるために必要な数学的計算を簡素化し得る。いくつかの代替実施形態では、正方形以外の形（例えば円形、三角形、長方形／楕円形）を用いてメタマテリアル構造が形成される。
【００３３】
図３Ｃは、第１のメタマテリアル構造１４０Ｆと、第２のメタマテリアル構造１４０Ｆ’と、２端子可変コンデンサ１５０Ｆ’とを含む移相素子１００Ｆを示すものである。いくつかの実施形態において、第２のメタマテリアル構造１４０Ｆ’は第１のメタマテリアル構造１４０Ｆの鏡像である。図３Ｃ上部の金属構造（素子１２０Ｆおよび１４１Ｆ）は図３Ｃ下部の金属構造（素子１４２Ｆおよび１４１Ｆ’）と同じであり、または図３Ｃ下部の金属構造（素子１４２Ｆおよび１４１Ｆ’）に類似する。第１および第２のメタマテリアル構造は、例えば図５に示すようにパターニングされた層を成し得る。
【００３４】
第１のメタマテリアル構造１４０Ｆは、上位／第１の金属層（島）構造１４１Ｆと、第２の金属層構造１４２Ｆと、第１の金属層（島）構造１４１Ｆと第２の金属層１４２Ｆとの間に挟まれた誘電体層１４４Ｆとによって形成されている。
【００３５】
第２のメタマテリアル構造１４０Ｆ’は、下位／第４の金属層（島）構造１４１Ｆ’と、第３の金属層構造１２０Ｆと、第４の金属層（島）構造１４１Ｆ’と第３の金属層構造１２０Ｆとの間に挟まれた誘電体層１４４Ｆとによって形成されている。第１および第２のメタマテリアル構造は、第１および第２のメタマテリアル構造１４０Ｆ、１４０Ｆ’が所定の電波周波数で共振することを可能にする固有（固定）静電容量を有するように、協調的に調整される（例えばサイズ、形、および誘電体層１４４Ｆによる間隔が設定される）。メタマテリアル構造１４０Ｆ、１４０Ｆ’の実効静電容量は固定静電容量と適用可変静電容量の組み合わせとして生成され、適用可変静電容量はこの場合、可変コンデンサ１５０Ｆ’によって島構造１４１Ｆおよび／または１４１Ｆ’に適用される。
【００３６】
第１の金属層（島）構造１４１Ｆと第３の金属層構造１２０Ｆはいずれも誘電体層１４４Ｆの上面１４４Ｆ−１に配置されており、第３の金属層構造１２０Ｆは第１の金属層（島）構造１４１Ｆから離隔されている（例えば間隙によって電気的に分離されている）。第３の金属層構造１２０Ｆは作動中に地電位へ接続され得る。
【００３７】
第４の金属層（島）構造１４１Ｆ’と第２の金属層構造１４２Ｆはいずれも誘電体層１４４Ｆの下面１４４Ｆ−２に配置されており、第２の金属層構造１４２Ｆは第４の金属層（島）構造１４１Ｆ’から離隔されている（例えば間隙によって電気的に分離されている）。第２の金属層構造１４２Ｆは作動中に地電位へ接続され得る。可変コンデンサ１５０Ｆ’は、可変コンデンサ１５０Ｆ’の第１の端子が（例えば半田または無半田接続方式により）第４の金属層（島）構造１４１Ｆ’へ接続され、可変コンデンサ１５０Ｆ’の第２の端子も同様に第２の金属層構造１４２Ｆへ接続されるよう装着される。
【００３８】
図５は、一例示的実施形態による例示的パターン加工メタマテリアル構造１４０Ｂを含む移相素子１００Ｂを示す上面図である。この実施形態において、島構造１４１Ｂは開放領域１４９Ｂを画定するパターン加工平面構造として形成されている（例えば誘電体上面１４４Ｂ−１Ａの一部は開放領域にて露出される）。この例において、島構造１４１Ｂは、上述したように形成された基礎金属層部分１２０Ｂの内周辺１２４Ｂから周辺間隙Ｇにより分離された外周辺１４１Ｂ−１を含む正方形の周辺枠部１４６Ｂと、周辺枠部１４６Ｂへ一体的に接続された外端を有し枠部１４６Ｂから内側に延びる４本の放射状腕１４７Ｂと、放射状腕１４７Ｂの内端へ接続された内側（この場合は「Ｘ字形」）構造１４８Ｂと含んでいる。構造１４８Ｂは、放射状腕１４７Ｂと周辺枠１４６Ｂとの間に形成された開放領域１４９Ｂに延出している。メタマテリアル構造１４０Ｂが図３Ａ、３Ｂ、および４を参照して上述した３層アプローチを用いて構成される場合もあることは理解されよう。パターン加工メタマテリアル構造の使用は制御電圧と移相値との相関に関わる数学的計算を複雑化し得るが、メタマテリアル構造１４０Ｂに採用されたＸ字形パターンは立体島構造を採用する場合より自由度を高めると現在考えられている。これは３６０°に近い位相変動をもたらし、順に大角度（例えばプラスまたはマイナス６０°より大きい角度）でのビームステアリング等、上級機能を可能にする。加えて、正方形の外周辺を有するメタマテリアル構造１４０Ｂが図示されているが、別の周辺形状を有するパターン加工メタマテリアル構造を有利に利用することもできる。
【００３９】
図６は、別の一実施形態による放出電波周波エネルギービームＢを生成する簡略化されたメタマテリアルに基づくフェイズドアレイシステム３００Ｃを示す側断面図である。フェイズドアレイシステム３００Ｃは、信号源３０５Ｃと、移相素子アレイ１００Ｃと、制御回路３１０Ｃとを通常含む。信号源３０５Ｃは装置２００Ａを参照して上述したように構成され、且つ作動し、所定の電波周波数と対応する入力位相ｐＩＮとを有する入力信号ＳＩＮを生成する。
【００４０】
いくつかの態様によると、移相素子アレイ１００Ｃは所定の協調的パターンに配置された複数の（この場合は４つの）メタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４を含み、それぞれのメタマテリアル構造は上述したように構成され、入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振して出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４をそれぞれ生成する。例えばメタマテリアル構造１４０Ｃ−１は固定静電容量ＣＭ１を有し、別のやり方で入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振して出力信号ＳＯＵＴ１を生成するよう構成される。同様に、メタマテリアル構造１４０Ｃ−２は固定静電容量ＣＭ２を有し、メタマテリアル構造１４０Ｃ−３は固定静電容量ＣＭ３を有し、メタマテリアル構造１４０Ｃ−４は固定静電容量ＣＭ４を有し、メタマテリアル構造１４０Ｃ−２〜１４０Ｃ−４も別のやり方で入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振して出力信号ＳＯＵＴ２、ＳＯＵＴ３、およびＳＯＵＴ４をそれぞれ生成するよう構成される。メタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４によって形成される協調的パターンは、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４が合わさって電磁波を生成する形に選択される。この例示的実施形態では４つのメタマテリアル構造が使われているが、この数は簡潔さと例証の目的で恣意的に選ばれたものであり、アレイ１００Ｃを作るのに使うメタマテリアル構造の数はいくつであってもよい。
【００４１】
上述した単一素子実施形態と同様、移相素子アレイ１００Ｃはまた、メタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４へ結合された可変コンデンサ１５０Ｃ−１〜１５０Ｃ−４を含んでおり、メタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４の実効静電容量Ｃｅｆｆ１〜Ｃｅｆｆ４はそれぞれ、対応する印加される位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４に従って順に生成される可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４の変化に応じて変えられる。例えば可変コンデンサ１５０Ｃ−１はメタマテリアル構造１４０Ｃ−１へ結合されており、実効静電容量Ｃｅｆｆ１は印加される位相制御電圧Ｖｃ１に従って順に変化する可変静電容量ＣＶ１の変化に応じて変えられる。
【００４２】
この実施形態の別の一態様によると、制御回路３１０Ｃは、メタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４へそれぞれ適用される１組の所定の可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４を用いて出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４のそれぞれの出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４を個別に制御するよう構成され、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４は所望の方向に放射されるビームＢを累積的に生成する。つまり当業者によって理解されるように、１組の特定の協調的な出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４で出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４を生成することにより、移相素子アレイ１００Ｃによって生成される結果として生じる合同電磁波は望ましい方向で強化され、望ましくない方向で抑止され、その結果アレイ１００Ｃの前面から所望の方向に放射されるビームＢが生成される。特定の方向にビームＢを生成するのに必要な１組（セット）の出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４を予め決定することにより、且つこの１組の出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４を生成するのに必要な対応する１組の位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を予め決定することにより、且つ所望ビーム方向に等しい信号値を有するビーム制御信号ＣＢに応じて対応する１組の位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４が生成されるよう制御回路３１０Ｃを構成することにより、本書で説明する実施形態は、所望の方向に誘導される電波周波ビームの選択的生成を促進する。例えば図６に図示されているように、６０°の所望ビーム方向に等しい信号値を有するビーム制御信号ＣＢに応じて、制御回路３１０Ｃは対応する１組の位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を生成し、これによりメタマテリアル構造１４０Ｃ−１〜１４０Ｃ−４は４６８°、３１２°、１５６°、および０°の出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４でそれぞれ出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４を生成し、その結果、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４は所望の６０°角度で放射されるビームＢを累積的に生成する。
【００４３】
図７は移相素子アレイ１００Ｄを示す簡略斜視断面図であり、ここでメタマテリアル構造１４０Ｄ−１〜１４０Ｄ−４は図３Ａおよび３Ｂを参照して上述した３層構造を用いて形成されており、一次元アレイに配置されており、それぞれ可変コンデンサ１５０Ｄ−１〜１５０Ｄ−４に機能的に結合されている。上述した単一素子実施形態と同様、移相素子アレイ１００Ｄは電気的に絶縁された（浮遊）金属背面層１４２Ｄと、背面層１４２Ｄの上下に配置された（無損失）誘電体層１４４Ｄ−１および１４４Ｄ−２とを含んでいる。
【００４４】
図７に図示されているように、それぞれのメタマテリアル構造（例えば構造１４０Ｄ−１）は、上位誘電体層１４４Ｄ−１上に配置された金属島構造１４１Ｄ−１を含んでおり、且つ金属島構造１４１Ｄ−１の下に配置された対応する背面層１４２Ｄの背面層部分１４２Ｄ−１と、これらの間に挟まれた誘電体層部分１４４Ａ−１とを実質的に含んでいる。例えばメタマテリアル構造１４０Ｄ−１は、島構造１４１Ｄ−１と、背面層部分１４２Ｄ−１と、これらの間に挟まれた対応する上位誘電体層部分１４４Ａ−１とを含んでいる。同様に、メタマテリアル構造１４０Ｄ−２は島構造１４１Ｄ−２と背面層部分１４２Ｄ−２とを含んでおり、メタマテリアル構造１４０Ｄ−３は島構造１４１Ｄ−３と背面層部分１４２Ｄ−３とを含んでおり、メタマテリアル構造１４０Ｄ−４は島構造１４１Ｄ−４と背面層部分１４２Ｄ−４とを含んでいる。単一素子について述べたように、それぞれの対応する金属島構造と背面層部分は、それぞれのメタマテリアル構造が所定の無線周波数で共振するよう協調的に構成される（例えばサイズと間隔が設定される）。例えば金属島構造１４１Ｄ−１と背面層部分１４２Ｄ−１は、メタマテリアル構造１４０Ｄ−１を所定の無線周波数で共振させる固定静電容量を生成するよう協調的に構成される。
【００４５】
図７に図示されているように、移相素子アレイ１００Ｄは上位誘電体層１４１Ｄ−１上に配置された基礎金属構造１２０Ｄをさらに含んでおり、基礎金属構造１２０Ｄは上述した単一素子実施形態と同様に各金属島構造１４１Ｄ−１〜１４１Ｄ−４から離隔されている（例えば電気的に絶縁されている）。この場合、基礎金属構造１２０Ｄは対応する内周辺を各々有する４つの開口部１２３Ｄ−１〜１２３Ｄ−４を画定し、内周辺は周辺間隙Ｇ１〜Ｇ４によって対応する金属島構造１４１Ｄ−１〜１４１Ｄ−４の外周辺から分離されている（例えば島構造１４１Ｄ−１は開口部１２３Ｄ−１内に配置され、間隙Ｇ１によって基礎金属構造１２０Ｄから分離されている）。可変コンデンサ１５０Ｄ−１〜１５０Ｄ−４はそれぞれ間隙Ｇ１〜Ｇ４にまたがって延在し、対応する金属島構造１４１Ｄ−１〜１４１Ｄ−４へ接続された１つの端子と、基礎金属構造１２０Ｄへ接続された第２の端子とを有する（例えば可変コンデンサ１５０Ｄ−１は金属島構造１４１Ｄ−１と基礎金属構造１２０Ｄとの間の間隙Ｇ１にまたがって延在している）。基礎金属構造１２０Ｄと金属島構造１４１Ｄ−１〜１４１Ｄ−４は、望ましくは単一の金属層をエッチングすることによって形成される（例えばいずれも同じ金属成分から、例えば銅から、成る）。
【００４６】
図８もまた、信号源３０５Ｄと制御回路３１０Ｄとを含むフェイズドアレイシステム３００Ｄに組み込まれた移相素子アレイ１００Ｄを示すものである。信号源３０５Ｄは上述したように作動し、メタマテリアル構造１４０Ｄ−１〜１４０Ｄ−４の共振電波周波数を有する入力信号ＳＩＮを生成するよう構成される。制御回路３１０Ｄは位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を生成するよう構成され、位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４は上述したように金属ビア構造１４５Ｄ−１〜１４５Ｄ−４を通ってそれぞれ可変コンデンサ１５０Ｄ−１〜１５０Ｄ−４へ伝送され、可変コンデンサ１５０Ｄ−１〜１５０Ｄ−４は対応する可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４をそれぞれ金属島構造１４１Ｄ−１〜１４１Ｄ−４に適用するよう制御される。この実施形態の一態様によると、メタマテリアル構造１４０Ｄ−１〜１４０Ｄ−４は一次元配列（例えば直線）に配置されているため、出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４の変化によって結果として生じるビームＢは平面領域（例えば図８に図示された位相形の二次元平面Ｐ）で方向を変える。
【００４７】
図９は、基礎金属構造１２０Ｅに取り囲まれた１６個のメタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４を有する移相素子アレイ１００Ｅと、中心に位置する信号源３０５Ｅと、制御回路３１０Ｅとを含むフェイズドアレイシステム３００Ｅを示す簡略上面図である（制御回路３１０Ｅは例証の目的でブロックの形で図示されているが、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４の下に配置される場合もある）。
【００４８】
この実施形態の一態様によると、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４は行列から成る二次元パターンに配置されており、それぞれのメタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４は、上述したように制御回路３１０Ｅによって生成され導電構造（破線で図示）を通って伝送される制御電圧ＶＣ１１〜ＶＣ４４によって個別に制御可能である。具体的に述べると、最上位のメタマテリアル構造１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−１２、１４０Ｅ−１３、および１４０Ｅ−１４は上位行を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−２１〜１４０Ｅ−２４は第２の行を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−３１〜１４０Ｅ−３４は第３の行を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−４１〜１４０Ｅ−４４は下位行を形成している。同様に、左端のメタマテリアル構造１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−２１、１４０Ｅ−３１、および１４０Ｅ−４１は制御電圧ＶＣ１１、ＶＣ２１、ＶＣ３１、およびＶＣ４１によってそれぞれ制御される左端の列を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１２〜１４０Ｅ−４２は制御電圧ＶＣ１２〜ＶＣ４２によって制御される第２の列を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１３〜１４０Ｅ−４３は制御電圧ＶＣ１３〜ＶＣ４３によって制御される第３の列を形成しており、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１４〜１４０Ｅ−４４は制御電圧ＶＣ１４〜ＶＣ４４によって制御される第４（右端）の列を形成している。
【００４９】
この実施形態の一態様によると、それぞれのメタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４と基礎金属構造１２０Ｅとの間には２つの可変コンデンサ１５０Ｅが接続される。可変コンデンサ１５０Ｅの構成と目的は上述したそれと同じであるが、２つの可変コンデンサを使用することで、それぞれのメタマテリアル構造に適用される可変静電容量の範囲は拡大する。図示された実施形態では、各メタマテリアル構造の両方の可変コンデンサに単一の制御電圧が供給される。多数の可変コンデンサを使用することもできる。
【００５０】
制御回路３１０Ｅは各メタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４の可変コンデンサ１５０Ｅへそれぞれ伝送される位相制御電圧Ｖｃ１１〜Ｖｃ４４を生成するよう構成され、可変コンデンサ１５０Ｅは、個別制御出力位相を有する対応する出力信号を生成するため、対応する可変静電容量を適用するよう制御される。この実施形態の一態様によると、メタマテリアル構造１４０Ｅ−１１〜１４０Ｅ−４４は二次元配列（例えば行列）に配置されているため、出力位相の変化によって結果として生じるビームは図１０Ａ〜１０Ｃに図示された三次元領域によって画定されるエリアで方向を変える。具体的に述べると、図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃは、０、＋４０、および−４０度のビームステアで放射パターンを示す図である。放射パターンはメインローブとサイドローブとから成る。サイドローブは望ましくない方向での望ましくない放射である。
【００５１】
本書で説明するメタマテリアルフェイズドアレイを含むシステムは、腫瘍部位に非侵襲的に局所熱を与えるよう構成できる。深度制御、ステアリング、形、焦点、および強度に関して腫瘍部位（例えば標的領域）における出力信号を動的に制御することで、腫瘍を治療する所定治療熱流束を提供できる。フェイズドアレイ素子のコンポーネント出力信号の相殺的干渉が身体表面やその他の非標的区域でＥＭ場を無にするため、これらの領域での温度上昇は無視できる程度にまで制御できる。
【００５２】
図１０Ｄ−１０Ｇは、システムからのビーム形出力信号のエネルギーの空間モデリング結果を示すものである。図１０Ｄ〜１０Ｇは、本書で説明するメタマテリアルフェイズドアレイ１０１０を使ってｘ、ｙ、および（身体内）深さ次元に局所高熱ビームを集束する様子を示すものであり、ビームの暗い領域１００１は出力信号の高エネルギー領域を表しており、ビームの明るい領域１００２は出力信号の低エネルギー領域を表している。
【００５３】
いくつかの実施形態は図１１の簡略ブロック図に図示された撮像システムに関係する。図示されたシステム１１００は、入力源からの入力信号の周波数で共振するフェイズドアレイ素子１１６２の各コンポーネント出力信号の位相および／または振幅を制御するよう構成された制御回路１１６３を含んでいる。フェイズドアレイ素子の位相および／または振幅が制御されることにより、出力信号は患者身体１１６４の区域１１６４ａを走査すなわち「スイープ」する。制御回路１１６３は出力信号の瞬時走査方向を含む走査方向データを生成する。システムは、身体内部の走査区域１１６４ａにある１つ以上の構造物から反射される出力信号部分を検出するよう構成された受信回路１１６５を含んでいる。信号処理回路１１６６は走査方向と検出された出力信号部分の情報を総合して構造物の存在と場所に関する情報を提供する。
【００５４】
図１２は一例示的実施形態による撮像システム１２００を示す簡略側面図である。システム１２００は、信号源１２０５と、移相素子アレイ１００と、標的領域Ｆに向けて走査ビームＢを生成するビーム制御回路１２１０とを通常含む。システム１２００はまた、標的領域Ｆから反射するビーム部分ＢＲを処理する受信回路１２２０と、反射ビームデータを処理して区域Ｆ内に存在するかもしれない身体構造物Ｏに関する存在、位置、および／または像情報を判断する信号処理回路１２３０とを含んでいる。
【００５５】
信号源１２０５は、移相素子アレイ１００に近接して配置された信号伝送源（例えばフィードホーンまたは漏洩波フィード）であり、特定の電波周波数（例えば３ｋＨｚ〜３００ＧＨｚ範囲内）および入力位相ｐＩＮで電波周波数入力信号ＳＩＮを生成するよう構成される。既に述べたように、入力信号ＳＩＮの電波周波数は移相素子アレイ１００の共振特性に整合するよう生成される。
【００５６】
この例示的実施形態によると、移相素子アレイ１００は入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振するよう各々構成された４つのメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４を含んでおり、移相素子アレイ１００は、電波周波数と対応する出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４とを各々有する４つの出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４を生成する。例えばメタマテリアル構造１４０−１が２．４ＧＨｚで共振するよう構成され、入力信号ＳＩＮが２．４ＧＨｚで生成される場合、メタマテリアル構造１４０−１は入力信号ＳＩＮを再伝送（例えば反射／散乱）することによって２．４ＧＨｚの出力信号ＳＯＵＴ１を生成する。全４つのメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４がこのように構成されて入力信号ＳＩＮに晒される場合、アレイ１００は２．４ＧＨｚの周波数を各々有する別々の出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４を生成する。現時点で好適な実施形態によると、メタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４は図３〜５を参照して説明した層状金属・誘電体複合アーキテクチャであってよいが、異なる形態に作ることもでき、その場合は、印加される入力信号ＳＩＮの電波周波数で共振するよう構成され、且つ共振付近で大きい位相変動を有する構造が結果的に生じるものとする。この共振特性を提供するため、所望の共振特性を集合的に提供する対応する固有「固定」静電容量ＣＭ１〜ＣＭ４と対応するインダクタンスを有するメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４が製造される。当技術で周知のように、用語「メタマテリアル」とは所望の電磁特性を集合的にもたらす２つ以上の材料と複数の素子で形成された人工構造を指す。メタマテリアルはその組成から所望の特性を達成するのではなく、材料によって形成される構造素子の厳密設計構成（例えば精密な形、幾何学的構造、サイズ、向き、および配置）から所望の特性を達成する。本書で用いる句「メタマテリアル構造」は、本書に記載された目的に適した大きい位相変動特性を有する動的に再構成／調整可能なメタマテリアルを意味することを意図する。メタマテリアル構造は、サブ波長サイズの構造素子を採用することによって、例えばメタマテリアル構造が作用する波の電波周波長より実際に小さい要素を採用することによって、所望の効果を達成する。この例示的実施形態では４つのメタマテリアル構造が使われているが、この数は簡潔さと例証の目的で恣意的に選ばれたものであり、アレイ１００Ｃを作るのに使うメタマテリアル構造の数はいくつであってもよい。
【００５７】
別の一態様によると、ビーム制御回路３１０は、４つの可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４を生成してそれぞれメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４に適用するよう構成された集積回路を備え、それぞれのメタマテリアル構造の実効静電容量は適用される可変静電容量ＣＶ１の変化に応じて変えられる。上述したように、それぞれのメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４はそれぞれ対応する固有「固定」（不変）静電容量ＣＭ１〜ＣＭ４を各々有する形に製造される。それぞれのメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４の実効静電容量は、構造の固有（固定）静電容量と対応する適用される可変静電容量の積によって生成される。例えばメタマテリアル構造１４０−１は、固有（固定）静電容量ＣＭ１と、後述する手法を用いてビーム制御回路３１０によってメタマテリアル構造１４０−１に適用される対応する可変静電容量ＣＶ１とによって生成される、実効（実用）静電容量Ｃｅｆｆ１を有する。同様に、メタマテリアル構造１４０−２は固有静電容量ＣＭ２と対応する適用可変静電容量ＣＶ２とによって生成される実効（実用）静電容量Ｃｅｆｆ２を有し、メタマテリアル構造１４０−３は固有静電容量ＣＭ３と対応する適用可変静電容量ＣＶ３とによって生成される実効（実用）静電容量Ｃｅｆｆ３を有し、メタマテリアル構造１４０−４は固有静電容量ＣＭ４と対応する適用可変静電容量ＣＶ４とによって生成される実効（実用）静電容量Ｃｅｆｆ４を有する。いくつかの実施形態は、従来の移相器を使用せず、単にメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４に適用される可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４を制御することによって電波周波数（出力）信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４の出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４の制御を達成する。
【００５８】
別の一態様によると、ビーム制御回路３１０はさらに、メタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４に適用される可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４を調整し変化（例えば時間の経過にともない変化）させるよう構成され、これにより（出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４により共同的に生成される）ビームＢは所定の走査範囲（パターン）にわたって所定のレートで標的領域Ｆを走査すなわち「スイープ」する。つまり、それぞれの瞬間に１組の特定の可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４がメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４に適用されことで、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４は相応して別々の出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４を有し（例えば出力信号ＳＯＵＴ１は出力信号ＳＯＵＴ２の出力位相ｐＯＵＴ２とは異なる出力位相ｐＯＵＴ１で生成される）、出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４は、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４が１組の瞬時出力位相値によって決まる方向に走査ビームＢを累積的に放射する形に調整される。それぞれの走査パスの始めに、出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４は、ビームＢが最初の方向（例えば−６０°の走査角度、左端のビーム角度に相当）に沿って誘導されるよう調整される。当技術で理解されるように、出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４をこのように調整することにより、出力信号ＳＯＵＴ１〜ＳＯＵＴ４によって生成される合同電磁波は特定の望ましい方向で強化され、望ましくない方向で抑止され、その結果アレイ１００Ｃの前面から所望の角度に走査ビームＢが放射される。出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４はその後変えられ、ビームＢは最初の方向から中心方向（例えばアレイ１００の真正面、０°の走査角度に相当）に向かってスイープを開始し、その後中心方向から終了方向（例えば＋６０°の走査角度、右端のビーム角度に相当）にかけてスイープを継続する。走査レートとビームＢが生成されるリピート／リフレッシュレートは、出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４が変えられるレートによって決まる。ビーム制御回路３１０は（例えば所定の時間ベース関数に従い）時間の経過に沿ってメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４に適用される可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４を変えることによってこれら出力位相ｐＯＵＴ１〜ｐＯＵＴ４の変化を生じさせ、その結果、ビーム制御回路３１０によってビームＢは「レーダーのような」特徴的スイープパターンで標的場Ｆを走査（スイープ）する。
【００５９】
いくつかの実施形態によると、ビーム制御回路３１０は可変コンデンサ（ｖａｒｉｃａｐ）１５０−１〜１５０−４と位相制御回路３１５を用いて実装され、可変コンデンサ１５０−１〜１５０−４はメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４へそれぞれ結合され、位相制御回路３１５によって生成される位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４によって制御される（例えば可変コンデンサ１５０−１は位相制御電圧Ｖｃ１の電圧レベルに比例した静電容量レベルを有する可変静電容量ＣＶ１を生成する）。当技術で理解されるように、可変コンデンサは、印加電子制御信号により意図的に繰り返し充電できる静電容量を生成するよう構成された通常は２端子の電子装置である。この場合、可変コンデンサ１５０−１〜１５０−４はメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４へ結合されているため、メタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４のそれぞれの実効静電容量Ｃｅｆｆ１〜Ｃｅｆｆ４は固有静電容量ＣＭ１〜ＣＭ４と可変コンデンサ１５０−１〜１５０−４から供給される可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４の積で決まる。例えばメタマテリアル構造１４０−１の実効静電容量Ｃｅｆｆ１は、固有静電容量ＣＭ１と、作動中に可変コンデンサ１５０−１からメタマテリアル構造１４０−１に供給される可変静電容量ＣＶ１とによって決まる。出力位相ｐＯＵＴ１は実効静電容量Ｃｅｆｆ１によって部分的に決まるため、出力信号ＳＯＵＴ１は可変静電容量ＣＶ１を変えることによって所望の位相値まで「調整可能」（調節可能に制御可能）であり、これは可変コンデンサ１５０−１に印加される位相制御信号Ｖｃ１を変えることによって達成される。
【００６０】
位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４は可変コンデンサ１５０−１〜１５０−４に印加され、可変静電容量ＣＶ１〜ＣＶ４はメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４にそれぞれ適用される。例えば可変コンデンサ１５０−１はメタマテリアル構造１４０−１へ接続された第１の端子１５１とグラウンドへ接続された第２の端子１５２とを含んでおり、可変コンデンサ１５０−１は、図２に図示されているように位相制御電圧Ｖｃ１の電圧レベルに応じて変化する静電容量レベルを有する対応する可変静電容量ＣＶ１を生成する（例えば可変静電容量ＣＶ１の静電容量レベルは位相制御電圧Ｖｃ１に正比例して変化する）。図１２に図示されているように、可変コンデンサ１５０−２〜１５０−４も同様に接続されており、可変コンデンサ１５０−１と共通の電圧源（例えばグラウンド）を共用する。代替の一実施形態において、位相制御回路３１５から位相制御電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４を伝送する導電構造はメタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４へ接続され、メタマテリアル構造１４０−１〜１４０−４は順に対応する可変コンデンサ１５０−１〜１５０−４へ接続される。
【００６１】
撮像システム１２００は受信回路１２２０と信号処理回路１２３０とをさらに含んでおり、受信回路１２２０と信号処理回路１２３０は、例えば標的領域Ｆで身体構造物を検出して、利用できる標的位置データを生成するために使われる。この例示的実施形態において、位相制御回路３１５は標的領域Ｆをスイープする前記走査ビームＢの瞬時ビーム方向θを示すビーム方向データＤＢＤを生成するよう構成され、受信回路１２２０は身体構造物から、例えば標的領域Ｆ内の腫瘍から、反射される走査ビームＢ部分ＢＲを検出するよう構成される。受信回路１２２０はまた、毎回反射ビーム部分ＢＲが検出されたことを示すビーム検出データＤＢＲを生成する。信号処理回路１２３０は、ビーム部分検出時にビーム制御回路３１０から受信したビーム方向データＤＢＤと受信回路１２２０から受信したビーム検出データＤＢＲを相関させることによって標的領域Ｆにおけるそれぞれの構造物Ｏの位置を判断するよう構成される。例えばアレイ１００に対し−４５°の方向角に相当する位置に関心身体構造物Ｏが配置されていると仮定する。この場合、ビームＢが場Ｆをスイープして−４５°の方向角を通過すると、受信回路１２２０は構造物Ｏの存在によって生じた反射したビーム部分ＢＲの受信を示すビーム検出データＤＢＲを生成し、その後信号処理回路１２３０はこの反射ビーム部分ＢＲの受信を（例えば反射ビーム部分の受信時にビームＢが−４５°方向だったことを示す）ビーム方向データＤＢＤに相関させて構造物Ｏの位置を判断する。信号処理回路１２３０はまた、他の有用情報を生成する（例えば周知の信号処理方式を用いて身体構造物の像を提供する、身体構造物Ｏのサイズおよび／またはアレイ１００に対する身体構造物Ｏの位置、または他の基準点を判断する）オプションの回路を有する。
【００６２】
本書で説明する実施形態は、入力電磁（ＥＭ）信号に応じて共振する複数のメタマテリアル構造を含む移相アレイを使用する治療および／または撮像システムに関係する。移相アレイは出力ＥＭ信号を生成し、出力ＥＭ信号はメタマテリアル構造によってそれぞれ生成されるコンポーネント出力電磁信号の和であり、患者身体の少なくとも一部分の中を無線で伝播するよう構成される。制御回路はコンポーネント電磁出力信号の位相および振幅のいずれか一方または両方を制御し、コンポーネント出力電磁信号間の建設的干渉および相殺的干渉の少なくともいずれか一方により、出力信号は身体内の標的領域にて高強度のＥＭ放射線を有し、且つ身体内の非標的領域にてゼロまたは低強度の放射線を有する。制御回路は標的領域における高強度ＥＭ放射線の位置、焦点、および強度の少なくともいずれか１つを制御するよう構成される。高強度ＥＭ放射線は標的領域で温熱治療を施すにあたって適切な熱流束を生成できる。例えば、ＥＭ放射線は標的領域で約４０℃〜約６０℃の範囲の組織温度を提供できる。
【００６３】
制御回路はメタマテリアル構造にそれぞれ電気的に結合された可変コンデンサを含み、いずれか１つの可変コンデンサの静電容量の変化は対応するメタマテリアル構造のコンポーネント出力信号の位相を変化させる。制御信号生成器は可変コンデンサの静電容量を制御する制御信号を提供する。ＥＭ信号は、ワイヤープローブアンテナを通って、例えばワイヤープローブアンテナおよび／または導波管を通って、メタマテリアル構造アレイまで無線で伝播する。それぞれのメタマテリアル構造は、第１の金属層構造と、電気的に絶縁された第２の金属層構造と、第１および第２の金属構造間に配置された誘電体層とを含む。第１および第２の金属層構造は、メタマテリアル構造が固定静電容量で入力ＥＭ信号の周波数で共振するよう協調的に構成される。いくつかの実施形態において、第１の金属層構造は誘電体層の誘電体上面に配置され、第３の金属層構造は誘電体上面に配置され、第１の金属層構造から離隔される。制御回路の可変コンデンサは、第１の金属層構造に電気的に結合された第１の端子と、第３の金属層構造に電気的に結合された第２の端子とを有する。
【００６４】
いくつかの実施形態において、システムは身体撮像システムに関係し、標的領域にわたって出力信号を走査するため、制御信号はコンポーネントＥＭ出力信号を制御するよう構成される。この実施形態では、出力信号の瞬時走査方向を示すビーム方向データを生成する形に制御回路を構成することもできる。撮像システムは、身体内の構造物から反射される出力信号部分を検出するよう構成された受信回路を含む。信号処理回路は走査方向と出力信号の反射部分を処理して構造物に関する情報を提供し、この情報は位置および／または像情報を含み得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１１】
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【図１２】
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