(57)【要約】【課題】人体内部の電磁気波の測定に際し、アンテナと接触された物体とのインピダンスの不一致問題を解決して、高い正確度と再現性を提供する。【解決手段】人体内部からの熱放射エネルギーを受信するアンテナと、人体とアンテナとの接触面での反射係数Γを得るために相異なる温度に維持される第１及び第２雑音源と、第１パルス信号に応答して第１雑音源または第２雑音源の出力で周期的にスイッチングする第１スイッチと、アンテナから受信される信号と第１スイッチを通じて伝えられる出力反射波とを合わせて一方向に伝送するサーキュレータと、基準雑音源として相異なる温度に維持される第３及び第４雑音源と、第１パルス信号と同期される第２パルス信号に応答して第３雑音源、サーキュレータまたは第４雑音源の出力で周期的にスイッチングする第２スイッチと、を含むラジオ−サーモメータ。【選択図】図３
2005118573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物体から放出される熱放射エネルギーを受信するアンテナと、
前記測定対象物体と前記アンテナとの接触面での反射係数Γを得るために相異なる温度に維持される第１及び第２雑音源と、
第１パルス信号に応答して前記第１雑音源の出力または前記第２雑音源の出力に周期的にスイッチングする第１スイッチと、
前記アンテナから受信される信号と、前記第１スイッチを通じて伝えられる前記第１雑音源または前記第２雑音源の出力反射波とを合わせて一方向に伝送するサーキュレータと、
基準雑音源として相異なる温度に維持される第３及び第４雑音源と、
前記第１パルス信号と同期される第２パルス信号に応答して前記第３雑音源の出力、前記サーキュレータの出力または前記第４雑音源の出力で周期的にスイッチングする第２スイッチと、
前記第２スイッチの出力を増幅する増幅器と、を具備することを特徴とするラジオ−サーモメータシステム。
【請求項２】
前記測定対象物体の温度Ｔは
【数１】
2005118573.tif 000031
から求められ、
ここで、αは、前記アンテナから前記ラジオ−サーモメータへの伝達係数、
Ｔrec は、前記ラジオ−サーモメータの有効雑音温度、
前記反射係数Γは
【数２】
2005118573.tif 000032
で示し、
【数３】
2005118573.tif 000033
で示し、
前記ラジオ−サーモメータのカリブレーション時、
【数４】
2005118573.tif 000034
は公知の第１及び第２基準温度を、そして、
【数５】
2005118573.tif 000035
は前記第１及び第２基準温度の物体による前記ラジオ−サーモメータの出力を、
【数６】
2005118573.tif 000036
は前記アンテナに前記第１基準温度の物体が接触した状態で前記第１雑音源と前記第２雑音源とが連結された時の前記ラジオ−サーモメータの出力を、そして、
【数７】
2005118573.tif 000037
は前記アンテナに前記第２基準温度の物体が接触した状態で前記第１雑音源と前記第２雑音源とが連結された時の前記ラジオ−サーモメータの出力を示すことを特徴とする請求項１に記載のラジオ−サーモメータシステム。
【請求項３】
前記ラジオ−サーモメータシステムは、
前記第１雑音源と前記第３雑音源が、そして、前記第２雑音源と前記第４雑音源が同じ温度に維持されることを特徴とする請求項１に記載のラジオ−サーモメータシステム。
【請求項４】
前記ラジオ−サーモメータシステムは、
前記第１及び第３雑音源は３２℃程度に維持され、前記第２及び第４雑音源は４２℃程度に維持されることを特徴とする請求項３に記載のラジオ−サーモメータシステム。
【請求項５】
前記ラジオ−サーモメータシステムは、
前記第１基準温度が３２℃に設定され、前記第２基準温度が４２℃に設定されることを特徴とする請求項２に記載のラジオ−サーモメータシステム。
【請求項６】
ラジオ−サーモメータを利用して人体の電磁気エネルギーを測定する方法において、
測定対象物体にアンテナを連結する段階と、
第１ないし第４雑音源を提供する段階と、
第１パルス信号に応答する第１スイッチを通じて前記第１雑音源の出力または前記第２雑音源の出力を周期的にスイッチングする段階と、
前記アンテナから受信される信号と前記第１雑音源または前記第２雑音源の出力反射波とを合わせて一方向に伝送する段階と、
前記第１パルス信号と同期される第２パルス信号に応答する第２スイッチを通じて前記第３雑音源の出力、前記第１または第２雑音源の信号を合わせた前記アンテナからの信号または前記第４雑音源の出力を周期的にスイッチングする段階と、
前記第２スイッチの出力を所定の電圧レベルに増幅する段階と、を具備することを特徴とする人体の電磁気エネルギー測定方法。
【請求項７】
前記人体の電磁気エネルギー測定方法は、
前記第１雑音源と前記第３雑音源が、そして前記第２雑音源と前記第４雑音源が同じ温度に維持されることを特徴とする請求項６に記載の人体の電磁気エネルギー測定方法。
【請求項８】
前記人体の電磁気エネルギー測定方法は、
前記第１及び第３雑音源は３２℃程度に維持され、前記第２及び第４雑音源は４２℃程度に維持されることを特徴とする請求項６に記載の人体の電磁気エネルギーの測定方法。
【請求項９】
前記人体の電磁気エネルギーの測定方法は、
公知の第１及び第２基準温度の物体を利用して前記ラジオ−サーモメータをカリブレーションする段階をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の人体の電磁気エネルギーの測定方法。
【請求項１０】
前記人体の電磁気エネルギーの測定方法は、
前記アンテナに前記第１基準温度の物体が接触した状態で前記第１雑音源と前記第２雑音源とが連結された時の前記ラジオ−サーモメータの出力差に比例する反射係数を有することを特徴とする請求項９に記載の人体の電磁気エネルギーの測定方法。
【請求項１１】
前記人体の電磁気エネルギーの測定方法は、
前記アンテナに前記第２基準温度の物体が接触した状態で前記第１雑音源と前記第２雑音源とが連結された時の前記ラジオ−サーモメータの出力差に比例する反射係数を有することを特徴とする請求項９に記載の人体の電磁気エネルギーの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はラジオメータに係り、特に、人体内部の物体で発生した電磁気波の測定のためのラジオ−サーモメータ及び人体電磁気波の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶対温度の零点以上の物体は一定の周波数帯域の電磁気エネルギーを放出する。もし物体がエネルギーを完壁に吸収すれば、プランク放射法則に基づいてこの物体（“黒体”ともいう）はあらゆる周波数帯域の電磁気エネルギーを放出する。
【０００３】
図１は、周波数による黒体から放出される放射エネルギー強度を示す図面である。これを参照すれば、黒体から放出されるエネルギーの強度は周波数によって異なるが、３μm〜１５μm波長の赤外線領域で最大に放出される。赤外線領域から放出される黒体の放射エネルギーは赤外線カメラなどにより検出でき、マイクロ波の領域から放出される黒体の放射エネルギーはマイクロ波の方向性アンテナ及び高感度受信機を有するラジオメータにより検出できる。ラジオメータは最初に天文学分野で活用され、主に行星や星から放射されるエネルギーを測定して行星や星の温度を推定するのに使われた。
【０００４】
赤外線領域で人体の皮膚は黒体と類似したエネルギー特性を有する点に基づいて、赤外線周波数領域から放出されるエネルギーを測定すれば、人体表面の温度分布の測定が可能となる。最近、ラジオメータは人体内部の生体組織から放出されるエネルギーを受信して生体内部の組織の内部温度を推定するのに応用される。
【０００５】
ところが、マイクロ波の周波数領域では人体の皮膚がこれ以上黒体の役割をできずに皮膚より深い生体組織で電磁気エネルギーの一部が皮膚に伝えられる。この時、生体内部から皮膚に伝えられる電磁気エネルギーの強度は周波数帯域と電磁気波とを吸収、反射、透過させる人体の媒質、例えば筋肉、骨、脂肪によって異なる。マイクロ波を利用したラジオ−サーモメータは人体内部の組織から放出される１ＧＨｚ〜６ＧＨｚ帯域の電磁気エネルギーを皮膚の表面で測定して一定した体積内の人体内部温度を推定する。
【０００６】
図２は、従来のマイクロ波を利用したラジオメータ２０の構成を説明する図面である。これを参照すれば、制御可能なノイズソース９の出力が調整可能な減衰器１０と温度測定対象物体１と直接連結されるアンテナ４側の方向性カップラーに入力される。同時にノイズソース９の信号はスイッチ２の接点で第２調整可能な減衰器１１と直接連結される。スイッチ２の他の接点は物体１自体から放出されるエネルギーと物体１により反射されるエネルギーとを受信する。スイッチ２はラジオメータ８内のクロックパルス発生部により周期的にスイッチングされる。積分器１４を通じてラジオメータ８の出力信号は物体の温度Ｔｏに該当する電圧Ｕａで出力端子に提供される。このようなラジオメータ２０はノイズソース９の調整作業を数回実験し続けて物体の内部温度を測定する。
【０００７】
ところが、ラジオメータ２０を利用して物体の内部温度を測定する過程において、アンテナ４と物体１の接触面とのインピダンス不一致、周辺の電磁波雑音による干渉などによって測定上の多くの問題点を引き起こした。周辺の電磁波を遮断する方法は、電磁波遮蔽室を使用する方法である程度解決できるが、アンテナと接触面との不一致は反復実験毎に再現し難しくて最も大きい誤差を発生させる。
【０００８】
したがって、アンテナと接触面とのインピダンス不一致が存在しても測定対象の温度を正確に測定できるラジオメータの存在が要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、アンテナと人体接触面との反射係数を自動的に計算してこれを補償することによって測定されるアンテナ温度で人体の内部温度を推定するラジオ−サーモメータを提供するところにある。
【００１０】
本発明の他の目的は人体の電磁気波の測定方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を解決するために、本発明のラジオ−サーモメータは測定対象物体から放出される熱放射エネルギーを受信するアンテナと、測定対象物体とアンテナとの接触面での反射係数Γを得るために相異なる温度に維持される第１及び第２雑音源と、第１パルス信号に応答して第１雑音源の出力または第２雑音源の出力に周期的にスイッチングする第１スイッチと、アンテナから受信される信号と第１スイッチを通じて伝えられる第１雑音源または第２雑音源の出力反射波とを合わせて一方向に伝送するサーキュレータと、基準雑音源として相異なる温度に維持される第３及び第４雑音源と、第１パルス信号と同期される第２パルス信号に応答して第３雑音源の出力、サーキュレータの出力または第４雑音源の出力で周期的にスイッチングする第２スイッチと、第２スイッチの出力を増幅する増幅器と、を含む。
【００１２】
望ましくは、測定対象物体の温度Ｔは
【数１】
2005118573.tif 000003
から求められ、ここで、αは、アンテナからラジオ−サーモメータへの伝達係数、
Ｔrec は、ラジオ−サーモメータの有効雑音温度、反射係数Γは、
【数２】
2005118573.tif 000004
で示し、
【数３】
2005118573.tif 000005
で示し、ラジオ−サーモメータのカリブレーション時に
【数４】
2005118573.tif 000006
は公知の第１及び第２基準温度を、そして、
【数５】
2005118573.tif 000007
は第１及び第２基準温度の物体によるラジオ−サーモメータの出力を、
【数６】
2005118573.tif 000008
はアンテナに第１基準温度の物体が接触した状態で第１雑音源と第２雑音源とが連結された時のラジオ−サーモメータの出力を、そして、
【数７】
2005118573.tif 000009
はアンテナに第２基準温度の物体が接触した状態で第１雑音源と前記第２雑音源とが連結された時のラジオ−サーモメータの出力を示す。
【００１３】
前記他の目的を解決するために、本発明のラジオ−サーモメータを利用して人体の電磁気エネルギーを測定する方法において、測定対象物体にアンテナを連結する段階と、第１ないし第４雑音源を提供する段階と、第１パルス信号に応答する第１スイッチを通じて第１雑音源の出力または第２雑音源の出力を周期的にスイッチングする段階と、アンテナから受信される信号と第１雑音源または第２雑音源の出力反射波とを合わせて一方向に伝送する段階と、第１パルス信号と同期される第２パルス信号に応答する第２スイッチを通じて第３雑音源の出力、第１または第２雑音源の信号を合わせたアンテナからの信号または第４雑音源の出力を周期的にスイッチングする段階と、第２スイッチの出力を所定の電圧レベルに増幅する段階と、を含む。
【００１４】
本発明の人体の電磁気エネルギー測定方法は公知の第１及び第２基準温度の物体を利用して前記ラジオ−サーモメータをカリブレーションする段階をさらに含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アンテナと接触された物体とのインピダンス不一致問題を解決して人体の電磁気波の測定において高い正確度と再現性とを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって解決される目的を十分に理解するためには、本発明の望ましい実施例を例示する図面及び図面に記載された内容を参照せねばならない。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。
【００１８】
図３は、本発明の一実施例によるラジオ−サーモメータを説明する図面である。これを参照すれば、ラジオ−サーモメータ３０は物体３１から放出される熱放射エネルギーを受信するアンテナ３２、サーキュレータ３３、第１ないし第４雑音源３４、３５、３６、３７、第１及び第２スイッチ３８、３９、そして増幅器４０を含む。雑音源３４、３５、３６、３７は測定対象物体３１の温度より低いか、高い温度を有する物体から放射される熱放射エネルギーを基準値に提供するためのものである。本実施例では測定対象物体３１が人体である場合を例に挙げて説明し、人体の正常温度３６.５℃を基準として第１及び第３雑音源３４、３５は３２℃に設定し、第２及び第４雑音源３５、３７は４２℃に設定する。この温度の範囲は測定しようとする対象の温度領域によって異なって設定する場合もある。
【００１９】
サーキュレータ３３はアンテナ３２から受信される信号と第１雑音源３４または第２雑音源３５の出力反射波とを合せて第２スイッチ３９に伝達する。第１スイッチ３８は第１パルス信号Ｆｍｏｄ１に応答して第１雑音源３４の出力または第２雑音源３５の出力に周期的にスイッチングされてサーキュレータ３３に伝達する。第２スイッチ３９は第２パルス信号Ｆｍｏｄ２に応答して第３雑音源３６の出力、サーキュレータ３３の出力または第４雑音源３７の出力で周期的にスイッチングされて増幅器４０に伝達する。第１パルス信号Ｆｍｏｄ１と第２パルス信号Ｆｍｏｄ２とは一般的なデジタルパルス分周回路により提供され、相互同期されている。増幅器４０は第２スイッチ３９の信号レベルが極めて小さいために所定の信号レベルに増幅して出力する。
【００２０】
第１スイッチ３８の出力波形と第２スイッチ３９の出力波形とは図４に示されている。これを参照すれば、ｔ０時間に第１スイッチ３８の出力は現れず、第２スイッチ３９の出力は第３雑音源３６の出力Ｖ−として現れる。ｔ１時間に第１スイッチ３８の出力は第１雑音源３４の出力Ｖ−として現れ、第２スイッチ３９の出力はサーキュレータ３３の出力として現れる。ｔ２時間に第１スイッチ３８の出力は現れず、第２スイッチ３９の出力は第４雑音源３７の出力Ｖ＋として現れる。ｔ３時間に第１スイッチ３８の出力は第２雑音源３５の出力として現れ、第２スイッチ３９の出力はサーキュレータ３３の出力として現れる。ｔ４時間に第１スイッチ３８の出力は現れず、第２スイッチ３９の出力は第３雑音源３６の出力Ｖ−として現れるが、ｔ０時間と同じ出力特性を示す。すなわち、第１スイッチ３８と第２スイッチ３９の出力波形はｔ０時間からｔ３時間までの波形が反復される。
【００２１】
ここで、ｔ１時間及びｔ３時間を説明すれば、第２スイッチ３９の出力がサーキュレータ３３の出力として現れる。これは第１スイッチ３８の出力である第１雑音源３４または第２雑音源３５の出力がサーキュレータ３３でアンテナ３２から受信される信号と合わせられて第２スイッチ３９に伝えられる動作とよく符合する。
【００２２】
本発明のラジオ−サーモメータ３０でアンテナ３２と物体３１接触面との反射係数Γは後述の内容で求められる。
【００２３】
まず、本発明のラジオ−サーモメータ３０で入力信号源は、次のような４種に区別できる。まず、第１雑音源３４または第２雑音源３５の影響を受けていないアンテナ３２からの信号源をTAと仮定する。
第１に、第１雑音源３４の信号を合わせたアンテナ３２からの信号源
【数８】
2005118573.tif 000010
第２に、第２雑音源３５の信号を合わせたアンテナ３２からの信号源
【数９】
2005118573.tif 000011
第３に、第３雑音源３６からの信号源T1
第４に、第４雑音源３７からの信号源T2に区別される。これら信号源と前記図４の第１及び第２スイッチ２９、３８の出力波形と相関させて得られるラジオ−サーモメータ３０の出力は図５の通りである。
【００２４】
ラジオ−サーモメータ３０の出力Ｕｉを次のように定義できる。
【数１０】
2005118573.tif 000012
ここで、ｋは、伝達係数、Ｔｉは、所定の信号源が有する有効温度、u0は、入力信号源に依存しない任意の定数である。
【００２５】
先に定義したラジオ−サーモメータ３０の入力信号源を数式１０に適用すれば、次のようである。
【数１１】
2005118573.tif 000013
数式１１をTAについて整理すれば、
【数１２】
2005118573.tif 000014
になる。ここで、Ｍ＝
【数１３】
2005118573.tif 000015
である。
【００２６】
アンテナの温度TAは、次のような形態で表現できる。
【数１４】
2005118573.tif 000016
ここで、αは、アンテナ３２からラジオ−サーモメータ３０への伝達係数、Ｔは、測定しようとする物体の実際温度、Trecは、受信端の有効雑音温度、Γは、反射係数である。
【００２７】
数式１４は“Ａ Ｎｅｗ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｂａｌａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈ Ｆｏｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ”（Ｋ．Ｍ．Ｌｕｄｅｋｅら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ、ｖｏｌ．１４、ｎｏ．２、１９７４年に発表）の名称の論文に記載した内容である。
【００２８】
公知の基準温度、例えば
【数１５】
2005118573.tif 000017
を利用してラジオ−サーモメータ３０をカリブレーションすれば、数式１４は、次のように展開できる。
【００２９】
【数１６】
2005118573.tif 000018
【数１７】
2005118573.tif 000019
【００３０】
受信端の温度Trecは、次のように表現できる。
【数１８】
2005118573.tif 000020
ここで、T0はアンテナポートの有効雑音温度であって、アンテナ３２の後端で一定温度を維持するために付着されるＨＦモジュールの温度調節装置で維持される温度と同じである。△Ｔは、第３雑音源３６と第４雑音源３７との温度差を示し、実際１０℃差の半分に該当する５℃となる。
【００３１】
数式１７及び数式１８を対として合わせ続ければ、次のような式を得られる。
【数１９】
2005118573.tif 000021
ここで、 
【数２０】
2005118573.tif 000022
はアンテナ３２の入力に第１雑音源３４と第２雑音源３５とが連結された時の平均温度を意味する。
【００３２】
数式１９から次のような結果が得られる。
【数２１】
2005118573.tif 000023
【００３３】
一方、数式１７及び数式１８から次のような結果も得られる。
【数２２】
2005118573.tif 000024
ここで、
【数２３】
2005118573.tif 000025
である。
【数２４】
2005118573.tif 000026
はアンテナ３２に第１基準温度
【数２５】
2005118573.tif 000027
の物体が接触した状態で第１雑音源３４と第２雑音源３５とが連結された時のラジオ−サーモメータ３０の出力を、そして
【数２６】
2005118573.tif 000028
はアンテナ３２に第２基準温度
【数２７】
2005118573.tif 000029
の物体が接触した状態で第１雑音源３４と第２雑音源３５とが連結された時のラジオ−サーモメータ３０の出力を示す。
【００３４】
数式２２で得られる反射係数Γは容易に測定される電圧差、すなわち第１雑音源３４と第２雑音源３５とが順に連結された時のラジオ−サーモメータ３０の出力電圧差に比例することがわかる。
【００３５】
したがって、測定されたアンテナTAと計算された反射係数Γを数式１４に代入すれば、物体３１の実際物理的な温度値を得られる。それにより、本発明のラジオ−サーモメータ３０はアンテナと接触された物体とのインピダンスの不一致問題を解決する。
【００３６】
本発明のラジオ−サーモメータ装置を利用して恒温に維持されるファントムを対象に測定実験を行った結果が表１に示されている。
【表１】
2005118573.tif 000030
【００３７】
表１は、ファントムの温度を３２℃から４２℃まで２℃ずつ変化させつつラジオ−サーモメータ３０を利用して温度毎に２０回ずつ測定した後、その平均及び標準偏差を計算した結果である。それぞれ温度の標準偏差は３５℃を除いては小さな値を有し、０.１℃以内の分布を示す。したがって、本発明のラジオ−サーモメータは相当高い正確度及び再現性を有する。
【００３８】
本発明は図面に示された一実施例を参照して説明されたが、これは例示的なものにすぎず、本技術分野の当業者であれば、これより多様な変形及び均等な他の実施例が可能である点が理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明はアンテナと接触された物体とのインピダンスの不一致問題を解決して人体の電磁気波の測定において高い正確度及び再現性を提供するラジオサーモメータと人体電磁気波の測定方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】プランク複写エネルギーグラフを示す図面である。
【図２】従来のマイクロ波を利用したラジオメータを説明する図面である。
【図３】本発明の一実施例によるラジオ−サーモメータを説明する図面である。
【図４】図３のラジオ−サーモメータの第１スイッチと第２スイッチ及びの出力波形を示す図面である。
【図５】図３のラジオ−サーモメータの出力波形を示す図面である。
【符号の説明】
【００４１】
３０    ラジオ−サーモメータ
３１    物体
３２    アンテナ
３３    サーキュレータ
３４、３５、３６、３７    第１ないし第４雑音源
３８、３９    第１及び第２スイッチ
４０    増幅器
Ｆｍｏｄ１    第１パルス信号
Ｆｍｏｄ２    第２パルス信号
【図１】
2005118573.tif 000038
【図２】
2005118573.tif 000039
【図３】
2005118573.tif 000040
【図４】
2005118573.tif 000041
【図５】
2005118573.tif 000042