Microwave noninvasive sensing of physiological signatures, James C. Lin In : Electromagnetic Interaction with Biological Systems, James C. Lin, New York 1989

Messung an biologischen Zielen

(S.10ff) Bei der nichtinvasiven Aufnahme von physiologischen Strukturen füllen verschiedene Bereiche des Zielgebietes den gesamten oder einen bedeutenden Teil des einfallenden Strahles aus. Die Geschwindigkeiten verschiedener sich im Strahl befindlicher Bereiche sind unterschiedlich, so daß der Doppleranteil ein Spektrum verschiedener Frequenzen hat. So dreht sich das Herz während der Kontraktion zum Beispiel um ungefähr 4° nach hinten. (...)
In einem Dopplersystem ist das Spektrum als Frequenzverschiebungen bezogen auf die abgestrahlte Frequenz messbar. In der Regel wird die zurückgestrahlte Welle mit der abgestrahlten Welle gemischt und dann die Differenzfrequenz mit einem Frequenzzähler oder durch die Filterung der demodulierten Welle durch eine Reihe von Bandpassfiltern bestimmt. (...)

Die Pulsdoppler Technik verbindet durch die Verwendung einer Reihe von kohärenten Pulsen, also einer Reihe von Pulsen die Ausschnitte einer unmodulierten Sinuswelle sind, die Entfernungsauflösung von Pulssystemen mit der Frequenzauflösung von ungepulsten Systemen. Wenn diese Reihe von Pulsen von einem bewegten Ziel reflektiert wird, wird das Signal proportional der Geschwindigkeit des Ziels in seiner Frequenz dopplerverschoben. In der Gegenwart von mehreren Zielen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ist das reflektierte Signal eine Überlagerung einer entsprechenden Anzahl von Pulsreihen, jede mit ihrer eigenen Dopplerverschiebung. Ein Entfernungstor wird verwendet damit nur die vom Ziel zurückgeworfenen Pulse weiter verarbeitet werden. Diesem Entfernungstor folgt ein schmalbandiges Filter, das nur einen bestimmten Teil der Dopplerfrequenzen passieren lässt wodurch alle Pulsfolgen abgeblockt werden, die zwar das Entfernungstor passiert haben, aber nicht die richtige Dopplerverschiebung besitzen. Die Pulsdoppler Technik ermöglicht Entfernung und Geschwindigkeit vieler Ziele gleichzeitig (...) eindeutig zu messen. Allerdings wird das System dadurch bedeutend komplexer. (...)

In den vergangenen Jahren wurde über eine Reihe von Systemen zur Messung von Herzkreislauf- und Atmungstätigkeit mit Hilfe von Mikrowellen berichtet. Diese Entwicklungen verwenden im allgemeinen die in den gesendeten und empfangenen ungepulsten Signalen vorhandenen Amplituden- und Phaseninformationen. (...) Bei höheren Frequenzen wäre die Auflösung zwar am größten, aber die Eindringtiefe in den Körper ist sehr gering. (...) Der Empfang von durch den Körper geleiteten und von tiefliegenden Grenzflächen zwischen unterschiedlichem Gewebe reflektierter Energie wird unmöglich. Bei niedrigerer Frequenz nimmt die Eindringtiefe zu. Allerdings nimmt dann auch die Antennengröße zu, die benötigt wird, um die elektromagnetische Energie effektiv abzustrahlen.

Zusammen mit der zunehmenden Wellenlänge würde die räumliche Auflösung des Systems bis zu einem Punkt verringert an dem es als nichtinvasives Messgerät unbrauchbar wird. Die Wahl der Betriebsfrequenz hängt also von einem Kompromiß zwischen empfangener Signalstärke, die mit zunehmender Frequenz abnimmt, und räumlicher Auflösung, die mit zunehmender Frequenz zunimmt, ab. Glücklicherweise erlaubt die durch das Gewebe verursachte Verkürzung der Wellenlänge zusammen mit der Verwendung von Antennen, die Materialien mit hoher dielektrischer Konstante verwenden, die Untersuchung von tiefliegenden Organen bei Frequenzen zwischen 2 GHz und 8 GHz mit beherrschbarem Verlust durch Dämpfung und akzeptabler räumlicher Auflösung im Körpergewebe (...).

Es sollte nicht vergessen werden, daß Frequenzen bis zu 25 GHz erfolgreich verwendet wurden um die Bewegung der Arterienwände unter der Haut zu messen. In ähnlicher Weise wurde gezeigt, daß mit Geräten die mit einer Frequenz von 35 GHz arbeiten, verlässliche Messungen von Pulsschlag und Atmung auf Entfernungen bis zu 3 Metern durchgeführt werden können. Der Empfangsgerät oder der Umschalter zwischen Sender und Empfänger führt einen kleinen Teil ( 20-50 dB ) der Sendeleistung als Vergleichssignal auf den Detektor. Außerdem nimmt der Empfänger das zurückgeworfene Signal bei Geräten auf, die das reflektierte Signal verwenden. (...) Die durchschnittlich abgestrahlte elektromagnetische Energie bestehender Geräte liegt zwischen ungefähr 0,001 bis 1 mW pro Quadratzentimeter. Die Antennenöffnung hat Größen zwischen 0,25 und 200 Quadratzentimeter. (...)

Es werden mehrere für kommerzielle Anwendungen wie Geschwindigkeits- und Bewegungsmessungen konstruierte Dopplerradargeräte angeboten. Diese Geräte senden nicht nur Energie, sondern sind auch in der Lage das zurückgestrahlte Signal zu empfangen. Die Sendeleistung liegt im allgemeinen zwischen 5 und 10 Milliwatt im Frequenzbereich zwischen 10 und 25 GHz. Diese Geräte bestehen aus einem Dauerstrich Gunndioden Oszillator mit festgelegter Frequenz sowie einer Schottky Mischdiode die zusammen in einem kleinen Wellenleitergehäuse untergebracht sind. Die Mischdiode überlagert das reflektierte Signal mit einem kleinen Teil des vom Gunn Oszillator gelieferten Mikrowellensignals als Referenzsignal, um ein proportional der Geschwindigkeit des Ziel dopplerverschobenes Signal bereitzustellen.

(Seite 6) Die Wellenlänge in Gewebe ist bei einer gegebenen Frequenz fast zehnmal kürzer als die Wellenlänge in Luft. Diese Tatsache wird die Verbesserung der Auflösung von Mikrowellen in der medizinischen Diagnose unterstützen. So beträgt zum Beispiel die Wellenlänge in Luft bei 10 GHz 30 mm. Tabelle 2 zeigt daß die Wellenlänge im Muskel auf 5 mm verringert wird. Dadurch wird die räumliche Auflösung einer Strahlung von 10 GHz im Muskel um den Faktor sechs verbessert.
(...)

Tabelle 2: Kontraktion der Wellenlänge in biologischem Gewebe bei 37° C
Wellenlänge ( mm )
Frequenz ( MHz ) Blut Luft Muskel Fett
915 41 328 44 137
2450 16 173 18 52
5800 7 52 8 23
10000 4 30 5 14

( Anmerkung des Übersetzers: Die letzte Frequenz wurde im Buch fälschlich mit 1000 MHz anstatt 10000 MHz angegeben )

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