A non-invasive, partial-body exposure method for measuring the complex permittivity of biological substances at microwave frequencies

Abstract

A non-invasive and selective (partial-body) exposure technique for measuring the complex permittivity of biological substances at microwave frequencies is described. For this purpose a Gaussian-beam launcher is used to irradiate selectively the test-material at the particular position of interest; and a reflectometric bridge arrangement is used to measure the amplitude and phase of the reflected beam wave. Using the measured data and the theoretically formulated expression for the reflection coefficient, the real and the imaginary parts of the permittivity are computed. Results obtained by the present method for materials such as acrylic plastic, bakelite hylam, human skullbone (in vitro measurements on the occipital region) and for the midportion of the palm (in vivo measurement) are compared, with those results due to other methods. The suitability of this technique for noncontactin vivo andin vitro measurements of the permittivity in biological experiments is discussed.

Sommaire

Il décrit une technique non invasible d'exposition sélective (une certaine partie du corps) pour mesurer la constante diélectrique complexe de substances biologiques à des fréquences de microondes. Pour ce faire, on utilise un lanceur de rayons Gauss pour irradier le point d'intérêt particulier de la zone d'essai, tandis qu'un montage en pont réflectométrique sert à mesurer l'amplitude et la phase de l'onde-rayon réfléchie. Grâce aux données mesurées et à l'expression technique du coefficient de réflection, on calcule alors les parties imaginaires et réelles de la constante diélectrique. Les résultats obtenus par la méthode actuelle sur des matériaux tels plastique acrylique, hylam bakélite, os crânien humain (dimensions in vitro de la région occipitale) et sur la moitié de la paume (dimensions in vivo), sont comparés avec ceux obtenus par d'autres méthodes. On étudie les possibilités d'adaptation de cette technique aux mesures de la constante diélectrique d'expériences biologiques sans contact in vivo et in vitro.

Zusammenfassung

Es wird eine Methode zum unschädlichen, selektiven (teilweisen) Messen der komplexen Zulässigkeit biologischer Substanzen bei Mikrowellenfrequenzen beschrieben. Zu diesem Zweck wird ein Gaußscher Strahlenwerfer zur selektiven Bestrahlung des Testmaterials an einer bestimmten Interessenstelle benutzt; zum Messen der Amplitude und Phase der reflektierten Strahlenwelle wird eine reflektometrische Brückenanordnung benutzt. Durch Verwendung der gemessenen Daten und des theoretisch formulierten Ausdrucks für den Reflektionskoeffizienten wird der echte und der imaginäre Teil der Zulässigkeit berechnet. Die Resultate der zur Zeit angewendeten Methode für Materialien wie z.B. Acrylplastik, Bakelithylam, menschlicher Schädelknochen (in vitro Messungen in der Hinterhauptgegend) und für die mittleren Teile der Handfläche (in vivo Messungen) werden mit den Resultaten anderer Methoden verglichen. Die Eignung dieser Methode für kontaktlosein vivo undin vitro Messungen der Zulässigkeit bei biologischen Experimenten wird diskutiert.