CN101978552A - 波导及具有波导的计算机断层摄影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波导(24)，用于将电磁波聚焦在感兴趣区域上，所述波导(24)包括形成通道的外壁(30)，所述通道具有宽度(w)和高度(h)并且用于传播所述电磁波。为了能够将EM波聚焦在感兴趣区域上，即患者(20)的胸腔上，使得环境中其他运动物体对所述波的影响被屏蔽掉，所述通道提供有第一开口和第二开口，其中所述壁为填充有导电液体的非金属中空壁。所述波导(24)可以与例如具有旋转台架(16)和患者台(18)的计算机断层摄影系统(12)CT一起使用。通过如金属壁那样散射X射线，所述波导(24)将不会在CT图像中产生伪影。然而，所述导电液体将使所述构造作为用于EM波的波导。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导，更特别地涉及一种CT兼容的波导。
背景技术
在诸如CT的成像模态中的对象运动对能获得的图像的质量具有负面影响。特别地，当获取生物，尤其是人的图像时，图像质量受到跳动的心脏诱发的运动伪影的影响。因此，人们致力于确定不存在这种运动的那些时间周期，并且随后进行成像。该技术称之为门控(gating)。如今，用于图像采集的触发信号通常从患者的ECG信号获得。为了门控的目的使用ECG信号意味着观察心脏的电兴奋。当然，心脏的电兴奋与其机械活动相关。然而，心肌的反应时间是未知并且变化的。由于该不确定性并且为了安全起见，对将成为下一个心脏静息期的时间周期进行预测必须缩短一定量的时间。换句话说，通过为了门控的目的而观察ECG，人们必须放弃宝贵的数据采集时间，这仅仅因为ECG并非心脏真正机械活动的精确指示。如果能够更好地估计心脏的静息期，并且如果它们因此能够全部用于数据采集，则可缩短总采集时间并且可减少施加于患者的X-射线负荷。但是为了这样做，必须直接观察心脏的机械活动，为此使用不同的方法。借助于电磁波，特别是多普勒雷达，能从一距离处测量患者心脏及胸腔的运动。然而，多普勒雷达不仅仅响应于心脏运动本身。由于多普勒雷达传感器以广泛的辐射模式发射电磁波，该传感器周围的所有运动部分对传感信号产生伪影。在目前的计算机断层摄影(CT)系统中，尤其是旋转台架在多普勒雷达信号中产生低频伪影。在MRI成像中还出现由人体运动导致的伪影问题。文档US2003/0195413A1(Rubin，Jonathan M.等)公开了一种具有探测器系统的MRI系统，该探测器系统用于为所述MRI系统产生门控信号。所述探测器系统包括当通过MRI系统采集图像时用于探测所述对象的运动的超声换能器。在一个实施例中，使用延伸至磁体口径内的声波导以将所述换能器放在MRI系统的磁场外部。在WO02/41776A1(Feinberg，Dvid)，进一步提出了使用超声确定运动器官的位置并且将新参数转化为随后采集到的MRI图像体积的角度和位移。但已经显示出通过超声声音手段，对较深组织结构能获得的分辨率比CT或MRI系统小。同样，进入体内的声波耦合要求一种声耦合介质，其可产生伪信号并且其在用户舒适度方面是不受欢迎的。尤其对于利用超声声音手段研究心脏来说，仅能使用具体的所谓超声窗，由于人体解剖学穿过该超声窗通往心脏的直接声通路是可能的。在这些窗外，由肺或骨结构引起反射。这意味着对于心脏的超声研究，需要经验以能正确地放置换能器。因而仍然需要心脏真实机械活动的更精确的指示。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的门控信号。
通过具有外壁的波导实现所述目的，所述外壁形成用于传播电磁波的通道，所述通道具有第一开口和第二开口，其中所述壁为填充有导电液体或凝胶的非金属中空壁。
使用诸如雷达的电磁波具有这样的优势：它们在不同电导率区域之间的障壁层上反射。在胸内，在心壁(心肌)情况下，这是最显著的。本发明的一个优势在于EM波能聚焦在感兴趣区域，例如患者的胸腔上，使得环境中其他运动物体对所述波的影响被屏蔽掉。通过提供一种具有中空壁的非金属(例如塑料)波导，所述中空壁填充有如盐水的导电液体，通过如金属壁那样散射X射线所述导电液体将不会在CT图像中产生伪影。然而，所述导电液体将使所述构造作为用于EM波的波导。
在本发明的一个实施例中，通道的宽度和高度以及通道开口适合于将通过所述通道传输的电磁波的频率。在本发明的又一个实施例中，所述宽度基本等于所述高度的两倍以允许EM的最佳传播。
通过包括发射电磁波的雷达传感器的装置进一步实现所述目的，所述雷达传感器包括天线、控制单元和根据上述实施例中的一个用于将所述电磁波聚焦在待检查对象的感兴趣区域上的至少一个波导，所述至少一个波导的第一开口朝向所述雷达传感器定向。
在本发明的一个实施例中，所述雷达传感器为允许可靠且精确地探测运动的多普勒雷达传感器。
在本发明的又一实施例中，使定距块位于雷达天线和待检查对象之间，其中所述定距块由所述至少一个波导形成。所述定距块使多普勒雷达天线及胸腔壁之间的距离保持不变。以这种方式，不存在胸腔壁相对于所述传感器的运动，从而只有运动的心壁对于多普勒频移有贡献，而不是胸腔壁。因此有效消除了通常由胸腔壁相对于所述雷达天线的运动引起的所述多普勒频移。这使得可立即从所述信号中获得关于心壁运动的信息。
优选地提供一种支撑设备，待检查对象可暂时放置在其上以允许进行简单研究而不必支持所述对象。
更优选的一个实施例是，待检查对象为患者并且所述支撑设备为容纳所述患者的患者台。尽管多普勒雷达可用于探测不同的运动对象，使用多普勒雷达的测量的主要领域之一为在保健护理中。
又一个优选的实施例是，其中至少一个波导位于患者台中以尽可能少地妨碍患者。此外雷达传感器和/或控制单元能够安装在患者台中，其允许紧凑的设计和简单的安装。
在更优选的实施例中，多个波导形成一个波导阵列以获得关于患者位置的更大公差，患者位置例如位于患者台上。在将患者定位在台上之后，控制单元测试来自阵列中的所有传感器的信号并且选择最好的一个用于随后的测量。通过使用多个雷达传感器馈给波导阵列，控制单元能测试来自阵列中的所有传感器的信号并选择最好的一个用于随后的测量。
可优选地通过一种具有旋转台架的计算机断层摄影系统改进上面讨论的问题，所述计算机断层摄影系统包括系统控制、根据前述实施例之一的装置和根据前述实施例之一的波导，其中所述装置探测在由于呼吸或由于心脏血液泵送引起的患者运动中的运动并且向系统控制提供门控信号，该门控信号触发CT数据的采集。
参考以下描述的实施例，本发明的这些及其他方面将显而易见且得以说明。
附图说明
图1为CT环境中、用于拾取心壁运动、胸腔壁运动及台架运动的多普勒雷达传感器的示意图；
图2为在CT环境中拾取心壁运动的多普勒雷达传感器机构的示意图，其中波导用作为根据本发明的定距块(distance piece)；
图3为具有波导阵列及集成在患者台上的雷达传感器的机构的示意性纵断面；
图4显示了根据本发明的非金属波导的构造；及
图5显示了由金属制成的普通波导。
具体实施方式
图1示意性地显示了本发明的背景。为了提供门控信号，CT系统12设置有具有天线15的多普勒雷达传感器14。所述CT系统12包括旋转台架16及支撑设备18，即患者台，以容纳患者20，患者的心脏21将接受检查以产生用于CT系统12的门控信号。可以看出，使用多普勒雷达传感器14是为了拾取关于患者20的心壁运动的信息。但是多普勒雷达传感器12还“看见”CT 12的旋转台架16，这是由于传感器的区域灵敏度22相当宽。多普勒雷达传感器14不能将来自患者20心壁的反射与来自台架16的反射区分开，由于这两者的多普勒频移几乎一样。所以叠加所述信号，并将其解释为来自单一对象的结果，这会导致错误结论。另外，存在来自患者20胸腔壁的反射，所述反射与心壁运动密切相关，但不相同。与来自心壁的反射相比，来自胸腔壁的反射更强。
在图1中，由多普勒雷达传感器14发送的信号用箭头f0表示：
来自台架16的反射用箭头fG表示：
fG＝f0+f多普勒台架
来自患者20的反射用箭头fP表示，其包括来自跳动的心脏21及运动的胸腔的反射：
fP_心脏＝f0+f多普勒心脏
fp_胸腔＝f0+f多普勒胸腔
在图2中，根据本发明的波导24将所有可从多普勒雷达传感器14获得的辐射电磁能量聚焦在感兴趣区域，在这种情况下为患者的胸腔。聚焦所述电磁波还意味着使产生的传感器的区域灵敏度22集中或变窄。波导24还屏蔽了来自在其内部传播的电磁波的外部影响。
因为胸腔壁与多普勒雷达传感器14的天线15之间的相对运动出现了由胸腔壁运动产生的多普勒频移。所以如果波导24用作为天线15及患者胸腔壁之间的定距块，则消除了两者之间的相对运动并且所述多普勒雷达传感器14直接传送关于心壁自身机械活动的信息。
在图2中，如图1的情况，由多普勒雷达传感器14发送的信号由箭头f0表示。由于波导24，不具有来自台架16的反射。由于波导24作为定距块，使得患者20的运动胸腔不会产生多普勒频移，由于多普勒雷达传感器14和患者20之间的距离保持不变，即在两者之间不存在相对运动，来自患者20的反射被减少为由跳动心脏21引起的反射。来自跳动心脏21的反射由箭头fP表示，根据图1：
fP＝f0+f多普勒心脏
图2还说明了如何安装波导24的原理，即位于雷达传感器14的天线15和患者20的胸之间。当然可能以图2建议的方式，通过将波导24的一个末端放置在患者14的胸腔上来实现。然而，还提供一种机构，其中，以更不唐突的方式安装波导24。因此，提供了一种机构(未示出)，其中具有天线15的雷达传感器14和波导24直接安装在患者台18上。
进一步提出了不仅在患者台18中安装单一波导24和雷达传感器14，还有阵列26，该机构在图3中示出，其中雷达传感器14和波导24直接安装在患者台18中。
通过使用波导24及雷达传感器14的阵列26，获得关于患者20位置的更大公差。在将患者20定位在台18上后，控制单元27测试来自阵列26中的所有传感器14的信号并选择最好的一个用于跳动心脏21的随后测量。
无论选择上述机构中的哪个，具有一个共同的问题，即波导24总是定位在CT扫描仪12的敏感区域。在关于金属的CT成像环境中具有特殊要求，这是因为较大块的金属材料对CT成像质量具有负面效果。金属对X射线辐射的散射效应在图像中产生条纹伪影。本发明通过提供适合于多普勒雷达14的特定操作频率的非金属波导24解决该问题。
用于EM波的最有名的非金属波导为玻璃纤维。这类型的波导称之为电介质波导，并且由于其不包含金属，电介质波导原则上适用于CT环境中。然而，用于EM波的波导必须适合于EM波的频率。例如，上述玻璃纤维用作仅用于一定范围的光波长的波导。对于高于几个10GHz的频率，设计电介质波导是完全可行的。然而，在Aachen的飞利浦实验室进行的调查显示特别是低至2.45GHz的频率对于观察心壁运动是非常有利的。实际上不可能实现以该频率操作的电介质，这是因为将必须使用具有极高介电常数的材料。在William M.Bruno，William B.Bridges：“Powder Core Dielectric Channel Waveguide”；IEEE Transactions on microwave theoryand techniques，Vol.42，no.8，August 1994中公开了将AlNi钛粉末用作这种材料的实验，但再次仅仅用于非常高的频率。
图4示出根据本发明的波导24的类型，并且图5示出根据现有技术的常用波导124。正如在普通金属波导124(图5)中，根据本发明的波导24显示了具有周围壁30及两个开口32、34的通道28。电磁波通过所述通道28传播，所述通道的宽度w和高度h必须适合于将通过通道28传输的电磁波的频率。通常，宽度w等于高度h的两倍，或非常接近于该值。
壁30由塑料制成，但为中空的并且包含高导电非金属流体(例如盐水，未示出)。通过如金属壁那样散射X射线该导电液体将不会在CT图像中产生伪影。然而，所述导电液体将使所述构造作为用于电磁波的波导。
除了在通常所述的波导构造之后的理论，为了完备性给出下面一些等式。
w＝2·h
矩形波导显示出较低的截止频率，即上述公式中的f较低_截止，下面它们不作为波导。该较低的截止频率决定了引导所述波的通道28的宽度w。在矩形波导24中，一旦计算了宽度w，可容易地确定高度h。
如果根据EM波频率确定了通道宽度w和通道高度h，能够限定波导24的外部尺寸，即外部宽度W外部和外部高度H外部。，外部尺寸W外部和H外部与通道宽度和高度参数w和h一起限定了壁厚度。壁30的厚度决定了波导24所提供的对在波导24的环境中的运动影响的屏蔽质量，所述运动将扰乱在通道28中传播的EM波。
图5所示的现有技术已知的波导124的通常实例一般由金属制造。原则上，该波导是通过其传播电磁波的是一种金属管。波导124的尺寸决定了电磁波在波导124中的传播性质。
本发明可应用于任何应用中，其中雷达传感器或依赖电磁波的其他传感器用于在具有其他运动物体的环境中捕获身体信号。特殊的情况是使用雷达传感器以对心脏CT或出现该问题的其他成像模态进行门控。
尽管在附图和之前的描述中已经图示并详细描述了本发明，这种图示和描述将理解为说明性或示意性的而并非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
Claims (14)
1.一种波导(24)，用于将电磁波聚焦在感兴趣区域上，所述波导(24)包括形成通道(28)的外壁(30)，所述通道具有宽度(w)和高度(h)且用于传播所述电磁波，所述通道(28)具有第一开口(32)和第二开口(34)，其中，所述壁(30)为填充有导电液体或凝胶的非金属中空壁。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述通道(28)的所述宽度(w)和所述高度(h)以及所述通道开口(32，34)适合于通过所述通道(28)传输的所述电磁波的频率。
3.根据权利要求2所述的波导，其中，所述宽度(w)基本等于所述高度(h)的两倍。
4.一种装置，包括发射电磁波的雷达传感器(14)，所述雷达传感器(14)包括天线(15)、控制单元(27)和根据权利要求1、2或3所述的用于将所述电磁波聚焦在待检查对象(20)的感兴趣区域上的至少一个波导(24)，所述至少一个波导(24)的第一开口(32)朝向所述雷达传感器(14)定向。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述雷达传感器(14)为多普勒雷达传感器。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，使定距块位于所述雷达天线(15)和所述待检查对象(20)之间，其中，所述定距块由所述至少一个波导(24)形成。
7.根据权利要求4、5或6所述的装置，其中，提供支撑设备(18)，所述待检查对象(20)能够暂时放置在所述支撑设备上。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述待检查对象为患者(20)并且所述支撑设备为容纳所述患者(20)的患者台(18)。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个波导(24)位于所述患者台(18)内。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述雷达传感器(14)安装在所述患者台(18)内。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述控制单元(27)安装在所述患者台(18)内。
12.根据权利要求4、5、6、7、8、9、10或11所述的装置，其中，多个波导(124)形成波导阵列(26)。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，使用多个雷达传感器(14)馈给所述波导阵列(26)。
14.一种具有旋转台架(16)的计算机断层摄影系统(12)，所述计算机断层摄影系统(12)包括系统控制、根据权利要求4、5、6、7、8、9、10、11或12所述的装置和根据权利要求1、2或3所述的波导(24)，其中，所述装置探测由于呼吸或由于心脏的血液泵送引起的所述患者(20)的运动并且向所述系统控制提供门控信号，所述门控信号触发CT数据的采集。
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