CN102822663A - 借助THz辐射来识别皮肤癌的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备（用于利用发射THz辐射（18）来照射试样（19）并且分析源自试样的接收THz辐射（25））具有：高频源（11，41），用于产生高频信号，以用在发射支路（13，43）和接收支路（14，44）中；功率分配器（15，45），用于将高频信号划分到发射支路和接收支路上；在发射支路（13，43）中，用于使高频信号的频率倍增的第一倍频器和用于将经倍频的高频信号作为发射THz辐射进行放射的发射天线；在接收支路（14，44）中，用于产生低频信号的频率发生器（21，51）、用于将高频信号与低频信号混合以产生接收支路混频信号的混频器（20，50）、用于使接收支路混频倍增的第二倍频器（23，53）、用于对接收THz辐射（25）进行接收和用于产生THz信号的接收天线装置（31，54）、用于将THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合以产生测量信号的混合装置（29，59）以及用于分析测量信号的分析装置（30，63）。

Description

借助THz辐射来识别皮肤癌的设备和方法

技术领域

本发明从一种用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备和方法出发。

背景技术

已经公知了采用THz辐射来识别皮肤癌。在0.1-5THz的频率范围中，在皮肤中可以通过反射测量来分析吸收特性和折射率的改变，其中健康的皮肤细胞和癌细胞具有不同的含水量并且因而具有不同的折射率和不同的吸收特性。在健康皮肤与患癌的皮肤之间的要期望的偏差在大约10%左右。通过频率来确定光学分辨率和渗透深度。在200GHz左右的低频拥有2.5mm的分辨率。较高频率可以更精细地分辨，但具有较小渗透深度并且在生成时要求更高的开销。US 2008/0319321公开了一种借助THz辐射的成像检查，其中THz辐射借助模式耦合的钛蓝宝石激光器的飞秒脉冲而在偶极天线中被产生。被试样反射的THz辐射同样在偶极天线中被转换成电信号，该电信号接着被分析。辐射产生和辐射检测（Strahlungsnachweis）要求高开销。

发明内容

对此，根据本发明的如权利要求1和/或14所述的用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备和方法具有如下优点：能够实现简单且成本廉价的皮肤癌检查。该设备可以被设计为如下患者设备：所述患者设备能够实现精确地观察痣并且附加地基于对含水量的分析来评价所检查的痣。通过相对测量，该方法与绝对皮肤水分无关地工作。皮肤水分的检测借助THz辐射来实现。要检查的皮肤区域利用THz辐射来照明。被反射的辐射被检测和被分析。基本上观察包括正常的（健康的）皮肤和潜在患病的皮肤的皮肤区域。通过彩色显示器放大被检查的区域，并且皮肤水分中的可能的差别通过附加的染色来表示。

由于折射率与吸收预期有差别，所以被反射的信号关于数额和相位被分析。预期的数额差在绝对-8dB和1度相位差的情况下处于0.5dB的量级。分析借助接收混频器实现，所述接收混频器的本振（LO）相对于发射信号在频率上略微失调。混频器的输出信号在数额和相位方面与被反射的THz信号成比例并且根据LO的频率偏移在数千赫兹的范围中，而且能利用成本廉价的模拟到数字（A/D）转换器和数据处理装置而被分析。

附图说明

本发明的实施例依据附图来阐述，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施形式的示意图；

图2示出了根据本发明的第二实施形式的示意图；

图3示出了第一实施形式和第二实施形式的可选的补充设备的示意图；以及

图4示出了根据本发明的实施形式的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施形式的用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备10和要检查的皮肤试样。设备10具有用于产生高频信号的高频源11。高频源11与功率分配器（Power Splitter）12连接，用于将高频功率划分到发射支路13和接收支路14中。在发射支路13中，在功率分配器12之后是用于放大高频信号的第一放大器15，并且在该第一放大器15之后是用于使高频信号的频率倍增的第一倍频器16。倍频器16与用于将经倍频的高频信号作为发射THz辐射18放射到皮肤试样19上的发射天线17相连接。

在接收支路14中，功率分配器12与混频器20相连接，该混频器20此外还与用于产生具有低频的低频信号的频率发生器或本振21相连接。混频器20将从功率分配器12获得的高频信号与从本振21获得的低频信号混合，并且产生具有接收支路混频的接收支路混频信号。混频器20与用于放大接收支路混频信号的第二放大器22相连接，在该第二放大器22之后是用于使接收支路混频倍增的第二倍频器23。被皮肤试样19反射的接收THz辐射25通过透镜26经由扫描仪27被引导至喇叭形天线28。喇叭形天线28将接收THz辐射转换成电接收THz信号，并且将所述电接收THz信号引导给混合装置29，该混合装置29此外还与第二倍频器23连接。混合装置29将接收THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合并且产生测量信号。混合装置29与用于分析测量信号的分析装置30连接。透镜26、扫描仪27和喇叭形天线28形成用于对接收THz辐射进行接收和产生接收THz信号的接收天线装置31。接收天线装置31与混合装置29相连接。

第一实施形式的其他细节现在与其功能共同被阐述。该实施形式参照频率作为具有倍频器和次谐波混频器的系统被介绍。频率倍增因数N与所使用的技术极为有关。在这里所介绍的实施形式中，采用针对第一倍频器16为N=48而针对第二倍频器23为N=24的倍增器。

高频源11在F0=11 GHz时被实现，并且高频信号借助功率分配器12被分配到发射支路13和接收支路14上。在发射支路13中，频率为11GHz的信号在第一放大器15中被放大到20dBm，使得倍频器16被供给足够的功率。倍频器16以N=48将高频11GHz倍增到0.528THz。通过实施为喇叭形天线的发射天线17，放射该频率，并且皮肤的要观察的区域（大约1cm²到2cm²）完全以THz辐射来照射。

在接收支路中，高频信号在功率分配器12之后借助实施为单边带混频器（SSB-Mixer）的混频器20在其频率上提高了50Hz到接收支路混频11.00000005 GHz，并且接着利用第二放大器22被放大到大约20dB。在接下来的级中，接收支路混频在第二倍频器23中被倍增N=24倍到264.0000012 GHz。该信号现在作为本地信号被用于随后的混合装置29、即次谐波混频器。利用接收天线装置31，在具有扫描仪27作为双轴转向镜的实施形式中进行皮肤区的几何扫描，其中借助透镜将皮肤部位成像到喇叭形天线28上。接收天线装置31将接收THz信号引导到次谐波混频器（混合装置）29的RF输入端上。次谐波混频器允许RF信号与双倍频率的本地信号混合，在此即2*264.0000012 GHz-528 GHz=2.4kHz。这样产生的为2.4kHz的混频器输出信号可以借助简单的模拟到数字转换器在分析装置30之内根据数额和相位来进行分析。为了分辨1度的相位差，分析多个相位周（Phasenzyklus），有利地分析10个到20个相位周，使得倍频器的抖动可以随着时间的推移而达到平均。

被试样反射的THz辐射在分析单元30中针对预先给定的分辨率在x方向和y方向上关于相位和数额被分析。所期望的例如为1mm²的分辨率在第一实施形式中通过扫描仪马达的步宽来确定。所有被测量的值分开地针对数额和角度被平均。接着，所有单个值分开地根据数额和相位被归一化，并且数额和相位的这样经归一化的值通过合适的几何加法被变换成标量值。几何加法的系数由校准测量导出。

图2示出了根据本发明的第二实施形式的用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备40。设备40具有用于产生高频信号的高频源41。高频源41与功率分配器42相连接，用于将高频功率划分到发射支路43和接收支路44中。在发射支路43中，在功率分配器42之后是用于放大高频信号的第一放大器45，并且在该第一放大器45之后是用于使高频信号的频率倍增的第一倍频器46。倍频器46与用于将经倍频的高频信号作为发射THz辐射放射到皮肤试样（未示出）上的发射天线47相连接。

在接收支路44中，功率分配器42与混频器50相连接，该混频器50此外还与用于产生低频信号的频率发生器或本振51相连接。混频器50将从功率分配器42获得的高频信号与从本振51获得的低频信号混合，并且产生具有接收支路混频的接收支路混频信号。混频器50与用于放大接收支路混频信号的第二放大器52相连接，在该第二放大器52之后是用于使接收支路混频倍增的第二倍频器53。被皮肤试样反射的接收THz辐射由具有数目为n的天线行55的天线阵列54来接收。天线行55共同形成接收天线装置56。每个天线行55都与同其关联的混频器57连接。混频器57共同形成混合装置59。混频器57分别与第二倍频器53连接，并且将接收THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合，而且产生天线支路测量信号。天线支路测量信号通过模拟总线60被输送给一串模拟到数字转换器61，其中每个天线支路55都关联有一个模拟到数字转换器61。模拟到数字转换器61通过数字总线62将数字输出信号给予分析单元63。

第二实施形式的其他细节现在与其功能共同地被阐述。该实施形式是用于利用InP、GaAs或SiGe半导体来实现的高度集成的解决方案。此处，基本频率明显更高地被置于例如88GHz处。天线阵列54在此被实施为贴片天线阵列（Patcharray）58。在x方向和y方向上，根据角度分辨率优选地采用n=6到n=8个元件。贴片天线阵列58的面积在大约500 GHz的工作频率的情况下在SiGe中为1.5*1.5mm²而在GaAs/InP上为0.9*0.9mm²，并且因此能良好地被集成。针对第二实施形式，例如88 GHz被选择为发生器频率。原则上，在此也可以使用倍数或分数（Vielfache oder Teiler）频率。这接着必须在倍频器的因数方面予以考虑。基本信号88 GHz完全在一个或两个HF芯片上被处理。在两个芯片的情况下，发射器和接收器被分开。带有功率分配器42和又被实施为单边带混频器（SSB-Mixer）的混频器50的高频源41被实现在发射器或接收器芯片上。在功率分配器42之后，发射信号经由第一放大器45到达第一倍频器46。第一放大器45负责用于随后的第一倍频器46的足够的电平。第一倍频器46将高频乘以因数Ns，使得输出信号在500 GHz附近，其中在528 GHz处在88 GHz的基本频率的情况下与Ns=6相乘。这样获得的输出信号通过发射天线47、即外部喇叭形天线或集成贴片天线被放射到皮肤试样的整个照亮区域上。

在接收支路中，基本信号在为400Hz的频率的例子中由本振51借助SSB混频器50被混合成接收支路混频88 GHz+400 Hz。这样获得的信号利用第二放大器52被充分放大，以便适当地控制随后的倍频器。第二倍频器53将该信号的频率乘以因数Ns-1，在此即与因数5相乘。输出信号被输送给n个次谐波混频器57。可替换地，乘数因子在接收支路中为Ns，并且n个混频器被实施为简单的混频器。n个混频器57各被天线行55馈送。天线行55的间距优选地在四分之一波长到整个波长之间。每个天线行55都被确定大小为使得在为F0的中心频率（此处为528 GHz）的情况下，信号垂直于行轴线（即入射角α=90°）以开口宽度β（ 该开口宽度β与每行的天线元件数目有关）被接收。如果基本频率88 GHz被轻微改变，则入射角α现在改变。对于较小的频率，α变得更小，并且对于较大的频率，α变得更大，即通过选择频率偏移Δf预先给定x方向上的接收方向。因而，进行频率扫描，以便在x方向上扫描皮肤试样。在y方向上，所有天线行55的信号并行地各用一个混频器57来记录、下混（heruntermischen），并且混频器输出信号通过模拟总线60被引导到相应的模拟到数字转换器61。在模拟到数字转换器61之后的数字信号接着在分析单元63中经受数字波束成形（DBF，digital Beam-forming）。借助DBF方法，从y方向以同多个行相关的角度精度根据其入射角α来分辨信号。借助DBF和基本频率的变化可以在x方向和y方向上扫描被照射的皮肤区域。测量时间仅通过用于消除混频器输出信号上的相位抖动的求平均值和在x方向上借助频率扫描的扫描速度而被限制，其中混频器输出信号上的相位抖动由多个倍增器（Verdoppler）造成。在y方向上的分析在DBF的数据处理的计算效率足够的情况下并行地实现。

反射在分析单元63中针对预先给定的分辨率在x方向和y方向上关于相位和数额被分析。所期望的例如为1mm²的分辨率在第二实施形式中通过天线阵列54的间距和元件被确定。所有被测量的值分开地针对数额和角度来求平均。接着，所有单个值分开地根据数额和相位被归一化，并且数额和相位的这样经归一化的值通过适当的几何加法而被变换成标量值。几何加法的系数由校准测量导出。

本发明在第二实施形式中使用0.5THz左右的频率，该0.5THz左右的频率能借助InP、GaAs或也借助现代SiGe HF过程成本有利地以足够的功率而被产生和被接收，并且因而允许紧凑以及成本有利的设备。

图3示出了用于第一实施形式和第二实施形式的光谱范围中的简单入射光方法的可选的补充设备70。灯71借助透镜72经由分束器73照射皮肤试样74，该皮肤试样74的图像被CCD摄像机75记录。可替换地，该灯可以被安置在摄像机旁并且省去分束器，以便不阻挡THz辐射的光路。分析装置30和/或63基于CCD摄像机75的光学图像来生成重叠的图像，其中从THz测量所获得的值附加地针对每个用THz射束照射的细胞利用错误颜色（Fehlfarbe）而有关颜色地被改变，使得可以唯一地关联在所观察的扫描区之内的具有更高的含水量的皮肤部位。在分析装置30和/或63的彩色标准显示器上放大地示出所检查的皮肤区域。

在针对整个设备将图1或图2的设备与图3的设备集成的情况下，分析装置30和/或63有利地被实施为带有显示器的控制和分析单元。

尤其是在作为患者设备的构型中，在将图1或图2的设备与图3的设备集成的情况下可以使用如下个人计算机：所述个人计算机作为分析装置30和/或63的部分承担控制和分析功能并且提供显示。

图4示出了根据本发明的实施形式的方法的流程图80。用于借助THz辐射借助用发射THz辐射照射试样并且分析源自试样的接收THz辐射来识别皮肤癌的方法以如下方法步骤a）开始：产生高频信号。接着是步骤b）将高频信号划分到发射支路和接收支路上。在发射支路中，现在跟着方法步骤c）使高频信号的频率倍增，以及跟着方法步骤d）将经倍频的高频信号作为发射THz辐射放射到试样上。在接收支路中，在方法步骤b）之后跟着方法步骤e）产生低频信号，以及跟着方法步骤f）将高频信号与低频信号混合，以产生接收支路混频信号。接下来是方法步骤g）使接收支路混频倍增。在方法步骤h）从试样将接收THz辐射进行接收并且据此产生THz信号之后，接下来是方法步骤i）将THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合，以据此产生输出信号，并且最后跟着方法步骤j）分析输出信号。

有利地，针对一个测量点分析接收THz辐射的多个相位周。

所说明的频率和乘数为例子，这些例子并不是对本发明的限制，而是仅仅阐述共同作用的部件的设计，使得该设备和方法可以在0.1-5 THz的频率范围中被采用。

Claims (15)

1.一种用于借助THz辐射来识别皮肤癌的设备，用于利用发射THz辐射（18）来照射试样（19）并且分析源自该试样的接收THz辐射（25），其中该设备（20，40）具有：

高频源（11，41），用于产生高频信号，以用在发射支路（13，43）和接收支路（14，44）中；功率分配器（15，45），用于将高频信号划分到发射支路和接收支路上；

在发射支路（13，43）中，用于使高频信号的频率倍增的第一倍频器（16，46）和用于将经倍频的高频信号作为发射THz辐射进行放射的发射天线；

在接收支路（14，44）中，用于产生低频信号的频率发生器（21，51）、用于将高频信号与低频信号混合以产生接收支路混频信号的混频器（20，50）、用于使接收支路混频倍增的第二倍频器（23，53）、用于对接收THz辐射（25）进行接收和用于产生THz信号的接收天线装置（31，54）、用于将THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合以产生测量信号的混合装置（29，59）以及用于分析该测量信号的分析装置（30，63）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，接收天线装置（31）在接收THz辐射（25）的光路中具有透镜（26）。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，接收天线装置（31）在接收THz辐射（25）的光路中具有喇叭形天线（28）和扫描仪（27）。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，扫描仪（27）具有二轴可转动的转向镜。

5.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，第二倍频器（23，53）具有比第一倍频器（16，46）更小的倍增因数，并且混合装置（29）具有次谐波混频器。

6.根据所述权利要求之一所述的设备，其特征在于，接收天线装置（56）具有带有天线行（55）的天线阵列（54）。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，混合装置（59）对于每个天线行（55）都具有一个与该天线行关联的混频器（57）。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，每个与天线行（55）关联的混频器（57）都关联有模拟到数字转换器（61）。

9.根据权利要求6至8之一所述的设备，其特征在于，第二倍频器（53）具有比第一倍频器（46）更小的倍增因数，并且与天线行（55）关联的混频器（57）是次谐波混频器。

10.根据权利要求6至8之一所述的设备，其特征在于，第二倍频器（53）具有与第一倍频器（46）相同的倍增因数，并且与天线行（55）关联的混频器（57）是简单的混频器。

11.根据权利要求6至10之一所述的设备，其特征在于，分析装置（63）被构建用于利用数字波束成形方法（DBF）来分析所述测量信号。

12.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在发射支路（13，43）中布置有第一放大器（15，45）。

13.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在接收支路（14，44）中布置有第二放大器（22，52）。

14.一种用于借助THz辐射借助用发射THz辐射照射试样并且分析源自该试样的接收THz辐射来识别皮肤癌的方法，其具有如下方法步骤：

a）产生高频信号，

b）将高频信号划分到发射支路和接收支路上，

-在发射支路中

c）使高频信号的频率倍增，以及

d）将经倍频的高频信号作为发射THz辐射放射到试样上，

-在接收支路中

e）产生低频信号，

f）将高频信号与低频信号混合，以产生接收支路混频信号，

g）使接收支路混频倍增，

h）将试样的接收THz辐射进行接收并且据此产生THz信号，

i）将THz信号与经倍频的接收支路混频信号混合，以据此产生输出信号，以及

j）分析输出信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，针对一个测量点分析所述接收THz辐射的多个相位周。

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