CN105682549A - 具有微波发射/接收的医学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学成像系统，该医学成像系统具有微波发射天线和用于接收电磁场的天线，微波发射天线和用于接收电磁场的天线被布置在用于接纳待观察的人体组织介质的空间的周围，并且所述医学成像系统包括：发射天线的阵列(3)和接收天线的阵列(4)以及电机，其中，所述两个阵列(3、4)是独立的，所述电机能够使所述发射阵列(3)和/或所述接收阵列(4)相对于受观察的所述空间进行角度旋转或平移以便能够对该空间进行扫描。
Description
技术领域
本发明涉及具有微波天线的医学成像系统。
更特别地，本发明涉及的类型的成像系统用于对可透过电磁波的人体组织或器官进行分析。
该成像系统特别地并且有利地应用于乳房的成像。
背景技术
在微波成像系统中，对位于天线与受观察的介质之间的过渡材料的选择对于确保波恰当地穿透到该介质中而言是重要的。必须根据待观察的介质对所述过渡材料的介电特性加以选择，以便在影像水平方面获得更好的效果。
此外，在理想的情况下，该过渡材料必须具有最少的介电损耗，介电损耗会限制对电磁波的能量的吸收。
为此，往往确保的是将天线浸入具有待成像的生物组织的液体中。然而，即使能够改变所述液体的性质以获得优选的介电常数，这种液体在优选的工作频率下通常具有大量介电损耗。
其还在密封、发射器/传感器探针与受观察的介质的绝缘、卫生、清洁、长时间的保存、电磁特征根据温度随时间的变化等方面造成了困难。
同样提出了采用了混合过渡介质(包括过渡介质和固态过渡介质)的微波成像系统。
举例来说，IEEE(电气与电子工程协会)2010中Klemm等人所著的文章Microwaveradar-baseddifferentialbreastcancerimaging:imaginginhomogeneousbreastphantomsandlow–contrastscenarios(基于微波雷达的鉴别乳腺癌成像：在均匀的乳房模体与低对比度的情况中成像)提出了一种使用了固态过渡介质的微波成像系统，该系统包括由陶瓷材料制成的容器以及天线，所述容器中布置有适应于不同大小的乳房的调节壳体，所述天线由塑料材料制成的包层来机械支撑，该天线通过位于所述塑料材料制成的包层与所述陶瓷材料制成的容器之间的过渡介质附接至所述容器，该过渡介质位于所述天线和所述容器之间。
然而，该系统引起一些难题。
考虑到分布在所述壳体周围的固定天线的数量很少，上述文章中所提出的发射/接收结构在所获得的成像结果的稳健性方面是受限制的。
此外，在一侧为塑料材料制成的包层并且在另一侧为由陶瓷制成的壳体的这种使用方法是该两种材料之间的过渡层处的信号的回声的来源。因此，测量值可能被干扰。
类似地，由于发射和接收天线极为接近，因此所述二者彼此之间不存在恰当的电磁绝缘。由于所述探针相距较近，因此所述探针之间存在更加显著的电磁耦合。但是，由于接收探针与发射探针的直接耦合，由接收探针接收的信号通常很强烈并且限制了接收器的动态性。为了对被观察介质的图像进行重建，有必要继续对所述信号进行减影处理。由于直接耦合本身是重要的，由这些减影而产生的误差更重大。
更进一步地，该文章中所描述的结构必然是复杂的且布线昂贵，其要求在探针之间具有特别复杂的开关矩阵(以及相关的连接件)。这种结构既需要用以选择发射探针和接收探针的开关，又需要多个发射器和接收器或者所述二者的结合。
发明内容
本发明提出了一种消除现有技术缺陷的解决方案。
本发明尤其提出了一种医学成像系统，其具有发射天线和电磁场的接收天线，所述发射天线和电磁场的接收天线被布置在用于接纳待观察的人体组织介质的容积部(volume)的周围。
该系统包括发射天线阵列和接收天线阵列，这两个阵列是独立的(并且尤其是机械上独立)。设置有机动化机构，所述机动化机构适于使所述发射阵列和/或所述接收阵列以角度旋转和平移的方式相对于受观察的容积部进行移动，以使得能够对所述容积部进行扫描。所述系统在成像方面能够以总共多种状态工作。
根据一个可能的方面，所述两个阵列在旋转方面和平移方面是独立的。
特别地对于平移而言，这使得能够沿平移位移进行过采样。有利地，所述系统包括壳体、发射天线和接收天线，所述壳体由固态介电材料制成并限定出用于接纳待观察的人体组织介质的容积部，所述发射天线和接收天线在支撑物中保持为阵列状，所述支撑物基于与所述壳体具有相同的介电常数的介电材料。
所述支撑物优选地包括位于所述天线之间的由电磁吸收材料制成的部分，或者所述支撑物完全由电磁吸收材料构成。所述电磁吸收材料也具有与所述壳体相同的介电常数。
有利地，所述系统还包括通过调制来对至少接收天线进行分化(differentiation)的电子设备。
本发明还涉及待观察的人体组织介质的医学成像过程，该过程包括下述步骤：使发射阵列和/或接收阵列中的至少一个相对于受观察的容积部进行移动，以使得能够对所述容积部进行扫描；由发射阵列发送并且抵达用于接纳所述人体组织介质的壳体的微波穿过纯固态过渡介质。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优势将通过下述借助于对以非限制性示例给出的附图的详细描述来体现，在附图中：
图1是示出了本发明的一种可能的实施例的半透视示意图；
图2是图1中所示出的装置的发射天线的环形件和接收天线的环形件的透视示意图；
图3示出了本发明的又一种可能的实施例；以及
图4示出了本发明的又一种可能的实施例，该实施例具有多个发射和/或接收阵列。
具体实施方式
在图1的实施例中，所述装置包括由介电材料制成的壳体1、容器2、至少一个发射探针3a的阵列3、至少一个接收探针4a的阵列4以及一组金属壳层5和泡沫所制成的电磁吸收体6，所述壳体1用于接纳患者的乳房，所述壳体1被布置在所述容器2中，所述一组金属壳层5和泡沫所制成的电磁吸收体6包围容器2与阵列3和4。
被保持在容器2中的壳体1具有与容器的内部形状互补的外部形状(此例中为圆柱形)。壳体内具有用于接纳患者乳房的中空型腔。
该壳体1相对于容器2是可拆卸的。所述装置被连接至一组壳体1。该组壳体中的壳体的外部形状是相同的。但是所述型腔是不同的并且能够适应于不同大小的待成像的乳房。
发射天线3a的阵列3照射受观察的介质。在该例中，构成发射天线的阵列的天线3a能够均匀地分布，并优选地分布在一个平面中以致至少部分地包围容器2(图2)，或甚至按照包围所述容器2的环形件(图1、3和4)来均匀地分布。接收阵列4(即，天线4a的阵列)能够均匀地分布，并优选地分布在一个平面中以致至少部分地包围容器2(图2)，或甚至按照完全包围所述容器2的环形件(图1、3和4)来均匀地分布。
发射天线3a的阵列3以及接收天线4a的阵列4均可沿着容器2进行平移。此外，接收阵列4可按照角度位移的方式围绕容器2和所述待成像的介质(尤其是围绕与所述平移共线的轴线并且优选地在所述平移的平面内)进行旋转移动，并在需要时执行对过采样的接收。阵列3也能够围绕容器2进行旋转移动，尤其是像接收阵列4那样围绕与所述平移共线的同一轴线并且优选地在平移的平面内进行旋转移动。设置有机动化机构(motorisation)(未示出)以允许优选的不同旋转/平移运动。
显而易见的是，发射阵列3和接收阵列4在它们的运动方面以及围绕壳体2的布置方面是独立的，这使得能够对发射和接收的组合进行多种可能的选择，并且因此实现了多基地(multistatic)处理和更好的成像效果，并且使得能够实现多个天线并限制复杂程度和布线花费。特别地，如前所示，发射阵列3和接收阵列4在它们的角度旋转运动和平移运动方面能够机械地独立。
可以设置有多个发射阵列3和/或多个接收阵列4(见图4)。这使得能够对发射和接收的组合进行多种可能的选择。例如，在两个发射阵列3和两个接收阵列4的情况下，它们可被彼此堆叠成使发射阵列3与接收阵列4交替，或者发射阵列3放置于接收阵列4的任一侧(反之亦然)。
每个发射阵列3除了机械地独立于接收阵列4，还能够机械地独立于另一个发射阵列3。相似地，每个接收阵列4除了与发射阵列3机械地分立，还能够机械地独立于另一个接收阵列4。此外，还能够使得发射阵列3相互机械地依赖以及能够使得接收阵列4相互机械地依赖。
在多个发射阵列3和/或多个接收阵列4的情况中，发射阵列3和接收阵列4能够被叠置，并且阵列中的每一个的平移路径被相邻的阵列限制。这进一步地减小了不同阵列的平移路径，并且减小了绕容器周围完整移动的总持续时间。例如，阵列3、4的每一个可在第一极限位置和第二极限位置之间平移：当两个阵列接触到时，一个阵列位于其第一极限位置并且另一个阵列位于其第二极限位置。以这种方式，阵列中的每一个在一路线上能够以平移的方式运动，所述路线的长度相对于容器2的尺寸被减小。
一个或多个发射阵列3和一个或多个接收阵列4可以是二价的(bivalent)。换言之，它们能够被配置成在发射模式中的作用和在接收模式中的作用是一样多的。一命令被提供，以便分别配置发射模式中的阵列和接收模式中的阵列。所述命令被选择从而迫使所述阵列被配置为使得至少一个阵列工作在发射模式并且至少一个阵列工作在接收模式。
根据照射点的优选的数量来对发射阵列3的天线3a的数量进行选择。对于每个照射点，信号在“扫描”光栅的每个点处被所有接收探针相继地捕获，即，扫描、结合接收阵列的机械位移(竖向平移和旋转)以及接收探针的电子扫描。能够采用波的轨迹的多基地特征并且能够提高重建图像的对比度和分辨率的质量。
发射阵列3的天线3a例如是双极化天线，而接收阵列4的天线4a为单极化或双极化天线。在发射阵列3和接收阵列4为二价的情况下，这些阵列的天线3a、4a例如同为单极化或双极化。
有利地，天线还可以为宽频带的，以便允许射频信号在宽频带上的发射和接收，这增加了重建图像的分辨率和对比度。例如，天线的发射/接收频率在0.5到10GHz之间。
该装置还可包括被布置在两根相继的天线之间的吸收元件，该吸收元件使天线彼此之间电磁绝缘。
一种电子系统能够对阵列3和4的位移进行操控(控制机动化机构来进行机械扫描)，能够对运动停止的机械传感器或待分析的乳房的感测器、探针3a、4a的多路复用技术以及射频信号的处理进行管理。
例如，对接收信号进行处理和分析以获得2D或3D层析图像，例如可参考下述出版物：
IEEETrans.Biomed.Eng.(电气与电子工程师协会生物医学工程学报)2006年8月第53卷第8号第1647-1657页中Y.Xie、B.Guo、L.Xu、J.Li和P.Stoica所著的“Multistaticadaptativemicrowaveimagingforearlybreastcancerdetection”(“用于早期乳腺癌检测的多基地适应性微波成像”)；
以及ELECTRONICSLETTERS(电子快报)2003年12月第39卷第25号中R.Nilavalan、A.Gbedemah、I.J.Craddock、X.Li和S.C.Hagness所著的“Numericalinvestigationofbreasttumourdetectionusingmulti–staticradar”(“使用多基地雷达进行乳腺肿瘤检测的数值研究”)。
阵列3的天线3a以及阵列4的天线被直接模制在或被插入在与所述壳体具有相同的介电常数的材料中。支撑所述探针的材料优选地具有电磁吸收特性以减少探针之间的耦合。在这种情况下，当将所述材料应用到乳房成像系统时，天线所被模制到或所被插入到其中的材料是一种环形件。当然，其他形式的阵列是可能的：例如用于甲状腺或膝盖的成像系统的线性阵列或开放的圆弧阵列。
容器2还包括与壳体1具有相同的介电常数的材料。在另一个实施例中，构成所述容器的这种材料能够具有电磁吸收特性。
壳体1和容器2的材料是具有低损耗的介电材料，例如爱玛森康明(Emerson&Cuming)公司的EccostockHik500F。
在壳体1内部，壳体本身由生物相容性材料(例如Nuflon(TGBBT))覆盖。
构成所述阵列3和4的探针的环状支撑物的材料是与EccostockHik500F具有相同的介电常数并且具有对电磁波的吸收能力的材料。
在图2示出的另一个实现方案中，阵列3和4的探针的支撑物(由3b和4b表示)可由具有低损耗的介电材料(例如，EccostockHik500F)制成的环形件组成，该环形件包括位于探针之间的插入件10，该插入件由与EccostockHik500F具有相同的介电常数并且具有电磁波的吸收能力的材料制成。承载发射探针3a的支撑物3b被安装在撑柱11上，该撑柱使得所述支撑物3b能够平移。撑柱11被安装在环状轨道3c上，该环状轨道使得支撑物3b能够绕着壳体1的轴线转动。承载接收探针4a的支撑物4b被安装在撑柱12上，该撑柱使得所述支撑物4b能够平移。撑柱12被安装在环状轨道4c上，该环状轨道使得支撑物4b能够绕着壳体1的轴线转动。
吸收固态材料例如基于与构成壳体1的材料具有相同的真实介电常数的硅树脂或环氧基树脂。这种材料还填充有吸收粉末(例如铁磁性填料)，以便限制天线之间的直接耦合。这种吸收材料能够使得电磁场按下述情况衰减：1GHz为大约4dB/cm,3GHz为大约12dB/cm,6GHz为大约18dB/cm以及8GHz为大约18.5dB/cm。明显的是，这种解决方案的优势是为所述装置生产不含有吸收性泡沫元件的整体式组件，所述吸收性泡沫元件必须要被插入在探针之间并且从卫生学的角度而言(存在漂浮的碳颗粒)将产生实质性问题。
此外，壳体1、容器2以及阵列3和4的天线的支撑物使用了具有相同的介电常数的材料这一事实避免了分界面上的反射产生的寄生性回声(parasiteecho)的出现。此外，发射天线在同一个支撑物中被牢固地连接在一起的这一事实阻止了相对运动并且使得能够极好地保持所测得的信号的相位的稳定性并因此改善了成像的结果。
此外，为了实现探针彼此之间的绝缘，还有可能设置具有高绝缘特性的射频开关(radiofrequencyswitch)。
当要求探针发射电磁波时，通过根据调制扩散(modulateddiffusion)技术的调制，对探针的接收进行标记，该调制扩散技术在需要发射时对接收点的磁场进行局部地标记。
这通过省去复杂且昂贵的探针间的开关矩阵而减小了电子设备的复杂性和成本。
当发射和接收天线是双极化时，控制型电子设备(未示出)对工作天线的极化进行选择(通过开关或调制或甚至通过上述二者的组合)。
金属壳层5形成了部分的法拉第笼。
它们与吸收材料(例如柔软的或坚硬的泡沫6)相关，所述吸收材料被布置成：
-一方面位于两个金属壳层5之间并且尤其在外部的壳层5的内表面上；
-另一方面位于天线的阵列3和4与所述壳层之间。
这些材料强力地削弱了或甚至消除了电磁信号的回声，并且阻止了将由多重反射引起的图像重建的任何伪差。
如图3中所示的另一个实施例，成像系统还可以包括两个并置的容器2，每一个容器与发射/接收阵列3和4的子系统相关联。
覆有吸收材料并使两个容器电磁绝缘的金属盘9被插在所述两个子系统之间。
以这种方式，检查的持续时间减小了两倍并且所获得的并重建的图像的演化被同时且并行地呈现，这允许通过比较两个乳房来进行检查和诊断。
此外，根据受观察的介质的将要成像的区域，将发射和接收系统相对于其上置有患者的平台的平面T进行倾斜是有益的，例如可设置倾斜机构以控制阵列的平面相对于金属盘9的对称地倾斜并且致使距金属盘9最近的阵列的天线3a、4a移动远离患者(即平台的平面T)，并且使得距金属盘9最远的阵列的天线3a、4a朝向患者(即平台的平面T)移动。阵列相对于平台的平面T的倾斜角度例如为大约15度。
在乳房成像的情况下，阵列的平面的这种倾斜对于扫描乳房的外部区域(并且尤其是乳腺的腋窝延伸区域)是有益的。
在实施例中，医学成像系统包括：
-发射天线3a的阵列3和接收天线4a的阵列4，以及
-容器2，容器2被配置成用以接纳壳体1，所述壳体1被用来接纳人体组织介质。
人体组织介质(例如患者的乳房)的医学成像过程包括使这些阵列中的至少一个相对于接纳有人体组织介质的受观察的容积部移动(尤其以上述的角度旋转和/或平移的方式移动)。使阵列3、4能够彼此独立地以角度旋转和平移的方式进行移动。
在可能的实施例中，由发射阵列发送并且抵达壳体1的微波穿过纯(only)固态过渡介质。这种纯固态过渡介质例如由容器2构成(如图1所示)，或由支撑物3b和容器2构成(如图2所示)。这免除了液态过渡介质的缺陷。
然而应注意，根据不同应用，使用纯固态过渡介质并不是必须的。
在特定的实施例中，由发射阵列3所发送并且抵达待观察的人体组织介质(例如患者的乳房)的微波穿过纯固态过渡介质。
这种纯固态过渡介质例如由容器2和壳体1构成(如图1所示)，或由支撑物3b、容器2和壳体1构成(如图2所示)。
因此，在这种非限制性的实例中，发射阵列3和待观察的人体组织介质之间没有使用过渡介质。
本发明尤其应用于乳房成像。
Claims (15)
1.一种医学成像系统，具有微波发射天线和接收电磁场的天线，所述微波发射天线和所述接收电磁场的天线被布置在用于接纳待观察的人体组织介质的容积部的周围，其特征在于，该医学成像系统包括：
-发射天线(3a)阵列(3)和接收天线(4a)阵列(4)，这两个阵列(3、4)是独立的，以及
-机动化机构，所述机动化机构能够使所述发射阵列(3)和/或所述接收阵列(4)以角度旋转和平移的方式相对于受观察的容积部移动，以使得能够对所述容积部进行扫描。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述两个阵列(3、4)在旋转方面和平移方面是独立的。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括壳体(1)，所述壳体(1)由固态介电材料制成并限定出用于接纳待观察的人体组织介质的容积部，所述发射天线(3a)和接收天线(4a)以阵列的形式被布置在支撑物(3b、4b)中，所述支撑物基于与所述壳体(1)具有相同的介电常数的材料。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述支撑物(3b、4b)包括位于所述天线(3a、4a)之间的由电磁吸收材料制成的部分。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述支撑物(3b、4b)完全由电磁吸收材料构成。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述电磁吸收材料进一步具有与所述壳体(1)的介电常数相同的介电常数。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的系统，其特征在于，所述壳体(1)被布置在由介电材料制成的容器(2)中，所述阵列(3、4)至少部分地包围所述容器(2)，所述容器(2)、所述壳体(1)和所述阵列的所述支撑物(3b、4b)的材料是相同的。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述容器(2)在外型上呈圆柱体，所述发射阵列(3)和/或所述接收阵列(4)围绕所述圆柱体以平移和/或旋转的方式运动。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统包括至少两个容器(2)。
10.根据权利要求5到7中任一项所述的系统，其特征在于，所述壳体(1)是可拆卸的，所述系统被连接至一组具有不同内部尺寸的壳体。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的系统，其特征在于，该系统包括通过调制来进行至少所述接收天线(3a)的分化的电子设备。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的系统，其特征在于，该系统包括至少两个接收天线(3a)阵列(3)和/或至少两个发射天线(4a)阵列(4)。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，天线的所述阵列(3、4)中的每一个可沿限定的路径平移。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的系统，其特征在于，一个或多个所述接收天线(3a)阵列(3)和一个或多个所述发射天线(4a)阵列(4)是二价的，并且所述系统进一步包括用于将所述阵列(3、4)分别配置成发射模式和接收模式的命令，所述命令被选择从而迫使所述阵列(3、4)被配置成至少一个阵列以发射模式工作并且至少一个阵列以接收模式工作。
15.一种用于在医学成像系统中对待观察的人体组织介质进行医学成像的过程，所述医学成像系统具有被布置在接纳所述人体组织介质的容积部的周围的微波发射天线和电磁场的接收天线，所述系统包括：
-发射天线(3a)阵列(3)和接收天线(4a)阵列(4)，以及
-容器(2)，所述容器(2)被配置成用以接纳壳体(1)，所述壳体(1)被用来接纳所述人体组织介质，
所述过程包括下述步骤：使这些阵列(3、4)中的至少一个以角度旋转和/或平移的方式相对于受观察的容积部移动，以使得能够对所述容积部进行扫描；由所述发射阵列(3)发送并抵达所述壳体(1)的微波穿过纯固态过渡介质。
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