JP2001527456A - 電磁式画像処理装置及び診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 生物学的対象を実物大で映し出すことができる一周波数三次元電気インピーダンス断層撮影装置と協働する一周波数三次元マイクロ波断層撮影装置を備えたマイクロ波断層撮影装置が開示されている。この装置は、コード分割ソフトウェアを有する。このソフトウェアはマイクロ波パッチシステムと協働し、生物学的組織の画像を得ることができる。アンテナクラスタとトランシーバクラスタは、即時に多数の観察から生物学的特徴を検査するために、三次元マイクロ波断層撮影装置に統合されたＭＷＴとＥＩＴを提供すべく利用されている。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁式画像処理装置及び診断装置 １．技術分野 本発明は、電磁式画像処理装置及び診断装置（ＥＭＩＴシステム）に関する。 具体的に、本発明は、低周波数と組み合わされた複数の周波数を有するマイクロ 波を構成して、組織を切断するための多源型外部焦点マイクロ波を生成するもの である。本発明は、周波数レベルに基づいて区別される複数の形態のＥＭＩＴシ ステム含む。また、本発明は、コンピュータ上で実行されるソフトウェアを有す る。このソフトウェアは、三次元グラフィック断層撮影の画像処理インターフェ イスを備えたＥＭＩＴ用に構成され調整されたものである。 ２．背景技術 マイクロ波を利用した断層撮影は比較的新しい技術で、医療及びこれに関連す る産業での利用に非常に大きな潜在力を秘めている。具体的に、この技術は、現 在著しく発展を逐げつつあり、生体組織の誘電特性の違いに基づいて、組織及び 器官の生理学的特徴を内部で非侵略的にリアルタイム（即時）に撮影する用途に 役立つものである。 従来のマイクロ波を用いた断層撮影は、対象物にマイクロ波が衝突した後に該 対象物がマイクロ波によって受ける影響を検出することで該対象物を撮影するた めにマイクロ波を利用している。反射されたマイクロ波の受ける変化（対象物と の衝突による変化）は、画像化される対象物の組織の誘電率と導電率の特性に依 存する。具体的に、所定のマイクロ波の周波数に対して、反射されたマイクロ波 の反響（エコー）において観察される変化は、画像化された組織の特徴を表すも のである。 マイクロ波は、約１３０センチメートルから十分の数ミリメートルまでの極め て短波長の極高周波数から長高周波数の電波である。周波数は、０．１ギガヘル ツ（ＧＨＺ）から３０００ＧＨＺの範囲である。マイクロ波を用いた生物組織の 画像処理に現在利用されているマイクロ波は、０．５〜約３ＧＨＺの範囲である 。しかし、その他の範囲のマイクロ波スペクトルも同様に利用できる。その範囲 は、組織又は細胞の破壊を防止するという観点から、放射物が非イオン化するよ うに決定される。したがって、悪影響を与えることのない周波数範囲を決定する 際に考慮されなければならない生物物理学的パラメータが存在する。 従来技術は、２つ部類の基本的なマイクロ波画像処理技術を利用している。最 初の部類は、マイクロ波が対象物に衝突した後の該マイクロ波の絶対誘電率値を 求めることで画像を形成する静的画像処理である。他の部類は、マイクロ波の入 射時に起こる、対象物内部の誘電率の変化に基づく動的画像処理である。後者の 画像処理は、生物組織を画像処理して進行性の生理学的変化を監視する場合に極 めて有効である。静的及び動的な画像処理技術は、マイクロ波スキャナが移動又 は入射線を走査して画像処理される対象物の相互作用（影響）に基づくマイクロ 波の変化を検出するという、能動的な画像処理を必要とする。 動的画像処理を用いた場合、画像は、身体より得られた複数組のデータから記 録された回折領域の違いに基づいて、誘電率のコントラストを変えて、再生され る。しかし、大きな身体部位の内部撮影は解像度の問題があり、それが動的画像 処理の適用及びその範囲を制限している。本発明は、コンピュータソフトウェア とマイクロ波を用いた断層撮影技術とを統合することにより高解像度の画像を得 ることができる、従来の技術を大幅に進歩させたものである。発明の概要 本発明は、生物物理学的アルゴリズム／コンピュータとマイクロ波断層撮影装 置、及び三次元断層撮影装置を提供する方法を統合して実行するものである。具 体的に、本発明は、医療用の生物物理学的断層撮影用の新規な方法と装置を含む 。これらの方法と装置では、一周波数三次元マイクロ波断層撮影装置（３ＤＭＷ Ｔ）が、人間の胴体などの生物学的対象を実物大で映し出すことができる一周波 数三次元電気インピーダンス断層撮影装置と組み合わされる。 具体的に、本発明は、生物組織の誘電特性の違いに基づいて生物組織及び器官 の生物物理学的特性及び一時的な変化を映し出す画像を非進入的に即時に得るも のである。例えば、心筋の誘電特性は、局部的な血液供給、虚血、梗塞を含む生 物物理学的状態の鋭敏な指標であることが、本発明を用いて分かった。心筋の誘 電特性の変化がどの程度かは、マイクロ波断層撮影を用いて再生するための適切 なデータを提供する。さらに具体的に、本発明は、多数のマイクロ波周波数（マ イクロ波分光器）と細胞膜弛緩周波数未満の一周波数（約０．２ＭＨＺ）を有す るＥＭＩＴ装置を含む。本発明の周波数構成により、細胞体積部分、細胞内膜組 織抵抗、細胞膜容量、組織の無い結合水含有量及び組織温度等の組織の生物物理 学的パラメータを評価できる。これらの情報は、心臓学で重要なものだけでなく 、腫瘍学、泌尿器科学、神経学及び（予備情報）ＨＩＶ研究等の他の医療分野で も重要なものである。 また、本発明は、物体内の正確な誘電特性の分布を描写する、新規で定量的な 鮮明な構造画像を再生するための、数学的モデルとコンピュータで実行されるア ルゴリズムを提供するものである。 さらに、本発明は、電磁学的エネルギー焦点法により組織の内的局部加熱を提 供する治療装置を提供するものである。図面の簡単な説明 図１は、三次元（３Ｄ）断層撮影装置の外観図である。 図２は、３Ｄ断層撮影装置の主要構成部分を示す図である。 図３は、一つのウィンドウメニューのＭＷパッチのスクリーン表示である。 図４は、ＭＷパッチキャリブレーションメニューのスクリーン表示である。 図５は、４ウィンドウメニューのＭＷパッチのスクリーン表示である。発明を実施するための最良の形態 本発明は、三次元の電気インピーダンス型断層撮影装置と組み合わされた三次 元マイクロ波断層撮影装置を提供するものである。具体的に、本発明は、生物学 的対象物（例えば、人間の胴部又はその一部分）の実物大の画像を形成できる、 単一周波数・三次元電気インピーダンス型断層撮影装置と組み合わされる単一周 波数・三次元マイクロ波断層撮影装置を含む。本発明の開示は、理論値と実験地 の両方を含み、それらの値は現在医療診断及び治療に利用されている従来型のも のよりも優れた、本発明の利点及び進歩を示すものである。 本発明は、段階的なアプローチを企図しており、第１世代のＥＭＩＴは、第２ 世代の装置への改善を意図して送り出されたものである。第１世代は、以下の特 徴を有する２つのシステムを有するという点で特徴づけられるものである。 （ａ）マルチ周波数マイクロ波分光式断層撮影（０．２〜６ＧＨＺ）、（ｂ）単 一の低周波数（２００ＫＨＺ）を有するシングルマイクロ波周波数（０．８〜１ ＧＨＺ）。第２世代は、以下の特徴を有する３つのシステムを有する。（ａ）マ ルチ周波数マイクロ波（０．２〜６ＧＨＺ）、（ｂ）一つの低周波数（約２００ ＫＨＺ）、（ｃ）組織切断用（６０℃）の多源外部焦点型マイクロ波。 本発明は、ＥＭＩＴ装置から極めて正確な画像を生成できる固有のアルゴリズ ムとソフトウェアを提供する。具体的に、そのアルゴリズムにより、マイクロ波 の断層撮影から画像が再生できる。Ｘ線断層撮影の画像形成に利用されるリニア 光学近似法は、マイクロ波を用いた断層撮影に容易に適用できない。その理由は 、生物学的媒体を伝播する電磁波は回折し又干渉するので、専用のアルゴリズム を開発してマックスウェル方程式又はそれらのスカラー近似値を解かなければな らないからである。本発明は、これらの問題を解消し、必要に応じて画像を再生 できるアルゴリズムモデルとソフトウェアプログラムを提供するものである。そ のモデル、仮定、制限、及び関連する数学的条件等は、１９９７年７月４日の出 願に係る米国特許出願０８/８９６，５２５（複数の文献には、１９９９７年７ 月５日の出願に係る米国特許出願０８/８９６，５２６として記されている。） 、１９９７年５月２３日の出願に係る米国特許出願６０/０４７，６０４、米国 特許出願０８/２５０，７６２（現在の米国特許第５，７１５，８１９号）で説 明されている。なお、これらの文献は、本出願に引用導入されている。 本発明は、ＭＷＴとＥＩＴは一つの三次元マイクロ波断層撮影装置に統合した ものである。この装置は、大きな生物学的対象を検査することができる。本発明 の装置と方法は、当分野における未知で且つ達成できなかった進歩を達成するも のである。具体的に、本発明は、完全に非侵入性の断層撮影装置を得るものであ る。通常、マイクロ波領域のフォトン（光子）がもつエネルギは小さく、Ｘ線断 層撮影装置で問題となったイオン化を解消するのに十分なものである。また、身 体内部の画像化のためのすべての断層撮影装置は、組織の特性の違いに基づいて いる。例えば、Ｘ線撮影装置では、組織はその密度によって区別される。しかし 、組織密度は、組織の生理学的状態に必ずしも依存するものでない。重要となる 組織特性（例えば、温度、血液量、血液中の酸素化、虚血、梗塞）は、Ｘ線撮影 装置では識別できない。上述した係属中の出願で開示されているように、組織の 特性は、複雑な誘電率（誘電値）ｅ’と細胞体積率によって表される。 通常、対象物の解剖学的構造は、従来のＸ線又はＮＭＲ撮影法を用いて容易に 再生できる。しかし、組織の生理学的状態は、Ｘ線撮影法とＮＭＲ撮影法のいず れか又は両方から信頼性をもって得ることができない。これらの装置を効果的に 組み合わせるには多くの制限がある。まず、ＮＭＲで得られる情報は、外界の核 スピンの共鳴に関係しているので、この核の状態を反映している。次に、ＮＭＲ は、生理学的画像を得るためには長い取得時間を必要とする。これらの制限を解 消するには、高いパワーの均一な磁界を必要とし、そのために操作上及び設計上 の技術的問題に加えて、患者に危険が及ぶという問題がある。 本発明は、即時に多数の映像から対象物を同時に検査する手段を提供するもの である。図１及び図２に示すように、３Ｄ断層撮影システム１０の概略図を示す 。このシステムは、試験室１２と、装置全体を制御するグローバル制御ユニット １４と、複数のクラスタ（集団）のアンテナ（アンテナクラスタ）１６とを有す る。各クラスタは、ＭＷアンテナ１８、ＭＷトランシーバ２０、ＥＩ電極２２、 ＥＩトランシーバ２４、ＤＡＳ（データ取得装置）２６、及び電源２８を有する 。クラスタは、正確な位置決め（ポジショニング）装置２９に調整自在に設けて ある。システム１０はまた、該システムとのデータ通信を行うホストコンピュー タ３０を有する。 検査対象は、異なる誘電特性を有する溶液を備えており、試験室１２に置かれ る。試験室１２は、温度、溶液レベル、患者のＥＣＧ、その他の関連するセンサ を有する。グローバル制御ユニット１４はシステムの機能を制御し、同期信号を 生成して送出する。ＭＷアンテナ１８とＥＩ電極２２はアンテナクラスタ１６に 統合されており、信号の送信と受信に利用される。アンテナクラスタ１６は、通 信配線ネットワークを制御する他に、ＭＷトランシーバ２０とＥＩトランシーバ ２４のために、低ノイズアンプと出力段階のアンプを有する。ＭＷトランシーバ ２０とＥＩトランシーバ２４は、複数の信号を増幅し、変調し、変換する。デー タ取得装置２６は、ホストコンピュータ３０及びＬＡＮ３２と協力して信号をサ ンプリングし、ろ波し、処理するために利用される。 図３から図５において、マルチチャンネル・マルチ周波数のマイクロ波パッチ システムが示してある。マイクロ波パッチシステムは、生物組織のマイクロ波撮 影用の装置である。一般に、既存のパッチシステムは、シングルチャンネルに限 られており、同軸プローブとネットワークアナライザを用いて誘電特性を測定す るために利用される。これらの測定値は、正確な読取値を与えるほど正確でもな いし、十分に精密なものでもない。対称的に、本発明は、マルチチャンネルの複 雑な反射係数の測定を即座に高精度に実行するパッチシステムを提供する。本発 明のパッチシステムは、０．１ＧＨｚから５ＧＨｚまでの最大６つの周波数を用 いて非侵入性の生体外の測定手続を含む。このシステムはまた、即時に測定し可 視化できるものである。さらに、従来のパッチシステムと違って、キャリブレー ション（較正）には、正確なマイクロ波装置を必要としない。ホストコンピュー タ３０は、ＲＳ−４８５インターフェイス又はその同等物を用いて制御され、デ ータ取得速度を高めるためにコード分割技術（ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が実行される。 図３は、シングルウィンドウメニュー用のＭＷパッチの画面表示例を示す。メ ニューバーは、ファイル、表示、較正、テスト、ウィンドウ、及びヘルプのバー を含む。異なる周波数及び異なる表示を選択することができる。例えば、図３の 画面表示は、周波数１９６０ＭＨｚにおける、１６チャンネルのＩＭｅｐｓを示 す。 図４は、較正の画面表示例を示し、そこでは所定の周波数について、媒体又は インピーダンスが較正されている。較正は、すべてのチャンネル、一つ又は複数 のチャンネルについて行うこともできる。 図５は、４ウィンドウに関するＭＷパッチの画面表示例を示す。これによれば 、色々な周波数の読取値とチャンネル読取値を表示することができる。 図１と図２に示すように、３Ｄ撮影装置１０は、マイクロ波発生器、制御プロ セッサを有するデータ取得装置２６を備えている。また、アンテナクラスタ１６ 及び予め設定された座標に従ってアンテナクラスタ１６を移動できる正確なポジ ショニング装置２９からなる動的なアンテナアレーは、選択された対象物を観察 し検査できるように構成されている。アンテナクラスタ１６は、予め設定された 軸に沿って配列され、デジタル信号プロセッサにより制御されて３２個の分散パ ターンを同時に取得する。すべての伝送アンテナは同時に、検査対象の物体に対 して、分極化された電磁波を垂直に放射する。このように同時に放射されること により、受像装置では電磁界の重なりを生じる。複数の信号から所望の分散図を 再構成するために、コード分割法が利用される。データ取得装置２６は、サンプ リングとフィルタリングを行うと共にコード分割を実行し、受信部からの複数の 信号を処理し、アンテナクラスタ１８における任意のアンテナからの分散フィー ルド（振幅と位相）の値を割り当てる。 本発明の利点は、正確なポジショニング装置との協働によりベクトル場を測定 できることである。また、コード分割技術は、シュミレーション及び同時に行わ れる測定に対して行われる。受信アンテナの数は、誘電率の不均一性と入射場と の干渉による分散によって生じる高い場の振動に十分な数に構成される。このよ うに構成されることにより、受信アンテナの数と方向は、分散した信号の位相を 正確に測定するうえで重要である。同様に、エミッタの数は、マトリックスを反 転する際に正確にマトリックスを決定するうえで十分な数とすべきである。 したがって、本発明は、物体を画像化するために、一周波数三次元電気インピ ーダンス断層撮影装置と一つの周波数の三次元マイクロ波断層撮影装置とを組み 合わせるものである。この装置は、特に医学的診断及び治療に適用される生理学 的画像処理に有効である。 本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の範囲から逸脱すること なく、変更、改変、修正できることは当業者にとって明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 バラノフ，ウラジミール・ウ ロシア123098モスクワ、マーシャル・ワシ レフスキー・ストリート７―１―２番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 生物学的対象を実物大で映し出すことができる一周波数三次元電気インピ ーダンス断層撮影装置と協働する一周波数三次元マイクロ波断層撮影装置を備え たマイクロ波断層撮影装置において、この撮影装置は、 アンテナクラスタを形成するために、少なくとも一つのＥＩ電極に接続された 少なくとも一つのＭＷアンテナと、 トランシーバクラスタを形成するために、少なくとも一つのＥＩトランシーバ に接続された少なくとも一つのＭＷトランシーバと、 上記アンテナクラスタと上記トランシーバクラスタとデータ及び電子的な通信 を行なうデータ取得システムと、 グローバル制御ユニットと、 ホストコンピュータとを備え、 上記アンテナクラスタと上記トランシーバクラスタは電気的に通信でき、また 上記グローバル制御ユニット及び上記ホストコンピュータと電気的に通信を行な う撮影装置。 ２． 上記アンテナクラスタと上記トランシーバクラスタは、これらアンテナク ラスタとトランシーバクラスタとを上記生物学的対象に方向づけて信号を放射し て受信するように、可動ポジショニング構造に操縦可能に統合されている請求項 １の装置。 ３． 生物学的対象を実物大で映し出すことができる一周波数三次元電気インピ ーダンス断層撮影装置と協働する一周波数三次元マイクロ波断層撮影装置を備え たマイクロ波断層撮影装置で実行されるコード分割ソフトウェアであって、上記 コード分割ソフトウェアは、 複数の信号から分散デジタルデータを収集する手段と、 サンプリングとフィルタリング用の手段と、 所定の値を割り当てる手段とを有し、 上記収集する手段はデータ取得システムであり、 上記データ取得システムは上記サンプリングの手段を有し、上記割り当てる手 段は上記コード分割ソフトウェアを実行するように組み込まれている、コード分 割ソフトウェア。 ４． 生物学的対象を実物大で映し出すことができる一周波数三次元電気インピ ーダンス断層撮影装置と協働する一周波数三次元マイクロ波断層撮影装置を備え たマイクロ波断層撮影装置で実行される、生物学的組織の画像化のためのマイク ロ波パッチシステムにおいて、上記パッチシステムは、 マルチチャンネルデータを表示する手段と、 ファイル、表示、較正、テスト、及び表示のメニューバーと、 上記マルチチャンネルデータと上記メニューバーは少なくとも一つのウィンド ウ画面に表示される、パッチシステム。 ５． 上記マルチチャンネルデータは即時の反射係数測定値に関連する請求項４ のマイクロ波パッチシステム。