JP2011515141A - 導波路及び導波路を備えるコンピュータ断層撮影システム - Google Patents

Abstract

本発明は、関心領域に電磁エネルギを焦点合わせするための導波路２４に関する。この導波路２４は、電磁波の伝搬のための幅ｗ及び高さｈを備えたチャネルを形成する外壁部を有する。ＥＭ波を関心領域、すなわち患者２０の胸に焦点合わせすることができるようにし、当該環境における他の動きのあるオブジェクトが当該波に対して有する影響が遮断されるようにするため、第１の開口部及び第２の開口部を備えたチャネルが設けられ、これらの壁部は、導電性液体が充填された非金属中空壁部とされる。導波路２４は、回転ガントリ１６及び患者テーブル１８を備えた例えばコンピュータ断層撮影ＣＴシステム１２とともに用いることができる。導波路２４は、金属壁部のような、Ｘ線を散乱することによりＣＴ画像におけるアーチファクトを発生しない。にもかかわらず、導電性液体は、当該構成を、ＥＭ波のための導波路として機能させる。

Description

本発明は、導波路、特にＣＴ互換性導波路に関する。

ＣＴのような画像形成モダリティの間のオブジェクトの移動は、得られうる画像の品質に悪い影響を与える。特に、生き物、特に人類の画像を撮影している間は、画質は、拍動する心臓により誘発される動きアーチファクトの影響を受ける。したがって、そのような動きのないときのそうした時間期間を判定し、その上で画像形成しようとしている。この技術は、ゲーティングと呼ばれる。今日、画像取込のためのトリガ信号は、大抵、患者のＥＣＧ信号から得られる。ゲーティング目的のためにＥＣＧ信号を用いることは、心臓の電気的励起を観察することを意味する。勿論、心臓の電気的励起は、その機械的動作と相関づけられる。しかしながら、心筋の反応時間は、未知であり、変化する。そうした不確実性のためそして安全を期して、心臓の次の休止期であると予測される時間期間を、或る時間量だけ短くする必要がある。すなわち、ゲーティング目的のためにＥＣＧを確認することによって、貴重なデータ取込時間を見捨てなければならない。何故なら、ＥＣＧは、心臓の真の機械的な動作の精細な指標ではないというだけの理由があるからである。心臓の各休止期をより良好に推定することができたなら、そしてそれによりデータ取込のためにそれらをフル活用することができたなら、トータルの取込時間を短くすることができ、患者が受けるＸ線負荷を軽減することができる。しかし、それをなすためには、心臓の機械的動作を直接見なければならず、そのために種々の方法が用いられる。電磁波、特にドップラレーダを用いて或る距離から患者の心臓及び胸の動きを測定することができる。しかしながら、ドップラレーダは、心臓の動きだけでなくそれ以外にも応答動作するものである。ドップラレーダセンサは、広い放射パターンで電磁波を放射するので、センサの周辺の全ての可動部はセンサ信号にアーチファクトを生成する。現在のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムでは、これは、特に、ドップラレーダ信号において低周波数アーチファクトを生じる回転ガントリである。体の動きに起因したアーチファクトの問題はまた、ＭＲＩ画像形成の間にも生じる。米国特許出願に係る文献のＵＳ２００３／０１９５４１３Ａ１（Rubin, Jonathan M.氏ら）は、ＭＲＩシステムのためのゲーティング信号を生成するために用いられる検出器システムを備えたＭＲＩシステムを公表している。この検出器システムは、画像がＭＲＩシステムによって得られている間に当該オブジェクトの動きを検出するための超音波トランスデューサを有する。一実施例において、ＭＲＩシステムのフィールド外にトランスデューサを配置するために磁石の穴の中へと延びた音響導波路が用いられる。国際特許出願に係る文献のＷＯ０２／４１７７６Ａ１（Feinberg, David氏）には、さらに、動いている器官の位置を判定し、後に取得されるＭＲＩ画像ボリュームの角度形成及び変位へと当該新しいパラメータを変換するために超音波を用いることが提案されている。しかしながら、超音波の手段では、より深い組織構造に対して得られうるものとなっている解像度が、ＣＴ又はＭＲＩシステムと比較して低いものであることが判明した。また、音響波の体への結合は、疑似信号となりうるとともにユーザの快適さの点で望ましくない音響結合媒体を必要とする。特に超音波により人の心臓を検査するために、心臓への直接の音響パスが人の解剖学的組織構造により可能であるところの特別ないわゆる超音波ウィンドウしか用いることができない。これらウィンドウの外では、肺により又は骨構造により反射が生じる可能性がある。このことは、心臓の超音波検査のために、トランスデューサを適切に配置することができるような経験が必要となることを意味している。よって、依然として、心臓の実際の機械的動作のより精細な指標の必要性があるのである。

本発明の目的は、改善されたゲーティング信号を提供することである。

この目的は、電磁波の伝搬のためのチャネルを形成する外壁部を有する導波路であって、当該チャネルが第１の開口部及び第２の開口部を有し、当該壁部を、導電性液体又はゲルが充填した非金属中空壁部とした導波路によって、達成される。

レーダのような電磁波の使用は、これら電磁波が異なる導電性の領域の一方と他方との間のバリア層において反射するという利点を有する。胸郭内では、これは心臓壁部（心筋）において最も意義深いケースである。本発明の利点は、患者の胸などの関心領域にＥＭ波を焦点合わせすることができるので、当該環境内の他の動くオブジェクトが当該電磁波において有する作用が遮断されるようになる、というものである。非金属（例えばプラスチック）の導波路に、食塩水のような導電性の液体で満たされた中空壁部を設けることによって、当該導電性液体は、金属壁部がそうさせるような、Ｘ線を散乱することによってＣＴ画像においてアーチファクトを生じさせないものとなる。にもかかわらず、当該導電性液体は、当該構成をＥＭ波の導波路として機能させる。

本発明の一実施例において、前記チャネル及びチャネルの開口部の幅及び高さは、前記チャネルを通じて搬送されることになる電磁波の周波数に適合させられる。本発明の他の実施例においては、前記幅は、前記高さの２倍に略等しいものとして、当該ＥＭの最適な伝搬を可能とする。

上記目的は、さらに、前記レーダセンサは、アンテナ、制御ユニット、及び検査すべき被検体の関心領域に対して前記電磁波の焦点合わせをなすための前述した実施例のうちの１つによる少なくとも１つの導波路を含み、前記少なくとも１つの導波路は、前記レーダセンサに向かうよう方向づけられたその第１の開口部を有する、装置によって達成される。

本発明の一実施例において、当該レーダセンサは、確実で精度の高い動きの検出を可能にするドップラレーダセンサとされる。

本発明の１つの他の実施例において、前記レーダアンテナと前記検査すべき被検体との間に間隔片が配され、前記間隔片は、前記少なくとも１つの導波路により形成される。この間隔片は、ドップラレーダアンテナと胸壁との距離を一定に保つ。このようにして、センサに対して胸壁の動きがないので、動いている心臓だけが、ドップラシフトに寄与し、胸壁は寄与しないものとなる。したがって、通常はレーダアンテナに対する胸壁の動きにより生じると目されるドップラシフトは、効果的に排除される。これにより、心臓壁の動きに関する情報が当該信号において即座に利用可能となる。

好ましくは、前記検査すべき被検体が暫定的に配置されることのできる支持装置が設けられるものとし、当該被検体を保持する必要性を伴うことなく簡単な検査を可能にするのが良い。

さらに好ましいのは、前記検査すべき被検体は、患者であり、前記支持装置は、前記患者を受ける患者テーブルであるとした実施例である。ドップラレーダを、動いている異なるオブジェクトの検出のために用いることができるものの、ドップラレーダによる測定の主な分野の１つが医療にある。

さらに好ましいのは、患者を塞ぐのをできる限り小さくするために、前記少なくとも１つの導波路は、前記患者テーブル内に配されるとした実施例である。さらに、レーダセンサ及び／又は制御ユニットも、患者テーブルに設置することができ、これにより小型構成及び簡単設置が可能となる。

他の好適実施例においては、複数の導波路が導波路のアレイを形成するものとし、例えば患者テーブルにおいて患者の位置に関してのより大なる許容範囲を得るようにしている。患者が当該テーブルに位置づけられた後に、制御ユニットは、当該アレイにおける全てのセンサからの信号をテストし、後続の測定のために最良の１つを選択する。当該導波路アレイに信号供給するよう多数のレーダセンサを用いることによって、当該制御ユニットは、当該アレイにおける全てのセンサからの信号をテストし、後続の測定のために最良のものを選択することができる。

上述した問題は、回転ガントリを備えたコンピュータ断層撮影システムであって、システム制御部、先行する実施例のうちの１つによる装置、及び前述した実施例のうちの１つによる導波路を有し、前記装置は、呼吸による又は心臓の血液送り出しによる当該患者における動きを検出し、前記システム制御部へゲーティング信号を供給し、前記ゲーティング信号は、ＣＴデータの取り込みを起動する、システムによって良好に改善することができる。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明する実施例に基づいて明らかとなる。

心臓壁の動き、胸壁の動き及びガントリの動きを取り込むＣＴ環境におけるドップラレーダセンサの概略図。 本発明による間隔片として用いられる導波路とともに、ＣＴ環境における心臓壁の動きを取り込むドップラレーダセンサの構成の概略図。 患者テーブルに統合された導波路及びレーダセンサのアレイを備えた構成の概略的な縦断面図。 本発明による非金属導波路の構成を示す図。 金属製の共通の導波路を示す図。

図１は、本発明の背景を概略的に示している。ゲーティング信号を供給するため、ＣＴシステム１２には、アンテナ１５を備えたドップラレーダセンサ１４が設けられる。ＣＴシステム１２は、回転ガントリ１６と、支持装置１８すなわち患者テーブルとを有し、このテーブルが、ＣＴシステム１２のゲーティング信号を発生するために検査すべき心臓２１を有する患者２０を受ける。これから分かるように、ドップラレーダセンサ１４は、患者２０の心臓壁の動きに関する情報を取り込むために用いられる。しかしながら、ドップラレーダセンサ１２も、ＣＴ１２の回転ガントリ１６を「見る」。何故なら、センサの感度領域２２は、かなり広いからである。ドップラレーダセンサ１４は、患者２０の心臓壁からの反射とガントリ１６からの反射とを区別することができない。何故なら、両方のドップラ周波数シフトが殆ど同じだからである。したがって、これら信号は、重畳され、単一の目標に起因するものと解されうるものとなり、悪い結果を招くことになる。加えて、患者２０の胸壁から反射があり、この反射は、心臓壁の動きに強い相関がある一方で一致するものではない。心臓壁からの反射と比べると、胸壁からの反射は非常に強い。

図１において、ドップラレーダセンサ１４により送られる信号は、矢印ｆ_０により示される。

ガントリ１６からの反射は、矢印ｆ_Ｇにより示され、ｆ_Ｇ＝ｆ_０＋ｆ_{Doppler gantry}である。

患者２０からの反射は、鼓動する心臓３１及び動く胸からの反射を有する矢印ｆ_Ｐにより示される。
ｆ_{P_heart}＝ｆ_０＋ｆ_{Doppler heart}
ｆ_{P_chest}＝ｆ_０＋ｆ_{Doppler chest}

図２において、本発明による導波路２４は、関心領域、この場合患者の胸にドップラレーダセンサ１４からの利用可能な放射された電磁パワーの全てを焦点合わせする。電磁波を焦点合わせすることはまた、結果として得られるセンサの感度領域２２を焦点合わせし又は狭小化することも意味する。導波路２４はまた、その内部において伝搬する電磁波から外的影響を遮断する。

胸壁の動きにより発生されたドップラシフトは、胸壁とドップラレーダセンサ１４のアンテナ１５との間の相対的動きにより生じる。したがって、導波路２４は、アンテナ１５と患者の胸壁との間の距離（間隔）として用いられると、これら２つの間の相対的動きが排除され、ドップラセンサ１４は、心臓の壁部のみの機械的動きに関する情報を、直接提供する。

図２において、ドップラレーダセンサ１４により送られる信号は、図１におけるケースのように矢印ｆ_０により示される。導波路２４があるが故に、ガントリ１６からの反射がない。導波路２４は患者２０の動く胸がドップラシフトをもたらさないように間隔片として機能するので鼓動する心臓２１により当該反射にまで低下する。何故なら、ドップラレーダセンサ１４と患者２０との間の距離は、一定に維持され、すなわち当該２つの間の相対的動きがないのである。鼓動する心臓２１からの反射は、図１によれば矢印ｆ_Ｐにより示される。
ｆ_Ｐ＝ｆ_０＋ｆ_{Doppler heart}

図２はまた、どのようにして導波路２４が設置されるかの原理、すなわちレーダセンサ１４のアンテナ１５と患者２０の胸郭との間に導波路２４が設置されていることを示している。勿論、患者１４の胸の上に導波路２４の一端部を置くことにより、図２により提案されている方法でそれを行うことができる。但し、導波路２４がもっと目立たない方法で設置される構成も設けられる。したがって、アンテナ１５を備えたレーダセンサ１４及び導波路２４が患者テーブル１８に直接設置されるようなセットアップ（図示せず）が設けられる。

さらに、患者テーブル１８における単一の導波路２４及びレーダセンサ１４だけでなくアレイ２６も設置し、そのセットアップが、図３に示され、レーダセンサ１４及び導波路２４が患者テーブル１８に直接設置されるようにすることが提案される。

導波路２４及びレーダセンサ１４のアレイ２６を用いることによって、患者２０の位置に対してのより大なる許容範囲が得られる。患者２０がテーブル１８上に位置付けされた後、制御ユニット２７は、アレイ２６における全てのセンサ１４からの信号をテストし、鼓動する心臓２１の後続の測定のために最良のものを選択する。

上述したセットアップのどれが選ばれるかにかかわらず、１つの共通した問題、すなわち導波路２４が常にＣＴスキャナ１２の感応性領域に位置づけられるという点がある。金属についてのＣＴ画像形成環境における特別な要件がある。何故なら、金属材料の片は、大きくなるほどＣＴ画像形成の質に悪い影響を及ぼすからである。Ｘ線放射線における金属の散乱効果は、画像において筋状のアーチファクトを生じさせる。本発明は、ドップラレーダ１４の特定動作周波数に適した非金属導波路２４を提供することによってその問題を解消するものである。

ＥＭ波の最も良く知られた非金属導波路は、ガラスファイバである。このタイプの導波路は、誘電体導波路と呼ばれ、金属を含まないので、誘電体導波路は、原理的にＣＴ環境における使用に適している。但し、ＥＭ波のための導波路は、ＥＭ波の周波数に適合したものでなければならない。上述したガラスファイバは、例えば、或る一定の可視光の範囲についてのみ導波路として機能する。数１０ＧＨｚよりも高い周波数に対して、誘電体導波路を構成することは良好に実現可能である。但し、Aachenにあるフィリップス・リサーチ・ラボラトリにおいて行われている調査によると、特に２．４５ＧＨｚといった低い周波数が心臓壁の動きを探すのに非常に好ましいものであることが明らかとなった。実用上は、この周波数で動作する誘電体導波路を実現することは不可能である。何故なら、極端に高い誘電率の材料を用いなければならなくなるからである。William M. Bruno氏、William B. Bridges氏の"Powder Core Dielectric Channel Waveguide"; IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 42, no. 8, August 1994には、ＡｌＮｉチタン酸塩粉末がこのような材料として用いられるもののここでも非常に高い周波数に対してだけであるという実験が説明されている。

図４には、本発明による導波路２４のタイプが示されており、図５には、最先端技術による一般的に用いられる導波路１２４が示されている。ちょうど通常の金属導波路１２４（図５）におけるが如く、本発明による導波路２４は周囲壁３０及び２つの開口部３２，３４を備えたチャネル２８を呈する。電磁波は、チャネル２８を通じて伝搬されることとなる電磁波の周波数に適合させられる必要がある幅ｗ及び高さｈを有するチャネル２８を通じて伝搬する。通常は、幅ｗは、高さｈの２倍に等しいか又はその値に非常に近いものとされる。

壁部３０は、プラスチックで作られるが、中空であり、高導電性の非金属流体（例えば、図示せぬ食塩水）を含む。導電性液体は、金属壁がなすような、Ｘ線を散乱することによりＣＴ画像におけるアーチファクトを生成しない。それにもかかわらず、導電性液体は、当該構成を電磁波のための導波路として機能させることになる。

一般的に知られている導波路の構成の背後にある理論に加えて、完全性のために以下の幾つかの式が付与されることになる。
ｆ_{lower_cutoff}＝ｃ／λ_{lower_cutoff}＝ｃ／（２・ｗ）
ｗ＝２・ｈ

矩形導波路は、上記式において低カットオフ周波数ｆ_{lower_cutoff}を呈するものであり、それより下回ると導波路として機能しない。この低いカットオフ周波数は、当該波を案内するチャネル２８の幅ｗを判定する。矩形の導波路２４において、高さｈは、幅ｗが計算されると簡単に判定可能である。

チャネル幅ｗ及びチャネル高さｈがＥＭ波周波数に応じて判定されると、導波路２４の外側寸法すなわち外側の幅Ｗ_outerと外側の高さＨ_outerを定義することができる。チャネル幅及び高さのパラメータｗ及びｈと共に、外のり寸法Ｗ_outer及びＨ_outerは、壁部の厚さを決める。壁部３０の厚さは、チャネル２８の内部を伝搬するＥＭ波を妨害すると目される導波路２４の環境における動きの作用に抗して導波路２４が提供するところの遮蔽（シールディング）の質を決める。

図５に示される最新技術において知られる導波路１２４の共通の例は、普通は、金属により作られる。原理的に、これは、電磁波が伝搬する通過部としての金属パイプである。導波路１２４の寸法は、導波路１２４の内部の電磁波の伝搬特性を決める。

この発明は、電磁波に依存するレーダセンサ又は他のセンサが他の動いているオブジェクトを伴う環境において身体信号を捕捉するために用いられるいずれの用途にも適用可能である。特別なケースは、この問題が生じる心臓ＣＴ又は他の画像形成モダリティのゲーティングのためにレーダセンサを用いることである。

以上、本発明を、図面及び前述の説明により詳細に図示し説明したが、このような図示及び説明は、例示するもの又は模範例を示すものとみなされるべきであり、限定するものではなく、本発明は、開示した実施例に限定されない。

Claims (14)

1. 電磁エネルギを関心領域に焦点合わせするための導波路であって、電磁波の伝搬のための幅及び高さを備えるチャネルを形成する外壁部を有し、前記チャネルは、第１の開口部及び第２の開口部を有し、前記壁部は、導電性液体又はゲルが充填された非金属中空壁部である、導波路。
2. 請求項１に記載の導波路であって、前記チャネル及びチャネルの開口部の幅及び高さは、前記チャネルを通じて搬送されることになる電磁波の周波数に適合させられる、導波路。
3. 請求項２に記載の導波路であって、前記幅は、前記高さの２倍に略等しい、導波路。
4. 電磁波を発生するレーダセンサを有する装置であって、前記レーダセンサは、アンテナ、制御ユニット、及び検査すべき被検体の関心領域に対して前記電磁波の焦点合わせをなすための請求項１，２又は３に記載の少なくとも１つの導波路を含み、前記少なくとも１つの導波路は、前記レーダセンサに向かうよう方向づけられたその第１の開口部を有する、装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記レーダセンサは、ドップラレーダセンサである、装置。
6. 請求項４又は５に記載の装置であって、前記レーダアンテナと前記検査すべき被検体との間に間隔片が配され、前記間隔片は、前記少なくとも１つの導波路により形成される、装置。
7. 請求項４，５又は６に記載の装置であって、前記検査すべき被検体が暫定的に配置されることのできる支持装置が設けられる、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、前記検査すべき被検体は、患者であり、前記支持装置は、前記患者を受ける患者テーブルである、装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、前記少なくとも１つの導波路は、前記患者テーブル内に配される、装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記レーダセンサは、前記患者テーブルに設置される、装置。
11. 請求項８又は９に記載の装置であって、前記制御ユニットは、前記患者テーブルに設置される、装置。
12. 請求項４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載の装置であって、複数の導波路が導波路のアレイを形成する装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、複数のレーダセンサが当該導波路アレイに信号供給するものとして用いられる装置。
14. 回転ガントリを備えたコンピュータ断層撮影システムであって、システム制御部、請求項４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の装置、及び請求項１，２又は３に記載の導波路を有し、前記装置は、呼吸による又は心臓の血液送り出しによる当該患者における動きを検出し、前記システム制御部へゲーティング信号を供給し、前記ゲーティング信号は、ＣＴデータの取り込みを起動する、システム。

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