JP2016529937A - マイクロ波放射／受信を行う医療イメージングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロ波送信アンテナ及び観察されることになる人体組織媒質を受け入れるための空間の周り配置される、電磁場を受信するためのアンテナを有する医療イメージングシステムに関し、システムは、送信アンテナのアレイ（３）及び受信アンテナのアレイ（４）であって、前記２つのアレイ（３，４）は独立している、アレイ（３，４）；及び観察下の空間のスキャンを可能にするように観察下の前記容積に対する送信アレイ（３）及び／又は受信アレイ（４）の角度回転及び並進移動を可能にするモータを含む。

Description

本発明は、マイクロ波アンテナを持つ医療イメージングシステムに関する。

より具体的には、本発明は、電磁波に透過性の人間の組織又は器官の分析のためのこのタイプのイメージングシステムに関する。

本発明は特に有利に乳房のイメージングに適用される。

マイクロ波イメージングシステムでは、アンテナと観察下の媒質との間の伝達材料の選択が、この媒質への波の適切な侵入を確実にするために重要である。伝達材料の誘電特性は、画像のレベルにおいてより良い結果を得るために観察されることになる媒質に応じて選択されなければならない。

また、理想的には、この伝達材料は、電磁波のエネルギの吸収を制限するために可能な最小の誘電損失を有さなければならない。

このために、ほとんどの場合、アンテナを画像化されることになる生体組織とともに液体に浸すことが確実にされる。しかし、たとえ望ましい誘電体誘電率を得るために液体の特性を変更することが可能であるとしても、このような液体は一般的に望ましい作動周波数において多くの誘電損失を有する。

それはまた、シーリング、観察下の媒質との送信機／センサプローブの絶縁、衛生、クリーニング、長時間の保護、時間経過に伴う及び温度に応じた電磁特性の変動に関して困難を引き起こす。

伝達媒質及び固体伝達媒質を有する、混合伝達媒質を用いるマイクロ波イメージングシステムも提案されている。

例として、論文Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄａｒ‐ｂａｓｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂｒｅａｓｔ ｃａｎｃｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ： ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｂｒｅａｓｔ ｐｈａｎｔｏｍｓ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ −Ｋｌｅｍｍ他、ＩＥＥＥ−２０１０は、異なるサイズの乳房に適応する調節シェルに配置されるセラミック材料で作られた容器からなる固体伝達媒質及びプラスチック材料で作られた外皮とセラミック材料で作られた容器との間に伝達媒質とともに前記容器に取り付けられるプラスチック材料で作られた外皮によって機械的に支持されるアンテナを使用する、マイクロ波イメージングシステムを提案し、この伝達媒質はアンテナと容器との間に位置する。

しかしこのようなシステムは、いくらかの困難をもたらす。

上述の論文に提案された放射／受信構造は、少ない数のシェルの周りに分布した固定アンテナを与えられて得られるイメージング結果のロバスト性に関して制限される。

また、一方におけるプラスチック材料で作られた外皮及び他方におけるセラミック材料で作られたシェルの使用は、２つの材料の間の伝達のレベルでの信号のエコーのソースである。このために測定は潜在的に混乱させられる。

同様に、それらの近接のために、送信及び受信アンテナは、互いから適切に電磁的に絶縁されていない。それらの間には、プローブが近いので、いっそう大きな影響を与える電磁結合がある。しかし、受信プローブによって受信される信号は、送信プローブとの直接結合のために、一般的に強く、受信機のダイナミクスを制限する。観察される媒質の画像を再構成するために、信号の減算処理に進むことが必要である。これらの減算によって生じた誤差は、直接結合それ自体が重要であるので、いっそう重要である。

またさらに、この論文に記載された構造は、必然的に複雑且つ高価なケーブル配線であり、プローブの間に特に複雑なスイッチマトリクス（及び付随する接続）を必要とする。この構造は、送信プローブ及び受信プローブを選択するためのスイッチ、又は複数の送信機及び受信機若しくは両方の組み合わせのいずれかを必要とする。

本発明は、そのようなものとして先行技術の欠点を取り除く解決法を提案する。

特に、本発明は、送信アンテナ及び観察されることになる人体組織媒質を受け入れることが意図される容積の周りに配置される電磁場の受信アンテナを持つ医療イメージングシステムを提案する。

本発明は、送信アンテナのアレイ及び受信アンテナのアレイを有し、これらの２つのアレイは独立している（特に機械的に独立している）。観察下の容積のスキャンを可能にするように観察下の容積に対する角度回転及び並進移動で送信アレイ及び／又は受信アレイを動かすように適合される動力（ｍｏｔｏｒｉｓａｔｉｏｎｓ）が提供される。システムは、イメージングに関して完全な多状態（ｔｏｔａｌ ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｔｅ）で動作することができる。

可能な態様によれば、２つのアレイは、回転及び並進移動において独立している。

特に並進移動に関して、これは、並進移動における移動に沿ったオーバーサンプリングを可能にする。有利には、システムは、観察されることになる人体組織媒質を受け入れることが意図される容積を画定する固体誘電材料で作られるシェルを有し、送信アンテナ及び受信アンテナは、前記シェルのものと同一である誘電体誘電率の誘電体材料に基づく支持部においてアレイに維持される。

前記支持部は好ましくは、アンテナの間に電磁吸収材料で作られる部分を有する、又は前記支持部は、全体的に電磁吸収材料からなる。この電磁吸収材料はまた、シェルのものと同一である誘電体誘電率を有する。

システムは有利には、変調によって少なくとも受信アンテナの区別を実行する電子装置も有する。

本発明はまた、観察下の容積のスキャンを可能にする観察下の容積に対する送信及び／又は受信アレイの少なくとも一方を動かすことと、送信アレイによって送られ、人体組織媒質を受け入れることが意図されるシェルに到達するマイクロ波が、固体のみの伝達媒質を通過すること、からなるステップを含む、観察されることになる人体組織媒質の医療イメージングプロセスに関する。

本発明の他の特徴、目的及び利点は、非限定例として与えられる添付の図面を参照して以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の可能な実施形態を示す半斜視概略図である。 図１に示された装置の送信アンテナのリング及び受信アンテナのリングの斜視概略図である。 本発明のさらに他の可能な実施形態を示す。 幾つかの送信及び／又は受信アレイを持つ本発明のさらに他の可能な実施形態を示す。

図１の実施形態では、装置は、患者の乳房を受け入れることが意図される誘電材料で作られるシェル１、このシェル１が置かれる容器２、送信プローブ３ａの少なくとも１つのアレイ３、受信プローブ４ａの少なくとも１つのアレイ４、並びに容器２及びアレイ３及び４を囲む金属ケーシング５及びフォームで作られる電磁気吸収剤６のセットを有する。

シェル１は、それが保持される容器２の、この場合は円筒である、内部の形と相補的である外部の形を有する。内部に、シェルは、患者の乳房を受け入れることが意図される中空のくぼみを有する。

シェル１は、容器２に対して取り外し可能である。装置は、シェル１のセットと関連付けられる。シェルのセットのシェルの外側の形は同一である。しかし、くぼみは、異なり、画像化されることになる乳房のサイズへの適合を可能にする。

送信アンテナ３ａのアレイ３は、観察下の媒質を照射する。この場合、アレイを構成するアンテナ３ａは、少なくとも部分的に容器２を囲むように（図２）好ましくは１つの平面内で均一に、又は容器２を囲むリングに従って均等に（図１、３及び４）、分布されることができる。受信アレイ４はまた、このようなものとして、少なくとも部分的に容器２を囲むように（図２）、好ましく１つの平面内で、均一に、又は容器２を完全に囲むリングに従って均等に（図１、３及び４）、分布される、アンテナ４ａのアレイである。

送信アンテナ３ａのアレイ３及び受信アンテナ４ａのアレイ４はいずれも、容器２に沿って並進移動できる。また、受信アレイ４は容器２及び画像化されることになる媒質の周りの、特に並進移動とそして好ましくはその面と同一直線上である軸の周りの角度運動にしたがって回転移動可能であり、この並進移動は必要な場合に受信オーバーサンプリングを実行する。アレイ３もまた、容器２の周りに、特に受信アレイ４の並進移動とそして好ましくはその面と同一直線上である同じ軸の周りに、回転移動することができる。動力（図示せず）が、好適な異なる回転／並進運動を可能にするために提供される。

明らかにされるように、送信アレイ３及び受信アレイ４は、それらの運動及びシェル２の周りの位置決めにおいて独立し、これは、送信及び受信の組み合わせの広い可能な選択を、したがって完全なマルチスタティック処理及びより良いイメージング性能を可能にし、多数のアンテナ並びに限られた複雑さ及び配線コストを可能にする。特に、図示されるように、送信アレイ３及び受信アレイ４は、それらの角度回転の運動及びそれらの並進移動運動の両方で機械的に独立であることができる。

幾つかの送信アレイ３及び／又は受信アレイ４が設けられることができる（図４参照）。これは、送信及び受信の組み合わせのより広い可能な選択をできるようにする。例えば、２つの送信アレイ３及び２つの受信アレイ４の場合、これらは、送信アレイ３が受信アレイ４と互い違いになるように、又は送信アレイ３が受信アレイ４の両側に位置し、逆の場合も同じであるように、互いに積み重ねられることができる。

各送信アレイ３は、受信アレイ４と機械的に独立していることに加えて、他の送信アレイ３から機械的に独立していることができる。同様に各受信アレイ４は、送信アレイ３から機械的に分離されていることに加えて、他の受信アレイ４から機械的に独立していることができる。けれども、送信アレイ３を互いに機械的に依存させるとともに受信アレイ４を互いに機械的に依存させることが可能である。

複数の送信アレイ３、及び／又は受信アレイ４の場合、送信アレイ３及び受信アレイ４は、重ねられることができ、アレイのそれぞれの並進移動経路は、隣接するアレイによって制限される。これはさらに、異なるアレイの並進移動経路を減少させるとともに、容器の周りの完全な取得の全体の期間を減少させる。例えば、アレイ３、４のそれぞれは、第１と第２の端部位置との間で並進移動可能である：２つのアレイが接触するとき、一方はその第１の端部位置にあり他方はその第２の端部位置にある。この方法では、アレイのそれぞれは、長さが容器２のサイズに対して減らされているコースの上で並進移動可能である。

送信アレイ３及び受信アレイ４は、二価（ｂｉｖａｌｅｎｔｓ）であることができる。すなわち、それらは、受信モードと同じだけ送信モードで作動するように構成されることができる。命令が、送信モード、受信モードそれぞれで、アレイの構成に対して提供される。命令は、少なくとも１つのアレイが送信モードで動作するとともに少なくとも１つのアレイが受信モードで動作するようにアレイの構成を強いるように選択される。

送信アレイ３のアンテナ３ａの数は、照射のポイントの望ましい数に応じて選択される。照射の各ポイントに対して、信号が、全ての受信プローブによって、「スキャン」格子の各ポイントで、連続的に捕捉され、それは、受信アレイの機械的な移動（垂直並進及び回転）及び受信プローブの電子スキャンを組み合わせる、スキャンである。波の軌跡のマルチスタティック特性が利用されることができ、再構成される画像のコントラスト及び解像度の品質が高められることができる。

送信アレイ３のアンテナ３ａは、例えば、ダイポールアンテナである一方、受信アレイ４のアンテナ４ａは、モノポール又はダイポールアンテナである。送信アレイ３及び受信アレイ４が二価である場合、これらのアレイのアンテナ３ａ、４ａは例えば、同一のモノポール又はダイポールである。

アンテナはまた有利には、広い周波数帯にわたって無線周波数信号の送信及び受信を可能にするように、広帯域であり、これは、再構成画像の解像度及びコントラストを引き上げる。例えば、アンテナの送信／受信周波数は、０．５から１０ＧＨｚの間である。

装置はまた、２つの連続するアンテナの間に配置される吸収要素を有し、これは互いからアンテナを電磁的に絶縁する。

電子システムが、アレイ３及び４の移動の制御（機械的なスキャンを実行するための動力の制御）、運動停止の機械的センサ又は解析されることになる乳房の存在センサの管理、プローブ３ａ、４ａの多重化及び無線周波数信号の解析を可能にする。

２Ｄ又は３Ｄ断層画像を得るための受信信号の処理及び解析の例として、例えば以下の文献を参照することができる：
− Y. Xie, B. Guo, L. Xu, J. Li, and P. Stoica, "Multistatic
adaptative microwave imaging for early breast cancer detection", IEEE
Trans. Biomed. Eng., vol 53, no. 8, pp 1647−1657, Aug. 2006；及び
− R. Nilavalan, A. Gbedemah, I.J. Craddock, X. Li and S.C. Hagness,
Numerical investigation of breast tumour detection using multi−static radar,
ELECTRONICS LETTERS vol 39, no. 25, December 2003。

アレイ３のアンテナ３ａは、アレイ４のものに対するように、シェルのものと同一の誘電体誘電率の材料の中に直接モールド成型される又はインサートされる。プローブを支持するこの材料は好ましくは、プローブの間の結合を減少させるために電磁吸収特性を有する。この場合、乳房のイメージングシステムへの適用の場合、アンテナがモールド成型又はインサートされる材料は、リングになっている。アレイの他の形態、例えば、甲状腺又は膝のイメージングシステムのための、直線アレイ又は円の開いた弧が、もちろん可能である。

容器２はまた、シェル１のものと同一の誘電体誘電率の材料を有する。他の実施形態では、容器を構成するこの材料は、電磁吸収特性を有することができる。

シェル１及び容器２の材料は、低損失の誘電体材料、例えば、会社Ｅｍｅｒｓｏｎ＆ＣｕｍｉｎｇのＥｃｃｏｓｔｏｃｋ Ｈｉｋ５００Ｆである。

その内部で、シェル１はそれ自体、Ｎｕｆｌｏｎ（ＴＧＢＢＴ）のような生体適合性材料によって覆われる。

アレイ３及び４のプローブの環状支持部を構成する材料は、Ｅｃｃｏｓｔｏｃｋ Ｈｉｋ５００Ｆのものと同じ誘電体誘電率及び電磁波の吸収能力の両方を有する材料である。

図２に示された他の具現化では、アレイ３及び４のプローブの、３ｂ及び４ｂによって参照される、支持部は、低損失の誘電体材料、例えば、Ｅｃｃｏｓｔｏｃｋ Ｈｉｋ５００Ｆで作られ、Ｅｃｃｏｓｔｏｃｋ Ｈｉｋ５００Ｆのものと同じ誘電体誘電率及び電磁波の吸収能力の両方を有する材料作られるプローブの間のインサート１０を含む、リングを有することができる。送信プローブ３ａを支える支持部３ｂは、支持部３ｂの並進の移動を可能にするジャッキ１１に取り付けられている。これらのジャッキ１１は、支持部３ｂがシェル１の軸の周りに回転することを可能にする環状レール３ｃに取り付けられている。受信プローブ４ａを支える支持部４ｂは、支持部４ｂの並進の移動を可能にするジャッキ１２に取り付けられている。これらのジャッキ１２は、支持部４ｂをシェル１の軸の周りに回転させる環状レール４ｃに取り付けられている。

吸収固体材料は例えば、シェル１を構成する材料と同じ実誘電体誘電率を有するシリコーン又はエポキシに基づく。この材料はまた、アンテナの間の直接結合を制限するために、吸収粉末、例えば、強磁性フィラーを充填される。このような吸収材料は、おおよそ１ＧＨｚに対する４ｄＢ／ｃｍ、３ＧＨｚに対する１２ｄＢ／ｃｍ、６ＧＨｚに対する１８ｄＢ／ｃｍ及び８ＧＨｚに対する１８．５ｄＢ／ｃｍの電磁場の減衰を可能にする。このような解決方法が、プローブの間に必然的に置かれ得るとともに衛生の観点から（カーボンの飛んでいる粒子の存在）、実質的な問題を起こし得る吸収フォーム要素なしに、装置を完全に一体化されたアセンブリに作ることの利点を有するということは明らかである。

また、シェル１、容器２並びにアレイ３及び４のアンテナの支持部と同じ誘電率の材料を使用する事実は、界面での反射によって生じたパラサイト（ｐａｒａｓｉｔｅｓ）エコーの出現を防ぐ。また、送信アンテナが同じ支持部で一緒に強固に連結されているという事実は、相対運動を防ぐとともに、測定される信号の位相の安定性に対する優れた密着を可能にし、したがって改良されたイメージング結果を可能にする。

また、互いからのプローブの絶縁を完成するために、高い絶縁特性を持つ無線周波数スイッチを設けることも可能である。

プローブの受信に、及び必要ならばプローブの送信にマークすることも、受信の、及び必要ならば送信のポイントにおける場を局所的にマークする変調拡散の技術のように変調によって、提供される。

これは、複雑且つ高価なプローブの間のスイッチマトリクスを省くことによって電子装置の複雑さ及びコストを減少させる。

送信及び受信アンテナがダイポールであるとき、制御電子装置（図示せず）は、（スイッチにより、又は変調によって、又はさらに両方を組み合わせることによってのいずれかで）作動アンテナの分極を選択する。

金属ケーシング５は、部分的なファラデーケージを形成する。

それらは、吸収材料、例えば、
− 一方では、２つの金属ケーシング５と特に外側ケーシング５の内面との間；
− 他方では、アンテナのアレイ３及び４と前記ケーシングとの間；
に配置される柔軟な又は硬いフォーム６と関連付けられる。

これらの材料は、電磁信号のエコーを強力に減衰させる、又は除去さえし、多重反射に起因する画像再構成の如何なるアーチファクトも防ぐ。

他の実施形態のために図３に示されるように、イメージングシステムはまた、それぞれが送信／受信アレイ３及び４のサブシステムと関連付けられる、２つの並置された容器２を有することができる。

２つの容器を電磁的に絶縁する吸収材料で覆われた金属プレート９が、２つのサブシステムの間に置かれる。

この方法では、これは、検査所要時間を２倍で減少させ、得られる及び再構成される画像の発生が同時且つ並行して示され、これは両方の乳房の比較による検査及び診断を可能にする。

また、画像化されることになる観察下の媒質の領域に応じて、患者が位置するテーブルＴの面に対して、送信及び受信システムを傾斜させることは興味深いことであり得、例えば、傾斜機構が、金属プレート９に対して対称的にアレイの平面の傾斜を制御するために、そして、金属プレート９に最も近いアレイのアンテナ３ａ、４ａが、患者から離れて、すなわちテーブルＴの面から離れて動くように、及び金属プレート９から最も遠いアレイのアンテナ３ａ、４ａが患者に向かって、すなわちテーブルＴの面に向かって動くように、設けられることができる。テーブルの面Ｔに対するアレイの傾斜の角度は、例えば、約１５度である。

乳房のイメージングの場合には、アレイの面のこの傾斜は、乳房の外部領域、特に乳腺の腋窩拡張領域をスキャンするのに有用であることができる。

実施形態では、医療イメージングシステムは：
− 送信アンテナ３ａのアレイ３及び受信アンテナ４ａのアレイ４、及び
− 人体組織媒質を受け入れることが意図されるシェル１を受け入れるように構成される容器２、
を有する。

例えば患者の乳房のような、人体組織媒質の医療イメージング処理は、前述のように、特に、角度回転及び又は並進移動で、人体組織媒質を受け入れている観察下の容積に対してこれらのアレイの少なくとも１つを移動させることからなる。アレイ３、４を角度回転で及び並進移動で互いに独立して移動させることが可能である。

可能な実施形態では、送信アレイによって送られ且つシェル１に到達するマイクロ波は、固体のみの伝達媒質を通過する。この固体のみの伝達媒質は、例えば、（図１に示されるように）容器２によって、又は（図２に示されるように）支持部３ｂ及び容器２によって、構成される。これは、伝達液体媒質の欠点をなくす。

本出願によればしかし、固体のみの伝達媒質を使用することは必須ではないことが留意される。

特定の例では、送信アレイ３によって送られ且つ（患者の乳房のような）観察されることになる人体組織媒質に到達するマイクロ波は、固体のみの伝達媒質を通過する。

この固体のみの伝達媒質は、例えば、（図１のように）容器２及びシェル１によって、又は（図２のように）支持部３ｂ、容器２及びシェル１によって、構成される。

したがって、この非限定的な例では、伝達媒質は、送信アレイ３と観察されることになる人体組織媒質との間で使用されない。

本発明は特に乳房のイメージングに適用される。

Claims (15)

1. マイクロ波送信アンテナ及び観察されることになる人体組織媒質を受け入れることが意図される容積の周り配置される電磁場の受信アンテナを持つ医療イメージングシステムであって：
   − 前記送信アンテナのアレイ及び前記受信アンテナのアレイであって、これらの２つのアレイは独立している、前記送信アンテナのアレイ及び前記受信アンテナのアレイ；及び
   − 観察下の前記容積のスキャンを可能にするように前記観察下の前記容積に対する角度回転及び並進移動で前記送信アレイ及び／又は前記受信アレイを動かすことができる動力；を含む、
   イメージングシステム。
2. 前記２つのアレイは、前記回転及び前記並進移動において独立している、
   請求項１に記載のイメージングシステム。
3. 観察されることになる前記人体組織媒質を受け入れることが意図される前記容積を画定する固体誘電材料で作られるシェルをさらに有し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記シェルのものと同一である誘電体誘電率の材料に基づく支持部においてアレイに配置される、
   請求項１又は２に記載のイメージングシステム。
4. 前記支持部は、前記アンテナの間に電磁吸収材料で作られる部分を有する、
   請求項３に記載のイメージングシステム。
5. 前記支持部は、全体的に電磁吸収材料からなる、
   請求項３に記載のイメージングシステム。
6. 前記電磁吸収材料はさらに、前記シェルのものと同一である誘電体誘電率を有する、
   請求項４又は５に記載のイメージングシステム。
7. 前記シェルは、前記アレイが少なくとも部分的に囲む誘電体材料で作られる容器の中に配置され、前記容器、前記シェル及び前記アレイの前記支持部の材料は同一である、
   請求項４乃至６のいずれか１項に記載のイメージングシステム。
8. 前記容器は、外部が円筒形であり、前記送信アレイ及び／又は前記受信アレイは、前記円筒形の周りを並進及び／又は回転で動く、
   請求項７に記載のイメージングシステム。
9. 少なくとも２つの容器を有する、
   請求項３に記載のイメージングシステム。
10. 前記シェルは取り外し可能であり、前記システムは、異なる内部寸法の前記シェルのセットと関連付けられる、
    請求項５乃至７のいずれか１項に記載のイメージングシステム。
11. 変調によって少なくとも前記受信アンテナの区別を実行する電子装置を有する、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のイメージングシステム。
12. 少なくとも２つの前記受信アンテナのアレイ及び／又は少なくとも２つの前記送信アンテナのアレイを有する、
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のイメージングシステム。
13. 前記アンテナの前記アレイのそれぞれは、制限された方法で並進移動可能である、
    請求項１２に記載のイメージングシステム。
14. 前記受信アンテナの前記アレイ及び前記送信アンテナの前記アレイは二価であり、送信モード、受信モードそれぞれでの前記アレイの構成に対する命令をさらに有し、前記命令は、少なくとも１つの前記アレイが前記送信モードで動作するとともに少なくとも１つの前記アレイが前記受信モードで動作するよう前記アレイの構成を強いるように選択される、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のイメージングシステム。
15. マイクロ波送信アンテナ及び人体組織媒質を受け入れる容積の周り配置される電磁場の受信アンテナを持つ医療イメージングシステムにおける、観察されることになる前記人体組織媒質の医療イメージングシステムのためのプロセスであって、前記システムは：
    − 前記送信アンテナのアレイ及び前記受信アンテナのアレイ；及び
    − 前記人体組織媒質を受け入れることが意図されるシェルを受けるように構成される容器；を有し、
    前記プロセスは、観察下の前記容積のスキャンを可能にする前記観察下の前記容積に対して前記アレイの少なくとも一方を角度回転及び／又は閉品移動で動かすことと、前記送信アレイによって送られるとともに前記シェルに到達する前記マイクロ波が、固体のみの伝達媒質を通過すること、からなるステップを含む、
    プロセス。
    
    

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