JP2019509773A - マイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システムと装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波技術を用いて病気の診断／予防をする医療システムを提供する。
【解決手段】本発明の医療システムは、内部ユニット１０と外部ユニット２０とを有する。内部ユニット１０は、マイクロ波信号を含む第１信号を患者の組織に放射し組織で散乱された第２信号を検出する放射・検出手段を有する。外部ユニット２０は、内部ユニット１０により検出された第２信号を受領しこれを画像に変換する。放射・検出手段は、Ｎ個の送信機／アンテナ１１ＴとＮ個の受信機／アンテナ１１Ｒからなる２つのアレイを有する。内部ユニット１０は、２つのアレイと外部ユニット２０とに接続される信号供給／多重化手段１２を有する。この手段１２は、アンテナ１１Ｔとアンテナ１１Ｒの対の各々を連続するシーケンスで選択し、マイクロ波信号の放射と散乱された信号の検出を実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、 病気（特に癌、結腸癌、直腸癌）を治療する医療システムに関し、特にマイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システムと装置に関する。

多くの癌は前駆体病巣から発症する。例えば、結腸癌、直腸癌は、腺癌連鎖に従って線種のポリープから発症する。近年、市販されている内視鏡、ＨＤ内視鏡、有色内視鏡ＮＢＩ（Narrow Band Imaging）のような補足機能、画像拡大技術等で得られる画像品質に多くの改善が見られる。ところが、これらの装置／機能を利用すると、スキャニングが面倒になり時間がかかり、内視鏡操作者に特別な訓練を必要とする。従来の内視鏡のこれらの制約から、より革新的な代替手段（例：コンピュータ映像技術）が出現した。しかし、これらの技術は、内視鏡の光学カメラにより得られる情報に基づいており、その画像に依存している。その理由は、大部分の研究は、ポリープの存在を決定するために、組織特性（例：形状、特質）の記述に基づいているからである。

非侵襲性の別の新規技術はマイクロ波による画像化である。マイクロ波信号は、光学的に不透明な物質を貫通し、組織の誘電体特性に基づいた新たなコントラスト機構を動作させている。各組織は、その状態（低酸素症、腫瘍）によって変化する自身特有のの誘電体特性を有している。マイクロ波画像化システムは、人体に直接接触せずに、人体の誘電体特性を検知し、組織分布の画像と病理学状態を獲得できる。マイクロ波は、１９８０年代から、診断と治療（高発熱、切除）の両方で、医療の分野で応用されてきた。肺癌と脳出血の検知は、最も良く知られた応用例である。マイクロ波の主な利点は、安全性（イオン化しないことと低出力放射でよいこと）と低コストである。病気の診断と予防の為に、マイクロ波を高出力でも放射できることである。マイクロ波画像化システムは、多くの内視鏡又はカテーテル・ベースのマッピング応用（例：結腸内視鏡術又は心臓の電子−吻合マッピング）において、情報を提供することができる。

ＵＳ−Ａ１−２０１３３４５５４１ ＥＰ−Ｂ１−１１２１０４６ ＷＯ２０１４／１４９１８３ ＷＯ２０１３／００５１３４

特許文献１は、組織の画像化と組織との応答を行う電気外科システムを開示する。この電気外科システムは、第１エネルギーを生成するエネルギー源と、このエネルギー源に接続された伝送ラインと、第１エネルギーを放射する電気外科器具とを有する。ミラーがこの第１エネルギーを目標組織の方に向けて反射する。この目標組織が、第２エネルギーを放射する。超音波トランスデューサーが、目標組織から第２エネルギーを受領し、この第２エネルギーを電気信号に変換する。特許文献１の電気外科システムは、本発明とは異なり、第１エネルギー信号の放射と第２エネルギー信号の検出を順次行う送信用アンテナ・アレイと受信用アンテナ・アレイを有さない。

特許文献２は、移植可能な装置を用いて治療する方法を開示する。この移植可能な装置は、人間又は動物の身体内に移植される受信用アンテナと電気的に動作可能な治療装置とを含む。受信用アンテナは、マイクロ波周波数範囲内の電磁放射を受領し、そこから電気エネルギーを生成或いは蓄える。治療装置は受信用アンテナから電気エネルギーを受領する。治療装置は、治療中の人体外に置かれたエネルギー源から、マイクロ波周波数範囲内の電磁放射を移植された装置の方向に向けて、治療装置を動かす電気エネルギーを生成する。特許文献２の装置は、本発明とは異なり、エネルギー信号を組織に向けて放射するためにかつこの組織により散乱されたエネルギーを検出するために、送信用アンテナと受信用アンテナの対の順次の選択を実行していない。

特許文献３は、目標組織領域内或いはその周辺領域に移植されたマーカーを検出するために、電磁信号を送受信するマイクロ波アンテナ・プローブを含むシステムを開示する。使用中はマーカーは、目標組織領域に移植されており、マイクロ波アンテナ・プローブは、患者の皮膚に配置され、信号をマーカーに送り、マーカーから反射されてきた信号を受信し、マーカーの位置を特定している。特許文献３は、本発明とは異なり、マイクロ波信号を送信する手段は、Ｎ個の送信機とＮ個の受信機からなる２つのアレイを有さない。更に、Ｎ個の送信機／アンテナとＮ個の受信機／アンテナに接続された信号供給／多重化手段を有さない。本発明の信号供給／多重化手段は、コントローラの制御下で、送信機／アンテナと受信機／アンテナの様々な対を連続的に選択し、マイクロ波信号の送受信と散乱されたマイクロ波信号の検出を実行している。

特許文献４は、プローブを用いて特に送信用アンテナを用いて、電磁エネルギーを目的とする対象物に放射し、プローブを活性化して散乱された電磁界と相互作用させ、受信アンテナを用いて得られた散乱された電磁界をサンプリングして、対象物を画像化するシステムと方法を開示する。その後、サンプリングされた電磁エネルギーを用いて、目的物の画像を再構築する。しかし本発明では、特許文献４とは異なり、時間経過と共に変わる様々なアンテナ構成を用いて電磁エネルギーを放射している。

本発明の目的は、マイクロ波技術を用いて病気例えば癌（特に結腸癌、直腸癌）の診断と予防をする高精度の医療システムと装置と、映像に基づく診断方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、本発明はマイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システムを提供する。本発明の医療システムは、患者の体腔（例：結腸，胃、食道、気管等）内に挿入される内部ユニットと計算用の外部ユニットとを有する。外部ユニット（例：パソコン、スマートフォーン）は、患者の身体外に配置され、内部ユニットに接続され、内部ユニットにより検出された第２エネルギー信号を受領し、この第２エネルギー信号を画像に変換する。

従来技術とは異なり、本発明の医療システム内には、第１エネルギー信号を患者の組織に放射し前記組織で散乱された第２エネルギー信号を検出する放射・検出手段は、Ｎ個の前記送信機／アンテナとＮ個の前記受信機／アンテナからなる２つのアレイを有する。前記第１エネルギー信号と第２エネルギー信号とは、マイクロ波信号（３−１０ＧＨｚ）を含む。

内部ユニットは、Ｎ個の送信機とＮ個の受信機と外部ユニットに接続された信号供給／多重化手段を有する。信号供給／多重化手段は、前記外部ユニットのコントローラの制御下で、前記送信機／アンテナと受信機／アンテナの対の各々を連続するシーケンスで選択し、マイクロ波信号の放射と散乱されたマイクロ波信号の検出を実行する。

本発明の一実施例によれば、Ｎ個の送信機とＮ個の受信機と前記信号供給／多重化手段とは、同一の基板に配置され、前記基板の第１面上にＮ個の送信機とＮ個の受信機が配置され、第２面上に信号供給／多重化手段が配置される。Ｎは４以上の整数が好ましい。

更に、内部ユニットは、保護シェルを更に有する。保護シェルは、Ｎ個の送信機とＮ個の受信機と前記信号供給／多重化手段とを収納する。本発明によれば、保護シェルは、生物適合性材料製であり、良好な気密性を有し、高度の殺菌処理で使用される殺菌剤に対する抵抗手段を提供する。好ましくは、内部ユニットは、円筒形状をしており、内視鏡、カテーテルにも連結される。

Ｎ個の前記送信機／アンテナとＮ個の前記受信機／アンテナは、無線周波数スイッチに無線周波数の送信ラインを介して接続されている。更に、Ｎ個の前記送信機／アンテナとＮ個の前記受信機／アンテナとは、使用されるマイクロ波の波長の１／２の距離以上離れて配置されている。

外部ユニットは、信号供給／多重化手段に有線（光ファイバー、同軸ケーブルを含む）又は無線で接続されている。バッテリーを用いてアンテナに電気を供給してもよい。

本発明の一実施例によれば、外部ユニットのコントローラは、連続するシーケンスで、送信機／アンテナと前記受信機／アンテナとからなる対を１つだけ選択する。

本明細書に開示した本発明の他の実施例は、マイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする装置を含む。この装置は、内視鏡又はカテーテルに接続され、外部ユニット（例：パソコン、スマートフォーン、ノート型パソコン、タブレット端末）で制御される手段を含む。

本発明の一実施例によるマイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システムの概略図。 本発明の一実施例による医療システムのユニット／モジュールを示すブロック図。

図１は、病気（特に癌）の診断と予防をする医療システムの一実施例を表す。

本発明の一実施例によれば、本発明のシステムは、内部ユニット１０と計算を行う外部ユニット２０とを有する。内部ユニット１０は、円筒状で、患者の体腔（又は内側領域）に挿入されるカテーテル・チューブ又は内視鏡１４に結合される。例えば、結腸、胃、食道、気管等内に挿入される。外部ユニット２０は、内部ユニット１０に接続されるパソコン（ＰＣ）で、信号源２３，信号受信機２２，コントローラ２１，記憶装置、プロセッサ２４，表示装置２５等を有する。

内部ユニット１０は、４個の送信機／アンテナ１１Ｔからなる１つの線形アレイと、４個の受信機／アンテナ１１Ｒからなる１つの線形アレイと、信号供給／多重化手段１２と、保護シェル１３を有する。送信機／アンテナ１１Ｔは、マイクロ波信号を患者の身体の組織に放射（照射）する。受信機／アンテナ１１Ｒは、組織で散乱されたマイクロ波信号を検出する。信号供給／多重化手段１２は、送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒと外部ユニット２０とに接続される。保護シェル１３は、送信機／アンテナ１１Ｔと、受信機／アンテナ１１Ｒと、信号供給／多重化手段１２とを収納する、

内部ユニット１０の３個の部品即ち送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒの２つのアレイと、信号供給／多重化手段１２、保護シェル１３は、この医療装置のサイズと再構成の制約を考慮にいれて、デザインされている。

この実施例によれば、送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒの２つのアレイは基板の表面に、信号供給／多重化手段１２は裏面にプリントされている。受信機／アンテナ１１Ｒは、送信機／アンテナ１１Ｔの下（内視鏡１４が接続される側）に配置され、同一の特性を有し、波長の少なくとも半分以上の距離だけ離れており、アンテナ・アレイの結合（干渉）を減らしている。送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒは，印刷されたコンパクトなスロットである。

信号供給／多重化手段１２は、各送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒの各アレイ用に、無線周波数スイッチ１２Ａと無線周波数の送信ライン１２Ｂとからなる。

保護シェル１３は、良好なシーリングと、高度の殺菌処理で使用される殺菌剤に対する抵抗手段を提供する。

図１では、送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒはそれぞれ４個描かれているが、この数に限定されない。例えば、２Ｘ２（２個の送信機／アンテナと２個の受信機／アンテナ）、３Ｘ３（３個の送信機／アンテナと３個の受信機／アンテナ）、５Ｘ５（５個の送信機／アンテナと５個の受信機／アンテナ）、８Ｘ８（８個の送信機／アンテナと８個の受信機／アンテナ）もあり得る。図１では線形（一列に並んでいる）アレイであるが、本発明の範囲内において、他の構成の配列も可能である。

患者の身体組織の断面画像を得る為に、身体組織を全方向（３６０度）から照射する。そうするために、送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒは、信号供給／多重化手段１２（無線周波数スイッチ１２Ａと無線周波数の送信ライン１２Ｂからなる）を介して、外部ユニット２０のコントローラ２１（例：マイクロ・コントローラ）の制御下で、連続的な選択を介してマイクロ波の照射／放射と検出が行われる。

コントローラ２１は、アンテナ対（送信機／アンテナと受信機／アンテナの対）を連続的に選択し、マイクロ波信号の放射と検出を行う。各連続する選択において、送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒの１つの対のみが選択される。このプロセスは、照射／放射された身体組織の画像を形成するのに十分な量の信号が集められるまで、行われる。

マイクロ波信号の生成と送信機／アンテナ１１Ｔと受信機／アンテナ１１Ｒの選択は、自動的に行われ、外部ユニット２０による送信と獲得と同期している。

この実施例において、マイクロ波信号は、外部ユニット２０により生成され、細い同軸ケーブル３０を含む有線接続により、内部ユニット１０に、内視鏡１４に沿って運ばれる。代替えとして同軸ケーブル３０の代わりに光ファイバー・ケーブルでもよい。

外部ユニット２０が受信機／アンテナ１１Ｒから受信した散乱した信号は、マイクロ波画像再生アルゴリズムで、処理される。このアルゴリズムの一例としは、周波数領域／時間領域の誘電体特性予測方法、レーダー方法、断層画像法等がある。マイクロ波情報は、利用可能な全ての情報を提供する同一のインターフェースを有する既存の内視鏡可視化ツールと組み合わせで、使用される。

他の実施例（図示でず）によれば、外部ユニット２０により提供されるマイクロ波信号は、内部ユニット１０に無線（即ち、内部ユニット１０と外部ユニット２０との間にケーブルは存在しない）で与えられる。信号供給／多重化手段１２において、送信される信号は、多重化され、送信機／アンテナ１１Ｔに、与えられる。

内部ユニット１０は円筒形状をしている。内部ユニット１０は、患者の身体の体腔（結腸）内に導入され、マイクロ波（３−１０ＧＨｚ）技術で動作し、病気の診断と予防をする。内部ユニット１０は、Ｎ個の送信機／アンテナ１１ＴととＮ個の受信機／アンテナ１１Ｒからなる２つのアレイを有する。送信機／アンテナ１１Ｔが第１のマイクロ波信号を体腔に放射し、受信機／アンテナ１１Ｒが身体組織で散乱された第２のマイクロ波を検出する。信号供給／多重化手段１２は、Ｎ個の送信機／アンテナ１１Ｔと、Ｎ個の受信機／アンテナ１１Ｒと、外部ユニット２０（例：ＰＣ）に接続されている。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１０：内部ユニット
１１Ｔ：送信機／アンテナ
１１Ｒ：受信機／アンテナ
１２：信号供給／多重化手段
１２Ａ：無線周波数の周波数スイッチ
１２Ｂ：無線周波数の送信ライン
１３：保護シェル
１４：内視鏡
２０：外部ユニット
２１：コントローラ
２２：信号受信機
２３：信号源
２４：プロセッサ
２５：表示装置

Claims (9)

1. マイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システムにおいて、
   前記医療システムは、内部ユニット（１０）と計算用の外部ユニット（２０）とを有し、
   前記内部ユニット（１０）は、患者の体腔内に挿入され、第１エネルギー信号を患者の組織に放射し前記組織で散乱された第２エネルギー信号を検出する放射・検出手段を有し、
   前記外部ユニット（２０）は、患者の身体外に配置され、前記内部ユニット（１０）に接続され、前記内部ユニット（１０）により検出された第２エネルギー信号を受領し、前記第２エネルギー信号を画像に変換し、
   前記放射・検出手段は、Ｎ個の前記送信機／アンテナ（１１Ｔ）とＮ個の前記受信機／アンテナ（１１Ｒ）からなる２つのアレイを有し、ここでＮは正整数であり、前記第１エネルギー信号と第２エネルギー信号とは、マイクロ波信号を含み、
   前記内部ユニット（１０）は、前記２つのアレイと前記外部ユニット（２０）とに接続される信号供給／多重化手段（１２）を有し、
   前記信号供給／多重化手段（１２）は、前記外部ユニット（２０）のコントローラ（２１）の制御下で、前記送信機／アンテナ（１１Ｔ）と受信機／アンテナ（１１Ｒ）の対の各々を連続するシーケンスで選択し、マイクロ波信号の放射と散乱されたマイクロ波信号の検出を実行し、
   前記２つのアレイと前記信号供給／多重化手段（１２）とは、同一の基板に配置され、前記基板の第１面上に前記２つのアレイが配置され、第２面上に前記信号供給／多重化手段（１２）が配置される
   ことを特徴とするマイクロ波技術を用いて病気の診断と予防をする医療システム。
2. 前記Ｎ個の前記送信機／アンテナ（１１Ｔ）とＮ個の前記受信機／アンテナ（１１Ｒ）は、無線周波数スイッチ（１２Ａ）に無線周波数の送信ライン（１２Ｂ）を介して接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。
3. 前記Ｎ個の前記送信機／アンテナ（１１Ｔ）とＮ個の前記受信機／アンテナ（１１Ｒ）とは、使用されるマイクロ波の波長の１／２の距離以上離れて配置されている
   ことを特徴とする請求項１−２のいずれか１項に記載の医療システム。
4. 前記Ｎは２以上の整数である
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の医療システム。
5. 前記外部ユニット（２０）のコントローラ（２１）は、連続するシーケンスで、前記送信機／アンテナ（１１Ｔ）と前記受信機／アンテナ（１１Ｒ）とからなる対を唯一選択する
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。
6. 保護シェル（１３）を更に有し、前記保護シェル（１３）は、前記２つのアレイと前記信号供給／多重化手段（１２）とを保護する
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。
7. 前記外部ユニット（２０）は前記信号供給／多重化手段（１２）に有線接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。
8. 前記外部ユニット（２０）は前記信号供給／多重化手段（１２）に無線接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。
9. 前記内部ユニット（１０）は、円筒形状をしており内視鏡（１４）に連結されている
   ことを特徴とする請求項１記載の医療システム。

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