JP2019510593A - マイクロ波トモグラフィシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
【選択図】図2
Description
特に本開示は、標的への/からのマイクロ波照射のカップリングを改良することを目的とする。
−チェンバカップを画像化するための高精度回転メカニズム。チェンバカップは、アンテナ送信機に適合し、回転を容易にするための自己潤滑材料(シリコンやラバー)に基づく。
−回転カップはデータ収集位置を増加させる。
−調整可能な/モジュールサイズのカップ(異なるサイズ)/組織のサイズに応じて調整可能なアンテナモジュール。
−組織とモールドとの間の接触フランジが、すべてのカップのサイズの回転を補助する。
−アンテナは、標的組織に対し、可能な限り近くに置かれる。これにより、標的組織をカップモールドに適合させるための小さな吸引が形成される。
−可能な限り大きな半球をアンテナモールド内に形成するための、小さな真空吸引。
−カップの中心を貫く、あらゆるサイズに適合する吸引。
−カップ/システムは、球面状、円状または平面状であってよい。
−スキャンデザインされたプリント処理により、完全にカスタマイズされ、特定の身体部位に(ユーザごとに)同形の形状が取得できる。
−異なる身体部位、胸部、腕、脚、頭部および胴体の周囲を覆うことができる。
−システムは(誘電断面再構成を用いて)、腫瘍、骨、内出血外傷部位および軟骨を画像化することができる。
−標的組織とアンテナとの間に、材料フィルムを適用することができる。
−材料フィルムは、標的組織に応じて、使い捨て可能/交換可能である。
−円柱/同形のメタマテリアル表面が、反射を最小化し、アンテナから標的組織内への信号の侵入を改善する。
−メタマテリアルは、ウェアラブル、すなわち、標的組織と隙間なく同形である。
−メタマテリアルの構造/積層は、誘電体−金属または金属−誘電体であってよい。
−新規なデザインの十字状(エルサレム状)のユニット要素が、メタマテリアルの実施形態を構成し、ユニークな特性を有する。
−ユニット要素は、長方形状であってよい。
−ユニット要素は、十字形と長方形を重ね合わせた形状であってよい。
−好適な基板材料を備える1つまたは2つの層のデザインにより、使用および製造が容易となる。
−メタマテリアルは、調整可能な動作周波数を有してよい。
−メタマテリアルは、伸長可能な基板を持つことにより、調整可能であってよい。
−メタマテリアルは、マイクロ流体チャネルをユニットセル要素の上に配置することにより、調整可能であってよい。
−メタマテリアルのアレイは、同一でない要素を備えてよい。
−超広帯域スーパーヘテロダイン受信機(0.8GHzから4GHz)。このスーパーヘテロダイン受信機は、この範囲のすべての周波数へのスキャン能力を有する。
−極めて高いインターフェースリジェクション。第1および第2のIF段階のために直列にした、高リジェクション可調バンドパス事前選択YIGフィルタと、2表面音響波バンドパスフィルタとの組み合わせを実装することにより、バンドリジェクションから95dBが得られる。
−システムは、RFマルチプレクサを用いて、16個のアンテナと接続することができる。これにより、各アンテナは送信機にも受信機にもなれる。受信アンテナは、一度に一つずつ、独立にスキャンされることもできる。送信経路と受信経路の高分離が可能となる。
−システムは、80MHzで動作するマイクロプロセッサおよび周辺チップ(EEPROM、FLASH、通信用送信チップ、D/Aコンバータ、リアルタイムクロック、YIGフィルタドライバ、等)により制御される。システムは内部に、動作機能とネットワーク通信を実行するために必要な周辺チップを豊富に有する。
−反復ガウス−ニュートンアルゴリズム。これは、解像度を改善するために複数の周波数データ(1.0−3.5GHz)を使うことができる一方、ロバスト性を改善するために2ステップの処理を使うことができる。
−低周波数の第1ステップ再構成は、複数周波数の第2のアルゴリズムのためのイニシャルガウスとして使われる。
−反復アルゴリズムのすべてのステップで線形インバージョンを改善するために、適合型閾値法およびウェーブレットベース展開が使われる。
−GPUベースのFDTD前段解がインバージョンアルゴリズムを加速する。これにより、2次元画像化はリアルタイムで実行され、3次元画像化はオフラインで計算されるが、24時間より短い時間で完結する。
−スキャンデザインされたプリントその他の処理により、アルゴリズムは、カップ/システムの異なるジオメトリ/形状の評価に動的に適用されることができる。
概観として、本開示は、人間の体内の組織分布を正確に再構成するための、800MHzから4GHzの散乱マイクロ波を用いるシステムに関する。システムは、3つの主要なハードウェア部品で構成される。これらのハードウェア部品は、適切なソフトウェアアルゴリズムとともに、組織の分布と誘電性/導電性断面とを提供する。図2に、このシステムの概観が示される。
全てのアンテナの照射は、胸部カップの中心を向く。これにより、情報は、最も可能性の高い場所から収集される。特定されるもう1つの機能は、カップの回転であり、追加的には、アンテナの固定、およびアンテナとカップとの接触である。
1.人間工学−快適さ。
2.胸部サイズに応じて調整可能なアンテナモールド。
3.アンテナモールドの回転。
4.胸部上(胸部とアンテナとの間)のメタマテリアル。
5.アンテナに接続されたケーブルの制限された運動。
6.プログラマブルな椅子位置。
7.電気流体運動による足の複数機能制御。
8.アンテナ内の最大可能半球を形成するための、胸部吸引用小型ポンプ(小型真空吸引)(図4参照)。
第2アンテナソケットの各々は、それぞれのアンテナを受け入れ、これらのアンテナを撮像チェンバ内に導くように構成される。第2ハウジングは、撮像チェンバの周りを回転するように構成される。これらの実施形態では、第1ハウジングおよび第2ハウジングは、実質的に、球状、半球状または平面状のシェルを共同的に形成する。そして撮像チェンバは、このシェルの内部ボリュームである。第2ハウジングは、第1ハウジングに回転結合されてよい。
1.測定を開始する前に、メタマテリアルでできた弾性膜を備える特別のリングが組織に取り付けられる。これが、マイクロ波がスキンバリアを通過するのを助ける。すなわち、これは、信号がスキンバリアを通過するためのマッチング層として機能する。
2.いくつかの実施形態では、は直径と深さに関する小から大への3つの基本的なサイズで与えられる。これらの3つにはすべて、吸引システムと結合する目的で、穴が穿たれるだろう。
3.被験者は、膝をついてかがむだろう。シートは前に傾けて調整され、胸部を適切な測定位置に位置付けるだろう。
4.完全な取り付けのため、現有資格者が、アンテナカップを胸部に対して調整するだろう。
5.メタマテリアルのリングが、最初に使われるリングのサイズに応じて、半球状の測定アンテナカップに取り付けられる。
6.吸引システムが、胸部に小規模の真空吸引システムを与えるだろう。カップ壁に向けて(さらにはアンテナに向けて)胸部を拡大するための吸引が与えられるだろう。これにより、測定誤差が最小化され、可能な限り最良の測定が実現する。
7.測定が開始されると、アンテナカップは180度の角度で回転するだろう。これにより、胸部の3D胸部画像が生成される。
8.測定が終了すると、胸部から真空圧が除去される。最終的には、アンテナカップからメタマテリアルのリングが取り外される。
9.メタマテリアルのリングは使い捨てであってもよく、特にリサイクルされてもよい。
−身体のパーツのジオメトリを認識するための、身体のパーツの3Dスキャン。
−CADソフトウェアにより生成され、チェックされる3Dモデル。これにより、表面その他が確定される。
−画像解像度を改良する目的で、アルゴリズムを動的に交換/変更するための、ジオメトリ座標の埋め込み。
−診断を改善するための、カスタムシェイプのような3Dプリント。
システムの核となる部品は、マイクロ波アンテナアレイである。十分な数の送信機および受信機が、ある領域(例えば、半円状/半球状の領域)に設置される。散乱された領域を測定することにより特性を特徴づけるために、これらの送信機および受信機が、(選択的には、適切なモータ回転運動により)試験対象を完全に取り囲んでよい。いくつかの実施形態では、ボディ部分が、患者に適合するように、調整可能なサイズおよび形状のカップに配置される。
このアプローチは、異なる経路を通過して伝播する複数の受信信号を使用する。これにより、腫瘍に関するさらなる情報が収集される。複数の偏波アンテナの設計と実装により、この複数角度の映像を改良することができる。
照射信号として、800MHzから4GHzの周波数スペクトルを有する広帯域パルス信号が提示される。なぜなら、こうした照射信号は、単一周波数の再構成よりも高い画像解像度を与えるため、偽陽性の検出と解釈される可能性のある雑音が低減された画像を取得するからである。
本開示では、アンテナアレイと人体との間に、メタマテリアルマッチング媒体が配置される。この部品の目的は、組織領域へのマイクロ波の侵入を最大化することにある。通常マイクロ波は、周辺の大気環境から侵入するとき、皮膚組織で著しく反射される。すなわち、いくつかの実施形態では、メタマテリアルは、生物学的標的とインピーダンス整合するように構成される。いくつかの実施形態は、金属誘電性材料を使用する。
本部品は、的確な信号を用いてアンテナアレイの給電を制御し、0.8−4GHzのUWB受信信号を収集および記録する。この部品はまた、組織画像情報を再構成するソフトウェアアルゴリズムとインタフェースする。
1)アンテナサブシステム、すなわちマイクロ波アンテナ要素のアレイ。
2)中規模パワーのRFマルチプレクサ。これにより、RF送信をアンテナ要素の任意の1つに決めることができる。このとき他のアンテナ要素は、受信機となる。
3)パルス化された周波数、掃引された周波数またはステップされた周波数の送信信号を生成可能にプログラマブルな、RF超広帯域信号生成器。
4)送信信号を約2Wまで増幅可能なパワーアンプ(将来)。
5)必要なすべてのフロントエンドフィルタを含む、高ダイナミック(約100dB)かつ低雑音(2−4dB)の超広帯域RF受信機。
6)各受信アンテナを、一度に一つずつ受信機の入力に接続する高速RFスイッチ。
7)パルス化された送信信号の場合、受信機の出力は、高速データコンバータシステムから直接サンプルされる(10ビットが必要であれば少なくとも8GSPSで)。
8)ステップされた周波数信号の場合、信号生成器と同期したベースバンドダウンコンバータが、安価なデータコンバータシステムを用いてサンプル可能な狭帯域のベースバンド信号を生成することができる。
9)アンテナアレイを回転することができ、関心対象の半球領域を覆うことのできる機械的システム。
10)信号生成器、マルチプレクサ、スイッチ、機械的回転器およびデータ生成を同期させる、同期サブシステム。
11)すべてのサブシステムを、制御ステーションから制御、設定および再プログラム可能とするデジタルインタフェース。
12)組み込み型の自己試験システム。
a)受信経路マルチプレクサ。
b)YIG事前選択フィルタ。
c)RxLNA。
d)第1ミキサ。
e)第1LO生成器。
f)第2LO生成器。
g)IQデモジュレータ。
以下が容易に理解できるだろう。いくつかの実施形態では、プロセッサが与えられる。このプロセッサは、受信したマイクロ波データに基づいて、生物学的標的のマイクロ波トモグラフィを実行するように構成され、選択的に、健常なまたは悪性癌のある組織、骨、内出血外傷領域、あるいは軟骨を画像化するように構成される。
・アルゴリズムの各反復で使われる前段の解は、FDTD法のGPU実装に基づく。この実装は、CUDAプログラミング言語に基づく。その結果、GPUのないコードに比べて、計算は60倍高速となる。システムのこのような特性により、2次元画像化はリアルタイムで、3次元画像化は24時間より短い時間で実現される。
・各反復[5]で線形逆問題を解決するために、最初に2ステップの反復的な収縮/閾値(TwIST)アルゴリズムが適用される。通常のアルゴリズムに比べ、TwISTは、格段に早いコンバージェンスレートが実現され、劣問題に対してよりロバストな解が導かれる。アルゴリズムは、以下の方程式により、数学的に記述できる。
・現行のマイクロ波トモグラフィシステム(2GHzを超える周波数が、安定性を保証すると考える)の解像度を改善する目的で、1.0−4.0GHzの範囲にある複数の周波数データが、DBIMアルゴリズムとともに使われる。これに対し、提案されたアルゴリズムは、逆過程を2つのステップに分割することにより、安定性を保証する。組織の平均的特性をより正確に評価する目的で、第1のステップは、均一な組織モデルを仮定する。そして第1のステップは、逆問題に対する低解像度の解を見出すために、1GHzの低周波数を利用する。第2のステップは、4.0GHzまでのデータを用いて、より解像度の高い詳細解に重点を置く。この2つのステップのプロセスは、高周波数データ(第2のステップ)に基づく拡張解を用いて、安定コンバージェンスと最適解(第1のステップ)とを組み合わせるというユニークな方法である。
・このアルゴリズムはまた、ウェーブレット基板に対する投影を用いた再構成も可能とする。反復歪アルゴリズムと結びついたウェーブレットに対する投影もまた、実験的な撮像システムとしては初めて提案されたものである。
Claims (44)
- アンテナマウントと、メタマテリアルと、を備え、
前記アンテナマウントは、第1ハウジングを備え、
前記第1ハウジングは、生物学的標的を受け入れるための撮像チェンバを、少なくとも部分的に定義し、
前記第1ハウジングは、複数の第1アンテナソケットを備え、
前記第1アンテナソケットの各々は、それぞれのアンテナを受け入れ、前記アンテナを撮像チェンバ内に導くように構成され、
前記メタマテリアルは、前記撮像チェンバの内壁に結合される、
アンテナシステム。 - 生物学的標的の形状に適合するために、前記第1ハウジングは非剛性である、
請求項1に記載のアンテナシステム。 - 前記撮像チェンバの内壁の形状に実質的に適合するために、前記メタマテリアルは非剛性であり、
選択的には、前記メタマテリアルはウェアラブルである、
請求項1または2に記載のアンテナシステム。 - 前記メタマテリアルは、生物学的標的とインピーダンス整合するように構成される、
請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記タマテリアルは、前記撮像チェンバの内壁を覆うように構成された、少なくとも1つのメタマテリアル層を備える、
請求項1から4のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記アンテナの各々は、マイクロ波信号を放射または受信するように構成された高周波アンテナであり、
前記メタマテリアル層の各々は、マイクロ波信号の波長より短い少なくとも1つの寸法を有する、
請求項1から5のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記少なくとも1つの寸法は、前記メタマテリアル層の厚さを含む、
請求項6に記載のアンテナシステム。 - 前記メタマテリアル層の各々は、第2部品の周期的アレイを支持するように構成された第1部品を備える、
請求項6または7に記載のアンテナシステム。 - 前記第1部品は非剛性であり、
選択的には、前記第1部品は、可撓性、および/または、伸長性である、
請求項8に記載のアンテナシステム。 - 前記第1部品は誘電性部品であり、前記第2部品は導電性部品であるか、または、
前記第1部品は導電性部品であり、前記第2部品は誘電性部品である、
請求項8または9に記載のアンテナシステム。 - 少なくとも1つの寸法は、複数の前記第2部品のうちの少なくとも1つの第2部品の寸法を含む、
請求項10に記載のアンテナシステム。 - 前記第2部品の各々は、四角形または十字形の部品を備える、
請求項8から11のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第2部品の各々は、追加的なエッジをさらに備える、
前記エッジは、前記四角形または十字形の部品に対して追加された、
請求項12に記載のアンテナシステム。 - 前記第2部品の各々は、四角形と十字形とを重ね合わせた形状を有する、
請求項8から11のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第1部品はさらに、第3部品の周期的なアレイを、複数の第2部品に対して第1部品と反対側に支持するように配置され、
少なくとも1つの寸法は、複数の前記第3部品のうちの少なくとも1つの第3部品の寸法である。
請求項8から14のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記メタマテリアルは、動的に調整可能な動作周波数を有する、
請求項1から15のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第2部品の周期的アレイの第2部品に接触するマイクロ流体チャネルをさらに備える、
請求項8から16のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第2部品の周期的アレイの第2材料に、流体を選択的に与えることができるように構成されたマイクロ流体コントローラをさらに備え、
選択的に、前記流体は水である、
請求項17に記載のアンテナシステム。 - 前記メタマテリアルは、光導電性材料を備える、
請求項8から18のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第1ハウジングは実質的に、球状、半球状または平行六面体のシェルであり、
前記撮像チェンバは前記シェルの内部体である、
請求項1から19のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第1ハウジングは、前記撮像チェンバの周りを回転するように構成される、
請求項1から20のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 第2ハウジングをさらに備え、
前記第2ハウジングは、前記撮像チェンバを少なくとも部分的に定義し、
前記第2ハウジングは、複数の第2アンテナソケットを備え、
前記第2アンテナソケットの各々は、それぞれのアンテナを受け入れ、前記アンテナを前記撮像チェンバ内に導くように構成され、
前記第2ハウジングは、前記撮像チェンバの周りを回転するように構成される、
請求項1から21のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第1ハウジングおよび前記第2ハウジングは、実質的に、球状、半球状または平面状のシェルを共同的に形成し、
前記撮像チェンバは、前記シェルの内部ボリュームである、
請求項22に記載のアンテナシステム。 - 前記第2ハウジングは、前記第1ハウジングに回転結合される、
請求項22または23に記載のアンテナシステム。 - 第3ハウジングをさらに備え、
前記第3ハウジングは、撮像チェンバを少なくとも部分的に定義し、
前記第3ハウジングは、複数の第3アンテナソケットを備える。
前記第3アンテナソケットの各々は、それぞれのアンテナを受け入れ、前記アンテナを前記撮像チェンバ内に導くように構成され、
前記第3ハウジングは、撮像チェンバの周りを回転するように構成される
請求項22から24のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記第1ハウジング、前記第2ハウジングおよび前記第3ハウジングは、実質的に、球状、半球状または平面状のシェルを共同的に形成し、
前記撮像チェンバは、前記シェルの内部ボリュームである、
請求項25に記載のアンテナシステム。 - 前記第3ハウジングは、前記第1ハウジングに回転結合される、
請求項25または26に記載のアンテナシステム。 - 前記ハウジングの各々は、前記撮像チェンバから空気を除去するための吸引システムに結合するように構成された吸引穴を備える、
請求項1から27のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 前記メタマテリアルには穴が開けられている、
請求項1から28のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 生物学的標的は、人の胸部、脳、胴体、腕または脚である、
請求項1から29のいずれか一項に記載のアンテナシステム。 - 請求項1から29のいずれか一項に記載のアンテナシステムと、各々がアンテナマウントのアンテナソケットのそれぞれに固定される複数のアンテナと、マイクロ波放射源と、
マルチプレクサと、を備え、
前記マルチプレクサは、第1のマイクロ波信号を撮像チェンバ内に送信するために、複数のアンテナのうちの1つを駆動するように構成され、
前記マルチプレクサは、生物学的標的に関する第1のマイクロ波データを形成する目的で、前記撮像チェンバからの前記第1のマイクロ波信号に応答して、マイクロ波放射を受信するために、前記複数のアンテナのうちの他の少なくとも2つのアンテナを駆動するように構成される、
マイクロ波イメージングシステム。 - 前記第1のマイクロ波信号は、800MHzから4GHzの範囲の周波数を有する、
請求項31に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - モータと、モータコントローラと、同期サブシステムと、をさらに備え、
前記モータコントローラは、前記第1ハウジングを、180度を超えない角度で回転させるように構成され、
前記同期サブシステムは、前記第1ハウジングが回転した後、複数のアンテナのうちの1つを用いて、第2のマイクロ波信号が撮像チェンバ内に送信されるように構成され、
前記同期サブシステムはまた、前記第1ハウジングが回転した後、生物学的標的に関する第2のマイクロ波データを形成する目的で、前記撮像チェンバからの第2のマイクロ波信号に応答して、前記複数のアンテナのうちの他の少なくとも2つのアンテナが、マイクロ波放射を受信するように構成される、
請求項31または32に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記モータは、第1ハウジングの線形運動を与えるように構成される、
請求項33に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記第2のマイクロ波信号は、800MHzから4GHzの範囲の周波数を有する、
請求項34に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記第1のマイクロ波信号は、前記第2のマイクロ波信号と異なる動作周波数を有する、
請求項33から35のいずれか一項に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 生物学的標的に関する複数のマイクロ波データを収集する目的で、
前記マルチプレクサは、あるアンテナが送信機として駆動され、別のアンテナが受信機として駆動されるように、各アンテナを交互に駆動するように構成される、
請求項31から36のいずれか一項に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記第1ハウジングは、マイクロ波信号の各送信の間に回転され、
選択的には、前記第1ハウジングは、マイクロ波信号の各送信の間に0度から90度回転される、
請求項37に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記複数のアンテナのうち少なくとも1つは、楕円状の単平面アンテナであり、
選択的には、前記複数のアンテナのうち少なくとも1つは、1から4GHzで動作し、
さらに選択的には、前記複数のアンテナのうち少なくとも1つは、1.5から3.4GHzで動作する、
請求項31から38のいずれか一項に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - プロセッサをさらに備え、
前記プロセッサは、受信したマイクロ波データに基づいて、生物学的標的のマイクロ波トモグラフィを実行するように構成され、
選択的には、健常なまたは悪性の癌の組織、骨、内出血外傷領域、あるいは軟骨を画像化するように構成される。
請求項31から39のいずれか一項に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記プロセッサは、第1の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムを用いて、800MHz−1.5GHzの送信マイクロ波に応答して受信されたマイクロ波データを処理し、
前記プロセッサは、第2の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムを用いて、1.5Hz−4GHzの送信マイクロ波に応答して受信したマイクロ波データを処理するように構成され、
前記第2の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムへの入力は、前記第1の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムの出力であり、
前記第1の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムの出力は、生物学的標的の定量的なトモグラフィック画像である、
請求項40に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記第1の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムへの入力は、生物学的標的の特性に関する事前知識を含まない、
請求項41に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - ジオメトリ、各ハウジングのサイズおよび/または形状に関するデータを受信し、
前記ジオメトリ、各ハウジングのサイズおよび/または形状に関するデータに基づいて、前記第1および/または第2の反復ガウス−ニュートンアルゴリズムのパラメータを決定する、
請求項41または42に記載のマイクロ波イメージングシステム。 - 前記第1および第2の反復アルゴリズムを処理するように構成されたグラフィックス処理ユニット「GPU」を備える、
請求項39から42のいずれか一項に記載のマイクロ波イメージングシステム。
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