JP2022525146A

JP2022525146A - ハイブリッド医療イメージングプローブ、装置及び方法

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Publication number: JP2022525146A
Application number: JP2021555213A
Authority: JP
Inventors: アハディレザエイ，ササン; ザマニ，アリ; アボッシュ，アミン
Original assignee: Emvision Medical Devices Ltd
Current assignee: Emvision Medical Devices Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2022-05-11
Also published as: CN114173677A; WO2020181336A1; AU2020234528A1; EP3937791A4; KR20220110435A; US20220142611A1; CA3131272A1; EP3937791A1

Abstract

体の一部における組織を画像化するように、体の一部に適用するハイブリッド医療イメージングプローブであって、医療イメージングプローブは、体の一部の内部への透過のための第１非マイクロ波信号を生成し、第１非マイクロ波イメージング技術を用いて、組織の１つまたは複数の対応する画像の生成を可能にするように、体の一部における組織によって散乱される対応する信号を検出する、第１イメージングプローブ要素と、体の一部の内部への透過のためのマイクロ波周波数バンドにおけるマイクロ波信号を生成し、組織の誘電率の対応する値の予測を可能にするように、体の一部における組織によって散乱される対応するマイクロ波信号を検出する、電磁イメージングプローブ要素と、を含み、第１イメージングプローブ要素と、電磁イメージングプローブ要素は、ハイブリッド医療イメージングプローブの内部にともに配置され、非マイクロ波信号及びマイクロ波信号は、ハイブリッド医療イメージングプローブから同じ方向に送信される。

Description

本発明は、医療イメージング、特に対象の生物学的組織を画像化するためのハイブリッド医療イメージングプローブ装置及び方法に関する。

超音波、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）、核医学イメージング等の医療イメージング技術は、人間の身体の内部の特徴を画像化することにおいては極めて有効な手法であるが、それらの応用性を制限する複数の不利益がある。例えば、これらの技術は、高額な装置を必要とし、そのため、田舎または遠隔地の保健センターにおいて一般的に利用可能でない。世界保健機関（ＷＨＯ）によると、世界人口の半分以上は、画像診断にアクセスがない。さらに、様々な病気の検出及び連続的なモニタリングのためには、低価格及び安全なイメージングシステムが一般的に求められている。Ｘ線等の電離放射線に対する被ばくを制限する必要があるため、現在利用可能な医療イメージングシステムの多くを、頻繁なモニタリングのために使用することはできない。加えて、ＭＲＩ及びその他の大きい医療イメージングシステムのかさばる及び動かせない（static）構造及び高額な費用は、それらのシステムが、規則的な及び短期間におけるモニタリングを必要とする病気のモニタリングから除外される要因となる。このような要因によって、それらのシステムがリアルタイムのイメージング及び評価のために救急隊員に使用されることは、非現実的である。

電磁イメージングは、医療分野での応用において、魅力的な技術であり、コスト効率良く、及び安全な方法で、人間の体の内部の視覚的表示を作成することができる。電磁工学の観点から、人間の体は、異なる誘電体の性質を有する特徴及び組織によって特徴付けられた電磁的に異質な媒体である。さらに、誘電体の性質、誘電率及び電気伝導率は、損傷した組織と健康な組織との間で異なる。隣接する健康な組織と比較すると高い誘電率の値を有する損傷した組織が、マイクロ波の周波数における電磁波を受けると、波の比較的高い割合は、放射線源に向かって戻るように反射される。対応して、電磁波医療イメージング装置は、人間の頭または胴体等、画像化したい体の一部の内部に電磁波を送信するように使用されてもよい。損傷した（例えば、特に、出血及び血栓サイトにおける）組織による電磁的性質の変化によって、主に反射されたマイクロ波信号は、装置によって受信され、測定される。測定された信号を示すデータは、異常の場所及び／または誘電体の性質を予測するために、及び体の部分における損傷した組織の２次元または３次元の画像を生成するために処理されてもよい。

データ処理工程は、電磁イメージング装置において重要な役割を果たす。様々なイメージング技術は、散乱された電磁信号の測定から医療ターゲットを検出するために適用されている。これらの技術は、非線形数式（断層撮影）を解いて組織の誘電体性質を予想しようとする。非線形数式は、複数の解を有し、それらの解は、入力データに連続的に依存しない可能性がある。または、これらの技術は、時間－ドメインのレーダに基づく技術を用いてターゲット組織の場所を探そうとする。断層撮影に基づく技術の時間がかかる性質によって、単一の周波数または狭いバンドのマルチ－周波数の信号にほぼ限定して適用可能である。したがって、早急な診断が必要となる脳損傷検出等の医療の緊急事態における使用には適していない。代替的に、レーダに基づくイメージングにおいて、イメージングドメインの散乱プロファイルは、２次元または３次元の画像上にマッピング（mapped）される。必要なデータ処理が、断層撮影より簡単及び高速であるため、この方法は、高い分解能用の超広い周波数バンドを使用するときに、より適用可能である。しかしながら、コンフォーカル、時空間ビームフォーミングによるマイクロ波イメージング（ＭＩＳＴ）、及び適応型ビームフォーミングによるイメージング方法等の、現在のレーダイメージング方法は、ディレイ・アンド・サム（ＤＡＳ）に基づく処理手法を使用しており、これは、間違った検出を引き起こす可能性がある外側層の反射及び内側層の屈折に弱い。加えて、異なる周波数における組織にわたって透過する信号の透過性の変動は、ディレイ計算の効果を制限し、よって、結果的な画像の正確さを制限する。これらの課題を考慮して、より高速及び正確なイメージング装置及び方法の必要性が依然としてある。

先行技術の１つまたは複数の問題点を克服または軽減すること、または、少なくとも便利な代替を提供することが望ましい。

本発明のある実施の形態によると、体の一部における組織を画像化するように、体の一部に適用するハイブリッド医療イメージングプローブが設けられ、医療イメージングプローブは、
体の一部の内部への透過のための第１非マイクロ波信号を生成し、第１非マイクロ波イメージング技術を用いて、組織の１つまたは複数の対応する画像の生成を可能にするように、体の一部における組織によって散乱される対応する信号を検出する、第１イメージングプローブ要素と、
体の一部の内部への透過のためのマイクロ波周波数バンドにおけるマイクロ波信号を生成し、組織の誘電率の対応する値の予測を可能にするように、体の一部における組織によって散乱される対応するマイクロ波信号を検出する、電磁イメージングプローブ要素と、
を含み、
第１イメージングプローブ要素と、電磁イメージングプローブ要素は、ハイブリッド医療イメージングプローブの内部にともに配置され、非マイクロ波及びマイクロ波信号は、ハイブリッド医療イメージングプローブから同じ方向に送信される。

ある実施の形態において、第１イメージングプローブ要素は、超音波イメージングプローブ要素である。ある実施の形態において、超音波イメージングプローブ要素は、超音波トランスデューサを含み、電磁イメージングプローブ要素は、超音波トランスデューサの周りに配置されたアンテナのアレーを含む。

ある実施の形態において、アンテナは、アンテナの大きさから独立した共振を発生させるように、直列の静電容量及び／またはシャントインダクタンス（shunt inductance）がロード（load）される。

ある実施の形態において、ハイブリッド医療イメージングプローブは、アンテナの間における互いとのカプリングを低減するように電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造を含み、よって、アンテナを互いに近接して配置することが可能になる。

ある実施の形態において、ハイブリッド医療イメージングプローブは、周期的な構造のアレーによって形成され、アンテナのアレーが主に一方向の放射線を発生させるように構成されるメタサーフェス等の人工磁気表面（ＡＭＳ）を含み、よって、アンテナを互いに近接して配置することが可能になる。

ある実施の形態において、ハイブリッド医療イメージングプローブは、マイクロ波信号の漏洩を低減するようにメタマテリアルの吸収体を含む。

本発明のある実施の形態によると、体の一部における組織を画像化するハイブリッド医療イメージング装置が設けられ、医療イメージング装置は、
いずれか１つの上記ハイブリッド医療イメージングプローブと、
体の一部における組織によって散乱され、第１イメージングプローブ要素によって検出される非マイクロ波信号を示す体の一部の組織の初期画像を示す初期画像データを受信し、体の一部における組織によって散乱される検出されたマイクロ波信号に基づく体の一部の組織の誘電率の予測を生成するように構成されたデータ処理要素と、
を含み、
ここで、体の一部の組織の初期画像は、予測が生成される電磁モデルを生成するアプリオリ（a priori）情報として使用される。

ある実施の形態において、データ処理要素は、体の一部の組織の誘電率の空間的分布を示す画像を生成するようにさらに構成される。

本発明のある実施の形態によって、体の一部における組織を画像化するように、ハイブリッド医療イメージング方法が設けられ、医療イメージング方法は、
体の一部における組織から反射されて検出される第１及び非マイクロ波信号から生成される体の一部の組織の第１画像を受信することと、
体の一部における組織によって散乱されて検出されるマイクロ波信号を示すマイクロ波散乱データを受信することと、
体の一部の対応する電磁モデルを生成するように第１画像を処理することと、
体の一部の組織の誘電率の予測を生成するようにマイクロ波散乱データと体の一部の電磁モデルを処理することと、
の工程を含む。

ある実施の形態において、ハイブリッド医療イメージング方法は、体の一部の組織の第２画像を生成することを含み、第２画像は、誘電率の予測の空間的分布を示す。

ある実施の形態において、第１イメージング技術は、超音波イメージング技術である。

ある実施の形態において、電磁的モデルを生成する工程は、体の一部における関心領域と、体の一部の対応する表面との間の距離を特定することを含み、関心領域の誘電率の予測は、表面から関心領域まで、及び関心領域から体の一部の表面に戻るまでの、マイクロ波伝播をモデルする数式のシステムを解くことによって生成される。

ある実施の形態において、誘電率の値は、予測の正確さを向上させるように異なる複数のマイクロ波周波数における散乱されたマイクロ波信号から予測される。

ある実施の形態において、組織は内臓を含み、方法は、内臓の予測された誘電率の値から内臓の健康状態を評価することを含む。

ある実施の形態において、内臓の健康状態を評価することは、内臓の脂肪の割合を予測することを含む。内臓は肝臓であってもよい。

ある実施の形態において、ハイブリッド医療イメージング方法は、患者の胴体の左側及び右側のそれぞれの誘電率を予測することと、患者の健康状態を評価するようにそれらの誘電率を比較することとを含む。ある実施の形態において、患者の健康状態を評価することは、患者が病気を有するかを診断することを含む。

本発明のある実施の形態によると、実行可能な指示を記憶した少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体が設けられており、データ処理装置の少なくとも１つのプロセッサによって指示が実行されると、少なくとも１つのプロセッサが上記のいずれか１つの工程を実行することをもたらす。

本発明のある実施の形態によると、上記のいずれか１つのハイブリッド医療イメージングプローブと、上記のいずれか１つのデータ処理要素とを含むハイブリッド医療イメージング装置が設けられている。

本明細書にて、体の一部における組織を画像化するための体の一部に適用する医療イメージングプローブについてさらに説明する。医療イメージングプローブは、
体の一部の内部への透過のための第１信号を生成し、リアルタイムイメージング技術を用いてリアルタイムに組織の１つまたは複数の対応する画像の生成を可能にする体の一部における組織から反射される対応する信号を検出する、リアルタイムイメージングプローブ要素と、
体の一部の内部への透過のためのマイクロ波周波数バンドにおけるマイクロ波信号を生成し、マイクロ波イメージング技術を用いて組織の対応する画像の生成を可能にするように、体の一部における組織から反射される対応するマイクロ波信号を検出する、電磁イメージングプローブ要素と、
を含む。

リアルタイムイメージングプローブは、超音波イメージングプローブであってもよい。超音波イメージングプローブ要素は、超音波トランスデューサを含んでもよく、電磁イメージングプローブ要素は、超音波トランスデューサの周りに配置されたアンテナのアレーを含んでもよい。

本明細書にて、体の一部における組織を画像化する医療イメージング装置についてさらに説明する。医療イメージング装置は、
いずれか１つの上記医療イメージングプローブと、
体の一部における組織から反射され、リアルタイムイメージングプローブ要素によって検出される信号に基づいて、体の一部の組織の初期画像を生成するリアルタイム画像生成要素と、
体の一部における組織から反射される検出されたマイクロ波信号に基づいて体の一部の組織の電磁画像を生成する電磁画像生成要素と
を含み、
体の一部の組織の初期画像は、体の一部の組織の電磁画像を生成するアプリオリ（a priori）情報として使用される。

本明細書にて、体の一部における組織を画像化する医療イメージング方法について説明する。医療イメージング方法は、
体の一部における組織から反射されて検出される第１信号に基づいて体の一部の組織の第１画像を生成することと、
体の一部における組織から反射されて検出されるマイクロ波信号に基づいて体の一部の組織の電磁画像を生成することと、
を含み、
生成された電磁画像の正確さは、電磁画像を生成するように、体の一部の組織の第１画像をアプリオリ情報として用いることによって向上し、第１画像は、リアルタイムイメージング技術を用いて生成される。

リアルタイムのイメージング技術は、超音波イメージング技術であってもよい。

電磁画像を生成する工程は、体の一部における関心領域と、体の一部に対応する表面との間の距離を特定することと、表面から関心領域まで、及び関心領域から体の一部の表面に戻るまでの、マイクロ波伝播をモデルする数式のシステムを解くことによって、関心領域の誘電率の値を特定することと、を含んでもよい。

本明細書にて、患者の臓器の病気を診断する方法について説明する。方法は、患者の胴体の内部における臓器から散乱された電磁信号を示す散乱パラメータを測定することと、
患者の胴体の右及び左側の内部の臓器の相対誘電率を示す定量的な量を計算することと、
定量的な量と、知られている病的及び健康な状態の臓器における対応する定量的な量との比較に基づいて、患者が臓器の病域または拡散した脂肪を有するか否かを診断することと、
と含む。

患者の皮膚と肝臓との間の距離を特定するために使用されてもよい先行文献の超音波画像である。本発明の実施の形態によるハイブリッド医療イメージング装置の模式図である。図２のハイブリッド医療イメージング装置のデータ処理要素のブロック図である。図３のデータ処理要素によって実行されるハイブリッド医療イメージング方法のフロー図である。本発明の実施の形態によるハイブリッド医療イメージング装置のハイブリッド電磁－超音波プローブの模式図である。ハイブリッド医療イメージング方法のマルチ層誘電体モデルを示す模式図である。

本発明のある実施の形態は、下記では、添付の図面を参照して、例示としてのみ説明される。

本発明者らは、（必須ではないが、望ましくはリアルタイムで）対象の１つまたは複数のターゲット組織または内臓のそれぞれの位置を正確に特定するように、非マイクロ波の第１イメージング技術を用いて、その後、それらの臓器／組織の複素数誘電率を測定するように、内臓／組織に向かって及びそこからのマイクロ波の伝播と、内臓／組織による散乱とをモデルするようにそれらの位置をアプリオリ情報として用いることによって、医療電磁イメージング（「ＥＭ」）の正確さ、速度及び信頼度が大きく向上できることを発見した。肝臓等の内臓の誘電率は、その健康状態の指標であり、下記のように、例えば、脂肪肝（fatty liver disease）等の特定の疾患を診断するために使用されてもよい。

加えて、第１イメージング技術によって特定される内臓（及び注目される他の生物学的組織）の位置は、（非マイクロ波イメージング技術とは異なる）第２イメージング技術としてマイクロ波イメージングを用いて、同じ組織または臓器の対応する第２画像を生成するために使用されてもよい。第２画像は、誘電率の値の対応する空間分布を示す。

例えば、商業的に入手可能な携帯型超音波（「ＵＳ」）機械は、埋め込まれたアルゴリズムを使用して、内部の組織及び臓器の詳細な位置情報を提供し、図１に示すように、患者の皮膚から内臓までの距離測定を示す。対応して、本発明の実施の形態は、ハイブリッド医療イメージングプローブ、装置及び方法を含み、患者の内部の体の組織の詳細な画像を生成するように、超音波イメージング技術を用いて、その後、同じ体の組織の誘電体性質を予測し、（選択的に）対応する「電磁」画像を生成するように、超音波画像をアプリオリ情報として使用して、電磁及び超音波イメージング技術の利益を組み合わせる。本発明のある実施の形態は、先行情報を生成するように初期イメージング技術として超音波イメージングを電磁イメージングと組み合わせるものとして本明細書にて説明されるが、他の実施の形態において、他のイメージング方法（例えば、サブミリメートル波イメージング）は超音波イメージングの代わりに使用されてもよいことは当業者にとって明らかである。

図２に示すように、本発明の実施の形態に係るハイブリッド医療イメージング装置は、ハイブリッド医療イメージングプローブ２０２、第１及び第２イメージング要素コントローラ２０４、２０６、及びデータ処理要素２０８を含む。第１イメージング技術が超音波イメージング技術である説明される実施の形態において、ハイブリッド医療イメージングプローブは、超音波イメージングプローブ要素とマイクロ波イメージングプローブ要素とを含み、第１イメージング要素コントローラ２０４は、当業者に知られている超音波イメージングコントローラである。第２イメージング要素コントローラ２０６は、マイクロ波イメージング要素コントローラであり、説明される実施の形態において、当業者に知られているベクタネットワークアナライザ（「ＶＮＡ」）の形態である。

図３は、本発明の説明される実施の形態に係るハイブリッド医療イメージング装置のデータ処理要素２０８のブロック図である。図４に示すように、データ処理要素２０８はハイブリッド医療イメージング方法を実行する。図２に示すように、データ処理要素は、（説明される実施の形態においては、超音波イメージング要素コントローラである）第１イメージング要素コントローラ２０４からイメージングデータを受信し、第２イメージング要素コントローラから電磁（「ＥＭ」）散乱データを受信し、イメージング要素コントローラ２０４、２０６の両方は、対応する信号をハイブリッドイメージングプローブ２０２に送信し及びハイブリッドイメージングプローブ２０２から受信する。

説明される実施の形態において、データ処理要素は、ハイブリッド医療イメージング処理要素３０２、３０３がその内部にインストールされたコンピュータの形態であるが、他の実施の形態において、必ずしもコンピュータである必要はない。図３に示すように、説明された実施の形態のデータ処理要素２０８は、６４－ビットのインテル（登録商標）アーキテクチャコンピュータシステムに基づいており、データ処理要素２０８によって実行されるハイブリッド医療イメージング方法は、コンピュータシステムと関連する非揮発性記憶部３０４（例えば、ハードディスクまたはソリッドステートドライブ）に記憶されるソフトウェア要素３０２、３０３のプログラム指示として実施される。しかしながら、ハイブリッド医療イメージング方法の少なくとも一部は、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）の構成データとして、及び／または、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）等の１つまたは複数の専用のハードウェア要素として、１つまたは複数の他の形態において、一部またはその全体において、他の方法で実施されてもよいことは明らかである。

データ処理要素２０８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３０６、少なくとも１つのプロセッサ３０８、外部インターフェース３１０、３１２、３１３、３１４を含み、それらの全てはバス３１６によって互いに接続される。外部インターフェースは、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェース３１０を含み、少なくとも１つは、キーボード３１８と、マウス３１９等のポインティングデバイスと、ＬＣＤパネルディスプレイ３２２等のディスプレイ装置に接続されるディスプレイアダプタ３１４に接続される。第１及び第２イメージング要素コントローラ２０４、２０６は、ＵＳＢインターフェース３１０を通じて、データ処理要素２０８に通信的に係合され、よって、コントローラ２０４、２０６は、それぞれのプローブサブ要素を制御できる。

ソフトウェア要素３０２、３０３は、第１イメージング要素コントローラ２０４からイメージング信号またはデータを受信し、対象の組織の対応する第１画像３０５を生成する第１イメージング要素３０２を含む。第１画像３０５は、その後、ＥＭ処理要素３０３にアプリオリ情報として提供される。ＥＭ処理要素３０３は、内部臓器／組織の誘電体の性質を予測し、第１画像３０３からそれらの臓器／組織のＥＭ画像３０７と、下記のように、第２（マイクロ波）要素コントローラ２０６から受信したＥＭ散乱データまたは信号と、を選択的に生成する。

使用において、ハイブリッド電磁－超音波（「ＨＥＵＳ」）イメージングプローブ２０２は、対象／患者の体の関心領域（例えば、頭または胴体）をスキャンするように使用される。図５に示すように、説明される実施の形態において、プローブ２０２は、超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサのアレー５０２とともに配置されるワイドハンドアンテナまたはアンテナのアレー５０４を含む。

イメージングアルゴリズムの要求、画像化されるターゲット臓器及び画像の種類に応じて、（図５に示すように）アンテナまたはワイドバンドアンテナのアレーが使用される。１つまたは複数のアンテナの大きさ、及び（アレーが使用される場合）その相互の係合は、下記にて説明するように、複数の方法において軽減されてもよい。

Ｓ．アーディ・レザエ、Ｍ．Ａ．アントニアデス及びＡ．Ｍ．アボッシュ、「負ミューメタマテリアル－ロード反射板を用いた平面八木アンテナの小型化（Miniaturization of Planar Yagi Antennas Using Mu-Negative Metamaterial-Loaded Reflector）」、アンテナ及び伝播に関するＩＥＥＥトランズアクション（IEEE Transactions on Antennas and Propagation）、６５巻、１２号、６８２７～６８３７ページ、２０１７年１２月、に説明されるよう、例えば、ある実施の形態において、アンテナの大きさは、メタマテリアルロード（loading）を加えることで大幅に軽減され、ロードにおいて、アンテナは、アンテナの大きさから独立した共振を発生させるように直列の静電容量及び／またはシャントインダクタンスがロードされる。

Ｈ．ナカノ、Ｋ．キッカワ、Ｎ．コンドウ、Ｙ．イイツカ及びＪ．ヤマウチ、「ＥＢＧ反射板にバックされた低プロファイル同角度螺旋アンテナ（Low-Profile Equiangular Spiral Antenna Backed by an EBG Reflector）」、アンテナ及び伝播に関するＩＥＥＥトランズアクション、５７巻、５号、１３０９～１３１８ページ、２００９年５月、に説明されるよう、ある実施の形態において、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造は、表面電流の放射を抑制する電磁バンドギャップを生成することによって、相互係合を低減するように使用される。

Ａ．レザエ、Ｍ．Ａ．アントニアデス及びＡ．Ｍ．アボッシュ、「ワイドバンド電磁イメージングのための小型及び単一方向共振に基づいた反射アンテナ（Compact and Unidirectional Resonance-Based Reflector Antenna for Wideband Electromagnetic Imaging）」、アンテナ及び伝播に関するＩＥＥＥトランズアクション、６６巻、１１号、５７７３～５７８２ページ、２０１８年１１月、に説明されるよう、ある実施の形態において、アンテナは、単一放射を生成するように周期的構造のアレーを用いて形成されるメタサーフェス等の人工磁気表面（ＡＭＳ）を含む。これらの表面は、ゼロ反射位相を生成し、よって、アンテナが、互いに、及び各アンテナの後に配置された反射板の反射表面に近接して配置されることを可能にする。

最後に、ある実施の形態において、病院に必要とされるように、ハイブリッドプローブ２０２は、ハイブリッドプローブ２０２から電磁信号の漏洩を低減するように特定角度からの受信信号のエネルギを拡散するメタマテリアル吸収体を含む。

説明される装置において、超音波プローブ要素５０２と、その対応するコントローラ２０４とは、患者の皮膚に対して、対象における関心の内部組織または臓器（例えば、肝臓）の位置に関する先行情報を提供するように使用される。例えば、患者の肝臓を画像化するためには、アンテナ／複数のアンテナは、患者の胴体に向かって及びその内部にマイクロ波信号を送信して、各パス／組織から反射された信号は検出され、検出された信号を示すデータは、マイクロ波要素コントローラ２０６によって、データ処理要素２０８に送信される。患者の体の内部への信号の進入を容易にして、表面反射を低減するように、マッチングゲル２１４が、ハイブリッドプローブ２０２と患者の胴体との間で使用されてもよい。アンテナ及び超音波信号は、ハイブリッドプローブ２０２に共通のケーブルルームによってそれぞれケーブルに沿って送信される。電磁マイクロ波信号は携帯型ベクタネットワークアナライザ（ＶＮＡ）２０６によって生成及び記録される。ＶＮＡ２０６とＵＳコントローラ２０４の両方は、適切なデータ移送インターフェース、ケーブル及びプロトコルを用いて、データ処理要素２０８に通信的に係合され、説明される実施の形態においてＵＳＢである。超音波及びマイクロ波イメージング要素コントローラ２０４、２０６から受信したデータは、下記にて説明するように、ハイブリッド医療イメージング方法への入力として提供され、その後、電磁誘電率、及び選択的に関心領域の画像が生成される。

説明される実施の形態には、スキャンするドメインは、マルチ層の誘電体スラブとしてモデルされ、図３に示すように、スラブは、ｚ＜０において１つまたはそれぞれのアンテナに対して垂直に入射する平面波によって照らされている。

の方向に偏光された入射電場は、

として表現されてもよく、Ｅ_０は波の振幅であり、

は、

による複素数誘電体誘電率を有するマッチング媒体の伝播定数である。皮膚と関心領域、例えば、患者の肝臓との間の測定距離ｄは、各組織領域における伝播する波の合計による距離の関数として全体の電場を計算するために使用される。

インターフェースにおける境界条件は、電場

及び磁場

との連続性を必要とし、後述の数式をもたらす。

ここで、

は複素数屈折率であり、

は、ｐ番目の組織層の複素数誘電体誘電率である。反射波の解は、したがって、

であり、ここで、

及び

である。

したがって、１つまたはそれぞれのアンテナによって測定されるＳ－パラメータは、

によって予測される。

この数式において、（この例において）肝臓の誘電体の性質の関数であるＲ_３２は未知である。マッチング媒体の誘電率

とともに、厚みｄと、外側組織層の誘電体誘電率

が既知であるため、未知のパラメータＲ_３２は、測定されたＳ－パラメータと計算されたＳ－パラメータとの間の誤差を最小にすることによって、下記のように予測される。

誘電体誘電率が複素数値であるため、多目標最適化方法（例えば、カイザミエッティネン（Kaisa Miettinen）（１９９９）、非線形多目標最適化（Nonlinear Multiobjective Optimization）、スプリンガー、ＩＳＢＮ９７８－０－７９２３－８２７８－２に説明される方法）は、誤差の実数及び虚数部分を同時に最小化する数式（１１）の非劣解（トレード・オフ）を求めるために使用されてもよい。したがって、肝臓の複素数誘電率

は、

によって予測される。

ハイブリッドイメージングプローブ２０２がアンテナのアレーを含む場合、数式（１０）から予測される各要素のＳ－パラメータは、最適化方法を通じて、肝臓の有効誘電率を求めるために使用される予測マトリックスを提供するように使用される。説明される実施の形態において、分散型反復最適化アルゴリズム（例えば、Ａ．ファルソネ、Ｋ．マーゲロス、及びＭ．プランディーニ、「マルチ－エージェントＭＩＬＰのための分散型反復アルゴリズム：有限－時間における実現可能性と性能評価（A Distributed Iterative Algorithm for Multi-Agent MILPs: Finite-Time Feasibility and Performance Characterization）」、ＩＥＥＥ制御システムレター（IEEE Control Systems Letters）、２巻、４号、５６３～５６８ページ、２０１８年１０月、及びＪ．ツィツィクリス、Ｄ．ベートセカス、及びＭ．アサンズ、「分散型非同期決定論的及び確率論的勾配最適化アルゴリズム（Distributed asynchronous deterministic and stochastic gradient optimization algorithms）」、自動制御に関するＩＥＥＥトランズアクション（IEEE Transactions on Automatic Control）、３１巻、９号、８０３～８１２ページ、１９８６年９月）は、予測誤差を最小化するように、及び数式（１１）のグローバル解に収束するように使用される。予測された値は、その後、肝臓等のターゲット臓器の有効誘電率

を求めるために数式（１２）で使用される。

ワイドバンドまたはマルチ－周波数アンテナを有する実施の形態において、異なる周波数ステップは、より正確な予測を生成するために使用されてもよい。その場合、デバイ関数が、

によって、ターゲット組織の誘電体誘電率をモデルするように使用されてもよい。ここで、ε_ｓは周波数がゼロの場合における誘電率であり、ε_∞は周波数が無限の場合における誘電率であり、τ_０が緩和時間である。屈折率の数式に数式（１３）を代替し、３つの定数ε_ｓ、ε_∞、及びτ_０のために数式（１１）の最適化の式を解くと、肝臓等の臓器の誘電体の性質を、周波数の関数として予測できる。その観点において、信号のサンプルは等間隔に取得され、周波数のサンプル数を６（数式（１３）のデバイ関数における未知数の数の２倍）より大きくするべきである。

使用された周波数バンドにわたって、健康な肝臓等の臓器の誘電率及び電気伝導率の値を知っていると、肝臓等のスキャンされた患者の臓器の予測される誘電率と、健康な臓器との差は、例えば、脂肪肝の場合において、肝臓における脂肪の割合を求める等、臓器の健康または不健康状態を評価するように解釈できる。

ある実施の形態において、患者の胸（胴体）の横断面がスキャンされ、仮想的に患者の胴体の「右側」と「左側」とを示す２つの部分に分割される。右側の部分は、主に患者の肝臓によって占領され、左側の部分は患者の脾臓、すい臓、腎臓の臓器を収容する。０．５～１ＧＨｚのマイクロ波周波数バンドにおいて、左側における臓器の誘電体の性質は、６０の平均誘電率を有し、健康な肝臓の平均誘電率は略４８である。したがって、健康な患者においては、左側と右側とにおける臓器の誘電率の性質の間には略２５％の差がある。よって、発明者は、本明細書にて説明される信号処理方法を用いることによって、患者の胴体の左及び右側の部分における臓器から反射または透過されるバック散乱された（back scattered）マイクロ波信号の振幅及び位相は、調査されている臓器の誘電率を特定するために使用されてもよい。その後、計算された値は、健康な対象のための限界／範囲を規定するように使用される。即ち、人が健康であると、左と右側から反射／透過される信号は略２５％の差を示す。しかしながら、脂肪肝組織の平均誘電率は略３７％であり、左と右側との信号の比は略６２％に増加し、健康と不健康な人の肝臓の誘電率において、１００％以上の差がある。したがって、これらの値は、胸の領域における脂肪肝及び類似の疾患を診断及び監視するために使用されてもよい。

本発明の範囲から外れることなく、多くの改造は当業者にとって明らかである。

Claims

体の一部における組織を画像化するように、前記体の一部に適用するハイブリッド医療イメージングプローブであって、前記医療イメージングプローブは、
前記体の一部の内部への透過のための第１非マイクロ波信号を生成し、第１非マイクロ波イメージング技術を用いて、前記組織の１つまたは複数の対応する画像の生成を可能にするように、前記体の一部における前記組織によって散乱される対応する信号を検出する、第１イメージングプローブ要素と、
前記体の一部の内部への透過のためのマイクロ波周波数バンドにおけるマイクロ波信号を生成し、前記組織の誘電率の対応する値の予測を可能にするように、前記体の一部における前記組織によって散乱される対応するマイクロ波信号を検出する、電磁イメージングプローブ要素と、
を含み、
前記第１イメージングプローブ要素と、前記電磁イメージングプローブ要素は、前記ハイブリッド医療イメージングプローブの内部にともに配置され、前記非マイクロ波信号及び前記マイクロ波信号は、前記ハイブリッド医療イメージングプローブから同じ方向に送信される、ハイブリッド医療イメージングプローブ。
前記第１イメージングプローブ要素は、超音波イメージングプローブ要素である、請求項１に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
前記超音波イメージングプローブ要素は、超音波トランスデューサを含み、
前記電磁イメージングプローブ要素は、前記超音波トランスデューサの周りに配置されたアンテナのアレーを含む、請求項２に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
前記アンテナは、前記アンテナの大きさから独立した共振を発生させるように、直列の静電容量及び／またはシャントインダクタンス（shunt inductance）がロード（load）される、請求項３に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
前記アンテナの間における互いとのカプリングを低減するように電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）構造を含み、よって、前記アンテナを互いに近接して配置することが可能になる、請求項３または４に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
周期的な構造のアレーによって形成され、前記アンテナのアレーが主に一方向の放射線を発生させるように構成されるメタサーフェス等の人工磁気表面（ＡＭＳ）を含み、よって、前記アンテナを互いに近接して配置することが可能になる、請求項３から５のいずれか一項に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
マイクロ波信号の漏洩を低減するようにメタマテリアルの吸収体を含む、請求項３から６のいずれか一項に記載のハイブリッド医療イメージングプローブ。
体の一部における組織を画像化するハイブリッド医療イメージング装置であって、前記医療イメージング装置は、
請求項１から７にいずれか一項に記載の前記ハイブリッド医療イメージングプローブと、
前記体の一部における前記組織によって散乱され、前記第１イメージングプローブ要素によって検出される非マイクロ波信号を示す前記体の一部の前記組織の初期画像を示す初期画像データを受信し、前記体の一部における前記組織によって散乱される前記検出されるマイクロ波信号に基づく前記体の一部の前記組織の誘電率の予測を生成するように構成されたデータ処理要素と、
を含み、
ここで、前記体の一部の前記組織の前記初期画像は、前記予測が生成される電磁モデルを生成するアプリオリ（a priori）情報として使用される、ハイブリッド医療イメージング装置。
前記データ処理要素は、前記体の一部の前記組織の前記誘電率の空間的分布を示す画像を生成するようにさらに構成される、請求項８に記載のハイブリッド医療イメージング装置。
体の一部における組織を画像化するハイブリッド医療イメージング方法であって、前記医療イメージング方法は、
前記体の一部における前記組織から反射されて検出される非マイクロ波信号から生成される前記体の一部の前記組織の第１画像を示す第１画像データを受信することと、
前記体の一部における前記組織によって散乱されて検出されるマイクロ波信号を示すマイクロ波散乱データを受信することと、
前記体の一部の対応する電磁モデルを生成するように前記第１画像を処理することと、
前記体の一部の前記組織の誘電率の予測を生成するように前記マイクロ波散乱データと前記体の一部の前記電磁モデルを処理することと、
の工程を含む、ハイブリッド医療イメージング方法。
体の一部の組織の第２画像を生成することを含み、前記第２画像は、誘電率の予測の空間的分布を示す、請求項１に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
前記第１イメージング技術は、超音波イメージング技術である、請求項１０または１１に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
電磁的モデルを生成する工程は、前記体の一部における関心領域と、前記体の一部の対応する表面との間の距離を特定することを含み、
前記関心領域の誘電率の予測は、前記表面から前記関心領域まで、及び前記関心領域から前記体の一部の前記表面に戻るまでの、マイクロ波伝播をモデルする数式のシステムを解くことによって生成される、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
誘電率の値は、予測の正確さを向上させるように異なる複数のマイクロ波周波数における散乱されたマイクロ波信号から予測される、請求項１３に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
前記組織は内臓を含み、前記方法は、前記内臓の予測された誘電率の値から前記内臓の健康状態を評価することを含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
前記内臓の健康状態を評価することは、前記内臓の脂肪の割合を予測することを含む、請求項１５に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
患者の胴体の左側及び右側のそれぞれの誘電率を予測することと、前記患者の健康状態を評価するように前記それぞれの誘電率を比較することとを含む、請求項１０から１６のいずれか一項に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
前記患者の健康状態を評価することは、前記患者が病気を有するか否かを診断することを含む、請求項１７に記載のハイブリッド医療イメージング方法。
実行可能な指示を記憶した少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体であり、
データ処理装置の少なくとも１つのプロセッサによって指示が実行されると、前記少なくとも１つのプロセッサが請求項１０から１８のいずれか一項に記載の方法を実行することをもたらす、記憶媒体。
請求項１から７のいずれか一項に記載の前記ハイブリッド医療イメージングプローブと
請求項１０から１８のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されたデータ処理要素と、
を含む、ハイブリッド医療イメージング装置。