JP4732451B2 - 組織分類機器 - Google Patents
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Description
この発明は、組織を検知し、1つ以上のタイプもしくは状態に分類して、かつ/または組織を除去するために、マイクロ波放射を用いる機器に関する。またこの発明は、このような機器で用いられるチューナを作動させる作動装置と方法とに関する。この明細書では、マイクロ波とは5GHz以上60GHz以下の周波数範囲を意味する。好ましくは14GHz−15GHzが用いられるが、この発明は、このより狭い範囲に限定されるわけではない。
2003年11月27日に出願された国際出願PCT第/GB2003/005166号は、組織への効率的なエネルギ伝達を実行し、かつ機器の加熱を最小限にするために、除去されている組織のインピーダンスと機器のインピーダンスとを整合するための同調回路を有する、組織アブレーション機器を開示した。その機器の1つのバージョンは図1に示される。
しかしながら、発明者らは、プローブと組織とのインピーダンス整合を達成するためのみならず、プローブの端部で組織の特性を検知するためにも、反射された放射を用いることができることを認識した。例えば、反射された放射の分析によって、組織タイプを判断することが可能であろう。例えば癌組織と健康な組織とを区別するなど、異なる組織のタイプまたは状態を区別することもできるはずである。これにより、機器のオペレータが、除去する必要がある癌組織にプローブがいつ到達するかがわかり、健康な組織を偶然に除去するのを防ぐことができるようにし、さらに癌組織を完全に除去し終えるとオペレータに通知して、その結果アブレーション動作を停止できるようにしてもよい。アブレーションシステムのコンテキスト以外でも、例えばスタンドアロンの組織測定または分類システムとしてこの発明を用いることもできる。発明者らは、この目的のためには絶対量の測定だけでは十分ではないと認識した。複素インピーダンスの実成分および虚成分を考慮に入れる必要がある。
マイクロ波放射を組織に方向付けるためのプローブと、
反射されて前記プローブを通じて戻るマイクロ波放射を含む反射された信号の大きさおよび位相と、基準信号の大きさおよび位相とを検知するための検知器と、
前記検知器によって検知された信号の大きさおよび位相に基づいて組織タイプまたは組織状態に組織を分類するための組織分類器とを含む、組織分類器を与える。
的な情報をもたらす。
単一の安定した周波数とは、一定の負荷において、その出力周波数が機器の動作温度範囲(通常22°Cから60°C)の対して±5MHzより多くは変動しないことを意味する。より好ましくは、周波数は±1MHzより多くは変動せず、さらに好ましくは±500kHz、±5OkHz、±10kHz以上は変動せず、または動作温度範囲より僅かに±1kHzしか変動しないことが好ましい。
検知器はアナログ検知器を含んでもよいが、好ましくは、プロセッサ、位相比較器、ベクトルネットワークアナライザ、または入力信号の位相および大きさを測定するよう構成される他の電子装置を含む。現在の電子装置は比較的低周波を要求する傾向があり、したがって反射された信号の周波数、および通常は基準信号の周波数も、検知器に入力される前に減じられる必要がある。これは周波数分割器を用いることにより達成されてもよいが、それはシステムにノイズを加える。
定値の精度を減じる。したがって、ミキシングダウン信号がマイクロ波放射の源から得られることが好ましい。
好ましくは、ミキシングダウン信号を前記ミキサに届けるための経路は、マイクロ波放射の源の周波数に基づいてミキシングダウン信号の周波数を制御するための位相ロックループを含む。これは、さもなければ不正確な測定の原因となり得るミキシングダウン信号のドリフトを減じるか、または防ぐことを助ける。
を検知することができ、したがってオペレータは、除去するべきか否かを決定することができる。
い。しかしながら、ほとんどの磁歪材料はチューナの信号損失を引き起こすので、アクチュエータおよび同調素子が別個の構成要素であることが望ましい。低損失材料、例えば銀および銅が同調素子に特に適する。同調素子とアクチュエータとが1つの一体型構成素子である場合、チューナの損失を回避するため、その構成素子の同調端が低損失材料でコーティングされることが好ましい。この場合、コーティングの厚さは、電磁界がコーティング素子インタフェースでゼロまたはゼロに近い状態であることが好ましい。
この発明の第5の局面は組織を分類する方法であって、a)分類されるべき組織にプローブを挿入するステップと、b)前記プローブを通じてマイクロ波放射を組織に方向付けるステップと、c)前記組織により反射されて前記プローブを通じて戻るマイクロ波放射の振幅および位相と、基準信号の振幅および位相とに基づいて、組織タイプまたは組織状態を分類するステップとを含む。方法は、この発明の第1の局面による機器を用いてもよい。
この発明の第6の局面は方法を与えることができ、方法は、まずこの発明の第5の局面のステップを実行することによって組織を分類するステップと、次に前記組織に挿入された同じプローブまたは別のプローブまでマイクロ波放射を方向付けることにより組織を除去するステップとを含む。
各症例において、機器によって癌組織を見つけてその後除去することができる。
この発明の第7の局面は、この発明の第3の局面で上述されたような磁歪材料を用いたインピーダンスチューナを作動させる方法である。これは、上述の第5および第6の局面と組合わされてもよい。
マイクロ波放射の源と、
除去および/または測定されるべき組織に前記マイクロ波放射を届けるためのプローブと、
前記源から前記プローブへマイクロ波放射を伝えるための第1の経路と、
第1および第2の入力ならびに出力を有する第1のミキサと、
前記源から得られた信号を前記第1のミキサの前記第1の入力に届けるための第2の経路と、
前記第1の経路からマイクロ波放射の一部をそらすための第3の経路とを含み、前記そらされた放射は、前記第1の経路に沿って前記源から前記プローブまで進む順方向放射か、または前記プローブを通じて反射されて戻るマイクロ波放射のいずれかであって、第3の経路は、前記そらされた放射またはそらされた放射から得られる信号を前記第1のミキサの前記第2の入力まで届け、さらに、
前記第1の経路からそらされた前記順方向放射または反射された放射の振幅および位相を計算するよう構成されたプロセッサへ信号を送信するよう構成されたミキサの出力を含み、
前記第2の経路は、マイクロ波放射の源の周波数に基づいて第1のミキサの第1の入力に送信された信号の周波数を制御するための位相ロックループを含む。
第2の入力に結合する第4の経路があるのが好ましい。この第4の経路は、事実上、上述の(第2の経路の位相ロックループの一部としての)フィードバック経路である。これは位相ロックループを実現する便利な方法である。これは第1のミキサの第1の入力に安定した周波数を与え、前記第1の周波数の基準となる。
きなレベルの反射されたパワーが電力増幅器の出力段を損うのを防ぐために、サーキュレータの源側に置かれる。
除去または測定されるべき組織に前記マイクロ波放射を届けるためのプローブと、
前記源から前記プローブにマイクロ波放射を伝えるための第1の経路と、
第1および第2の入力ならびに前記プロセッサに信号を方向付けるための出力を有する第1のミキサと、
前記第1のミキサの前記第1の入力に信号源を届けるための第2の経路とを含み、前記信号は、プローブを通じて届けられるマイクロ波放射の周波数とは異なる周波数を有し、さらに、
前記第1の経路からマイクロ波放射の部分をそらすための第3の経路を含み、前記そらされた放射は、前記第1の経路に沿って前記源から前記プローブまで進む順方向に向けられた放射、または反射して前記プローブを通じて戻る、反射されたマイクロ波放射のいずれかであって、第3の経路は、前記そらされた放射またはそらされた放射から得られた信号を前記第1のミキサの前記第2の入力に届け、さらに、
前記第1の経路からそらされた前記順方向に向けられた放射または反射された放射の振幅および位相を計算するよう構成されるプロセッサに信号を送信するよう構成されるミキサの出力と、
反射されたマイクロ波放射を、それが前記第1のミキサの第2の入力に到達する前に、反射されたマイクロ波放射を減衰または増幅させるための、前記第3の経路上の可変減衰器および/または可変増幅器とを含む。
好ましくは、可変減衰器は連続的に変動する減衰を有する(すなわち2つの離散的レベルの減衰に限定されない)。1つの実施例では、可変減衰器はピンダイオードである。
射の振幅および位相に基づいて、コントローラによって調整可能である。好ましくは、チューナは3スタブチューナである。
図5に概略的に示される組織分類機器は、マイクロ波放射を分類すべき組織に方向付けるよう構成されたプローブ5に接続された、マイクロ波放射の安定した位相ロックされた源1を有する。プローブ5は、測定される組織がプローブの遠端5aにくるかまたは当該遠端5aを囲むように組織に挿入されるよう適合される。すなわち、使用の際に、プローブと組織6とが物理的に接触する。
ロ波放射の源は、機器の残りの部分において用いるための位相ロックされたマイクロ波信号を出力する。この信号の一部は、マイクロ波信号の周波数を分割する(すなわち低減させる)周波数分割器1006に(たとえば、結合器によって)そらされるので、第1の水晶発振器1020の周波数と同じかまたは類似の周波数となり、この分割された信号が位相比較器1015bに入力される。こうして、位相比較器の出力は、マイクロ波放射の源1001の出力と第1の水晶発振器1020との間の位相の差に依存する。このように、マイクロ波放射の源の出力周波数は、それが第1の水晶発振器1020に比べて増大するかのように安定して維持され、マイクロ波放射の源の入力1050に送信される信号がこれに従って調整されることにより、マイクロ波放射出力信号の周波数が下げられる。逆の場合もまた同様である。マイクロ波放射の源1001はまた、第1の水晶発振器1020に位相ロックされた第2の水晶発振器1030から得られ、入力1040において受信される信号によって制御される。第1の水晶発振器1020からの信号の一部が第2の位相比較器1015aに入力され、これが、ループフィルタ1017を介して、電圧制御された第2の水晶発振器1030に出力する。第2の水晶発振器1030の出力は周波数分割器1005に送られ、これが、信号周波数を低減させ、位相ロック構成である位相比較器1015aのもう一方の入力に出力し、これにより、第2の水晶発振器1030の出力が安定して維持される。周波数分割器1005を省き、VXCO1030を用いてTXCO1020の出力周波数を中心とする信号を出力することが好ましいだろう。この代替的な構成においては、VXCO1030からの出力は、位相比較器1015aの第1の入力に直接フィードバックされる。第2の水晶発振器1030はまた、ループフィルタ1018を介してマイクロ波放射の源1040の第2の入力1040に出力する。このようにして、2つの位相ロック入力1040および1050から、マイクロ波放射の源の周波数が、1つの水晶発振器だけに位相ロックされていた場合よりもさらに安定して維持される。
にあるかまたはチューナ50への出力のすぐ後ろにある。というのも、その位置から得られる測定値が被る、システムの他の構成要素によって生成されるノイズが少なくなるからである。たとえば、増幅器の歪みおよび/または増幅器による位相シフト、サーキュレータによる位相シフトおよび/またはチューナによる位相シフトがある。さらなる代替的な実施例においては、基準信号255は、マイクロ波放射の源1から独立した別個の局部発振器によって生成され得る。
によって出力される値)に基づいて、いつプローブが空気中にあり、組織に接触していないかを検知することができる。
の測定された複素インピーダンスは広く間隔をあけて配置されて、それらの間の明確な区別が可能であることを示している。2組の測定値が得られ、表Aおよび表Bにそれぞれ示される。表Aおよび表Bにおける特定の値は異なっている。というのも、異なるチューナ設定や異なるプローブが用いられたが、位相の分散が類似しており、このため、当該システムを較正することによってその差が容易に補償され得るからである。
ィルタ730を通ってプローブ4に送られる。この信号は、反射されプローブ4を通り結合器200a、帯域阻止フィルタ720および狭帯域結合器730を介して検知器100の第3の入力Cに戻される。狭帯域結合器720は高品質の逆方向結合器であってもよい。その目的は、(マイクロ波放射の第1の源1からの)周波数f1の信号が、検知器100の第3の入力Cおよび第4の入力Dに到達するのを防ぐことである。
を通じて方向付けられ、コントローラ101およびアクチュエータ1130を用いて、除去されている組織6に当該機器のインピーダンスを動的に整合させ、こうして、システムに戻ってくるエネルギ反射を最小限にするようにする。組織分類モードでは、より低出力の信号がプローブ5を通じて方向付けられ、インピーダンスチューナ50のインピーダンスが、複素インピーダンス測定を行うことのできる安定した基準点をもたらすよう固定される。当該機器は、組織アブレーションモードと組織分類モードとの間で迅速に切換えることができる。チューナを作動させるために、好適ないかなる作動方法が用いられてもよく、たとえば、リニアモータ、可動コイル構成、ステッピングモータ、圧電アクチュエータまたは磁歪アクチュエータが用いられてもよい。このリストは網羅的なものではなく、他の可能性も当業者に明らかとなるだろう。磁歪作動はそれ自体に進歩性があり、このことがここでより詳細に説明される。
2および830はまた、コントローラ1130にリンクされたそれぞれの電流源によって同様の態様で制御されるが、分かりやすくするために、これは図16には図示されない。
110からの信号と混合される。可変減衰器42(および/または、図3に図示されない可変利得増幅器)は、必要に応じて第1のミキサ150が受取ることのできるレベルに制御される。
この実施例においては、マイクロ波放射の源1は、局部発振器3、位相ロックループ集積回路4およびループフィルタ7を含む位相ロックループによって制御される電圧制御発振器を含む。位相ロックループを用いて、電圧制御発振器1aから安定した出力周波数を供給する。この実施例においては、電圧制御発振器(VCO)は14.5GHzの固定された周波数を出力するよう制御されるが、他のマイクロ波周波数が選択可能であるかまたは位相ロックループおよびVCOが異なる周波数を与えるよう同調可能であり得ることを当業者は理解するだろう。マイクロ波放射の源1からの放射は、第1の経路100に沿ってプローブ5に送られ、そこで、組織6を有する患者へと方向付けられる。第1の経路に沿って、第1の減衰器8、第1の前置増幅器9、順方向結合器10、第2の減衰器11、可変利得増幅器12、第3の減衰器13、第2の前置増幅器14および電力増幅器15が設けられている。これによりシステムの増幅部分が構築される。第1の経路上においても、前述の増幅構成要素とプローブ5との間に、絶縁装置40(例えばサーキュレータ)と可変複素インピーダンスを有するインピーダンスチューナ50とが設けられている。絶縁装置40は、反射された放射が回路の増幅部分に入るのを防ぐよう機能し、反射された放射をいずれもダンプロード41に方向付け直す。インピーダンスチューナ50は、ミキサ150から受取られプロセッサ65によって処理される信号に基づきコントローラ101によって変えることのできるインピーダンスを有する。コントローラ101は、当該機器の複素インピーダンスが、除去されている組織6の複素インピーダンスと整合するように、インピーダンスチューナ50を制御するよう構成される。このインピーダンス整合は、組織6の複素インピーダンスが変化する場合でも、エネルギの反射を最小限にするよう動的に実行することができる。
るようなものである。電圧制御発振器の出力は、減衰器28および増幅器29を介して第1のミキサ150の第1の入力151に出力される。第1の入力151に送られた信号のいくらかは、第2のミキサ22の第2の入力222に繋がるフィードバック経路140に沿って結合器30によってそらされる。フィードバック経路140は、結合器30と第2のミキサ22との間に減衰器41、増幅器42および減衰器43を有する。
サ65の一部である。プロセッサ65、コントローラ101および組織分類器66は図3および図4に別個の構成要素として図示されているが、これらが単一の構成要素、例えば、コンピュータ、マイクロプロセッサ、またはロジックDSPもしくはマイクロプロセッサを含み得るFPGA上で実行されるプログラムに組合され得ることが理解されるだろう。
Claims (14)
- 組織分類機器であって、
単一の安定した周波数を有するマイクロ波放射を出力するよう構成されたマイクロ波放射源(1)と、
遠端の端部(5a)において組織の領域(6)に接触しマイクロ波放射を届けるために生体組織に挿入されるよう適合されたプローブ(5)と、
組織の領域(6)から反射されプローブ(5)を通って戻るマイクロ波放射を含む反射された信号(210)および基準信号(255)を受取るためにマイクロ波放射源(1)およびプローブ(5)の間に接続された反射放射検知器(100)とを含み、
反射放射検知器(100)は反射された信号および基準信号の両方の大きさおよび位相を検知するよう構成され、組織分類機器は、
反射放射検知器(100)によって検知された反射された信号および基準信号の大きさおよび位相から計算された複素インピーダンスに基づいて、プローブ(5)の遠端の端部(5a)において組織を組織タイプまたは組織状態に分類するよう構成される組織分類器(150)とを含む、組織分類機器。 - 基準信号(255)はマイクロ波放射源(1)から得られる、請求項1に記載の組織分類機器。
- マイクロ波放射源(1)は単一の周波数に位相ロックされる、請求項1または2のいずれかに記載の組織分類機器。
- 組織分類器(150)は、計算された複素インピーダンスを1つ以上の組織タイプの複素インピーダンスについての既知の値または理論値に関するデータの第1の組と比較するよう構成される、請求項1から3のいずれかに記載の組織分類機器。
- 組織分類器(150)は、計算された複素インピーダンスを、予め定められた値または値の範囲を異なる組織タイプに割当てる表における値と比較することによって、組織を分類するよう構成される、請求項1から4のいずれかに記載の組織分類機器。
- 第1および第2の入力ならびに出力を有するミキサ(620)をさらに含み、第1の入力は、反射された信号または基準信号をミキサ(620)に伝達するための経路に結合され、第2の入力は、ミキシングダウン信号(630)をミキサ(620)に伝達するための経路に結合され、出力は反射放射検知器(100)に結合される、請求項1から5のいずれかに記載の組織分類機器。
- ミキシングダウン信号(630)はマイクロ波放射源(1)から得られる、請求項6に記載の組織分類機器。
- ミキサ(620)にミキシングダウン信号(630)を届けるための経路は、マイクロ波放射源(1)によって出力されるマイクロ波放射の周波数に基づいてミキシングダウン信号(630)の周波数を制御するための位相ロックループを含む、請求項6または7に記載の組織分類機器。
- プローブ(5)をマイクロ波放射源(1)および反射放射検知器(100)に結合するケーブル(4)があり、ケーブル(4)は、マイクロ波放射源(1)によるマイクロ波放射出力の周波数で+/−5度の位相安定性を有する、請求項1から8のいずれかに記載の組織分類機器。
- 調整可能な複素インピーダンスを有するインピーダンス調整器(200)をさらに含み、インピーダンス調整器(200)はマイクロ波放射源(1)とプローブ(5)との間に位置する、請求項1から9のいずれかに記載の組織分類機器。
- 組織分類機器は、組織を除去することができる出力レベルで動作可能である、請求項10に記載の組織分類機器。
- 組織をプローブ(5)の遠端の端部(5a)において除去するための組織アブレーションモードと組織をプローブ(5)の遠端の端部(5a)において分類するための組織特徴付けモードとを有し、組織アブレーションモードの場合では組織特徴付けモードの場合よりもプローブ(5)によって届けられるマイクロ波放射の振幅が高い、請求項11に記載の組織分類機器。
- (i)組織分類機器が組織特徴付けモードである場合に、反射された信号または基準信号を、それが反射放射検知器(100)に到達する前に増幅するための、プローブ(5)と反射放射検知器(100)との間に接続された可変増幅器(43)、および/または、
(ii)組織分類機器が組織アブレーションモードである場合に、反射された信号または基準信号を、それが反射放射検知器(100)に到達する前に減衰させるための、プローブ(5)と反射放射検知器(100)との間に接続された可変減衰器(42)をさらに含む、請求項12に記載の組織分類機器。 - マイクロ波放射源(1)が、組織分類機器が組織アブレーションモードの場合にマイクロ波放射の第1の周波数をプローブ(5)に方向付け、組織特徴付けモードの場合に第1の周波数とは異なるマイクロ波放射の第2の周波数をプローブ(5)に方向付けるよう構成される、請求項11から13のいずれかに記載の組織分類機器。
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