JP6651012B2 - 対象体の内部構造を探査するシステムにおいてフィット状態を評価するための方法、装置、およびコンピュータ可読媒体 - Google Patents

Description

本発明は、対象体の内部構造を探査するためのシステムにおける諸方法に関し、具体的には、ヒト乳房などの対象体の内部構造を探査するためマイクロ波放射を用いるシステムにおける諸方法および諸装置に関する。

マイクロ波レーダー撮像は、組織境界での誘電特性の対照を利用し描写的３Ｄエネルギプロフィールを生成する、撮像モダリティである。例えばヒト乳房などの対象体（object）は、送信アンテナ素子（antenna element）からの複数の超広帯域信号に照射され、誘電的に対照される組織境界で生成された反射が受信アンテナ素子によって記録される。腫瘍は、それらがその高い水分によって、脂肪組織よりもはるかに高い誘電特性を示すので、かなり大きな反射を生成し得る。合成焦点技法（synthetic focusing technique）を用いて、対象体中の任意の顕著な誘電散乱体の像を生成することが可能である。

モノスタティック撮像システムは、対象体の外側上で物理的に配置変えが可能な、同一のアンテナを用いて送信および受信を行う。モノスタティックシステムは様々な角度からの照射ができるが、対象体の１つの捕捉から別点への変位を最小化するためかなりの数の測定値を比較的迅速に取得しなければならないので、捕捉位置の数が限定される。

対照的に、マルチスタティック撮像システムは、シングルインマルチプルアウト方式で動作するアンテナのアレイを用いる。すなわち、各アンテナ素子が順繰りに対象体を照射し、その間、他のアンテナ素子は様々な角度から散乱した放射を受信する。同時に受信する多数の素子によって、比較的短い時間枠の中で多くの量のデータの取得を確実にする。しかしながら、照射のパスの数は、アレイの大きさおよび対象体に近接して多数のアンテナを配置する上での物理的制約によって限定される。

対象体の中に波動エネルギを送信するどの撮像技法でも、問題は、対象体の表面からの反射が、望ましくない信号のアーチファクトをもたらす可能性があることである。残念ながら、一般に表面の位置はアプリオリには未知で、アンテナアレイの配列およびアンテナアレイに対する対象体の配列の如何により、対象体ごとに変わり、アンテナごとに変わり得ることが予期される。

本発明の第１の態様によれば、対象体の内部構造を探査するためのシステムにおける方法が提供され、このシステムは、感知面上に配列された送信／受信アンテナ素子のアレイを含む。本方法は、対象体に向けて電磁波エネルギを送信するため、アレイの１つ以上の第１の送信／受信アンテナ素子に電力を適用するステップと、該アレイの１つ以上の第２の送信／受信アンテナ素子で、該対象体との相互作用後の前記電磁波エネルギを検出し、これにより複数の出力信号を生成するステップと、該複数の出力信号に基づいて、感知面に対する対象体の表面のフィット状態を表すデータを生成するステップと、を含む。

本発明の諸実施形態において、本方法は、対象体の表面が感知面にフィットしていないと判断されるのに応じて、対象体の調整または再配列を要求する警報信号を出力するステップをさらに含む。

まださらなる諸実施形態において、本方法は、対象体の表面が感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、複数の出力信号に基づいて対象体の内部構造を探査するステップ、または、対象体の表面が感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、さらなる複数の出力信号を生成するため送信／受信アンテナ素子のアレイを制御し、該さらなる複数の出力信号に基づいて対象体の内部構造を探査するステップ、をさらに含む。

対象体の表面の感知面へのフィット状態を表すデータを生成するためのいくつかの異なるアルゴリズムが提供される。例えば、１つのアルゴリズムは、複数の出力信号に基づいて対象体の表面を再現するステップと、その対象体の表面を感知面と対比するステップとを含む。別のアルゴリズムは、類似であると予期される複数の出力信号によって出力信号をグループ化するステップと、一グループ中の個々の出力信号を、該グループ内の他の出力信号、または該グループ中の出力信号から生成された参照信号と対比するステップとを含む。

本発明の第２のおよび第３の態様において、前述した方法に対応するシステムおよびコンピュータ可読媒体が提供される。

本発明のより良い理解、および、それがどのように実施可能かをより明瞭に示すために、以降において、例示として以下の図面を参照することとする。

本発明の諸実施形態による、システムを示す概略図である。 本発明の諸実施形態によるシステム中で用いることが可能なアンテナを示す概略図である。 本発明の諸実施形態によるシステム中で用いることが可能なアンテナを示す概略図である。 本発明の或る実施形態による、フィット状態評価プロセスのフローチャートである。 本発明の別の実施形態による、フィット状態評価プロセスのフローチャートである。 図３ａおよび図３ｂ中に示されたフィット状態評価プロセスで使用可能な第１のアルゴリズムのフローチャートである。 図３ａおよび図３ｂ中に示されたフィット状態評価プロセスで使用可能な第２のアルゴリズムのフローチャートである。

図１は、本発明の諸実施形態によるシステムの概略図を示す。本システムは、固定シェル２の表面またはその中に配置された、Ｎ＞１のＮ個のアンテナ（例えば３個）のアレイを用いる。簡潔化のため、図１は線形のアレイに配置されたアンテナ３を示しているが、当業者には当然のことながら、一般に、これらアンテナはシェル２上に二次元パターンで配置することができる。シェル２は湾曲していてもよく、一実施形態では、シェルの少なくとも一部は、乳房１の形状に近似させるために球面の部分に対応している。別の実施形態において、シェル２の少なくとも一部は、放物体に対応している。これにより、シェルのこの部分上に配列されたアンテナ３は、全て、球体の中心または放物体の焦点に対応する共通の焦点に向いている。シェル２は、球面または放物体面の部分に対応しない追加の部分（およびそれら部分の中または上に配列されたアンテナ）を有することができる。

また、固定カップ１２が設けられ、使用において、撮像または調査のため、乳房１（または画像診断模型など、類似の対象体）がカップ１２内に置かれる。カップ１２は、シェルがカップ上にしっかりと固定できるように、シェル２の形状にほぼ一致する形状を有してよい。例えば、カップも、球体面の部分に対応する少なくとも一部を有してよい。一実施形態において、カップ１２の外側およびシェル２の内側は、カップとシェルとの間でのネジ係合を可能にするよう、ネジ部分を有することができる。使用において、ギャップ１１中のエアの存在を排除または低減し、これにより、アンテナ３によって生成されたマイクロ波放射への乳房１のカップリングを向上するために、カップ１２と乳房１との間のギャップ１１に誘電率が制御された流体の層を挿入することが可能である。同様に、アンテナ３とカップ１２との間のカップリングを向上するために、誘電率が制御された流体のさらなる層を、シェル２とカップ１２との間のギャップ１０中に挿入することができる。この流体はギャップ１０を完全に満たしてよい。流体の誘電率は、アンテナ３およびカップ１２に使われた誘電材料と整合させてこれにより信号損失を最小化するように選択することができる。

本発明の諸実施形態において、カップの内側面と乳房１との間のより良好なフィット状態を可能にするために、カップ１２の内側に１つ以上の挿入体を配置することができる。例えば、システムがいろいろな形状とサイズの乳房に適応できるように、それぞれが相異なる形状およびサイズを有する複数のかかる挿入体を設けてよい。これら挿入体は、カップ１２と同じ材料（例えばセラミック）で作製することができる。

一実施形態において、シェル２は、例えば、カップとシェルとの間のネジ係合を使って、カップ１２に対して、従って乳房１に対して動き可能に構成される。例えば、シェル２は、アンテナ３が配列された表面にほぼ垂直な軸の周りを回転可能にしてもよい。表面が半球状または放物体状である場合、シェル２はその半球体または放物体の軸の周りに回転可能にすることができよう。他の実施形態において、シェル２は、上記に換えてまたは加えて、カップ１２の表面上を移動可能にしてもよい。まださらなる実施形態において、シェル２は、カップ１２に対して固定する（すなわち、不動にする）こともできる。

該アレイは、マルチスタティック方式で動作させ、各アンテナ３が順繰りに複数のマイクロ波放射信号を送信するように構成し、アレイ中の他のアンテナのそれぞれで受信された信号が記録されるようにすることが可能である。しかして、システムは、各アンテナ３をｔｘパスまたはｒｘパスの何れかに選択的に連結するスイッチングマトリックス４を含む。ｔｘパスは、増幅器５に連結された信号発生器６を含む。スイッチングマトリックス４を介してアンテナに連結されると、ｔｘパスは、アンテナ３に、所与の周波数で（例えば、マイクロ波の範囲で）複数の電磁気放射信号を送信させる。ｒｘパスは、検出器８およびプロセッサ９に連結された増幅器７を含む。スイッチングマトリックス４は、送信していないアンテナの各々で受信された散乱放射が検出されて記録されるように、ｔｘパスに連結されていない全てのアンテナがｒｘパスに（おそらくは時分割配置で）連結されるように調整する。本システムは、複数のアンテナから同時にデータが記録できるように、複数のｔｘおよびｒｘパスを用いることが可能で、全アンテナからのデータが同時に記録できるように、アンテナの数に一致するｔｘおよびｒｘパスの数を含むことすら可能である。別の実施形態において、該アレイは、各アンテナ３が複数のマイクロ波放射信号を送信すること、それら送信信号からもたらされる反射信号を受信することの双方を行うよう調整された、モノスタティック方式で動作させることも可能である。何れの場合においても、収集されたデータは、次いでプロセッサ９によって、以下にさらに詳しく述べる仕方で処理することができる。

正常な組織と悪性腫瘍との間の誘電特性の好適な対照の利用性は、高解像度が得るために十分な広帯域の波形の放射および受信の如何による。これは、広帯域の周波数に亘って乳房の中に十分に放射するアンテナを必要とする。従来型のアンテナは、明らかに、ヒト組織の中に放射するように設計されておらず、実際のところ、通常、ヒト組織に極めて接近させるとそれらの動作に悪影響が出る。さらに、このアンテナは構築が安価で、アレイにロープロファイルで組み込むのに適している必要がある。

図２ａおよび図２ｂに示されたアンテナは、導電性素子１５中に形成されたスロット１６を含み、スロット１６は、導電性素子１５の実質上閉じられた内縁によって画定された矩形の外部境界を有する。スロット１６は内部に境界のない連続したスロットであり、該スロットの境界は、導電性素子１５の内縁によって完全に画定される。

マイクロストリップフィードライン１７は、図２ｂに見られるように、導電性素子１５から隔てられており、ライン１７の先端部は、図２ａに見られるように、スロット１６の幾何的中心に位置している。このフィードラインは、既知の方式で、スロット１６にエネルギのやりとり連結している。フィードライン１７と導電性素子１５とは誘電体基板（図示せず）の相反対側に搭載される。

このアンテナおよび他の適したアンテナが、ＰＣＴ国際公開第ＷＯ２００９／０６０１８１号にさらに詳細に記載されている。

図１、図２ａおよび図２ｂに関連して前述したようなシステムに対し、対象体１がカップ１２（またはその中の挿入体）の表面に適正にフィットしていることは重要であり得る。良好なフィット状態（すなわち、対象体１の表面とカップ１２との間の小さくて均一なギャップ、これは整合流体で満たされる）は、信号がアンテナから強く一貫した仕方で対象体１に伝播することを確実にする。反対に、不十分なフィット状態（例えば、対象体の形状とカップ形状とのミスマッチに起因する、エアギャップの存在または過剰な液体の存在）は、対象体の最終的画像中にアーチファクトおよび異常をもたらす。

以下に述べるアルゴリズムは、システム（具体的にはカップまたは挿入体の表面）に対する対象体（具体的にはその表面）のフィット状態を２つの仕方で計測する。１つのアルゴリズム（図５に関連して後記で述べる）は、対象体の表面を検出し、それをシステムの既知の表面と対比することによって、システムに対する対象体の空間的フィット状態を計測する。別のアルゴリズム（図４に関連して後記で述べる）は、アンテナ３と対象体１との間のカップリングの強さ、具体的には、アレイを通したカップリングの均一性を計測する。この均一性（またはその欠如）は、不十分な空間的フィット状態を有する対象体は、一般に（システムの故障などがない中で）カップリングの不十分な均一性も同様に有することになるという点で、空間的フィット状態を表す。

図３ａは、図１に示されたシステムに対する、乳房などの対象体のフィット状態を評価する方法のステップを提示するフローチャートである。

ステップ２０で、対象体がシステムの感知面に対して配列（または再配列、後記を参照）される。この対象体は、例えばヒト乳房であってよい。感知面は、例えばカップ１２の内側面、または、カップ１２の内側面上に配列された１つ以上の誘電率制御された流体挿入体によって画定された表面とすることができる。

上記で説明したように、システムの適正な機能にとって、対象体の表面が、エア充満のギャップまたは不明の液体充満のギャップの存在なしに感知面に当接するという点で、対象体が感知面に適正にフィットすることは重要であり得る。かかるギャップは、システムに取得された信号中に望ましくないアーチファクトをもたらす可能性がある。

ステップ２２で、マイクロ波電磁波エネルギを対象体に向けて送信するために、アレイ２の１つ以上のアンテナ３に電力が適用され、その間、対象体と相互作用した後の波動エネルギを表す出力信号が、アレイ２の１つ以上のアンテナ３で受信される。

マルチスタティックモードの動作において、乳房に向けて電磁波エネルギを送信するために、アレイ中の第１のアンテナに電力が適用される。しかして、本システムにおいて当該アンテナはｔｘパスに連結され、複数の電磁信号が乳房に向けて送信される。ほぼ同時に、アレイ中の残りのアンテナが、送信された信号の結果として生じた放射を検出するために用いられる。しかして、ｒｘパスは、送信するアンテナとは別の、アレイ中の各受信アンテナに接続され、データが収集され格納される。その後、このプロセスは、アレイ中の２番目のアンテナが電磁波エネルギの複数の信号を送信し、それが次々と行われるように繰り返される。このプロセスは、アレイ２中の各アンテナ３が少なくとも１回は信号を送信するまで繰り返されてよい。

モノスタティックモードの動作では、送信しているアンテナがデータの収集にも使用でき、しかして、これらの実施形態では、ｒｘパスは、送信中のアンテナにも接続可能である。前述したように、ｒｘパスは、受信アンテナの間で時分割することができ、あるいは、複数のｒｘパスを置いてもよい。

しかして、ステップ２２に記載のプロセスでは、複数の出力信号が生成され、各出力信号は、アレイ中の１つのアンテナ（これは同じアンテナでも異なるアンテナでもよい）によって送信された複数の放射信号の結果としてアンテナで検出された放射を表す。各アンテナで検出された放射は、一般に、送信アンテナと受信アンテナとの間の相互カップリングより生じる成分、対象体１の表面から反射する放射により生じる成分、および対象体１の内部の（乳房内の腫瘍などの）構造体から反射する放射により生じる成分、の３つの成分を含むことになる。表面反射により生じる成分は、対象体１の感知面に対するフィット状態を評価するために使用されてよい。

ステップ２４で、感知面に対する対象体のフィット状態の第１の評価が、ステップ２２で生成された複数の出力信号と第１のフィット状態アルゴリズムとを使って実行される。かかる処理は、通常、プロセッサ（例えば、図１のプロセッサ９）によって実行されることになり、該プロセッサは適切なコンピュータ可読コードによってプログラムされている。

ステップ２６で、第１のフィット状態アルゴリズムの出力を使って、感知面への対象体１のフィット状態が容認可能であるかどうかが判断される。これは、システム自体が、フィット状態が容認可能であることを判断する自動化プロセスとしても、あるいは、ユーザが第１のフィット状態アルゴリズムの出力の評価に関与し、自分の経験をベースにフィット状態が容認可能かどうかを判断してもよい。フィット状態が容認可能であると判断された場合、プロセスはステップ２８へと移動し、システムは、ステップ２２で取得された出力信号、または、ステップ２２に関連して前述した、プロセスの繰り返しの結果として取得された新規の出力信号を用いて、対象体の内部構造の調査に進むことが可能である。例えば、システムは、当該技術分野で既知の技法の何れかを使って対象体の内部構造の画像を生成することが可能で、これら技法は、例えば、ＰＣＴ国際公開第ＷＯ２００６／０８５０５２号；Ｘｕ ＬｉおよびＳ．Ｃ．Ｈａｇｎｅｓｓ著、Ａ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｍａｇｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｂｒｅａｓｔ ｃａｎｃｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔ．巻１１、頁１３０〜２、２００１年３月；Ｅ．Ｃ．ＦｅａｒおよびＭ．Ａ．Ｓｔｕｃｈｌｙ著、Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｒｅａｓｔ ｔｕｍｏｕｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＆ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔ．巻９、頁４７０〜２、１９９９年１１月；ならびに、Ｐ．Ｍ．Ｍｅａｎｅｙ、Ｍ．Ｗ．Ｆａｎｎｉｎｇ、Ｄ．Ｌｉ、Ｓ．Ｐ．ＰｏｐｌａｃｋおよびＫ．Ｄ．Ｐａｕｌｓｅｎ著、Ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｆｏｒ ａｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｅａｓｔＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈ、巻４８、頁１８４１〜１８５３、２０００年１１月；に述べられている。

ステップ２６でフィット状態が容認不可と判断された場合、プロセスはステップ３０に移動し、ステップ２２で生成された複数の出力信号と、第２の異なったフィット状態アルゴリズムとを使って、感知面への対象体の第２のフィット状態評価が実行される。同様に、この第２のアルゴリズムも、通常、プロセッサ（例えば、図１のプロセッサ９）によって実行されることになり、該プロセッサは適切なコンピュータ可読コードによってプログラムされている。

ステップ３２で、第２のフィット状態アルゴリズムの出力を使ってフィット状態が容認可能かどうかが判断される。同様に、このプロセスも自動化するか、またはユーザの当該出力の評価に基づくことができる。フィット状態が（第１のフィット状態評価の判断に反して）容認可能と判断された場合、プロセスは、ステップ２８に移動することができ、前述のように対象体の内部構造が調査される。フィット状態が（第１のフィット状態評価に一致して）容認不可と判断された場合、ユーザに、現在のフィット状態を変えるために対象体を感知面に対して再配列する必要があることを示す出力を提示することができる。この出力は、対象体の調整または再配列を要求する簡単な警報メッセージであってよく、あるいは、いくつかの実施形態においては、この出力を定性的にし、フィット状態が容認不可となった対象体の表面の領域を示すことも可能である。

或る実施形態において、第１のフィット状態アルゴリズムは、第２のフィット状態アルゴリズムよりも比較的低い処理要件（したがって実行がより速い）を有してよく、より低精度のフィット状態評価を提供する。この実施形態では、より複雑なアルゴリズムは、（第１のアルゴリズムによって）何らかの点でフィット状態が容認不可であるしるしが見付かった場合にだけ実行される。上記に換えて、第１のフィット状態アルゴリズムはより複雑であるがより高い精度を備えたものとしてもよく、この場合、第２のフィット状態アルゴリズムは、第１のフィット状態アルゴリズムの評価が適正であることの「サニティーチェック」としての役割をする。

図３ｂは、図１に示したシステムへの、乳房などの対象体のフィット状態を評価するための別の方法のステップを表すフローチャートである。

本方法は、ステップ４０で開始され、このステップは図３ａで説明した方法のステップ２０と同一である。すなわち、システムの感知面に対して対象体が配列（または再配列、後記参照）される。ステップ４２は、これも図３ａに関して説明したステップ２２と類似で、マイクロ波電磁波エネルギを対象体に向けて送信するために、アレイ２の１つ以上のアンテナ３に電力が適用され、この間、アレイ２の１つ以上のアンテナ３で、対象体と相互作用した後の波動エネルギを表す出力信号が受信される。このアレイは、マルチスタティックまたはモノスタティックモードで動作させることが可能である。

これは複数の出力信号を生成し、各出力信号は、アレイ中の１つのアンテナによって送信された（これは同じアンテナであっても異なるアンテナであってもよい）複数の放射信号の結果として１つのアンテナに検出された放射を表す。

ステップ４４で、感知面に対する対象体のフィット状態の評価が、ステップ４２で生成された複数の出力信号と、第１のおよび第２のフィット状態アルゴリズムとを用いて実行される。かかる処理は、通常、プロセッサ（例えば、図１のプロセッサ９）によって実行されることになり、該プロセッサは適切なコンピュータ可読コードによってプログラムされている。

ステップ４６で、感知面に対する対象体１のフィット状態が容認可能であるかどうかを調べるために、これらアルゴリズムの出力が解析される。これは、システム自体が、フィット状態が容認可能であることを判断する自動化プロセスとしても、あるいは、ユーザが第１のおよび第２のフィット状態アルゴリズムの出力の評価に関与し、自分の経験をベースにフィット状態が容認可能かどうかを判断してもよい。両方のアルゴリズムの出力が、フィット状態は容認可能であると一致していれば、フィット状態は容認可能であると判断することができ、逆に、両方のアルゴリズムの出力が、フィット状態は容認不可であると一致していれば、フィット状態は容認不可であると判断することができる。システムの設計者は、第１のアルゴリズムと第２のアルゴリズムとの出力が相互に不一致の状況を取り扱うための適切なルールを定めることができよう。例えば、アルゴリズムの１つを他方よりも信頼性の高いものにすることが可能で、出力が不一致の場合、信頼性の高い方のアルゴリズムの出力を優先させることができる。あるいは、２つのアルゴリズムの少なくとも１つがフィット状態は容認不可であることを示す場合は、フィット状態は容認不可であると判断してもよい。

ステップ４６で、感知面に対する対象体１のフィット状態が容認可能であると判断された場合、プロセスはステップ４８へと移動し、ステップ２８に関連して前述したように、システムは、ステップ４２で取得された出力信号、または、ステップ４２に関連して前述した、プロセスの繰り返しの結果として取得された新規の出力信号を用いて、対象体の内部構造の調査に進むことが可能である。ステップ４６でフィット状態が容認不可と判断された場合、プロセスはステップ４０に戻り、ユーザに、現在のフィット状態を変えるために感知面に対して対象体を再配列する必要があることを示す出力を提示することができる。この出力は、対象体の調整または再配列を要求する簡単な警報メッセージであってよく、あるいは、いくつかの実施形態においては、この出力を定性的にし、フィット状態が容認不可となった対象体の表面の領域を示すことも可能である。

本発明の諸実施形態によれば、上記より、本方法は、システムの感知面に対する対象体の表面のフィット状態のリアルタイムでの（すなわち、対象体の現位置での）評価を伴う。このように、対象体の内部構造の調査のために、潜在的には対象体の画像の生成のために、出力信号の複雑な処理をする前に、必要に応じ、フィット状態に適切な調整を加えることができる。

アンテナ３で取得されたデータは、通常、周波数ドメインに収集され、したがって、最初に、データの各チャネルを時間ドメインに変換するためにフーリエ変換が適用される。ステップ２２で取得された全てのデータがこのように扱われることに留意する。データが変換されたならば、それは、図４および図５に関連して後記で説明するアルゴリズムの１つに送ることができる。

図４は、図３ａおよび図３ｂに示されたフィット状態評価のプロセスで使用可能な第１のアルゴリズムのフローチャートである。このアルゴリズムは、対象体１（具体的にはその表面）とカップ１２（またはその中の挿入体）の表面との間のカップリングについての情報を提供する。かかる情報は、システムへの対象体１の表面の空間的フィット状態を表し、（エアポケットもしくは過剰な液体ポケットの存在、または形状の差異による）不十分な空間的フィット状態は、一般に、カップと対象体１との間に不十分なまたは不均一なカップリングをもたらすことになる。

ステップ５０で、前の方法のステップ２２で生成された出力信号は、これらが類似と予期されるかそうでないかによってグループ化される。すなわち、各出力信号は、個々の送信−受信のアンテナペアからの信号に対応する。アレイ２は、通常、多数のアンテナ（例えば、３０、または６０）有し、１つのアンテナペアの間の空間的関係は、少なくとも１つの、およびおそらくはいくつかの他のアンテナペアと類似（すなわち、同一または対称）となろう。感知面に対する対象体の均一なフィット状態を前提とすれば、これらのアンテナペアから発生した信号−具体的には対象体の表面からの反射より生じた信号の部分は、ほぼ同様であると予期することが可能である。しかして、これらの類似のアンテナペアからの出力信号は、ステップ５０で一緒にグループ化される。

なお、これら出力信号は、バックグラウンドノイズからもたらされた信号の成分を除去するために何らかの校正にかけることができる。例えば、撮像容積（例えば、カップ１２の内部）が、カップ１２の誘電率と整合する流体媒体と、ギャップ１０中の誘電率制御された流体の層とで満たされている間に、測定値のセットを採取することができる。対象体の表面と関係ない信号の成分を校正、除去するために、（整合媒体の表面からの反射は小さいか、または存在しないので）この信号を出力信号から差し引けばよい。

上式のｙ_{ｂｒｅａｓｔ}は受信アンテナの出力信号であり、ｙ_０は整合媒体によって得られた信号であり、ｙ_ｃａｌは校正された信号である。なお、各信号は当然ながら時間と共に変化し、しかして、意図する効果を得るために信号は校正に対し時間整合させなければならない。

また、出力信号に時間窓を適用し、表面反射に関係する信号の部分だけが処理対象になるようにすることが可能である。例えば、この窓の位置および長さは、整合媒体および／またはセラミックカップの誘電率を考慮しながら、（完全なフィット状態を仮定して）送信アンテナから反射のポイントに、およびそこから受信アンテナに戻る信号のパスに基づいて計算することができる。出力信号のこの部分だけを観察することによって、処理を大いに簡素化することができる。

ステップ５２で、出力信号の各グループに対する基準信号が校正される。例えば、一実施形態では、（各時間点ｔでの）出力信号の算術平均が、各グループに対する基準信号として用いられる。

ステップ５４で、グループ内の各出力信号が、そのグループに対する基準信号と比較される。例えば、ｉ番目の信号に対する以下の式によって、類似度係数を得ることができる。

上式の分子は、基準信号Ｆ（ｔ）と窓表示された各信号

との間の共分散マトリックスを表し、σ_Ｆおよびσ_ｙｉは、それぞれ、Ｆ（ｔ）および

に対する標準偏差である。この算式を使うと、０に近い相関係数値は、不十分なフィット状態に相当し、１に近い値は良好なフィット状態に相当する。当業者には、別の比較の方法も明らかであろう。

この類似度係数をユーザに直接に出力し、ユーザが自分の経験に基づいて、感知面に対する対象体の表面のフィット状態が、対象体の表面とセラミックカップ１２（または挿入体）とのカップリングが容認不可であるかという点で、容認可能かどうかを判断するようにしてもよい。但し、システムが、フィット状態が容認可能かどうかを判断する場合は、ステップ５６で、各出力信号に対する類似度係数を閾値と比較することが可能である。例えば、この閾値は０．５に、または１に近い値に設定することができる。類似度係数が閾値より大きい場合、ステップ５８で、特定の出力信号に対応するアンテナペアに対するフィット状態は容認可能であると判断することができる。すなわち、当該出力信号は、そのグループ中の他の出力信号と類似であり、これは予期された通りである。

類似度係数が閾値より低い場合、ステップ６０で、特定の出力信号に対応するアンテナペアに対するフィット状態は容認不可であると判断することができる。すなわち、当該出力信号は、そのグループ中の他の出力信号と十分に類似しておらず、グループ中のアンテナペアの幾何学的配置はそれらの対応出力信号が全て類似であるべきことを規定しているので、これは予期を外れている。これは、エアで満たされたまたは液体で満たされたギャップが、対象体の表面と感知面との間に存在すること、すなわち、感知面に対する対象体のフィット状態が容認不可であることのしるしであり得る。

本発明の諸実施形態において、ステップ５６は、グループに割り当てられた各出力信号に対し反復することが可能である。このアルゴリズムは、１つの類似度係数が閾値より低い場合に、または所定数の類似度係数が閾値より低い場合に、または特定のパーセントの類似度係数が閾値より低い場合に、対象体のフィット状態は全体として容認不可であると結論付けることができる。上記の後者の２つの実施形態は、当然ながら、このアルゴリズムがフィット状態を容認不可として示すことになる尤度を低下させる。

図４に述べられたアルゴリズムは、しかして、感知面に対象体が適正にフィットしているかどうかのしるしを提供する。このアルゴリズムは、ステップ２４（すなわち第１のアルゴリズムとして）もしくはステップ３０（すなわち第２のアルゴリズムとして）で、およびステップ４４で用いることができる。

図５は、図３ａおよび図３ｂに示されたフィット状態評価プロセスで使用可能なさらなるアルゴリズムのフローチャートである。この第２のアルゴリズムは、一般に、図４で述べられたアルゴリズムよりももっと計算的に複雑であるが、対象体のフィット状態が正確に何処で容認不可なのかを示す定性的出力を提供することができる。このアルゴリズムは、しかして、ステップ２４もしくはステップ３０、およびステップ４４で用いることが可能である。

この方法の第１のステップはステップ７０であり、ここで複数のテンプレート信号が導出される。なお、このステップは、（例えば、ステップ２０および２２中に示されるように）対象体が感知面に配列され信号が取得される前に実行され、例えば、システムが最初にセットアップされるときに実行されてもよい。撮像容積が、カップ１２と整合しない誘電率を有する、例えば水などの液体で満たされる。液体は流体なので感知面に「完全に」フィットし、一方、その相異なる誘電率のため、アンテナ３によって生成された信号は、乳房などの対象体の反射と同様な強い反射にさらされる。これにより、この流体で満たされたシステムを使って測定値のセットが採取され、本明細書ではこれらを「テンプレート信号」と言う。

これらテンプレート信号は、出力信号に関連して前述したのと同じやり方（すなわち、整合媒体を使って採取された信号が、式（１）と類似の仕方でテンプレート信号から差し引かれる）で校正に付すことができ、皮膚反射と関係のない不必要な計算を回避するため、これも同様な仕方で窓表示することができる。

個々のテンプレート信号が歪んだり、予想外に低増幅になったりする場合がある。或る実施形態において、この問題は、（ステップ５０に関連して前述したように）対称アンテナペア群から得られた信号のグループの中にテンプレート信号を配置し、これら信号を平均し、特定のアンテナペアに対する個別のテンプレート信号を用いるのでなく、代わりに平均値を用いるようにすることによって軽減することが可能である。

ステップ７２で、出力信号は、前述したのと同様なやり方で、撮像容積が整合媒体で満たされている間に得られた信号を減算することで校正される。また、これら出力信号を窓表示し、対象体の表面からの反射が生じると予期される時間窓だけに焦点をあてることが可能である。

ステップ７４で、各校正された出力信号は、そのそれぞれのテンプレート信号と次のように相関している。

上式のｘ（ｔ）はテンプレート信号であり、ｙ^＊（ｔ）は受信信号の複素共役を表し、τは２つの信号の間の相対遅延差であり、ｔは時間ステップである。

合計伝送遅延ｔ_ｒｔ値は、テンプレートモデル形状から得られた相関および基準遅延値より抽出された相対遅延値の和から計算される。距離値ｄ_ｒｔのセットは、伝播媒体中の既知の速度を想定し、計算された伝送伝播遅延ｔ_ｒｔ値に基づき、以下の式を使って計算される。

上式のｃ_０は自由空間における光の速度であり、ε_ｒは、信号が伝播する媒体の誘電率である。

ステップ７６で、対象体の表面の位置は、距離値ｄ_ｒｔのセットを用いて下記により導出される。

バイスタティックモード（またはマルチスタティックモード）を考えれば、各ｄ_ｒｔ値は、送信アンテナから送信され、対象体の表面で反射され、受信アンテナで記録される入射信号によって形成されるパスに等しい。しかして、どの伝播距離値も、送信および受信アンテナの位置を焦点とする３Ｄ楕円体を生成する。なお、モノスタティックデータに用いられた場合、この伝播距離値はしかして球形を形成する。

３Ｄにおいて、２つの連続するアンテナの位置が、トランスミッタ（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）でレシーバ（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）であるとする。楕円体上のランダムな点（ｘ，ｙ，ｚ）を考える。２つの楕円体焦点からのその点の距離は次の式を満たす。

これは３Ｄ楕円体の一般式である。

これら表面点は、全ての楕円体と、アンテナアレイ２の中心（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）から方向（θ，φ）に向かうラインとの交点から求められ、この例では、これはこの座標システムの原点と一致する。原点の座標（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）は、アレイの全アンテナの位置のアプリオリな知識に基づいて求められる。ライン上の点は以下の媒介変数方程式によって表される。

上式で、パラメータｕは集合［０，１］からの値を取り、Ｐ_２（ｘ_Ｐ２，ｙ_Ｐ２，ｚ_Ｐ２）は、次式を考慮して球面座標系で定義される。

座標方程式（７ａ〜７ｃ）を方程式（６ａ〜６ｃ）に、次いで式（５）に代入することによって、θ，φ、およびｕに掛かる二次方程式が得られる。ラインと各楕円体との交点を求めるために、各（θ，φ）の値に対し、パラメータｕを変化させることができる。各ラインは、複数の楕円体と交差し得、しかして、各（θ，φ）に対し、対象体の境界点には、原点に最も近いかかる交点が選択される。物理的観点からは、このラインは、様々な楕円体の選択された点によって限定された対象体の半径に相当する。この条件は、次の式によって表される。

この条件は、全体的な対象体の表面を再現するために、全アンテナペアからの出力信号に適用される。

出力信号が、対象体の表面以外の構造体（例えば、システムの他の構成部分または対象体内の構造体）からの反射より生じるスプリアス成分を含んでいることがあり得る。その結果、相関信号が複数の同じような高さのピークを有することがある。このために、いくつかの実施形態には追加の処理ステップが含まれてよい。対象体の表面の再現の品質を向上するために、全ての（θ，φ）ペアの値に対し、相異なる楕円体から得られた、原点に最も近い２つの再現点が平均される。

ステップ７８で、以下の式（半球状の感知面を想定している）を用いて、対象体の表面と感知面との間の誤差を計算することができる。

上式のｒ_ｃｕｐは使われたセラミック挿入体の半径を表し、（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）はアンテナアレイ２の既知の中心を示し、（ｘ（θ，φ），ｙ（θ，φ），ｚ（θ，φ））は、それぞれの（θ，φ）の再現点を指す。各種の感知面に対し、同様な式を導出することができる。

ステップ８０で、誤差値が、感知面の二次元投影図などで、ユーザに対し図表で出力される。かかる視覚的出力は、感知面に対する対象体のフィット状態についての定性的情報を提供し、ユーザが、対象体が感知面に容認可能にフィットしているかどうか、また、していない場合、何処で対象体の表面のフィット状態が容認不可なのかを判断することを可能にする。別の実施形態において、システム自体が、各位置における誤差値を閾値と比較することによってフィット状態が容認可能かどうかを判断することができる。システムは、１つ以上の点において誤差値が閾値を超える場合にフィット状態が容認不可であると判断すればよい。

本発明は、しかして、対象体の内部構造を調査するシステムにおいて、感知面に対する乳房などの対象体のフィット状態を評価するための方法および装置を提供する。フィット状態のこの評価は、対象体の現位置でリアルタイムに実行することができ、対象体の内部構造を調査するための処理を実行する前に、必要に応じて対象体の位置を変更することを可能にする。

当業者には当然のことながら、本明細書に添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、前述の諸実施形態に様々な修改および変形を加えることが可能である。

Claims (25)

1. 対象体の内部構造を探査するためのシステムにおける方法であって、前記システムは、感知面上に配列された送信／受信アンテナ素子のアレイを含み、前記方法は、
   前記対象体に向けて電磁波エネルギを送信するため、前記アレイの１つ以上の送信／受信アンテナ素子に電力を適用するステップと、
   前記アレイの１つ以上の送信／受信アンテナ素子で、前記対象体との相互作用後の前記電磁波エネルギを検出し、これにより複数の出力信号を生成するステップと、
   前記複数の出力信号に基づいて、前記対象体の表面の形状が前記感知面の形状に適合しているか否か、しかして前記感知面に対する前記対象体の前記表面のフィット状態を表すデータを生成するステップと、
   前記生成されたデータに基づいて、前記対象体の前記表面が前記感知面にフィットしているかどうかを判断するステップと、
   を含む、
   方法。
2. 前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていないと判断されるのに応じて、前記対象体の調整または再配列を要求する警報信号を出力するステップ、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、前記複数の出力信号に基づいて前記対象体の前記内部構造を探査するステップ、または、
   前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、さらなる複数の出力信号を生成するため送信／受信アンテナ素子の前記アレイを制御し、前記さらなる複数の出力信号に基づいて前記対象体の前記内部構造を探査するステップ、
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記対象体の表面が前記感知面に適合していない場合、前記対象体の表面は前記感知面にフィットしていないと判断される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. １つ以上のエアまたは液体で満たされたギャップが、前記対象体の表面と前記感知面との間に存在する場合、前記対象体の表面は前記感知面にフィットしていないと判断される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記感知面に対する前記対象体の表面の前記フィット状態を表すデータを生成する前記ステップが、
   前記複数の出力信号に基づいて、前記対象体の表面を再現するステップと、
   前記対象体の表面と前記感知面とを比較するステップと、
   を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記対象体の表面と前記感知面とを比較する前記ステップが、複数の空間位置の各々に対し、その空間位置における前記対象体の表面と前記感知面との間のミスマッチを示す誤差値を生成するステップを含む、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記対象体の表面の前記感知面に対する前記フィット状態を示すデータを生成する前記ステップが、
   前記複数の出力信号からの、類似であると予期される出力信号をグループ化するステップと、
   グループ中の個々の出力信号を前記グループ中の他の出力信号、または前記グループ中の前記出力信号から生成された基準信号と比較するステップと、
   を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 出力信号が、相互に対称な送信／受信アンテナ素子のペアから生成された場合、それら出力信号は類似であると予期される、請求項８に記載の方法。
10. 前記基準信号が前記グループ中の前記出力信号の算術平均である、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記個々の出力信号と前記基準信号との間の相関係数が閾値より低い場合に、前記対象体の表面は前記感知面にフィットしていないと判断するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記感知面に対する前記対象体の表面の前記フィット状態を表す前記データが、前記アレイ中の送信／受信アンテナ素子と前記対象体の前記表面との間のカップリングをさらに表す、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記感知面が、ほぼ半球状またはほぼ放物体状である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記感知面が、カップの内側面によって少なくとも部分的に画定される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 送信／受信アンテナ素子の前記アレイが、前記カップの外側面に配列される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記内側面が、前記カップ内の挿入体によってさらに画定される、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記アレイの１つ以上の送信／受信アンテナ素子に電力を適用する前記ステップが、前記対象体に向けて電磁波エネルギを送信するために、複数の送信／受信アンテナ素子に順繰りに電力を適用するステップを含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 対象体の内部構造を探査するためにシステムであって、前記システムは、
    感知面上に配列された送信／受信アンテナ素子のアレイと、
    前記対象体に向けて電磁波エネルギを送信するため、前記アレイの１つ以上の送信／受信アンテナ素子に電力を適用し、
    前記アレイの１つ以上の送信／受信アンテナ素子で、前記対象体との相互作用後の前記電磁波エネルギを検出し、これにより複数の出力信号を生成し、
    前記複数の出力信号に基づいて、前記対象体の表面の形状が前記感知面の形状に適合しているか否か、しかして前記感知面に対する前記対象体の前記表面のフィット状態を表すデータを生成し、
    前記生成されたデータに基づいて、前記対象体の前記表面が前記感知面にフィットしているかどうかを判断する、
    ように構成された処理電子装置と、
    を含む、システム。
19. 前記処理電子装置が、
    前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていないと判断されるのに応じて、前記対象体の調整または再配列を要求する警報信号を出力する、
    ようにさらに構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記処理電子装置が、
    前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、前記複数の出力信号に基づいて前記対象体の前記内部構造を探査する、または
    前記対象体の表面が前記感知面にフィットしていると判断されるのに応じて、さらなる複数の出力信号を生成するため送信／受信アンテナ素子の前記アレイを制御し、前記さらなる複数の出力信号に基づいて前記対象体の前記内部構造を探査する、
    ようにさらに構成される、請求項１８または１９に記載のシステム。
21. 前記感知面が、ほぼ半球状またはほぼ放物体状である、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
22. 前記感知面が、カップの内側面によって少なくとも部分的に画定される、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
23. 送信／受信アンテナ素子の前記アレイが、前記カップの外側面に配列される、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記内側面が、前記カップ内の挿入体によってさらに画定される、請求項２２または２３に記載のシステム。
25. 格納されたコンピュータ命令を含むコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ命令は、プロセッサによって実行されると前記プロセッサに、
    感知面上に配列された１つ以上のレシーバによって検出された、対象体との相互作用後のマイクロ波エネルギに対応する複数の出力信号を受信させ、
    前記複数の出力信号に基づいて、前記対象体の表面の形状が前記感知面の形状に適合しているか否か、しかして前記感知面に対する前記対象体の前記表面のフィット状態を表すデータを生成させる、
    コンピュータ可読媒体。