JP7134164B2 - 医用撮像システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は医用撮像システムおよび方法に関する。

人体を検査するための種々の医用撮像技術が知られている。そのような撮像技術は、腫瘍または病変などの異常を識別するために組織および臓器を調べるのに使用することができる。例えば、Ｘ線（マンモグラフィ）、マイクロ波撮像、超音波、ＭＲＩは全て通常の撮像モダリティである。そのような技術は、通常、胸部組織を調べるのに使用されるが、肝臓、膵臓、前立腺、甲状腺、肺臓、卵巣およびリンパ節などの身体の他の範囲において使用することもできる。

撮像モダリティによって生成される画像の品質は、その画像を理解するための重要な因子である。特に、空間解像度、および画像内のアーチファクトの存在または非存在は、撮像モダリティを選択するときに考慮することができる基本的特性である。結果として、撮像モダリティを使用して生成される画像の品質を向上させるための要望が一般的に存在する。

本発明は、マイクロ波アンテナアレイを用いて取得される画像の品質を向上させるシステムを提供しようとするものである。

本発明の一態様により、互いに間隔を空けられた複数のアンテナを備えたマイクロ波アンテナアレイを備える医用撮像システムが提供され、複数のアンテナは送信アンテナおよび受信アンテナを定め、送信アンテナは患者の身体部分を照射するようにマイクロ波信号を送信するように構成され、受信アンテナは身体部分内での散乱後のマイクロ波信号を受信するように構成され、ここで、マイクロ波アンテナアレイは、身体部分に対する複数のアンテナの位置を定める複数の配置（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を有し、ここで、各々の配置において、複数のアンテナは、他の配置において占められていない位置に置かれ、本医用撮像システムはさらに、複数のアンテナを以前には占められていない位置に位置決めするように複数の配置の間でマイクロ波アンテナアレイを動かすように構成されたアクチュエータと、マイクロ波アンテナアレイの複数の配置の各々において生成されたマイクロ波信号のデータセットを取得し、データセットの連結から身体部分の内部構造を示す出力を生成するように構成されたプロセッサと、を備える。

マイクロ波アンテナアレイは、基板の上に形成することができ、この基板は身体部分に一致するように形取られる。

基板は半球形にすることができる。

アクチュエータは、マイクロ波アンテナアレイを身体部分に対して相対的に回転させるように構成することができる。

アンテナの間の物理的間隔は、マイクロ波信号の波長の半分よりも大きくすることができ、複数の配置によって定められる位置におけるアンテナの間の有効間隔は、マイクロ波信号の波長の半分よりも小さくすることができる。

アンテナは、アンテナの移動方向に対して傾斜させられた多角形の規則的な切り嵌め細工（ｔｅｓｓｅｌｌａｔｉｏｎ）から形成される構造体内に位置決めすることができる。

多角形は正方形とすることができる。

構造体は、アンテナの間の間隔を最大化するために、２０度と３５度との間の角度、好ましくは２７度またはより具体的には２６．５６５度の角度に傾斜させることができる。具体的には、この配置により、アンテナは、均一な間隔で間隔を空けられ回転軸に平行に位置合わせされる。

本発明の一態様により、（ａ）マイクロ波アンテナアレイの送信アンテナによって発せられるマイクロ波信号で患者の身体部分を照射するステップと、（ｂ）データセットを取得するために、マイクロ波アンテナアレイの複数の受信アンテナにおいて身体部分内での散乱後のマイクロ波信号を受信するステップと、（ｃ）身体部分に対する相対的なアンテナの位置を、以前には占められていなかった位置に置かれるように移動させるステップ、並びにステップ（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップと、（ｄ）取得されたデータセットを連結するステップおよび連結されたデータセットから身体部分の内部構造を示す出力を生成するステップと、を含む医用撮像方法が提供される。

アンテナは、マイクロ波アンテナアレイに接続されたアクチュエータを用いて動かすことができる。

アクチュエータは、身体部分に対して相対的にマイクロ波アンテナアレイを回転させるように構成することができる。

次に、本発明のより良い理解のために、およびそれをどのように実行することができるかをより明白に示すために、例として添付の図面を参照する。

本発明の一実施形態による医用撮像システムのシステム図である。 医用撮像システムの略図である。 サンプリング方法を示すフローチャートである。 第１の配置（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）における医用撮像システムのアンテナアレイの平面図である。 第２の配置におけるアンテナアレイの平面図である。 第３の配置におけるアンテナアレイの平面図である。 図４～６に示される各々の配置に関するアンテナの互いに重なる位置を示す。 傾斜させられた切り嵌め細工の並進を示す実例である。

図１は、本発明の一実施形態による医用撮像システム２を示す。この医用撮像システムは一般に、プロセッサ４と、プロセッサ４と通信するマイクロ波アンテナアレイ６と、マイクロ波アンテナアレイ６に接続され、プロセッサ４と通信するアクチュエータ８と、を備える。

図２に示されるように、アンテナアレイ６は、シェル基板１８の表面の上または内部に配設される複数Ｎのアンテナ１６を備える。シェル１８は、図示されるように、湾曲したプロファイルを有する。具体的には、シェル１８は半球形の部分であり、胸部の形状とおおよそ同じであるように構成される。アンテナ１６は、それら全てが共通の焦点に向くようにシェル１８の上に配設される。

アンテナ１６は、各々、スイッチングマトリクス２０に電気的に接続される。スイッチングマトリクス２０は次に送信パスおよび受信パスの両方に接続される。送信パスは、増幅器２４に結合された信号発生器２２を備える。受信パスは、検知器２８およびプロセッサ４に結合された増幅器２６を備える。

スイッチングマトリクス２０は、アンテナ１６の各々を、送信パスまたは受信パスのいずれかに選択的に結合する。

アンテナアレイ６は、マルチスタティック様式で操作される。具体的には、スイッチングマトリクス２０は、アンテナ１６のうちの１つを送信パスに接続し、残りのアンテナ１６を受信パスに接続するように、制御される。信号発生器２２は、ステップ周波数連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）信号を生成し、この信号が増幅器２４によって増幅され、次いで、送信パスに接続されたアンテナ１６によって送信される。ステップ周波数連続波信号は、連続波エネルギーのパルスの逐次シリーズであり、ここで各々のパルスは、周波数の範囲、典型的には３～８ＧＨｚの範囲にわたって漸増する周波数を有する。他のアンテナ１６は送信された信号を受信し、受信された信号がプロセッサ４によって検知され、次いで記録される。

図２に示されるように、シェル１８はカップ３０を収容する。カップ３０は、シェル１８の中にぴったり嵌るように、シェル１８に相補的な形状を有する。信号損失を最小にし、それ故にマイクロ波信号の伝達を改善するため、アンテナ１６とカップ３０との間の結合を改善するように結合流体（誘電率が制御された流体）の層をシェル１８とカップ３０との間の間隙３１の中に挿入することができる。

前述のように、アクチュエータ８、例えばモータが、マイクロ波アンテナアレイ６に接続される。アクチュエータ８は、胸部３６に対して静止したままのカップ３０に対して相対的にマイクロ波アンテナアレイ６を動かすように構成される。具体的には、アクチュエータ８は、胸部３６の周りのカップ３０に対して相対的にマイクロ波アンテナアレイ６を回転させる。マイクロ波アンテナアレイ６は、シェル１８の中心（即ち、その対称軸）の周りを回転する。これは、カップ３０とシェル１８との間の螺合によって可能にすることができる。具体的には、カップ３０の外側とシェル１８の内側とが、ネジ部分を有することができ、これらのネジ部分が、シェル１８とアンテナアレイ６とがカップ３０に対して相対的に回転することを可能にするように係合する。これはまた、結合流体を置き換えることができるように、カップ３０を迅速かつ容易に取り外すことを可能にし得る。

アンテナ１６は、国際公開第２００９／０６０１８１号に記載されているようにすることができる。具体的には、アンテナ１６は導電要素内に形成されるスロット１６を備え、このスロットは導電要素の内縁部に実質的に接近して定められる長方形の外部境界を有する。マイクロストリップフィードラインは、誘電体物質によって導電要素から間隔を空けられ、ラインの遠位端部がスロットの幾何学的中心に位置決めされるようにすることができる。そのようなアンテナは、マイクロ波を人の組織内部に発射するのに効果的であるが、そのサイズが、アンテナを互いに十分近くに位置決めすることを妨げる可能性がある。システム２は、アンテナ１６が以前には占められなかった位置を取るように、アンテナアレイ６を回転させるのにアクチュエータ８を使用する。アンテナ１６の位置はある程度重なることができるが、用語「占められない」は、本明細書では新しいサンプリング位置を指すのに用いられる。アンテナアレイ６の回転は、したがって、より高密度のアンテナ１６を有する「実際上の」アレイを創出する。

使用中、患者は、自身の胸部３６がカップ３０の中に位置するように、俯せ状態で横たわる。アンテナ１６と胸部３６との間の結合を改善するために、カップ３０と胸部３６との間の間隙３５に結合流体の層を設けることもできる。

図示されていないが、カップ３０の内表面と胸部３６との間をうまく合わせることができるように、１つまたはそれ以上の挿入物をカップ３０の内側に配置することができる。例えば、種々の形状およびサイズの胸部にシステムをより良好に適合させることができるように、各々が異なる形状およびサイズを有する複数のそのような挿入物を準備することができる。挿入物は、カップと同じ材料（例えば、セラミック）から作製することができる。

図３は、データ取得方法のフローチャートを示す。図示されるように、スイッチングマトリクス２０が、Ｎアンテナのうちのアンテナｍを送信パスに接続する。他の全てのアンテナ１６（ｎ＝１・・・Ｎ、ｎ≠ｍ）は受信パスに接続される。送信パスに接続されたアンテナ１６は、胸部３６をマイクロ波信号で照射する。信号は胸部組織によって散乱され、散乱された信号は非送信アンテナ１６の各々において受信され、そこで（多分、時分割配置において）検知され記録される。ｍ≠Ｎである場合、スイッチングマトリクス２０は、送信パスに接続されるように次のアンテナ１６（ｍ＝ｍ＋１）に進む。これは、全てのアンテナ１６が送信パスに接続されるまで繰り返される。

追加のデータセットが必要な場合、胸部を所定位置に留めたままアレイ６を胸部３６に対して相対的に回転させるためにアクチュエータ８が使用される。この取得プロセスは、さらに、新しい配置におけるアンテナアレイ６を用いて繰り返される。

プロセッサ４は、送信信号の計測された位相および振幅と、複素数（実数部分および虚数部分を有する）として記録された散乱信号の位相および振幅とを比較しての相対的差異を記録することができる。

各々のアンテナ１６において検知される信号は、撮像される体積（即ち、胸部３６）内の対象物から生じる散乱による影響を受ける。具体的には、腫瘍は、それらの著しい含水量のために、脂肪および結合組織よりも遥かに高い誘電特性を示すので、著しい反射を生成することができ、それ故に取得されたデータ内で識別することができる。

取得されたデータセットは、胸部３６の内部構造の画像を構築するためにプロセッサ４によって使用することができる。具体的には、アンテナアレイ６の各々の配置に対して取得されたデータセットが連結され（即ち、組み合わされ）、連結されたデータセットが画像を生成するのに用いられる。したがって、画像の解像度は、アンテナアレイ６の各々の配置に対するデータセットを組み合わせることによって向上する。データ再構築は、位相アレイ（Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ）（周波数域）、遅延および和（ＤＡＳ：Ｄｅｌａｙ ａｎｄ Ｓｕｍ、時間域）の技術または他の任意の適切な技術、例えば、３Ｄフーリエ変換、背面投影など、を用いて行うことができる。これから、プロセッサ４は、可能性のある腫瘍または他の病変が存在し得る関心領域（存在する場合）を識別することができる（多分、付加的なユーザ入力または確認と共に）。

上述のように、画像取込みプロセスの間、胸部３６に対するアンテナアレイ６の相対的な回転は、アンテナ１６を以前には占められていない位置に移動させる。実際上のアレイ中のアンテナ１６の有効間隔（即ち、全ての配置にわたって占められている位置の間の間隔）は、それ故に、シェル１８上のアンテナ１６の物理的間隔よりも小さい。それ故に、これは画像の解像度を向上させる。実際上のアレイ中のアンテナ１６の有効間隔は、グレーティングローブ（ｇｒａｔｉｎｇ ｌｏｂｅ）が画像内に生じるのを防ぐために、マイクロ波信号の波長の半分より小さいことが好ましい。アンテナ１６のサイズのために、そのような間隔は別の方法では物理的に達成することができない。前述のように、マイクロ波信号の周波数は、周波数の範囲、典型的には３～８ＧＨｚの範囲にわたって漸増させることができる。したがって、本明細書で言及される波長は、中心周波数、即ち、５．５ＧＨｚ（

における）に基づく。

アンテナ１６を以前には占められていない位置に移動させるいずれの配置においても、アンテナ１６はシェル１８の上に位置決めすることができるが、図４～図６は受信範囲を最大にする好ましい配置を示す。図４は、第１の配置におけるアンテナアレイ６を示し、図５および６は、アレイが、アンテナアレイ６の対称軸と位置合わせされることが好ましい回転軸の周りを回転させられた、第２および第３の配置におけるアンテナアレイ６を示す。

図４～図６に示される配置は、多角形の傾斜させられた規則的な切り嵌め細工（タイル張り）の半球形内への投影に基づくものであり、それらタイルの各隅がアンテナ１６の各位置を定める。

単位正方形の簡単な切り嵌め細工に関して、０．５の水平移動が、水平方向における減らされた有効間隔を有する実際上のアレイを生成することになるが、これは同じ垂直間隔を維持する。これとは対照的に、対角移動（垂直および水平の２つの運動軸に沿った移動）は、水平および垂直方向の両方において有効間隔を減らすことになる。代わりに、正方形の切り嵌め細工を傾斜させ、次いで、図８に示されるように単一軸（例えば、水平の）に沿った移動を行うことによって、この同じ効果を達成することができる。

切り嵌め細工を傾斜させることにより、正方形の隅は、共通の経路に沿って動くのではなく、全てが互いにずれた経路に沿って動く。隅の間の均一な垂直方向の間隔は、正方形の切り嵌め細工を２６．５６５度（＝ｔａｎ^－１（０．５））傾斜させることによって達成することができる。これは、隅の間の垂直分離を最大にする。

上述のように、図４～図６に示される配置は傾斜させられた切り嵌め細工の半球形内への投影である。傾斜させられた切り嵌め細工は、逆メルカトル投影（inverse Mercator projection）または他のマップ投影を用いて半球形に変換することができる。したがって、アンテナアレイ６のその軸の周りの回転は、半波長基準を満たす有効間隔を伴う実質的に均一な密度を有する実際上のアレイを定めるように、アンテナ１６が、アンテナ１６の元の位置間の、間隔を空けられた新しい位置を占めるようにする。図７は、互いに重なる各々の配置のアンテナ１６の位置を示し、それ故に、実際上のアレイの密度を示す。

典型的には、アンテナが単一の角距離Ａで分離される半球形アレイにおいて、各々の増分の角回転はＡ／３となり、それにより実際上のアレイ密度が３倍増加する。

図７に示される位置の密度は、完全に決定される連結されたデータセットを生成するのに十分である。換言すれば、連結されたデータセットから、散乱場である干渉パターンを、試料の位置以外の位置を含む、いずれの空間位置においても計算することができる。したがって、一組の別々の試料から、全ての空間位置における場に関する完全な情報を得ることができる。これは、グレーティングローブなどのアーチファクトが画像内に生ずるのを防ぐ。アンテナ１６の移動は、アンテナ１６の間の有効間隔を減らす。したがって、これは、より多数のおよび／またはより少数のアンテナを、それでもなおマイクロ波波長の半分より小さい有効間隔を得るように、使用することを可能にする。

アンテナアレイ６は、複数の個々の配置／位置を有するように説明されているが、データは、その代わりに、連続的に動くアレイから取得することができる。さらに、全体のアンテナアレイ６は回転する必要がなく、その代わりに、個々のアンテナ１６が、アンテナアレイ６の各々の配置においてシェル１８内の種々異なる位置を取ることができる。

本システムは、胸部の撮像に関して説明されているが、当然のことながら身体の他の範囲に適合させることができる。したがって、アンテナアレイ６は半球形にする必要はなく、他の身体部分に一致するように形取ることができる。アンテナアレイ６が回転対称を有しない場合、アンテナ１６は回転ではなく並進させることができる。

アクチュエータ８は、任意の適切な仕方でアンテナ１６を移動させることができる。他の配置において、アンテナ１６の移動は、手で作動させることができる。手による作動が用いられる場合、アンテナアレイ６は、計測の再現性を確実にするように準備することができる。特に、アンテナアレイ６は、個別の位置、および、アンテナアレイ６が正しい位置にあるときにユーザに対する確認のための適した形のフィードバックを有することができる。アンテナアレイ６は、適切な割出し機構または同様のものを用いて個別の位置に向かって付勢することができる。

当然のことながら、プロセッサ４は、関心領域を識別するために胸部の内部構造の画像を表示すること、または実際に生成することを必要としない。関心領域は、その代わりに未加工データに基づいて決定することができる。

本システムは、データを複数のアンテナから同時に記録することができるように、複数の送信および受信パスを用いることができ、さらに、データを全てのアンテナから同時に記録することができるように、アンテナの数に対応する数の送信および受信パスを備えることさえも可能である。代替的な接続形態において、スイッチングマトリクスを取り除き、したがって、各々のアンテナを送信／受信デバイスに接続できるようにすることができる。

本明細書において不必要な二度手間やテキストの繰り返しを避けるために、ある特定の特徴は、本発明の１つのみのまたは幾つかの態様または実施形態に関連して説明されている。しかし、技術的に可能である場合には、本発明のいずれかの態様または実施形態に関連して説明される特徴はまた、本発明の他のいずれかの態様または実施形態と共に使用することができることを理解されたい。

本発明は、本明細書において説明された実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、修正するかまたは適合させることができる。

Claims (12)

1. 互いに間隔を空けられた複数のアンテナを備えるマイクロ波アンテナアレイであって、前記複数のアンテナは送信アンテナおよび受信アンテナを定め、前記送信アンテナは患者の身体部分を照射するようにマイクロ波信号を送信するように構成され、前記受信アンテナは前記身体部分内での散乱後の前記マイクロ波信号を受信するように構成される、医用撮像システムであって、
   前記マイクロ波アンテナアレイは、前記身体部分に対して相対的に前記複数のアンテナの位置を定める複数の配置を有し、各々の配置において、前記複数のアンテナが、他の配置においては占められない位置に置かれ、
   前記医用撮像システムは、
   前記複数のアンテナを以前には占められていない位置に位置決めするように、前記複数の配置の間で前記マイクロ波アンテナアレイを動かすように構成されたアクチュエータと、
   前記マイクロ波アンテナアレイの前記複数の配置の各々において生成された前記マイクロ波信号に関するデータセットを取得し、前記データセットの連結から前記身体部分の内部構造を示す出力を生成するように構成されたプロセッサと、
   をさらに備え、
   前記複数のアンテナの間の物理的間隔は、前記マイクロ波信号の波長の半分よりも大きく、前記複数の配置によって定められる位置において、前記複数のアンテナの間の有効間隔は、前記マイクロ波信号の前記波長の半分よりも小さい、
   医用撮像システム。
2. 前記マイクロ波アンテナアレイは基板の上に形成され、前記基板は前記身体部分に一致するように形取られるかまたは形取り可能である、請求項１に記載の医用撮像システム。
3. 前記基板は半球形である、請求項２に記載の医用撮像システム。
4. 前記アクチュエータは、前記マイクロ波アンテナアレイを前記身体部分に対して相対的に回転させるように構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の医用撮像システム。
5. 前記複数のアンテナは、前記複数のアンテナの移動方向に対して傾斜させられた多角形の規則的な切り嵌め細工から形成される構造体内に位置決めされる、請求項１～４のいずれか一項に記載の医用撮像システム。
6. 前記複数のアンテナは、前記規則的な切り嵌め細工の逆メルカトル投影（inverse Mercator projection）から形成される構造体内に位置決めされる、請求項５に記載の医用撮像システム。
7. 前記多角形は正方形である、請求項５または６に記載の医用撮像システム。
8. 前記構造体は、２０度と３５度との間の角度で傾斜させられる、請求項５～７のいずれか一項に記載の医用撮像システム。
9. 前記構造体は、２７度の角度で傾斜させられる、請求項８に記載の医用撮像システム。
10. （ａ）互いに間隔を空けられた複数のアンテナを備えるマイクロ波アンテナアレイを提供するステップであって、前記複数のアンテナは送信アンテナおよび受信アンテナを定める、ステップと、
    （ｂ）前記送信アンテナによって発せられるマイクロ波信号で、患者の身体部分を照射するステップと、
    （ｃ）データセットを取得するために、前記身体部分内での散乱後の前記マイクロ波信号を、前記受信アンテナにおいて受信するステップと、
    （ｄ）前記アンテナが以前には占められていなかった位置に置かれるように、前記複数のアンテナの位置を前記身体部分に対して相対的に動かすステップ、並びにステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返すステップと、
    （ｅ）取得された前記データセットを連結するステップ、および前記身体部分の内部構造を示す出力を前記連結されたデータセットから生成するステップと、
    を含み、
    前記複数のアンテナの間の物理的間隔は、前記マイクロ波信号の波長の半分よりも大きく、前記複数のアンテナを以前には占められていなかった位置に動かすことにより達成される前記複数のアンテナの間の有効間隔は、前記マイクロ波信号の前記波長の半分よりも小さい、
    医用撮像方法。
11. 前記複数のアンテナは、前記マイクロ波アンテナアレイに接続されたアクチュエータを使用して動かされる、請求項１０に記載の医用撮像方法。
12. 前記アクチュエータは、前記マイクロ波アンテナアレイを、前記身体部分に対して相対的に回転させるように構成される、請求項１１に記載の医用撮像方法。

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