KR102068110B1 - 배경 및 스킨 클러터에 탄력적인 마이크로웨이브 이미징 - Google Patents

Abstract

배경 및 스킨 클러터(skin clutter)에 탄력적인 마이크로웨이브 이미징 센서가 개시된다. 탄력성은 다른 안테나들로부터의 반사들을 이용하고 전파의 차이들을 보상함으로써, 마이크로웨이브 안테나 어레이 또는 피험자의 기계 변위 없이 피부 반사들의 소거에 의해 획득된다. 소거는 이미지 상에서, 그리고 특히 대칭 타겟들의 이미지 재구성 상에서 효과들을 최소화하기 위해, 상이한 시점들에 그리고 상이한 쌍들에 대해 반사의 예상된 강도를 고려한다.

Description

배경 및 스킨 클러터에 탄력적인 마이크로웨이브 이미징{MICROWAVE IMAGING RESILIENT TO BACKGROUND AND SKIN CLUTTER}

현재 대중적인 의료 이미징 기술들은 X선 이미징(예컨대 컴퓨터 단층촬영법 및 유방조영술), 초음파 이미징, 및 MRI(자기 공명 영상)를 포함한다. 1980년대 이후로, 인체의 내부를 매핑하고 악성 종양들과 같은 기형들을 검출하는 마이크로웨이브 이미징의 사용이 논의되었다.

인체의 마이크로웨이브 이미징은 수 년 간 상당히 개발되었다. 유방 이미징은 그것의 의료 및 사회적 중요성을 고려하여, 그리고 여성의 유방이 구성되는 비교적 저손실 재료들을 고려하여 둘 다, 대중적인 잠재 응용이었다. 전형적으로, 광대역 신호는 큰 주파수 범위에 걸쳐 안테나들의 쌍들 사이에서 전달 함수를 샘플링하기 위해 사용된다. 주파수 범위는 분해능 및 침투 능력들을 결정한다. 측정을 위해 사용되는 파형들에 상관없이, 안테나 쌍들 사이의 반사들(임펄스 응답)이 추정될 수 있고, 본 명세서에서 "신호들"로 언급되는 것으로 가정된다.

안테나 어레이는 다수의(예를 들어 수십 개의) 고정 안테나들을 포함하는 고정 어레이인 것으로 가정된다. 그러한 어레이는 도 3에 도시된다.

마이크로웨이브 이미징은 외부 약화 신체 층들을 통해 인체에서 심층 특징부들을 식별하는 요구에 의해 방해된다. 심층 특징부들에 의해 야기되는 약한 신호 변화들은 안테나들 자체로부터의 반사들 및 더 가까운 특징들로부터의 반사들의 테일들(tails), 예컨대 피부와의 경계면들에 의해 마스킹된다.

다수의 알고리즘들은 피부 인공물들의 제거로 알려져 있다. 여기서 기준으로 고려되는, 지배적인 방법은 상이한 위치들(피부로부터 유사한 반사들을 포함하는 것으로 가정됨)에서 기록되는 신호들의 가중 평균을 취하는 것으로부터의 기록된 신호들 각각에서 감산하는 것에 기초한다. 일부 현재 방법들 신호들의 2개의 측정값들을 감산하고, 2개의 측정값들 사이에서 어레이를 회전시키며, 따라서 신호들로부터 임의의 일정 인자(예컨대 직접 안테나 누설 및 피부 반사)를 제거하는 것에 기초한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 미국 공개특허공보 제2006/0058606호(공개일: 2006년 3월 15일)에 기재되어 있다.

그러나, 이러한 방법들은 수 개의 주요 결점들을 겪는다: 첫 번째, 대칭 신호들을 획득하기 위해 안테나들이 동일한 것으로 가정되어야 하거나, 동일한 안테나가 사용되어야 한다(즉 객체 또는 어레이가 물리적으로 회전되어야 함). 실제로, 충분히 동일한 안테나들은 제조하기에 어렵고, 안테나들, 케이블들 또는 송수신기들 사이의 약간의 차이들은 피부 인공물 제거에서 상당한 저하를 야기할 수 있다. 어레이 또는 환자의 회전은 기계적 복잡성을 야기하고, 특히 유방 이미징에 대해, 유방이 동일한 위치에 정확히 잔존하는 것을 보장하기 어렵다. 그러므로, 안테나들이 동일한 것을 가정하는 것 없이, 그리고 어레이를 회전시키는 것 없이 스킨 클러터를 제거하는 것이 바람직하다.

두 번째, 이러한 소거들은 클러터를 감소시키는 동안, 또한 재구성된 이미지를 저하시킨다. 특히, 종양이 인접 안테나들에서 유사한 응답을 생성하면, 그것은 또한 전적으로 또는 부분적으로 상쇄될 것이다. 이러한 효과들은 재구성된 이미지에서 암점들을 생성한다. 예를 들어, 차동 회전 방법은 또한 어레이의 중심축에 가까운 타켓들을 제거한다. 이러한 방해들을 가능한 한 많이 회피하는 것이 바람직하다.

세 번째, 피부 소거는 인공물들을, 통상 복제된 타켓들의 형태로 생성한다. 일 예로서, 차동 회전 방법은 각각의 타겟을 복제하므로, 이미지는 2개의 회전된 이미지들의 오버레이이다. 이러한 효과들을 가능한 한 많이 회피하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예들은 피부 반사에 대한 증가된 견고성을 마이크로웨이브 이미징 센서에 제공하며, 이는 어레이 또는 안테나들의 물리적 회전을 필요로 하지 않는다.

특히, 동일한 안테나들을 가정하는 것 없이 피부 반사를 감소시키는 방법이 제안된다. 더욱이, 감소는 신호 및 클러터 레벨들 사이에서 교환을 고려하고, 타겟들을 소거하는 것을 회피하기 위해 수정된다. 이미징 알고리즘은 신호들 상에서 피부 제거의 효과를 고려하고, 따라서 이러한 제거로 인해 생성되는 인공물들을 이미지 상에서 감소시키기 위해 수정된다.

본 발명의 실시예들을 위해 개시되는 방법들은 다른 이미징 기술들 또는 다른 피부 인공물 제거 기술들에 개별적으로 적용할 수 있으며; 예를 들어, 본 명세서에 개시되는 개선된 이미징 알고리즘은 물리적 회전과 함께 사용될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 개시되는 방법들은 일정한 배경 효과를 최소 효과로 이미지 상에서 제거하는 것이 바람직한 다른 무선 또는 소나 이미징 문제들에 변형들로 적용될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법이 제공되며, 방법은 (a) 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 다수의 조합들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 단계; (b) 추정 피부 반사를 수행하는 단계로서, 안테나 쌍에 대한 추정은 측정 동안에 다른 안테나 쌍에서 기록되는 신호들로부터 수신되는 신호들에 기초하는 단계; (c) 추정에 기초하여 피부 반사의 소거를 수행하는 단계; 및 (d) 소거 후에 정정된 신호들로부터 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

게다가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법이 제공되며, 방법은 (a) 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 다수의 조합들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 단계; (b) 피부 반사의 추정을 수행하는 단계로서, 안테나 쌍에 대한 추정은 측정 동안에 다른 안테나 쌍으로부터 수신된 신호들 또는 그것에서 기록되는 신호들에 기초하는 단계; (c) 추정에 기초하여 피부 반사의 소거를 수행하는 단계; 및 (d) 소거 후에 정정된 신호로부터 이미지를 생성하는 단계로서, 이미징 알고리즘은 소거 후에 신호들 상에서 공간-시간 필터링을 수행하는 단계를 포함한다.

더욱이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 피험자의 조직에서 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법이 제공되며, 방법은 (a) 피험자의 조직을 증대된 마이크로웨이브 이미징을 위한 장치와 접촉시키는 단계, 장치는 마이크로웨이브 송신 안테나들, 마이크로웨이브 수신 안테나들, 및 다수의 송신 및 수신 안테나들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 수단을 포함하는 단계; (b) 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 다수의 조합들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 단계; (c) 피부 반사의 추정을 수행하는 단계로서, 안테나 쌍에 대한 추정은 측정 동안에 다른 안테나 쌍으로부터 수신되는 신호들 또는 그것에서 기록되는 신호들에 기초하는 단계; (d) 추정에 기초하여 피부 반사의 소거를 수행하는 단계; 및 (e) 소거 후에 정정된 신호들로부터 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

개시된 발명 대상은 첨부 도면들로 판독될 때 이하의 상세한 설명에 대한 참조에 의해 최상으로 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 마이크로웨이브 이미징 시스템의 블록 레벨도를 도시한다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 여성의 유방의 이미징에 적용되는 MIMO 마이크로웨이브 이미징 시스템을 도시한다;
도 3은 종래의 구형 안테나 어레이의 일 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 5는 유방의 마이크로웨이브 이미지이다.
도 6은 유방의 마이크로웨이브 이미징의 결과들의 3차원 도면이다.
예시의 추가 단순화 및 명확화를 위해, 도면들에 도시된 요소들은 반드시 축척에 따라 도시되는 것은 아니고, 일부 요소들의 치수들은 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다. 게다가, 참조 번호들은 대응하거나 유사한 요소들을 표시하기 위해 도면들 중에서 반복될 수 있다.

본 발명의 대표적인 실시예들은 아래에 설명된다. 당해 기술에서 통상의 기술자들은 다양한 구성요소들, 산출들, 동작들 등이 주요 기능들을 설명하게 되면서 변화될 수 있는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 적용은 아래에 설명되는 예증적 실시예들에 제한되지 않는다.

도 1에 도시되는 본 발명의 일 실시예에서, "MIMO 레이더" 시스템(100)은 안테나 어레이(102), 송신-수신 서브시스템(104), 데이터 획득 서브시스템(106), 데이터 처리 유닛(108), 및 콘솔(110)로 구성된다.

안테나 어레이는 다중 안테나들(102a-102e)로, 전형적으로 소수 및 수십 개의(예를 들어 30) 안테나들 사이에서 구성된다. 안테나들은 인쇄 안테나들, 도파관 안테나들, 다이폴 안테나들 또는 "비발디(Vivaldi)" 광대역 안테나들과 같은, 본 기술에 공지된 많은 타입들일 수 있다. 안테나 어레이는 관심있는 영역에 대해 선형 또는 2차원, 평탄 또는 컨포멀(conformal)일 수 있다.

송신-수신 서브시스템(104)은 마이크로웨이브 신호들을 생성하고, 그들을 안테나들(102a-102e)에 결합하고, 안테나들로부터 마이크로웨이브 신호들을 수신하고 그들을 획득에 적절한 형태로 변환하는데 책임이 있다. 신호들은 펄스 신호들, 스텝 주파수 신호들 등일 수 있다. 생성 회로조직은 발진기들, 합성기들, 혼합기들을 수반할 수 있거나, 그것은 논리 게이트들 또는 스텝 회복 다이오드들과 같은 펄스 지향 회로들에 기초할 수 있다. 변환 프로세스는 다운 변환, 샘플링 등을 포함할 수 있다. 변환 프로세스는 전형적으로 신호 대 잡음 비들을 개선하고 더 낮은 샘플링 속도들을 허용하기 위해, 저역 통과 필터링의 형태로 평균화하는 것을 포함한다. 송신-수신 서브시스템은 복잡성과 획득 시간 사이의 교환에 따라, 송신 및 수신을 다중 안테나들로 한 번에 수행하고 하나의 송신 및 하나의 안테나를 한 번에 선택할 수 있다.

데이터 획득 서브시스템(106)은 사용된 안테나 조합 및 신호들이 수집된 시간에 따라 신호들을 태깅하는 동안 송신-수신 서브시스템으로부터 신호들을 수집하고 디지털화한다. 데이터 획득 서브시스템은 전형적으로 아날로그-디지털(A/D) 변환기들 및 데이터 버퍼들을 포함할 것이지만, 그것은 신호 평균화, 견본들과 파형들의 상관 또는 주파수 및 시간 영역 사이에서 신호들의 변환과 같은 추가 기능들을 포함할 수 있다.

데이터 처리 유닛(108)은 수집된 신호들을 피시험 매체를 특성화하는 응답들로 변환하고, 응답들의 세트들을 이미지 데이터로 변환하는 알고리즘들을 수행하는 책임이 있다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 맥락에서, 이러한 유닛은 스킨 클러터 소거에 책임이 있다. 데이터 처리 유닛은 통상 전용 디지털 신호 처리(DSP) 유닛들, 범용 CPU들, 또는 더 새로운 추세들에 따라, 그래픽 처리 유닛들(GPU)에 기초하여, 고성능 컴퓨팅 플랫폼으로 구현된다.

프로세스에서의 최종 단계는 검출 알고리즘들을 특징으로 하기 위해 시각화, 디스플레이, 저장, 아카이빙(archiving), 또는 저장의 형태로, 결과적인 이미지를 이용하고 있다. 이러한 단계는 콘솔(110)로 도 1에 예시된다. 콘솔은 전형적으로 적절한 응용 소프트웨어를 갖는 범용 컴퓨터로 구현된다. 시스템 타입에 따르면, 컴퓨터는 고정, 랩톱, 태블릿, 팜 또는 산업 러기다이즈드 컴퓨터일 수 있다. 도 1은 기능적 분해를 처리 단계들로 예시하지만, 그것들의 일부는 동일한 하드웨어(예컨대 공통 처리 유닛) 상에 구현되거나 (예컨대 다중처리 또는 클라우드 컴퓨팅의 경우에) 다수의 그리고 심지어 원격의 하드웨어들을 통해 분산될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

도 2는 여성의 유방의 검사에 도플러 지원 MIMO 레이더 시스템의 적용을 예시한다. 이러한 예시에서, 안테나 어레이(102)는 피험자(120)의 유방에 결합된다. 어레이(102)의 안테나들(102a-102e)은 도 3의 상면도로 도시되는, 컨포멀 컵 형상으로 위치되고, 중간 매체(122)는 안테나 복사와 유방 사이에서 개선된 전자기 결합을 생성하기 위해 사용된다. 그러한 응용에서의 MIMO 레이더 시스템의 목적은 전형적으로 악성 종양들을 찾는 것이다.

시스템 동작은 일반적으로 이하와 같다. 각각의 시간에, 마이크로웨이브 송수신기는 안테나들 중 하나 이상으로부터 예비 설계된 신호를 송신하고, 하나 이상의 다른 안테나들로부터 신호를 수신한다. 시스템이 인체 시각화를 위해 사용될 때, 신호들은 전형적으로 대략 10 MHz와 1OGhz 사이의 주파수들을 점유한다. 특정 인기 및 관심은 최근에 3.1-10.6 GHz 범위로 도출되었으며, 이는 낮은 신호 레벨들에서 면허 불요 초광대역(UWB)을 허용한다. 인체로의 더 좋은 침투를 고려하여 더 낮은 주파수들을 사용하지만, 또한 더 짧은 파장 및 더 좋은 공간 분해능을 고려하여 더 높은 주파수들을 사용하는 장점이 있다. 넓은 주파수 범위의 사용은 높은 시간 분해능을 허용하여, 그들의 깊이(안테나로부터의 거리)에 따라 특징들의 구별을 용이하게 한다. 주파수 스윕(sweep)된 파형들 및 펄스 파형들과 같은, 마이크로웨이브 이미징 응용들에 대한 신호들을 선택할 시에 다양한 선택들이 있다. 하나 이상의 그러한 송신들에 의해, 송신 안테나들과 수신 안테나들 사이의 매체의 전달 함수가 추정된다. 그 다음, 처리 유닛은 이미지를 생성하기 위해 이러한 신호들을 처리한다.

이미지 재구성 알고리즘들은 통상 시간(t)에 안테나(i)와 안테나(j) 사이에서 임펄스 응답을 나타내는 응답들(

)의 수집으로 시작한다. 전달 함수들(

)의 추정은 본 기술에 공지된 교정 프로세스들을 수반한다.

매체의 임펄스 응답들로부터 이미지를 재구성하는 공지된 알고리즘은 "시간 지연"(DAS; Delay and Sum)으로 칭해지고, 여기서 참조로 사용될 것이다. 각각의 지점(r)에 대해 3차원 공간 내의 일부 지정된 볼륨에서, 그리고 각각의 안테나 쌍(안테나(i)로부터 안테나(j)로의)에 대해 안테나(i)로부터 지점(r)으로의 그리고 다시 안테나(j)로의 예상된 지연이 산출되어, 매체(공지된 전기적 특성들을 갖는 것으로 가정됨)를 통해 전파 속도를 고려한다.

만큼 이러한 지연을 나타낸다. 그 다음, 위치(r)에서의 재구성된 이미지는 예상된 지연(

)에서 각각의 쌍(i,j)의 추정된 임펄스 응답들(

)을 합산함으로써 생성되며, 즉 이하와 같다

여기서, 합산은 모든 안테나 쌍들에서 끝난다. 일부 실시예들에서, 그것의 절대값 또는 전력과 같은

의 함수는 이미지로 제공된다. 반사기가 지점(r)에 있다고 가정하면 이때 양의 펄스가 모든 또는 대부분의 쌍들 내의 위치(

)에 존재하는 것을 예상하여, 이러한 지점에서 재구성된 이미지의 높은 세기를 생성한다. 이러한 알고리즘, 및 그것의 변형들은 본 기술에 잘 공지되어 있다. 이러한 알고리즘에서, 응답들(

)은 동일하고 완전한 펄스들인 것으로 가정된다. 안테나들, 케이블들 및 측정 장비의 교정은

를 생성하기 위해 기록된 신호들에 적용되므로, 이러한 가정은 일부 근사 내에서 유지한다.

각각의 쌍(

)에 대해

는 쌍(

) 자체를 포함하는, 쌍(

)에 대한 "참조 쌍들"의 그룹인 것으로 한다. 설정에 따라, 이러한 쌍들은 서로의 회전들인(즉 원으로 어레이되는) 모든 쌍들의 세트, 또는 한 세트의 인접 쌍들일 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 쌍(102a-102c)은 쌍(102b-102d)의 회전이고 따라서 각각의 쌍은 다른 것의 참조 그룹에 사용될 수 있다. 피부 반사 신호는 이러한 쌍들 사이에서 유사한 것으로 가정된다. 즉, 신호 모델은 이하와 같다:

여기서

는

의 주파수 영역(푸리에 변환) 신호이고,

는 특정 쌍에 고유한 주파수 영역 응답이고,

는 그룹에서 공통인 피부로부터의 공통 반사이고,

는 피부 반사를 포함하지 않는 타겟으로부터의 원하는 신호이고,

보다 잠재적으로 상당히 더 약하다. 관계는

에서 모든 쌍들을 위해 유지하는 것으로 가정된다.

응답(

)의 포함은 그것의 각각의 송신 및 수신 경로들을 포함하는, 안테나 쌍들이 동일하지 않다는 사실을 나타낸다. 차이는 안테나들의 차이, 안테나로부터의 반사들, 케이블들, 스위치들, 및 송신 및 수신 체인들에서 기인할 수 있다. 시간 스프레드를 삽입하는, 이러한 인자로 인해, 간단한 선형 차감은 그것의 성능에서 제한된다.

응답들(

)이 추정되었다면, 신호(

) 내의 피부 반사 성분(

)의 추정값은 이하이다

다시 말하면, 공통 신호(

)는 주파수 당 복소수 인자들로 평균화함으로써

,

로부터 추정되고, 그 다음에 쌍의 응답에 승산된다. 추정 방정식 (3)은 분자 및 분모로 상쇄되는 것과 같이, 주파수 의존 상수에 모든

의 승산에 중요하지 않다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 응답들(

)은 피부와 동일한 위치에 위치되는 금속 컵과 같은, 공지된 반사기를 사용함으로써 추정된다. 이러한 경우에,

이고

의 지식은 상술한 무차별 특성으로 인해 요구되지 않으며, 따라서

는 이러한 교정 측정에서 측정된 신호들과 같게 설정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예들에서, 응답들(

)은 다수의 측정들로부터 추정되며,

는 상이한 환자들로 취해진다(여기서, k는 측정의 지수, 즉 상이한 피험자 또는 팬텀을 나타냄). 이러한 경우에,

이며, 즉 안테나 쌍 응답은 측정들에 걸쳐 일정하고, 피부 반사는 안테나 쌍들에 걸쳐 일정하다. 계수들(

)은 특이 값 분해(SVD)를 요소들(

)을 갖는 매트릭스(

)에 적용하고(여기서, k는 열 인덱스를 포함하고 각각(m, n)은 열을 할당받음(즉 쌍은 행 인덱스로 변환됨)), 그리고 제 1(가장 실질적인) 특이 벡터를 취함으로써, 개별적으로 f의 각각의 값에 대해, (인자까지) 추정된다.

당해 기술에서 통상의 기술자들은 이러한 방법이 하나보다는 오히려 수개의 특이 벡터들을 취함으로써, (공진으로 인해) 피부로부터 상이한 응답들 및 상이한 방향들(그리고 따라서 잠재적으로 상이한 A-s), 또는 이차 반사들을 갖는 다수의 배경 반사기들을 취급하기 위해 쉽게 일반화되는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예들에서, 방정식 (3)의 복소 가중값들(

)은 지정된 윈도우에서

(여기서,

는 방정식 (3)의 제 2 형태로 대체됨)의 전체 에너지를 최소화하는 그러한 가중값을 발견함으로써 다수의 측정들로부터 직접 추정된다. 이러한 실시예에서, 참조 측정들의 수는 의미있는 결과들을 획득하기 위해 참조 세트(

) 내의 쌍들의 수보다 더 커야 한다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 신호 모델(방정식 (2))은 매체의 전부 또는 일부 산란 파라미터 모델(S-파라미터들)을 포함한다. 즉 안테나들의 S-파라미터들은 안테나들 사이에서 상이하고 시간에 따라 일정한 반면, 피부의 S-파라미터들은 상이한 안테나 쌍들에 걸쳐 일정한 것으로 가정된다. 위의 방정식 (3) 내의 값들(

및

)은 그것의 각각의 S-파라미터 모델들로 대체되고,

은 하나 이상의 교정 기록들로부터 추정된다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 신호들의 함수로서 참조 쌍들(

)의 세트의 온라인 필터링은 방정식 (3)을 적용하기 전에 적용될 수 있다. 미리 결정된 크기의 각각의 시간 윈도우에 대해, 이러한 윈도우에 걸친

의 한 세트의 이상점들은 방정식 (3)을 계속해서 적용하기 전에, 세트로부터 산출되고 제거된다. 이상점들은 시간 윈도우에 걸쳐 취해지는, 시간 영역으로 변환한 후에 평균 신호(

)로부터 가장 큰 유클리드 거리를 갖는 신호들로 검출될 수 있다. 이러한 방법은 타겟이 전형적으로 측정들 각각에서 상이한 시간 윈도우들에 나타나고, 이상점들로 거절됨에 따라, 피부 감산 상에서 타겟들 자체의 효과를 더 감소시킨다.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 추가 가중값들은 상이한 쌍들 사이에서 피부 반사의 상관을 설명하기 위해, 방정식 (3)에서의 합 내에 배치된다. 일 예로서, 쌍(

)으로부터 더 멀리 떨어져 있는 쌍들(

)은 전형적으로 쌍(

)에 가까운 쌍들보다 더 작은 가중값을 가질 것이다.

안테나들의 각각의 쌍에 대해,

는 피부 반사의 전력-지연 프로파일을 반영하며, 즉 이러한 인자는 지연(τ) 주위에서 작은 시간 윈도우에 존재하는 것으로 예상되는 에너지의 전형적인 양에 비례하는 것으로 한다. 본 발명의 일부 실시예들에서,

는 다수의 기록들로부터 측정될 수 있는 반면, 다른 것들에서, 지수 감소(

)와 같은, 간단한 모델이 가정되며, 파라미터들(

)은 다른 고려사항들에 기초하여 유도된다. 이러한 지연 프로파일은 통상 대칭 참조 그룹 내의 상이한 쌍들에 대해 동일하지만 상이한 그룹들 사이에서 상이할 것이다(예를 들어 더 멀리 떨어져 있는 안테나들에 대해, 반사는 더 약하고 지연될 것임).

피부 소거 후의 정정된 신호들은 이하와 같이 산출된다:

여기서,

는 방정식 (3)에서 발견되는 피부 반사 추정값(

)의 시간 영역 표현이고, λ는 상수이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, λ는 추정된 잡음 분산에 비례하여 그리고

내의 쌍들의 수에 반비례하여 선택된다. 완전한 소거는 예를 들어 회전 대칭의 경우에 어레이의 중심으로부터 신호를 소거하지만, 방정식 (4)의 부드러운 소거는 전형적으로 어레이의 중심이 손상되지 않게 하는 것을 주목한다. 이것은 일부 쌍들에 대해, 피부 반사가 어레이의 중심을 특성화하는 지연으로부터 제시간에 멀어질 것인 반면, 다른 것들에 대해, 그것이 제시간에 가까워지지만 진폭이 더 약해질 수 있기 때문이다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 편광은 피부로부터 반사를 감소시키기 위해 사용되며; 예를 들어, 인접 안테나들은 상이한 편광에 대한 것이거나, 교차 편광 안테나들이 사용된다. 이러한 실시예들에서, 피부 반사의 전력은 일반적으로 교차 편광 안테나 쌍들에 대해 더 작고, 따라서 그러한 쌍들과 연관되는

의 값들이 허용되고, 방정식 (4) 내의 계수는 표피 효과를 감산하기 위해 더 낮은 가중값을 제공할 것이다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 튜닝 파라미터들은 방정식 (3), 방정식 (4) 내의 다양한 요소들에 추가될 수 있다. 일 실시예에서, 가변 시간 시프트 및 이득은 온도, 물리적 시프트들, 측정 장비 등으로 인한 차이들을 보상하기 위해 다른 테스트들로부터 취해지는 측정들(

)에 추가되고, 이러한 파라미터들은 측정된 신호와의 최상의 매치를 (위에 지정된 기준들에 따라) 획득하기 위해 튜닝되며; 마찬가지로, 본 발명의 일부 실시예들에서, 튜닝 파라미터들은 방정식 (4) 내의

에 추가되고

의 에너지를 최소화함으로써 결정된다.

방정식 (3)-방정식 (4)는 공간-시간 필터를 포함하기 때문에, 기존 기술에서 고려되는 바와 같은 피부 정정된 신호들(

)에 DAS 방정식 (1)의 간단한 적용은 재구성된 이미지(

) 상에 추가 거짓 타겟들을 생성한다. 명확화의 목적을 위한 간단한 예는

가 효과적으로

인 물리적 회전 또는 차동 이미징이며, 여기서

는 쌍(

)으로부터의 주어진 회전 오프셋에 있는 쌍을 나타내고(2개의 요소들이 상이한 시간들에서 측정되었다는 사실을 무시함), 그 결과 각각의 타겟은 재구성된 이미지의 2배로 나타날 것이다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 위의 효과는 이하와 같이 정정 공간-시간 필터를 정정된 측정들(

)에 적용함으로써 최소화된다:

여기서,

는 쌍들의 함수 및 공간의 위치로 (일반적으로) 변화될 수 있는 한 세트의 필터들이고, "*"는 시간 영역 컨벌루션을 나타낸다. 다시 말하면, 쌍(

)에 대한 피부 반사 정정에 참여하는 쌍들(

)의 신호들은 그들의 가정된 타겟 위치(r)에서 취해지고, 선형으로 가중된다.

에 걸친 합은 또한 전형적으로 최상위 가중값을 가질 성분(

)을 포함하는 것을 주목한다. 대칭 쌍들이 동일한 시점(

)에 고려되는 방정식 (3)-방정식 (4)와 달리, 여기서, 각각의 쌍의 신호는 위치(r)에서의 타겟이 그러한 쌍에 나타내는 지점에서 취해지는 것을 주목한다.

공간-시간 필터의 계수들(

)은 다양한 기준들을 통해 획득될 수 있다. 피부 제거 단계(방정식 (3)- 방정식 (4)) 및 위치(r)에서의 주어진 타겟에 대한 방정식 (5)를 통한 이미징의 결합된 효과가 산출될 수 있다. 그 다음,

는 전체 잡음 및 인공물들(사이드로브들 또는 이차 이미지들)과 관련되는, 품질 기준을 최소화하기 위해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서,

는 잡음 및 평균 사이드로브 에너지의 가중된 합을 최소화하기 위해 결정된다. 다른 실시예들에서,

는 타겟에서의

의 값과, 가장 강한 인공물의 값 사이에서, 피크 대 사이드로브 비율을 최대화하기 위해 결정된다.

예시의 목적을 위해, 차분 이미징(

)의 간단한 예에서, 공간 필터는

로 선택될 수 있다. 즉 시간 필터링이 적용되지 않고, 상이한 가중값들을 갖는 대칭 그룹 내의 쌍들의 합산이 사용된다. 효과는 타겟의 공간 확산 패턴이 차동 이미징에 의해 생성되는 필터[1,-1]와

의 컨벌루선에 의해 결정된다는 것이다. 간단한 필터(

,

)를 선택하는 것(그리고 모든 나머지는 0임)은 6dB의 타겟 대 인공물 비율을 산출하며 원래 DAS 방정식 (1)은 0dB를 산출하고, 필터(

)는 선택의

의 경우,

의 피크 대 평균을 산출한다.

암을 검출하는 방법들

본 발명의 일 실시예는 피험자의 조직에서 암을 검출하거나 암의 위치를 찾는 방법을 제공하며 방법은 피험자의 조직을 증대된 마이크로웨이브 이미징을 위한 장치와 접촉시키는 단계를 포함하며, 장치는 마이크로웨이브 송신 안테나들, 마이크로웨이브 수신 안테나들, 및 다수의 송신 및 수신 안테나들로부터 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 수단을 포함한다.

다른 실시예는 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 다수의 조합들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 단계를 더 제공한다.

추가 실시예는 피부 반사를 추정하는 단계를 제공하며, 안테나 쌍에 대한 추정은 동일한 측정 동안에 안테나 쌍들로부터 수신되는 신호들 및 그것들에서 기록되고 참조로 사용되는 신호들에 기초하며, 추정은 방정식 (3)에 따라 수행된다. 관련 실시예는 추정에 기초하여 피부 반사의 소거를 수행하는 단계를 제공한다. 다른 관련 실시예는 소거 후에 정정된 신호들로부터의 이미지를 생성한다.

부가 실시예들은 유방에서 전암 또는 암성 상태의 검출을 위한 장치를 제공한다. 하나의 관련 실시예에서, 장치는 유방조영상 이미지 데이터를 디지털화하는 컴퓨터를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 장치는 다수의 송신 및 수신 안테나들로부터 마이크로웨이브 응답들을 기록하는 컴퓨터를 포함한다.

본 발명의 추가 실시예는 컴퓨터가 본 명세서에 개시되는 방법들, 또는 그것의 변형들을 수행하도록 비일시적 실행가능 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독가능 유형의 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 제품를 제공한다.

본 발명의 부가 실시예에서, 장치는 암 또는 종양과 같은 병리학상의 장애를 검출한다.

본 발명의 더 부가 실시예들에서, 암종, 육종, 림프종, 아세포종, 교아종, 또는 흑색종을 검출하는 장치가 사용된다. 다른 그러한 실시예에서, 검출되는 종양은 뇌, 식도, 코, 입, 목, 림프계, 폐, 유방, 뼈, 간, 신장, 전립선, 자궁경부, 머리 또는 목, 피부, 위, 장, 췌장, 또는 그것의 조합들의 종양들을 포함한다. 본 발명의 추가 실시예들은 유방암 및 전립선 암을 검출하기 위해 사용된다.

본 발명의 다른 실시예들은 전립선 비대증(BPH), 자외선 각화증, 바레트의 식도, 위축성 위염, 자궁경부 이형성증, 및 전암 유방 병변들과 같은, 전암 상태들을 검출하는 장치를 제공한다.

본 발명의 임의의 실시예들에 따르면, 장치의 구성 및/또는 형상은 유방에 대해 도 2에 도시된 바와 같이, 그리고 분야에 친숙한 누군가에게 분명한 바와 같이, 장치가 부착되는 지점에서 신체의 형상에 합치하기 위해 조정된다. 관련 실시예에서, 장치는 고정 위치에 조직을 고정하고, 조직이 진단 동안에 이동하는 방지하는 구성요소를 더 포함한다.

유방암을 검출하는 예

방법들

인간 피험자들

3개의 그룹들이 연구된다: 유방 생검에서 발견되는 유방암을 갖는 여성들, 유방 생검에서 유방암의 조직학 증거를 갖지 않는 여성들, 및 건강한 지원자들. 첫 번째 2개의 그룹들은 악성을 배제하기 위해 개방 수술 생검을 겪는 여성들을 포함한다. 수술 전의 검사는 건강 검진, 유방조영상, 및 임상적으로 표시되는 추가 유방 이미징을 포함한다. 피험자들은 임의의 장소에서 이전에 진단된 암의 이력을 갖지 않는 18세 이상의 여성들이다. 세 번째 그룹은 암 또는 다른 만성병의 이력을 갖지 않는 일반 대중의 구성원들로부터 모집되는 건강한 같은 연령 자원자들을 포함한다. 모든 참여 기관들의 기관 감사 위원회는 연구를 승인한다.

유방암의 검출

피험자들은 이전에 공지된 마이크로웨이브 이미징 센서들을 사용하는 것뿐만 아니라 본 명세서에 설명된 바와 같은 마이크로웨이브 이미징 센서를 사용하여 유방 함을 검출하기 위해 마이크로웨이브 이미징된다(도 5-도 6). 게다가, 피험자들은 추가 제어로서 X선 유방조영술을 겪었다. 모든 생검 슬라이드들은 2명의 병리학자들에 의해 독립적으로 검토되고 유방암에 대한 표준 기준들에 따라 평가된다. 비조합 판독들은 데이터 분석으로부터 배제된다.

결과들

본 명세서에 개시되는 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 유방암을 검출하는 장치는 매우 소수의 위양성들과 함께, 다른 마이크로웨이브 기술들과 비교하여 그리고 표준 X선 유방조영술에 필적하여 유방암 검출의 극히 높은 정확도를 제공한다. 생검 결과들은 다른 마이크로웨이브 기술들 및 표준 유방조영술과 비교하여 본 발명의 검출 장치의 정확도를 결정하기 위해 각각의 환자의 진단을 확인하는데 사용된다.

또한 개시된 실시예들은 비제한적이고 예시적이며, 본 발명의 상이한 부가 실시예들은 상이한 안테나 어레이들, 클러터 특성들을 갖고 상이한 재구성 알고리즘들로 동작한다는 점이 이해된다.

Claims (21)

1. 송수신 안테나들의 어레이를 사용하여 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법으로서,
   상기 어레이의 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 다수의 조합에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 단계;
   송신 안테나와 수신 안테나인 적어도 하나의 안테나 쌍에 대한 복수의 참조 쌍을 결정하는 단계로서, 참조 쌍은 서로의 회전들인 쌍들의 세트 및 인접 쌍들의 세트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 복수의 참조 쌍을 결정하는 단계;
   데이터 처리 유닛에 의해 피부 반사의 추정을 수행하는 단계로서, 안테나 쌍에 대한 상기 추정은 측정 동안에 다른 안테나 쌍으로부터 수신되는 가중된 신호들에 기초하고, 상기 다른 안테나 쌍은 안테나 쌍에 대한 복수의 참조 쌍으로부터 선택되고, 상기 가중된 신호들에 대한 가중값은 서로 동일하지 않은 안테나 쌍들 및 안테나 쌍들의 각 송수신 경로를 고려하여 안테나 쌍에 고유한 주파수 영역 응답을 포함하는, 피부 반사의 추정을 수행하는 단계;
   데이터 처리 유닛에 의해 상기 추정에 기초하여 상기 피부 반사의 소거를 수행하는 단계; 및
   데이터 처리 유닛에 의해 상기 소거 후에 정정된 신호들로부터 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가중된 신호들에 대한 가중값들은 기록들로 획득되는 신호들 사이에서 매치를 산출하는 가중값들을 발견함으로써 다수의 기록으로부터 습득되는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가중된 신호들에 대한 가중값들은 특이 값 분해(SVD; singular value decomposition)를 참조 그룹 내의 안테나 쌍들에 대한 단일 주파수에서 측정된 응답들로부터 생성되는 매트릭스에 적용함으로써, 상이한 피험자들로 기록되는 다수의 신호의 세트로부터 습득되는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 측정으로부터 상기 추정이 감산되기 전에 상기 소거가 상기 추정을 감쇠하는 것을 포함하는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   감쇠에 대한 가중값은 재구성된 이미지 내의 위치에 의존하는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
6. 제4항에 있어서,
   감쇠에 대한 가중값은 상기 안테나 쌍의 상이한 편광 상태들에 대해 상이한, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   이미징 알고리즘은 상기 소거 후에 상기 신호들에 대해 공간-시간 필터링을 수행하는, 객체의 마이크로웨이브 이미징을 증대시키는 방법.
8. 피험자의 조직에서 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법으로서,
   상기 피험자의 조직을 증대된 마이크로웨이브 이미징을 위한 장치와 접촉시키는 단계로서, 상기 장치는 마이크로웨이브 송신 안테나들, 마이크로웨이브 수신 안테나들, 및 다수의 송신 및 수신 안테나들에 대한 마이크로웨이브 응답들을 수집하는 수단을 포함하는, 접촉 단계; 및
   제1항의 방법의 단계들을 수행하는 단계를 포함하는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
9. 제8항에 있어서,
   소거를 위해 사용되는 가중값은 개별 안테나 쌍의 파라미터들의 함수인, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 가중값은 기록들로 획득되는 신호들 사이에서 매치를 산출하는 가중값들을 발견함으로써 다수의 기록으로부터 습득되는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 가중값은 특이 값 분해(SVD)를 안테나 쌍에 대한 단일 주파수에서 측정된 응답으로부터 생성되는 매트릭스에 적용함으로써, 상이한 피험자들로 기록되는 다수의 신호의 세트로부터 습득되는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
12. 제8항에 있어서,
    상기 추정은 상기 측정으로부터 감산되기 전에 감쇠되는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    감쇠에 대한 가중값은 재구성된 이미지 내의 위치에 의존하는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
14. 제12항에 있어서,
    감쇠에 대한 가중값은 상기 안테나 쌍의 상이한 편광 상태들에 대해 상이한, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
15. 제8항에 있어서,
    이미징 알고리즘은 상기 소거 후에 상기 신호들에 대해 공간-시간 필터링을 수행하는, 암을 검출하고 암의 위치를 찾는 방법.
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