KR20000023647A - 전자 영상 및 치료 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공간적으로 조직의 방향으로 향해 있는 복수의 마이크로파 송신기/수신기(16); 송신기/수신기(16) 사이에 위치한 중개 매질(106); 복수의 송신기/수신기(16)로부터 신호를 받기 위해 복수의 송신기/수신기(16)에 연결되어 있어서 조직과의 상호작용 및 조직을 통과한 후에, 다중 주파수 방사선이 선택된 복수의 송신기/수신기(16)로부터 송신되고 선택된 복수의 송신기/수신기(16)에 의해 수신되는 제어 서브시스템(65); 및 선택된 복수의 송신기/수신기로부터 수신되는 마이크로파 신호로부터 조직의 단층촬영 분광학적 영상을 계산하기 위해 제어 서브 시스템과 연결되어 있는 계산 서브시스템을 이용하는 조직의 비침습적 단층촬영 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

전자 영상 및 치료 시스템{Electromagnetic Imaging and Therapeutic(EMIT) Systems}

전자 단층촬영은 의료 및 관련 산업에서 널리 사용될 수 있는 잠재력을 비교적 새로운 기술이다. 특히, 이 기술은 급속히 발전하고 있으며, 조직 유전성을 미분하여 조직 및 기관의 생리학적인 특성을 비침습적으로 실제 시간(real time)의 내부상태 영상을 얻을 수 있다.

기존의 마이크파 단층촬영 영상은 마이크로파를 조사하여 마이크로파 빔이 물체에 닿은 후에 물체가 마이크로파 빔상에 나타내는 결과를 검출함으로써 물체를 이미지화하였다. 이러한 상호작용으로 인해, 반사된 마이크로파에 나타나는 변화는 이미지화된 물체 조직의 유전체 유전율 및 전도성에 따른 것이다. 특히, 일정한 마이크로파 주파수에 있어서, 반사된 마이크로파 에코에서 관찰되는 변화는 영상화된 조직의 구체적인 신호를 나타낸다.

전자파는 초고주파수의 라디오파로서 대략 130cm에서 1mm 분획까지의 매우 짧은 파장을 갖는다. 주파수 범위는 O.1 GHz에서 300O GHz 사이이다. 현재 생물학적 조직의 마이크로파 영상에 사용되는 마이크로파 범위는 약 0.5에서 약 3 GHz 사이이다. 그러나, 마이크로파 스펙트럼의 다른 범위 또한 사용될 수 있다. 범위선택을 결정하는 것은 조직의 일부 또는 세포가 파괴되는 것을 막기 위해 비이온화되어야 한다는 것이다. 따라서, 호환성 있는 주파수 범위를 결정하기 위하여서는 생물체의 물리적 변수가 고려되어야 한다.

선행기술은 두 종류의 기본적인 마이크로파 영상을 이용한다. 첫 번째 종류는 정적인 영상(static imaging)으로 물체에 마이크로파를 방사한 후에, 마이크로파 방사의 절대유전율의 값(absolute permittivity value)을 결정하므로써 이미지를 형성하는 것이다. 두 번째는 동적인 영상(dynamic imaging)으로 마이크로파 방사시에 물체 내부에서 발생하는 유전율의 변화에 따른 것이다. 동적인 마이크로파 영상은 진행중인 생리학적인 변화를 모니터하기 위해 생물체 조직을 영상화하는데 매우 유용하게 적용된다. 정적인 영상 및 동적인 영상 기술은 모두 전자파 스캐너가 움직이거나 또는 스캐닝 조사를 하여 영상화되는 물체와 상호 작용하여 일어나는 변화를 탐지하는 영상화 과정을 거쳐야 한다.

동적인 영상을 이용할 때, 영상 복원은 변화하는 유전체를 대비하여 인체로부터 얻은 여러 데이터 세트로부터 회절된 부분의 차이점에 근거한다. 그러나 보다 큰 신체내에서의 내부 영상(internal imaging)은 해상도가 동적인 영상의 적용 및 범위를 제한한다는 문제점이 있다. 본 발명은 고해상도 영상을 제공하기 위하여 생체학적 기술, 컴퓨터 소프트웨어 및 마이크로파 단층촬영 기술을 통합하므로써, 선행기술의 중요한 개선점을 제공한다.

발명의 요약

본 발명은 생물체의, 연산/컴퓨터, 및 마이크로파의 단층촬영 장치 및 3차원 단층촬영 시스템을 제공하는 방법을 통합하고 실행한다. 특히, 본 발명은 의료 물리학적인 단층촬영의 새로운 방법과 시스템을 포함하며, 여기에서 1주파수 3차원 마이크로 촬영 시스템(3D MWT)는 1주파수 3차원 전자 임피던스 단층촬영 시스템(3D MWT)과 결합하여 인체의 몸통과 같은 생물체의 전범위를 영상화할 수 있다.

특히, 본 발명은 조직의 유전치를 미분하여 조직 및 기관의 생리학적 특성 및 일시적인 변화를 비침습적 실제 시간 영상으로 제공한다. 예를 들면, 본 발명을 이용하여, 심근의 유전치는 국부적인 혈액 공급, 국소빈혈 및 경색을 포함하는 심근의 생리학적 상태를 나타내는 민감한 지표가 된다는 것이 밝혀졌다. 심근의 유전치의 변화정도는 마이크로파 단층촬영시 재구성을 위한 충분한 데이터를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 많은 수의 마이크로파 주파수(마이크로파 분광술)와 특정한 세포막 이완 주파수(cellular membrane relaxation frequency) 보다 낮은 주파수를 사용하는 EMIT 시스템을 포함한다. 본 발명의 주파수에서는 세포의 부피조각, 내부세포와 막의 저항력, 세포막의 정전용량, 조직의 자유롭고 제한된 수분함량 및 조직온도와 같은 조직의 생물생리학적 변수를 측정할 수 있다.

그러한 정보는 심장병학뿐만 아니라 의료, 그중에서도 종양학, 비뇨기학, 신경학 및 다른 학문분야 있어서 매우 중요하다.

또한, 지금까지 불가능했던 양적으로 재구성된 선명한 구조적인 이미지를 구성하기 위해 본 발명은 물체내에서 유전성의 정확한 분배를 나타내는 수학적인 모델과 컴퓨터로 실행되는 알고리즘을 제공한다.

바람직한 실시예에 대한 설명

본 발명은 3차원의 전자 임피던스 단층촬영 시스템과 결합된 3차원의 마이크로파 단층촬영 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명은 인체의 몸통과 같은 생물체를 전체적으로 영상화할 수 있는 1주파수 3차원 전자 임피던스 단층촬영 시스템과 조합된 1주파수 3차원 마이크로파 단층촬영 시스템을 포함한다. 본 발명은 현재 진단 및 치료에서 널리 사용되고 있는 생리학적 영상 선행기술과 관련하여 이점과 개선점을 보여주는 이론적이며 실험적인 수치를 포함한다.

본 발명은 단계적인 접근을 시도하여, 제1세대 EMIT 시스템을 제2세대의 시스템으로 업그레이드시키는 가능성을 기술한다. 제1세대는 다음의 특성: (a) 다중 주파수 마이크로파 분광 단층촬영 0.2-6GHz, (b) 단일 저 주파수(약 20Hz-20OkHZ)를 사용하는 단일 마이크로파 주파수(약 O.8 - 1GHz)를 가지는 두 개의 시스템을 포함하는 것으로 구별된다. 제2세대는 (a) 다중주파수 마이크로파 0.2-6GZ,(b)대략 20OkHZ인 하나의 저 주파수 및 (c) 조직 절제(60℃)를 위해 외부에서 초점이 맞추어지는 다중 소스의 마이크로파의 특성을 가진 3개의 시스템으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 EMIT 시스템으로부터 매우 정밀한 영상을 만들 수 있는 유일한 알로리듬 및 소프트웨어를 제공한다. 특히, GHz은 마이크로파 단층촬영으로부터 영상의 재구성을 가능하게 한다. X-레이 단층촬영 영상구성에서 사용되는 선형의 시각 근사치(the leanear optics approximation)는 회절과 간섭 현상을 포함하는 생물학적 미디어를 통해 전자파가 전달되기 때문에, 주로 마이크로파 단층촬영에서는 용이하게 적용되지 않으므로, 맥스웰(Maxwell) 방정식 및 그들의 수량 근사치를 풀기 위해 특정한 GHz을 개발할 필요가 있다. 본 발명은 이러한 방정식을 풀고 원하는대로 영상을 재구성할 수 있는 GHz의 모델과 소프트웨어 프로그램을 포함한다. 모델의 종류, 가설, 제한요소 및 관련된 수학적 가정은 아래에서 상세하게 설명된다. 발명자들의 권리를 보호하기 위해 본 발명에서는 다양한 구조, 특성 및 다른 실시예가 밝혀진다. 본 발명은 다양한 면을 가지고 있으며, 출원인이 개별적으로 수행하거나 조합할 수 있는 다양한 발명과 실시예를 포함한다. 또한, 여기에서 나타난 실험 결과 및 결론은 성과의 사례를 나타내는 것일뿐이며, 어떤 방식으로든지 본 출원을 부당하게 제한하는 것이 아니다.

본 발명은 EMIT 시스템(Electromagnetic imaging and therapeutic system : EMIT System)에 관한 것으로, 특히 주로 저주파수가 조합된 다중 주파수 전자파가 조직 절제를 위해 외부에서 초점이 맞추어지는 다중 소스 마이크로파를 생성하기 위해 구성된 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 주파수 레벨과 복잡성에 따라 구분되는 여러개의 EMIT 시스템을 포함한다. 또한, 본 발명은 특히 그래픽 3차원 단층촬영의 영상 인터페이스를 사용하는 EMIT 시스템에 맞게 만들어진 컴퓨터 실행 소프트웨어를 포함한다.

도 1은 본 발명의 단층촬영 분광 시스템의 모형도이다.

도 2는 본 발명의 단층촬영 분광 시스템의 모형도이다.

도 3은 역전 문제(reverse problem) 해결을 위한 연산방식의 흐름도이다.

도 4는 역전 문제 해결을 위해 재구성된 연산방식의 흐름도이다.

도 5는 심장순환기의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전 특징을 도시한 그래프이다.

도 6은 심장순환기의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전 특징을 도시한 그래프이다.

도 7은 폐색(occlusion) 및 재관류(re-perfusion)의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 8은 폐색 및 재관류의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 9는 폐색 및 재관류의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 10은 폐색 및 재관류의 기능을 하는 개의 심장조직의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 11은 마이크로파 방사 주파수 및 시간 기능을 하는 개 심장조직의 제1차 및 제2차의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 12는 마이크로파 방사 주파수 및 시간 기능을 하는 개 심장조직의 제1차 및 제2차의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 13은 마이크로파 방사 주파수와 상호 관련된 개 심장조직의 제1차 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 14는 개의 심장조직의 제1차 유전체 특징 및 마이크로파 방사 주파수와 상호 관련된 혈중 산소량을 도시한 그래프이다.

도 15는 제1차 유전체 상관계수 및 마이크로파 방사 주파수와 상호 관련된 혈중 산소량을 도시한 그래프이다.

도 16은 제2차 유전체 상관계수 및 마이크로파 방사 주파수와 상호 관련된 혈중 산소량을 도시한 그래프이다.

도 17은 전체 헤모글로빈 상관계수 및 마이크로파 방사와 상호 관련된 제1차 및 제2차의 유전체 계수를 도시한 그래프이다.

도 18은 마이크로파 방사 주파수에 의해 상호 관련된 병든 조직에 대한 인체 우심실근의 정상 조직을 위한 제2차 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 19는 마이크로파 방사 주파수에 의해 서로 관련되는 병든 조직에 대한 인 체 우심실근의 정상 조직을 위한 제1차의 유전체 특징을 도시한 그래프이다.

도 20은 도 18에 도시된 마이크로파 방사 주파수에 의해 상호 관련되는 병든 조직에 대해 인체 우심실근의 정상 조직을 위한 제2차 유전체 특징을 도시한 확대 그래프이다.

도 21은 절제 선택 연산방식(ablation choice algorithm)을 도시한 흐름도이다.

도 22는 정상적인 국소빈혈, 급성 국소빈혈 및 만성적인 국소빈혈의 유전체 특성을 도시한 도표이다.

도 23은 정상적인 국소빈혈, 급성 국소빈혈 및 만성적인 국소빈혈의 유전체 특성을 도시한 도표이다.

도 24는 정상적인 국소빈혈, 급성 국소빈혈 및 만성적인 국소빈혈의 유전체 특성을 도시한 도표이다.

도 25는 정상적인 국소빈혈, 급성 국소빈혈 및 만성적인 국소빈혈의 유전체 특성의 비교도이다.

도 26은 폐색 및 재관류 주기에 따른 유전체 특성을 도시한 도표이다.

도 27은 E″의 다중 주파수 흐름 감소를 도시한 도표이다.

도 28은 급성 경색동안에 E′의 상대적인 변화를 도시한 도표이다.

도 29는 급성 경색동안에 E″의 상대적인 변화를 도시한 도표이다.

도 30은 폐색 이후 저 주파수에서 E″를 도시한 도표이다.

도 31은 폐색 이후 저 주파수에서 E′를 도시한 도표이다.

도 32는 폐색 이후 고 주파수에서 E′를 도시한 도표이다.

도 33은 폐색 이후 저 주파수에서 E″를 도시한 도표이다.

도 34는 다양한 주파수에서 유전체 특성의 비교도이다.

도 35는 다양한 주파수에서 유전체 특성의 비교도이다.

도 36은 다양한 주파수에서 유전체 특성의 비교도이다.

도 37은 저 주파수에서 시간이 경과한 유전체 특성의 비교도이다.

도 38은 유전체 특성의 비교도이다.

도 39는 고동치는 심장의 E′를 재구성한 것이다.

도 40는 고동치는 심장의 E″를 재구성한 것이다.

도 41은 고동치지 않는 심장의 E′를 재구성한 것이다.

도 42는 겔상(gel phantom)의 첫번째 반복되는 E′를 재구성한 것이다.

도 43은 겔상의 첫번째 반복되는 E″를 재구성한 것이다.

도 44는 겔상의 10번째 반복되는 E′를 재구성한 것이다.

도 45는 겔상의 10번째 반복되는 E″를 재구성한 것이다.

도 46은 겔상의 10% 대비되는 수학적 모델의 E′를 재구성한 것이다.

도 47은 겔상의 10% 대비되는 수학적 모델의 E″를 재구성한 것이다.

1. 마이크로파 단층촬영 분광기의 배경

마이크로파 단층촬영 영상은 마이크로파 빔이 물체와 상호작용한 이후에 물체가 마이크로파 빔위에 나타내는 결과를 탐지함으로써 물체를 영상화하는 마이크로파 조사를 이용한다. 마이크로파 조사에 있어서, 상호작용의 성질을 결정하는 것은 영상화된 물체 조직의 유전체 유전율 및 전도성이다. 물체의 조직의 유전체 유전율과 전도 특성은 복잡한 유전율로써 함께 표현된다.

전자 조사 스팩트럼의 구성요소로서의 마이크로파는 약 O.1 기가헤르쯔(GHz)부터 30O GHz 사이의 주파수 범위에 있다. 이는 30Onm와 1nm 사이에 있는 파장범위와 일치한다. 생체조직의 마이크로파 영상에 적합한 마이크로파 범위는 약 0.5부터 3GHz이지만, 다른 범위의 마이크로파도 유용하게 이용될 수 있다. 이러한 전자 스펙트럼의 범위에서 전자의 양자에너지는 비이온화 방사선으로 이루어진다.

일반적으로 마이크로파 영상은 X-선, 양전자 방사, 초음파 혹은 핵자기 공명 영상과는 다른 것이다. 왜냐하면 마이크로파 방사가 물체의 복잡한 유전율의 작용으로서 영상화되는 물체와 반응하기 때문이다. 복잡한 유전율은 유전체 유전율과 유전체 손실로서 이루어진다. 유전체 유전율은 실제적인 부분으로서, 다음 식에 의하여 주어진다.

E′= e/e₀

상대적 유전체 손실은 추상적 부분으로서 다음 식에서 얻어진다

E″= δ/2πfE₀

E₀는 진공의 유전체 유전율일 때, δ는 물질의 전도성이고, f는 활동주파수이다.

예를 들어 물은 매우 광대한 유전체 유전율을 가지고, 대략 1 GHz에서 80이고, 10O GHz가 넘는 주파수에서는 약 4.5로 떨어진다. 물의 유전체 손실은 약 1GHz에서 25 GHz 가량에서 값이 증가한다.

마이크로파 영상에는 두가지 기본적 카테고리가 있다. 첫째는 마이크로파 방사가 물체와 상호작용한 후에 마이크로파 방사의 절대적 유전율 값을 결정함으로써 영상을 형성하는 것에 기초한 정적인 영상이고, 둘째는 마이크로파 방사 발생시간에 나타나는 물체내의 유전율 변이에 기초한 동적인 영상이다. 영상의 두 번째 형태는 영상화하는 생체 조직에서 발생하는 생리적 변화를 모니터하는데 적용하기 매우 유용하다. 그러나, 정적인 영상 및 동적인 영상 기술은 전자파 스캐너가 움직이거나 또는 스캐닝 해서 영상화되는 물체와 상호 작용하는 마이크로파 방사의 변화를 탐지하는 능동적 영상화 과정이 필요하다.

마이크로파에 의하여 투영될 수 있는 대부분의 무생물은 유전체 및 전도성 변화가 매우 단순한 구조이다. 반면 생체조직은 상대적인 유전체 상수의 범위가 매우 넓다. 이러한 범위는 많은 부분이 마이크로파 방사선이 세포막의 표면 전하, 소수성 막이 친수성 막 사이에 있는 세포막의 실질적 구조, 세포구조에 존재하거나 존재하지 않는 물 및 전해물과 상호작용하기 때문인 것으로 생각되어진다.

결과적으로 생체조직의 상호작용은 극히 복잡하고, 마이크로파 영상을 얻는데 사용되는 마이크로파 에너지의 흡수 때문에 부수적으로 생기는 미묘한 온도변화 때문에 시간에 따라 변화할 것이다. 이러한 흡수는 특히 물에 의하여 열로 전환된다. 이것은 평균적으로 생체조직이 약70%의 물을 함유하기 때문에 꽤 중요하다.

단층촬영 마이크로파 영상은 영상화되는 물체주위에 정렬된 일련의 마이크로파 방사기 및 수신기를 사용한다. 생물의학 공학에 대한 1990년 IEEE 논문(vol 37, No. 3; pp.303-12, 1990년 3월) ″마이크로파 단층촬영 스캐너를 사용한 의료영상″(Medical Imaging with a Microwave Tomographic Scanner, Jofre et al)에서는 원통모양으로 배열된 마이크로파 송신기(emitter) 및 수신기(receiver)가 발표 되었다. 배열은 16개씩 4그룹에서 총 64개의 안테나가 있다. 각각의 도파관 안테나는 송신기 또는 수신기로써 작용할 수 있다. 영상화되는 물체는 배열의 원안에 위치하며 마이크로파의 일시적인 빔의 감쇠를 최소화하기 위해 침수시킨다. 그룹내의 각각의 안테나는 연속적으로 방사하며, 그룹내의 16개의 안테나는 송신 그룹과는 반대로 수신기로써 작동한다. 이러한 과정은 한번의 회전이 완료될 때까지 각각의 안테나에 대해 순차적으로 반복된다. 출력 마이크로파 신호는 2.45 GHz이고, 높이는 약 2 cm이고 힘밀도(power density)는 물체의 제곱cm당 0.1 mW 이하이다.

조프리(Jofre)등의 구조는 수신 안테나로부터 오는 신호의 진폭과 위상(phase)를 측정하기 위해 밀착된 직각위상 탐지기(coherent phase quadrature detector)를 이용한다. 얻어진 자료는 디지털화되고 컴퓨터가 마이크로파 조사시 변화에 기초하여 영상을 재구성한다. 이러한 재구성은 2차원에서의 마이크로파 회절의 근사치를 얻기 위하여 수식화된 알고리즘에 의해 수행된다. 알고리즘은 분산(scattering)이 빛을 비추는데 있어 작은 동요(perturbation)에 따라 흩어지는 것에 근거한 본(Born) 근사법을 사용한다. 따라서 생체내에서의 장(field)은 순간 순간의 장의 근사치이다. 이러한 근사의 문제는 마이크로파 단층 X선 사진분석의 중대한 제한으로 남아있다.

애머럴(Amirall)등은 뇌를 영상화하기 위해 조프리의 논문에 나오는 원통형 배열을 응용한 것을 기술하고 있다(″Active Microwave Computed Brain Tomography : The Response to a Challenge″, Journal of Neuroscience Methods, 36; pp.239-51, 1991). 영상은 신속한 푸리에 변환(Fourier Transform)기술과 본(Born)1차근사법을 사용하는 원통기하학의 회절알고리즘을 이용하여 다시 재구성된다. 알고리즘에 의해 재구성된 자료는 유전율과 큰 차이를 보이는 영상화된 신체부분의 공간좌표의 함수로서 신체단면의 유전율값과 큰 차이를 보인다. 이론적으로 해상력은 마이크로파 파장의 1/2인 회절값으로 제한된다. 이것은 2.45 GHz의 주파수일때 공기중에서는 6cm, 물에서는 7mm정도되는 이론상의 최소 해상력을 의미한다. 장치에서 사용되는 재구성 알고리즘과 전자학적인 제한의 결과로 이러한 이론적인 수치는 얻어지지 않는다.

위의 장치에서 1차근사법과 알고리즘의 유효성은 다리와 같은 신체의 작은 부분에 대한 정적인 영상을 얻는데에 제한된다. 사람의 머리와 같이 보다 큰 신체의 경우 재구성된 영상은 단지 신체의 외부윤곽만 정확히 보여줄 뿐 내부구조는 정확히 보여주지 못한다.

동영상을 이용하는 경우, 영상재구성은 신체로부터 얻어진 몇몇 자료로부터 측정되는 회절된 장과 변화하는 유전적인 차이에 기초한다. 애머럴 등은 보다 큰 신체에서의 내부의 영상을 찍는데 성공하였으나 해상도는 이론적 예상치의 약 절반에 불과했다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 X선 사진분석시스템 10의 개요도이다. 본 발명은 여러 가지 분야에 이용될 수 있으나 가장 바람직한 분야는 의료용 분야이다. 특히 하기 본 발명의 실시예는 심부정맥에 대한 비침습적(non-invasive)진단과 치료에 관련되어 있다. 이 장치는 비침습적으로 심장을 위치결정할 수 있을 뿐 아니라 심부정맥병변을 빠르고 정확하며 비침습적으로 진단하고 그 위치를 알아낼 수 있다. 시스템(10)은 다중 주파수 관리 신호 해독 기술, 향상된 수학적 알고리즘, 전에는 인지 못하였던 상관함수를 이용하여 이러한 과정을 수행한다.

본 발명의 위와 같은 여러 가지 특성에 대해 이하 상세히 설명한다.

심부정맥의 근원을 식별하기 위하여 지금까지 심장수술 중의 카테타맵핑(catheter mapping), 전기흥분맵핑, 또는 신체표면의 전기장과 자기장을 재는 맵핑의 세가지 원리 중 하나에 의존하였다. 이러한 기술은 심각한 위험성과 제한이 있다. 예를 들면, 외과수술중의 카테타 맵핑과 전기흥분맵핑은 본질적으로 침습성이며, 접근이 제한되고, 시간에 민감하다. 신체표면 맵핑은 비침습적이고 위험성이 낮은 방법이기는 하나, 자료의 신뢰도가 떨어져 치료를 결정하기에는 부적합하다. 맵핑은 신체표면의 전기장 분포의 순차적인 일시변화 또는 자기장의 순차적 변화를 이용하여 수행된다.

본 발명에 의하면 신체안에 카테타를 삽입할 필요가 없을 뿐 아니라 심장조직에 탐침을 꽂을 필요도 없이 심장과 그것의 전기적 흥분순서의 믿을만하고 정확한(〈 약 5mm) 3차원적인 재구성이 가능해졌다. 심부정맥의 병변을 절제하기 위해 아래에 기재되는 기술을 이용하면 비침습적일 뿐만 아니라 에너지의 여러 주파수와 방향을 이용함으로써 절제범위가 목표된 위치에서만 일어날 수 있다. 본 발명은 침습적 절차 예를 들어 내과적 치료를 수행하기 위해 카테타 또는 외과수술과정에 의해 행하여지는 절개 시스템에 앞서 행해진다.

앞서 간단히 언급된 바와 같이, 본 발명은 새로운 상관함수를 이용한다. 이러한 함수는 조직의 물리적 성질과 세포흥분상태에서의 물리적 성질의 변화와 관련이 있다. 특히 생체조직의 유전적(dielectrical) 특성은 유전투과율(dielectric permeability)과 전도율(conductivity)의 두가지의 특성변수에 의해 결정된다. 특성함수는 주파수, 온도, 조직형태를 포함한다. 조직형태는 조직을 통과하는 즉, 반사되거나 분산되는 전자기적 에너지를 측정함으로써 해부학적 구조를 탐지할 수 있는 기회를 제공한다. 균일한 물체에 있어 유전적 특성은 투과된 전자기선의 크기와 위상을 측정함으로써 쉽게 탐지된다. 그러나 단순히 투과파의 크기와 상을 측정하여 비균일성 생체조직을 투과하는 파동의 유전값을 재려고 할 때는 문제가 더욱 복잡해진다. 이러한 문제는 역전된(″inverse″ 또는 ″reverse″)문제라고 알려져 있으며, 이를 해결하기 위한 많은 노력이 이어져 왔다. 본 발명은 조직특성의 강한 온도의존성을 구체화하며, 다중 주파수와 다중 송신기-수신기 배치를 통해 새로운 방법으로 이러한 역전문제를 해결한다.

도 1과 도 2에 관해 살펴보면, 시스템(10)은 복수개의 마이크로파 송신기-수신기(16)을 장착하기에 적합한 송신기-수신기 서브어셈블리로 구성된다. 송신기-수신기의 바람직한 배열은 원형의 배열이다. 그러나 본 발명에서는 신체전체(예를 들어 머리, 심장, 팔, 다리 등)나 신체일부분에 적합한 다른 어떠한 3차원 또는 2차원적인 배열도 사용될 수 있다. 각각의 송신기-수신기(16)은 원형의 배열에 대해 방사상의 이동이 가능케 할 수도 있다. 동력원(19)는 물체에 약 10 mW/cm²을 넘지않는 힘밀도를 갖는 송신기에 좁은 펄스폭(pulse width)의 전자기에너지 신호를 제공한다. 바람직하게는 좁은 펄스폭 신호의 주파수밴드의 폭은 약 0.l GHz에서 6GHz사이에 집중되고, 더욱 바람직하게는 약 0.2 GHz에서 2.5 GHz까지의 주파수 범위가 바람직하다. 그러나 이 장치는 후술하는 다원입력차단(multi-source input block)을 갖는 향상된 영상화 장치의 전자기 임피던스(impedance, 전기저항) X선 단층사진분석 하부구조를 제공하기 위해 낮은 주파수원(약 20 Hz에서 2 MHz까지)과 결합될 수 있음이 밝혀졌다. 동력원(19)는 전기발생장치와 같은 단일 동력원 또는 복수개의 동력원으로 구성될 수 있다. 도 2의 실시예에서 동력원(19)는 광범위한 진단용 전기발생기(sweeping diagnostic generator; 22), 진단용 전기발생기 조절 구역(diagnostic generator controll block; 24), 절제 전기발생기(ablation generator; 27)과 절제 전기발생기 조절구역(ablation generator controll block; 29)로 구성된다. 광범위한 진단용 전기발생기(22)는 진단용으로 장치에 사용되기 위해 다중주파수 저동력에너지를 제공하는 반면, 절제 전기발생기(27)은 목표된 조직부위의 마이크로파 절제를 위한 다중주파수 고동력에너지를 제공한다. 상기한 전기발생기중의 선택은 송신기(16)과 전기발생기 출력(output)을 연결하는 스위치(33)에 의해 수행된다. 에너지 송신과 수신을 위한 채널 i, i+1, i+n 의 활성화와 조절을 위해 채널화기작(35)가 제공된다. 이러한 서브시스템은 채널수 스위치(36), 진폭완화기-탐지기조작(ADM; 39), 위상회전기-탐지기(42), 진폭탐지기(45), 위상탐지기(48), 안테나 모드 스위 치(53)으로 이루어진다. 진단용 조작에서 채널수 스위치(36)은 특정시간에서의 진단용 전기발생기(22)의 출력과 송신기(또는 여러개의 송신기)입력을 연결한다. 절제 또는 치료법에 있어서 이 스위치는 모든 채널을 절제 전기발생기(27)의 출 력과 연결한다. 진폭완화기-탐지기(39)와 위상회전기-탐지기(42)는 모든 채널의 송신경로상에 위치한다. 진폭완화기-탐지기(39)는 송신된 동력의 크기를 낮추며 , 위상회전기-탐지기(42)는 출력신호를 탐지하고 해독한다. 진폭탐지기(45)와 위상탐지기(48)은 진단법에 있어서 모든 채널의 수신경로상에 위치하며, 수신된 신호의 진폭과 위상을 탐지하고 해독한다. 극성(polarity)과 같은 다른 신호방법들은 부가적인 암호화/해독화 성분을 필요로 한다. 안테나 모드 스위치(53)은 송신경로의 출력과 안테나를 연결하는, 또는 수신경로에 있어서 입력경로와 위의 같은 안테나를 연결하는 모든 채널에서 작동한다.

계산과 제어모듈장치(65)는 중앙처리장치(CPU, central processing unit; 68), 인터페이스 서브시스템(interface subsystem; 72), 화면장치(75), 화면소프트웨어(77) 및 메모리(82)를 포함하고 있다. 중개서브시스템(72)는 디지탈을 아날로그로 전환시키는 전환기(DAC; 86), 다중통신채널(multiplexer; 89), 아날로그를 디지탈로 전환시키는 전환기(ADC; 92), 그리고 제어되는 과정을 시간동조화시키고 분석되어야 하는 자료를 받는 조절구역(94)로 이루어진다.

보조적인 서브시스템(102)는 중개매질의 온도를 제어하는 자동온도조절막(105)를 구성한다. 예를 들면, 적당한 중개매질로는 티타늄과 바륨 용액과 같은 액체가 될 수 있다. 다른 적당한 액체(또는 기질), 특히 균질화된 지방산용액과 같은 액체도 본 발명에 이용될 수 있다. 이러한 액체는 송신기-수신기(16) 사이에서 5 - 25사이의 유전손실과 2.45 GHz일때 50 - 90사이의 유전적으로 조절가능한 예비유전투과율을 가질 수 있다. 서브시스템(102)는 또한 자동온도조절막(105)를 제어하는 자동온도제어구역(108)과, 시스템(10)이 계측모드에 있을 때 Bi 조절채널로부터 수신된 신호의 제어를 위한 기본적 채널조절구역(111)을 구성한다. 그밖의 보조적인 부분이 장치의 원하는 수행특성에 따라 첨가될 수 있는데, 예를 들면 시스템(10)에는 심전도 분석기 및/또는 인쇄기(119)가 사용될 수 있다.

순차적인 다중 주파수 X선 단층사진분석 분광장치(10)에서, 대상조직(135)는 순차적으로 첫 번째부터 n번째 송신기(16)까지 저에너지 마이크로파로 조사되는 한편 동시에 순서의 특정한 단계에는 송신기로서 작동하지 않는 수신기(16)에서 수신된 신호를 측정한다. 몇몇 송신기-수신기(16)은 주어진 순간에 하나의 송신기-수신기(16)으로부터 송신되는 신호를 받는데 이용된다. 시스템(10)은 위와 같은 배열에 따라 순차적으로 채널수와 안테나 상태를 빨리 바꾼다. n-채널 송신과 수신이 한번 순환된 뒤 광범위한 진단용 전기발생기(22)가 또다른 n-채널 스위치된 측정법의 순환을 제공한다. 순환측정의 총량은 정상적으로는 N × M을 넘지 않는다. 여기서 N은 안테나의 양이고, M은 사용된 진단용 주파수의 양이다. 또한 다중 암호화 주파수배열을 사용함으로써 동시측정값을 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 측정을 한 후 시스템(10)은 도 3 및 도 4와 관련하여 아래에 자세히 기재될 새로운 알고리즘과 수신된 정보에 따라 역전문제를 해결한다. 생리적 변화를 측정할 때에는 생리적 현상, 예를 들어 심근 수축이 일어나는데 걸리는 시간을 아는 것이 중요하다. 이러한 시간은 조직현상 순환시간으로 정의된다.

시스템(10)에서 자료수집은, 자료수집이 각각의 조직현상동안 여러번 일어나고 메모리(82)에 저장될 수 있도록, 조직현상 순환시간의 일부인 중단시간동안 수행된다. 재구성 시간은 신체의 움직임이 문제가 되지 않을 정도로 충분히 빠르다. 해부학적인 물체구조와 온도 프로필이 화면(75)에서 관찰되며, 디스플레이 소프트웨어(77)의 정해진 순서에 따라 조작될 수도 있고, 인쇄기(119)를 이용하여 인쇄될 수도 있다. 심부전부위는 특정한 E′과 e″를 갖는 위치로 정의된다. 이러한 부위의 공간좌표는 디스플레이 소프트웨어, 중앙처리장치, 그리고 메모리로서 정의된다.

측정사이클 동안 시스템(10)은 온도자동조절구역(108)의 도움을 받아 주기적으로 중개매질(106)의 온도조절보정을 한다. 시스템(10)은 또한 심전도 분석기(115)를 이용하여 조직이 존재하는 심장순환과 동조한다.

계산에 있어 속도와 정확도를 높이는 시스템(10)의 중요한 특징은 송신기에 공급되는 마이크로파 신호를 암호화하는 신호장치를 이용한다는 것이다. 수신기가 조직과 상호작용을 한 뒤 해당신호를 받으면, 그 신호는 그것이 나온 송신기 또는 송신기그룹에 의해 구분되어진다. 바람직한 암호화 기술은 위상(phase), 진폭(amplitude), 또는 극성(polarity) 변조이다. 그러나 이것은 또한 주파수변조를 이용하는 본 발명의 범위에 속한다. 주파수변조는 복수개의 송신기로부터 동시에 송신되는 것이 요구되는 경우에 유용하다.

시스템(10)은 조직의 비침습성 단층사진촬영 분광법을 가능케 하는 본 발명의 새로운 방법단계들을 이용하는 하나의 실시예이다. 이 방법은 방사선 동력원을 제공하는 단계, 복수개의 방사선 송신기-수신기를 제공하는 단계, 그리고 복수개의 송신기-수신기가 동력원으로부터 방사선을 수신하는 복수개의 송신기-수신기까지 다중 주파수 방사선을 송신하도록 제어하는 단계로 이루어진다. 유전적 조화를 위해 송신기-수신기의 송신부위와 송신부위 사이에 중개매질을 놓는 단계, 방사선조사될 조직을 중개매질안에 놓는 단계, 송신기-수신기로부터 방사선을 송신하는 단계, 조직과 상호작용한 후 송신기-수신기에서 방사선을 수신하는 단계, 조직과 반응한 다음 방사선에 있어서의 변화를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

위에서 밝혀진 바와 같이, 새로운 알고리즘은 역전문제계산을 푸는데 사용된다. 본 발명에서는 상기한 바와 같이 방사선조사되는 비균일성 대상조직의 유전율과 전도율 변수들을 결정하기 위해 이용되는 본(Born)근사값과 같은 근사값이 없다. 대신 상기한 방법의 측정단계는 전자기 영상의 이러한 형태로부터 도출되는 자료들을 정돈하고 유용하게 만드는 기존의 관념과 새로운 관념들을 포함한다. 특히, 도 3의 순서도에 나타나듯이 측정단계는 입력자료 형성부분(220)을 이용한 계산, 직접 문제 해결부분(222), 역전문제 해결부분(224), 다중 주파수 상관부분(226), 컴퓨터 시각화 제어(236), 그리고 단층촬영 분광 영상(238)로 이루어진다.

직접 문제 해결이란 생물학적인 방법을 통해 송신기로부터 수신기까지의 마이크로파의 증식을 해결하는 계산으로 알려져 있다. 역전문제의 해결은 측정된 마이크로파 송신변화에 기초한 조직의 정확한 계산과 단층촬영분광법의 유용한 영상을 가능케한다. 역전문제해결 단계는 모든 송신기-수신기로부터의 입력을 합하는 함수형성부분(228)의 측정단계, 작동속도를 간단하게 하는 함수형성부분의 유도체로서의 구배형성부분(230)의 사용단계, 구배함수의 정확도를 입증하고 가장 정확한 방법으로 재구성하기 위한 최소화 변수 타우(τ)를 계산하는 단계, 아래와 같은 수학식 3을 이용하여 E^*계산(234)를 실행하는 단계로 구성된다.

E^*= E′+ iE″

여기서 E′와 E″는 본 발명에 의해 측정된 유전 투과율과 유전손실값을 나타내며, i는 허수를 나타낸다. E^*를 E′와 E″의 대표값으로 사용하는 것은 편리한 수학적 도구이다. 본 발명은 또한 E′및/또는 E″을 영상을 얻기위한 측정된 유전율 변수로도 이용할 수 있음을 알 수 있다. E^*를 사용하는 이유는 조직 및/또는 조직의 생리적 상태사이의 유전율의 차이가 E′및/또는 E″에서의 변화 또는 차이로 나타낼 수 있기 때문이다. 만약 E′와 E″가 함께 E^*로 계산될 수 있다면, E′또는 E″에서의 다른 어떠한 유전율 변화도 E^*계산으로부터 탐지될 수 있을 것이다. 뒤에서 보여지겠지만, 어떤 생리적 유전율변화는 단지 E′또는 E″만을 사용하여 가장 잘 측정된다. E^*가 쓰이는 곳에서는 어디든지 E′또는 E″가 E^*의 위치에 사용될 수 있음을 인식하는 것이 중요하다.

도 4에 묘사된 순서도는 카테타 장치에서도 사용될 수 있는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 자료는 작동배열 형성단계(242)와 안테나 시뮬레이션 단계(244)로부터 직접적 문제 해결 단계(240)에 대입된다. 작동배열 형성단계(242)는 주파수와 온도상관 단계(248)로부터 자료를 받는데, 그 단계는 초기값을 제로 근사값단계(250)으로부터 얻는다. 안테나 시뮬레이션 단계(244)는 영상을 구성하는 기본선으로 작용할 수 있는 계산과정을 시작하기 위한 값들을 제공한다. 직접적 문제 해결 단계(240)은 송신된 마이크로파 에너지의 진폭과 위상이 무엇인지를 인식하는 것과 생체조직 유전효과가 어떻게 될지 추측하는 것 그리고 예상된 진폭과 위상값을 투과된 마이크로파 에너지에 관하여 계산하는 것에 기초한 영상문제를 해결할 수 있다.

이러한 직접적 문제 해결 단계(240)에 의한 해답은 그 다음에 등식 시스템 형성 단계(254), 자코뱅(Jacobian) 형성 단계(257) 및 매트릭스 비역전 단계(258)로 구성된 역전문제해결 단계(252)로 넘어간다.

역전문제해결 단계(252)는 다음에 알려진 송신 마이크로파와 다른 진폭과 위상값 및 알려진 송신기-수신기 배열로부터 수신된 진폭과 위상값에 기초한 생체조직의 영상을 계산한다. 효과에 있어, 역전 문제 해답은 에너지가 통과한 생체조직의 유전 특징을 계산하기 위하여 송신 에너지의 진폭과 위상 및 투과된 혹은 수신된 에너지의 위상과 진폭에 대한 지식을 가지고 단층촬영영상을 생성한다.

매트릭스 비역전 단계(258)로부터 나온 이러한 영상 데이터는 다음에 오류 측정 단계(260) 및 최초 오류 교정 단계(262)에 관련한 오류교정 반복과정을 지난다. 송신되고 수신된 진폭과 위상의 각 값(i는 1-n과 동일하다)을 구하기 위해,오류 측정 단계(260) 및 1차 에러 교정 단계(262)에 연결된 매트릭스 비역전 단계(258)는 최초 격자점(grid point) E^*ΔT를 오류 측정 단계(260)에 넣음으로써 시작되는 반복루프를 형성한다.

1-n부터의 각 i값을 위하여, E^*j+1, Tj+1이 생성된다. 이때 j는 2차원 영상 구조 혹은 3차원 영상구조를 생성하기 위한 조화된 시스템내에서의 격자수이고, j는 1-n부터의 값과 같다. 각 E^*, T값이 오류측정과 최초오류 교정을 거친후에 값은 분석기(anatomical) 및 T 재구성 및 분석 오류 측정 단계(264)로 넘어간다. 이 점에서 오류 교정 단계(264)로 넘어간 값은 e″값과 비교되고 만약 오류 측정이 일어나면 값은 분석기 구조와 유전율 차이에 기초한 생체 조직의 2차원 혹은 3차원 영상을 생성하는 목적으로 제공되는 T 시각화단계(266)으로 넘어간다.

만약, 그러나 실수 측정 단계가 반응하지 않으면, 데이터 포인트는 두 번째 실수 교정 단계(268)로 넘어가서 1차 실수 교정 단계(262)와 연결되어 주파수 및 온도상관단계(248)에 의하여 생성된 값에 맞춰진다(adjust).

도 5는 심장조직의 유전특징의 변화에 의하여 심장 흥분을 탐지하는 시스템 10의 능력을 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 5는 시작점과 전기흥분과정의 T1 기간을 통해 전이 기간 T2를 지나 회수에 이른 E′값의 변화를 보여준다. 도 6은 E″유전변수가 없을 경우의 시스템(10)의 비슷한 탐지능력을 보여준다. 도 5와 도 6에서 각 점들은 7번의 측정에 대한 평균값을 나타낸다.

도 7 - 10은 관상동맥폐색동안 다중의 주파수로 선택된 유전적 특성의 %변화율을 보여주는 그래프이다. 도 7과 도 8은 오랜기간에 걸쳐 짧은 기간의 폐색에 이어 긴 기간의 폐색이 이어짐을 보여주고 있다. 이러한 도면들은 심장의 국부적 빈혈정도에 의존하는 E′와 E″의 유전적 특성간의 상관관계를 보여준다. 이러한 유전적 특성의 상관관계는 완전경색에 앞서 예비조절에 의한 보호효과에 의한 기지의 조직현상과 일치한다. 도 9와 도 10은 일련의 짧은 폐색 후에 긴 폐색이 뒤따르는 경우를 나타낸다. 도 9와 도 10은 도 7과 도 8과 관련하여 위에서 언급된 결론을 지지한다.

도 10은 조직의 다중 주파수 또는 분광분석의 또 다른 실시예를 제공한다. 이 도에서, 4.1 GHz에서 E″의 퍼센트 변화값의 곡선은 각각 O.2 GHz 또는 1.17 GHz에 상응하는 값과 비교할 때 비교적 평편하고 보다 덜 유용하다. 이러한 것은 다중 주파수 기술을 이용하여 단일 주파수 분석으로는 측정되지 아니하는 조직 흥분 현상과 다른 생리학상의 현상 예를들면 허혈증을 측정하는 시스템(10)의 필요성을 극명하게 나타낸다. 다중 주파수 기술은 도 11 및 도 12의 E^*(f)그래프에 나타나 있는데, 곡선(145, 147, 149, 151, 153 및 155)은 0, 15, 30, 45, 120 및 125분 동안 폐색(즉 급성허혈증) 후의 시간을 나타내는 것으로서 E′은 ★곡선이고 E″는 ○곡선이다. 재관류(reperfusion)은 125분에 일어나며, 곡선(155)에 의해 나타난다. 만약 분석이 단일 주파수에 한정되었다면 이 도면의 자료들은 거의 쓸모없는 데이타일 것이다. 그러나, 만약 다중 주파수 분석이 동시에 행하여지면 조직의 생리적 현상이 분명히 나타날 수 있다.

도 13과 도 14는 유전체(dielectric) 특성과 혈액 옥시헤모글로빈 함량에 대한 유전체 특성의 상호관계를 나타낸다. 도 13에서 유전체 특성은 (E′ (HbO₂)-E′(86.9))/E′(86.9)의 %이다. 도 14에서의 유전체(dielectric) 특성은 (E″(HbO2)-E′(86.9))/E′(86.9)의 %이다. 각각의 도에서 주파수 곡선(l61, 163, 165, 167, 169, 171과 173)은 각각 0.2 GHz, 1.14 GHz, 2.13 GHz, 3.12 GHz, 4.01 GHz, 5.0GHz과 6.0 GHz에 대응한다.

도 15에서 옥시헤모글로빈(HbO₂)의 유전율(dielectric permittivity), 산소의 부분압(PO₂)와 헤모글로빈총량(tHb)은 마이크로파 주파수 범위 0.2 - 6 MHz과 상호관계에 있다. 옥시헤모글로빈에 대한 상관관계는 주파수 0.5 - 2.5 MHz 범위에서 최고도로 일어난다. 이 범위내에서 유전율은 e 이다.

E″의 상관계수 곡선, 유전율 감소는 도 16에 나타난다. 2.5 내지 4 GHz에서 PO₂접근 일치를 나타내는 상관계수는 약 2 GHz에서 가장 높다.

본 발명자들은 도 15 및 도 16에 나타난 상관계수를 연구하여 옥시헤모글로빈(HbO₂) 포화 퍼센트와 PO₂사이를 구별하였다. 이 두값은 건강관리자에게 매우 유용한 중요한 값이다. 현재 옥시미터라고 불리는 옥시헤모글로빈 포화 퍼센트를 측정하는 실제시간 임상 광도계가 있다. 그러나, PO₂값을 얻기 위하여서는, 환자로부터 동맥혈을 특별한 주사기로 채취한 후, 액체의 가스 부분압력을 측정하는 기계에 넣어야 한다.

비교 상관관계로서 총 헤모글로빈의 E′및 E″곡선이 도 17에 도시되어 있다. 도시된 것처럼 E′곡선은 평평하며, 곡선의 대부분이 -0.995 보다 적은 값이며, 거의 상관관계를 나타내지 않는다. E″곡선은 마이크로파 주파수 범위 4와 5 GHz에서 총 헤모글로빈량에 따라 증가하는 것으로 나타났다.

도 3 및 도 4에서 언급한 것처럼 옥시헤모글로빈 P0₂및 총 헤모글로빈의 상관관계치는 0.2 - 6 GHz에서 단일 주파수 범위 스캔하여 혈액의 유전율 E′및 유전율 손실 E″치를 계산하여 정확하게 구한다. 옥시헤모글로빈 포화의 농도는 약 1.5 GHz에서 E′와 매우 밀접한 상관관계에 있으며 PO₂값은 약 3.5 GHz에서 계산된 유전율 손실 E″와의 상관 값에서 계산되고, tHb는 약 4.5 GHz에서 계산된 유전율 손실 곡선 E″의 상관 값에서 계산된다. 각각의 스캔은 0.2 -6 GHz에서 행하여지며 수초간 마이크로파에 노출시킨 다음 값을 계산한다. 이와같이 본 발명에 의하면 임상에서 이러한 변수들에 대하여 실제 시간 측정을 할 수 있다.

본 발명은 HbO₂포화비율 및 PO₂의 실제 시간 임상 모니터링을 제공할 수 있다. 본 발명은 환자로부터 혈액을 채취할 필요가 없고 분석을 위해 혈액을 실험실에 보내는 지연이나 비용이 필요없다.

발명은 HbO₂와 PO₂의 값에 한정하지 않는다. 유전체(dielectric) 대조 특성을 갖는 혈액이나 조직 성분은 이 발명을 이용하여 비침습적 실제시간 측정을 할 수 있다. 본 발명은 조직이 병들 때 일어나는 유전치 변화를 검출할 수도 있다.

예를 들어 10세 남아의 좌심실의 병들어 약해진 동맥을 수선하였다. 수선하는 동안, 병든 부분은 심장으로부터 제거되었다. 이때 제거되는 부분의 가장자리는 정상 심근이 포함되어야 한다. 본 발명은 절제되는 심장조직의 조각을 정확하게 측정할 수 있게 하며, 이 실험결과가 도 18 에서 도 20에 나타나 있다.

정상 심근의 E″유전체(dielectric) 손실 특성은 0.2와 6 GHz 사이의 마이크로파 주파수 범위에 걸쳐 측정된 곡선(200)으로서 도 18에 나타난다.

전체 주파수 범위에 걸쳐서 이 정상 조직은 곡선(202)에서 보여지는 것처럼 비정상 조직으로부터 구별된다.

도 19는 동일조직 시료에서 E′유전체 허용 특성 곡선을 나타낸다. 정상 조직은 곡선(204)에서 나타난 E′의 단일곡선 이다. 비정상 조직은 곡선(206)에서 보여진다. 정상 심근 조직은 본 발명의 전체 마이크로파 주파수 범위에 걸쳐 비정상의 심근 조직과 구별된다.

도 20은 도 18의 동일 유전체 손실 데이터 E″의 스케일을 확장한 것이다.

곡선(208)은, 비정상 심장 조직의 E″값을 나타내는 곡선(210)을 가진 정상 심근조직의 e″를 나타낸다.

본 발명은 영상을 만들기 위하여 이 유전체 특성 차이를 사용할 수 있다.

예를 들어, 도 1부터 도 4의 시스템(10)은 환자의 가슴을 스캔하여, 도 5부터 도 12와 도 18부터 도 20에서 나타난 것처럼 다양한 조직 사이의 유전체 특성 차이에 기초하여 기관의 해부학상의 영상을 얻는다. 또한 본 발명에 의하면, 정상 조직에서 병든 비정상 조직의 해부학상의 위치를 알 수 있다. 이 해부학적 정보는 다양한 방면에 유용하다. 중요한 사용예로서 직접 실제 시간 치료가 있다. 비정상 심근 조직은 종종 부정맥을 유발한다. 불행하게도, 이 비정상 조직은 시각적으로 주위의 정상 심근으로부터 구별될 수 없다. 본 발명은 도 18부터 도 20에서 검출한 것처럼 유도체 특성 차이에 기초하여 비정상적 조직의 실제 시간 이미지를 제공한다. 일정시간대에서 주파수 범위를 통하여 스캔하고 빨리 재구성하여, 임상학자는 비정상 조직의 맵을 만든다. 수치화되는 주파수와 유전체 특성에 따라 조사자는 유전체 특성을 재구성하여 비정상 조직의 흥분성 지도를 만들거나, 또는 순간 변화지도를 만들거나 조직내 이상에 대한 기지의 전자파식에 대한 순간 변화의 상관관계를 측정한다. 다음에, 임상학자는 비정상 리듬을 제거하기 위하여 직접 절제 치료를 할 수 있고, 조직 제거가 적당하였는가를 평가할 수 있다.

절제하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 레이저 또는 마이크로파가 사용되었으며 도 21에 도시되었다. 도시된 바와 같이 환부, 예를들어 정상 심근조직내의 부정맥 근원지의 절제방법은 본 발명의 도 2에 기재된 본 발명에 의하여 얻어지는 온도 분배값에서 유도되는 해부학적 구조 분석으로부터 얻어지는 정보를 입력자료 형성단계(300)에 넣는 것에 의하여 시작된다. 입력자료 형성 단계는 마이크로파(306)용 직접문제 해결 또는 레이저 조절(308)용 직접 문제해결에 주입하기 위한 입력을 유도하기 위하여 근사치 단계(302)로서 마이크로파 동력원 또는 근사치 단계(304)로서 레이저 동력원으로부터 얻은 정보를 이용한다. 이용 가능한 마이크로파와 레이저 동력원을 결정하기 위한 결정 단계는 단계(310)에서 행하여 진다. 이 결정 결과는 근사 단계(314)를 끌어내기 위하여 동력원과 환부 상호 상관관계 데이터뱅크(312)에 패스(pass)된다. 또한 안테나 시뮬레이션 단계(316)로부터 취하여 입력한다. 현재 기대 온도는 단계(318)에서 계산된다. 단계(320)에서 온도 비직선성이 수정된다. 단계(320)으로부터 수정된 온도와 연결된 마이크로파용 직접 문제 해결(306) 및 레이저용 직접문제 해결(308)에서 나온 결과는 생물체 열 수식 해결 단계(322)에 통합하여 실제온도 해결을 끌어낸다. 생물체 열 수식 해결단계(322)로부터 온도 분배는 환부 위치 측정단계(324)로 연결되어 환부 상관관계 자료은행(312)로 전송되어 생물체 열 수식 해결 단계(322)의 다음 결정을 위하여 입력자료 형성(300)으로 보내져 다음 근사치를 결정하게 된다. 생물체 열 수식 해결 단계(322)부터 정보는 적절한 치료가 이루어졌는가를 판단하기 위하여 측정된 필요 환부 크기와 현재 환부 크기를 비교하기 위하여 현재 환부 형성 단계로 보내진다. 만약 치료가 이루어졌다면 그 결정은 적당부위 단계(328)에 패스된다. 현재의 환부가 필요 환부 크기와 차이가 있다면, 이 차이 정보는 환부 상관관계 데이터뱅크(312)로 다시 보내져서 입력 자료 정보(300)을 통하여 단계(314)에서 근사치를 측정하여 다음에는 좀 더 정확한 환부 치료를 할 수 있게 한다. 반복과정을 통한 단계의 수는 단계(0)과 단계(334)에서, 환부 단계(332)의 기대되는 위치 사이즈와 비교하여 스위치(330)에 의해 모니터된다. 단계(0)보다 더 큰단계에서, 스위치(330)은 제로 단계(336)보다 큰 스텝으로 변환된다. 전체과정은, 마이크로파 단층촬영 영상화 시스템으로부터 끌어낸 해부학적 구조의 분석에 의하여 얻어지는 환부를 실제 시간에 기초하여 재수치화하여 완벽한 절제 치료를 할 수 있도록 계속적으로 재수치화 된다.

위에서 언급된 시스템은 생물학적 조직의 유전체 특성을 위한 역전 문제 해석에 의한 해부학적 구조와 생물학적 기능의 신속한 실제시간 분석에 대하여 마이크로파 에너지를 이용하는 신규 접근 방법을 제공한다. 본 발명은 종래기술보다 해상력을 실질적으로 개선하였을 뿐만 아니라 속도도 매우 빠르게 되었다. 본 발명은 생리학적 작용 또는 생물학적 화합물의 생리학적 활성의 다른 상태의 사이에서 유전체 대비에 기초한 생리학적 특성이나 생물학적 부분의 농도를 실제시간 변수로 측정하는 기술을 제공한다. 상기한 이점을 이루기 위하여, 심근다발의 유전체 분석 뿐만아니라 다중 주파수로 결합된 저주파수(EIT) 및 마이크로파 주파수, 수정된 반복 알고리즘을 포함하여 아래에 좀더 기술하였다.

2. 심근다발의 유전체 특성(bu1k myocardium dielectric properties)

본 발명의 다양한 이점과 특성을 발견하는 과정에서, 발명자들은 몇가지 기술적 성공을 이루었다. 이것과 관련하여, 심근다발 유전체 특성의 더 좋은 새로운 모델이 이용되고 있다. 이 모델은 수많은 원통형인 세포들로 둘러싸인 막의 조성물이다. 이 모델은 세포내 미디아, 세포외 미디아 및 세포막의 유전체 특성의 복잡한 수치들을 이용한다. 이 모델은 급성과 만성 경색과 정상 심근(myocardium)에서 세포막 이완 스펙트럼(cell membrane relaxation spectrum)의 위와 아래 심근저항(myocardial resistivity)를 분석하기 위하여 유용하다. 이 심근세포 모델에서는 정상 심근저항 스펙트럼을 양적으로 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 부피 부분 가설에 기초하여 급성 허혈증 및 만성 심근경색에서 심근 저항 스펙트럼 상의 변화를 관찰할 수 있다.

심근다발 저항에 대한 세포내, 세포외, 세포막 저항의 영향은 주파수에 따라 달라진다. 0.2 MHz이하 주파수에서 심근다발 저항에 대한 세포내 저항의 영향은 세포외 저항의 영향에 비하여 훨씬 적으며, 10 - 15%를 넘지 않는다. 0.5 MHz 보다 큰 주파수에서 이 측정된 심근다발 저항은 같은 차수(order)에서 세포내 저항 및 세포의 저항을 반영한다. 세포막 저항의 영향을 같은 차수에서 세포외 및 세포내 저항을 반영한다. 세포막 저항은 세포내 및 세포의 저항과 비교하여 훨씬 작으며, 1 MHz 부근에서 정상 심근에 비교하여 O.1 %를 초과하지 아니한다.

이와 같은 가정에 대한 실험예를 아래 설명하고자 한다. 이 실험예에서는 세포막 이완 주파수 부근의 스펙트럼에서 급성 및 만성 심근경색에서 심근의 유전체 특성의 심각한 변화를 측정한다. 급성 및 만성 심근경색에서 관찰된 심근다발 저항의 변화를 이론적으로 설명한다. 이 설명은 무수한 원통형인 세포들로 둘러싸인 막의 조성물로서 심근다발의 유전체 특성의 새로운 모델에 기초한 것이다. 이 모델은 세포내, 세포외 미디아 및 세포막의 유전체 특성의 복잡한 수치들을 이용한다. 그 모델은 정상 심근, 급성(acute) 및 만성(chronic) 경색(infarction)에서 세포막 이완 스펙트럼의 상하에서 심근 저항을 분석하는데 이용된다. 이러한 이유는 세포막의 이완 주파수 보다 높거나 낮은 주파수에서 세포주변에서 및/또는 세포를 통하여 나타나는 흐름 패턴의 차이이다. 심근다발의 측정된 저항에 대한 세포 내, 세포외 및 세포막 저항의 변화도 이론적으로 연구되었다.

이에 관련해서, 저주파수 저항(low frequency resistance) 또는 유전체 특성은 0.2 MHz 주파수에서 또는 그 이하의 주파수에서 이러한 특성을 나타낸다. 이러한 개념과 일관되게 낮은 값이 선택된다. 재구성되거나 고주파수 저항은 마이크로파 주파수 유전체 스펙트럼 데이터로부터 결정되는 이온 전도성 부분(ion conductivity part)의 역치를 나타낸다.

고주파수에서 이온 전도성 부분은 마이크로파 스펙트럼에서 측정된 유전체 특성으로부터 재구성된다. 이러한 재구성은 다중 부분 모델에 기초하여 수행되고, 마이크로파 스펙트럼에서 심근 유전체 특성은 무수, 물과 결합 또는 대응하는 부피 부분 및 이온 전도율을 가진 단백질 이완 등의 복잡한 형태로 설명된다.

이러한 목적을 위하여, 부피의 일정부분이 어떤 기하학적 형태(구 또는 반지름이 r₁인 무한 원통)를 가진 세포의 부피(V_cell)로 이루어지고, 유전 전도율(E₂)을 가진 균일한 매체를 생각하라. 각 세포는 두개 층으로 구성된다. 바깥 층은 유전 전도율(E₁), 두께(h)와 균일한 세포내 매질을 가진 균일막으로 추정된다. 또한, 세포농도는 상호작용을 무시할 정도로 작다고 생각하라.

심근조직학에 의하면, 세포 구조가 구(球)라기 보다는 서로서로 연결된 원통형에 가깝다고 한다. 따라서, 이 모델에서는 원통형 접근을 이용하였다. 이 모델은 또한 유전체 특성의 많은 수치를 이용한다. 이 모델에 대하여서는, 세포가 서로 상호작용하지 않는다는 가정하에 라플라스식(Laplace equation)을 이용하였다. 혼합물의 유효 유전체 특성 E_eff는 D와 E의 평균치(부피에 의한) 사이에서 계수로서 측정되었다.

원통형 또는 구형 세포에서 E_eff을 구하기 위한 식을 다시 쓰면,

이제 전자적으로 상호 작용하지 않는 세포를 생각하십시오. 그리고 외부 공간에서 전장의 변화는 무시하십시오. 이러한 가정하에 모든 전장의 방향을 비슷하고, 외부장의 방향(예를들면 X)과 일치한다고 생각하십시오.

다음 E_eff를 계산하기 위한 식은 하기와 같이 다시 쓸 수 있다:

결론적으로, 조성물 (또는 심근다발)의 유전율을 계산하기 위한 식이 얻어진다:

상기에서, n 은 구 (sphere)의 경우에는 e 이고, 무한 실린더의 경우에는 2이며, r₀= r₁이고, h 는 내부 세포 반경이다.

후술하는 탐침 (같은 축의 탐침) 방법의 기본은, 유전율 E′및 전도율 σ을 가진 반-무한 매질의 표면에 위치하는 탐침의 입력 임피던스를 측정하는 것이다.

특정 주파수에서 활성 및 반응성이 있는 입력 탐침 임피던스의 성분은 하기와 같다:

입력 임피던스의 활성 부분이 테스트된 매체의 활성 손실을 반영하는 점을 유의하면, 다발 저항에 대한 세포내, 세포외 및 막 저항율의 기여를 추정할 수 있다:

여기에서, 세포내의 경우 i = 0; 막의 경우 i = 1; 세포외의 경우 i = 2이다.

상기 모델을 이용하여 낮은 주파수 및 높은 주파수에서 심근다발 저항을 이론적으로 계산하기 위하여, 하기와 같은 변수를 사용한다: 세포외 저항 R_ext= 70 ohm·cm, 세포내 저항 R_int= 185 ohm·cm, 막 저항 R_mem= 1 Kohm·cm², 막 용량 C_mem= 1μF·cm², 세포 반경 R_cell= 10㎛, 세포외 및 세포내 유전 값 E_int= E_ext= 75. 세포 부피 분획 V_cell및 주파수는 달라질 수 있다.

측정된 심근다발 저항에 대한 세포외 및 세포내 저항의 기여를 이해하는 것이 중요하다. 정상적인 심근 세포 부피 분획 (V_cell= 0.75)에서의 세포외 및 세포내 저항에 기여하는 값을 하기 표 1에 요약한다.

심근다발 저항에 대한 세포외 및 세포내 기여 [%]의 주파수 의존도

표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 낮은 주파수에서는 세포내 저항의 기여가 세포외 저항의 기여에 비하여 매우 작다. 이것은 낮은 세포 부피 분획에서는 무시할 정도로 작아진다. 동시에 높은 주파수에서는 세포내 및 세포외 저항의 기여가 정상적인 세포 부피 분획에서 거의 같다. 따라서 본 발명의 낮은 주파수 수단에 의해 측정된 정상적인 심근 다발 저항은 대부분 세포외 저항을 반영한다. 0.5 MHz 이상의 주파수에서는 측정된 심근다발 저항은 거의 같은 차수에서 세포외 및 세포내 저항을 반영한다.

원액 심근 저항에 대한 막 저항 기여는 세포외 및 세포내 저항과 비교하면 매우 작다. 예를 들어 정상적인 세포 부피 분획 (V_cell= 0.70-0.75)에서의 막 기여는 1 Hz,1 MHz 및 1 GHz 주파수에서 각각 O.1 %, O.O2 % 및 약 1×1O^-6% 이다.

상기 모델은 세포-세포간 상호작용에 기인한 전자기장의 변화를 고려하지 않은 것이라는 점이 강조되어야 한다. 낮은 주파수에서 막을 가로지르는 전자기장의 구배는 매우 크다. 이것은 주파수의 증가에 따라 감소하며, 이완 주파수 지역 (1-10MHz) 이후에는 무시할 정도가 된다, 이는 잘 알려진 현상인 자극 전류의 진폭은 주파수에 비례한다는 점과 일치한다. 외부적으로 적용된 전류에 의한 자극 (본 발명의 상세한 설명에 상세히 나타난 바와 같이)은,1O MHz 이상의 주파수에서 및 합당한 전류 진폭에서는 불가능하다는 점을 예측할 수 있다.

본 발명의 방법의 초기 상에서 접촉 탐침을 이용하면, 심근에서의 전자기장분포가 심근내로 탐침을 넣어서 사용하는 침습적 방법과는 침습적인 탐침의 어떤 형태에서보다 매우 다르다는 점을 지적하여야 한다. 본 발명의 모델의 체온에서 실험적으로 측정된 저항의 평균값을 이론적으로 예측할 수 있는 심근 저항의 평균 값과 비교하여 하기 표 2에 요약한다.

표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 정상적인 심근 저항의 실험적 측정값과 이론적 예측값은, 구 및 실린더 모델에서 세포 부피 분획이 0.7이라고 가정하였을 때 특히 마이크로파 주파수에서 합당하게 일치한다. LAD 폐색 2시간 후에 심근 저항의 증가를, 높은 주파수 및 낮은 주파수에서 측정한 값과 본 모델에 의하여 예측될 수 있는 값을 비교하여 표 3에 요약한다.

표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 심근 세포 모델은 부피 분획 가설에 근거한 급성 허혈에 있어서의 심근 저항 스펙트럼의 관찰된 변화를 적절하게 설명한다.

후술하는 바와 같이, 측정은 3주간의 만성 심근 경색의 경우에 있어서의 심근 유전 성질에 대하여 수행되었는데, 그 결과 관찰된 심근 저항율의 감소는, 세포막 이완 주파수보다 낮은 주파수 및 높은 주파수에 대하여 각각 약 30 % 및 10 %였다. 만성 동맥류에서의 근세포의 양이 콜라겐에 비하여 매우 적다는 점을 인지하고, 동맥류에서의 심근 세포 부피 분획이 0.2 에 이르기까지 감소된다고 가정하면 이론적인 계산은 하기와 같은 저항값을 가진다 :

구의 경우 Δρ [%] = 66% 이고, 실린더의 경우 Δρ_LF[%] = 68% 결국, 이러한 심근 세포 모델은, 정상적인 심근 저항의 스펙트럼에 대해서뿐만 아니라 부피 분획 가설에 근거한 급성 허혈 및 만성 경색에 있어서의 심근 저항의 스펙트럼에서의 관찰된 변화에 대해서도 합당한 질적인 설명을 부여한다.

이러한 이론은 정상적인 심근 원액 저항을 합당하게 예측한다. 두 개의 다른 스펙트럼 지역에서의 심근다발 저항율의 실험적인 측정값 및 E′는 상기 모델에 의하여 해석될 수 있다. 이는 상기 모델 변수 (세포내, 세포외 및 막 저항, 세포 부피 분획 및 세포 용량)를 실험적으로 측정된 원액 심근 저항율 및 유전 성질로부터 이론적으로 재구성하는 방식으로도 수행될 수 있다.

3. 개 실험의 검토

개에 관한 연구는 조직 유전 성질의 측정에 근거하여 심근 저항을 측정하고, 이 데이터로부터 심근 저항을 재구성하는 같은 측 탐침 방법을 이용하여 수행된다. 이용되는 탐침은 분문상부 (epicardium) 표면에 위치하며, 심근의 유전 성질을 측정하는데 사용된다. 본 발명의 방법의 단층촬영 영상 투시도로부터 본 발명의 방법으로 측정된 유전 성질과 재구성된 심근 저항이 단층촬영에 의해 재구성될 수 있는 것과 실질적으로 동일하다는 점 또한 중요하다. 두 가지 경우 모두 유전 성질을 결정하는 기본은 외부 전자기장과 조직과의 상호작용 및 산란된 (반사된) 전자기장의 측정이다. 그러므로, 탐침 방법에 의하여 수신되는 실험 데이터는 단층촬영 데이터를 해석하는데 직접 이용될 수 있다. 심근 속으로 들어가는 침습적 탐침방법에 의하여 얻어진 실험 데이터의 응용은 그다지 효율적이지 못하다.

상기 견치 연구는 세포막 이완 주파수보다 낮거나 높은 주파수 스팩트럼에서의 심근 E′와 저항의 변화에 초점이 맞추어져 있다. 이 이유는 주로 세포막의 이완 주파수보다 낮거나 높은 주파수에서 세포를 통과하고(통과하거나) 세포 주변을 흐르는 전류 흐름의 양상이 다르기 때문이다. 고주파수에 대한 유전율의 실제 부분 E′는 O.2 GHz 의 주파수에서 측정됨으로써 결정된다.

본 연구에 사용된 동물은 Institutional Animal Care 및 승인된 연구 프로토콜 사용 위원회의 동물이며 실험실 연구를 위한 NIH 기준 하에서 돌본 동물이다.

4개의 견치에 대하여 왼쪽 전하행 관상동맥 (LAD)을 2시간 동안 완전 폐색시켰다. 우선, 심근 유전 성질의 전체 스펙트럼 (이 경우에는 O.1MHz에서 6.0 MHz)이 측정되었다. 기준선 유전 측정 (0.2 에서 6.0 MHz) 15분 후에, 국소 심근 온도 및 유전 성질을 측정하고, 폐색 후 2시간 동안 혈류를 정지시켰다. 2시간 동안의 혈류정지가 끝날 때 폐색 전 스펙트럼 (whole spectrum) 측정을 반복하였다.

심근 유전 성질에 대해 만성 심근 경색이 미치는 영향을, 4개의 견치에 3주간 심근 경색을 일으킴으로써 조사하였다. 급성 실험에서와 동일한 마취 및 외과적 프로토콜이 수행되었다.

고주파수 (0.2 GHz 에서 6.0 GHz)에서의 유전 성질은 휴렛-패커드사의 네트워크 분석기 (HP model 8753C)를 이용하여 측정하였다. 저주파수 (50 kHz 에서 2MHz)에서의 유전 성질은 임피던스 측정을 위해 특별히 제작된 장치로 측정되었는데, 이는 전기 임피던스 단층촬영을 위한 상기 발명의 일부이다.

모든 값은 평균 ± 하나의 표준편차로 표현된다. 데이터는 스탯그래픽스 (Statgraphics) 버전 4.0/T-테스트 소프트웨어를 이용하여 분석하였다.

측정된 심근다발 저항에 대한 세포외, 세포내 및 막 저항의 기여는 세포 이완 주파수보다 높은 주파수 및 낮은 주파수 및 높은 주파수에서 매우 다르다. 급성 및 만성 경색에 있어서의 심근 유전 성질의 변화 또한 다를 것이라는 점을 예측할 수 있다. 급성 및 만성 경색에 있어서의 심근 저항의 변화는 세포막 이완 주파수보다 낮은 주파수 (도 22) 및 높은 주파수 (도 23)에 대한 것으로 요약된다.

높은 주파수에서 세포막은 반드시 ″침습적″이며, 재구성된 이온 전도율은 부분 세포 부피 분획에 의하여 영향을 받는 특정 비율로서 세포내 및 세포외 전도율 모두를 반영한다. 낮은 주파수에서 측정된 저항은 대부분 세포외 공간의 이온 전도성을 반영하는데, 이것의 주된 이유는 막 전도율이 비교적 낮기 때문이다. 예상대로 저주파수 및 고주파수에서의 변화는 같은 방향이나 크기는 다르다. 급성 허혈에 있어서, 심근 저항은 저주파수 및 고주파수 각각에 대하여 약 42 % 및 14 %까지 유의성 있게 (Sign. Lev. 0.02 및 0.01) 증가하였다. 3주 만성 심근 경색은 낮은 주파수 및 높은 주파수에 대하여 원액 저항을 30 % 및 10 %까지 감소시켰다.

관측된 심근 저항의 변화는 세포 부피 분획 가설에 기초하여 설명될 수 있다. 심근 저항이 급성 허혈을 증가시킨다는 점은 잘 알려져 있다. 본 실험에서는 관상혈류 정지후에 심근다발 저항이 거의 동시에 증가하는 현상이 관찰되었다. 선행 연구자들은 관상혈류 정지가 거의 즉각적인 세포외 저항을 증가시키는 결과를 가져오지만, 이는 혈관내 부피의 감소로부터 기인하는 것이라는 점을 밝혔다. 이러한 가설에 근거하면, 관찰된 심근 저항의 변화를 이해할 수 있다. 실제로, 본 발명자들에 의한 탐침 방법에 의한 저주파수 측정의 경우 원액 심근 저항은 대부분 세포외 저항을 반영하며, 같은 순서로 측정된 심근다발 저항이 세포외 및 세포내 저항을 모두 반영하는 고주파수 측정의 경우에 비교하면 훨씬 높은 변화가 관찰되었다. 3주 만성 심근 경색에서 관찰된 심근 저항 변화은 세포 부피 분획의 감소로 설명될 수 있다.

급성 및 만성 심근 경색에서 E′는 저주파수에서 감소한다 (도 24). E′감소는 만성의 경우에 52 %까지로 매우 크게 감소한다. 고주파수에서의 E′변화를 도 25에 나타낸다. 급성 허혈 고주파수에서 E′는 다른 주파수에서 다른 양으로 및 동적으로 감소한다. 만성 허혈 고주파수에서 E′는 증가한다.

본 발명자들은 저주파수에서 관찰된 E′변화가 심근 세포막 희석을 반영한다는 가설을 세웠다. 고주파수에서 관찰된 E′ 변화는 세포막 희석, 물이 없는 조직 또는 물과 결합된 조성 및 단백질 재구성화를 포함하는 현상의 복작함을 반영한다. 이러한 실험 데이터는 급성 및 만성 심근 경색이 세포막 이완 스펙트럼에서 심근 유전 성질의 유의한 변화를 일으킨다는 것을 증명해준다. 심근 유전 성질의 관찰된 변화는 생물물리적 현상의 넓은 스펙트럼을 반영한다. 실제 시간 다중 주파수 환경에서 상기 변화를 평가할 필요성은 소중한 정보를 사용할 수 있도록 하는데 매우 중요하다.

이러한 현상의 추가 실험 증거를 하기 도면에 나타낸다. 도 26은 LAD 폐색-재관류에 의해 수반되는 심근 유전 성질의 변화를 나타낸다. 이 도면에서 조직은 시간 0에서 정상인 것으로 추정되고, 그런 다음 영구히 손상되었다기 보다는 단지 허혈성이 있는 것이다. 도 27은 혈류 감소를 경험한 10개의 견치에 대하여 다른 주파수에서 측정한 유전 성질의 감도를 나타낸 것이다. 이 또한 E″의 낮은 주파수 감도를 나타내고 있다. 도 28은 다중 주파수를 거치면서 시간 0에서 E′의 예비-폐색 (대조군) 및 폐색의 상대적인 변화를 나타낸다. 도 29는 도 28과 유사한 조건에서 E″의 예비-폐색 (대조군) 및 폐색의 상대적인 변화를 나타낸다.

도 30에서는, E″에 대한 심근 유전 성질의 변화가 0.2 GHz 주파수에 의해 감지된 100 % 폐색으로 나타난다. 이는 세포 수준에서 일어날 수 있는 극적이고 명백한 비가역적인 변화를 나타낸다. 이러한 감지 방식은 핵 자기 공명과 같은 다른 기술에 의한 실제 시간 베이스에서는 유용하지 못하다. 도 31은 100 % LAD 폐색을 수반하는 심근 성질을 E″라기 보다는 E′로 나타내고 있다. 나타난 바와 같이, 가장 극적인 변화는 폐색후 30-40분 안에 일어나는데, 이는 또한 대부분의 변화가 가역적인 것으로부터 비가역적인 것으로 진전되는 기간이다. 예를 들어, 같은 E′를 6.0 GHz 의 주파수에서의 경우를 도 32에 나타내는데, 여기에서 기준선 레벨로 돌아오지 않는 변화, 즉 심근에서 발생한 비가역적인 변화를 볼 수 있다.

결국 도 33에서는 6.0 GHz 에서의 E″값이 시간이 경과하면 기준선으로 거의 돌아가는 것을 관찰할 수 있다. 본 발명과 그에 관련된 모델링 기술을 통하여 다른 형태의 심근 변화의 내습을 구별하고 예상할 수 있는 능력이 본 발명의 이점이다.

정확한 생물물리적 재구성을 위한 모델을 만드는데 있어서는 허혈성 심근 및 정상 심근간 (도 34-35), 흉터가 있는 심근 및 정상 심근간 (도 36), 및 섬유성연축 또는 국소 빈혈이 일어나는지의 여부를 가리키는 마커들간 (도 37)의 표준화된 차이를 분석하는 것이 도움이 된다. 이러한 방식으로 본 발명자들은 의사들이 가능한 치료 경로를 선택하는데 도움을 줄 수 있는 특정한 패턴 또는 구배를 부여하는 감지 알고리즘을 창작할 수 있다. 본 발명은 또한 위험한 부정맥을 야기할 수 있는 경색 지역을 지역화하고 표시하는데 유용하다. 실제로 도 38에 나타난 바와 같이 본 발명의 유전 성질에 대한 다중 주파수 조직 실험은 다양한 세포 현상을 효과적으로 모델링할 수 있는 E′및 E″를 재구성할 수 있도록 한다. 이는 조직 현상 (tissue event) 및 조직이 더 심하게 위험하게 될 가능성이 있는 이후의 시간을 훨씬 용이하게 결정할 수 있게 해준다. 예를 들어, 이는 조직 전기적 생존력의 예측을 향상시키기 위하여 흉터 조직 대(:) 허혈성 조직의 영역을 분리시키는 것을 도와준다.

4. 공간 향상 및 재구성 알고리즘

전술한 본 시스템 및 이 시스템의 다양한 가능성은 실재 조직뿐 아니라 상물질(phantom object)을 영상화하는데 유용하다. 이러한 조직은 도 39-41에 나타난 바와 같이 박동 및 비박동 심장 재구성을 포함하였다. 본 발명의 시스템을 이용한 공간 및 대비 분석을 수많은 안테나, 수학적 재구성 알고리즘, 및 3차원 산란대상을 위한 2차원 회절 모델에 의해 영향을 받는다. 영상의 질에 영향을 미치는 추가 요소는 산란된 장 측정의 정확성, 유전 대비 및 기타 다양한 것들이 있다.

다양한 개선점들이 밝혀져 있지만, 예를 들어 도 42-47의 겔상의 반복에서도 나타난 바와 같이 본 시스템의 전체적인 개선점은 다중적인 고주파수 및 저주파수의 조합, 예외적인 생물물리적 모델링과 재구성, 및 시스템 진행 이득들과 연관되어 있다.

상기의 식별자가 없습니다.

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Claims (4)

1. a) 전자기 조사를 위한 목표 조직 영역을 선정하는 단계;

   b) 선정된 목표 조직의 이완 주파수 보다 높은 주파수 및 낮은 주파수에서 선정된 목표 조직의 예상되는 조직 유전 값 (dielectric value)을 결정하는 단계;

   c) 복수의 송신기-수신기 부위 (emmitter-receiver locations)로 구성되는 송신 수단, 복수의 송신기-수신기 부위로 구성되는 수신 수단 및 신호 분석 수단을 가지는 다중 주파수 방사선 송신 및 수신 시스템을 제공하는 단계;

   d) 목표 조직 영역에 복수의 송신기-수신기 부위로부터 송신되는 다중 주파수 방사선을 조사하는 단계;

   e) 마이크로파 수신 수단을 이용하여, 조사된 목표 조직 영역으로부터 방사선을 수신하는 단계; 및

   f) 신호 분석 수단을 이용하여 수신된 방사선을 분석하여 관측된 조직 유전값을 얻고, 목표 조직에 가장 좋은 영향을 미치는 바람직한 주파수의 범위에서 관측된 조직 유전 값을 예상되는 조직 유전값과 비교하여 조직 병의 내습을 표시하는 목표 조직의 생리학적 상태의 변화를 결정하는 단계로 이루어지는 생물학적 조직병의 내습을 탐지하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 다중 주파수 방사선은 10O kHz 에서 6 GHz의 범위내인 것을 특징으로 하는 생물학적 조직 병의 내습을 탐지하는 방법.
3. a) 조사를 위한 목표 심장 조직 영역을 선정하는 단계;

   b) 선정된 심장 조직 영역의 예상되는 심장 조직 유전 값을 결정하는 단계;

   c) 복수의 송신기-수신기 부위 (emmitter-receiver locations)로 구성되는 방사선 송신 수단, 복수의 송신기-수신기 부위로 구성되는 방사선 수신 수단 및 방사선 분석 수단을 가지는 다중 주파수 방사선 송신 및 수신 시스템을 제공하는 단계;

   d) 목표 심장 조직 영역에 복수의 송신기-수신기 부위로부터 송신되는 다중 주파수 방사선을 조사하는 단계;

   e) 방사선 수신 수단을 이용하여, 조사된 목표 심장 조직 영역으로부터 방사선을 수신하는 단계;

   f) 방사선 분석 수단을 이용하여 수신된 방사선을 분석하여 관측된 조직 유전 값을 얻고, 관측된 조직 유전 값을 예상되는 조직 유전값과 비교하여 선정된 목표 조직 영역내 조직의 생리학적 상태를 결정하는 단계; 분석 및 비교는 조직 영역들간 또는 조직 생리적 상태들간의 유전 대비 대표값으로 작용하는 E*계산을 이용하는데, 여기서 E* = E□ + iε″이고, E□ 및 ε″는 측정된 유전율 및 유전 손실 값이며, i 는 허수를 나타낸다; 및

   g) 조직의 다른 생리학적 상태를 인지할 수 있도록 조사된 목표 심장 조직의 표시를 표시 수단 위에 나타내는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조직의 다른 생리학적 상태를 국소화시키기 위한, 심장 조직의 신속한 비침습적 지도화의 단층촬영 분광학적 방법.
4. 제 3항에 있어서, 분석 및 비교 단계는, 측정된 방사선의 변화에 근거한 조직의 단층촬영 생물물리 상을 재구성 (reconstruct)하기 위하여 하기의 단계로 이루어지는 역전 문제 (reverse problem) 해결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 심장 조직의 신속한 비침습적 맵핑의 단층촬영 분광학적 방법 :

   a) 기능적 구성 성분을 결정하는 단계;

   b) 수학적 재구성 계산의 진행 속도를 증가시키는데 유용한 구배 구성 성분을 제공하기 위하여 기능적 구성 성분의 유도값을 계산하는 단계;

   c) 최소화 변수 τ를 계산하는 단계; 및

   d) E* 계산을 수행하는 단계.