CN1261259A - 电子成像和治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波层析成像设备(10),该设备包括一个单频三维微波层析成像系统,协同一个单频三维电子阻抗层析成像系统,能对整个生物体成像。使用一束天线(16)和收发器提供整合在一维微波层析成像系统中的MWT和ETT。

Description

电磁成像和治疗系统

本发明涉及一种电磁成像和治疗(EMIT)系统。特别地，本发明是关于一种仪器和方法，在其中构成优选与低频率微波协同的多频率微波，产生多源在外部聚焦的微波用于组织切除。本发明包括几种版本的基频水平不同的EMIT系统。此外，本发明还包括一个执行软件的计算机，该软件特意配置和编制到有一个成像和三维层析成像接口的EMIT系统中。

微波层析成像是一项相对新的技术，在医疗和相关行业有巨大的应用潜力。特别地，基于组织介电特性的差异，这项技术在应用到内部、非侵入式的、实时成像组织和器官的生理特性方面变得明显成熟和实用。

现有微波层析成像技术通过检测在微波束遇到物体后物体对微波束的作用，利用微波照射给一个物体成像。在反射的微波中由于这一遭遇影响的改变取决于成像物体的组织介电常数和传导性。特别地，对于给定的微波频率，反射微波回波的可观察改变表示成像组织的一个特定信号。

微波是超高到极高频率无线电波，波长很短，范围从约130厘米下至一毫米的几分之几。频率范围在0.1千兆赫(GHZ)到3000GHZ。目前用作生物组织微波成像的的微波范围在0.5到3GHZ。然而，也可以使用其它的微波范围。选择范围的决定因素是照射应是非电离的，以防止破坏组织成分或细胞。因此，当决定一个可相容的频率范围时，应当考虑生物物理参数。

现有技术利用两种主要的微波成像技术。第一种是静态显像，它基于与物体相互作用后测定微波照射的绝对介电常数形成图象。第二种是动态成像，它是基于在微波照射入射时物体中发生的介电常数的变化形成的。后一种形式的成像在生物组织成像应用中非常有用，用来监测正在进行的生理变化。静态和动态成像技术需要主动的成像步骤，其中微波扫描器使用移动或扫描入射照射，并基于与要成像的物体的相互作用检测微波照射的变化。

使用动态成像，图象是基于从几个数据组记录的衍射区中的差异重显的，这几个数据组是用一个变化的介电参比从身体获取的。然而，在较大身体中的内部成像会引起清晰度的问题，这限制了动态成像的应用和范围。本发明，包括与此有关的附加说明，通过结合生物物理、计算机软件和微波层析成像技术，比现有技术有显著的进步，能提供更高清晰度的图像。

本发明结合并执行生物物理、算法/计算机和微波层析成像设备和方法以提供一个三维层析成像系统。具体地说，本发明包括一种用于医疗生理层析成像的新方法和系统，其中一个单频三维微波层析成像系统(3DMWT)与一个单频三维电子阻抗层析成像系统(3DEIT)结合，能够对整个生物体例如人体躯干成像。

特别地，本发明基于组织的介电特性差异，提供一种在内部、非侵入式的、实时成像组织和器官的生理特性和临时变化的方法。例如使用本发明已经表明，心肌的介电特性是其生理状况，包括局部血液供应、局部缺血、梗塞的灵敏指示器。心肌介电特性的变化程度提供了足够的数据，用于微波层析成像重显。更具体地说，本发明包括一种具有许多微波频率(微波波谱)和一个频率(约0.2MHZ)低于细胞膜舒张的频率的EMIT系统。本发明的频率组成使得能够估计组织的生物物理参数如细胞体积分数、胞内和膜电阻率、细胞膜的电容、组织自由水和结合水含量以及组织温度。应当注意到信息不仅对心脏病学是很关键，而且对其它医学分支，尤其是肿瘤学、沁尿学、神经病学和(初步信息)HIV研究也是很关键的。

而且，本发明提供数学模型和计算机执行的算法，用于构造迄今为止还无法得到的大量重显的清晰结构图像，描述在物体内介电特性的精确分布。

进而，本发明提供一种治疗设备，该设备通过电磁能量聚焦使组织内部局部过热。

附图简述

图1是3D层析成像系统的全图。

图2是3D层析成像系统的主要组件的示意图。

图3是显示单窗菜单的MW补丁的屏幕。

图4是显示MW补丁校准菜单的屏幕。

图5是显示一个4窗口菜单的MW补丁的屏幕。

本发明提供一种三维微波层析成像系统，该系统与一个三维电子阻抗层析成像系统结合。特别地，本发明包括包括一个单频三维微波层析成像系统，该系统与一个三维电子阻抗层析成像系统结合，能对整个生物体例如，人体躯干或其一部分成像。本发明的说明书提供了理论和实验值，表明了本发明比现有技术多的一些优点和进步在医学诊断和治疗上是可以利用的。

本发明企图用一种分阶段的方法，其中运行第一代EMIT系统有可能升级到第二代系统。第一代的区别在于它有两个有下列特性的系统(a)多频微波光谱层析成像0.2-6GHZ，和(b)一个有单低频(200KHZ)的单微波频率(0.8到1GHZ)。第二代包括三个系统，具有以下辨别特性：(a)多频微波光谱层析成像0.2-6GHZ，和(b)一个约200KHZ低频和(c)多源外部聚焦的微波用以组织切除(60℃)。

进而，本发明提供独特的算法和软件，能够从EMIT系统产生非常精确的图像。尤其是，算法能够从微波层析成像进行图像重显。由于在X-线层析成像构造中使用的线性光学近似不易与微波层析成像相适应，这主要是因为电磁波在生物介质的传播包括衍射和干扰现象，所以需要发展能解开Maxwell方程或其标量近似的特殊算法。本发明提供算法模型和软件程序以解决这些方程，并使图像如需要的那样重显。模型种类、假设、局限性和相关的数学假定的细节在下列文件中已经讨论，这些文件是于1997年7月4日申请的序列号08/896,525同时待审未决的申请(在如于1997年7月5日申请的08/96,526这样的一些文件中已经指出)、1997年5月23日申请的60/047,604和08/250,762,即现在的美国专利5,715,819，转让给记录在案的受让人，并在此作为参考。

本发明提供整合在一个三维微波层析成像系统的MWT和EIT。这一系统能检测大的生物体。本发明的设备和方法在本领域提供了迄今为止不知的和不能做到的进步和优点。尤其是，发明使一个完全非侵入式的层析成像系统操作。通常，在微波区“光子”的能量足够小，能避免在X-线层析成像中遇到的离子化效应。进而，所有的体内成像层析成像系统是基于组织特性的差异。例如，在X-线层析成像组织是基于密度的不同。然而组织密度并不总取决于组织的生理状态。重要的组织特性例如温度、血液含量、血液的氧合作用、局部缺血、梗塞用X-线层析成像不能分出差异。如在这里引用作为参考的同时待审未决的申请公开的那样，可以通过组织的介电值e’和细胞体积分数描述组织的特性。

一般地，使用常规的方法例如X-线或NMR层析成像能被容易地重显物体的解剖结构。然而，却不能从X-线和NMR层析成像之一或二者可靠地接受组织的生理状态信息。在有效结合这些工具中有显著的局限。首先，在NMR技术中信息主要反映核的状态，因为它涉及核在外部场的共振。其二，对于生理成像NMR需要长的采集时间。克服这些局限需要非常高的能量和均一磁场，这除了造成操作和设计相关的技术限制，还对患者造成危险。

本发明提供一种实时从一些窗口同时检查物体方法。参照图1和2，示出了一个3D层析成像系统10的方框示意图。该系统包括测试室12、全局控制单元14和天线束16。每束包括MW天线18、MW收发器20、EI电极22、EI收发器24、DAS(数据采集系统)26，和电源28。最好将天线束可调地安装在精确定位系统29上。系统10还包括在数据通讯中的主计算机30。

将要调研的物体放在测试室12中，注入有不同介电特性的溶液。测试室12包括温度、液位、患者ECG和其它相关的传感器。全局控制单元14控制系统的功能并产生和分配同步信号。MW天线18和EI电极22都整合到天线束16中，并用于辐射和接收信号。除了提供对信道分配网络控制外，天线束16包含用于MW收发器20和EI收发器24的低噪声放大器和输出分级放大器。MW收发器20和EI收发器24放大、调制和转化多重信号。数据采集系统26协同主计算机30和LAN32用于采样、过滤和处理信号。

参照图3-5图解了一个多信道多频微波补丁系统。微波补丁系统是用于为生物组织表面微波成像的设备。一般地，现存补丁系统局限于单信道并习惯于利用同轴探头和网络分析器测定介电特性。这些测量既不精确也不能足够精确到能给出精确读数。与之形成鲜明的对比，本发明提供了一个补丁系统，能实时以高精确水平执行多信道复反射系数的测量。本发明的补丁系统包括一个非侵入式的体外测定程序，该系统有从0.1GHz到5GHz的6个转换频率。系统还能实时测量和显像。另外，与现有技术领域的补丁系统不同，校准不需精确的微波设备。主计算机30优选使用RS-485接口或相当于RS-485的接口控制，并执行码分技术以增强数据采集的速度。

因此，图3描述单窗菜单的MW补丁屏幕显示的一个例子。菜单栏包括编档、查看、校准、测试、窗口和帮助栏。也可以对多种频率和查看选项进行选择。例如，图3的屏幕显示表示IM eps频率在1960MHz，分布在16个信道上。

图4示出了校准的屏幕显示例子，这样对于给定的频率基质/介质或阻抗就被校准。菜单栏包括频率选择选项和查看选项。可以对所有信道、一个或多于一个信道进行校准。

图5示出的是4窗口MW补丁屏幕显示的例子。这一安排使人能登记各种频率的读数和各个信道的读数。

如图1-2所示，3D层析成像系统10包括微波发生器、包括控制处理器的数据采集系统26。另外，以天线束16的方式排列的有源天线和能沿预置坐标移动天线束16的精确定位系统被构成为能够选择查看物体和进行检测。天线束16能沿预置轴排列，并被数字信号处理器控制以同时获得32散射图样。优选使用垂直偏振的电磁波，所有的发送器天线同时照射物体进行研究。同时照射导致接收器中的电磁场叠加。代码分割方法用于从多信号重建所需的散射图。数据采集系统26进行采样和筛选过滤功能，并执行码分技术处理从接收器来的多重信号，并分配来自天线束18的任何一个天线的散射场值(振幅和相位)。

本发明的一些显著的优点包括协同一个精确定位系统的矢量场测量能力。而且，执行码分技术用于模拟和并行测量。构成的接收天线的数量要足够用于因介电不均匀性和与入射场干扰产生的散射引起的高场振动。对于精确测定散射信号的相位，在接收天线结构、数量和定向的考虑是很关键的。同样地，发射器的数量应足以在反矩阵中用于精确测定矩阵。

因此，本发明有利地把单频三维微波层析成像系统与三维电子阻抗层析成像系统结合起来对物体成像。该系统在生理成像方面，尤其当应用于医学诊断和治疗时非常有用。

已经表示和描述了本发明优选的实施方案，其可以进行的改变、变化和修改对本领域技术人员来说将是很明显的，而这并不偏离本发明的较主要的方面。

Claims (5)

1.一种微波层析成像设备，具有一个单频三维微波层析成像系统，协同一个单频三维电子阻抗层析成像系统，能对整个生物体成像。其特征在于该设备包括：

至少一个MW-天线，该天线连接到至少一个EI-电极上形成天线束；

至少一个MW-收发器，该收发器连接到至少一个EI-收发器上形成收发器束；

一个数据采集系统，该系统具有所述天线束和所述收发器束的数据和电子通讯；

一个全局控制单元；和

一个主计算机，

所述天线束和所述收发器束处于电子通讯，而且与全局控制单元和所述主计算机有电子通讯。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述天线束和所述收发器束与可操作的移动式定位结构整合，以精确定位所述天线和所述收发器在所述生物体附近，并在那里照射和接受信号。

3.一种在一种微波层析成像设备中执行的代码分割软件方法，该微波层析成像设备具有一个单频三维微波层析成像系统，协同一个单频三维电子阻抗层析成像系统，能对整个生物体成像，其特征在于该方法包括：

从许多信号采集散射图数据的方法；

采样和筛选方法；和

赋值方法；

所述采集方法是一个数据采集系统，该系统具有在其中合并的所述采样方法和所述赋值方法，以执行所述代码分割软件。

4.一种在一种微波层析成像设备中执行生物系统表面成像的微波补丁系统，该微波层析成像设备具有一个单频三维微波层析成像系统，协同一个单频三维电子阻抗层析成像系统，能对整个生物体成像。其特征在于该补丁系统包括：

显示多信道数据的方法；

包括编档、查看、校准、测试和显示的许多菜单栏；和

所述多信道数据和所述菜单栏在至少一个窗口屏上是可显示的。

5.根据权利要求4所述的微波补丁系统，其特征在于多信道数据与实时测量的反射系数有关。

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