(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
規定の容積又は領域内に既定の電磁界分布を生成するシステムであって、マルチチャネル高周波電源又はマイクロ波電源（１８）と、前記マルチチャネル高周波電源又はマイクロ波電源（１８）に接続された電磁界生成要素（２６）のアレイ（１９）と、前記電磁界生成要素（２６）によって生成される電磁界の重畳によって前記規定の容積内に前記既定の電磁界分布が生成されるように前記高周波電源又はマイクロ波電源（１８）を制御して前記電磁界生成要素（２６）の各々によって生成される望ましい電磁界を実現するためのフィードバックコントローラ（２７）と、を有し、前記フィードバックコントローラ（２７）へのフィードバックは、前記電磁界生成要素（２６）のそれぞれによって生成される前記電磁界の振幅及び位相である、システムであって、
電流センサ又は電場、磁場、若しくは電磁場センサ（４）が、前記電磁界生成要素（２６）の励起を直接的に判定することにより、前記電磁界生成要素（２６）のそれぞれによって生成される前記電磁界の振幅及び位相を間接的に検知するために、前記電磁界生成要素（２６）の各々に統合されており、
前記システムは、複数の計測装置（２０）を更に備え、前記計測装置（２０）の各々は、少なくとも１つの対応する前記センサ（４）からの信号の振幅及び位相を判定することにより、対応する前記電磁界生成要素（２６）によって生成される電磁界を出力するために、少なくとも一つの対応するセンサ（４）に対して相互接続されかつ前記少なくとも一つの対応するセンサ（４）を一体的に有する対応する電磁界生成要素（２６）に対して信号接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記電磁界生成要素（２６）は、導体又はスロットに基づくアンテナ要素（２）又はコイルである請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記マルチチャネル高周波電源（１８）には、振幅及び位相（８）を個別に制御して個別に制御された高周波出力（１１）を生成するための制御手段が設けられる請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電磁界生成要素（２６）の各々には、前記マルチチャネル高周波電源（１８）の出力（１１）が印加される供給ポート（３）と、金属要素内を流れる電流の又は前記金属要素内の前記電流に類似したスロットに基づいたアンテナ要素（２）内の電磁界の位相及び
振幅を計測するための前記統合されたセンサ（４）が設けられており、前記センサ（４）の出力は、前記電流又は電磁界の尺度である電気信号である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記電磁界生成要素（２６）は、各電磁界生成要素（２６）を前記高周波電源（１８）の１つのチャネルの高周波パワーの出力（１１）によって励起され得るように、且つ、前記電磁界生成要素（２６）の前記統合されたセンサ（４）からの電気信号が各アンテナ要素（２）内の高周波の電流に比例するように又は、スロットに基づくアンテナ要素（２）の場合の電磁界に比例するように、アレイ（１９）の構成内に位置している請求項２又は４に記載のシステム。
【請求項６】
前記統合されたセンサ（４）を有する前記電磁界生成要素（２６）は、要素間の相互結合が存在する状況において対応する前記電磁界生成要素（２６）によって生成される前記電磁界の相対的な振幅及び位相の直接的な表示を提供することにより、相互結合が存在する状況において印加された電磁界の制御を提供する請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記計測装置（２０）は、同相／直交（ＩＱ）復調器（１４）又はベクトルボルトメータであり、計測された電気信号に較正係数を乗算することにより、それぞれの個々の電磁界生成要素（２６）によって生成される前記電磁界の定量化を提供する請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記電磁界生成要素（２６）の各々は、前記計測装置（２０）のうちの対応する計測装置（２０）と統合されて統合モジュールを形成し、これにより各統合モジュールに個々のＩＤ又は連番を提供することによって較正データをシームレスに前記電磁界生成要素（２６）の各々に割り当てることができ、前記統合モジュールは、迅速な修理、サービス、又はその両方を可能にするために交換してもよく、且つ、これにより、個々のＩＤは、異なるハードウェアの自動的な検出及び較正データの割当を提供する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記フィードバックコントローラ（２７）は、前記センサ（４）によって検知されると共に前記計測装置（２０）によって計測される電磁界生成要素（２６）の電流又はスロットに基づいたアンテナ要素（２）の場合の電磁界が望ましい電流又は電磁界となるように、前記マルチチャネル高周波電源（１８）のそれぞれの個々のチャネルの振幅及び位相（８）の調節を可能にする請求項２，４，５及び６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
原子、分子、又は細胞構造を励起するために、或いは、１つ又は複数の物体内において又は１つ又は複数の誘電物体内の１つ又は複数の領域内において温度を上昇させるために、高周波エネルギーを前記１つ又は複数の誘電物体内に又は前記１つ又は複数の誘電物体の１つ又は複数の領域内に合焦するように適合されている請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記フィードバックコントローラ（２７）は、相互結合及び不整合に関する明示的な知識と、これらに基づいた計算とを伴うことなしに、前記電磁界生成要素（２６）の間の前記相互結合及びこれらの不整合を補正するように構成される請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムが、相互結合された反射励起を含む各アンテナ要素（２）における全高周波の励起電流に比例する、前記電磁界生成要素（２６）の前記統合されたセンサ（４）からの前記電気信号により、誘電体の物体若しくは金属の物体の存在に起因した相互結合及び不整合の変化、又は誘電体の物体若しくは金属の物体の位置の変化に起因した相互結合及び不整合の変化を補正する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムが、前記マルチチャネル高周波電源（１８）の単一チャネルによる前記電磁界生成要素（２６）の各々の励起により順に、且つ、結合行列を判定するための前記統合された全てのセンサ（４）から前記計測装置（２０）のすべてによって計測された前記電流又は電磁界を使用することにより、前記電磁界生成要素（２６）のアレイ（１９）の結合行列の観点において表された相互結合及び不整合を直接的に判定するように構成されている請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムが、前記結合行列を使用して前記マルチチャネル高周波電源（１８）の高周波出力（１１）の初期振幅及び位相を算出し、且つ、前記電磁界生成要素（２６）と一体である前記電流又は電磁界センサ（４）からの計測システム（２０）によって計測された前記電流又は電磁界を算出するように構成され、前記システムを微細チューニングし、前記電磁界生成要素（２６）内の前記望ましい電流又は電磁界を提供するように前記フィードバックコントローラ（２７）を使用するように構成されている請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記マルチチャネル高周波電源（１８）からの各高周波出力（１１）は前記電磁界生成要素（２６）のうちの何れか一つに接続可能であり、前記システムは、前記マルチチャネル高周波電源（１８）のうちいずれの高周波出力がいずれの電磁界生成要素（２６）に接続されているのかを判定すると共に、高周波出力（１１）と電磁界生成要素（２６）の間の正しいマッピングを規定するために前記統合された電流又は電磁界センサ（４）を使用するように構成されている請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間内の特定の領域に特定の電磁界状態を生成するシステム又は改善された制御を伴って電磁エネルギーを誘電物体内に合焦するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の電磁界状態を生成する能力は、撮像から治療にまで及ぶ多数の医療用途における核心的な要件である。本発明は、これらの分野の両方における、並びに、通信及び検知用途に利用されるフェーズドアレイ技術における、用途を有する。
【０００３】
本発明の１つの用途は、温熱療法を目的とした人体内の特定の場所における特定の電磁界状態の生成である。
アメリカ国立衛生研究所の国立癌研究所は、温熱療法（熱療法又は加温療法とも呼称される）を身体組織に高温（最高で４５℃）を適用する１つのタイプの癌治療法として規定している。高温は、癌細胞を損傷させ、且つ、殺すことが可能であり、正常な組織に対する損傷は、通常、最小限であることが研究によって明らかになっている。癌細胞を殺し、且つ、細胞内の蛋白質及び構造を損傷させることにより、温熱療法は、腫瘍を収縮させることができる。
【０００４】
本発明は、熱を腫瘍などの小さな領域に加える局所的温熱療法に関する。様々な技法を使用し、エネルギーを供給して腫瘍を加熱することができる。本発明の文脈においては、マイクロ波又は高周波を利用して熱を加えてもよい。腫瘍の場所に応じて、局所的温熱療法に対する幾つかのアプローチが存在している。本発明の場合には、外部的なアプローチを利用して腫瘍を治療しており、アプリケータによってエネルギーを印加している。アプリケータは、適切な領域の周りに又は近傍に配置された多数の要素から構成されており、且つ、フェーズドアレイ法を使用してエネルギーを腫瘍上に合焦することにより、その温度を上昇させている。
【０００５】
しばしば、温熱療法は、放射線療法や化学療法などのその他の治療法との組合せにおいて適用されている。温熱療法は、肉腫、黒色腫、並びに、頭部及び首、脳、肺、食道、胸部、膀胱、直腸、肝臓、虫垂、子宮頸管、及び腹膜内面（中皮腫）の癌を含む多数のタイプの癌の治療の一部として実行されている。
【０００６】
フェーズドアレイアンテナは、多数の小さな放射要素から構成されており、各放射要素は、その独自の供給地点を有する。フェーズドアレイアンテナは、電気的に操向可能であり、これは、物理的なアンテナを静止状態に維持しつつ、特定の領域に向かって合焦されるように、或いは、空間内における物体の検出が可能となるように、各要素の振幅の重み及び位相を調節することにより、アンテナパターンを操作することができることを意味している。又、フェーズドアレイは、誘電物体又は患者内部のターゲット領域の温度を上昇させるべく、或いは、患者内に電磁界及び電流を誘発して、原子、神経、又はその他の細胞メカニズムを励起するべく、空間内の特定の場所に特定の電磁界状態を生成するように又は高周波（ＲＦ）エネルギーを誘電物体内に合焦するように、利用することもできる。
【０００７】
フェーズドアレイは、温度が上昇するようにＲＦエネルギーを患者内に合焦することにより、温熱療法に使用することができる。この目的にフェーズドアレイを使用する際には、フェーズドアレイがエネルギーを患者に印加していることから、フェーズドアレイは、アプリケータと呼ばれる。フェーズドアレイ又はアプリケータ要素は、マルチチャネルＲＦ又はマイクロ波電源からの供給を受けており、この場合に、位相及び振幅信号は、ＲＦ又はマイクロ波エネルギーをターゲット領域又は腫瘍内に合焦することができるように、敏速である。アレイ要素の数とターゲット領域との関係におけるこれらの要素の配置により、実現可能な焦点の品質が規定される。
【０００８】
ＲＦ温熱療法の代表例を使用して本発明の利益を例示することとする。過去においては、腫瘍の温熱療法による治療のために、多数のシステムが、単独で、又はその他の療法との関連において、提案及び使用されているが、一般に、治療の一貫性及び品質が欠如した状態にある。局所的温熱療法において最も重要なものは、アプリケータからのエネルギーをターゲット領域、組織、又は腫瘍内に印加又は合焦する能力である。満足のゆく治療結果を実現するためには、ターゲット領域全体を十分に加熱する必要がある。これを保証するために、良好な電磁アプリケータ及び患者固有のモデルを使用して治療を計画及び最適化することが最も好ましい。このようなエネルギーの印加状況、温度の上昇、又はその両方を正確に予測すると共にこれを最良の腫瘍治療のために最適化するステップが、温熱療法システムには、従来、欠如しており、従って、不良な結果に結び付いている。治療計画から判定された励起の振幅及び位相を伴ってＲＦ又はマイクロ波が温熱療法アレイに印加される治療の際には、品質保証の観点から、計画された正しい治療が実際に適用されていることを判定するために各要素によって生成される電磁界を監視することが不可欠である。
【０００９】
個々の電磁界生成要素に供給されるように正確に制御可能な振幅及び位相を有する強力な信号を生成可能なマルチチャネル供給源に対する要件は、すべてのフェーズドアレイアンテナ又は温熱療法アプリケータに共通している。これらの信号を生成するために使用される方法は、本発明にとって重要ではない。
【００１０】
マルチ要素又はフェーズドアレイアプリケータは、一般に、患者の界面において表面の冷却と相対的に小さな反射を提供するように、患者とアレイとの間の空間が水ボーラスによって充填された状態で、アレイの要素を患者の周りに配設している。特許文献１、特許文献２、及び特許文献３は、いずれも、代表的なフェーズドアレイアプリケータを示している。それぞれは、患者の周りの円形のアレイとして配設された要素を有しており、個々のアンテナ要素（又は、特許文献１の場合には、要素のペア）は、制御された振幅及び位相を有するＲＦ電源によって励起されている。これらのシステムは、いずれも、実際の印加された信号を、或いは、有効な放射パワーを低減することになる反射されたパワーを、計測してはいない。従って、これらの要因が不確定性を増大させる。特許文献２及び特許文献３においては、電磁界センサを患者の身体内又はその周りに配置してそれらの地点において印加された電磁界の全体を計測しており、且つ、これらのセンサからの値を使用することにより、エネルギーがターゲット内に合焦されるように、アレイの励起を制御することができると主張している。特許文献１は、異なる方法を使用しており、この場合には、温度計測カテーテルを患者内に挿入し、且つ、ターゲット領域内において温度の上昇を極大化させるようにシステムを制御している。いずれの方法の場合にも、欠点は、人体が非常に不均一であり、且つ、アレイの印加された励起とエネルギー印加パターンの間に直観的な関係が存在していないという点にある。本質的に、これらの方法は、数か所の地点における電磁界又は温度に関する知識が各アレイ要素からの放射に関する知識の代用品であると仮定している。
【００１１】
２００７年に、文献において、ポリデス（Ｐａｕｌｉｄｅｓ）外は、代表的な最新技術のシステムについて記述しており、この場合には、反射の観点から印加信号が望ましいものとなるように制御値を調節することができるように、各アプリケータ要素に対する印加信号の大きさ及び位相を反射パワーと共に計測している。適切な治療計画と共に使用された際に、このシステムは、十分に稼働する潜在力を有している。但し、このシステムは、実際の装置を完全に規定するコンピュータシミュレーションモデルに依存しており、且つ、要素のインピーダンス及び励起の相互結合要素について、アプリケータとの関係における患者の登録状態の変化を十分に考慮するための手段が提供されてはいない。
【００１２】
その他の用途におけるフェーズドアレイの広範な文脈において、特許文献４は、組込み試験及び障害分析のために、単一要素を励起すると共に隣接要素が受け取った信号を観察する技法を使用している。フルトン（Ｆｕｌｔｏｎ）及びチャッペル（Ｃｈａｐｐｅｌｌ）は、２００９年に、フェーズドアレイ用の異なる較正法を検討し、且つ、結合行列を判定してアレイ内における相互結合を補償できるようにするために、アレイを無響環境において較正するべきであると主張している。更には、初期の較正済みの結合及び送信チェーン利得からの変化を監視し、これにより、補正の適用を許容するために、内部電子ハードウェアを導入することもできると記述されている。リー（Ｌｅｅ）外は、１９９２年３月に、各要素と結合し、これにより、電子回路の送信及び受信機能を試験することができるように、伝送（マイクロストリップ）回線をアンテナパネル内に導入している。この伝送回線は、同時に、すべての要素からエネルギーを受け取り、或いは、エネルギーをアレイのすべての要素内に注入している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，６７２，９８０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２５１，６４５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４４１，５３２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８６７，１２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
高周波温熱療法による治療及び治療計画に伴う経験、並びに、上述の特性を有するシステムの欠点に関する知識が、装置及び制御システムに対する重要な改善の実現に結び付いた。これらの改善は、保証された電磁界励起を通じて確実性及び一貫性を大幅に向上させる。本発明は、相互結合、不整合、及び反射が存在する状況においてアレイの各アンテナ要素からの保証された電磁界励起を通じて一貫性を向上させ、且つ、従って、不確実性が低減される。更には、本発明は、インピーダンス及び散乱マトリックス計測を使用したものよりも正確な結合行列の判定を許容し、これにより、治療を受けている各患者について実行してもよい自己較正の１つの形態を可能にしている。治療計画によって決定される保証された電磁界励起の実現に対する鍵は、金属要素内を流れる電流の又はスロットに基づいた要素内の電磁界の位相及び振幅を計測するアンテナ要素自体の内部に統合されたセンサの包含にある。これらのセンサは、相互結合又は反射が存在していない状況において、励起に比例した尺度を提供する。但し、計測されるのが、アンテナ内の実際の電流（又は、電磁界）であるため、接続リード内における不整合又は位相差を考慮するという要件は存在していない。相互結合及び反射により、センサは、その起源とは無関係に、すべての励起の合計を計測し、且つ、従って、実際の放射された電磁界の判定を許容している。そして、各要素の励起と、励起されたアンテナ内の電流（又は、電磁界）の計測は、すべてのその他のアンテナの結合された励起と共に、アレイの結合行列の直接的な判定を許容することになる。
【００１５】
上述の特許文献４も、各要素を励起しているが、自己較正を実現するための手段としてはこれらの要素を使用しておらず、仮にそのようにしたとしても、要素の不整合によって不確実性が増大することになろう。１９９２年３月のリー他の文献は、アンテナパネル内に導入された伝送回線を含んではいるが、各アンテナ要素を個別に検知する機能を欠いており、且つ、直接的な励起又は相互に結合された励起に起因したアンテナ電流（又は、電磁界）を判定する動機又は機能を開示してはいない。従って、このシステムは、電磁界励起の制御のためにではなく、診断ツールとして使用されている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、電磁界生成要素のアレイを有し、且つ、センサを各要素内に統合しており、センサは、計測装置にリンクされた金属要素（アンテナ又はコイル）内を流れる電流の又はスロットに基づいた要素内の電磁界の位相及び振幅を計測し、センサのそれぞれからの電気信号の位相及び振幅の両方の計測を可能にしている。更には、各センサによって取得される信号は、関連する電磁界生成要素内の電流又は電磁界の位相及び振幅に正比例しており、この場合に、この電流又は電磁界は、その振幅及び位相が印加された（高周波電源からの）励起及び相互結合及び不整合からの２次的な励起の両方の合計である合計電流又は電磁界であるため、計測値は、相互結合及び不整合が存在しない状況における理想的な励起を表している。この結果、本発明は、アンテナ内に埋め込まれたセンサを使用して更なる機能を追加しており、例えば、埋め込まれた（金属内の電流又はスロットに基づいたアンテナ内の電磁界）センサによって計測される励起の合計が結合又は不整合を伴わない理想的なアレイの励起となり、これにより、各電磁界生成要素によって生成される電磁界の重畳によって規定の容積又は領域内に特定の電磁界分布が生成されるように、個別に制御可能な振幅及び位相を有するマルチチャネル高周波又はマイクロ波電源による各アレイ要素の直接的な励起をフィードバックコントローラを使用して変更することができる。物体の存在又はその変化に起因した結合行列の変化が本質的に考慮されるように、結合行列と呼ばれる相互結合及び不整合に関する明示的な知識と、これらに基づいた計算と、を伴うことなしに、相互結合及び不整合を黙示的に補正している。更には、各要素の連続的な励起を使用することにより、本発明は、ソースインピーダンスの変動及び不確定なケーブル長が存在する状況においても、フィードバックによって迅速に予め規定された理想的なアレイの励起を実現できるように電磁界生成要素のアレイの初期励起を決定する際に有用であるアレイの正確な相互結合行列を直接的に判定することができる。
一実施形態において、規定の容積又は領域内に既定の電磁界分布を生成するシステムは、マルチチャネル高周波電源又はマイクロ波電源と、前記マルチチャネル高周波電源又はマイクロ波電源に接続された電磁界生成要素のアレイと、前記電磁界生成要素によって生成される電磁界の重畳によって前記規定の容積内に前記既定の電磁界分布が生成されるように前記高周波電源又はマイクロ波電源を制御して前記電磁界生成要素の各々によって生成される望ましい電磁界を実現するためのフィードバックコントローラと、を有する。前記フィードバックコントローラへのフィードバックは、前記電磁界生成要素のそれぞれによって生成される前記電磁界の振幅及び位相である。電流センサ又は電場、磁場、若しくは電磁場センサが、前記電磁界生成要素の励起を直接的に判定することにより、前記電磁界生成要素のそれぞれによって生成される前記電磁界の振幅及び位相を間接的に検知するために、前記電磁界生成要素の各々に統合されている。前記システムは、複数の計測装置を更に備え、前記計測装置の各々は、少なくとも１つの対応する前記センサからの信号の振幅及び位相を判定することにより、対応する前記電磁界生成要素によって生成される電磁界を出力するために、少なくとも一つの対応するセンサに対して相互接続されかつ前記少なくとも一つの対応するセンサを一体的に有する対応する電磁界生成要素に対して信号接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】２つの隣接するアレイ要素（キャビティ付きスロット）を示しており、これらのアレイ要素は、それぞれ、本発明の可能な一実装形態の内蔵を示している。
【図１ａ】２つの隣接するアレイ要素（キャビティ付きスロット）であり、一方の要素のキャビティスクリーンが切り取られている。
【図２】ＲＦ温熱療法アプリケータフェーズドアレイの全体を示しており、小さなセンサ要素の詳細は含まれていない。
【図３】マルチチャネル高周波電源である。
【図４】計測装置であって、単一チャネルである。
【図５】計測及びコンピュータコントローラに対して計測バスによって接続された位相及び振幅が制御されたマルチチャネル送信機及び位相／振幅検出器を有するシステムの全体を示す。
【図６】高周波温熱療法用のアレイを示しており、反射を低減すると共に表面の冷却を促進するためにアレイ要素と患者の間に配置される水ボーラスが示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、５つの一体型の部品から構成されたシステムに関しており、革新をもたらすのは、５つの一体型の部品のうちのいくつかの部品における新規の特徴と、それら新規の特徴の統合及び全体としての使用である。第１の一体型部品は、図１の電磁界生成要素であり、図２の任意の形状のアレイとして配列される。これらの要素のアレイは、図３の高周波電源に接続され、この高周波電源は、独立的な位相及び振幅をコンピュータ制御可能なチャネルを多数有する。各電磁界生成要素内に統合されているのは、生成された電磁界に比例した電気出力を生成する電流（又は、電磁界）検知要素であり、各電気信号は、図４の振幅及び位相の両方を計測する計測装置によって計測される。計測データは、計測バスを介して計測コントローラに伝達される。制御コンピュータは、生成される電磁界が、必要とされている電磁界となるように、計測データを利用して高周波電源を制御しており、システムの全体と相互接続が図５に示されている。
【００１９】
本発明の例示用の用途が図５のフェーズドアレイ１９のアプリケータシステムであり、このアプリケータシステムは、空間内の特定の場所に特定の電磁界状態を生成することが可能であり、或いは、ＲＦエネルギーを誘電物体内に合焦することができる。金属、スロット、又はコイル要素２６内における電流又は電磁界の直接的な計測は、電磁界生成要素によって生成される放射された又は反応性の電磁界の直接的な定量化を許容している。更に詳しくは、本発明は、結合行列を明示的に計測すると共に補正を高周波電源１８からの励起に対して適用することなしに、アプリケータアレイ１９内の相互結合及び不整合に起因して生じる電磁界内の混乱を黙示的に補正する可能性を提供している。金属要素内の電流（又は、スロットに基づいた要素内の電磁界）と放射された又は反応性の電磁界に対する要素センサ４からの電気出力の間の直接的な関係を実験的な又は数値的な手段によって判定することができる。
【００２０】
本発明の目的は、図２及び図６の高周波温熱療法用途の電磁界生成要素のアレイ１９内における図１の各要素２６の実際の放射された又は反応性の近接電磁界を判定する改善された手段を提供することにあり、この場合に、患者、誘電物体、及びその他のシステムコンポーネントに起因した直接的負荷によって要素２６の間の結合及びこれらの入力ポート３において観察される整合状態が変化しており、或いは、高周波電源チャネル１１のソースインピーダンスが明確に特徴付けられていない。
【００２１】
本発明の更なる目的は、マルチチャネル高周波電源１８からの実際のアレイの励起が計画どおりの励起となり、これにより、電磁界生成要素のアレイ１９によって生成される電磁界分布の相対的に高品質の制御が保証されるという点における高度な信頼性を提供するということにある。これを可能にするために、図４においては、生成された電磁界は、十分な感度のベクトルボルトメータ又は同相／直交復調器などの計測装置を使用して計測されている。図４に示されているように、更なる回路を追加することにより、バスを介した局部発振器の分配のみならず、入力に切り替えて較正、位相、又はその両方の曖昧性の除去を許容し、不確実性を更に低減することができる位相基準によって促進される振幅及び位相検出器の自己較正を許容してもよい。
【００２２】
更には、本発明は、生成された電磁界を、相互結合及び不整合が考慮された状態において、黙示的に計測することにより、アレイの相互結合の補正のための新しいパラダイムを提供している。従って、実際の及び計画された励起は、特に、治療計画においてモデル化することができない変動が存在する状況において、わずかな逸脱しか有していない。
【００２３】
更には、本発明は、図２のアプリケータアレイ要素２６の形状又は配置をターゲットエリアの周りに又はターゲットエリアに近接した状態に制限してはおらず、従って、あらゆる一般的な電磁界生成要素のアレイ１９に適用することができる。具体的には、患者などの誘電物体の近接性やその他の相互結合又は要素の整合状態を変化させる属性に関する制限が存在してはいない。
【００２４】
図１の統合された電流又は電磁界センサ４は、不整合及び相互結合を黙示的に考慮しているが、本発明によれば、Ｓパラメータから結合行列を算出する標準的な技法よりも高い精度を伴って、且つ、アプリケータアレイ１９を図５の高周波電源１８から接続解除すると共にネットワークアナライザに接続する必要性が存在しないという利便性を伴って、電磁界生成要素のアプリケータアレイの（不整合及び相互結合を表す）結合行列を直接的に判定することができる。各増幅器１０の非理想的な出力インピーダンス及び高周波電源の出力１１と電磁界生成要素３の間の接続ケーブル長が本質的に考慮されていることから、高周波電源を使用した各要素２の励起と、計測装置１８を使用したすべての要素２内における必須の電流（又は、電磁界）５の計測と、により、結合行列をより正確に判定することができる。
【００２５】
本発明は、各要素２６からの放射された又は反応性の電磁界に関するこの非常に重要な情報を提供しつつ、マルチチャネル高周波電源１８からのいずれの出力チャネル１１がアレイ１９内のいずれの電磁界生成要素２６に接続されているのかを検出し、且つ、これにより、誤接続の可能性と、完全に誤った状態における治療の可能性とを除去する機能をも付与している。
【００２６】
計測装置２０を各要素２６と共に統合することにより、各電磁界生成要素ごとに個別のＩＤを有することが可能となり、これにより、要素と計測装置の組合せごとに個別の較正を割り当てることができる。従って、品質の制御、使用の容易性、及びセキュリティの手段として、較正データを正しい要素に割り当てることができる。従って、較正機能により、所与の要素に帰属することのできる認定された較正を提供することができる。アレイ１９の全体を交換可能な要素２６を伴うモジュラー型とすることにより、「プラグアンドプレイ」機能が得られる。
【００２７】
好適な実施形態については、図５のＲＦ温熱療法アプリケータシステムの環境において説明することができる。この温熱療法アプリケータシステムは、ハードウェアとコンピュータ制御システムの両方から構成されており、且つ、これらのシステムは、本発明の有用性を例示する改善された使用パラダイムを許容している。
【００２８】
図５に示されている温熱療法アプリケータシステムは、図２の電磁界生成要素から構成されたリングアレイアプリケータの形態を有しており、この場合に、図１の電磁界生成要素は、加熱対象である領域の近傍において、身体の周りに配置される。これらの要素は、常に完全なリングを形成する必要はなく、患者の一側部に主に配置されてもよいであろう。但し、この特定のアレイの場合には、すべての要素の電界ベクトルをターゲット領域内において主に同一の方向にアライメントさせる必要があるが、これは、本システムのすべての用途における要件ではない。アプリケータと患者の間の領域は、以下の３点を提供する規定の形状の図６の水ボーラスによって充填される。
【００２９】
１．高誘電定数に起因したアンテナ要素の小型化
２．水と組織の誘電特性が空気と組織よりも格段に類似していることに伴うアンテナと患者の間の不連続性の極小化
３．特定の高度なエネルギー吸収が身体表面上において発生可能であることに伴う患者の皮膚の冷却の提供
薄型、良好な偏向純度、フォトリソグラフ印刷回路加工技法による正確な寸法、製造の容易性、丈夫な構造、相対的に広帯域な応答、並びに、従って、環境変化に対する許容性を提供することから、本発明者らの好適な実施形態においては、図１のキャビティ付きスロットアンテナを電磁界生成要素として選択している。従って、スロットアンテナ２の実施形態の場合には、適切な検知方法は、小さな結合ループ４によるスロット内の電磁界の検知によるものである。アンテナポート３に印加される１００ワットにもなりうる合計値と比べて、結合されるパワーの量が小さくなるように、且つ、スロット２内の電磁界が、計測によって混乱しない状態に留まるように、ループ４は、十分に小さい。
【００３０】
アプリケータ内の各スロット要素は、図３の位相及び振幅の制御が可能な高周波電源から供給を受けている。その独自の励起に起因した各アプリケータ要素のスロット内の電磁界及びその他の要素から結合された電磁界を検知し４、且つ、図４の位相／振幅検出器から構成された計測装置２０を使用して計測し、且つ、値を制御システム２１に伝達する。この場合には、同相／直交復調器１４をアナログ／デジタルコンバータのペア１５との関連において使用し、同相及び直交電圧レベルを計測している。次いで、マイクロプロセッサ１６を使用してデジタル信号を大きさ及び位相に変換し、且つ、計測バス１７を介して計測コントローラ２１に伝達している。
【００３１】
制御システム２２は、マルチチャネル高周波電源１８の振幅及び位相８を設定すると共に各要素２６から印加される結果的に得られた電磁界４を計測し２０、且つ、フィードバック制御を提供することにより、印加された電磁界が、必要とされている電磁界になることを保証している。
【００３２】
通常の使用パラダイムは、治療計測ソフトウェア内において、アプリケータアレイ１９の検証済みの数値電磁モデルをＣＴ、ＭＲＩ、又はその他の画像データから導出された患者固有の電磁モデルと共に使用するというものである。治療計画ソフトウェア内においては、治療の１つ又は複数のターゲット領域を規定し、且つ、最適な理想的な（又は、理想的な励起をそれから算出することができる上述の可能な誤差に起因した実際の結合行列に緊密に対応してもよく又は対応しなくてもよいモデルの相互結合行列に基づいた相互結合又は不整合を考慮した非理想的な）励起値を導出し、且つ、１つ又は複数のターゲット領域の全体にわたる対応した電磁界、ＳＡＲ、又は温度上昇値を生成する。
【００３３】
次いで、ターゲット励起を治療制御ソフトウェアに転送し、且つ、患者を、アプリケータ１９内において、治療計画においてモデル化された位置に配置する。水ボーラス２５を脱イオン水によって充填する。
【００３４】
計測装置２０を較正モードに設定する。このモードにおいて、図４のＲＦスイッチ１３を切り替えることにより、各計測装置によってバス１２からの較正入力位相基準信号を計測し、装置の位相の較正を許容すると共に、同相／直交復調器１４内の÷２直交位相スプリッタの位相の曖昧性をも除去する。
【００３５】
マルチチャネル高周波電源１８の各高周波電源出力１１のチャネルを励起することにより、各出力チャネルに結合されたアプリケータ要素２６を判定し、且つ、すべての要素内に誘発された電磁界／電流４を計測して治療の時点におけるアレイ１９の実際の相互結合行列を生成する。更には、接続ケーブル又は送信チャネル差に起因した位相及び振幅のオフセットを取り除くことも可能であり、或いは、除去するように較正することもできる。例えば、患者の近接性と、従って、誘電定数に直接関係する環境の変化と、に起因したものなどの理想的なものからのアプリケータの要素インピーダンスの変動に起因した位相シフトも取り除かれる。
【００３６】
治療は、高周波パワー１８が、理想的な又は（結合行列を使用して）補正された励起に基づいた治療計画に従って各要素２６に印加されることによって始まり、実際の励起レベルは、電磁界の監視４及び計測２０を使用して判定され、且つ、望ましい励起レベルからの逸脱を補正するようにフィードバックコントローラ２７によって制御される。治療の全体を通じて、各チャネル１１からの合計出力パワーを制御することが可能であり８、且つ、振幅及び位相の間の正しい関係が、監視され２０、且つ、正しい値に制御される。本明細書に開示されている本発明については、その特定の実施形態及び用途に従って説明したが、当業者は、請求項に記述されている本発明の範囲を逸脱することなしに、多数の変更及び変形を実施することができよう。
【００３７】
参考文献
米国特許
米国特許第５，２５１，６４５号明細書
「適応型ナリング温熱療法アレイ（Ａｄａｐｔｉｖｅ  ｎｕｌｌｉｎｇ  ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｉａ  ａｒｒａｙ）」、発明者：フェン，アラン  ジェイ．（Ｆｅｎｎ，Ａｌａｎ  Ｊ．）（ウェイランド、マサチューセッツ州）、譲受人：マサチューセッツ工科大学（ケンブリッジ、マサチューセッツ州）
米国特許第４，６７２，９８０号明細書
「組織に高体温を生成するためのシステム及び方法（Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｃｒｅａｔｉｎｇ  ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｉａ  ｉｎ  ｔｉｓｓｕｅ）」、発明者：ターナー、ポール  エフ．（Ｔｕｒｎｅｒ，Ｐａｕｌ  Ｆ．）、譲受人：ビーエスディー・メディカル社（ＢＳＤ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ソルトレイクシティ、ユタ州）
米国特許第５，４４１，５３２号明細書及び国際公開第１９９３／０００１３２号パンフレット
「適応型合焦法並びにナリング温熱療法環状及びモノポールフェーズドアレイアプリケーションケータ（ＡＤＡＰＴＩＶＥ  ＦＯＣＵＳＩＮＧ  ＡＮＤ  ＮＵＬＬＩＮＧ  ＨＹＰＥＲＴＨＥＲＭＩＡ  ＡＮＮＵＬＡＲ  ＡＮＤ  ＭＯＮＯＰＯＬＥ  ＰＨＡＳＥＤ  ＡＲＲＡＹ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＯＲＳ）」、発明者：フェン，アラン  ジェイ．（Ｆｅｎｎ，Ａｌａｎ  Ｊ．）（ウェイランド、マサチューセッツ州）、譲受人：マサチューセッツ工科大学（ケンブリッジ、マサチューセッツ州）
その他の文献
フルトン、シー．（Ｆｕｌｔｏｎ，Ｃ．）及びチャッペル、ダブリュ．（Ｃｈａｐｐｅｌｌ，Ｗ．）著、「デジタルフェーズドアレイ用較正法（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙｓ）」、「マイクロ波、通信、アンテナ及び電子システム（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ，  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、２００９年、ＣＯＭＣＡＳ  ２００９、マイクロ波、通信、アンテナ及び電子システムに関するＩＥＥＥ国際会議（ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）、２００９年発行，ｐ．１−１０
クアン−ミン  リー（Ｋｕａｎ−Ｍｉｎ  Ｌｅｅ）、ルエイ−シ  チュ（Ｒｕｅｙ−Ｓｈｉ  Ｃｈｕ）及びシエン−チャン  リウ（Ｓｉｅｎ−Ｃｈａｎｇ  Ｌｉｕ）著、「能動フェーズドアレイアンテナ用内蔵型性能監視／障害分離及び訂正システム（Ａ  Ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ−Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ／Ｆａｕｌｔ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＭ／ＦＩＣ）  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｈａｓｅｄ−Ａｒｒａｙ  Ａｎｔｅｎｎａｓ）」、アンテナ及び伝播に関するＩＥＥＥトランザクション（ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＮＴＥＮＮＡＳ  ＡＮＤ  ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ），第４１巻，第１１号，１９９３年１１月
ケイ．エム．リー（Ｋ．Ｍ．Ｌｅｅ）、アール．エス．チュ（Ｒ．Ｓ．Ｃｈｕ）及びエス．シー．リウ（Ｓ．Ｃ．Ｌｉｕ）著、「フェーズドトグリング法とともに伝送線信号インジェクションを用いたフェーズドアレイアンテナの性能監視／障害分離及び訂正システム（Ａ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ／ｆａｕｌｔ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｏｆ  ａ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ  ｕｓｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ−ｌｉｎｅ  ｓｉｇｎａｌ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｐｈａｓｅ  ｔｏｇｇｌｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）」、ＩＥＥＥ  ＡＰ−Ｓ  １９９２  シンポジウムダイジェスト（シカゴ、イリノイ州）、１９９２年７月１８日〜２５日、１９９２年発行、第１巻、ｐ．４２９−４３２
【図１】
0005925780.tif 000002
【図１ａ】
0005925780.tif 000003
【図２】
0005925780.tif 000004
【図６】
0005925780.tif 000005
【図３】
0005925780.tif 000006
【図４】
0005925780.tif 000007
【図５】
0005925780.tif 000008