МЕДИЦИНСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ/ПРИЕМА МИКРОВОЛН
MEDICAL IMAGING SYSTEM USING MICROWAVE EMISSION/RECEPTION

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к медицинской системе для получения изображений с использованием микроволновых антенн.
В частности, изобретение относится к системам для получения изображений такого типа для анализа тканей или органов человека, проницаемых для электромагнитных волн.
В частности, оно находит свое предпочтительное применение для получения изображений женской груди.
В микроволновых системах получения изображений выбор переходного материала между антеннами и наблюдаемой средой имеет большое значение для обеспечения хорошего проникновения волн в эту среду. Диэлектрические характеристики переходного материала необходимо выбирать в зависимости от наблюдаемой среды таким образом, чтобы получать наилучшие результаты на уровне изображений.
Кроме того, в идеале этот переходный материал должен характеризоваться как можно меньшими диэлектрическими потерями, чтобы ограничивать поглощение энергии электромагнитной волны.
Для этого чаще всего антенны погружают в жидкость с исследуемыми биологическими тканями. Однако даже если можно изменять характер жидкости, чтобы добиваться желаемой диэлектрической проницаемости, такая жидкость обычно имеет большие диэлектрические потери на необходимых рабочих частотах.
Кроме того, следует учитывать проблемы с точки зрения герметичности, изоляции излучающих зондов/датчиков относительно наблюдаемой среды, с точки зрения гигиены, очистки, сохранности во времени, изменения электромагнитных характеристик во времени и в зависимости от температуры.
Были также предложены микроволновые системы получения изображений с использованием смешанных переходных сред, содержащих жидкую переходную среду и твердую переходную среду.
Например, в статье "Microwave radar-based differential breast cancer imaging: imaging in homogeneous breast phantoms and low contrast scenarios" - Klemm et al., IEE - 2010 была предложена микроволновая система получения изображений, использующая твердую переходную среду, образованную емкостью из керамического материала, в которой расположены регулировочные сегменты, адаптированные к разным размерам груди, и антенны, механически соединенные с кожухом из пластического материала, который установлен на указанной емкости с жидкой переходной средой между кожухом из пластического материала и емкостью из керамического материала, причем эта жидкая переходная среда находится между антеннами и емкостью.
Однако такая система имеет ряд недостатков.
Предложенная в вышеупомянутой статье конструкция излучения/приема ограничена с точки зрения надежности результатов визуального контроля, учитывая небольшое число неподвижных антенн, распределенных вокруг сегмента.
Кроме того, использование кожуха из пластического материала, с одной стороны, и сегмента из керамики, с другой стороны, является источником эхо-сигналов на уровне перехода между двумя материалами. Следовательно, измерения могут быть искажены.
Учитывая непосредственную близость излучающих и принимающих антенн, они не являются идеально электромагнитно изолированными друг от друга. Между ними существует электромагнитная связь, которая проявляется тем больше, чем ближе друг к другу зонды. Однако, как правило, сигнал, принимаемый принимающим зондом и вытекающий из прямой связи с излучающим зондом, является сильным и ограничивает динамику приемника. Для воспроизведения изображения наблюдаемой среды необходимо производить обработку вычитания сигналов. Ошибки, возникающие при этих вычитаниях, тем серьезнее, чем больше сама прямая связь.
Кроме того, описанная в этой статье конструкция обязательно должна иметь сложную и дорогую систему проводных соединений. Она требует наличия исключительно сложных матриц переключателей (и соответствующих соединений) между зондами. Эта конструкция требует применения либо переключателей для выбора излучающего зонда и принимающего зонда, либо многочисленных излучателей и приемников или их комбинаций.
Сущность изобретения
Изобретение призвано предложить решение, которое позволяет устранить недостатки известных решений.
В частности, изобретением предложена медицинская система получения изображений с антеннами излучения и антеннами приема электромагнитного поля, расположенными вокруг объема, предназначенного для размещения среды исследуемой человеческой ткани.
Она содержит решетку излучающих антенн и решетку принимающих антенн, причем эти две решетки являются независимыми (в частности, механически независимыми). При этом предусмотрены приводы, выполненные с возможностью перемещения излучающей решетки и/или принимающей решетки путем углового перемещения и поступательного перемещения относительно наблюдаемого объема, чтобы обеспечивать его сканирование. Таким образом, система может работать с обеспечением полной мультистатики при получении изображений.
Согласно возможному варианту обе решетки являются независимыми в угловом и в поступательном перемещениях.
В частности, что касается поступательного перемещения, оно обеспечивает дополнительную дискретизацию вдоль направления поступательного перемещения. Предпочтительно система содержит сегмент из твердого диэлектрического материала, ограничивающий объем, в котором должна находиться среда наблюдаемой человеческой ткани, при этом излучающие антенны и принимающие антенны удерживаются в виде решетки в держателях, выполненных на основе диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, идентичную диэлектрической проницаемости указанного сегмента.
Предпочтительно указанные держатели содержат между антеннами части из материала, поглощающего электромагнитное излучение, или указанные держатели полностью выполнены из материала, поглощающего электромагнитное излучение. Кроме того, этот материал, поглощающий электромагнитное излучение, имеет диэлектрическую проницаемость, идентичную диэлектрической проницаемости указанного сегмента.
Предпочтительно система содержит также электронику, которая применяет дифференциальную модуляцию по меньшей мере для принимающих антенн.
Объектом изобретения является также медицинский способ получения изображений среды наблюдаемой человеческой ткани, содержащий этап, на котором перемещают по меньшей мере одну из излучающих и/или принимающих решеток относительно наблюдаемого объема для обеспечения его сканирования, при этом микроволны излучаются излучающей решеткой и достигают сегмента, предназначенного для размещения среды человеческой ткани, проходя только через твердую переходную среду.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе в разрезе возможного варианта выполнения изобретения.
Фиг. 2 - схематичный вид в перспективе кольца излучающих антенн и кольца принимающих антенн устройства, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 - другой возможный вариант выполнения изобретения.
Фиг. 4 - еще один возможный вариант выполнения изобретения с несколькими излучающими и/или принимающими решетками.
Осуществление изобретения
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, устройство содержит сегмент 1 из диэлектрического материала, в котором располагается грудь пациентки, емкость 2, в которой размещается этот сегмент, по меньшей мере одну решетку 3 излучающих зондов 3а, по меньшей мере одну решетку 4 принимающих зондов 4а, а также набор металлических кожухов 5 и электромагнитных поглотителей 6 из пеноматериала, которые окружают емкость 2 и решетки 3 и 4.
Сегмент 1 имеет внешнюю форму, повторяющую внутреннюю форму, в данном случае цилиндрическую форму емкости 2, в которой он удерживается. Он имеет внутри полую форму, предназначенную для размещения груди пациентки.
Этот сегмент 1 является съемным относительно емкости 2. Устройство связано с набором сегментов 1. Внешние формы сегментов набора являются идентичными. Что же касается формы полостей, то они являются разными и обеспечивают адаптацию к размеру исследуемых грудей.
Решетка 3 излучающих антенн 3a позволяет облучать наблюдаемую среду. В данном случае составляющие ее антенны 3a равномерно распределены, предпочтительно, в плоскости таким образом, чтобы по меньшей мере частично охватывать емкость 2 (фиг. 2) и даже образовать кольцо, которое окружает емкость 2 (фиг. 1, 3 и 4). Принимающая решетка 4 тоже представляет собой решетку антенн 4а, равномерно распределенных, предпочтительно, в плоскости таким образом, чтобы по меньшей мере частично охватывать емкость 2 (фиг. 2) и даже образовать кольцо, которое полностью окружает емкость 2 (фиг. 1, 3 и 4).
Решетка 3 излучающих антенн 3а и решетка 4 принимающих антенн 4а являются подвижными и выполнены с возможностью поступательного перемещения вдоль емкости 2. Кроме того, принимающая решетка 4 выполнена также с возможностью поворота вокруг емкости 2 и исследуемой среды, в частности вокруг оси, коллинеарной с направлением поступательного перемещения и предпочтительно в плоскости решетки, что в случае необходимости позволяет осуществлять дополнительную дискретизацию при приеме. Решетка 3 тоже может быть подвижной и поворачиваться вокруг той же оси, коллинеарной с направлением поступательного перемещения, что и решетка 4, и предпочтительно в плоскости решетки. Для обеспечения различных необходимых перемещений вращения/поступательного перемещения предусмотрены приводы (не показаны).
Как будет показано ниже, излучающая решетка 3 и принимающая решетка 4 являются независимыми в своих перемещениях и расположениях вокруг сегмента 2, что обеспечивает широкий выбор возможных комбинаций излучения и приема и, следовательно, полных мультистатических обработок, а также лучшие характеристики при получении изображений, и одновременно позволяет ограничить число антенн и сложность и стоимость прокладки проводных соединений. В частности, как показано на фигурах, излучающая решетка 3 и принимающая решетка 4 могут быть механически независимыми одновременно в своем угловом перемещении и в поступательном перемещении.
Можно предусмотреть несколько излучающих решеток 3 и/или несколько принимающих решеток 4 (см. фиг. 4). Это обеспечивает более широкий выбор возможных комбинаций излучения и приема. Например, в случае двух излучающих решеток 3 и двух принимающих решеток 4 они могут быть расположены друг над другом таким образом, чтобы излучающие решетки 3 чередовались с принимающими решетками 4 или чтобы излучающие решетки 3 находились с двух сторон от принимающих решеток 4 и наоборот.
Помимо того, что каждая излучающая решетка 3 является механически независимой от принимающих решеток 4, и она может быть также механически независимой от других излучающих решеток 3. Точно так же, в дополнение к тому, что каждая принимающая решетка 4 механически не связана с излучающими решетками 3, она может быть механически независимой от других принимающих решеток 4. Тем не менее, можно сделать излучающие решетки 3 механически зависимыми друг от друга и принимающие решетки 4 механически зависимыми друг от друга.
В случае наличия нескольких излучающих решеток 3 и/или принимающих решеток 4 излучающие 3 и принимающие 4 решетки могут быть расположены друг над другом, при этом ход поступательного перемещения каждой из решеток ограничен смежными решетками. Это позволяет еще больше уменьшить ход поступательного перемещения различных решеток и сократить общее время полного сканирования вокруг емкости. Например, каждая из решеток 3, 4 может поступательно перемещаться между первым и вторым крайними положениями: когда решетки соприкасаются, одна из них находится в своем первом крайнем положении, а другая - в своем втором крайнем положении. Таким образом, каждая решетка может поступательно перемещаться с ходом, длина которого меньше размера емкости 2.
Излучающая решетка или излучающие решетки 3 и принимающая решетка или принимающие решетки 4 могут быть бивалентными. Это значит, что они могут быть выполнены с возможностью работать как в режиме излучения, так и в режиме приема. Для перевода конфигурации решеток в режим излучения, соответственно в режим приема, предусмотрен привод. Привод выбирают таким образом, чтобы обеспечивать конфигурацию решеток, при которой по меньшей мере одна решетка работает в режиме излучения и по меньшей мере одна решетка работает в режиме приема.
Число антенн 3a излучающей решетки 3 выбирают в зависимости от числа необходимых точек облучения. Для каждой точки облучения сигнал последовательно улавливается всеми принимающими зондами в каждой точке сетки "scan", то есть сканирования, за счет объединения механического перемещения принимающей решетки (вертикальное поступательное перемещение и поворот) и электронного сканирования принимающих зондов. Это позволяет использовать мультистатический характер пути волн и повысить качество контраста и разрешения воспроизводимых изображений.
Например, антенны 3a излучающей решетки 3 являются биполяризованными, тогда как антенны 4а принимающей решетки 4 являются монополяризованными или биполяризованными антеннами. В случае, когда излучающие 3 и принимающие 4 решетки являются бивалентными, антенны 3a, 4а этих решеток являются, например, одинаковыми монополяризованными или биполяризованными антеннами.
Кроме того, предпочтительно антенны являются широкополосными антеннами, что обеспечивает излучение и прием радиочастотных сигналов в широком диапазоне частот и позволяет повысить разрешение и контраст получаемого изображения. Например, частоты излучения/приема антенн составляют от 0,5 до 10 ГГц.
Устройство может также содержать поглощающие элементы между двумя последовательными антеннами. Это позволяет электрически и механически изолировать антенны друг от друга.
Электронная система обеспечивает управление перемещениями решеток 3 и 4 (управление приводами для осуществления механического сканирования), управление механическими датчиками ограничения движения или датчиками присутствия анализируемой груди, мультиплексирование зондов 3а, 4а и обработку радиочастотного сигнала.
Для ознакомления с примером обработки и анализа принимаемых сигналов, позволяющих получать томографические двухмерные или трехмерные изображения, можно, например, обратиться к следующим публикациям:
- Y. Xie, В. Guo, L. Xu, J. Li, and P. Stoica, "Multistage adaptative microwave imaging for early breast cancer detection", IEE Trans. Biomed. Eng., том 53, №8, стр. 1647-16576 август 2006; и
- R. Nilavalan, A. Gbedemah, I.J. Craddock, X. Li and S.C. Hagness, Numerical investigation of breast tumor detection using multi-static radar, ELECTRONICS LETTERS, том 39, №25, декабрь 2003.
Антенны 3a решетки 3, как и антенны решетки 4, погружены непосредственно в материал, обладающий диэлектрической проницаемостью, идентичной диэлектрической проницаемости сегмента. Предпочтительно этот материал, поддерживающий зонды, имеет свойства электромагнитного поглощения, чтобы ограничить связь между зондами. В данном случае применения для систем получения изображений груди материал, в который погружены антенны, образует кольцо. Разумеется, можно предусмотреть и другие формы решеток: линейные или незамкнутые дугообразные решетки, например, для систем получения изображений щитовидной железы или колена.
Емкость 2 тоже выполнена из материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, идентичную диэлектрической проницаемости сегмента 1. В другом варианте выполнения этот материал емкости может иметь свойства электромагнитного поглощения.
Материал сегмента 1 и емкости 2 является диэлектрическим материалом с низкими диэлектрическими потерями, например таким как Eccostock Hik500F, производимый компанией Emerson & Cuming.
Изнутри сегмент 1 покрыт биосовместимым материалом, таким как Nuflon (TGBBT).
Материал кольцевых держателей зондов решеток 3 и 4 является материалом, одновременно имеющим такую же диэлектрическую проницаемость, что и Eccostock Hik500F, и обладающим способностью поглощать электромагнитные волны.
В другом варианте выполнения, показанном на фиг. 2, держатели 3b и 4b зондов решеток 3 и 4 могут быть выполнены в виде колец из диэлектрического материала с низкими диэлектрическими потерями, например Eccostock Hik500F, содержащих вставки 10 между датчиками, выполненные из материала, одновременно имеющего такую же диэлектрическую проницаемость, что и Eccostock Hik500F, и обладающего способностью поглощать электромагнитные волны. Держатель 3b излучающих зондов 3а установлен на домкратах 11, которые обеспечивают поступательное перемещение указанного держателя 3b. Сами домкраты 11 установлены на кольцевой направляющей 3c, которая позволяет держателю 3b поворачиваться вокруг оси сегмента 1. Держатель 4b принимающих зондов 4а установлен на домкратах 12, которые обеспечивают поступательное перемещение указанного держателя 4b. Сами домкраты 12 установлены на кольцевой направляющей 4с, которая позволяет держателю 4b поворачиваться вокруг оси сегмента 1.
Твердый поглощающий материал выполнен, например, на основе силикона или эпоксидного материала, имеющих такую же диэлектрическую проницаемость, что и материал сегмента 1. Кроме того, этот материал содержит наполнитель в виде поглощающего порошка, например, ферромагнитный наполнитель, чтобы ограничить прямую связь между антеннами. Такой поглощающий материал обеспечивает ослабление электромагнитного поля примерно на 4 дБ/см при 1 ГГц, на 12 дБ/см при 3 ГГц, на 18 дБ/см при 6 ГГц и на 18,5 дБ/см при 8 ГГц. Следует отметить, что такое решение позволяет реализовать для устройства полностью интегрированный комплекс без поглощающего элемента из пеноматериала, который необходимо было бы расположить между зондами и который создал бы большие проблемы с точки зрения гигиены (присутствие летучих частиц углерода).
Кроме того, использование материалов с одинаковой диэлектрической проницаемостью для сегмента 1, емкости 2 и держателей антенн решеток 3 и 4 позволяет избежать появления паразитных эхо-сигналов по причине отражения на границах раздела. Кроме того, жесткое закрепление всех излучающих антенн в одном держателе позволяет избежать относительных перемещений и обеспечивает отличное сохранение стабильности фаз измеряемых сигналов и, следовательно, лучшие результаты при получении изображений.
Кроме того, чтобы дополнить изоляцию между зондами, можно также предусмотреть радиочастотные переключатели с улучшенными характеристиками изоляции.
Кроме того, предусмотрена также маркировка зондов при приеме, а также, в случае необходимости, зондов при излучении посредством модуляции при помощи технологии модулированного рассеяния, которая позволяет локально пометить поле в месте приема, а также, в случае необходимости, при излучении.
Это позволяет уменьшить сложность и стоимость электроники, за счет отказа от сложных и дорогих матриц переключателей между зондами.
Если излучающие и принимающие антенны являются биполяризованными, электроника управления (не показана) выбирает поляризацию рабочих антенн (либо при помощи переключателей, либо посредством модуляции, либо даже за счет их комбинации).
Металлические кожухи 5 образуют частичные клетки Фарадея.
Они связаны с поглощающими материалами, например с мягкими или твердыми пеноматериалами 6, расположенными:
- с одной стороны, между двумя металлическими кожухами 5 и, в частности, на внутренней стороне наружного кожуха 5;
- с другой стороны, между решетками 3 и 4 антенн и указанными кожухами.
Эти материалы позволяет в значительной степени ослабить и даже полностью исключить отражение электромагнитного сигнала и избежать, таким образом, любого искажения при получении изображения из-за многократных отражений.
Как показано на фиг. 3, в другом варианте выполнения система получения изображений может также содержать две расположенные рядом емкости 2, каждая из которых связана с подсистемой решеток 3 и 4 излучения/приема.
Между двумя подсистемами расположена металлическая пластина 9, покрытая поглотителем, электромагнитно изолирующим обе емкости.
Это позволяет в два раза сократить время исследования и получить одновременно и параллельно изменение получаемого и воспроизводимого изображения, что обеспечивает исследование и диагностику при помощи сравнения в двух направлениях.
Кроме того, в зависимости от зон наблюдаемой среды можно наклонять систему излучения и передачи относительно плоскости стола Т, на котором лежит пациентка, например можно предусмотреть механизм наклона, управляющий наклоном плоскостей решеток симметрично относительно металлической пластины таким образом, чтобы антенны 3а, 4а решеток, находящиеся ближе к металлической пластине 9, удалялись от пациентки, то есть от плоскости стола Т, а антенны 3а, 4а решеток, наиболее удаленные от металлической пластины 9, приближались к пациентке, то есть к плоскости стола Т. Угол наклона решеток по отношению к плоскости стола Т составляет, например, около 15°.
В случае получения изображений груди этот наклон плоскостей решеток может позволить сканировать наружные зоны груди и, в частности, зону продолжения молочной железы.
В варианте выполнения медицинская система получения изображений содержит:
- решетку 3 излучающих антенн 3а и решетку 4 принимающих антенн 4а, и
- емкость 2, выполненную с возможностью установки в ней сегмента 1, предназначенного для размещения среды человеческой ткани.
Способ получения изображений среды человеческой ткани, например груди пациентки, состоит в перемещении по меньшей мере одной из этих решеток относительно наблюдаемого объема, в котором находится среда человеческой ткани, в частности, путем углового перемещения и/или поступательного перемещения, как было указано выше. Можно перемещать решетки 3, 4 путем поворота и поступательно независимо друг от друга.
В возможном варианте выполнения микроволны, излучаемые излучающей решеткой и доходящие до сегмента 1, проходят только через твердую переходную среду. Эта твердая переходная среда образована, например, емкостью 2 (как на фиг. 1) или держателем 3b и емкостью 2 (как на фиг. 2). Это позволяет избежать недостатков, связанных с использованием жидких переходных сред.
Следует отметить, что в некоторых вариантах применения использование только твердой переходной среды не является обязательным.
В частном примере микроволны, излучаемые излучающей решеткой 3 и доходящие до наблюдаемой среды человеческой ткани (такой как грудь пациентки), проходят только через твердую переходную среду.
Эта только твердая переходная среда образована, например, емкостью (как на фиг. 1) или держателем 3b, емкостью 2 и сегментом 1 (как на фиг. 2).
Таким образом, в этом не ограничительном примере между излучающей решеткой 3 и наблюдаемой средой человеческой ткани не используют никакой жидкой переходной среды.
Изобретение находит свое применение, в частности, для получения изображений груди.