CN104661591A - 用于测试乳腺组织完整性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述用于测试乳腺组织的完整性的装置，该装置包括：一个或多个发射天线(TX)，该一个或多个发射天线(TX)经配置以微波频带中的主电磁场(F1)攻击乳腺组织(2)；一个或多个接收天线(RX)，该一个或多个接收天线(RX)经配置拾取对应的反射电磁场(F2)；处理单元(3)，该处理单元(3)包括第一运行模块(4)以及第二运行模块(5)，该第一运行模块(4)经配置确定表示乳腺组织(2)的电不连续性的主参数(MP)，该第二运行模块(5)经配置生成表示乳腺组织(2)的非完整性(2a)的信号(S)。

Description

用于测试乳腺组织完整性的装置

技术领域

本发明涉及用于测试乳腺组织(mammary tissue)完整性的装置。

具体地，本发明涉及允许检测乳腺肿瘤(breast tumor)的装置(设备，apparatus)以及借助对身体的部分的完整性成像(而进行)的测试。

背景技术

众所周知，在医学应用中，对基于成像的分析方法有着极大的兴趣。

已知的方法使用不同的装置提供组织的断层重构(tomographicreconstructions)：

·超声波扫描仪；

·基于X射线的计算机断层扫描(CT)

·核磁共振成像(MRI)

这类方法受到多种问题的影响。

·超声波经受对比度的问题，并且不能检测在声阻抗方面如在具有空气和骨骼的区域中具有高度差异的对象的图像；

·断层扫描使患者必需承受施加电离辐射的剂量；

·磁共振需要长时间施加磁场并且非常昂贵。

而且，在乳腺癌检测的具体应用中，X射线乳腺摄影的限制是众所周知的。

更确切地说，即使图像具有高分辨率并且(采用)相对低剂量的辐射，这种技术也不能检测目前约15％的癌症，而被识别的乳腺病变的约75％实际上是良性的。

随着时间的推移，微波成像吸引了越来越多的关注，尤其是其在乳腺癌检测中的适用性；这是由于检测到的在正常组织与恶性组织之间的显著对比度，组织在微波频率下的介电性能的特性。

在微波乳腺成像中的目前研究可被划分为：

·微波断层扫描；

·超宽带(UWB)无线电技术。

遗憾的是，这些方法也受到多种问题的影响：

·断层扫描在本质上是不稳定的，因为它需要解决非线性倒置问题；

·在UWB中，复合聚焦技术是必要的；在某些情况下，过滤器是必要的，以改善对可能的扰乱图像的抑制(杂波抑制)和空间辨别，但这些又带来了增加的复杂性；

·人们已提出基于时间反转(TR)技术的方法，但它们需要与反馈关联的信道传递函数(channel transfer function)的知识。

还应当强调的是，所提出的方法的特征在于低S/C比。

在以微波频率进行的乳腺癌的成像分析的文献中，***区域内的S/C比(信号-杂波比)假设为识别肿瘤的最大响应与识别相同图像中的干扰(杂波)的可能图像的最大响应之间的比率。

可以推断，该比率越高，就能越好地检测和确定乳腺组织中的可能非完整性的位置。

通过示例的方式，在前面提到的利用聚焦算法的技术中，在乳腺组织中检测到的S/C比为4dB。

公开号为US 2006/0241409的美国专利申请公开了一种微波***，该微波***用于估算乳腺组织的平均介电特性，以检测肿瘤的存在和位置。这通过使用一种迭代方法(iterative method)来实现，这种迭代方法是基于有限差分时域方法(finite-difference time-domain method)的时域逆散射算法(time-domain inverse scattering algorithm)的扩展。

公开号为US 2011/0130656的美国专利申请公开了用于诊断乳腺癌的微波图像重构装置。该装置包括多个天线#1、#2、...、#16，这些天线以允许******(见图2)的方式来布置。***图像重构(reconstruction)使用迭代算法，该迭代算法包括从多个天线#1、#2、...、#16接收到的电磁波的振幅值的对数(log)变换，以便提高灵敏度并减少执行计算的数量。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种用于测试乳腺组织完整性的装置，该装置允许以精确且可靠的方式来识别此类组织的完整性。

本发明的另一个目的是提供一种既允许确定乳腺组织中非完整性的存在又允许精确地定位该乳腺组织内的非完整性的装置。

发明内容

这些和其他目的通过一种用于根据在所附权利要求中的记载测试乳腺组织的完整性的装置来实现。

所公开的装置达到以下技术效果：

-它允许精确且可靠地识别乳腺组织的完整性；

-它允许确定非完整性的存在，并精确地定位在乳腺组织内的非完整性；

-它允许以非侵入性且同时可靠的方式确定乳腺组织内非完整性的存在。

-这是简单的构造和实施。

本发明的前述技术效果和其他技术效果从下面参考附图通过说明性而非限制性的方式给出的示例性实施方式的描述可更详细而直观。

附图说明

图1示出了代表本发明的方框图；

图2a、2b和2c示出了本发明装置的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于测试乳腺组织完整性的装置，该装置包括向乳腺组织发射并在微波频段(microwave band)运行的一个或多个天线，从乳腺组织接收并在微波频段运行的一个或多个天线，以及处理单元，其经配置确定表示乳腺组织的电不连续性(electrical discontinuity)的主参数(主要参数，main parameter)并生成表示该乳腺组织的非完整性的信号。

参照附图1，该图总体上表示根据本发明用于测试乳腺组织的完整性的装置。

在本说明书和随后的权利要求中，术语“乳腺组织”将意指包括腺体成分、脂肪成分(腺体结构***并浸渍其中)、以及纤维支持成分(其在各种腺体附属物(glandular appendage)之中生成细分(subdivision))的组织。

通过示例的方式，乳腺组织2可显示范围为1至20的相对介电常数。

通过示例的方式，乳腺组织2可具有介于0S/m和1S/m的导电率(conductivity)。

如将在下文更清楚的，根据本发明的装置经配置基于乳腺组织自身电性能的可能不连续性来确定乳腺组织2内非完整性的存在。

在描述的过程中，术语“非完整性”将意指乳腺组织中的不均匀性，其表示组织本身的组成中的异常状态。

在实践中，在乳腺组织2的质量范围内(假设在一定限度内是均匀的)，本发明允许识别相对介电常数和/或导电率有显著变化(例如，增加至少25％)的区域(area)。

优选地，乳腺组织的相对介电常数和导电率是事先已知的，即使是以不完全精确的形式。

参照附图，用于测试乳腺组织的完整性的装置1包括固定支持结构或壳体(casing)10，可移动框架结构11被安装在固定支持结构或壳体10上。

可移动框架结构11包括大致水平的平台PO。

根据本发明的装置包括与水平平台PO相关联的第一电动机(motor)M1。

具体地，第一电动机M1被耦接至经过水平平台PO的轮轴(hub)22。

固定支持结构10经配置包括电动机M1和下面所述的电磁收发器组件。

优选地，固定支持结构10被配置为大致上的平行六面体。

10的顶部(顶部部件，top part)包括经构造支持待分析乳腺组织2的杯形凹部20。

本发明的装置1还包括垂直轴AV，它基本上垂直于平台PO。

根据本发明，垂直轴AV与第二电动机M2相关联，第二电动机M2经配置沿轴线AV滑动与第一平台PO相关联的滑架(carriage)。

换句话说，用于测量乳腺组织的水平平台PO在预定高度的定位由电动机M2来确定。

电动机M2旋转滚珠螺杆(ball screw)，在滚珠螺杆上滑架连接到水平平台滑块(slide)。

可替换地，在垂直轴上的水平平台PO的定位可以用等效的机械装置如皮带、齿条(rack)、链条(chain)等来实现。

初始高度位置借助传感器SM2向测试***指示。

参照附图，根据本发明用于测试乳腺组织的完整性的装置包括一个或多个发射天线(transmission antenna)TX。

这些天线经配置用主电磁场(main electromagnetic field)F1对乳腺组织2攻击(strike)。

天线Tx被安装在壳体10内。

天线Tx与轮轴22是同心的并可安装在平台PO上。

优选地，主电磁场F1被限定在微波频率区段(interval)中的频带中。

具体地，频率可在0.5GHz与4GHz之间，更优选地，在1GHz与3GHz之间。

优选地，乳腺组织2被来自不同方向的多个电磁场攻击(影响，strike)。

在优选实施方式中，设想使用一个或多个发射天线TX。

具体地，多个发射天线TX可被用于生成来自不同方向的上述电磁场的目的。

换句话说，发射天线TX经配置生成源自不同位置的主电磁场F1。

在一个实施方式中，可以使用适合相对于乳腺组织2移动的单个发射天线TX，以便随时间推移呈现在不同位置上，并从而用来自不同方向的电磁场攻击乳腺组织2。

同样可以设想几个发射天线TX可相对于乳腺组织2移动。

有利地，发射天线TX既可以相对于乳腺组织2移动又可以此类方式切换(即，在通/断状态之间被驱动)，以计划的方向和时间间隔生成所需的电磁场。

优选地，乳腺组织2具有基本为圆形截面的构造。

有利地，发射天线TX被定位在乳腺组织2周围，优选地，在相对于待分析乳腺组织的基部的给定高度Q1。

换句话说，天线Tx被安装在从平台PO突出的第一支持件b12上。

发射天线TX可被设定在根据待测量乳腺组织限定的高度Q1。

发射天线TX可以以半径R1的圆周围绕乳腺组织2分布。

有利地，发射天线TX相对于乳腺组织2的圆周分布可以是大致角度均匀的。

优选地，至少有3个发射天线TX，以便允许消除所谓的发射器“图像”并防止后者渐渐破坏测量的质量。

参照附图，根据本发明用于测试乳腺组织的完整性的装置包括一个或多个接收天线RX，其经配置拾取(接收，pick up)对应于发射场F1的反射电磁场F2。

这些天线Rx被安装在壳体12内。

天线Rx借助臂b21可旋转地与轮轴22相关联。

换句话说，绕轮轴22旋转的臂b21带来天线RX在半径R2的圆形图案中的旋转。

测量可以利用一个或多个接收天线RX进行。

在一个实施方式中，可使用适合移动的单个接收天线RX，以便围绕乳腺组织2随时间推移呈现在不同的位置上。

同样可以设想的是，更大数量的接收天线RX可以相对于乳腺组织2移动。

相对于发射天线，接收天线Rx可以有利地定位在给定的高度Q1。

换句话说，天线Rx安装在从臂b21突出的第二支持件b22上。

也在接收天线Rx的情况下，高度Q1定义为待测量乳腺组织的函数。

优选地，接收天线RX和发射天线TX被定位在相同的高度Q1。

优选地，天线Tx和Rx均定位在基本等于乳腺组织2的高度的一半的高度Q1。

方便地，发射天线TX相比于接收天线RX布置在相对于乳腺组织2在径向上更(靠向)外部的位置。天线的这个位置在应用惠更斯原理以计算乳腺组织2内的电磁场是最佳的，这将在下面解释。事实上，天线的所述位置确保在与待分析乳腺组织2大致接触的闭合外表面上测量电磁场的可能性。

实践中，发射天线TX定位在比接收天线RX距离乳腺组织2的距离(该距离是R2)更大的距离，即在距离R1。

优选地，发射天线TX在距离对象的一定距离，而接收天线紧邻(几乎接触)乳腺组织2并被定位在具有例如九度的角分辨率的旋转支持件上。

臂b21的尺寸确定相应半径R2。在一个实施方式中，也可以假设臂b21的尺寸作为待测量乳腺组织2的尺寸的函数是可变的。

旋转天线Rx和接收装置之间的电连接借助同轴旋转接头(coaxialrotary joint)来保证。

作为旋转接头的替代，该连接可借助柔性螺旋电缆并通过每360度旋转方向的反转动(反向运动，reversal movement)来进行。

旋转的零起点借助传感器SM1指示给控制***。

优选地，4个发射天线Tx1、Tx2、Tx3、TX4以等于半径R1大于R2的距离被固定到水平平台Po。

在优选实施方式中，天线Tx的数量为3。

在其他实施方式中，这个数字可以是大于或等于4。

天线(在这种情况下为四个)被定位在等于90度半径R1的圆周弧(圆弧)上，并借助同轴开关(coaxial switch)被连接到接收装置，该同轴开关确定该天线的激活顺序。

在一种变型中，作为固定天线TX的替代，将由未在附图中示出的电动机M3定位的单个天线TX放在通过测量顺序建立的圆周弧中是可能的，电动机M3与第一电动机M1耦接或替换第一电动机M1。

具体地，电动机M3与轮轴21(未在图中示出)耦接并与轮轴22是同心的并且经过水平平台PO。

天线TX借助臂b11与轮轴21可旋转地关联。

用于定位天线TX的***在轮轴21上枢轴旋转(pivot)，该***与天线Rx的轮轴22是同心的。

旋转的零起点借助传感器SM3指示给控制***。

优选地，借助由微波吸收材料制成的涂层，发射天线和接收天线与结构的剩余部分隔离。

具体参考图1，用于测试乳腺组织的完整性的装置包括处理单元3，其经配置处理表示电磁场F1和F2的处理参数。

一般来说，应指出的是，在本文背景以及所附权利要求中，处理单元3呈现为被划分成不同的功能模块(存储模块或运行模块)，仅用于以清晰和完整的方式描述单元本身的功能的目的。

在现实中，处理单元3可以由单个电子装置(如个人电脑、笔记本电脑等)构成，被适当地编程以执行所描述的功能，并且不同的模块可以与硬件实体相对应和/或执行(routine)属于编程装置的软件。

可替换地或附加地，这些功能可以通过在其上可分布上述功能模块的多个电子装置来执行。

而且，处理单元3能够依赖于一个或多个处理器来执行包含在存储模块中的指令。

此外，上述的功能模块可以基于它们连接的网络架构被分布在不同的本地或远程计算机上。

根据本发明，处理单元3包括第一运行模块4，第一运行模块4经配置确定作为反射电磁场F2的函数表示乳腺组织2的电不连续性的主参数MP。

因此，作为主参数MP的函数，证实乳腺组织2内是否存在非完整性是可能的。

换句话说，作为主参数MP的函数，证实乳腺组织2的组成中是否存在异常是可能的。

换言之，基于主参数MP，证实乳腺组织2中是否存在不均匀性是可能的。

根据本发明，处理单元3包括第二运行模块5，其经配置生成作为主参数MP的函数的信号S，信号S表示乳腺组织2的非完整性2a。

信号S可以通过例如运行模块5来生成，并将(例如经由屏幕或显示器)输出仅表示乳腺组织2的非完整性的存在或者也表示该非完整性的位置的值。

有利地，通过利用本发明的技术特征，确定乳腺组织2内的非完整性的位置也是可能的。

利用本发明的程序(方法)，乳腺组织内的S/C比的值约为8dB，即是利用聚焦算法的技术获得的值的大约两倍。

关于进一步的细节，本发明是基于以下的考虑。

让我们考虑具有基本圆形截面的乳腺组织2；让我们假设对应于高度Q1的截面的半径为a₀。a₀的值可以在2到10cm之间变化。

乳腺组织2由在给定频带运行的至少一个天线tx照射。

假设我们事先知道乳腺组织2的介电常数和导电率(导电性)；该信息并不一定是特别准确的。

此外，假设如果乳腺组织2显示就介电常数和电导率而言的均质特性，则可以认为该乳腺组织是完整的，即没有可检测的病状。

相反，如果发现不连续性，完整性的评估会改变并且会出现存在异常的情况。

让我们假设由Tx发射的场在定位在表面上的点rx_np≡(a₀,Φ_np)测量，其中np＝1，...，N_PT。更详细地，传递函数(transfer function)经由VNA或等效结构(也被称为s12)的模量(modulus)和相位(phase)中来测量。传递函数在运行频带的离散频率f_i的若干NF上进行测量。利用惠更斯原理，对乳腺组织2内的场进行计算。具体地，第一运行模块4经进一步配置作为反射电磁场F2的函数并利用惠更斯原理计算在乳腺组织2内的电磁场，并且经进一步配置确定作为在乳腺组织内计算的电磁场的函数的主参数MP，主参数MP表示乳腺组织2的电不连续性。在其他参数相等的情况下，与已知的技术相比，使用惠更斯原理保证较高的信号杂波比和更好的分辨率。此外，应用惠更斯原理并不需要使用迭代算法，因此数值上更加稳定。最后，使用惠更斯原理不需要发射天线TX与接收天线RX之间的同步：作为结果，装置1更简单并且制作更便宜。

如果乳腺组织2包含非完整性，图像I将在对应于该乳腺组织自身非完整性的位置的部位显示峰值信号。

该峰值优选通过约8dB的S/C比来表征，该峰值通过使用在1GHz与3GHz之间的频带以及至少3个发射天线TX获得。

为了除去可能的伪影(artifact)，可以以适当的方式使用时域滤波(time-domain filtering)。

关于更多细节，可执行以下的步骤：

·一个步骤从在频域中的传递函数开始；所述信号可以包含由其中执行测量的环境反射/散射的影响(contribution)，因此对于被分析的乳腺组织是“外部的”；

·一个步骤经由逆傅立叶变换被转换到时域中；可能的“外部”影响(即由其中执行测量的环境反射/散射)将比“内部”影响(即由被分析乳腺组织反射/散射)以更大延迟显示自身；

·所述时域信号乘以时间窗口以便滤掉“外部”成分(component)；

·一个步骤经由傅里叶变换返回到频域。

-传递函数可以在1GHz与3GHz之间的NF＝625离散频率来获得。

该场可以在乳腺组织2的表面上N_pt＝40的角等距离点来测量。

总共M＝4的数据序列(M＝1...4)通过90°的步进通过改变发射天线的位置获得。

有利地，频带NF、N_pt、M可以被改变。

为了执行3D成像操作，公开并要求保护的程序可以被重复多次，从而在沿乳腺组织的高度即纵向范围的不同高度定位天线。这样，获得乳腺组织2的非完整性2a的三维图像，从而允许观察到乳腺组织2的组成的异常状态的空间范围并从而提高量化该异常状态本身的能力是可能的。

处理单元3还可以包括定位模块6。

定位模块6经配置确定作为待测量乳腺组织的函数的臂21的尺寸。

换句话说，本发明的装置可以包括传感器S4，其靠近杯20设置并经配置测量乳腺组织2的尺寸d1。

定位模块6接收作为输入的尺寸d1的值，并且确定臂b21的对应变化。

处理单元3还包括第二定位模块7。

第二定位模块7经配置沿垂直轴AV移动支持平台PO。

换句话说，为了测量乳腺组织，第二定位模块7经配置驱动第二电动机M2以在预定高度Q1定位水平平台PO。

初始高度借助前述传感器SM2向控制***指示。

根据本发明的处理单元3还包括控制模块8。

控制模块8经配置控制一个或多个发射天线(TX)和/或一个或多个接收天线(RX)，以便在激活状态与失活状态之间切换它们。

达到的技术效果是待测试乳腺组织2的最佳测量。

本发明实现了重要的优点。

首先，根据本发明的装置使得以非侵入性并同时可靠的方式确定乳腺组织2中非完整性的存在成为可能。

此外，根据本发明的装置使得以非侵入性的方式并同时以高度可靠性确定乳腺组织2内非完整性的位置成为可能。

另外，该装置允许电磁收发天线的最佳定位，以便确保乳腺组织的最佳测试。

Claims (13)

1.一种用于测试乳腺组织的完整性的装置，所述装置包括：

-一个或多个发射天线(TX)，所述一个或多个发射天线(TX)在微波频带中运行，经配置用主电磁场(F1)攻击乳腺组织(2)；

-一个或多个接收天线(RX)，所述一个或多个接收天线(RX)在相同频带中运行并且经配置拾取对应的反射电磁场(F2)；

-处理单元(3)，其包括：

●第一运行模块(4)，所述第一运行模块(4)经配置作为所述反射电磁场(F2)的函数来确定表示所述乳腺组织(2)的电不连续性的主参数(MP)；

●第二运行模块(5)，所述第二运行模块(5)经配置作为所述主参数(MP)的函数来生成表示所述乳腺组织(2)的非完整性(2a)的信号(S)；

其中，所述一个或多个发射天线(TX)相比于所述一个或多个接收天线(RX)在相对于所述乳腺组织(2)于径向上更靠外部的位置上布置，

且其中，所述一个或多个发射天线(TX)和所述一个或多个接收天线(RX)沿所述乳腺组织的高度在不同的高度被重复定位。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一运行模块(4)经进一步配置：

■作为所述反射电磁场(F2)的函数并利用惠更斯原理计算在所述乳腺组织内的电磁场；

■作为在所述乳腺组织内计算的电磁场的函数确定表示所述乳腺组织(2)的电不连续性的所述主参数(MP)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述发射天线(TX)经配置生成源自不同位置的所述主电磁场(F1)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述发射天线(TX)中的一个或多个每一个被定位在各自的位置上，用于发射所述主电磁场(F1)。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中所述发射天线(Tx)经配置

-相对于所述乳腺组织(2)移动，以便从所述不同位置发射所述主电磁场(F1)。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中所述发射天线(Tx)经配置以预定频率区段发射所述辐射。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其中所述发射天线(Tx)定位在至少三个不同的位置上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括一个或多个接收天线(RX)，所述一个或多个接收天线(RX)经配置拾取在不同方向上的所述反射电磁场(F2)。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述接收天线(Rx)经配置：

-以在所述不同方向拾取所述反射电磁场(F2)的方式移动。

10.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其中所述乳腺组织(2)具有基本上圆形的截面，并且所述一个或多个发射天线(TX)相对于所述组织的基部定位在给定高度上。

11.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述乳腺组织(2)具有基本上圆形的截面，并且所述一个或多个接收天线(RX)相对于所述组织的基部定位在给定高度上。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述一个或多个发射天线(TX)和所述一个或多个接收天线(RX)相对于所述组织的基部定位在相同高度(Q1)上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述处理单元(3)包括控制模块(8)，所述控制模块(8)经配置控制所述一个或多个发射天线(TX)中的一个或多个和/或所述一个或多个接收天线(RX)中的一个或多个，以便在激活状态与失活状态之间切换它们。