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サーチボリュームの内容物を測定する方法および装置
説明

サーチボリュームの内容物を測定する方法および装置

サーチボリュームの内容物を測定する方法。この方法は、電磁波エネルギーをサーチボリューム内へ送る1以上の送信機を作動する工程、各々がサーチボリューム内の異なる伝搬経路(典型的には単静的又は双静的経路)に関連づけられる2以上の信号を記録することで、サーチボリュームが電磁波エネルギーの通過に与える影響を検出する工程、各々がサーチボリューム内の異なる伝搬経路(典型的には単静的又は双静的経路)に関連づけられるサーチボリューム内の所望のボクセル上に合成して集束される2以上の整列信号を生成するため信号を整列させる工程、整列信号を処理して2以上のデータ値を生成することで、整列信号におけるコヒーレンスの程度を示す品質係数を計算する工程、整列信号を総和して総和信号を生成する工程、及び総和信号を処理して所望のボクセル位置におけるサーチボリュームの内部構造を示し、品質係数に従って変動する出力を生成する工程を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁波エネルギーを使用してサーチボリューム(search volume)の内容物を測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電磁エネルギーを使用してサーチボリュームの内容物を測定する方法は、特許文献1に記載されている。送信アレイの個々の送信素子は、サーチボリュームの問い合わせを行うために順番に作動される。事後受信、即ち、位相アレイビーム操縦手法を使用して送信および受信アレイのいずれかまたは双方が細胞上に集束されたならば生じたであろうシフトをシミュレートするために、反射信号が記録され、適切な位相または時間シフトが挿入される。
【0003】
サーチボリュームの内容物を測定する他の方法は、特許文献2に記載されている。この方法は、電磁波エネルギーをサーチボリューム内へ送るような1つまたは複数の送信機を作動する工程と、1つまたは複数の受信機で、それぞれが異なる送信機/受信機の対に関連づけられる2つ以上の信号を記録することによって、サーチボリュームが電磁波エネルギーの通過に与える影響を検出する工程と、信号を前処理して、それぞれが異なる送信機/受信機の対に関連づけられる2つ以上の前処理された信号を生成するような前記信号を前処理する工程と、それぞれが異なる送信機/受信機の対に関連づけられ、サーチボリューム内の所望のボクセルに合成して集中する2つ以上の整列信号を生成するため、前処理された信号を整列させる工程と、整列信号を総和して、所望のボクセル位置におけるサーチボリュームの内部構造を示す出力を生成する工程とを含む。
【0004】
皮膚表面のアーティファクトを除去する様々な方法は、特許文献2に記載されている。しかしながら、これらの方法は、他の影響によって引き起こされたクラッタの除去には、有効ではない。上記他の影響は、アンテナ部分、アンテナフィード、アレイ構造、および体からの単一および複数の反射を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第5920285号明細書
【特許文献2】国際公開第2006/085052号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第1の態様は、サーチボリュームの内容物を測定する方法を提供する。この方法は、
(a)電磁波エネルギーをサーチボリューム内へ送るような1つまたは複数の送信機を作動する工程と、
(b)それぞれが、サーチボリューム内の異なる伝搬経路(典型的には、単静的または双静的経路のいずれか)に関連づけられる2つ以上の信号を記録することによって、サーチボリュームが電磁波エネルギーの通過に与える影響を検出する工程と、
(c)それぞれが、サーチボリューム内の異なる伝搬経路(典型的には、単静的または双静的経路のいずれか)に関連づけられ、サーチボリューム内の所望のボクセル上に合成して集束される2つ以上の整列信号を生成するため、信号を整列させる工程と、
(d)整列信号を処理して2つ以上のデータ値を生成し、データ値を処理して品質係数を生成することによって、整列信号におけるコヒーレンスの程度を示す品質係数を計算する工程と、
(e)整列信号を総和して、総和された信号を生成する工程と、
(f)総和された信号を処理して、所望のボクセル位置におけるサーチボリュームの内部構造を示し、品質係数に従って変動する出力を生成する工程と、
を含む。
【0007】
方法のステップ(b)で記録され、かつ、ステップ(c)で整列させられた信号は、生の測定されたデータ、即ち、アンテナから直接送られる未処理信号を備えてよい。代替的に、前記信号は、例えば、生の測定データ中の望ましくないバックグラウンド信号を低減または除去するため、或る方法で前処理された信号である。
【0008】
本発明の第2の態様は、サーチボリュームの内容物を測定する装置を提供する。この装置は、
(a)サーチボリュームへおよびサーチボリュームから電磁波エネルギーを送るおよび受け取るように構成されたアンテナアレイ、および
(b)プロセッサ
を備え、プロセッサは、
(i)それぞれは、サーチボリュームが電磁波エネルギーの通過に与える影響を示し、およびサーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連づけられる2つ以上の信号を記録し、
(ii)それぞれが、サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連づけられ、サーチボリューム内の所望のボクセル上に合成して集束される2つ以上の整列信号を生成するため信号を整列させ、
(iii)時間整列信号を処理して2つ以上のデータ値を生成し、データ値を処理して品質係数を生成することによって、整列信号におけるコヒーレンスの程度を示す品質係数を計算し
(iv)整列信号を総和して、総和信号を生成し、
(v)総和信号を処理して、所望のボクセル位置におけるサーチボリュームの内部構造を示し、品質係数に従って変動する出力を生成するように構成される。
【0009】
プロセッサによって記録および整列させられる信号は、生の測定データ、即ち、アンテナアレイから直接送られる未処理信号を備えてよい。代替的に、前記信号は、例えば、生の測定データ中の望ましくないバックグラウンド信号を低減または除去するため、或る方法で前処理された信号であってもよい。
【0010】
下記で説明される本発明の1つの実施形態において、各データ値は1つまたは複数の整列信号のエネルギーを示す。しかしながら、各データ値は、例えば、次のような他の特性を示してもよい。
・ 1つまたは複数の整列信号の振幅
・ 1つまたは複数の周波数における1つまたは複数の整列信号のスペクトル成分の振幅
・ 1つまたは複数の周波数における1つまたは複数の時間整列信号のスペクトル成分
・ 1つまたは複数の時間整列信号の到着時間
【0011】
品質係数を計算するステップは、データ値の統計的分散の程度を示すパラメータを計算する工程を含んでよい。このパラメータは、例えば、標準偏差、分散、範囲、四分位範囲、平均差、平均絶対偏差、均分絶対偏差、または前述したデータ値ばらつきの同様な統計的測度である。
【0012】
品質係数を計算するステップは、整列信号の全エネルギーの総和に対する総和信号の総エネルギーを査定するパラメータを計算する工程を含んでよい。これらのエネルギーは、全体の信号から計算されるか、もし信号の特定帯域を強調したいのであれば、信号帯域幅の一部分のみから計算されてよい。
【0013】
品質係数を計算するステップは、異なる数の整列信号を総和することによって生成される一連の各異なる総和信号を生成する工程、および異なる総和信号を処理して品質係数を計算する工程を含んでよい。例えば、異なる総和信号は、一連の異なるデータ値(例えば、エネルギー値)を生成して、異なるデータ値へ曲線を当てはめるように処理されてよい。これは、データ値の統計的ばらつきの程度を示すパラメータと組み合わせて実行されるか、別々に実行されてよい。なお、総和の順序を変更することによって、異なる結果を得られる。
【0014】
典型的には、曲線は多項式曲線、例えば、二次曲線である。
【0015】
典型的には、ステップ(a)は2つ以上の送信機を逐次に作動する工程を備える。次いで2つ以上の信号が逐次に記録され得て、各信号は送信機のそれぞれの1つに関連づけられる。代替的に、もし所望されるならば、例えば、符号または周波数多重化といった任意の適切な多重化スキームによって、2つ以上の送信機から同時伝送が達成され得る。
【0016】
アンテナは単静的に作動されてよい。即ち、同一アンテナで送信および受信する。代替的または追加的に、ステップ(b)は、第1のアンテナで、各々が送信機のそれぞれの1つに関連づけあれる2つ以上の第1の信号を逐次または同時に記録する工程、および第2のアンテナで、各々が送信機のそれぞれの1つに関連づけられる2つ以上の第2の信号を逐次または同時に記録する工程を備えてよい。
【0017】
典型的には、サーチボリュームは、ヒトまたは動物の体の一部分、例えば、ヒトの胸部である。
【0018】
なお、方法の様々な要素は一連のステップ(a)〜(f)として示されるが、これらのステップは、相互に対して任意の順序でまたは同時に実行されてもよいことが理解される。例えば、ステップ(d)は、ステップ(e)の前または後または同時に実行されてもよい。
【0019】
なお、さらに、方法の様々な要素は区別可能なステップ(a)〜(f)として示されるが、これらのステップの幾つかは算術等価物によって合併または置換されてもよいことが理解される。例えば、ステップ(e)で整列信号を総和し、次いでステップ(f)で総和信号と品質係数とを乗じる代わりに、個々の整列信号の各々が、総和される前に品質係数を乗じられてもよい。
【0020】
下記の好ましい実施形態では、マイクロ波エネルギーが使用され、ヒトの胸部の内部構造を測定するが、より一般的な用語では、光周波数電磁エネルギーを含む任意のエネルギー周波数が使用されてもよい。例として、空域のレーダ撮像、セキュリティへの応用を目的とした部屋の貫通壁レーダおよび撮像が挙げられる。したがって、サーチボリュームは離散物体(例えば、ヒトまたは動物の体の一部分)またはさらに一般的なサーチボリューム、例えば、空域または海域を含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【0021】
本発明の様々な実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【0022】
【図1】胸部腫瘍撮像システムのシステム概観図である。
【図2】エネルギー収集データ値の曲線の例を示す。
【図3】(a)標準遅延および総和(DAS)および(b)QF=aを用いる改善されたDASについて、10mm球状ファントム腫瘍の検出結果を示す。
【図4】Z軸に沿った異なる水平面について、標準および改善されたDASアルゴリズム、即ち、(a)標準DAS,z=−18、(b)標準DAS,z=−27、(c)改善DAS,z=−18、(d)改善DAS,z=−27の場合の2D集束結果を示す。図4の2D輪郭プロットは、3Dボリューム内で最大に正規化された線形目盛上の信号エネルギーを示す。
【図5】焦点P、P、およびP(図6(a)を参照)におけるエネルギー収集データ値の曲線、即ち、(a)標準DASにおけるPの曲線、(a)標準DASにおけるPの曲線、(c)標準DASにおけるPの曲線、(d)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線、(e)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線、(f)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線を示す。
【図6】(a)標準DASおよび(b)QF=aを用いる改善DASについて、7mm球状ファントム腫瘍の検出結果を示す。3Dの図は、散乱エネルギーの−3dB輪郭マップを示す。
【図7】Z軸に沿った異なる水平面について、標準および改善DASアルゴリズム、即ち、(a)標準DAS,z=−9、(b)標準DAS,z=−27、(c)標準DAS,z=−33、(d)改善DAS,z=−6、(e)改善DAS,z=−27、(f)改善DAS,z=−33の2D集束結果を示す。図7の2D輪郭プロットは、3Dボリューム内で最大に正規化された線形目盛上の信号エネルギーを示す。
【図8】焦点P、P、およびP(図6(a)を参照)におけるエネルギー収集データ値の曲線、即ち、(a)標準DASにおけるPの曲線、(a)標準DASにおけるPの曲線、(c)標準DASにおけるPの曲線、(d)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線、(e)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線、(f)多項適合を用いる改善DASにおけるPの曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【0023】
実施形態の詳細な説明
図1に示される胸部癌検出用実開口合成組織レーダ(a real aperture synthetically organised radar)は、胸部1と接近または接触するN個(例えば、3個)のアンテナのアレイ2を採用することによって作動する。各アンテナは、順番に作動されて電磁波エネルギーのパルスを胸部1内へ送り、胸部が電磁波エネルギーの通過に与える影響が、他のアンテナの各々で反射信号y(t)を受け取って信号y(t)を記録することによって検出される。したがって、各信号y(t)は、アンテナのi番目の送信機/受信機の対、したがって、胸部1内の異なる伝搬経路に関連づけられる。パルス生成器8および検出器9は、図1に示されるように、切り換えマトリックス5によって時分割されてよい。任意の送信または受信経路増幅(6、7)も同様である。
【0024】
検出器9は、以下に説明される様々な信号処理ステップを実行するように構成されたプロセッサを含む。信号処理の最初のステップは、生の測定データ中の望ましくないバックグラウンド信号の低減または削除を取り扱う。このプロセスは、等化および3D集束アルゴリズムが適用される前に実行されなければならない。単静的合成開口レーダが胸部癌検出に使用されるとき、腫瘍抽出は強い皮膚反射を測定データから除去することを目的とする。これは、通常、平均皮膚反射信号からの単純減法によって実行されるか(E. Fear, X. Li, S. C. Hagness, and M. Stuchly, “Confocal microwave imaging for breast cancer detection: Localization of tumors in three dimensions,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 49, no. 8, pp. 812−822, August 2002を参照)、またはE. J. Bond, X. Li, S. C. Hagness, and B. D. Van Veen, “Microwave imaging via space−time beamforming for early detection of breast cancer,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 8, pp. 1690−1705, August 2003で示されるような、より複雑なアルゴリズムによって実行される。
【0025】
望ましくないバックグラウンド信号を低減または除去するために、図1のシステムで使用される方法は異なる。多静的実開口アレイ2において、測定された応答は、強い皮膚反射だけでなく、アレイの他の機械的な部分からの反射並びにアンテナ結合信号を含む。全てのこれらの望ましくない信号は、通常、腫瘍応答よりも大きい振幅である。全ての望ましくない信号を減じるため、アンテナアレイ2は物理的に回転させられ、第2のレーダ測定が実行される。この標的変位方法は、望ましくない信号を減じるためレーダ断面積測定で一般的に使用される。例えば、次の文献を参照されたい。
・ R. A. Marr, U. H. W Lammers, T. B. Hansen, T. J. Tanigawa, R. V. McGahan, “Bistatic RCS Calculations From Cylindrical Near−Field Measurements − Part II: Experiments”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 54, Issue 12, Dec. 2006 Page(s): 3857−3864
・ I. J. LaHaie and M. A. Blischke, “Mitigation of multipath and ground interactions in RCS measurements using a single target translation”, in Proc. 23rd Annual Meeting of the Antenna Measurement Techniques Association (AMTA 01), Denver, CO, 2001, pp. 411−416
【0026】
回転によって測定データの2つの集合が与えられる。これらの2つの集合において、望ましくない信号、例えば、アンテナカップリング、または皮膚反射は、ほとんど同じであり、同じ時間位置に現れる。したがって、それらの信号は削除され得る。対照的に、腫瘍応答は、これらの2つの測定集合内で異なる時間位置に現れる(腫瘍応答が回転軸上に存在しない限り)。この手法の応用性は、回転によって規定される所与の角度内の胸部の均質性に依存する。したがって、アレイ回転の角度内で、(a)アンテナ2と皮膚との間の距離は不変に維持されること、(b)皮膚の特性および厚さは同じであること、(c)正常な胸部組織の特性は変化しないことが仮定される。
【0027】
以下に説明される集束アルゴリズムを適用する前に、通常、前処理ステップが実行される。このプロセスは、異なるアンテナ対について散乱腫瘍応答を等化することを目的とする。理想的な前処理は、全ての受信パルスが、同じ形状、振幅になり、完全に時間整列する結果をもたらす。前処理において、次のステップ、即ち、1.減法によって測定データからバックグラウンド信号を低減または削除する、2.組織欠損を等化する、3.球面波面の放射方向広がりを等化する、4.特許文献2に記載されるように皮膚アーティファクトを除去する各ステップが実行される。この後の説明では、簡明にするため、組織欠損の周波数依存性およびアンテナの周波数依存放射パターンを考慮に入れないことにする。
【0028】
遅延および総和(DAS)ビーム形成は、基本的および周知の手法である。例えば、次の文献を参照されたい。
・ Wenyi Shao; Beibei Zhou; Zhaowen Zheng; Gang Wang; “UWB Microwave Imaging for Breast Tumor Detection in Inhomogeneous Tissue”, 2005. IEEE−EMBS 27th Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, Page(s): 1496−1499
・ W. Zhisong, L. Jian, W. Renbiao; “Time−delay− and time−reversal−based robust capon beamformers for ultrasound imaging”, IEEE Transactions on Medical Imaging, Volume 24, Issue 10, Oct. 2005 Page(s): 1308 − 1322
【0029】
まず、上記で説明された前処理ステップが実行される。これらのステップは、任意的にステップ4における皮膚アーティファクトの除去を含む。次に、全ての受信信号について適切な時間遅延Tが計算される。所与の送信機/受信機の対に対する時間遅延Tは、アンテナの位置、焦点の位置r=(x;y;z)、並びに平均波動伝搬速度の推定値に基づいて計算される。波動伝搬速度は、本ケースでは、帯域に渡って一定であると単純に仮定される。
【0030】
本質的に、胸部ボリューム内の所与の焦点における散乱エネルギーは、次式によって表され得る。
【0031】
【数1】

【0032】
ここで、M=N(N−1)/2であり(Nはアレイ内のアンテナの数である)、wは前処理中に計算された場所依存加重であり、yは測定されたレーダ信号であり、Tは場所(x,y,z)への双静的経路に沿った時間遅延である。
【0033】
画像形成の間、焦点は胸部内で1つの位置から他の位置へと移動する。各位置で、全ての時間シフトされた応答がコヒーレントに総和され積分される。積分は、窓内の信号について実行され、積分窓の長さはシステム帯域幅に従って選ばれる。散乱エネルギーの3次元(3D)マップは、このようにして形成される。DASアルゴリズムの主な利点は、その単純性、ロバスト性、および短い計算時間である。
【0034】
改善されたDASアルゴリズムは、上記の式(1)で表された標準DASと対比される追加の加重係数QF(品質係数)を使用する。QFは、コヒーレント集束アルゴリズムの品質係数として解釈され得る。1つの可能な実現において、それは3つのステップで計算される。まず、各焦点について、累積エネルギー収集曲線がコヒーレント信号総和の間にプロットされる。腫瘍応答を含む焦点でのそのような測定曲線の例は、図2に示される。
【0035】
図2の曲線のX軸は、上記の式(1)のMに対するそれぞれの値を表し、Y軸は、Mのその値に対するF(x,y,z)を表す。言い換えれば、曲線を形成する第1のデータ値は(ここでM=1)、1つの送信機/受信機の対のみからのエネルギーを表し、中点(ここでM=60)は、送信機/受信機の対の半分からの信号の総和からのエネルギーを表し、最後のデータ値(ここでM=120)は、全ての送信機/受信機の対からの信号の完全総和からのエネルギーを表す。したがって、全レーダ信号の総和の後に取得されたこの最後のデータ値は、上記の式(1)における集束エネルギーF(x,y,z)に等しい。
【0036】
次に、図2のエネルギー収集曲線は、総和で使用された全レーダ信号について、エネルギーの標準偏差σへ正規化されることによって再スケールされる。正規化は1/(1+σ)による乗法を使用して実際に実行される。なぜならば、全ての(等化された)測定レーダ信号でエネルギーが等しい理想的なケースでは、σ=0だからである。これは、等化に続いて、等しいエネルギーの所望のケースに一層よく似る信号へより大きい加重を与えるためのデータのヒューリスティックスケーリング(a heuristic scaling)と考えられる。このヒューリスティック加重(this heuristic weighting)の利用性は、次のセクションで示される結果から証明される。
【0037】
最後のステップで、プロセッサは二次多項式(y=ax+bx+c)の係数を推定する。これはコヒーレントなエネルギー収集の正規化曲線の最小二乗誤差適合である。二次多項式の選択は、完全コヒーレント信号総和の間の累積エネルギー収集曲線が二次曲線に倣うという事実によってもたらされる。次いで、プロセッサはQF=aと仮定する。
【0038】
従って、改善されたDASアルゴリズムの特性方程式は、次式のように表される。
【0039】
【数2】

【0040】
ここで、
・ y(t)は、i番目の測定されたレーダ信号である。
・ τは、積分窓の持続時間であり、帯域幅の逆数に略等しい。
・ w(x,y,z)y(t)は、時間tにおけるi番目の送信機/受信機の対に関連づけられた前処理信号である。
・ w(x,y,z)y(t−T(x,y,z))は、時間(t−T(x,y,z))に、位置x,y,zにおけるサーチボリュームの所望のボクセル上に合成して集束され、i番目の送信機/受信機の対に関連づけられた時間整列信号である。
・ QF(x,y,z)は、時間整列信号を処理して、図2に示されるエネルギーデータ値曲線を生成し、エネルギーデータ値曲線を処理して品質係数QFを生成することによって計算された品質係数である。品質係数QFは、位置x,y,zにおける整列信号のコヒーレンスの程度を示す。
【0041】
下記のセクションAおよびBは、湾曲アンテナアレイおよび3D胸部ファントムを使用する腫瘍検出の実験的結果を示す。標準DASアルゴリズムの集束結果は、改善されたDASの集束結果と比較され、双方のアルゴリズムの差が議論される。結果は、2つの異なるサイズの、異なる位置にある腫瘍、即ち、(a)位置P(x=20,y=20,z=−20)にある10mm球状腫瘍、(b)位置P(x=20,y=10,z=−10)にある7mm球状腫瘍について示される。全ての座標はmmで引用される。
【0042】
セクションA.10mm球状ファントム腫瘍
図3aおよび図3bは、位置P(x=20,y=20,z=−20)にある10mm球状ファントム腫瘍の3D集束結果を示す。具体的には、これらの図面は散乱エネルギーの−3dB輪郭マップを提示し、散乱エネルギーは位置x,y,zにおける所望のボクセル位置でサーチボリュームの内部構造を示すものと仮定される。図3aおよび図3bは、方程式1の標準DASアルゴリズム(図3(a))および方程式2の改善DASアルゴリズム(図3(b))の出力を対比する。図3(a)で分かるように、標準DASアルゴリズムを使用して集束するとき、画像内に幾つかの散乱体が存在する。3Dボリューム全体の中で最も強い散乱体は位置P(x=15,y=18,z=−18)にあり、これは腫瘍応答に関連づけられる。図3aは、位置P(x=−21,y=9,z=−18)およびP(x=−18,y=−21,z=−27)にある2つの他の強い散乱体の場所も示す。図4(a)および図4(b)は、クラッタに関連づけられたP、P(双方ともにz=−18)およびP(z=−27)信号を含む水平面(Z軸)における標準DASの2D集束結果を示す。2D輪郭プロットは、3Dボリューム全体で最大に正規化された線形目盛上の信号エネルギーを示す。各平面における皮膚の場所は、黒い円として示される。腫瘍を含む平面の図4(a)から、集束された腫瘍応答(P)が比較的容易に認識することができ、近くに双子の腫瘍応答が存在する(x=18、y=9の位置; 双子の標的応答は、バックグラウンド減法方法、つまり10度の機械的アレイ回転に起因する)。図4aは、位置Pにおける強いクラッタ、および不完全なバックグラウンド減法から起こる他の位置での弱いクラッタを更に示す。図4(b)は、Pにおける強いクラッタ散乱体を含む平面(z=−27)を介する2D集束結果を示す。
【0043】
本明細書で示される改善DASアルゴリズムを使用して、著しく良好な検出結果が得られる。改善DASの3Dおよび2D集束結果は、図3(b)および図4(c)〜図4(d)に示される。図3bに示される散乱エネルギーの3D輪郭マップは、腫瘍応答(P)および双子の腫瘍応答のみを含む。標準DASを使用して得られた図3aの画像とは異なり、他のクラッタ散乱体は見られない。単一の3−Dデータセット内の最強クラッタエネルギーに対する腫瘍応答エネルギーの比として定義される信号対クラッタ比は、標準DASの1.25dBから改善DASの3.9dBへ改善された(2.65dBの改善)。
【0044】
図4(c)および図4(d)に示される2D結果では、同じく改善された性能が見られる。図4cに示されるように、Pを含む水平面では、腫瘍応答が明瞭に目立ち、クラッタは画像内にほとんど存在しない。図4dに示されるように、Pを含む平面では、クラッタも著しく抑えられる。標準DASと対比して、図3および図4に示される結果は、追加の加重QFを使用する新規のDASアルゴリズムの改善された腫瘍検出を示す。
【0045】
次のセクションは、改善されたDASアルゴリズムのこの特定の変形例を分析し、この変形例が良好な結果を提供する理由を解明する。これを行うために、前に言及された3つの焦点(P,P,P)で、新規のアルゴリズムの全ステップを検討する。測定されたデータから(機械的アレイ回転によって)バックグラウンド信号を減じた後、結果の信号は前処理および時間整列される。この初期ステップは、標準および改善DASアルゴリズムの双方で同じである。次いで、全ての前処理および時間整列された信号(アレイ2について120の信号)は、コヒーレントに総和され、120のスカラエネルギー量を与える。
【0046】
このプロセスの間に、集束ボリューム内の各焦点で、累積エネルギー収集データ値の曲線が得られる。この曲線は、焦点P、P、Pについて、それぞれ図5(a)、図5(b)、図5(c)に示される。図5a〜図5cのデータ値は、図2に示されるデータ値と同様の方法で生成される。即ち、各データ値は、Mの所与の値についてF(x,y,z)を表す。もし標準DASアルゴリズムを使用して腫瘍場所Pのために集束されたエネルギーが単位F(P)=1であると仮定すれば、焦点PおよびPで集束されたエネルギー値は、それぞれF(P)=0.88およびF(P)=0.85である。次に、改善されたDASアルゴリズムは、全レーダ信号についてエネルギーの標準偏差σを計算し、σに正規化することによってエネルギー収集曲線を再計算する。そのように行う根本的理由は、初期前処理等化ステップの後、全レーダ信号が同様のエネルギーを有するという事実に基づく。
【0047】
図5d〜図5f(実曲線)は、それぞれの場所P、P、およびPの再スケール(正規化)された曲線を示す。この正規化の後、結果の改善をみることができる。なぜならば、PおよびPの曲線は、Pよりも著しく小さい振幅を有するからである。クラッタ信号は完全に無相関であると考えることはできないので、σを加重係数として単純に使用することはせず、次のようにレーダ信号のコヒーレント総和に関連した追加規準を適用する。
【0048】
まず、理想的な場合、累積エネルギー収集曲線は放物線(y=x)に倣うと仮定する。放物線に倣うのは、例えば、もしn個の同相単位振幅シヌソイドが総和されるならば、結果としてのシヌソイドは振幅nを有するからである。エネルギーは二乗に比例するから、エネルギーはnと共に大きくなる。しかしながら、クラッタを含む曲線は放物線に倣わない。なぜなら、シヌソイドは同じ位相を有しないからである。例えば、もしn個の位相が異なるシヌソイドが加算されるならば、結果としてのシヌソイドの振幅はnよりも小さい。更なる例として、もしn+1番目の信号が前のn個の信号の平均に対して逆位相であれば、それは実際に増分よりもむしろ累積エネルギーの低減を生じる結果となる。
【0049】
したがって、システムにおけるレーダ信号のコヒーレント加法の「品質」をチェックするため、プロセッサは測定エネルギー収集曲線への二次多項式(y=ax+bx+c)適合を(最小二乗の意味で)実行する。このプロセスは、正規化された曲線上で実行される。多項式当てはめの結果は図5(d)〜図5(f)(点曲線)に示され、xに関連づけられた定数aは、Pについてa=0.167であり、Pについてa=0.071であり、Pについてa=0.028である。故に、QF=aと仮定すれば(方程式2を参照)、この例において改善DASを使用して集束されたエネルギーは、F(P)=1、F(P)=0.38、およびF(P)=0.14である。
【0050】
セクションB.7mm球状ファントム腫瘍
このセクションは、より小さい7mmの球状腫瘍ファントムの検出を示す。図6では、位置P(x=20, y=10, z=−10)にある6mm球状ファントム腫瘍について、3D集束結果が示される。図6aおよび図6bは、標準DASアルゴリズム(図6(a))および改善DASアルゴリズム(図6(b))を使用して集束が実行されたときの散乱エネルギーの−3dB輪郭マップを示す。
【0051】
図6(a)で分かるように、標準DASアルゴリズムを使用すると、画像内に多数の散乱体が存在する。10mm腫瘍についてセクションAで前に説明したように、次の分析もまた3つの焦点に集中される。即ち、P(x=21, y=9, z=−6)に位置する球状ファントム腫瘍、P(x=−24, y=−15, z=−27)に位置する最強クラッタ散乱体、およびP(x=18, y=−9, z=−33)に位置する他の強いクラッタである。図6(b)では、改善DASアルゴリズムについて、Pに明瞭に見える腫瘍散乱体を有し、他のクラッタ標的を有しない著しく良好な画像が示される。信号対クラッタ比は、標準DASの0.8dBから改善DASの5.2dBへ改善され、提案されたアルゴリズムを使用すると4.4dBのより良好な性能を提供した。
【0052】
標準DASの全ての2D集束画像を見ると、クラッタ強度は、一般的に皮膚へ近づくと増加することが観察される。この観察は、上記で精査された焦点の場所を見るときに確認される。3D胸部ファントムでは、2mm皮膚層は半径rskin=59mmを有する。Pにおける真の腫瘍応答は、皮膚から35mm離れたところに位置し(rP=24mm)、Pにおける最強クラッタ信号は皮膚から20mm離れたところに位置し(rP=39mm)、Pにおける他の強いクラッタも皮膚から20mm離れたところに位置する(rP=39mm)。このように、全ての強いクラッタ信号は、腫瘍よりも皮膚の近くに位置する。
【0053】
図8では、焦点P、P、Pについて累積エネルギー収集曲線が示される。標準DASアルゴリズムに関連づけられたプロットは、焦点P、P、Pについてそれぞれ図8(a)、図8(b)、および図8(c)に示される。全レーダ信号の総和の後に得られる値は、標準DASにおける集束エネルギーFに等しい。次に、改善DASアルゴリズムにおいて、プロセッサは全レーダ信号についてエネルギー標準偏差σを計算し、σへ正規化することによってエネルギー収集曲線を再計算する。場所P、P、およびPの結果の正規化曲線は、それぞれ図8(d)、図8(e)、および図8(f)で描かれる(実曲線)。
【0054】
正規化の後、PおよびPに対する曲線はPと比較して著しく減少したことが観察される。これはレーダ信号のエネルギー成分の標準偏差の一層高い値に起因する。次に、プロセッサは正規化エネルギー収集曲線上で二次多項式適合を実行し、加重係数QF=aを得る。多項式適合の結果は、図8(d)〜図8(f)に点曲線として示される。xに関連づけられた定数aは、Pについてa=0.094、Pについてa=0.01、Pについてa=0.049である。興味深いことに、焦点距離PおよびPに対する非コヒーレント信号総和のため、aは、Pの場合よりも低い絶対値を有するだけでなく、負の符号を有することもある。(方程式2におけるように)改善DASアルゴリズムを使用する集束エネルギーFは、焦点について負となって、QF=a<0であり、さらに撮像結果を改善する。
【0055】
代替の配列は、下記の方程式(3)に記述されるように品質係数QFを評価することによって得られる。
【0056】
【数3】

【0057】
したがって、この場合、M個の整列信号を総和して、総和信号から第1のエネルギーデータ値E1を生成することによって、品質係数は次のように計算される。
【0058】
【数4】

【0059】
M個の整列信号のエネルギーを総和して、第2のエネルギーデータ値E2を生成する。
【0060】
【数5】

【0061】
次いで比E1/E2を計算する。
【0062】
この品質係数は、信号におけるコヒーレンスの程度の測度であることも分かる。したがって、上記の改善DAS方法で提示された結果と同様の結果を産出する。
【0063】
本発明は、これまで1つまたは複数の好ましい実施形態を参照して説明されたが、添付された特許請求の範囲で規定される発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更または修正が行われてもよいことが理解されるであろう。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)電磁波エネルギーを前記サーチボリューム内へ送るような、1つまたは複数の送信機を作動する工程と、
(b)それぞれが、前記サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連付けられる、2つ以上の信号を記録することによって、前記サーチボリュームの前記内容物が前記電磁波エネルギーの通過に与える影響を検出する工程と、
(c)それぞれが、前記サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連付けられ、前記サーチボリューム内の所望のボクセル上に合成して集束される2つ以上の整列信号を生成するため、前記信号を整列させる工程と、
(d)前記整列信号を処理して2つ以上のデータ値を生成し、前記データ値を処理して品質係数を生成することによって、前記整列信号におけるコヒーレンスの程度を示す前記品質係数を計算する工程と、
(e)前記整列信号を総和して、総和信号を生成する工程と、
(f)前記総和信号を処理して、前記所望のボクセル位置における前記サーチボリュームの前記内容物を示し、前記品質係数に従って変動する出力を生成する工程と、
を含むサーチボリュームの内容物を測定する方法。
【請求項2】
前記データ値の各々が、1つまたは複数の前記整列信号のエネルギーを示す、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記品質係数を計算するステップが、前記データ値の統計的分散の程度を示すパラメータを計算する工程を含む、請求項1または請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記品質係数を計算するステップが、前記整列信号の全エネルギーの総和に対する前記総和信号の総エネルギーを査定するパラメータを計算する工程を含む、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
信号帯域幅の一部分からのみエネルギーが計算される、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記品質係数を計算するステップが、異なる数の前記整列信号を総和することによって生成される一連の各異なる総和信号を生成する工程と、前記異なる総和信号を処理して一連の異なるデータ値を生成する工程と、前記異なるデータ値へ曲線を当てはめる工程とを含む、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記総和の順序を変更することによって、異なる結果が達成される、請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記曲線が多項式曲線である、請求項6または請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記総和信号がエネルギーに比例し、前記曲線が二次曲線である、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
前記ステップ(b)で記録される前記信号が等化信号である、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記ステップ(a)が、2つ以上の送信機を逐次に作動する工程を備える、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記ステップ(b)は、それぞれが、前記サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連づけられる2つ以上の信号を逐次に記録する工程を備える、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記サーチボリュームが、ヒトまたは動物の体の一部分である、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記整列信号を総和し、前記総和された信号から第1のエネルギーデータ値を生成し、前記整列信号のエネルギーを総和して第2のエネルギーデータ値を生成し、前記2つのエネルギーデータ値の比を計算することによって前記品質係数が計算される、請求項4に記載の方法。
【請求項15】
前記ステップ(b)で記録される前記信号が、前処理された信号である、請求項1から請求項14のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
(a)電磁波エネルギーを前記サーチボリュームへおよび前記サーチボリュームから送るおよび受け取るように構成されたアンテナアレイと、
(b)プロセッサと
を備え、前記プロセッサは、
(i)それぞれは、前記サーチボリュームが前記電磁波エネルギーの通過に与える影響を示し、かつ前記サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連づけられる2つ以上の信号を記録し、
(ii)それぞれが、前記サーチボリューム内の異なる伝搬経路に関連づけられ、前記サーチボリューム内の所望のボクセル上に合成して集束される2つ以上の整列信号を生成するため、前記信号を整列させ、
(iii)時間整列した前記信号を処理して2つ以上のデータ値を生成し、前記データ値を処理して品質係数を生成することによって、前記整列信号におけるコヒーレンスの程度を示す前記品質係数を計算し、
(iv)前記整列信号を総和して、総和信号を生成し、
(v)前記総和信号を処理して、前記所望のボクセル位置における前記サーチボリュームの前記内容物を示し、前記品質係数に従って変動する出力を生成する
ように構成された、サーチボリュームの内容物を測定する装置。

【図1】
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【図2】
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【図3a】
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【図3b】
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【図4a】
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【図4b】
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【図4c】
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【図4d】
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【図5】
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【図6a】
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【図6b】
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【図7a】
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【図7b】
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【図7c】
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【図7d】
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【図7e】
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【図7f】
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【図8】
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【公表番号】特表2011−505173(P2011−505173A)
【公表日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−531584(P2010−531584)
【出願日】平成20年11月4日(2008.11.4)
【国際出願番号】PCT/GB2008/003721
【国際公開番号】WO2009/060182
【国際公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【出願人】(510119544)マイクリーマ リミテッド (2)
【Fターム(参考)】