本发明专利技术涉及用于在限定的体积或区域内产生特定的场分布的系统。该系统包括电磁场产生元件的阵列，每个元件具有集成的传感器，用于测量金属元件（天线或线圈）中流动的电流或基于槽的元件中的场的幅值和相位；测量设备，以使得能够测量来自传感器的电信号的相位和幅值两者，且具有足够的动态范围用于该信号的量化；具有个别可控的幅值和相位以激励每个电磁场产生元件的多通道射频功率源；以及反馈控制器，使得能够基于来自传感器的信号受控地调整射频功率源的幅值和相位。该系统控制多通道射频功率源的输出，从而使得金属元件中的电流或基于槽的电磁场产生元件中的场提供期望的电磁场值，并且由每个电磁场产生元件产生的场的叠加在所述限定的体积或区域中产生所述特定的电磁场分布。由于由每个传感器采集的信号与相关联的电磁场产生元件中的电流或场的相位和幅值直接相关，并且因此与由阵列元件产生的电磁场直接相关，其中测量的电流或场是施加的（来自射频功率源）和来自互耦和反射的二次激励的两者总和，因此测量的值表示没有互耦、反射和失配情况下的理想激励。反馈控制器修改该直接激励，从而使得总激励是理想的阵列激励而没有耦合或失配。本发明专利技术隐式校正耦合和失配，而无需明确知道互耦和失配以及无需基于互耦和失配的计算（称为耦合矩阵），从而使得由物体的存在造成的耦合矩阵中的变化或物体的改变被固有地考虑在内。此外，通过连续地依次激励每个元件，即使存在源阻抗变化和不确定电缆长度的情况下，本发明专利技术也能够直接确定阵列的确切互耦矩阵，从而使得可以计算初始激励幅值和相位从而允许快速调整到期望的值。一个特定感兴趣的应用是在射频高热涂敷器系统中。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于隐式校正互耦和失配的具有集成的场传感器的电磁场涂敷器阵列
本专利技术涉及用于在空间中的特定区域中创建特定的电磁场状况(condition)，或用于以增强的控制将电磁能量聚焦到介电物体中的系统。
技术介绍
创建特定电磁场状况是从成像到治疗的许多医学应用中的核心要求。本专利技术具有在这两个方面的应用，以及用于通信和传感应用的相控阵技术中的应用。本专利技术的一个应用是为了高热（hyperthermia）的目的在人体某位置处产生特定的场状况。美国国家健康学会的国家癌症学会定义高热（还称作热疗或温热疗法）为其中身体组织暴露在高温（高至45°C）的一种癌症治疗方法。研究已经显示高温可以破坏和杀死癌细胞，而通常对正常组织损害为最低限度。通过杀死癌细胞并破坏细胞内的蛋白质和结构，高热可以使肿瘤缩小。本专利技术涉及局部高热，其中向诸如肿瘤的较小区域加热。有可能使用各种高技术来传送能量以对肿瘤加热。在本专利技术的上下文中，可使用微波或者射频来加热。取决于肿瘤位置，有多种局部高热的方法。在本例子中，使用外部方法来治疗肿瘤。通过涂敷器施加能量。该涂敷器由位于适当区域周围或靠近该适当区域的许多元件构成，并且将能量集中在肿瘤上从而使用相控阵技术提高其温度。高热通常结合其它疗法（诸如放射疗法和/或化学疗法）实施。高热已经被作为很多类型癌症的治疗的一部分而进行，很多类型癌症包括肉瘤、黑色素瘤以及头和颈、脑、肺、食道、乳房、膀胱、直肠、肝、附件、宫颈和腹膜的（间皮瘤）的癌症。相控阵(phasedarrary)天线是由每个具有其自己的馈入点的小（较小）辐射元件组成的天线。相控阵天线是能够电操纵的，这意味着物理天线可以是固定不动的，而天线方向图(pattern)可以通过调整每个元件的幅值加权和相位而被控制，从而使其向特定的区域聚焦，或从而使其能够定位空间中的物体。相控阵还可被用于在空间某位置处产生特定场条件，或被用于将射频（RF）能量聚焦到介电物体，从而提高介电物体或患者内部目标区域的温度，或在患者中感应场和电流以激励原子、神经或其它细胞机制。可以通过将RF能量聚焦到患者从而使得温度被提高来将相控阵用于高热。当相控阵用于这个目的时，由于其向患者施加能量，因此其被称作涂敷器（applicator）。相控阵或涂敷器元件由多通道RF或微波功率源馈给，其中相位和幅值信号是灵敏的从而使得RF或微波能量可以聚焦在目标区域或肿瘤中。阵列元件的数目以及这些元件相对于目标区域的布置限定了可以获得的聚焦的质量。将使用RF高热的例子来阐述本专利技术的益处。尽管在过去已经提出很多系统并将其单独或者与其它疗法一起地用于对肿瘤的高热治疗，但是普遍一直缺乏治疗的一致性和质量。局部高热极重要的一点在于从涂敷器将能量施加或聚焦到目标区域、组织或肿瘤的能力。为了实现满意的治疗结果，整个目标区域应该被充分加热。为了确保此，良好的电磁涂敷器和患者特定模型多优选被用于计划和优化治疗。在高热系统中一直缺乏准确预测能量累积（和/或温度上升）和优化此用于最佳肿瘤治疗的步骤，并且这是造成不佳结果的部分原因。在治疗本身期间，其中RF或微波能量被施加到高热阵列，其中激励幅值和相位从治疗计划中确定，从质量保证的角度而言重要的是，监控由每个元件产生的电磁场监控从而确定实际上正在执行正确的计划的治疗。所有相控阵天线或高热涂敷器所共有的是对多通道源的要求，多通道源可以产生具有准确可控的幅值和相位的大功率信号，将其馈给各个电磁场产生元件。对本专利技术而言使用哪种方法来产生这些信号并不重要。多元件或相控阵涂敷器通常将阵列的元件放置在患者周围，其中有个小水团(waterbolus)填充在患者和阵列之间的空间从而在患者接触面提供表面冷却和更低的反射。美国专利4672980、5251645和5441532都示出典型的相控阵涂敷器。每个都具有以环形阵列放置在患者周围的元件，其中各个天线元件（或在美国专利4672980中的元件对）由具有受控幅值和相位的RF功率源激励。这些系统中没有一个测量实际施加的信号、或会降低有效辐射功率的反射的功率。因此这些因素增加了不确定性，在美国专利5251645和5441532中，场传感器被放置在患者的身体中和身体周围从而测量在那些点处总体施加的场，并且声称使用来自这些传感器的值，可以控制阵列激励从而使得将能量聚焦到目标。美国专利4672980使用不同的方法，其中将温度测量导管插入患者且控制系统从而最大化目标区域中的温度上升。这两种方法的缺点是人体是高度非均匀的，并且在阵列施加的激励和能量累积模式之间没有直观的关系。大体上，这些方法假定知道在一些点处的场或温度是对知道来自每个阵列元件辐射的替代。在文献中，Paulides等人（2007）描述了典型现有技术的系统，其中将施加给每个涂敷器元件的信号的幅值（magnitude）和相位与反射的功率一起测量，从而使得可以调整控制值，以使得鉴于反射，施加的信号是如所期望的。当和适当的治疗计划一起使用时，该系统具有令人满意地执行的潜力。然而，该系统依赖于完全地定义实际设备的计算机仿真模型，且没有可用的手段以完全地考虑激励的元件阻抗和互耦元件在患者对于涂覆器的配准(registration)中的变化。在用于其它应用的相控阵的更广泛的上下文中，美国专利5867123使用一种技术，其激励单个元件并观察由相邻元件接收的信号用于内置测试和故障分析。FultonandChappell（2009）回顾了不同的用于相控阵的校准技术，并且状态阵列应在无回声的（anechoic）环境中被校准从而确定耦合矩阵以使得能够补偿阵列中的互耦。此外，注意到可以引入内部电子硬件用于监控相对来自初始经校准的耦合或传输链增益的任何变化，从而允许施加校正。Lee等人（1992/3）向天线面板引入了传输（微波传输带）线路以与每个元件耦合从而使得电子器件的发送和接收功能可以被测试。传输线路同时从所有元件接收能量或同时向阵列的所有元件注入能量。
技术实现思路
有关射频高热治疗和治疗计划的经验以及知道以上讨论性质的系统的缺点已经使得对仪器和控制系统做出了重要的发展。这些发展通过有保证的场激励很大程度地增强了确定性和一致性。本专利技术在存在互耦、失配和反射的情况下，通过有保证的来自阵列的每个天线元件的场激励增强了一致性，并且因此降低了不确定性。此外，本专利技术使得与使用阻抗或散射矩阵测量相比，允许更准确地确定耦合矩阵，从而使能某种形式的自校准，可对每个正在做治疗的患者进行该自校准。获得如由治疗计划确定的、有保证的场激励的关键是集成到天线元件自身中的传感器的引入，其测量金属元件中流动的电流或基于槽的（slotbased）元件中的场的相位和幅值。这些传感器，在不存在互耦或反射的情况下，提供与激励成比例的测量。然而，不要求考虑连接引线中的失配或相位差，这是因为测量的是天线中的实际电流（或场）。在有互耦和反射的情况下，传感器测量所有激励的总和而不管其来源，因此允许确定实际的辐射场。对每个元件依次的激励和激励的天线和所有其它天线的耦合激励中的电流（或场）的测量将允许阵列的耦合矩阵被直接确定。以上讨论的US专利5867123还依次激励每个元件，但并不将其用作获得自校准的方式；即使这样做了，元件失配会提高不确定性。Lee等人（199本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.06 CH 1439/101.一种用于在限定的体积或区域中产生预定的电磁场分布的系统，其包括多通道射频或微波功率源(18)，连接到所述多通道射频或微波功率源(18)的电磁场产生元件(26)的阵列(19)，以及用于控制所述射频或微波功率源(18)以获得期望由所述电磁场产生元件(26)中的每个产生的电磁场、从而使得由所述电磁场产生元件(26)产生的电磁场的叠加在所述限定的体积中产生所述预定的电磁场分布的反馈控制器(27)，给反馈控制器(27)的反馈是由电磁场产生元件中的每个产生的电磁场的幅值和相位，其中传感器(4)与每个电磁场产生元件(26)集成，用于直接确定元件激励并且因此间接确定由电磁场产生元件(26)中的每个产生的电磁场的幅值和相位，所述系统还包括多个测量设备(20)，每个测量设备(20)与一个相应的传感器(4)互连，并且因此与具有其中集成的所述一个相应的传感器(4)的相关联的电磁场产生元件(26)以信号方式集成，用于确定和输出来自所述一个相应的传感器(4)的信号的幅值和相位，并且因此确定和输出由所述相关联的电磁场产生元件(26)产生的电磁场。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁场产生元件(26)是基于槽的元件或线圈。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述多通道射频功率源(18)配备有控制装置，用于个别控制幅值和相位(8)从而产生个别控制的射频功率输出(11)。4.根据权利要求1或2所述的系统，其中每个电磁场产生元件(26)配备有馈送端口(3)，所述多通道射频功率源(18)的射频功率输出(11)被施加到该馈送端口，以及每个电磁场产生元件(26)配备有集成的传感器(4)，用于测量在金属元件中流动的电流或基于槽的元件(2)中的电磁场的幅值和相位，所述传感器的输出是电信号，该电信号是所述电流或电磁场的度量。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述电磁场产生元件(26)位于阵列(19)配置中，从而使得每个电磁场产生元件(26)可由多通道射频功率源(18)的一个通道的射频功率输出(11)激发，并且从而使得来自电磁场产生元件(26)的集成的传感器(4)的电信号与射频电流成比例，或与在基于槽的元件的情况下的电磁场成比例。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述集成的传感器(4)在存在元件之间互耦的情况下提供由相应的电磁场产生元件(26)产生的电磁场的相对幅值和相位的直接指示，以在存在互耦的情况下提供对施加的电磁场的控制。7.根据前述权利要求1、2或6所述的系统，其中所述测量设备(20)是同相/正交IQ解调器(14)或矢量伏特计，由此将所测量的电信号乘以校准因数提供由每个个别电磁场产生元件...
【专利技术属性】
技术研发人员：M卡普斯蒂克，N库斯特，S库恩，E诺伊费尔德，
申请(专利权)人：ITIS基金会，
类型：
国别省市：
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