本發明專利技術涉及用于在限定的體積或區域內產生特定的場分布的系統。該系統包括電磁場產生元件的陣列，每個元件具有集成的傳感器，用于測量金屬元件（天線或線圈）中流動的電流或基于槽的元件中的場的幅值和相位；測量設備，以使得能夠測量來自傳感器的電信號的相位和幅值兩者，且具有足夠的動態范圍用于該信號的量化；具有個別可控的幅值和相位以激勵每個電磁場產生元件的多通道射頻功率源；以及反饋控制器，使得能夠基于來自傳感器的信號受控地調整射頻功率源的幅值和相位。該系統控制多通道射頻功率源的輸出，從而使得金屬元件中的電流或基于槽的電磁場產生元件中的場提供期望的電磁場值，并且由每個電磁場產生元件產生的場的疊加在所述限定的體積或區域中產生所述特定的電磁場分布。由于由每個傳感器采集的信號與相關聯的電磁場產生元件中的電流或場的相位和幅值直接相關，并且因此與由陣列元件產生的電磁場直接相關，其中測量的電流或場是施加的（來自射頻功率源）和來自互耦和反射的二次激勵的兩者總和，因此測量的值表示沒有互耦、反射和失配情況下的理想激勵。反饋控制器修改該直接激勵，從而使得總激勵是理想的陣列激勵而沒有耦合或失配。本發明專利技術隱式校正耦合和失配，而無需明確知道互耦和失配以及無需基于互耦和失配的計算（稱為耦合矩陣），從而使得由物體的存在造成的耦合矩陣中的變化或物體的改變被固有地考慮在內。此外，通過連續地依次激勵每個元件，即使存在源阻抗變化和不確定電纜長度的情況下，本發明專利技術也能夠直接確定陣列的確切互耦矩陣，從而使得可以計算初始激勵幅值和相位從而允許快速調整到期望的值。一個特定感興趣的應用是在射頻高熱涂敷器系統中。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于隱式校正互耦和失配的具有集成的場傳感器的電磁場涂敷器陣列
本專利技術涉及用于在空間中的特定區域中創建特定的電磁場狀況(condition)，或用于以增強的控制將電磁能量聚焦到介電物體中的系統。
技術介紹
創建特定電磁場狀況是從成像到治療的許多醫學應用中的核心要求。本專利技術具有在這兩個方面的應用，以及用于通信和傳感應用的相控陣技術中的應用。本專利技術的一個應用是為了高熱（hyperthermia）的目的在人體某位置處產生特定的場狀況。美國國家健康學會的國家癌癥學會定義高熱（還稱作熱療或溫熱療法）為其中身體組織暴露在高溫（高至45°C）的一種癌癥治療方法。研究已經顯示高溫可以破壞和殺死癌細胞，而通常對正常組織損害為最低限度。通過殺死癌細胞并破壞細胞內的蛋白質和結構，高熱可以使腫瘤縮小。本專利技術涉及局部高熱，其中向諸如腫瘤的較小區域加熱。有可能使用各種高技術來傳送能量以對腫瘤加熱。在本專利技術的上下文中，可使用微波或者射頻來加熱。取決于腫瘤位置，有多種局部高熱的方法。在本例子中，使用外部方法來治療腫瘤。通過涂敷器施加能量。該涂敷器由位于適當區域周圍或靠近該適當區域的許多元件構成，并且將能量集中在腫瘤上從而使用相控陣技術提高其溫度。高熱通常結合其它療法（諸如放射療法和/或化學療法）實施。高熱已經被作為很多類型癌癥的治療的一部分而進行，很多類型癌癥包括肉瘤、黑色素瘤以及頭和頸、腦、肺、食道、乳房、膀胱、直腸、肝、附件、宮頸和腹膜的（間皮瘤）的癌癥。相控陣(phasedarrary)天線是由每個具有其自己的饋入點的小（較小）輻射元件組成的天線。相控陣天線是能夠電操縱的，這意味著物理天線可以是固定不動的，而天線方向圖(pattern)可以通過調整每個元件的幅值加權和相位而被控制，從而使其向特定的區域聚焦，或從而使其能夠定位空間中的物體。相控陣還可被用于在空間某位置處產生特定場條件，或被用于將射頻（RF）能量聚焦到介電物體，從而提高介電物體或患者內部目標區域的溫度，或在患者中感應場和電流以激勵原子、神經或其它細胞機制。可以通過將RF能量聚焦到患者從而使得溫度被提高來將相控陣用于高熱。當相控陣用于這個目的時，由于其向患者施加能量，因此其被稱作涂敷器（applicator）。相控陣或涂敷器元件由多通道RF或微波功率源饋給，其中相位和幅值信號是靈敏的從而使得RF或微波能量可以聚焦在目標區域或腫瘤中。陣列元件的數目以及這些元件相對于目標區域的布置限定了可以獲得的聚焦的質量。將使用RF高熱的例子來闡述本專利技術的益處。盡管在過去已經提出很多系統并將其單獨或者與其它療法一起地用于對腫瘤的高熱治療，但是普遍一直缺乏治療的一致性和質量。局部高熱極重要的一點在于從涂敷器將能量施加或聚焦到目標區域、組織或腫瘤的能力。為了實現滿意的治療結果，整個目標區域應該被充分加熱。為了確保此，良好的電磁涂敷器和患者特定模型多優選被用于計劃和優化治療。在高熱系統中一直缺乏準確預測能量累積（和/或溫度上升）和優化此用于最佳腫瘤治療的步驟，并且這是造成不佳結果的部分原因。在治療本身期間，其中RF或微波能量被施加到高熱陣列，其中激勵幅值和相位從治療計劃中確定，從質量保證的角度而言重要的是，監控由每個元件產生的電磁場監控從而確定實際上正在執行正確的計劃的治療。所有相控陣天線或高熱涂敷器所共有的是對多通道源的要求，多通道源可以產生具有準確可控的幅值和相位的大功率信號，將其饋給各個電磁場產生元件。對本專利技術而言使用哪種方法來產生這些信號并不重要。多元件或相控陣涂敷器通常將陣列的元件放置在患者周圍，其中有個小水團(waterbolus)填充在患者和陣列之間的空間從而在患者接觸面提供表面冷卻和更低的反射。美國專利4672980、5251645和5441532都示出典型的相控陣涂敷器。每個都具有以環形陣列放置在患者周圍的元件，其中各個天線元件（或在美國專利4672980中的元件對）由具有受控幅值和相位的RF功率源激勵。這些系統中沒有一個測量實際施加的信號、或會降低有效輻射功率的反射的功率。因此這些因素增加了不確定性，在美國專利5251645和5441532中，場傳感器被放置在患者的身體中和身體周圍從而測量在那些點處總體施加的場，并且聲稱使用來自這些傳感器的值，可以控制陣列激勵從而使得將能量聚焦到目標。美國專利4672980使用不同的方法，其中將溫度測量導管插入患者且控制系統從而最大化目標區域中的溫度上升。這兩種方法的缺點是人體是高度非均勻的，并且在陣列施加的激勵和能量累積模式之間沒有直觀的關系。大體上，這些方法假定知道在一些點處的場或溫度是對知道來自每個陣列元件輻射的替代。在文獻中，Paulides等人（2007）描述了典型現有技術的系統，其中將施加給每個涂敷器元件的信號的幅值（magnitude）和相位與反射的功率一起測量，從而使得可以調整控制值，以使得鑒于反射，施加的信號是如所期望的。當和適當的治療計劃一起使用時，該系統具有令人滿意地執行的潛力。然而，該系統依賴于完全地定義實際設備的計算機仿真模型，且沒有可用的手段以完全地考慮激勵的元件阻抗和互耦元件在患者對于涂覆器的配準(registration)中的變化。在用于其它應用的相控陣的更廣泛的上下文中，美國專利5867123使用一種技術，其激勵單個元件并觀察由相鄰元件接收的信號用于內置測試和故障分析。FultonandChappell（2009）回顧了不同的用于相控陣的校準技術，并且狀態陣列應在無回聲的（anechoic）環境中被校準從而確定耦合矩陣以使得能夠補償陣列中的互耦。此外，注意到可以引入內部電子硬件用于監控相對來自初始經校準的耦合或傳輸鏈增益的任何變化，從而允許施加校正。Lee等人（1992/3）向天線面板引入了傳輸（微波傳輸帶）線路以與每個元件耦合從而使得電子器件的發送和接收功能可以被測試。傳輸線路同時從所有元件接收能量或同時向陣列的所有元件注入能量。
技術實現思路
有關射頻高熱治療和治療計劃的經驗以及知道以上討論性質的系統的缺點已經使得對儀器和控制系統做出了重要的發展。這些發展通過有保證的場激勵很大程度地增強了確定性和一致性。本專利技術在存在互耦、失配和反射的情況下，通過有保證的來自陣列的每個天線元件的場激勵增強了一致性，并且因此降低了不確定性。此外，本專利技術使得與使用阻抗或散射矩陣測量相比，允許更準確地確定耦合矩陣，從而使能某種形式的自校準，可對每個正在做治療的患者進行該自校準。獲得如由治療計劃確定的、有保證的場激勵的關鍵是集成到天線元件自身中的傳感器的引入，其測量金屬元件中流動的電流或基于槽的（slotbased）元件中的場的相位和幅值。這些傳感器，在不存在互耦或反射的情況下，提供與激勵成比例的測量。然而，不要求考慮連接引線中的失配或相位差，這是因為測量的是天線中的實際電流（或場）。在有互耦和反射的情況下，傳感器測量所有激勵的總和而不管其來源，因此允許確定實際的輻射場。對每個元件依次的激勵和激勵的天線和所有其它天線的耦合激勵中的電流（或場）的測量將允許陣列的耦合矩陣被直接確定。以上討論的US專利5867123還依次激勵每個元件，但并不將其用作獲得自校準的方式；即使這樣做了，元件失配會提高不確定性。Lee等人（199本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.09.06 CH 1439/101.一種用于在限定的體積或區域中產生預定的電磁場分布的系統，其包括多通道射頻或微波功率源(18)，連接到所述多通道射頻或微波功率源(18)的電磁場產生元件(26)的陣列(19)，以及用于控制所述射頻或微波功率源(18)以獲得期望由所述電磁場產生元件(26)中的每個產生的電磁場、從而使得由所述電磁場產生元件(26)產生的電磁場的疊加在所述限定的體積中產生所述預定的電磁場分布的反饋控制器(27)，給反饋控制器(27)的反饋是由電磁場產生元件中的每個產生的電磁場的幅值和相位，其中傳感器(4)與每個電磁場產生元件(26)集成，用于直接確定元件激勵并且因此間接確定由電磁場產生元件(26)中的每個產生的電磁場的幅值和相位，所述系統還包括多個測量設備(20)，每個測量設備(20)與一個相應的傳感器(4)互連，并且因此與具有其中集成的所述一個相應的傳感器(4)的相關聯的電磁場產生元件(26)以信號方式集成，用于確定和輸出來自所述一個相應的傳感器(4)的信號的幅值和相位，并且因此確定和輸出由所述相關聯的電磁場產生元件(26)產生的電磁場。2.根據權利要求1所述的系統，其中所述電磁場產生元件(26)是基于槽的元件或線圈。3.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述多通道射頻功率源(18)配備有控制裝置，用于個別控制幅值和相位(8)從而產生個別控制的射頻功率輸出(11)。4.根據權利要求1或2所述的系統，其中每個電磁場產生元件(26)配備有饋送端口(3)，所述多通道射頻功率源(18)的射頻功率輸出(11)被施加到該饋送端口，以及每個電磁場產生元件(26)配備有集成的傳感器(4)，用于測量在金屬元件中流動的電流或基于槽的元件(2)中的電磁場的幅值和相位，所述傳感器的輸出是電信號，該電信號是所述電流或電磁場的度量。5.根據權利要求2所述的系統，其中所述電磁場產生元件(26)位于陣列(19)配置中，從而使得每個電磁場產生元件(26)可由多通道射頻功率源(18)的一個通道的射頻功率輸出(11)激發，并且從而使得來自電磁場產生元件(26)的集成的傳感器(4)的電信號與射頻電流成比例，或與在基于槽的元件的情況下的電磁場成比例。6.根據權利要求5所述的系統，其中所述集成的傳感器(4)在存在元件之間互耦的情況下提供由相應的電磁場產生元件(26)產生的電磁場的相對幅值和相位的直接指示，以在存在互耦的情況下提供對施加的電磁場的控制。7.根據前述權利要求1、2或6所述的系統，其中所述測量設備(20)是同相/正交IQ解調器(14)或矢量伏特計，由此將所測量的電信號乘以校準因數提供由每個個別電磁場產生元件...
【專利技術屬性】
技術研發人員：M卡普斯蒂克，N庫斯特，S庫恩，E諾伊費爾德，
申請(專利權)人：ITIS基金會，
類型：
國別省市：
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