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

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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 发明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。

本发明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。

本发明涉及局部高热，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。在本发明的上下文中，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(phased arrary)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发明的益处。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。对本发明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(water bolus)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。Fulton and Chappell（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。

发明内容

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。本发明在存在互耦、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，本发明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（slot based）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（1992/3 包括了引入到天线面板中的传输线路，但缺乏个别感测每个天线元件的能力， 并且没有公开任何动机或能力以确定由直接激励或者互耦激励造成天线电流 （或场）。因此，该系统被用作诊断工具而没有被用于场激励的控制。

本发明包括电磁场产生元件的阵列，并且在每个中集成有传感器，传感 器用于测量在金属元件（天线或线圈）中流动的电流或基于槽的元件中的场 的相位和幅值，传感器链接到测量设备，从而使能对来自每个传感器的电信 号的相位和幅值两者的测量，此外，由于由每个传感器采集的信号与相关联 的电磁产生元件中电流或场的相位和幅值直接成比例（其中电流或场是其幅 值和相位是所施加的（来自射频功率源）的激励和来自互耦和失配的二次激 励两者总和的总电流或场），因此测量的值代表在没有互耦和失配情况下的理 想激励。然后本发明使用天线中嵌入的传感器来添加更多的功能，例如，通 过多通道射频或微波功率源、具有个别可控的幅值和相位的、每个阵列元件 的直接激励可以使用反馈控制器修改，以使得由嵌入的（金属中的电流或基 于槽的天线中的场）传感器测量的总激励是没有耦合或失配的理想的阵列激 励，从而使得由每个电磁场产生元件产生的场的叠加在限定的体积或区域中 产生特定的电磁场分布。在没有明确知道互耦和失配（称作为耦合矩阵）并 且基于互耦和失配的计算的情况下对互耦和失配进行隐式校正，从而使得由 对象的存在或其变化造成的该耦合矩阵中的变化被固有地考虑在内。此外， 使用每个元件的顺序激励，即使存在源阻抗中的变化和不确定的电线长度的 情况下本发明也可直接确定阵列的确切互耦矩阵，这对于确定电磁场产生元 件的阵列的初始激励是有用的，从而使得反馈可更迅速地获得预定义的理想 阵列激励。

附图说明

图1是示出两个相邻阵列元件（背腔式槽(cavity backed slot)），一个示出 本发明的一种可能实施方式的并入；

图1a是两个相邻阵列元件（背腔式槽），其中一个元件的腔屏蔽被切去；

图2是对整个的RF高热涂敷器相控阵的说明，没有包括小传感器元件的 细节；

图3示出多通道射频功率源；

图4示出单通道的测量设备；

图5是对整个系统的说明，其中相位和幅值受控的多通道发射机和相位/ 幅值检测器被测量总线连接到测量和计算机控制器；

图6是对用于射频高热的阵列的说明，其中小水团被示出放置在阵列元 件和患者之间用于减少反射和便于表面冷却。

具体实施方式

本发明涉及由五个集成的部分组成的系统，是这些部分中一些的新颖特 性以及它们作为整体的集成和使用提供了创新。第一集成的部分是电磁场产 生元件（图1），其被布置为任意几何形状的阵列（图2）。元件的阵列与射频 功率源连接（图3），射频功率源具有许多独立地相位和幅值计算机可控的通 道。电流（或场）感测元件集成到每个电磁场产生元件中，其产生与产生的 电磁场成比例的电输出，每个电信号由测量幅值和相位的测量设备（图4） 测量。测量数据经由测量总线通信到测量控制器。控制计算机利用测量数据 来控制射频功率源，从而使得产生的电磁场是所需要的场，整个系统及互连 在图5中示出。

本发明的说明性应用是相控阵19涂敷器系统（图5），其可以在空间中 特定的位置处产生特定的场条件或将RF能量聚焦到介电物体。对金属、槽 或线圈元件26中电流或场的直接测量允许对由电磁场产生元件产生的辐射 或无功(reactive)场的直接量化。更具体地，本发明提供了这种可能，即隐式 校正在电磁场中由涂敷器阵列19中的互耦和失配产生的扰动，而无需明确地 测量耦合矩阵以及对来自射频功率源18的激励应用校正。可以通过实验或数 值手段确定金属元件中的电流（或基于槽元件中的场）到从元件传感器4的 电输出到辐射或无功场之间的直接关系。

本发明的目的之一是提供确定用于射频高热应用（图2和图6）的电磁 场产生元件19的阵列中，每个元件26（图1）的实际辐射的或无功近场的改 进的手段，其中由患者、介电物体和其它系统部件造成的直接负荷改变元件 26的输入端口3之间的耦合和在该处看到的匹配，或其中射频功率源通道11 的源阻抗没有被很好地体现。

本发明的又一目的是提供对来自多通道射频功率源18的真实阵列激励 是计划的激励的更高级别的信心，从而确保对由电磁场产生元件的阵列19产 生的场分布的更高质量的控制。为了实现此目的，使用具有足够灵敏度的诸 如矢量伏特计或同相/正交解调器的测量设备测量产生的电磁场（图4）。如图 4中所示，可以添加额外的电路，从而允许通过不仅经由总线分布（distribute） 本地振荡器，而且可被切换到输入的相位参考，来允许便于幅值和相位检测 器的自校准，从而允许校准和/或相位模糊去除进一步降低不确定性。

另外，本发明提供了一种新的范例，用于通过在将互耦和失配考虑在内 的情况下隐式地测量产生的电磁场，进行阵列互耦的校正。因此，实际的激 励和计划的激励特别是在存在治疗计划期间不能模型化的变化时具有较小的 偏差。

此外，本发明没有限制在目标区域周围或靠近目标区域的涂敷器阵列元 件26的几何形状或布置（图2）并且可以被适用于电磁场产生元件19的任 何通用阵列。特别地，没有对介电物体（诸如患者）的邻近度或其它互耦或 元件匹配修改属性的限制。

尽管集成的电流或场传感器4（图1）隐式地考虑失配和互偶，本发明允 许以比从S-参数计算耦合矩阵的标准技术更高的准确度、并且以不用将涂敷 器阵列19从射频功率源18（图5）断开并将其与网络分析器连接的便利性， 来直接确定电磁场产生元件的涂敷器阵列的耦合阵列（其描述失配和互耦）。 通过使用射频功率源依次激励每个元件2以及使用测量设备18测量所有元件 2中必需的电流（或场）5，耦合矩阵可以被更精确地确定，这是因为固有地 考虑了每个放大器10的非理想输出阻抗以及射频功率源输出11和电磁场产 生元件3之间的连接电缆长度。

本发明在提供这个有关来自每个元件26的辐射或无功场的非常重要的 信息的同时还给出了检测来自多通道射频功率源18的哪个输出通道11已经 连接到阵列29中的哪个电磁场产生元件26的能力，并且因此去除了不正确 连接的可能性以及彻底错误的治疗的可能。

使用与每个元件26集成在一起的测量设备20，就变得能够具有用于每 个电磁场产生元件的个别（individual）身份，从而允许分配用于元件-测量设 备组合的个别校准。因此，校准数据可以被分配给正确的元件用于质量控制、 使用方便和安全。因此校准设施可以提供可信的校准，其可以归因为给定元 件。使整个阵列19能够用可替换的元件26来模块化，并且提供“即插即用” 能力。

优选实施方式

可以在RF高热涂敷器系统（图5）的上下文中描述优选的实施例。高热 涂敷器系统包括硬件和计算机控制系统，并且这些系统允许增强使用说明本 发明实用性的范例。

图5中说明的高热涂敷器系统采用由电磁场产生元件（图2）组成的环 形阵列涂敷器的形式，其中电磁场产生元件（图1）被放置在身体周围靠近 要加热的区域。不总是元件需要形成整个的环的情况，而是可以主要放置在 患者的一侧。然而在这个特定阵列中，所有元件的E-场矢量应在目标区域中 主要地排在同一方向上，但是这不是在系统所有应用中的要求。涂敷器和患 者之间的区域由具有限定的形状的小水团填充（图6），其提供三点：

1.小型化归因于高介电常数的天线元件；

2.将天线和患者之间的不连续性减到最小，这是由于水和组织的介电特 性比空气和组织更相似；

3.提供对患者皮肤的冷却，这是由于会在身体表面发生高水平的特定能 量吸收。

背腔式槽天线（图1）被选作优选实施例中的电磁场产生元件，这是由 于其提供：低轮廓（profile）、良好的极化纯度、通过光刻印刷电路处理技术 的准确的尺寸、易于制造、强壮的结构、相对宽带响应以及因此对环境改变 的高容忍度。对于槽天线2实施例，然后合适的感测方法是通过利用小耦合 环4感测槽中的场。环4足够小，从而使得耦合的功率量相对于总功率较小， 总功率可以是100s的瓦特(100s of Whatts)，其被施加到天线端口3，并且这 样槽2中的场保持不被测量所扰动。

涂敷器中的每个槽元件被从相位和幅值可控的射频功率源（图3）馈给。 由于其自己的激励和从其它元件耦合的场造成的每个涂敷器元件中的场被感 测4，和使用包括相位/幅值检测器的测量装置20（图4）测量，且该值被传 达给控制系统21。在这种情况下，同相/正交解调器连同一对模数转换器15 被用来测量同相和正交电压电平。然后该数字信号被使用微处理器16转换为 幅值和相位，并经由测量总线17传达给测量控制器21。

控制系统22设置多通道射频功率源18的幅值和相位8，并测量20从每 个元件26施加的作为结果的场4，并提供反馈控制以确保施加的场是所要求 的场。

典型的使用范例为，涂敷器阵列19的确认的数值电磁场模型和治疗计划 软件中的得自CT、MRI或其它图像数据的患者特定EM模型一起使用。在治 疗计划软件中，目标区域或用于治疗的区域被限定，并且最优理想的激励值 （或基于用于模型的互耦矩阵考虑互耦和失配而非理想的激励值，由于之前 提到的可能的错误其可能密切或不密切相应于真实耦合矩阵，可以由该真实 耦合矩阵计算出理想的激励）被推导出，且产生在整个目标区域或多个区域 的对应的EM-场、SAR或温度升高值。

然后目标激励被传输到治疗控制软件，以及病人被安置于涂敷器19中位 于治疗计划中模型化的位置处。小水团25充满去离子水。

测量设备20被置于校准模式，其中图4中的RF开关13切换，从而使得 通过每个测量设备测量来自总线12的校准输入相位参考信号，从而允许对设 备相位的校准并且从而去除同相/正交解调器14中÷2正交分相器的相位模 糊。

依次激发多通道射频功率源18的每个射频功率源输出11通道，从而确 定哪个涂敷器元件26被连接到每个输出通道，以及测量在所有元件中感应的 场/电流4以在治疗时产生阵列19的实际互耦矩阵。此外，由连接电缆和传 输通道差造成的相位和幅值偏移可以被消除或校准去掉。由涂敷器元件阻抗 相比于理想的变化造成的相移（例如由患者接近度造成的），且因此介电常数 直接环境中的变化也被消除。

治疗开始于射频功率18被基于治疗计划——或者基于理想的或者基于 校正的（使用耦合矩阵）激励——施加到每个元件26，实际的激励水平使用 场监测4和测量20确定，并由反馈控制器27控制从而校正任何相对于期望 的激励水平的偏离。在整个治疗期间，来自每个通道11的总输出功率可以被 控制8，并且幅值和相位之间正确的关系被监测20和控制为正确的值。尽管 这里公开的本发明已经通过特定实施例及其应用描述，但是本领域的技术人 员可以在不偏离由权利要求限定的本发明的范围内进行很多更改和改变。

引用的参考文献

美国专利

美国专利5251645

“Adaptive nulling hyperthermia array”，发明人：Fenn,Alan J(Wayland,MA) 受让人：Massachusetts Institute of Technology(Cambridge,MA)

美国专利4672980

“System and method for creating hyperthermisa in tissue”，发明人：Turner,Paul  F

受让人：BSD Medical Corporation(Salt Lake City,UT)

美国专利US5441532和WIPO专利申请WO/1993/000132

“ADAPTIVE FOCUSING AND NULLING HYPERTHERMIA ANNULAR  AND MONOPOLE PHASED ARRAY APPLICATORS”，发明人：Fenn,Alan J (Wayland,MA)

受让人：Massachusetts Institute of Technology(Cambridge,MA)

其它文献

Calibration techniques for digital phased arrays,作者Fulton,C.;Chappell,W.; 发表于IEEE International Conference on Communications,Antennas and  Electronic Systems,COMCAS2009,Microwaves,Communications,Antennas  and Electronics Systems,2009.公开于2009年，第1至10页。

A Built-In Performance-Monitoring/Fault Isolation and Correction(PM/FIC) System for Active Phased-Array Antennas,Kuan-Min Lee、Ruey-Shi Chu和 Sien-Chang Liu，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND  PROPAGATION,第41卷，第11号，1993年11月 K.M.Lee、R.S.Chu和S.C.Liu发表的“A performance monitoring/fault isolation  and correction system of a phased array antenna using transmission-line signal  injection with phase toggling method”，IEEE AP-S1992Symposium Digest (Chigago,IL),1992年7月18-25日，第1卷，第429至432页。