本发明涉及一种用于检查物质以表征其类型和组分的方法和设 备。本发明特别适用于检查组织以便将其表征为是癌性的或非癌性 的，并且因此关于该应用在下面描述本发明。

今天，在很多外科应用中要求切割特殊类型的生物组织同时避 免切割其它类型的组织。例如，在肿瘤切除手术中，外科医生试图 围绕肿瘤切割以便将其切除。存在很多方式用于执行该医疗过程， 但是它们都遵循同样的基本原则：绝不切穿肿瘤。该原则是优秀实 践的关键并且显著影响肿瘤切除手术的成功率。不遵守该基本规定 提高了手术的失败率、癌症的复发率以及必须的再次切除率。

然而，在手术中外科医生对于正在切割的组织不具有(除了其 受过训练的眼睛和手指)任何实时的指示。进一步，如果外科医生 切穿健康组织，并且然后无意中切割了恶性组织的一小部分，如果 有的话，这仅能在进行活组织检查之后的病理报告中看到。因此， 从器官保护以及降低复发率的角度看，非常期望使用一种实时工具， 该工具显示出正在切割的组织类型并且当将要切割肿瘤时提醒外科 医生。

在很多医疗手术中，诊断工具和外科辅助工具被顺序地用于患 者以便提高测试的特异性和敏感性。当在外科操作期间试图执行这 种顺序检查时，进行协调记录的问题成为关键问题。因此，使得能 够在同一位置(即同一生物体)处对多个、独立的组织表征模态进 行同时测量的工具，具有额外的和协同的价值。

有很多的模态，方法和器件已被形成用于区分并且表征组织是 恶性的或是健康的。而且，使用多模态组织感测和表征探针，例如 在US6,109,270和US2003045798(A1)中所描述的，能够增强器件的 分别能力。

使用组织电阻探测癌细胞并且特别是乳腺癌的能力，已在生物 医学文献中得以确立1，2，3，4。另一种基于磁生物电阻的技术5，通过磁 感应测量生物电阻。虽然尚未完全明白在各种频率下可响应于组织 电阻的准确机理，利用由试验支持8，9，10的半经验模型很好地解释了一 般的机理6，7。

例如在US4,291,708和US4,458,694中改变人体组织电阻以提供 肿瘤、病变和其它异常的指示。毫米和微波器件，例如在US5,807,257， US5,704,355和US6,061,589中用于测量生物电阻并且探测异常组织。 在US2003187366中(与本申请相同的受让人)公开了一种方法和设备 用于利用其电阻特性局部表征组织。

MRI长期以来被认为是用于恶性或健康组织表征的有用的模态/ 方法。MRI是一种“整体”方法，其要求将患者定位在设备中，并 且因此不适用于手术过程期间使用。例如在US5,572,132中公开了提 供局部MRI探针的MRI模态的变型，其中在血管内的器件中探测MRI 响应，在WO0239132中提出血管内方法的变型，并且在US6,489,767 中公开了局部MRI表面表征方法。

在任何实时成像或探测工具中运动是另一个问题，例如磁共振 成像中(MRI)，其要求物体是固定的以便获得良好的成像结果。例如， 在胸部手术中，胸部随着呼吸的运动是获得好的分辨率的关键问题。 一种随着身体运动的现场微型实时工具避免了运动的问题。当这种 探测工具也具有现场标识能力时，可基本消除协调记录的问题。

本发明目的和简介

本发明主要目的在于提供一种方法和设备，其在上述的一个或 多个方面中具有优点，用于检查物质以便表征物质类型。本发明一 个更加具体的目的在于提供一种方法和设备，其尤其适用于组织检 查中以便表征所检查组织是癌性的，或非癌性的，或者是局部癌性 的。局部癌性意味着所检查的组织区域同时含有癌性的和非癌性的 组织。

根据本发明的一个方面，提供一种用于检查一定体积的物质的 方法以表征其类型，包括：

通过所检查的物质体积局部地施加偏振磁场：

向所检查的物质体积局部地施加RF脉冲以便例如激发相应于所 检查物质体积的电阻(EI)的电响应信号，以及相应于所检查物质体积 的磁共振(MR)特性的MR响应信号；

局部地探测所述EI和MR响应信号；以及

使用所述探测到的响应信号以用于表征在所检查物质体积中的 物质类型。

根据所描述优选实施例的进一步特征，改变偏振磁场以便改变 从所检查物质体积激发的EI响应信号和MR响应信号，响应信号的 改变也被探测并且用于表征物质类型。

本发明因此基于多-模态感测方法，即基于多模态电阻(EI)和磁共 振(MR)特性的感测和探测。优选的，传感器集成在一个传感头中， 并且模态协作地结合从而产生第三模态。因此该方法利用对所检查 的组织(或其它物质)的特定区域的EI特性的同步测量，并结合对 该同一组织区域的MR特性的测量。第三协同模式，如果使用，依 赖于由于入射电磁辐射脉冲的MR吸收而引起的EI特性的改变。

所探测组织的MR响应可由两种基本类型/类别的微观自旋所导 致：电的和核的。电子自旋来自由于其电子构造而具有非零自旋的 顺磁性物质/分子/原子。该响应类型例如在电磁共振(EMR)，电子自 旋共振(ESR)，或电子顺磁共振(EPR)等文献中公知。核自旋来自具 有非零核磁矩的原子。该响应类型例如在核磁共振(NMR)的文献中公 知。

各种MR响应因此包括：NMR；EMR，也称为EPR或ESR；质 子电子双共振(PEDR)，也称为Overhauser MR；纵向探测的 ESR(LODESR)；场循环的PEDR(FC-PEDR)；以及其它本领域技术 人员所熟悉的响应。已知各种方法用于探测这些MR响应。

下面描述的本发明优选模式涉及探测NMR特性，更具体的，同 步(即在几秒的时间内)测量组织(或其它物质)特定区域(体素)的 EI特性，结合测量该同一体素的NMR特性。第三协同模式，即测 量由于应用用于测量NMR特性的磁场而在EI特性中导致的改变， 优选也被执行以便增强可由EI和NMR测量获得的结果。

虽然NMR过程是优选的，并且特别在下面的描述中引用，本发 明也可通过探测其它类型的MR特性特别是EMR特性，并且利用其 它用于探测MR响应的装置进行。但是在NMR和EMR过程之间具 有一些重要的区别，包括：

1.EMR探测与NMR探针完全不同的组织参数/状态，包括新陈 代谢率、pH、NO浓度、自由基、活性氧物质，以及氧化状态。

2.EMR通常结合对照剂使用。它们是使得顺磁物质稳定的旋转 陷阱分子。

3.EMR中使用的偏振磁场比NMR中所使用的要低得多。

由于所描述的探针可在几个Ghz下(至少5Ghz)工作，其可用作 EMR探针以及NMR探针。

如在此所使用的术语″所检查的物质体积″，指的是在一次测量过 程中用于检查(1)电阻(EI)响应特性，(2)磁共振(MR)响应特性的物质 体积/部分。该检查的物质体积在大约0.2mm3到8000mm3的范围内。 所有检查的物质一般包括很多检查的物质体积。检查的物质体积有 时也称为(特别在磁共振成像领域中)″体素(voxul)″。

如在此所使用的术语″局部的″指的是这样的事实，即，偏振磁场 和电磁场仅对所检查的物质体积及其邻近区域(不高于大约五倍的所 检查物质体积的最大尺寸)施加。因此，在所检查物质体积的邻近区 域之外仅存在极少量的偏振磁场和电磁场，这与例如传统的磁共振 成像(MRI)不同，其中偏振场和RF脉冲施加给进行成像的整个主体。

根据在所描述的优选实施例中的进一步的特征，所述探测到的 由RF脉冲激发的EI响应信号被进行处理以计算所检查物质的有效 电阻，利用该计算出的电阻来表征物质类型。而且，RF脉冲激发MR 自由感应衰减(FID)信号，当返回平衡态时对应于来自在所检查物质 中所激发的自旋的回声，该FID信号也被探测并且用以表征物质类 型。

在下面描述的本发明的一个优选实施例中，RF脉冲经由与所检 查物质的一侧接触的传输线路局部地施加，RF脉冲激发反射脉冲， 其被探测并且用于表征物质类型。在另一个描述的优选实施例中，RF 脉冲经由与所检查物质的一侧接触的第一传输线路局部地施加，而 第二传输线路接触所检查物质的相对侧，来自第一传输线路的RF脉 冲通过所检查的物质传输，由第二传输线路探测并且用于表征物质 类型。

根据在所描述优选实施例中的进一步的特征，所述探测的响应 信号以如此方式被用于表征物质类型：分析所述探测的响应信号， 以用于表征物质类型的预定参数；并且比较预定的参数与已知物质 类型的对应参数以形成最好的匹配。优选的，RF脉冲作为序列脉冲 施加，其中一些脉冲被优化用于EI测量，并且其它的被优化用于MR 测量。

所探测的MR响应信号可被分析例如用于：所检查物质的自旋 密度、纵向松弛时间(T1)，和/或横向松弛时间(T2)。

优选的，并且根据所描述优选实施例中的进一步特征，探测EI 和MR响应信号包括：(a)收集EI响应信号和MR响应信号；(b)分析 收集的响应信号用于表征物质类型的预定参数；(c)对信号参数建模， 形成一组参数；以及(d)根据已知物质类型的已知参数组对该组参数 分类。

根据本发明的另一个方面，提供用于检查物质以表征其类型的 设备，包括：用于通过所检查的物质体积局部地施加偏振磁场的磁 装置；以及电控制和处理系统，其用于：(a)对所检查的物质体积局 部地施加RF脉冲以便激发对应于所述检查的物质体积的电阻的电阻 (EI)响应信号，以及对应于所检查的物质体积磁共振(MR)特性的MR 响应信号；(b)探测EI和MR响应信号；(c)使用所述探测的响应信号 用于表征物质类型。

如上所述，该新颖的方法和设备特别适用于检查组织以将其表 征为是癌性的，或非癌性的组织，或局部癌性的组织。

可由本发明实现的优点可进一步通过向EI传感器添加更多的模 态而增强，通过使用其它的、非并发的模态，或通过将EI和MR(例 如NMR)与机械和超声波脉冲相结合。该探测是基于统计分析算法， 该算法将所研究的组织的测得特性与已知组织类型特性进行对照。

该设备因此可在外部母单元以及经由柔性传输线路与之连接的 手持探针中实现。该手持探针可具有成一体的传感头、手柄，以及 一些使用者控制器和指示器。

本发明可由外科医生在手术台使用。在手术期间，外科医生使 得探针传感头接触可疑组织并且同时基于电EI特性和MR特性获取 关于接触组织是癌性的或非癌性的即时指示。这种器件可在表面的 附近区域(高达大约5-12mm)进入组织内部中指示恶性细胞群的存在 性。该指示可使得外科医生获得理想的明确范围。该器件还可具有 标识能力，其利用探测结果在检查位置处对组织进行物理标识。本 发明这种实施例的简单性使其可能用于很多种工具中，尤其用于在 外科手术中进行组织识别。

外科医生还可使用该设备以在手术台上在该部位已经从患者身 体上切除之后立即执行切除部位的扫描。

根据其它可能的实施例，探针也可安装在针上以插入患者身体 以执行活组织检查，并且检查组织样本，和/或在活组织检查过程中 引导活检针的运动。引导指令可用于辅助活检针的定位，并且由此 防止公知的“活组织检查部位的错误定位”的错误。

根据其它实施例，探针还可结合切削刀片或切除器件使用以用 于癌组织的实时探测，随后立即进行局部切除。

探针还可安装在导管例如冠状动脉导管的远端上，以用于识别 组织并且在探针附近识别组织中的变化。后者在在血小板，特别是 薄弱血小板探测的情形中，对于立即的再狭窄检测，或者对于一般 的冠状动脉检测非常有帮助。

所述方法的其它优点在于，它能够以单侧探针的形式容易地实 现，其允许仅从一侧接触可疑组织，这在外科手术期间是经常发生 的情形。

在所描述的优选实施例中，探测算法是基于对测量参数的统计 分析，并且基于在测量的参数组以及存储在系统内存条中的已知组 织类型的预先记录的参数组之间的相似性识别。来自所有模态的所 测量参数均在数学上转换成独立的参数组。因此，通过结合来自EI 和MR的不同的独立模态的信息，用于比较的基础比当使用仅一种 模态时更加宽泛。结果，探针能够在所探测组织的类型(例如癌性 的或非癌性的)方面为外科医生提供具有高度可靠性的信息。

通过下面的描述，可清楚本发明进一步的特征和优点。

附图简要说明

本发明参考附图仅通过示例在这里进行描述，其中：

图1示意出在所描述的本发明优选实施例中所涉及操作的基本 原则，并且特别示意出其施加给所检查组织的RF脉冲，通过所检查 组织的偏振磁场，以及由所检查组织激发的EI和MR(优选NMR)响 应信号；

图2是示意出根据本发明构造的设备的一种形式的框图；

图2a是在图2中沿着线a-a的截面视图；

图3是示意出在图2设备中的传感头的三维视图；

图3a和3b是在图3中传感头分别沿着ZY-平面和XZ-平面的截 面视图；

图4概略地示意了由图3传感头产生的电场和磁场的构形；

图5是示意了图2-4设备中主要构件或模块的框图；

图6是示意了图2-5设备优选操作模式的流程图；

图7a-7d是有助于理解图2-6设备操作的波型；

图8a-8m示意了偏振磁场以及终止于图2-6设备的传输线路的多 个可能的变型；

图9a-9f示意出偏振磁场和传输线路构造的进一步可能的改变；

图10概略地示意出根据本发明传感头的泄漏传输线路构造；

图11示意出在用于插入患者身体内腔中的导管中实施的本发 明；

图12示意出根据本发明构造的设备，其具有两个传感头以用于 所检查的组织的相对侧；

图13概略地示意出结合在活检针中的根据本发明的传感头；

图14示意了结合在切割工具中的根据本发明构造的传感头以便 能够在外科手术中实时地获得组织类型的指示。

应该理解，上述附图以及下面的描述，主要提供用于帮助理解 本发明的观点及其各种可能实施例的目的，包括被当前认为是优选 实施例的实施例。为了简单明了，并不尝试提供过多的细节，只要 使得本领域普通技术人员能够理解并且实践所描述的本发明即可。 应该进一步理解，所描述实施例仅用于示例的目的并且本发明能够 以不同于这里所述的其它形式和应用实施。

本发明优选实施例的描述

操作基本原则(图1)

本发明实现多模态方法的基本途径是通过将EI感测和NMR感 测结合在一个集成的传感头中，该传感头从同一组织体积(所检查的 组织体积)基本同步地(即在很短的例如几秒的时间内)收集对应于 两种现象的信号。利用结合的模态传感器，可获得所检查的组织体 积的介电特性，以及核磁共振特性，称为NMR的计算。进一步，由 于核自旋偏振磁场的存在而引起的所检查的组织体积的介电特性的 变化也被测量，以形成第三模态。通过使用基于所测量参数统计分 析的算法并且通过鉴别所测量参数组和存储在系统内存条中的已知 组织类型的预先记录参数组之间的相似性进行组织表征或识别。

操作原则可通过下面的操作简单地描述：对组织体积应用恒定 的或缓慢变化的偏振磁场；对同一组织体积应用RF电磁场(在施加 偏振磁场时)；并且从该组织体积探测EI响应和MR(优选NMR)信号。

所产生的偏振磁场的几何形状(方向)应该使其总是具有垂直(正 交)于与在探针附近中所产生的RF辐射相关的磁场的分量。在优选 实施例中，偏振磁场总是具有沿着与在探针附近中所产生的RF辐射 相关的电场的方向的分量。

图1概略示意了所提出的几何结构。如所示意的，所检查的组 织体积ET由脉冲源产生并且通过传输线路(TL，图2a)传输的RF辐 射脉冲RFI入射，该辐射作为反射脉冲RFR被反射回。当入射脉冲RFI 的E-场分量ERF沿着Z方向时，入射脉冲RFI的B-场(磁的)分量BRF 沿着X轴线的方向。这样，与由探针附近的RFI产生的RF辐射相关 的磁场引起自旋运动，其由外部(偏振)磁场Bp极化，因此随着RF 脉冲RFI之后，当这些自旋的方向(磁化矢量)松弛回复到偏振场的方 向(图1中Z方向)时产生NMR自由感应衰减(FID)信号FID。该NMR 信号进一步与所检查组织的RF反射响应RFR同步的被探测。该NMR 信号能够被探测作为在图1中的X方向中随有FID信号的RF信号 RFR的反射光谱中的吸收。

NMR信号还可由其它的磁性瞬变场探测器探测，其垂直于偏振 磁场以及与RF激发相关的磁场从而对沿着图1中的Y方向的磁场敏 感。

在传输线路TL端部处产生的RF信号RFI可根据两个操作模式 使用：

在第一操作模式中，它们可与脉冲持续信号一起使用，该持续 信号比与NMR信号(自旋-点阵松弛时间T1，以及自旋-自旋松弛时 间T2)有关的时间尺度短得多，并且具有比与NMR信号有关的时间 尺度高得多的重复率。在此情形，在抽松(pumping)是有效连续的意 义上，系统被视为″连续波″NMR系统，但是具有很大宽带的RF辐 射，将具有与自旋共振的仅仅较小的带宽。

在第二操作模式中，入射的RF信号RFI，可以是具有与在NMR 研究中的那些相当的长度和工作循环的脉冲，在此情形系统可被视 为脉冲NMR系统。然后松弛信号由TL和/或其它的接收器所探测。 该第二使用形式是图1中示意出的一个。

对于所有上述的操作模式，所产生的NMR信号可以是本领域技 术人员所公知的很多的并且分类的NMR信号类型。例如，通常在MRI 中使用的测得质子密度(PD)，测得T1以及测得T2，例如在Nitz等 人的″Contrast Mechanisms in MR Imaging″，Eur Radiol，9，1032- 1046(1999)中描述的。

偏振磁场可被改变，打开和关闭，由此提供一种测量组织介电 响应的装置，该组织具有各种类型(包括不具有)的NMR响应。通过 比较这些响应，可获得模态的协同效应，提供另外的第三模态。通 过使用锁相技术对偏振场进行例如120Hz的调制，控制偏振场的能 力也可用于显著的改进信噪比S/N。如在下面更加具体描述的，这可 例如通过沿着图1中的Y方向移动一组永久磁铁，或者通过改变具 有和不具有顺磁芯的线圈的位置或者其中的驱动电流实现。然后将RF 反射的测量″锁定到″该基准频率和相位上。

根据RF辐射需要穿入所检查的组织的深度，TL探针可具有各 种形状和类型。开口空腔末端，开口端，或短端的TL末端类型可用 于仅在TL的附近产生RF场，由此穿入的范围将在(对于同轴电缆)TL 直径或者条带之间的距离(对于平坦线路)的水平上。宽带天线例如锥 形天线可用于将能量辐射进入身体内。TL部分连接到永久磁铁的材 料应该是磁性透明的。

一般来说，反射依赖于TL的连续部分及其末端之间的电阻差。 由于末端可以具有各种类型和形状，由于组织介电特性，当放置在 组织附近时，其电阻将相应地改变。因此，反射脉冲带有关于所检 查的组织的介电特性的信息。这些特性在反射脉冲的时域轮廓上产 生变化。基本测量概念是公知的并且在关于开口端传输线路测量方 法的文献中引用。在转让予本申请受让人的于2003年7月24日公 开的国际公布No.WO 03/060462 A2中描述了一种优选构造，其内容 通过引用结合在这里。

通过在多个时间间隔例如每0.2纳秒处对两种电脉冲采样并且比 较两个电脉冲在时间间隔处的的电压幅值，在时域和频域上将反射 电脉冲的电特性与所施加(入射的)电脉冲的那些相比较。然后计 算所检查的组织的反射系数和时域过滤特性。然后使用电阻和反射 之间的理论关系计算组织的依赖于频率的复数阻抗。然后调制信号 并且简化成参数组，该参数组描述并且表征所测量的组织。

在传输模式中还可构造EI测量。在该操作模式中，电信号经由 一个探针的传输线路发射通过所检查的组织并且由放置在组织另一 侧上的另一个相似的开口端探针收集。该操作模式具有信号处理方 面的优点(但是要求双侧接触和两个探针)，因为组织电特性在所传输 信号上的效果强于在反射信号上的效果。这对组织特性测量提供了 更好的S/N。该操作模式更加具体地在下面关于图12进行描述。

通过由于偏振场的存在而产生的核磁化矢量，偏振磁场在所激 发的(例如反射的)脉冲上的效应是通过从入射脉冲额外的吸收能量。 该能量用于产生磁化矢量围绕偏振场方向的运动。这种额外的吸收 影响电场在组织体积内部形成的方式并且因此改变其RF电阻EI。这 种吸收将在所激发脉冲的光谱中表现为改变。

优选构造(图2-7)

图2示意了根据本发明构造的用于检查在ET处表示的组织的设 备以表征其类型，特别是将癌性组织与非癌性组织相分别的一种形 式，此处用2表示。

在图2中示意的该设备具有多模态探针10，该探针具有传感头 20，以与所检查的组织形成接触，并用于经由传输线路TL和位于传 输线路远端的传感头20施加RF脉冲到检查的组织上。所施加的RF 脉冲是用于激发相应于所检查组织电阻特性的电阻(EI)响应信号，以 及相应于所检查组织MR特性的核磁共振(NMR)响应信号。探针10 结合在壳体中，该壳体能够方便使用者抓持以用于操纵传感头20。 其具有各种控制器和指示器，以40表示，用于当向所检查组织施加 RF脉冲时并且也当探测响应于所施加的RF脉冲从所检查的组织激 发的信号时优化传感头20的性能。所述探测到的信号被输入远程处 理单元50，该处理单元与探针单元10经由柔性电缆组42连通，该 柔性电缆组42包括传输线路、其它的信号电缆以及控制线路电缆。 其它的信号和控制线路45(图2a)以及应用线路47也通过探针单元10 延伸到传感头20。

该实例中的探针传感头20被设计为从组织ET探测EI反射信号 RFR和NMR信号FID。传感头20结合了两种模态并且也允许使用第 三协同模式。两种类型的信号均适用于鉴别各种组织类型，例如(但 是并不局限于)正常的和癌性的组织。随着探针扫描组织部分，测量 优选实时地和连续地进行，但是也可根据使用者的需要进行。探针 传感头20和传输线路TL之间的连接尽可能地连续以便探针传感头 20构成传输线路TL的远端。

图3示意了探针传感头20的构造并且鉴别出在探针操作期间涉 及的各种轴线，如将在下面更加具体描述的。传感头20的近端具有 连接器21用于将其连接到传输线路TL从而构成传输线路的远端。 传感头20的远端22适于接触所检查的组织。图3中还示出调谐电 路23用于改变由位于传输线路TL远端的传感头20所形成的传输线 路开口端的电阻。

如上所述，传感头20构成传输线路TL的开口端。其用作当接 触所检查的组织时施加给所检查的组织ET的RF脉冲的传输器，以 及来自所检查组织的响应信号(在此情形中为反射脉冲)的接收器。传 感头20的开口端的构造更加具体在图3a(ZY平面)和图3b(XZ平面) 的截面视图中示意。

如在图3a中所示，传感头20具有外部壳体24，该壳体含有带 状线路类型的传输线路部分，具有三个传导带25a、25b、25c，它们 通过绝缘26相互间隔。两个外部传导带25a，25b构成带状线路的两 个接地板，而内部传导带25c构成带状线路的内部导体。接地板25a， 25b由磁透明传导材料，例如铝制成。

由传感头20形成的传输线路保持开口端并且用作传输器和接收 器。开口端通过导线23a连接到调谐电路23上。因此，通过调谐电 路23可将开口端传输线路的电阻从零改变到大约开口端电阻。这种 调谐可用于增加/降低开口端反射性，并且增加/降低B-RF场的强度， 即通过将RF脉冲传输到位于传输线路远端的传感头20而产生的磁 场。

例如，在上述引用的国际公开WO 03/060462中所述的，外部导 体25a，25b和内部导体25c形成由所检查的组织ET关闭的开口空 腔，从而当脉冲通过传输线路传输时，脉冲被反射回传输线路。该 反射依赖于位于探针开口空腔处的区域的电阻，该电阻依赖于关闭 空腔开口的所检查的组织的介电特性。因此，所反射脉冲带有关于 所检查组织介电特性的信息。这些特性在所反射脉冲的时域轮廓中 产生变化。

由传感头20的导体25a-25c形成的传输线路也探测响应于所传 输的RF脉冲而激发的NMR信号。在图3a中示意的结构中，其它的 NMR信号在由导体25a-25c形成的传输线路开口端处由一对RF线 圈27，28探测，并且经由分别通过传感头延伸的导体27a，28a从传 感头20输出。传感头进一步具有小的前期放大器29，其与调谐电路 23一起用于改进并且放大由RF线圈27、28探测到的信号。

在探针远端处，设置一对永久磁铁31、32用于产生偏振磁场Bp 以用于对准在所检查组织中的核子的自旋，由此将产生NMR信号。 磁铁31、32被设计为在区域30中产生磁场Bp，其主要分量沿着垂 直于在开口空腔中及其附近产生的B-RF场的Z方向。如图4所示， B-RF场在内部导体25c上方的传感头的上部中具有与在内部导体25c 下方的传感头的下部中的不同的方向。这些可由(但是并非限制于) 稀土类型磁性材料构成的磁铁，可连接到外部导体25a、25b上并具 有在腔室33、34中在Y-方向中沿着它们滑动的能力。

可通过经由管道35、36连接到腔室33、34的外部空气泵，利 用腔室33、34内的空气压力控制磁铁31、32的位置。磁铁31、32 的运动提供用于改进磁场Bp在区域30中的强度/幅值的手段，而不 会显著地改变其方向。磁极(N-S)方向垂直于探针主轴线(Y轴线)。即， 磁极与Z-轴线对准。

传感头20的传输线路部分可具有不同类型、尺寸、电阻、材料 等，只要其在由磁铁产生场Bp的区域中保持磁透明。根据RF辐射 需要穿入所检查组织ET的深度，传输线路部分的末端可具有各种形 状和类型。例如，传感头的末端可以是宽带天线，其在同轴电缆线 路的情形可以是例如锥形天线的类型，或者在平坦线路的情形为： 偶极天线，或V-形，或带状线路天线(两个接地片逐渐开口到侧面)。 传输线路也可保持为左侧开口端或者以表面线圈或者侧面发射泄漏 端为末端。优选方式是在传输线路的端部形成开口空腔并且使得组 织的一小部分穿入TL的开口空腔中。以此方式，RF场可被认为在 传感头内部及其端部附近具有已知的几何构造(TL模式)，并且RF场 仅传输到组织的小的近端体积中，使得传输进入身体其余部分中的 辐射很少。

设置另外的接收线圈27、28从而它们将探测沿着同时垂直于Bp 和B-RF磁场的方向的磁场。因此，它们能够探测XZ平面中的NMR 信号，在该方向中由传导条带25a-25c形成的传输线路TL不能够探 测NMR信号。它们的设计可以是本领域中的已知类型，例如：表面 线圈、单线圈、多匝线圈、鞍形线圈等。

图4概略地示意了在由传导条带25a-25c形成的传输线路远端处 的区域30中存在的各种场。因此，由永久磁铁31、32产生的基本 同质的偏振磁场示为磁场Bp；通过从传输线路远端传输RF脉冲产 生的磁场由磁场B-RF表示，该磁场如上所述沿着传导条带25c和25a 之间的一个方向，并且沿着传导条带25c和25b之间的相对的方向延 伸；并且通过从传输线路远端传输RF脉冲产生的电场由E-RF表示。 如上所述，当具有另外的接收线圈27、28时，其用作用于沿着同时 正交于Bp(由永久磁铁31、32产生的偏振磁场)和B-RF(通过从传输 线路远端传输RF脉冲产生的磁场)的轴线探测NMR信号分量的另外 的接收器。线圈27、28与传输线路主轴线(Y-轴线)正交，从而RF线 圈27，28探测沿着Y-方向的NMR信号。

通过由传导条带25a-25c形成的传输线路输入探针传感头20的 信号是重复脉冲序列的形式。该重复脉冲序列，称为RF序列，包括 重复脉冲的组合，其中一些优化用于EI测量，并且一些优化用于NMR 测量。NMR脉冲，例如可以是来自已知(在本领域文献中)NMR序列 的一种。例如，相结合序列概略地可以如下：第一，EI优化的脉冲 组，例如短的纳秒脉冲系列，随后是时间间断，其中以很高的取样 率收集反射。这随后是NMR优化的脉冲组；例如NMR脉冲可以是 已知的反转回复，简单自旋回声，自旋回波(Carr-Purcell-Meiboom-Gill) 回声序列，模拟回声等。

图5是示意如上所述的根据本发明构造和操作的设备的一种形 式的框图；并且图6是示意当用于检查组织以区别癌性组织和非癌 性组织时这种设备的操作的流程图。为了便于理解，示意于图5中 的框图具体表示出在图2中示意设备的具有相应参考标记的主要构 件。

图5示意了柔性电缆组42(其含有由探针10所携带并且具有由 适于接触所检查组织的传感头20所占据的远端的传输线路TL)，该 柔性电缆组将探针10连接到处理单元50(图2)。图5还示意了位于 处理单元50中的控制器用于经由传输线路和传感头20向所检查的 组织施加并且接收RF脉冲，该脉冲能够激发对应于所检查组织电阻 的电阻(EI)响应信号，以及对应于所检查组织的NMR特性的核磁共 振(NMR)响应信号。如上所述，处理单元50内的控制电路还控制传 感头20以探测EI和NMR响应信号，并且将它们经由柔性电缆组42 内的传输线路输入处理单元50以用于分析所述探测到的响应信号并 且用于由此确定所检查组织的类型，例如癌性的或非癌性的组织。 利用探针10内的指示器向使用者指示这种确定结果。该确定结果也 可用于致动标识器以用于根据组织类型确定结果标识组织。

因此，如图5所示，处理单元50内的控制器具有信号产生模块 51，其能够产生高达5GHz的可编程电脉冲；偏振磁场控制模块52以 用于控制由所检查组织占据的区域30中的偏振磁场(Bp)以及使用者 界面53。

使用者界面53模块控制显示器单元，声频单元，可选的标识单 元控制器，以及控制面板。操作控制器和指示器中的一些可安装在 探针手持单元上。使用者界面的主要功能在于控制系统操作并且以 能够为使用者提供信息的方式显示(以视频和/或声频形式)处理单元 50的输出。

可通过改变传感头20的永久磁铁31、32(图3a)的位置，实现对 偏振磁场的控制。其一种实现方法是利用以机械方式连接到磁铁并 且由控制模块52机械控制的机械推/拉轴。移动磁铁的另一种方式是 通过使用真空辅助轴。该磁铁在其远(关于探针头的远端)端以机械方 式连接到短轴。该短轴在其相对侧连接到气动活塞上。该气动活塞 插入在外部单元侧连接到脉冲真空泵的空气管中。每次空气压力在 管中降低时，磁铁被拉回并且反之亦然。

根据本发明另一个实施例，偏振磁场由电磁铁产生和控制，在 此情形中，偏振磁场的变化将由线圈的位置或通过产生该偏振场的 线圈的电流的改变而实现。另一种可选方式是使得线圈包围顺磁芯， 在此情形中，偏振磁场的变化将通过由于在围绕线圈中的电流的变 化而引起的磁芯中感应磁场的变化而实现。

处理单元50中的控制器和指示器电路进一步具有信号采集和数 字化模块54，用于探测激发RF脉冲反射RF脉冲和NMR脉冲。探 测的一种优选方式是使用模数转换器模块将沿着传输线路的电压数 字化。优选的，该数字化转换器的采样率被控制以便能够达到信号 发生器最大频率的两倍。

信号采集和数字化模块54与信号分析模块55进行通信。信号 分析模块是由一组软件进程构成的计算机程序。其以一组向量的形 式作为输入接收测量信号，并且从信号去除噪音和人为效应。其输 出为一组″干净的″处理信号。

如图5进一步所示，处理单元进一步具有信号建模模块56，分 类模块57，以及数据库模块59。

信号建模模块56是由一组软件进程构成的计算机程序，其计算 一组表征所测量组织的参数。数据库模块59存储各种组织类型及其 表征参数组包括其统计分布特性的数据库。

分类模块57是由一组软件进程构成的计算机程序，其在从建模 模块56输出的测量的参数组与在数据库模块59中发现的预先记录 的参数组之间寻找相似性。一种简单的相似性估量值是，在多维参 数数据空间中所测量点距限定具体组织类型的预先记录组的每一个 的位置的距离。最为相似的组(最佳匹配)确定了所检查组织ET的类 型。

分类模块57的确定结果经由柔性电缆组42输出到手持探针10 中的组织表征指示器40，其向使用者显示所确定的组织类型。

处理单元50还可具有由处理单元50中的分类模块57控制的探 针定位模块58，以及物理标识模块58a。

当收到处理单元50指示时，标识模块58控制在组织上利用适 当的物理符号标识测量位置的操作。其使用可探测材料以物理地标 识测量位置。对符号的探测可以是即时的或者由使用者延迟。进行 标识的最简单方式是通过使用可通过视觉探测到的物质，例如从安 装在探针尖端的喷嘴射出的三色生物标记墨水。在进行组织识别之 后，将打印顺序发送给喷嘴并且打印适当颜色的点。

可探测标记材料的其它形式，例如可以是结合到抗体、金属球、 IR涂料等的物理标记器。该标记器还可以是固体标记器例如小的金 属针或者涂有区分颜色的固体球的组合。该固体球是明显的并且颜 色是可视的。还可利用其它已知的模态例如X-射线或超声波探测标 记器。

如进一步在图5中示出的，处理单元50进一步具有患者监视和 历史模块59a，以及以59b表示的操作统系，即计算机软件，其控制 并且协调该设备硬件和软件构件的所有操作。

现在参考示意于图6中的流程图，其描述了设备的整个操作。

这样，使用者抓住探针10并且使得位于传输线路TL远端的传 感头20接触所检查的组织ET。当完成这种接触时，探针10通过由 传导条带25a-25c形成的传输线路施加重复的RF脉冲序列，称为RF 序列，该脉冲激发对应于所检查组织电阻特性的电阻(EI)响应信号， 以及对应于所检查组织NMR特性的核磁共振(NMR)响应信号。如上 所述，脉冲RF序列由一些优化用于EI测量的脉冲和其它优化用于 NMR测量脉冲的脉冲构成。由所施加的脉冲RF序列激发的响应信 号被传感头20探测到并且利用处理单元50进行处理以确定所检查 组织的类型。

上述操作简单地示意于图6的流程图中。因此，如图6所示， 系统首先设置偏振磁场(方框60)。系统然后向所检查组织施加EI优 化的脉冲组(方框61)并且采集所激发的脉冲响应(方框62)，其在此情 形中将是从传输线路TL的开口端反射回的反射脉冲。该系统还向组 织施加NMR优化的脉冲组(方框63)，并且由此采集NMR响应(方框 64)。所述探测到的响应信号由此提供关于所检查组织两种模态的信 息，该两种模态即EI特性及其NMR特性。

可选的，为了提供关于所检查组织第三模态的更好的信息，由 永久磁铁31、32产生的偏振磁场(Bp)，如上所述地被改进(方框65)， 并且当所检查的组织经受偏振磁场时，重复方框60-64的操作以获得 相应的信息。

在上述操作中采集的信号被分析用于预定的参数(方框66)，并且 为所检查的组织准备参数组(方框67)。然后，将为各个所检查组织准 备的参数组与如上所述的所存储的已知组织类型的参数组进行对 比，并且确定最佳匹配，以鉴定所检查组织的类型(方框68)。

因此可以看出，该探测过程包括下面四个操作：(1)信号采集/获 取；(2)信号分析；(3)信号参数建模；以及(4)将所测量参数组分类成 已知组织类型参数组，其预先记录并存储在系统内存条中。

使用多种获取渠道通过快速数字化进行信号采集。应用将信号 与噪音和人为效果分离的信号处理进程进行分析信号。

利用通过相对短的参数阵列表征信号并且在数学上将参数转换 成正交参数组的压缩过程进行建模。例如，10000点的获取信号可由 参数阵列10表征。在频域和时域中进行建模。

通过对所测量参数与存储在存储器中的已知组织参数连同它们 的统计分布参数进行最佳匹配比较，并且通过鉴别刚测量的参数组 与具体组织类型参数组之间的相似性进行分类。

在进行该比较之后，刚刚检查的组织类型被表征，并且将例如 存储在系统数据库(方框69a)中的该信息显示给操作者(方框69b)，用 于致动标识器以标识组织(方框69c)，或者根据所执行的具体过程以 任何其它所需方式使用。

图7a-7d提供了随着通过主单元的信号发生器产生的单脉冲的辐 射之后，所检查组织的协同EI响应和NMR响应的概略示意。

图7a示出所产生的激发脉冲的形式。在该实例中，该脉冲的长 度为几十个微秒，其将激发EI响应和NMR响应。它是一种在NMR 文献中公知的称为90度脉冲类型的脉冲。

图7b示出了由TL中的传感头20探测的组织对于图7a所示激 发脉冲的响应。由于TL的长度，该响应以时间间隔t1延迟，并且包 括两种类型的信号。在时间间隔t2中，第一(暂时)部分，是组织EI 响应，其遵循图7a中激发脉冲的形式，但是由于组织的频率依赖介 电特性以及由核磁矢量的吸收而将其扭曲。在时间间隔t3中第二部 分是由随着图7a中的90度脉冲的“激发”，在所检查的组织(区域 30，图3a)中核自旋磁化矢量松弛回复到Bp场(见图4)的方向而产生 的NMR信号的自由感应衰减(FID)。图7c示出在时间间隔t1和t2 中信号的详细视图。在该时间段中，所反射的EI脉冲与入射脉冲相 似，但是由于组织电阻和NMR吸收而被扭曲。

在图7d中示出组织对于图7a中示出的激发脉冲的响应，其由RF 线圈27、28探测。在该渠道中，响应仅由NMR信号的FID构成， 其由随着图7a中激发脉冲的激发而在所检查的组织的区域30中的核 自旋磁化矢量松弛回复到Bp场(见图4)的方向而产生。应该指出， 由于线圈的探测方向(关于NMR信号)正交于传输线路TL的方向，FID 响应关于由传输线路TL(见图7b)所探测的FID信号相位移动了90 度。

所传输辐射的光谱由脉冲形式以及传感器设计所确定。辐射的 空间形式(叶片结构等)由位于传输线路TL远端的传感头20的几何形 状确定。因为所检查组织紧邻传输线路的远端，由于组织和传输线 路远端之间的电阻差而反射回传输线路中的脉冲，提供了关于组织 介电特性/响应的直接信息。它们是图7b-7d中在时间间隔t2中的信 号。设计脉冲形式、持续时间、重复率，以及序列结构并且也被实 时地控制，从而它们能够提供最大(S/N)分辨率以用于鉴别不同的组 织类型。

如上所述，组织测量是基于比较入射脉冲和反射脉冲，以及FID 分析，并且形成一系列表征组织的参数；而癌性组织部分的探测是 基于比较刚测量的组织参数和存储在内存条中的确定各种组织类型 的参数。

由磁铁31、32产生的外部偏振磁场(Bp)，将核子(优选质子/氢) 的自旋并且特别是核自旋对准使其平行于对准的磁场线路。这在组 织体积30中产生″核磁矢量″。传输线路所传输的RF脉冲的几何定 向使得(也见图4)这些RF脉冲为″核磁矢量″用作RF″偏转″磁场，如 在很多NMR过程和结构中所执行的那样。

随着RF脉冲的磁化矢量松弛的NMR FID，被传输并且由传感 头20探测，其可提供对于组织NMR响应的探测。当其在RF脉冲 持续期间旋转时被磁化矢量所吸收的RF能量也被探测，作为在所检 查的组织介电响应的频谱中的变化。

而且，但是并非必须，RF接收线圈27、28(图3a)探测沿着垂直 于传输线路TL接收方向的方向中的NMR FID信号分量。该测量提 供另外的信息和更好的信噪比，并且与传输线路探测到的NMR信号 相关。这将改进探针的NMR信号探测能力和敏感性。

组织的NMR响应由系统以三种不同的方式探测：1)作为有助于 有效计算电阻的反射RF脉冲中的吸收度；2)作为跟随RF反射脉冲 的FID；以及3)作为由RF线圈27、28探测的FID。重要的NMR测 得组织参数有，但是并非局限于质子密度(PD)，纵向松弛时间(T1)和 /或横向松弛时间(T2)。

由磁铁31、32产生的磁场可具有沿着Y方向(沿着探针轴线的 方向)的梯度。由于NMR行展宽，这将缩短NMR响应的持续时间并 且减弱信号。脉冲序列被设计为将这些问题加以考虑。可选的(未示 出)，磁铁可被设置为能够减小由磁铁产生的磁场在Y-方向(沿着探 针轴线的方向)中的梯度的形式。则脉冲序列被设计为与当在磁场中 存在显著梯度的情形不同，以便为NMR信号获得最好的SNR。

如上所述，产生Bp的磁铁31、32也可在测量过程中移动。该 运动沿着Y方向(平行于探针轴线的方向)。该运动将产生幅值变化并 且也可在Bp方向/定向中产生微小变化。可选的，如上所述并且如在 下面描述的，可通过使用线圈和/或由线圈驱动的顺磁芯来控制Bp的 幅值。该效果将与当物理地移动永久磁铁时相同。

该运动将用于很多目的：第一，通过使用锁定技术其将增强探 测敏感性。第二，由于外部磁场是非匀质的，磁铁运动在距探针尖 端给定距离处转化为NMR共振频率(对于给定的自旋)中的变化。通 过控制共振频率以及，分别地控制RF脉冲的形式、持续时间、重复 率，可获得关于在距探针尖端给定距离处组织的NMR响应的其它的 信息。这将提供更好的组织NMR响应的表征。

磁铁运动也可用于提供关于组织类型在此处发生改变的深度的 信息。移动磁铁以便在距探针尖端给定距离处的BP场强度被设定为 所选择的数值。RF产生脉冲以便增强在远于距探针尖端所选定距离 的距离处的NMR响应。因此在距探针尖端的该选定距离处不同组织 类型响应的差异可被用于定位组织类型中的变化。

多种可能的变型

图8-14示意了可在上述设备中实现的多种可能的改变。

图8a示意了一种变型，其中形成内部传导迹线的内部传导条带 25c被延伸到探针头的远端，使其与形成接地板的外部传导条带25a、 25b相齐平。磁铁31、32的端部可关于内部传导迹线25c和接地板 25a、25b齐平或突出。然后RF线圈27、28也被移动到探针远端。 所采样的物质体积直接与探针端部相接触。

图8b示意了一种变型，其中磁铁被包围顺磁芯76的线圈75替 代，当电流被驱动通过线圈时产生偏振场。在该变型中，偏振场幅 值中的变化通过改变通过线圈的电流强度而实现。该电流变化引起 顺磁芯的磁场中的变化。

在另一种变型中(未示意)，磁铁可由线圈替代，当驱动电流通过 它们时将产生偏振场。在该变型中，通过改变通过线圈传输的电流 的强度而实现偏振场幅值中的变化。

图8c示意了一种变型，其中磁铁31、32的磁极沿着平行于探针 头主轴线的方向定向(Y-方向，如对优选实施例限定的)。

图8d示意了一种变型，其中偏振磁场由＂马蹄＂形顺磁芯77产生， 其由围绕线圈78驱动。

图8e示意了进一步的变型，其中电流传感器例如以耦合线圈79 的形式靠近探针头远端设置以测量经过所检查物质的电流。利用该 构造，可以实现电阻的直接测量。

图8f-8k是示意在传输线路端部结构中的进一步改变的侧视图和 平面视图：图8f，8g示意了一种以偶极天线81为末端的形式。图8h、 8i示意了一种以V-形天线82为末端的形式；并且图8j、8k示意了 一种以表面线圈83为末端的形式。

图81、8m分别为侧视图和放大的视图，示意了又一种实施例， 具有微型传感器的阵列，它们均共享同一个偏振磁场31源，但是每 个使用不同的RF辐射源。

图9a-9d示意了本发明进一步的实施例，其中传输线路TL是圆 柱形同轴-线路的类型，具有由绝缘体26包围的内部传导芯25c，该 绝缘体26又由传导包层25b包围。偏振磁场由可移动同心磁铁31 产生，其或者包围传输线路TL(图9a)，或者被传输线路TL包围(图 9b)。在另一种变型中，磁铁由线圈75(图9c)，或者包围顺磁芯77的 线圈78(图9d)替代。在同轴几何形状中，仅需要一个另外的RF接收 线圈。该线圈在图9a-9d中由27表示。

图9e(端视图)和图9f(平面视图)示意了进一步的变型，其中传输 线路部分仅由两个传导条带构成，而没有内部迹线。一个条带25b 用作接地板，并且另一个条带25c用作信号板。利用该构造，仅需要 一个RF线圈27以便额外地从组织采集NMR信号。

图10示意了另一种实施例，其中传输线路TL是开口侧的和泄 漏的。因此，传输线路TL的外部导体100的一部分被切除并且形成 窗口105。内部导体101继续延伸到传输线路TL的端部。内部导体 电连接到电阻调谐电路103。永久磁铁102设置在传输线路下方。在 此构造中，永久磁铁的偏振场线路104在窗口区域中具有垂直于B-RF 场106的分量，其在图10中从页面向外延伸。通过推进探针从而使 得所采样的组织位于窗口105中而实现该测量。

图11示意了再一个实施例，其中探针的传感头设置在导管远端 并且插入身体内腔中以用于检查内腔壁。如也在图10中的情形，外 部导体250的切除部分使得能够分析靠近区域250的组织。探针由 导管覆层240所覆盖。

图12示意了另一个实施例，其中两个探针用在传输器/接收器构 造中。在此构造中，一个探针204作为传输器，传输信号通过所检 查的组织ET，并且另一个探针205接收那些信号并且然后用作传输 器，而第一个用作接收器。在该操作模式中，所反射的和所传输信 号均被探测。所传输的信号输入通过一个传输线路207，并且所探测 的信号传输通过另一个传输线路208。两个传输线路均连接到主单元 200。磁铁210被定位为能够产生所必需的偏振场。

图13示意了另一个实施例，其中探针311的传感头设置在磁芯 活检针(biopsy core needle)310的内部。当活检针从外部皮肤表面行进 到活检部位时，探针连续地检查位于针尖处的组织类型。例如，使 用组织收集空腔312，可疑组织将被切除。

图14示意了再一个实施例，其中探针411的传感头结合到切割 工具上，该工具由手柄410和切割头412构成，从而可在每次切除 之前进行组织识别。

在上述实施例中，也可向所检查的组织或者局部地或者注入静 脉内地施加对照剂(例如：钆双铵或孟布酮(mangafodipir))以用于增强 用于表征各种组织参数的NMR信号。

通过传输线路输入传感器的RF序列可包括重复脉冲的组合，其 中一些优化用于EI测量并且一些优化用于EPR(电子顺磁共振)测量。 偏振磁场也可被优化用于EPR信号的探测。用于增强EPR信号以更 好地表征各种组织参数的对照剂(例如：活性炭，或氨基甲酰基- proxyl，或三苯甲基-甲基的OX 031，OX 036)，也可或者局部地或者 注入静脉内地施加到所检查的组织。

通过传输线路输入传感器的RF序列也可包括重复脉冲的组合， 其中一些优化用于EI测量，并且一些优化用于质子电子双共振 (PEDR)，也被称为Overhauser MR的测量。偏振磁场也被优化用于 探测PEDR信号。也可或者局部地或者注入静脉内地向所检查的组 织施加对照剂以增强Overhauser信号以更好的表征各种组织参数。

也将理解，本发明可用于鉴别其它类型的物质，例如，现场表 征蛀孔壁的组分，以及现场表征聚合物和弹性体产品和涂层。

本发明很多其它的实施方式，包括其它的改变及其应用，这对 于本领域技术人员来说将是明显的。

发明领域和背景

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