專利名稱：借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明從一種用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備和方法出發(fā)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)公知了采用THz輻射來識別皮膚癌。在O. l-5THz的頻率范圍中，在皮膚中可以通過反射測量來分析吸收特性和折射率的改變，其中健康的皮膚細(xì)胞和癌細(xì)胞具有不同的含水量并且因而具有不同的折射率和不同的吸收特性。在健康皮膚與患癌的皮膚之間的要期望的偏差在大約10%左右。通過頻率來確定光學(xué)分辨率和滲透深度。在200GHz左右的低頻擁有2. 5mm的分辨率。較高頻率可以更精細(xì)地分辨，但具有較小滲透深度并且在生成時要求更高的開銷。US 2008/0319321公開了一種借助THz輻射的成像檢查，其中THz輻射借助模式耦合的鈦藍(lán)寶石激光器的飛秒脈沖而在偶極天線中被產(chǎn)生。被試樣反射的 THz輻射同樣在偶極天線中被轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號接著被分析。輻射產(chǎn)生和輻射檢測(Strahlungsnachweis)要求高開銷。

發(fā)明內(nèi)容
對此，根據(jù)本發(fā)明的如權(quán)利要求I和/或14所述的用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備和方法具有如下優(yōu)點能夠?qū)崿F(xiàn)簡單且成本廉價的皮膚癌檢查。該設(shè)備可以被設(shè)計為如下患者設(shè)備所述患者設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精確地觀察痣并且附加地基于對含水量的分析來評價所檢查的痣。通過相對測量，該方法與絕對皮膚水分無關(guān)地工作。皮膚水分的檢測借助THz輻射來實現(xiàn)。要檢查的皮膚區(qū)域利用THz輻射來照明。被反射的輻射被檢測和被分析?；旧嫌^察包括正常的(健康的)皮膚和潛在患病的皮膚的皮膚區(qū)域。通過彩色顯示器放大被檢查的區(qū)域，并且皮膚水分中的可能的差別通過附加的染色來表示。由于折射率與吸收預(yù)期有差別，所以被反射的信號關(guān)于數(shù)額和相位被分析。預(yù)期的數(shù)額差在絕對-8dB和I度相位差的情況下處于O. 5dB的量級。分析借助接收混頻器實現(xiàn)，所述接收混頻器的本振(LO)相對于發(fā)射信號在頻率上略微失調(diào)?；祛l器的輸出信號在數(shù)額和相位方面與被反射的THz信號成比例并且根據(jù)LO的頻率偏移在數(shù)千赫茲的范圍中，而且能利用成本廉價的模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理裝置而被分析。


本發(fā)明的實施例依據(jù)附圖來闡述，其中
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施形式的示意 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施形式的示意 圖3示出了第一實施形式和第二實施形式的可選的補(bǔ)充設(shè)備的示意圖；以及 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施形式的方法的流程圖。
具體實施方式
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施形式的用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備10和要檢查的皮膚試樣。設(shè)備10具有用于產(chǎn)生高頻信號的高頻源11。高頻源11與功率分配器(Power Splitter) 12連接,用于將高頻功率劃分到發(fā)射支路13和接收支路14中。在發(fā)射支路13中，在功率分配器12之后是用于放大高頻信號的第一放大器15，并且在該第一放大器15之后是用于使高頻信號的頻率倍增的第一倍頻器16。倍頻器16與用于將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射18放射到皮膚試樣19上的發(fā)射天線17相連接。在接收支路14中，功率分配器12與混頻器20相連接，該混頻器20此外還與用于產(chǎn)生具有低頻的低頻信號的頻率發(fā)生器或本振21相連接。混頻器20將從功率分配器12獲得的高頻信號與從本振21獲得的低頻信號混合，并且產(chǎn)生具有接收支路混頻的接收支路混頻信號?；祛l器20與用于放大接收支路混頻信號的第二放大器22相連接，在該第二放大器22之后是用于使接收支路混頻倍增的第二倍頻器23。被皮膚試樣19反射的接收THz輻射25通過透鏡26經(jīng)由掃描儀27被引導(dǎo)至喇叭形天線28。喇叭形天線28將接收THz輻射轉(zhuǎn)換成電接收THz信號，并且將所述電接收THz信號引導(dǎo)給混合裝置29，該混合裝置29此外還與第二倍頻器23連接?；旌涎b置29將接收THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號 混合并且產(chǎn)生測量信號?；旌涎b置29與用于分析測量信號的分析裝置30連接。透鏡26、掃描儀27和喇叭形天線28形成用于對接收THz輻射進(jìn)行接收和產(chǎn)生接收THz信號的接收天線裝置31。接收天線裝置31與混合裝置29相連接。第一實施形式的其他細(xì)節(jié)現(xiàn)在與其功能共同被闡述。該實施形式參照頻率作為具有倍頻器和次諧波混頻器的系統(tǒng)被介紹。頻率倍增因數(shù)N與所使用的技術(shù)極為有關(guān)。在這里所介紹的實施形式中，采用針對第一倍頻器16為N=48而針對第二倍頻器23為N=24的倍增器。高頻源11在R)=ll GHz時被實現(xiàn)，并且高頻信號借助功率分配器12被分配到發(fā)射支路13和接收支路14上。在發(fā)射支路13中，頻率為IlGHz的信號在第一放大器15中被放大到20dBm，使得倍頻器16被供給足夠的功率。倍頻器16以N=48將高頻IlGHz倍增到0.528THZ。通過實施為喇叭形天線的發(fā)射天線17，放射該頻率，并且皮膚的要觀察的區(qū)域(大約Icm2到2cm2)完全以THz福射來照射。在接收支路中，高頻信號在功率分配器12之后借助實施為單邊帶混頻器(SSB-Mixer)的混頻器20在其頻率上提高了 50Hz到接收支路混頻11. 00000005 GHz，并且接著利用第二放大器22被放大到大約20dB。在接下來的級中，接收支路混頻在第二倍頻器23中被倍增N=24倍到264. 0000012 GHz0該信號現(xiàn)在作為本地信號被用于隨后的混合裝置29、即次諧波混頻器。利用接收天線裝置31，在具有掃描儀27作為雙軸轉(zhuǎn)向鏡的實施形式中進(jìn)行皮膚區(qū)的幾何掃描，其中借助透鏡將皮膚部位成像到喇叭形天線28上。接收天線裝置31將接收THz信號引導(dǎo)到次諧波混頻器(混合裝置)29的RF輸入端上。次諧波混頻器允許RF信號與雙倍頻率的本地信號混合，在此即2*264. 0000012 GHz-528 GHz=2. 4kHz。這樣產(chǎn)生的為2. 4kHz的混頻器輸出信號可以借助簡單的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器在分析裝置30之內(nèi)根據(jù)數(shù)額和相位來進(jìn)行分析。為了分辨I度的相位差,分析多個相位周(Phasenzyklus )，有利地分析10個到20個相位周，使得倍頻器的抖動可以隨著時間的推移而達(dá)到平均。被試樣反射的THz輻射在分析單元30中針對預(yù)先給定的分辨率在X方向和y方向上關(guān)于相位和數(shù)額被分析。所期望的例如為Imm2的分辨率在第一實施形式中通過掃描儀馬達(dá)的步寬來確定。所有被測量的值分開地針對數(shù)額和角度被平均。接著，所有單個值分開地根據(jù)數(shù)額和相位被歸一化，并且數(shù)額和相位的這樣經(jīng)歸一化的值通過合適的幾何加法被變換成標(biāo)量值。幾何加法的系數(shù)由校準(zhǔn)測量導(dǎo)出。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施形式的用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備40。設(shè)備40具有用于產(chǎn)生高頻信號的高頻源41。高頻源41與功率分配器42相連接，用于將高頻功率劃分到發(fā)射支路43和接收支路44中。在發(fā)射支路43中，在功率分配器42之后是用于放大高頻信號的第一放大器45，并且在該第一放大器45之后是用于使高頻信號的頻率倍增的第一倍頻器46。倍頻器46與用于將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射放射到皮膚試樣(未示出)上的發(fā)射天線47相連接。在接收支路44中，功率分配器42與混頻器50相連接，該混頻器50此外還與用于產(chǎn)生低頻信號的頻率發(fā)生器或本振51相連接。混頻器50將從功率分配器42獲得的高頻信號與從本振51獲得的低頻信號混合，并且產(chǎn)生具有接收支路混頻的接收支路混頻信號?；祛l器50與用于放大接收支路混頻信號的第二放大器52相連接，在該第二放大器52之后是用于使接收支路混頻倍增的第二倍頻器53。被皮膚試樣反射的接收THz輻射由具有數(shù)目 為η的天線行55的天線陣列54來接收。天線行55共同形成接收天線裝置56。每個天線行55都與同其關(guān)聯(lián)的混頻器57連接。混頻器57共同形成混合裝置59。混頻器57分別與第二倍頻器53連接，并且將接收THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號混合，而且產(chǎn)生天線支路測量信號。天線支路測量信號通過模擬總線60被輸送給一串模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器61，其中每個天線支路55都關(guān)聯(lián)有一個模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器61。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器61通過數(shù)字總線62將數(shù)字輸出信號給予分析單元63。第二實施形式的其他細(xì)節(jié)現(xiàn)在與其功能共同地被闡述。該實施形式是用于利用InP, GaAs或SiGe半導(dǎo)體來實現(xiàn)的高度集成的解決方案。此處，基本頻率明顯更高地被置于例如88GHz處。天線陣列54在此被實施為貼片天線陣列(Patcharray)58。在x方向和I方向上，根據(jù)角度分辨率優(yōu)選地采用n=6到n=8個元件。貼片天線陣列58的面積在大約500 GHz的工作頻率的情況下在SiGe中為I. 5*1. 5mm2而在GaAs/InP上為O. 9*0. 9mm2,并且因此能良好地被集成。針對第二實施形式，例如88 GHz被選擇為發(fā)生器頻率。原則上，在此也可以使用倍數(shù)或分?jǐn)?shù)(Vielfache oder Teiler)頻率。這接著必須在倍頻器的因數(shù)方面予以考慮?；拘盘?8 GHz完全在一個或兩個HF芯片上被處理。在兩個芯片的情況下，發(fā)射器和接收器被分開。帶有功率分配器42和又被實施為單邊帶混頻器(SSB-Mixer)的混頻器50的高頻源41被實現(xiàn)在發(fā)射器或接收器芯片上。在功率分配器42之后，發(fā)射信號經(jīng)由第一放大器45到達(dá)第一倍頻器46。第一放大器45負(fù)責(zé)用于隨后的第一倍頻器46的足夠的電平。第一倍頻器46將高頻乘以因數(shù)Ns，使得輸出信號在500 GHz附近，其中在528 GHz處在88 GHz的基本頻率的情況下與Ns=6相乘。這樣獲得的輸出信號通過發(fā)射天線47、即外部喇叭形天線或集成貼片天線被放射到皮膚試樣的整個照亮區(qū)域上。在接收支路中，基本信號在為400Hz的頻率的例子中由本振51借助SSB混頻器50被混合成接收支路混頻88 GHz+400 Hz0這樣獲得的信號利用第二放大器52被充分放大，以便適當(dāng)?shù)乜刂齐S后的倍頻器。第二倍頻器53將該信號的頻率乘以因數(shù)Ns-1，在此即與因數(shù)5相乘。輸出信號被輸送給η個次諧波混頻器57?？商鎿Q地，乘數(shù)因子在接收支路中為Ns，并且η個混頻器被實施為簡單的混頻器。η個混頻器57各被天線行55饋送。天線行55的間距優(yōu)選地在四分之一波長到整個波長之間。每個天線行55都被確定大小為使得在為H)的中心頻率(此處為528 GHz)的情況下，信號垂直于行軸線(即入射角α=90° )以開口寬度β (該開口寬度β與每行的天線元件數(shù)目有關(guān))被接收。如果基本頻率88 GHz被輕微改變，則入射角α現(xiàn)在改變。對于較小的頻率，α變得更小，并且對于較大的頻率，α變得更大，即通過選擇頻率偏移Af預(yù)先給定X方向上的接收方向。因而，進(jìn)行頻率掃描，以便在X方向上掃描皮膚試樣。在I方向上，所有天線行55的信號并行地各用一個混頻器57來記錄、下混(heruntermischen),并且混頻器輸出信號通過模擬總線60被引導(dǎo)到相應(yīng)的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器61。在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器61之后的數(shù)字信號接著在分析單元63中經(jīng)受數(shù)字波束成形(DBF, digital Beam-forming)。借助DBF方法,從y方向以同多個行相關(guān)的角度精度根據(jù)其入射角α來分辨信號。借助DBF和基本頻率的變化可以在X方向和y方向上掃描被照射的皮膚區(qū)域。測量時間僅通過用于消除混頻器輸出信號上的相位抖動的求平均值和在X方向上借助頻率掃描的掃描速度而被限制，其中混頻器輸出信號上的相位抖動由多個倍增器(Verdoppler)造成。在y方向上的分析在DBF的數(shù)據(jù)處理的計算效率足夠的情況下并行地實現(xiàn)。反射在分析單元63中針對預(yù)先給定的分辨率在X方向和y方向上關(guān)于相位和數(shù) 額被分析。所期望的例如為Imm2的分辨率在第二實施形式中通過天線陣列54的間距和元件被確定。所有被測量的值分開地針對數(shù)額和角度來求平均。接著，所有單個值分開地根據(jù)數(shù)額和相位被歸一化，并且數(shù)額和相位的這樣經(jīng)歸一化的值通過適當(dāng)?shù)膸缀渭臃ǘ蛔儞Q成標(biāo)量值。幾何加法的系數(shù)由校準(zhǔn)測量導(dǎo)出。本發(fā)明在第二實施形式中使用O. 5THz左右的頻率，該O. 5THz左右的頻率能借助InP,GaAs或也借助現(xiàn)代SiGe HF過程成本有利地以足夠的功率而被產(chǎn)生和被接收，并且因而允許緊湊以及成本有利的設(shè)備。圖3示出了用于第一實施形式和第二實施形式的光譜范圍中的簡單入射光方法的可選的補(bǔ)充設(shè)備70。燈71借助透鏡72經(jīng)由分束器73照射皮膚試樣74，該皮膚試樣74的圖像被CXD攝像機(jī)75記錄。可替換地，該燈可以被安置在攝像機(jī)旁并且省去分束器，以便不阻擋THz輻射的光路。分析裝置30和/或63基于CXD攝像機(jī)75的光學(xué)圖像來生成重疊的圖像，其中從THz測量所獲得的值附加地針對每個用THz射束照射的細(xì)胞利用錯誤顏色(Fehlfarbe)而有關(guān)顏色地被改變，使得可以唯一地關(guān)聯(lián)在所觀察的掃描區(qū)之內(nèi)的具有更高的含水量的皮膚部位。在分析裝置30和/或63的彩色標(biāo)準(zhǔn)顯示器上放大地示出所檢查的皮膚區(qū)域。在針對整個設(shè)備將圖I或圖2的設(shè)備與圖3的設(shè)備集成的情況下，分析裝置30和/或63有利地被實施為帶有顯示器的控制和分析單元。尤其是在作為患者設(shè)備的構(gòu)型中，在將圖I或圖2的設(shè)備與圖3的設(shè)備集成的情況下可以使用如下個人計算機(jī)所述個人計算機(jī)作為分析裝置30和/或63的部分承擔(dān)控制和分析功能并且提供顯示。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施形式的方法的流程圖80。用于借助THz輻射借助用發(fā)射THz輻射照射試樣并且分析源自試樣的接收THz輻射來識別皮膚癌的方法以如下方法步驟a)開始產(chǎn)生高頻信號。接著是步驟b)將高頻信號劃分到發(fā)射支路和接收支路上。在發(fā)射支路中，現(xiàn)在跟著方法步驟c)使高頻信號的頻率倍增，以及跟著方法步驟d)將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射放射到試樣上。在接收支路中，在方法步驟b)之后跟著方法步驟e)產(chǎn)生低頻信號，以及跟著方法步驟f)將高頻信號與低頻信號混合，以產(chǎn)生接收支路混頻信號。接下來是方法步驟g)使接收支路混頻倍增。在方法步驟h)從試樣將接收THz輻射進(jìn)行接收并且據(jù)此產(chǎn)生THz信號之后，接下來是方法步驟i)將THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號混合，以據(jù)此產(chǎn)生輸出信號，并且最后跟著方法步驟j)分析輸出信號。有利地，針對一個測量點分析接收THz輻射的多個相位周。 所說明的頻率和乘數(shù)為例子，這些例子并不是對本發(fā)明的限制，而是僅僅闡述共同作用的部件的設(shè)計，使得該設(shè)備和方法可以在O. 1-5 THz的頻率范圍中被采用。
權(quán)利要求
1.一種用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備，用于利用發(fā)射THz輻射(18)來照射試樣(19 )并且分析源自該試樣的接收THz輻射(25 )，其中該設(shè)備(20，40 )具有 高頻源(11，41 )，用于產(chǎn)生高頻信號，以用在發(fā)射支路(13，43 )和接收支路(14，44)中；功率分配器(15，45)，用于將高頻信號劃分到發(fā)射支路和接收支路上； 在發(fā)射支路(13，43)中，用于使高頻信號的頻率倍增的第一倍頻器(16，46)和用于將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射進(jìn)行放射的發(fā)射天線； 在接收支路(14，44)中，用于產(chǎn)生低頻信號的頻率發(fā)生器(21，51)、用于將高頻信號與低頻信號混合以產(chǎn)生接收支路混頻信號的混頻器(20，50)、用于使接收支路混頻倍增的第二倍頻器(23，53)、用于對接收THz輻射(25)進(jìn)行接收和用于產(chǎn)生THz信號的接收天線裝置(31，54)、用于將THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號混合以產(chǎn)生測量信號的混合裝置(29，59)以及用于分析該測量信號的分析裝置(30，63)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于，接收天線裝置(31)在接收THz輻射(25)的光路中具有透鏡(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的設(shè)備，其特征在于，接收天線裝置(31)在接收THz輻射(25 )的光路中具有喇叭形天線(28 )和掃描儀(27 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，掃描儀(27)具有二軸可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向鏡。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，第二倍頻器(23，53)具有比第一倍頻器(16，46)更小的倍增因數(shù)，并且混合裝置(29)具有次諧波混頻器。
6.根據(jù)所述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，接收天線裝置(56)具有帶有天線行(55)的天線陣列(54)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，混合裝置(59)對于每個天線行(55)都具有一個與該天線行關(guān)聯(lián)的混頻器(57)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，每個與天線行(55)關(guān)聯(lián)的混頻器(57)都關(guān)聯(lián)有模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(61)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8之一所述的設(shè)備，其特征在于，第二倍頻器(53)具有比第一倍頻器(46)更小的倍增因數(shù)，并且與天線行(55)關(guān)聯(lián)的混頻器(57)是次諧波混頻器。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至8之一所述的設(shè)備，其特征在于，第二倍頻器(53)具有與第一倍頻器(46)相同的倍增因數(shù)，并且與天線行(55)關(guān)聯(lián)的混頻器(57)是簡單的混頻器。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10之一所述的設(shè)備，其特征在于，分析裝置(63)被構(gòu)建用于利用數(shù)字波束成形方法(DBF)來分析所述測量信號。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，在發(fā)射支路(13，43)中布置有第一放大器(15,45)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，在接收支路(14，44)中布置有第二放大器(22，52)。
14.一種用于借助THz輻射借助用發(fā)射THz輻射照射試樣并且分析源自該試樣的接收THz輻射來識別皮膚癌的方法，其具有如下方法步驟 a)產(chǎn)生高頻信號， b)將高頻信號劃分到發(fā)射支路和接收支路上， -在發(fā)射支路中c)使高頻信號的頻率倍增，以及 d)將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射放射到試樣上， -在接收支路中 e)產(chǎn)生低頻信號， f )將高頻信號與低頻信號混合，以產(chǎn)生接收支路混頻信號， g)使接收支路混頻倍增， h)將試樣的接收THz輻射進(jìn)行接收并且據(jù)此產(chǎn)生THz信號， i)將THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號混合，以據(jù)此產(chǎn)生輸出信號，以及 j)分析輸出信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，針對一個測量點分析所述接收THz輻射的多個相位周。
全文摘要
一種用于借助THz輻射來識別皮膚癌的設(shè)備(用于利用發(fā)射THz輻射(18)來照射試樣(19)并且分析源自試樣的接收THz輻射(25))具有高頻源(11，41)，用于產(chǎn)生高頻信號，以用在發(fā)射支路(13，43)和接收支路(14，44)中；功率分配器(15，45)，用于將高頻信號劃分到發(fā)射支路和接收支路上；在發(fā)射支路(13，43)中，用于使高頻信號的頻率倍增的第一倍頻器和用于將經(jīng)倍頻的高頻信號作為發(fā)射THz輻射進(jìn)行放射的發(fā)射天線；在接收支路(14，44)中，用于產(chǎn)生低頻信號的頻率發(fā)生器(21，51)、用于將高頻信號與低頻信號混合以產(chǎn)生接收支路混頻信號的混頻器(20，50)、用于使接收支路混頻倍增的第二倍頻器(23，53)、用于對接收THz輻射(25)進(jìn)行接收和用于產(chǎn)生THz信號的接收天線裝置(31，54)、用于將THz信號與經(jīng)倍頻的接收支路混頻信號混合以產(chǎn)生測量信號的混合裝置(29，59)以及用于分析測量信號的分析裝置(30，63)。
文檔編號A61B5/00GK102822663SQ201180015341
公開日2012年12月12日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者A.魯姆貝格, M.蒂爾, U.卡爾曼 申請人:羅伯特·博世有限公司