JP2012157622A

JP2012157622A - 生体のしこり検査装置

Info

Publication number: JP2012157622A
Application number: JP2011020708A
Authority: JP
Inventors: Sadao Omata; 定夫尾股
Original assignee: Fukushima Medical University
Current assignee: Fukushima Medical University
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: JP5504402B2

Abstract

【課題】生体のしこり検査装置において、探触子の数を増加させることなく、生体表面への１回の圧接で検査できる領域を拡大することである。
【解決手段】生体のしこり検査装置は、診断者が手で把持できる外形を有する筐体部の検査面に保護ガラスが設けられ、検査面と反対側の外表面に２次元硬さ分布を表示する表示部を有する。筐体部の内部に収容される内部構造部１３の最上部は、保護ガラス１４で、その下方には、探触素子３２が２次元的に整列配置される素子配置基板３０が保護ガラス１４と隙間を開けて配置される。最下部に設けられる制御回路基板５８と保護ガラス１４との中間部に設けられるＸＹ移動機構台４８の上には、素子配置基板３０をＸＹ平面内で移動駆動するためのＸＹ移動機構５０が配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体のしこり検査装置に係り、特に光を用いた生体のしこり検査装置に関する。

生体表面の腫瘍、生体の内部の癌等によるしこりを検査するために、生体表面に探触子を圧接させて、探触子から超音波振動や光を入射し、生体からの反射波を解析することが行われる。

例えば、特許文献１には、生体のしこり検査装置として、プローブ基体に複数の探触素子を２次元的に配置して、これらの探触素子が生体表面に圧接され、その範囲の生体の硬さ、つまりしこりを２次元的に把握する構成が開示されている。ここでは、各探触素子が硬さ算出切替回路によって順次選択されて硬さ算出器に接続される。硬さ算出器は、探触素子を構成する振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形との間の位相差に応じ周波数を変化させる位相シフト回路を備え、その周波数変化から生体組織の硬さを算出する。

また、特許文献２には、光を用いて生体組織の硬さを２次元的に検査する装置として、発光素子と受光素子を対とする探触素子を用いることが述べられている。ここでは、特許文献１と同様に、プローブ基体に複数の探触素子が２次元的に配置され、各探触素子が生体表面に圧接される。そして、各探触素子が切替回路によって順次選択されて特性算出部に接続される。特性算出部は、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形との間の位相差に応じ周波数を変化させる位相シフト回路を備え、その周波数変化から生体組織の硬さを算出する。

なお、特許文献３には、位相シフト法の詳細な内容について開示されている。

特開２００４−２８３５４７号公報特開２００５−１０３０５４号公報特開平９−１４５６９１号公報

特許文献２の方法によれば、光を用いて生体組織の硬さを２次元的に測定できる。この方法は、探触子を生体表面に圧接するので、探触子が圧接された領域については検査ができるが、それ以外の領域をさらに検査しようとすると、探触子の圧接位置を移動させる必要がある。探触子を生体表面に圧接したまま移動するにしても、探触子を一旦生体表面から外して改めて別の領域を圧接するにしても、測定条件が変化することが生じ得る。

すなわち、探触子を生体表面に圧接する方法では、広い領域での検査に限界がある。また、これに対応するため、一度に圧接できる探触子の数を増加することが考えられるが、その場合はコストが高くなる。

本発明の目的は、探触子の数を増加させることなく、生体表面への１回の圧接で検査できる領域を拡大できる生体のしこり検査装置を提供することである。

本発明に係る生体のしこり検査装置は、生体に光を入射する発光素子と生体からの光を受光する受光素子とを対とする探触素子を用いて、複数の探触素子が２次元的に整列配置される素子配置基板と、各探触素子を順次選択して硬さ算出器に接続する切替回路と、発光素子への電気信号波形と受光素子からの電気信号波形との間の位相差に応じて周波数を変化させる位相シフト回路を用いてその周波数変化より生体組織のしこりの程度を示す硬さを算出する硬さ算出器とを含み、各探触素子のそれぞれの硬さを２次元的硬さ分布として出力する演算部と、素子配置基板の基板平面に平行な面を診断面として、診断面内で予め定めた複数の診断位置のそれぞれに素子配置基板を移動駆動することで、素子配置基板が生体に向かい合う対向面積を拡大する駆動部と、制御回路基板と演算部と駆動部とを内部に収納し、診断者が手で把持できる外形を有する筐体部であって、生体に押し付けられる側の検査面に、素子配置基板の探触素子が配置される面に向かい合って素子配置基板と隙間を開けて配置される保護ガラスが設けられ、検査面と反対側の外表面に演算部から出力される２次元硬さ分布を表示する表示部を有する筐体部と、を含み、２次元硬さ分布は、駆動部によって移動駆動される各診断位置のそれぞれについて、素子配置基板に配置される複数の探触素子についての２次元硬さ分布を重畳させた拡大２次元硬さ分布であることを特徴とする。

また、本発明に係る生体のしこり検査装置において、硬さ算出器は、受光素子の信号出力端に入力端が接続される増幅回路と、増幅回路の出力端と発光素子の信号入力端との間に設けられ、信号の周波数を変化させて発光素子への電気信号入力波形と受光素子からの電気信号出力波形との間に生じる位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、探触素子と増幅回路と位相シフト回路とで形成される帰還ループにより位相差をゼロに補償して起こる自励発振振動の周波数を計測し、探触素子から生体に光が入射され生体から光を受光しているときの周波数と、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数との間の変化である周波数偏差を求め、この周波数偏差を生体の硬さを示す値とする周波数偏差算出回路と、を含むことが好ましい。

また、本発明に係る生体のしこり検査装置において、周波数偏差算出回路は、探触素子から光を放射した時間から自励発振振動が安定するまでの時間を安定時間として、安定時間よりも短く、予め定めた所定の時間を経過したタイミングで、自励発振振動の周波数を計測することが好ましい。

また、本発明に係る生体のしこり検査装置において、硬さ算出器は、素子配置基板に配置される各探触素子のそれぞれについて、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数を予め計測し、これを駆動部によって移動駆動される各診断位置のそれぞれについて行なって、計測された周波数を各探触素子と各診断位置とに対応付けて初期周波数のデータとして記憶する初期値記憶部を有し、周波数偏差の算出は、探触素子から生体に光が入射され生体から光を受光しているときの周波数を、当該探触素子の当該診断位置における初期周波数と比較して求めることが好ましい。

また、本発明に係る生体のしこり検査装置において、初期値記憶部は、電気的に消去可能な半導体メモリであって、電源が遮断されても記憶が保持されることが好ましい。

また、本発明に係る生体のしこり検査装置において、駆動部は、素子配置基板に２次元的に整列配置される探触素子の一方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を一方向に移動駆動し、他方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を他方向に移動駆動することが好ましい。

上記構成により、生体のしこり検査装置は、生体組織のしこりの程度を示す硬さを測定するための複数の探触素子が２次元的に整列配置される素子配置基板を有し、素子配置基板の基板平面に平行な面を診断面として、診断面内で予め定めた複数の診断位置のそれぞれに素子配置基板を移動駆動することで、素子配置基板が生体に向かい合う対向面積を拡大する駆動部を有する。これによって、探触素子の数を増加させることなく、生体表面への１回の圧接でしこり検査できる領域を拡大できる。

また、生体のしこり検査装置において、硬さ算出器は、位相シフト回路を用いて、探触素子から生体に光が入射され生体から光を受光しているときの周波数と、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数との間の変化である周波数偏差を求め、この周波数偏差を生体の硬さを示す値とする。このように位相シフト回路を用いることで、生体の硬さを正確に求めることができる。

また、生体のしこり検査装置において、周波数偏差の算出は、探触素子から光を放射した時間から自励発振振動が安定するまでの時間を安定時間として、安定時間よりも短く、予め定めた所定の時間を経過したタイミングで、自励発振振動の周波数を計測することで行う。自励発振振動が安定するまで待たなくても済む時間を予め求めておき、その時間を予め定めた所定時間とすることで、検査時間を短縮できる。

また、生体のしこり検査装置において、素子配置基板に配置される各探触素子のそれぞれについて、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数を予め計測し、これを位相シフト法で用いる初期周波数のデータとして記憶する。このようにすることで、実際のしこり検査を行う前に予め初期周波数を求めておくことができるので、実際のしこり検査に要する時間を短縮できる。

また、しこり検査装置において、初期値記憶部は、電気的に消去可能な半導体メモリであって、電源が遮断されても記憶が保持される。これによって、初期値の取得を任意の時間に行うことができ、利便性が向上する。

また、生体のしこり検査装置において、駆動部は、素子配置基板に２次元的に整列配置される探触素子の一方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を一方向に移動駆動し、他方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を他方向に移動駆動する。このようにすることで、２次元的硬さ分布の検査領域を拡大すると共に、診断位置の間隔を細かくして検査を行うことができる。

本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置の外観図である。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置についての内部分解図である。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置のブロック図である。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置の硬さ算出器に関係する構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、生体のしこり検査の手順を説明するフローチャートである。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置のＸＹテーブル走査を説明する図である。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置の表示画面の例を説明する図である。本発明に係る実施の形態における生体のしこり検査装置のタイムチャートである。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、生体のしこり検査の対象として、乳がんチェックを説明するが、これ以外の生体のしこりの検査を行う用途としてもよい。

以下で述べる数量、数値、寸法、時間等は、説明のための一例であって、生体のしこり検査装置の仕様に応じ、適宜変更することができる。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、生体のしこり検査装置１０の外観図である。以下では、生体のしこり検査装置１０を、特に断らない限り、単に、しこり検査装置１０として述べる。しこり検査装置１０は、乳がんの可能性についてチェックすることができる検査装置である。具体的には、人の生体組織８である乳房部の表面に検査面を押し当てて、発光素子から光を生体組織８に入射し、その反射を受光素子で受け止めるときに、発光素子に対する入力電気信号と受光素子から出力される出力電気信号の信号波形を比較して、生体組織８の硬さを測定し、その結果を２次元画像で出力する。このように、光を用いるが、測定には、光信号ではなく、受発光動作における電気信号を用いるものである。

しこり検査装置１０は、診断者が片手で把持できる大きさの筐体部１２を備え、概略直方体の箱状の外観を有する。寸法の一例を示すと、幅９ｃｍ×長さ１２ｃｍ×高さ４ｃｍ程度である。

筐体部１２は、検査対象の生体組織８に押し付ける側を検査面とすると、検査面に設けられる保護ガラス１４は、筐体部１２の内部に配置される探触素子３２から放射される光を通し、生体組織８からの反射光を通す機能を有する透光部材である。保護ガラス１４と呼ぶが、材質はガラス材でなくても構わない。

保護ガラス１４の透光部に対応する位置で、筐体部１２の内部に配置される素子配置基板３０は、生体組織８に光を入射し、生体組織８からの光を受光する探触素子３２が２次元的に整列配置される基板である。ここでは、図１に示されるように、Ｘ方向に沿って１０列、Ｙ方向に沿って１０行の合計１００個の探触素子３２が配置される。Ｘ方向の配列ピッチは５ｍｍ、Ｙ方向の配列ピッチも５ｍｍである。

なお、ＸＹＺの方向については、図１に示すように、生体組織８に向かう方向が＋Ｚ方向、Ｚ方向に垂直な面がＸＹ面で、検査面はＸＹ面に平行な面である。Ｘ方向とＹ方向は
互いに直交し、筐体部１２の平面図で長手方向がＹ方向、短手方向がＸ方向である。

探触素子３２は、発光素子３４と受光素子３６を対として構成される。発光素子３４はＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）で、受光素子３６はフォトダイオードである。発光素子３４のピーク発光波長は、８６５ｎｍから８７０ｎｍのものを用い、受光素子３６のピーク感度波長は、８８０ｎｍから９００ｎｍのものを用いた。発光素子３４も受光素子３６も、図１に示されるように、共にチップ部品であり、基板の電極配線に半田付けを行って、取り付け配置される。

筐体部１２の検査面の反対側の面は、生体組織８に筐体部１２を押し付けるときに、診断者の顔に対向する面であるので、これを外表面と呼ぶことにすると、外表面に配置される表示窓２４は、検査結果を表示する表示部５２である液晶パネルの上面ガラスである。したがって、筐体部１２は、検査面で生体組織８を検査し、ちょうどその真上に対応する位置に設けられる表示窓２４を通して表示部５２に検査結果が表示される構成となっている。

外表面に設けられる押しボタン２２は、スタート・ストップボタンで、すぐ横にその旨の表示がなされている。押しボタン２２は、診断者の押し操作の程度によって、キャリブレーションモードのスタート・ストップを行う機能と、検査モードのスタート・ストップを行う機能とを使い分けられる。

ここでは、３秒以上の長押し操作のときに、キャリブレーションモードとされ、２秒以内の短押し操作のときに、検査モードとされる。２秒から３秒の間の押し操作のときは、表示部５２に、長押し操作か短押し操作をするように注意が表示される。

筐体部１２の４つの側面の１つで、筐体部１２を手で把持したときに手前側となる側面に設けられる電源コネクタ１６は、ＡＣ／ＤＣアダプタを介してＡＣ電源に接続される電源コネクタである。この電源コネクタ１６によって、５ＶＤＣ電源が供給される。なお、ＡＣ／ＤＣアダプタとして、ＡＣ電源から５ＶＤＣに変換するものが適合する旨が、仕様書に明記される。

電源コネクタ１６の左隣のコネクタ１８は、筐体部１２の内部に収納される回路の調整を外部から行うための設定用コネクタである。電源コネクタ１６の右隣のコネクタ２０は、外部のパーソナルコンピュータ等の処理装置に接続することができる入出力接続端子である。

図２は、筐体部１２の内部に収容される回路および機構の構成を説明するために、順次分解を行った図である。最上段の図は、筐体部１２の内部に収容される内部構造部１３をそのまま示す図である。なお、図２は、保護ガラス１４を上方側に、表示部５２を下方側に配置してある。

内部構造部１３の最上部は、保護ガラス１４である。保護ガラス１４の下方には、隙間を開けて素子配置基板３０が配置される。換言すると、生体組織８に押し付けられる側の検査面に、素子配置基板３０の探触素子３２が配置される面に向かい合って素子配置基板３０と隙間を開けて保護ガラス１４が配置される。隙間を開けてとは、素子配置基板３０がＸＹ平面内で移動するときに、保護ガラス１４に探触素子３２が接触しないことを意味する。

最下部に設けられる制御回路基板５８は、一方側の面に制御回路６０が、反対側の面に表示部５２が、それぞれ搭載される基板である。保護ガラス１４と制御回路基板５８の中間部に設けられるＸＹ移動機構台４８は、その上に、ＸＹ移動機構５０が搭載される支持板部材である。なお、ＸＹ移動機構５０は、素子配置基板３０をＸＹ平面内で移動駆動するための機構である。

図２の上から２番目の図は、保護ガラス１４と制御回路基板５８を取り外した状態を示す図である。ここでは、素子配置基板３０が最上側に来たときの様子が示される。図２の上から３番目の図は、さらに素子配置基板３０を取り外した状態を示す図である。この状態が、ＸＹ移動機構台４８と、その上に配置されるＸＹ移動機構５０を含むブロックの状態である。

ＸＹ移動機構５０は、ＸＹ移動機構台４８に対し、Ｙ方向に移動可能なＹステージ４４と、Ｙステージ４４の上に設けられ、Ｘ方向に移動可能なＸステージ４０を含んで構成される。ＸＹ移動機構台４８に取り付け固定されるＹモータ４６は、その出力直進軸がＹステージ４４に取り付けられ、これによって、Ｙステージ４４をＹ方向に移動駆動する機能を有する。Ｙステージ４４に取り付け固定されるＸモータ４２は、その出力直進軸がＸステージ４０に取り付けられ、これによって、Ｘステージ４０をＸＹ方向に移動駆動する機能を有する。Ｘモータ４２とＹモータ４６は、ステッピングモータを用いることができる。

Ｘステージ４０には素子配置基板３０が取り付けられるので、ＸＹ移動機構５０によって、素子配置基板３０をＸ方向およびＹ方向に移動駆動できる。このように、ＸＹ移動機構５０は、素子配置基板３０をＸＹ平面に平行に移動駆動する機能を有する駆動部である。

図３は、制御回路基板５８に搭載される制御回路６０の構成を説明するブロック図である。ここでは、制御回路６０の構成要素ではないが、素子配置基板３０と、ＸＹ移動機構５０と表示部５２が示されている。

制御回路６０のマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）６２は、しこり検査装置１０を構成する電子部品の動作を全体として制御する演算部である。マイクロプロセッサ６２に接続される記憶部７２は、マイクロプロセッサ６２によって実行されるソフトウェアを格納する機能を有する記憶装置であるが、ここでは特に、後述するキャリブレーションモードで取得される初期周波数のデータを記憶する機能を有する。その意味では、記憶部７２は、初期値記憶部である。

マイクロプロセッサ６２に接続されるＸモータドライバ６４とＹモータドライバ６６は、それぞれ、Ｘモータ４２の駆動回路とＹモータ４６の駆動回路である。具体的には、Ｘ方向移動量に対応する駆動パルスをＸモータ４２に供給し、Ｙ方向移動量に対応する駆動パルスをＹモータ４６に供給する機能を有する。

具体的には、Ｘ方向に０．５ｍｍ単位で９ステップまで移動駆動し、Ｙ方向にも０．５ｍｍ単位で９ステップまで移動駆動する。探触素子３２の整列配置のピッチは、Ｘ方向もＹ方向もそれぞれ５ｍｍであるので、Ｘモータ４２とＹモータ４６の移動駆動は、隣接する探触素子３２の間を１０分割するように行われる。これによって、素子配置基板３０の
１００個の探触素子３２の検査可能領域をＸ方向に４．５ｍｍ、Ｙ方向に４．５ｍｍ拡大できる。

このように、素子配置基板３０の基板平面に平行な面を診断面として、診断面内で予め定めた複数の診断位置のそれぞれに素子配置基板３０を移動駆動することで、素子配置基板３０が生体組織８に向かい合う対向面積を拡大することができる。また、この拡大機能と共に、しこりの診断位置である検査位置の間隔を１０分の１の細かさとすることができる。

もっとも、Ｘモータ４２とＹモータ４６の移動駆動のピッチは、探触素子３２の配置ピッチの１０分の１でなくても、整数分の１であれば、診断位置の間隔を細かくできる。また、Ｘモータ４２とＹモータ４６の駆動範囲を探触素子３２の配置ピッチと同じにしなくてもよい。なお、その場合には、診断位置が重複しないように、移動駆動のピッチを考慮する必要がある。

マイクロプロセッサ６２と素子配置基板３０の間に接続配置されるＸデコーダ６８とＹデコーダ７０は、素子配置基板３０に整列配置される１００個の探触素子３２の１つを選択し、選択された探触素子３２を後述する硬さ算出器９０に接続する機能を有する切替回路である。具体的には、セレクタ回路またはマルチプレキサ回路を用いることができる。

素子配置基板３０には、探触素子３２がＸ方向に１０列、Ｙ方向に１０行配置されるので、この１００個の探触素子３２の中の１つを選択するために、Ｙ方向に延び、互いにＸ方向に隣接して配置される１０本のＸアドレス線、Ｘ方向に延び、互いにＹ方向に隣接して配置される１０本のＹアドレス線が設けられる。このＸアドレス線にＸデコーダ６８が接続され、Ｙアドレス線にＹデコーダ７０が接続される。そして、Ｘデコーダ６８によって１０本のＸアドレス線の中の１本が選択され、Ｙデコーダ７０によって１０本のＹアドレス線の中の１本が選択されることで、その選択されたＸアドレス線とＹアドレス線の交点にある探触素子３２が選択される。

選択された探触素子３２は、硬さ算出器９０に接続される。硬さ算出器９０は、アナログ回路部分８０と、マイクロプロセッサ６２に含まれるディジタル回路部分とで構成される。アナログ回路部分８０は、受光素子３６のためのＰＤセンシング回路８２、発光素子３４のためのＬＥＤドライバ８４、増幅回路８６、位相シフト回路８８を含む。マイクロプロセッサ６２に含まれるディジタル回路部分としては、周波数偏差算出回路９２と硬さ出力部９４を含む。

図４は、硬さ算出器９０の具体的内容を説明する回路図である。ここでは、硬さ算出器９０の構成要素ではないが、発光素子３４、受光素子３６、Ｘデコーダ６８、Ｙデコーダ７０、記憶部７２、表示部５２が図示されている。

受光素子３６は、そのアノード側が電源Ｖ_DDに接続され、カソード側がＸデコーダ６８およびＹデコーダ７０を介して、ＬＥＤドライバ８４に接続される。発光素子３４は、エミッタ端子が接地に接続され、コレクタ端子がＸデコーダ６８およびＹデコーダ７０を介して、ＰＤセンシング回路８２に接続される。このように、Ｘデコーダ６８とＹデコーダ７０は、探触素子３２の受光素子カソードと発光素子コレクタとの２端子を１組として、１００組の中の１組を選んで、選ばれた１組について、受光素子カソードをＰＤセンシング回路８２に、発光素子コレクタをＬＥＤドライバ８４に接続する機能を有する。

ＰＤセンシング回路８２は、フォトダイオードである受光素子３６に流れる電流を適当に増幅して抵抗素子に流し、抵抗素子の両端電圧を出力する回路である。ＬＥＤドライバ８４は、発光素子３４のカソード電圧を適当にバイアスすることで、発光素子３４に電流を流す回路である。ＰＤセンシング回路８２、ＬＥＤドライバ８４は、一般的に用いられる回路形式としたが、後述する位相シフト回路８８との組合せを考慮したうえで、これ以外の回路形式を用いるものとしてもよい。

増幅回路８６は、ＰＤセンシング回路８２の出力信号について、コンデンサ８３を介して受け取り、適当な増幅率で増幅する回路である。位相シフト回路８８は、増幅回路８６の出力端子と、ＬＥＤドライバ８４の入力端子との間に配置接続される回路である。なお、位相シフト回路８８とＬＥＤドライバ８４の入力端子との間にはコンデンサ８５が接続配置される。

位相シフト回路８８は、特許文献３に詳述されるように、入力信号波形と出力信号波形との間に位相差が生じるときに、周波数を変化させてその位相差をゼロにする機能を有する回路である。具体的には、ゲインと位相とが周波数特性を有する一種のフィルタ回路である。位相差に応じて周波数変化量である周波数偏差が異なるので、位相差を周波数偏差に変換する位相差・周波数偏差変換回路でもある。

このように、位相シフト回路８８を介して、受光素子３６と発光素子３４との間に閉ループを構成すると、各構成要素の寄生容量、寄生抵抗、寄生インダクタンス等によって、この閉ループを流れる信号に遅延が生じ、その遅延が一巡して自励発振を生じる。この自励発振は、受光素子３６と発光素子３４の間に生体組織８がないときでも生じる。その自励発振の周波数は、上記のように、各構成要素の寄生容量、寄生抵抗、寄生インダクタンス等によって定まるが、位相シフト回路８８を設けたことで、位相シフト回路８８の抵抗素子、容量素子等の回路定数の設定によって、発振周波数を任意に設定することが可能になる。

このようにして、受光素子３６と発光素子３４の間に生体組織８がないときに生じる自励発振の周波数を初期周波数ｆ₀とすると、つぎに受光素子３６と発光素子３４の間に生体組織８を配置すると、その自励発振の周波数がｆ₀から変化する。その周波数を検査周波数ｆ₁とすると、生体組織８による周波数偏差Δｆ＝ｆ₁−ｆ₀である。このΔｆは生体組織８の硬さによって異なる値を示す。

上記のように、位相シフト回路８８の回路定数を変更すると、初期周波数ｆ₀を任意に設定できる。ここで、初期周波数ｆ₀を変更したときのΔｆを調べると、初期周波数ｆ₀によって、Δｆがかなり異なることが分かる。また、ＰＤセンシング回路８２の回路定数を変更し、あるいはＬＥＤドライバ８４の回路定数を変更することでも、発光強度とノイズ光の関係でΔｆがかなり変化する。

Δｆが大きいほど、生体組織８の硬さ検出の感度が向上するので、ＰＤセンシング回路８２の回路定数、ＬＥＤドライバ８４の回路定数、位相シフト回路８８の回路定数を適切に設定することが重要である。例えば、発光素子３４の発光量を、その発光素子３４の推奨発光量よりも小さく絞るように、ＬＥＤドライバ８４の回路定数を変更し、それに応じて、ＰＤセンシング回路８２の回路定数、位相シフト回路の回路定数を変更すると、推奨発光量で駆動したときに比べ、信号振幅が数分の１になるが、Δｆは数倍に改善される。このような実験に基づいて、ＰＤセンシング回路８２の回路定数、ＬＥＤドライバ８４の回路定数、位相シフト回路８８の回路定数を設定した。

初期周波数ｆ₀は、受光素子３６と発光素子３４の間に生体組織８がないときに生じる自励発振の周波数であるので、生体組織８のしこり測定に先立って、予め測定することができる。そのようにして取得された初期周波数ｆ₀は記憶部７２に記憶される。初期周波数ｆ₀は、探触素子３２を構成する受光素子３６、発光素子３４の特性のばらつきによって異なる値を示すことがあるので、各探触素子３２のそれぞれに対応付けて記憶される。

初期周波数ｆ₀は、生体組織８の種類が変わらなければ、上記のΔｆを最適化する条件が同じであるので、数回のしこり検査に共通して用いることも可能である。そのことから、初期周波数ｆ₀を記憶する記憶部７２は、電気的に消去可能な半導体メモリであるＥＥＰＲＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍａｂｌｅＭｅｍｏｒｙ)を用いることがよい。これによって、電源が遮断されても記憶が保持される。

しこり検査のときには、上記のように、生体組織８が存在するときの検査周波数ｆ₁が取得される。周波数偏差算出回路９２は、記憶部７２から初期周波数ｆ₀を読み出し、その値を用いて、Δｆ＝ｆ₁−ｆ₀を算出する。Δｆは、各探触素子３２ごとに求めるので、初期周波数ｆ₀は、対応する探触素子３２の値を読み出して用いる。

硬さ出力部９４は、硬さに対応する値であるΔｆを画像表示に変換する信号処理を行う回路である。例えば、Δｆが最大で１ｋＨｚ程度であるとすると、この１ｋＨｚの変化幅を画像の２５６階調に変換する処理を行う。

表示部５２は、液晶ディスプレイである。表示部５２は、変換された画像信号を用いて、各探触素子３２の２次元的位置に対応させ、その周波数偏差Δｆの大きさを液晶ディスプレイの階調値として表示する機能を有する。

上記構成の作用を図５のフローチャートを用いて詳細に説明する。ユーザが押しボタン２２を押すと、その押し操作による信号を取得して、長押し操作か、短押し操作かが判断される（Ｓ１０）。具体的には、押し操作が３秒以上であると、キャリブレーションモード選択と判断してＳ１２へ進む。その際に、制御回路６０等の初期設定が行われる。すなわち、ＸＹ移動機構５０は、初期状態とされ、Ｘモータ４２とＹモータ４６は初期位置であるホームポジションＨＰに戻される。そして、Ｘデコーダ６８とＹデコーダ７０は、Ｘアドレス＝０、Ｙアドレス＝０を選択し、素子配置基板３０のＸＹ座標の原点位置の探触素子３２を硬さ算出器９０に接続する状態とされる。

キャリブレーションモードのときは、生体組織８に筐体部１２が押し当てられていないので、その状態で、初期周波数ｆ₀が検出され（Ｓ１４）、その値が記憶部７２に記憶される。これで、素子配置基板３０のＸＹ座標の原点位置の探触素子３２の初期周波数ｆ₀が、その探触素子３２の位置に関連付けて記憶される。

つぎに、ＸＹデコーダの走査が行われる（Ｓ１８）。ＸＹデコーダの走査は、予め定めた走査順序で行われる。例えば、探触素子３２の位置をＸＹ座標で規格化して（０，０）から（９，９）までとすると、最初に（０，０）の探触素子３２のｆ₀を検出し記憶したので、次はＹ＝０のままで、Ｘを０から１ずつ増加させて９まで走査する。そして、Ｘ＝９に達したら、Ｙ＝１とし、今度はＸを９から１ずつ減少させて０まで走査する。Ｘが＝０に達したら、Ｙ＝２とし、０から１ずつ増加させて９まで走査する。これを繰り返すことで、（０，０）の位置から（９，９）の位置まで、全ての探触素子３２を順次選択することができる。

このように予め定めた走査順序でＸＹデコーダの走査が１つ行われると、その都度、ＸＹデコーダ走査が全部完了したか否かが判断される（Ｓ２０）。上記の走査方法では、（０，０）の位置の探触素子３２の次は、（１，０）の位置の探触素子３２が選択されるので、ＸＹデコーダ走査が全部完了する（９，９）の位置の探触素子３２の選択まで済んでいない。したがって、Ｓ２０の判断は否定され、Ｓ１４に戻って、（１，０）の位置の探触素子３２の初期周波数ｆ₀が検出され、その値が記憶部７２に記憶される。

これを繰り返して、Ｓ２０の判断が肯定されると、その時点で、ホームポジションＨＰの位置にある素子配置基板３０の１００個の探触素子３２のすべてについて、それらの初期周波数ｆ₀が各探触素子３２の位置に対応付けて、記憶部７２に記憶されたことになる。ここで、ＸＹデコーダ走査は、（０，０）の位置に戻される。

そこで、次にＸＹステージ走査が行われる（Ｓ２２）。ＸＹステージ走査は、Ｘモータ４２とＹモータ４６を駆動し、Ｘステージ４０を０．５ｍｍ単位で４．５ｍｍまで、Ｙステージ４４を０．５ｍｍ単位で４．５ｍｍまで移動させる。

その移動の方法は、ＸＹデコーダの走査と同様の方法を用いることができる。すなわち、素子配置基板３０の位置をＸＹ座標の０．５ｍｍ単位で規格化して（０，０）から（９，９）までとすると、すでに（０，０）の位置であるホームポジションＨＰにおける素子配置基板３０についての初期周波数ｆ₀の取得と記憶は終っているので、次はＹ＝０のままで、Ｘを０から１ずつ増加させて９まで走査する。そして、Ｘ＝９に達したら、Ｙ＝１とし、今度はＸを９から１ずつ減少させて０まで走査する。Ｘが＝０に達したら、Ｙ＝２とし、０から１ずつ増加させて９まで走査する。これを繰り返すことで、（０，０）の位置から（９，９）の位置まで、素子配置基板３０を順次移動させることができる。

その様子を図６に示す。ここでは、ＸＹ移動機構台４８の上のＹステージ４４と、Ｙステージ４４の上のＸステージ４０と、Ｘステージ４０と一体となって移動する素子配置基板３０の状態が１組として、各移動駆動によってどのように変化するかを示されている。図６において、Ｘ方向とＹ方向が示されている。そして、素子配置基板３０の原点位置について、初期位置であるホームポジションＨＰのときの原点位置が二重丸印で示され、各移動駆動による素子配置基板３０の原点位置が黒丸印で示されている。したがって、二重丸印と黒丸印の間の離間量が、素子配置基板３０の移動量を示している。

上記の走査方法によると、素子配置基板３０は、原点位置がホームポジションＨＰにある状態から、まずＸ方向に０．５ｍｍずつ移動する。これをＸ＝０．５×ｎ（ｍｍ）として示してある。ｎ＝０がホームポジションＨＰにあるときで、二重丸印と黒丸印が一致している。ｎが増加するにつれ、二重丸印から黒丸印がＸ方向に離れて行き、ｎ＝９で最大となる。このときの素子配置基板３０の位置は（９，０）である。

ここで、Ｘ方向の移動は止まり、次に、Ｙ方向に０．５ｍｍ移動する。これにより、素子配置基板３０の位置は（９，１）となる。二重丸印から黒丸印がＹ方向に０．５ｍｍ離れることになる。この状態から、Ｘ方向に沿って、０．５ｍｍずつ反対方向に移動する。Ｘ＝０．５×ｎ（ｍｍ）において、ｎ＝９からｎが１つずつ減少することになる。ｎが減少するにつれ、二重丸印に黒丸印がＸ方向に近づいて行き、ｎ＝０でＸ方向については一致する。このときの素子配置基板３０の位置は（０，１）である。

ここで、Ｘ方向の移動は止まり、次に、Ｙ方向に０．５ｍｍ移動する。これにより、素子配置基板３０の位置は（０，２）となる。二重丸印から黒丸印がＹ方向に１ｍｍ離れることになる。ここで再びＸ方向に０．５ｍｍずつ移動する。

これを繰り返し、Ｙ方向に４．５ｍｍ移動したときは、素子配置基板の位置は（９，９）になる。この状態からＸ方向に沿って、０．５ｍｍずつ反対方向に移動する。こうして、素子配置基板３０の位置が（０，９）の状態になって、ＸＹステージの走査が完了する。

再び図５に戻り、このように予め定めた走査順序でＸＹステージの走査が１つ行われると、その都度、ＸＹステージ走査が全部完了したか否かが判断される（Ｓ２４）。上記の走査方法では、素子配置基板３０の位置が（０，０）の次は、（１，０）の位置となるので、ＸＹステージ走査が全部完了する（０，９）の位置への素子配置基板３０の移動まで済んでいない。したがって、Ｓ２４の判断は否定され、Ｓ１４に戻る。

Ｓ１４からＳ２０までは、素子配置基板３０の位置が、０．５ｍｍを単位とする位置座標で（０，０）の位置にあるときと同じ手順である。つまり、素子配置基板３０の位置が（１，０）の状態で、ＸＹデコーダの走査が行われ、素子配置基板３０の位置が（１，０）の状態における１００個の探触素子３２の初期周波数ｆ₀の検出と記憶が行われる。素子配置基板３０の位置が（１，０）のときは、（０，０）の位置より、Ｘ方向に０．５ｍｍずれた位置であるので、その位置における１００個の探触素子３２の初期周波数ｆ₀の検出と記憶が行われることになる。

これを繰り返して、Ｓ２４の判断が肯定されると、その時点で、素子配置基板３０のＸ方向に０．５ｍｍ刻み、Ｙ方向に０．５ｍｍ刻みの１００の位置のそれぞれにおける１００個の探触素子３２のすべてについて、それらの初期周波数ｆ₀が各探触素子３２の位置に対応付けて、記憶部７２に記憶されたことになる。つまり、１００×１００＝１０，０００個の探触素子３２初期周波数ｆ₀が記憶部７２に記憶される。これで、キャリブレーションが完了し、表示部５２にＲＥＡＤＹが表示される。

なお、キャリブレーションモードの処理中に、ユーザが押しボタン２２を押すと、処理がその時点で停止終了する。ここでは、押しボタン２２はストップボタンとして機能する。その後に再び押しボタン２２を長押し操作すると、キャリブレーションモード選択と判断され、上記のように、初期設定が行われる。つまり、実質的にリセットが行われて、再び、Ｓ１４以下の処理が行われる。記憶部７２に記憶されていた初期周波数ｆ₀はそのままであるが、改めて初期周波数ｆ₀の検出が行われると、その値が元の値に上書きされる。

次に、しこり検査をしようとするときは、生体組織８に筐体部１２の検査面を押し付ける準備をして、押しボタン２２を短押し操作する。すなわち、２秒以内の押し操作と判断されるとＳ１０の判断が否定されて、Ｓ３０に進み、ＲＥＡＤＹか否かが判断される。ＲＥＡＤＹでないときは、改めて、押しボタン２２を長押し操作してキャリブレーションモードを行う必要がある。

Ｓ３０でＲＥＡＤＹであると判断されると、検査モードとなる（Ｓ３２）。それと同時に、その際に、制御回路６０等の初期設定が行われる。初期設定はＳ１２で説明したのと同じ内容である。

そして、生体組織８にしこり検査装置１０が押し付けられた状態で、位相シフト回路８８の出力から電気振動信号の検査周波数ｆ₁の検出が行われる（Ｓ３４）。この検査周波数ｆ₁は、素子配置基板３０のＸＹ座標の原点位置の探触素子３２についてのものであるので、次に、この探触素子３２に対応する初期周波数ｆ₀を記憶部７２から読み出す（Ｓ３６）。そして、周波数偏差算出回路９２の機能によって、周波数偏差Δｆ＝ｆ₁−ｆ₀を算出する（Ｓ３８）。そして、硬さ出力部９４の機能によって、このΔｆを２５６階調の画像データに変換し、表示部５２に表示する（Ｓ４０）。表示部５２には、硬さデータとしての階調表示が１つ表示される。その表示は、表示部５２の表示画面の表示範囲において、素子配置基板３０のＸＹ座標の原点位置に対応する位置に行なわれる。

ＸＹデコーダ走査（Ｓ１９）、ＸＹデコーダ走査完了か否かの判断（Ｓ２１）の内容は、キャリブレーションモードのＳ１８，Ｓ２０とそれぞれ同じである。したがって、素子配置基板３０の１００個の探触素子３２のそれぞれについて、周波数偏差Δｆが求められ、その結果が２５６階調に変換されて、表示部５２に順次追加されながら表示される。

また、ＸＹステージ走査（Ｓ２３）、ＸＹステージ走査完了か否かの判断（Ｓ２５）の内容は、キャリブレーションモードのＳ２２，Ｓ２４とそれぞれ同じである。したがって、素子配置基板３０のＸ方向に０．５ｍｍ刻み、Ｙ方向に０．５ｍｍ刻みの１００種類の位置のそれぞれについて、周波数偏差Δｆが求められ、その結果が２５６階調に変換されて、表示部５２に順次追加されながら表示される。これによって、１００×１００＝１０，０００の硬さが、２次元分布として表示部５２に表示される。

図７は、その様子を示す図である、表示部５２に、生体組織８の２次元硬さ分布９４が階調表示によって表示されている。このように、１０，０００の硬さ表示がされると、検査モードは終了する。

上記のように、１０，０００個に及ぶ硬さの測定と表示を、ＸＹデコーダ走査処理とＸＹステージ走査処理によって行うため、検査時間を合理的に短縮することが好ましい。図８は、しこり検査におけるタイムチャートである。

図８の最上段の図は、１つの探触素子３２について、周波数偏差Δｆを算出して記憶し、次の探触素子３２に移動するまでのタイムチャートである。横軸は時間、縦軸はΔｆである。時間の原点は、ＸＹデコード処理が開始された時間にとってある。

すなわち、探触素子３２が選択され、硬さ算出器９０に接続されたときから起算してある。初期周波数ｆ₀は既に分かっているので、検査周波数ｆ₁を検出すると同時にΔｆは計算される。したがって、図８のΔｆの立ち上がり特性は、検査周波数ｆ₁の立ち上がり特性と同じである。検査周波数ｆ₁は、探触素子３２が選択されて位相シフト回路８８を含む閉ループが形成されると、図８に示されるように立ち上がり、十分な時間の経過によって飽和値となる。この飽和した周波数が検査周波数ｆ₁である。

ここでは、飽和まで待つと、検査時間が長くなるので、飽和を待たずに、起算時間から２ｍｓの時間で、検査周波数を検出し、これに基づいてΔｆを算出する。２ｍｓの時間は、立ち上がり特性を実験的に求め、再現性等を考慮して定めた。なお、Δｆの算出は、２ｍｓに達してから３回行い、最大値と最小値を捨てて、真ん中の値をもって、硬さに対応するΔｆとした。このようにすることで、Δｆの算出に要する時間は、探触素子３２が選択されてから全体で４ｍｓ以内に納めることができる。

４ｍｓは、１つの探触素子３２のΔｆ算出に要する時間であるので、ＸＹデコーダ処理によって１００個の探触素子３２についてΔｆを算出する時間は、４００ｍｓである。この４００ｍｓのΔｆ算出が終ると、Ｘステージ４０が０．５ｍｍ移動される。この移動処理に１００ｍｓ必要である。図８の上から２つ目の図は、１００個の探触素子３２についてのΔｆ算出と、次のＸステージ４０の移動についてのタイムチャートである。このように、素子配置基板３０の１００個の探触素子３２についてのΔｆ測定とその後のＸステージ４０の移動を単位とする処理時間は、合計で５００ｍｓを要する。

このように、５００ｍｓ単位で素子配置基板３０がＸ方向に９×０．５ｍｍ移動すると、そこで、１００個の探触素子３２のΔｆ算出を行う。このΔｆ算出に４００ｍｓ必要である。そして、その後にＹステージ４４が０．５ｍｍ移動される。この移動処理にも１００ｍｓが必要である。図８の上から３つ目の図は、素子配置基板３０がΔｆ算出をしながらのＸ方向の移動と、それに引き続くＹステージ４４の移動についてのタイムチャートである。このように、素子配置基板３０のＸ方向の移動と、その後のＹステージ４４の移動を単位とする処理時間は、合計で５ｓ必要である。

このように、５ｓ単位で素子配置基板３０がＹ方向に移動することは、９×０．５ｍｍまで繰り返される。そして、全てのＸＹステージ走査が終ると、素子配置基板３０は、ホームポジションＨＰに戻る。図８の最下段の図は、素子配置基板３０のＹ方向移動と、ホームポジションＨＰへ戻ることについてのタイムチャートである。この図に示されるように、１００×１００＝１０，０００個の探触素子３２についてのΔｆ測定には、合計で５０ｓを要する。そのうちの４０ｓがΔｆ算出のための処理時間である。

本発明に係る生体のしこり検査装置は、乳がんチェック装置として利用できる。

１０生体のしこり検査装置、１２筐体部、１３内部構造部、１４保護ガラス、１６電源コネクタ、１８，２０コネクタ、２２押しボタン、２４表示窓、３０素子配置基板、３２探触素子、３４発光素子、３６受光素子、４０Ｘステージ、４２Ｘモータ、４４Ｙステージ、４６Ｙモータ、４８ＸＹ移動機構台、５０ＸＹ移動機構、５２表示部、５８制御回路基板、６０制御回路、６２マイクロプロセッサ、６４Ｘモータドライバ、６６Ｙモータドライバ、６８Ｘデコーダ、７０Ｙデコーダ、７２記憶部、８０アナログ回路部分、８２ＰＤセンシング回路、８３，８５コンデンサ、８４ＬＥＤドライバ、８６増幅回路、８８位相シフト回路、９０硬さ算出器、９２周波数偏差算出回路、９４硬さ出力部、９６２次元硬さ分布。

Claims

生体に光を入射する発光素子と生体からの光を受光する受光素子とを対とする探触素子を用いて、複数の探触素子が２次元的に整列配置される素子配置基板と、
各探触素子を順次選択して硬さ算出器に接続する切替回路と、発光素子への電気信号波形と受光素子からの電気信号波形との間の位相差に応じて周波数を変化させる位相シフト回路を用いてその周波数変化より生体組織のしこりの程度を示す硬さを算出する硬さ算出器とを含み、各探触素子のそれぞれの硬さを２次元的硬さ分布として出力する演算部と、
素子配置基板の基板平面に平行な面を診断面として、診断面内で予め定めた複数の診断位置のそれぞれに素子配置基板を移動駆動することで、素子配置基板が生体に向かい合う対向面積を拡大する駆動部と、
制御回路基板と演算部と駆動部とを内部に収納し、診断者が手で把持できる外形を有する筐体部であって、生体に押し付けられる側の検査面に、素子配置基板の探触素子が配置される面に向かい合って素子配置基板と隙間を開けて配置される保護ガラスが設けられ、検査面と反対側の外表面に演算部から出力される２次元硬さ分布を表示する表示部を有する筐体部と、
を含み、
２次元硬さ分布は、駆動部によって移動駆動される各診断位置のそれぞれについて、素子配置基板に配置される複数の探触素子についての２次元硬さ分布を重畳させた拡大２次元硬さ分布であることを特徴とする生体のしこり検査装置。
請求項１に記載の生体のしこり検査装置において、
硬さ算出器は、
受光素子の信号出力端に入力端が接続される増幅回路と、
増幅回路の出力端と発光素子の信号入力端との間に設けられ、信号の周波数を変化させて発光素子への電気信号入力波形と受光素子からの電気信号出力波形との間に生じる位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、
探触素子と増幅回路と位相シフト回路とで形成される帰還ループにより位相差をゼロに補償して起こる自励発振振動の周波数を計測し、探触素子から生体に光が入射され生体から光を受光しているときの周波数と、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数との間の変化である周波数偏差を求め、この周波数偏差を生体の硬さを示す値とする周波数偏差算出回路と、
を含むことを特徴とする生体のしこり検査装置。
請求項２に記載の生体のしこり検査装置において、
周波数偏差算出回路は、
探触素子から光を放射した時間から自励発振振動が安定するまでの時間を安定時間として、安定時間よりも短く、予め定めた所定の時間を経過したタイミングで、自励発振振動の周波数を計測することを特徴とする生体のしこり検査装置。
請求項３に記載の生体のしこり検査装置において、
硬さ算出器は、
素子配置基板に配置される各探触素子のそれぞれについて、探触素子からの光が生体に入射していなくて生体からの光を受光していないときの周波数を予め計測し、これを駆動部によって移動駆動される各診断位置のそれぞれについて行なって、計測された周波数を各探触素子と各診断位置とに対応付けて初期周波数のデータとして記憶する初期値記憶部を有し、
周波数偏差の算出は、探触素子から生体に光が入射され生体から光を受光しているときの周波数を、当該探触素子の当該診断位置における初期周波数と比較して求めることを特徴とする生体のしこり検査装置。
請求項４に記載の生体のしこり検査装置において、
初期値記憶部は、電気的に消去可能な半導体メモリであって、電源が遮断されても記憶が保持されることを特徴とする生体のしこり検査装置。
請求項１に記載の生体のしこり検査装置において、
駆動部は、
素子配置基板に２次元的に整列配置される探触素子の一方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を一方向に移動駆動し、他方向の配列ピッチの整数分の１のピッチで素子配置基板を他方向に移動駆動することを特徴とする生体のしこり検査装置。