JP2013190350A

JP2013190350A - テラヘルツ波帯の電磁波を用いた装置

Info

Publication number: JP2013190350A
Application number: JP2012057251A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Onouchi; 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2013137031A1; US20150051496A1; EP2825093A1; WO2013137031A4

Abstract

【課題】被検体の異常組織をＸ線よりも安全に検出する方法としてあるマイクロ波では空間分解能が低く、生体内の多重反射によるノイズによりイメージング精度を向上させることが難しかった。
【解決手段】そこで、本発明は、被検体にテラヘルツ波を照射する照射部と、
照射したテラヘルツ波の前記被検体からの反射波を受信する受信部と、前記受信部により受信した信号を基に、前記照射部から前記受信部までの伝搬時間を計算し、前記伝搬時間から前記被検体に存在する異常組織の位置を計算するための計算部と、を備える装置を提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波帯の電磁波を用いて被検体の異常組織の位置を計算する装置及びその方法に関する。さらに詳細には生体組織の生体表面または内部の癌組織などの異常組織の位置を検出する装置及びその方法に関する。

近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）波帯の電磁波（周波数が３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの電磁波で、以下、テラヘルツ波という。）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、Ｘ線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度または導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。

テラヘルツ波を用いて物体の透視イメージングを行う技術として、超短パルスレーザ光を半導体などに照射して発生するテラヘルツパルスを用いたテラヘルツ時間領域分光装置（以下、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置という。）が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、テラヘルツパルスの信号が空間的に物体の別個の場所を通過するようにして受信した信号を用いてイメージ化する旨が記載されている。

しかし、生体表面または内部で異常組織を検出する場合には電磁波パルスを空間的に別個の場所を通過させて解析するだけでなく、生体内部で散乱、反射する信号を集約してイメージングを再構成する必要がある。特許文献２には、マイクロ波を用いて複数アンテナにより、複数の受信手段で発信源からの伝搬時間を求めて、その複数の受信信号の伝搬時間の差から異常組織を検出する装置が開示されている。その場合、発信するマイクロ波は基準クロックをもとに放射させ、そのクロックに同期する位相同期回路を用いて複数の放射手段から受信手段までの時間を求めている。

米国特許５６２３１４５号公報特開２０１０−６９１５８号公報

"マイクロ波イメージングを用いた乳がん検出−多重反射の影響の低減−" 第５０回日本生体医工学会大会Ｏ１−１３−２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＯｐｔｉｃｓ１０（６），０６４０２１（２００５）

特許文献２では、５ＧＨｚ（約６ｃｍ）のマイクロ波を用いているが、このようなマイクロ波を用いた場合には典型的には電磁波の波長がセンチメートル単位であり、初期がんとして見分けたいミリ（ｍｍ）オーダーの分解能が十分にあるとはいえない。また、生体内での反射によるマルチパスの影響で伝搬時間の計測にエラーが生じやすいため検出精度の向上がさらに難しくなっている。（非特許文献１）。

一方、３０ＧＨｚ以上（波長１ｃｍ以下）のテラヘルツ波を用いれば、ミリ（ｍｍ）オーダー以下の空間分解能があり、生体内での水分による吸収が大きいためにマルチパスの影響が少なくなる。たとえば皮膚では概ね吸収係数＝１００ｃｍ^−１（非特許文献２）なので１ｍｍでおよそ５ｅ−５倍と大きく減衰する。

しかしながら、これまでに開示されたテラヘルツイメージング装置では、生体内を通過したテラヘルツ波の伝搬時間を効率的に取得してイメージ再構成する装置が開示されていない。また、マイクロ波の装置の単純な転用で対応することは、発生・検出装置が全く異なるテラヘルツ波の適用においては困難であった。

そこで、本発明は、被検体にテラヘルツ波を照射する照射部と、照射したテラヘルツ波の前記被検体からの反射波を受信する受信部と、前記受信部により受信した信号を基に、前記照射部から前記受信部までの伝搬時間を計算し、前記伝搬時間から前記被検体に存在する異常組織の位置を計算するための計算部と、を備える装置を提供するものである。

また、本発明は、被検体にテラヘルツ波を照射する工程と、前記被検体から反射波を受信する工程と、受信した信号を基に、前記テラヘルツ波の照射時から前記反射波の受信時までの伝搬時間を計算し、前記伝搬時間から前記被検体に存在する異常組織の位置を計算する工程と、を有する被検体に存在する異常組織の位置の計算方法を提供するものである。

本発明により、Ｘ線を用いるよりも安全に、被検体の異常組織位置の検出を高分解能で行うことができる。また、生体内で減衰の比較的大きいテラヘルツ波を用いることで、生体内の多重反射によるノイズの影響を受けることなく精度の高いイメージングを行うことができる。

本発明による実施形態１の装置の全体構成図本発明による実施形態１の照射・受信素子の構造図本発明による実施形態１の信号検出を説明する図本発明による実施形態２の照射・受信素子および装置の全体構成図本発明による実施形態３のプローブ型の照射・受信を説明する図本発明による実施形態４のアレイ型テラヘルツ照射・受信素子を説明する図

（実施形態１）
本発明による第１の実施形態について図１をもとに説明する。全体としては一般的なＴＨｚ−ＴＤＳ装置を構成しているが、照射・受信のための素子が複数アレイ状に並べられ、しかもそれぞれの素子は照射や受信の機能を時分割で兼用できるようになっている。この素子は、照射と受信を兼用する場合や照射部のみに用いる場合や受信部のみに用いる場合など状況に応じて使い分かることが可能である。

アレイ状の照射・受信素子１の各素子２には光照射によりテラヘルツ波を発生・検出させるものが好適に用いられ、光伝導素子や非線形結晶等が用いられる。たとえば光伝導素子の場合には低温成長（ＬＴ−）ＧａＡｓのような光伝導層（典型的には厚さ２μｍ）表面に金属パターンによりギャップを持つダイポールアンテナを形成したものが基板３上に集積された構造とする。基板３はテラヘルツ透過性の高い材料が望ましく、たとえばポリオレフィン、シクロオレフィン、ポリエチレン、テフロン（登録商標）などの樹脂、ダイヤモンド、石英、サファイア、さらにはＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板でもよい。

光伝導素子の製造方法としては、光伝導層の貼り合わせによる転写技術により形成してもよいし、バッファ層などを介して直接エピ成長してもよい。基板厚さは典型的には０．３〜１ｍｍ程度であるが、検体が曲率を有する場合にはフレキシブルとなるように１００μｍ程度に薄膜化した基板を用いてもよい。フレキシブルにすることにより曲面上に照射・受信素子をアレイ状に配置したアレイ状の照射・受信素子１を提供できる。

アレイ化として図１のように等間隔に５×５状に各素子２を並べており、バイアス電源４の電圧をすべての素子に印加できるように配線がなされている（不図示）。さらに各素子より検出電流を取得できるように、バイアス電圧をスイッチ等でオフ、もしくはオフセット電圧を差し引いた上でアンプ５に入力できるような接続（不図示）がなされている。

光伝導素子を用いた場合の素子部の拡大図を図２に示す。ＬＴ−ＧａＡｓ３０上のダイポールアンテナ３１にバイアスを行うストリップライン３２は対称形とし、一方は電圧印加用の配線３４、もう一方は検出用の配線３３と接続している。配線領域を小さくするために絶縁膜を挟んだ立体配線を用いてもよい。

これらは、時分割で配線ができるように薄膜トランジスタなどを集積化（不図示）することで、マトリクス駆動としてもよい。

また、図１では各素子２が分割されているように描かれているが、ＬＴ−ＧａＡｓの結晶としてはつながっていて、表面の配線部にのみ絶縁膜を形成してアレイ状の窓開けを行ってもよい。このアレイ状の素子を用いてテラヘルツ波の照射や受信を行うには、図１に示したように励起光となるフェムト秒レーザ２０からのレーザ光を、使用する各素子にガルバノミラー１０、１１等で位置制御しながら照射すればよい。

たとえば、中央の素子（３行３列の素子）を照射素子として用いる場合には、レーザ光をハーフミラー２３で２つに分岐し、一方のレーザ光１７（照射素子用）をミラー１０とレンズ８を用いて光伝導素子のギャップ部に照射させる。その周囲の素子を受信素子として用いる場合（図１（ａ）では３行４列）には、ミラー２５、１６と駆動部１５で構成された光遅延系を通して、ミラー１３、１１およびレンズ９を介して、素子のギャップ部にレーザ光１８（受信素子用）を照射しながら光遅延系をスキャンして検体より反射した反射波であるテラヘルツ波の波形をアンプ５、データ処理部６を用いて取得する。

図１（ｂ）のように１つの照射位置に対して被検体２１内部の異常組織２２からの反射を複数位置で検出する場合には、照射素子の光照射位置は固定しておいて、受信素子への光照射位置が所望の素子になるようにガルバノミラー１１を走査して、それぞれの素子からテラヘルツ波形を取得すればよい。図１（ｂ）の例においては、ある断面で見た場合真ん中の素子２６からテラヘルツ波を照射し、他の周囲の４つの素子２で受信する構成を取っている。照射素子又は受信素子をそれぞれ複数備える構成でもよい。

照射素子として用いている素子を受信素子として用いたい場合でも、受信したいテラヘルツ波の伝搬距離が所定の大きさ以上であれば、同一素子に照射する励起レーザ光の照射時間が間欠的にずれるので動作可能である。そのため、照射か受信かの動作を時間的に切り替える切替部を装置に設けておけば、各素子の照射や受信を交互に切り替えることが可能になり、素子数を少なくした装置を提供することが可能になる。フェムト秒レーザ２０としては一般的にはパルス幅が数１０ｆｓ〜１００ｆｓ、繰り返し周波数は１０〜１００ＭＨｚ程度（パルス間隔は１０ｎｓ〜１００ｎｓ）程度である。仮に照射素子から観察する位置までの距離が０．５ｍｍの場合には（基板の厚さ程度）テラヘルツ波の伝搬距離は反射イメージのため伝搬時間（０．５ｍｍの往復で１ｍｍ分）は自由空間でおよそ３ｐｓである。そこで、ある時間ｔにレーザ光１７を照射してテラヘルツパルスを発生させ、その２ｐｓ後程度にレーザ光１８を同一箇所に照射させかつ遅延ステージで数１０ｐｓ程度走査させて被検体から反射してきた反射波であるテラヘルツ波を検出することは可能である。すなわちレーザ光１７と１８が繰り返し周波数にしたがって時間差を持ちながら照射されることを繰り返してテラヘルツ波形を取得する。これは光伝導素子のトランシーバ動作ともいえる。

これらを、テラヘルツ照射素子の位置をレーザ光１７の照射位置を振って順次変えながら繰り返すことで、各照射素子から受信素子までの伝搬時間の情報を複数取得することができる。

このときテラヘルツ波の波形の例を図３（ａ）、（ｂ）に示す。これらは１つの照射素子に対して異なる受信素子で取得した波形の例である。１つ目のパルスは基板と検体の界面で反射するパルスである。（ａ）、（ｂ）が照射素子からの距離は同じで異なる受信素子からの信号であれば１つ目のパルス信号の検出時間ｔ_ａ１、ｔ_ｂ１は同じとすることができる。ただし、基板に歪みがなく、レーザ光１８の伝搬距離の差は補正しているとする。

もし検体２１の中に全く反射体がなければ２つ目のパルスを観測することがないが、癌組織などの異常組織２２がある場合には屈折率差のためにテラヘルツ波が散乱し、それぞれの受信素子には異なった時間に散乱波が到達する。そこで、その異常組織が異なる受信素子に対して対称な位置になければ図３（ａ）、（ｂ）のように２つ目のパルスｔ_ａ２、ｔ_ｂ２は異なる時間となる。このように伝搬時間の差を取得パルスの差として計測できるのは、ＴＨｚ−ＴＤＳが時間領域で計測する原理に基づくためである。

照射素子（照射部）の照射時から受信素子（受信部）での受信時までの伝播時間を計算し、その伝播情報を複数集めて再構成すれば被検体に存在する異常組織２２の３次元的位置を計算し取得できる。この計算は、データ処理部６で行うが、市販のパソコンにソフトウェアを組み込んで用いてもよい。また、一つの伝播時間であっても、素子の位置情報、被検体の位置情報などのいずれか又は複数を用いることによって、異常組織の位置を計算することが可能である。すなわち被検体内部を含めた非侵襲な３次元イメージングが可能である。このとき、被検体が生体組織であれば水分のためにテラヘルツ波は減衰するため、深さ方向の観察範囲は典型的には５ｍｍ以下になると考えられるが、逆にいえば内部での多重反射によるマルチパスの影響が無視できる。

なお、異常組織を検知できる大きさの分解能はほぼ素子ピッチに依存すると考えられる。ただし、各光伝導素子のバイアスラインの長さは信号干渉（素子内多重反射）の関係で３ｍｍ程度以上が望ましく（低周波側の帯域で決まり、３ｍｍ以上ならほぼ１００ＧＨｚ以上で影響がない）、そのために本実施形態では３ｍｍピッチのアレイであることが望ましい。

多重反射の影響なく分解能を向上させるためには、本アレイ型素子を素子ピッチ以下の間隔、たとえば１ｍｍで被検体との相対位置を移動させながら同様の信号取得を繰り返せばよい。

ここで、もし基板がフレキシブルで検体に合わせて湾曲する場合には、１つ目のパルスの時間位置で湾曲の度合いを検出し、その伝搬時間差を補正することが可能である。この場合に、基板を物理的に曲げるための曲部を装置が備えていても良く、伝播時間や入射角度などの情報を基に湾曲の度合いを計算し、その湾曲の度合いに基づいて信号処理する湾曲信号処理部を装置が備えても良い。

これらの取得したデータは膨大なために解析には非常に時間がかかる場合がある。そこで、ある程度可能性がある異常組織の種類や生体内の位置、大きさに応じた信号のデータベースを記憶部７に保管しデータ処理部６にて比較することで、比較的高速に検出するようにできる。

（実施例１）
本実施例においては、励起レーザ光源２０として１．５μｍ帯ファイバ型フェムト秒レーザを用いた。本発明による光伝導素子には４０Ｖｐ−ｐの正弦波電圧を印加し、ポンプ光として３０ｆｓｅｃ、平均パワー２０ｍＷの超短パルス光を照射する。検出側には５ｍＷのプローブ光を照射して検出した電流を１０^７程度の増幅率をもつトランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換し必要に応じてフィルターを挿入する。典型的には１００ｍＶ前後のピークをもつテラヘルツパルスがロックインアンプ等で観測される。プローブ側の光路長を遅延ステージ１５で変調することで、検体に照射したテラヘルツパルスの時間波形をサンプリングの原理により測定できる。取得した時間波形をフーリエ変換することで５ＴＨｚを越える帯域が得られた。

図１におけるデータ処理部は、ロックインアンプおよびその出力をコンピュータで処理する部分を指す。そのアウトプットはディスプレイに表示され、かつ電子データとして記憶部に保管される。記憶部にはパソコンやサーバーなど外部の記憶装置に保管してもよい。

これらの駆動条件は一例であり電圧、照射光パワーは上記の値に限るものではない。また、励起光源についてもここで示すものは一例であり、他の構成や条件でも上記の目的を達成できるものであればよい。

テラヘルツ照射・受信素子として非線形結晶を用いる場合には、正弦波によるバイアス印加ができないため、光チョッパーで同期検波する方法が好適である。

なお、信号強度が十分高い場合には同期検波が必要ない場合がある。

（実施形態２）
本発明による第２の実施形態は高速に複数の信号を受信できるように複数の受信素子を同時に駆動するものである。図４に示すように、光遅延系１５を介したレーザ光を４１、４２のビームスプリッタおよび４３の反射ミラーにより３つのビーム（４５〜４７）に分け、１つのガルバノミラー４４で受信器として駆動させる素子に照射するようにしている。１つのガルバノミラーの代わりに多面のデフォーマブルミラーなどで各ビームを独立可変にスキャンできるようにしてもよい。

ここで、３つのレーザビーム（４５〜４７）は受信素子までの到達時間が異なるようにビームスプリッタや反射ミラー（４１〜４３）の位置が設定されている。その場合、３つの受信素子からの受信信号はそれぞれ独立に配線されて３つのアンプ（４８ａ〜４８ｃ）で増幅されて、実施形態１と同様にデータ処理部６、記憶部７によりそれぞれのテラヘルツ時間波形が取得できるようになっている。

その際、図４に示したように１回のレーザ光照射で３つの素子を同時に駆動する場合には３つのアンプが独立となっており、同一列の素子は配線を共用している。そこで、３つのプローブ光は図４の次のステップとしては３つの矢印（４９ａ〜４９ｃ）に示したように移動させる。例えば、２行３列の素子から３行３列の素子や、２行４列の素子から３行４列の素子に入射させるプローブ光を走査する。中央より右側の素子を順次走査したあとは、左半分の走査を順次行ってすべてのピクセルから信号を取得できるようになっている。このように１つの光遅延系１５で特定の走査範囲で３つの信号が取得できるようになっているため、実施形態１よりも高速にデータ取得できる。

ここでは、例として同時に照射するレーザ光が３つの場合を説明しているが、この数はこれに限られず、たとえば５つの場合や素子数と同数あっても構わない。それぞれの素子やレーザの駆動については実施形態１と同様に行うことができる。

（実施形態３）
本発明による第３の実施例は実施形態２の照射方法をさらに進めて、ハイパワーなフェムト秒レーザ出力を５×５の素子すべてに同時に照射させるような２０ｍｍφ程度のビームにして、基板上に集積化されたアレイ状の照射・受信素子１全体に照射するものである。

素子配線はＭＯＳスイッチを用いたマトリクス配線としておいて、適宜照射素子や受信素子として使用するタイミングで１つの素子を選択して電圧印加および電流検出を行う。

照射・受信素子への光の間欠照射のタイミングやトランシーバ駆動については実施形態１で述べたとおりである。

本実施形態では、ハイパワーなレーザ光源が必要であるが、ガルバノミラーによる精密な照射位置制御が必要なくなる、というメリットがある。

このような全面照射の駆動においては空間の照射系を用いてもよいが、図５のようなプローブ形態を用いることもできる。図５ではこれまでと同一部分の符号は省略している。発生用のレーザ光６５と検出用のレーザ光６４はハーフミラー６６とレンズ６７により光ファイバ６１に結合される。光ファイバ６１を伝搬したレーザ光はプローブの先端部６２に装着された図１のようなアレイ状の照射・受信素子１全面に照射されトランシーバ駆動される。

動作のためのバイアス電源やアンプとの接続は図５では模式的に示されているが、実際にはファイバ６１の壁面に沿って配線され、ファイバの入口部６８から接続できるようにしてもよい。また、フェムト秒レーザからファイバの入口部６８までは空間系で描いているが、実際にはレーザから入口部まで一体のモジュールとして形成されていてもよい。

図５では被検体の例として人の前腕部にプローブを接触させて使用する場合を示している。異常組織とは、生体において病気と言われる組織の異常部や生体を手術した後の手術部のことである。例えば、異常組織には、前腕部表面、皮下部等の癌または、熱傷、移植後の（術後の）治癒状態がある。さらに、骨粗鬆症の骨の状態、肝臓や脾臓のはれ、肝硬変も異常組織として想定している。また、前腕部以外でも乳房や関節部、頭部などで検診として使用することができる。

また、手術中に開腹などを行った内臓部に接触させて生体組織の異常部の位置を計算し、この位置情報をもとに人の目で異常部の位置を確認できるイメージ像を形成するイメージングを行うことも可能である。さらに、このプローブを内視鏡として用いることもできる。

（実施形態４）
本発明による第４の実施形態は、ＴＨｚ−ＴＤＳ系ではなくテラヘルツ発振器（又は照射器）や検出器（又は受信器）をアレイ状に集積化したものである。たとえば、図６のようにアレイ素子５０は千鳥状に発振器５１と検出器５２を等間隔（たとえば２ｍｍピッチ）で並べている。

配線をすべて独立駆動にしていれば、１つの発振器からテラヘルツ波を出力したときにはすべての検出器よりデータを取得して内部の反射点の位置を再構成により解析する。ピクセル数が多くなった場合には、スイッチ素子を集積した切替部でマトリクス駆動してもよい。

それぞれの素子としては、電気駆動型の素子を用いることができ、たとえば発振器として共鳴トンネルダイオード発振器、検出器としてショットキーバリア型発振器が室温で動作するものとして好適である。発振器として、プラズマ型、量子カスケードレーザ型、検出器として、多重量子井戸型、熱型などを用いてもよい。

駆動としては、発振器をパルス駆動して、基板内伝搬の信号と生体内の異常組織からの反射の時間差より、求めたい組織までの距離を求める方法がある。

１アレイ状の照射・受信素子
２素子
６データ処理部
２１被検体
２２異常組織

Claims

被検体にテラヘルツ波を照射する照射部と、
照射したテラヘルツ波の前記被検体からの反射波を受信する受信部と、
前記受信部により受信した信号を基に、前記照射部から前記受信部までの伝搬時間を計算し、前記伝搬時間から前記被検体に存在する異常組織の位置を計算するためのデータ処理部と、を備えることを特徴とする装置。
前記照射部または前記受信部を複数備え、照射か受信かの動作を時間的に切り替える切替部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記照射部または前記受信部は光伝導素子で構成され、前記切替部は前記光伝導素子に照射するレーザ光の照射位置を可変にすることを特徴とする請求項２記載の装置。
前記切替部は、電気駆動型の素子を独立駆動またはマトリクス駆動することを特徴とする請求項２記載の装置。
前記照射部および前記受信部が同一の基板上に集積化されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
前記基板が被検体に接触させるためのプローブの先端部となっていることを特徴とする請求項５記載の装置。
前記異常組織の位置を計算ために、被検体における異常組織の種類と位置と受信信号との関係を予め取得したデータを記憶する記憶部を備えたことを特徴とする請求項１及至６のいずれか１項に記載の装置。
前記被検体は生体であり、異常組織が癌組織であることを特徴とする請求項１及至７のいずれか１項に記載の装置。
被検体にテラヘルツ波を照射する工程と、
前記被検体から反射波を受信する工程と、
受信した信号を基に、前記テラヘルツ波の照射時から前記反射波の受信時までの伝搬時間を計算し、前記伝搬時間から前記被検体に存在する異常組織の位置を計算する工程と、を有することを特徴とする被検体に存在する異常組織の位置の計算方法。
請求項９記載の計算方法を用い前記異常組織の位置を計算する工程と、
前記位置の情報からイメージ像を形成する工程を含むことを特徴とするイメージング方法。