JP2014131199A - アンテナアレイ装置及び異常組織検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができるアンテナアレイ装置及び異常組織検出装置を提供する。
【解決手段】アンテナアレイ１３は、マイクロ波のインパルス信号を送受信する複数のアンテナＡ_ｋ（ｋ＝１〜１６）の配列を有する。アンテナアレイ１３は、一のアンテナＡ_ｍと他のアンテナＡ_ｎとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）の組み合わせでのマイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。アンテナアレイ１３では、各アンテナＡ_ｋとインピーダンスが等価となる複数のダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０がさらに設けられている。複数のダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０は、複数のアンテナＡ_ｋの周囲に配列されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、アンテナアレイ装置及び異常組織検出装置に関する。

癌の診断は、例えば、Ｘ線マンモグラフィや核磁気共鳴装置（ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging））により対象部位の画像を撮像し、撮像した画像を分析することにより行われるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、Ｘ線マンモグラフィでは、Ｘ線の生体への悪影響が懸念されるうえ、Ｘ線マンモグラフィ装置、ＭＲＩ装置は、小型化が困難である。さらに、これらの装置を用いて診断を行うためには、専門機関での受診が必須になる。

そこで、Ｘ線マンモグラフィ装置やＭＲＩ装置を用いずに、簡易な構成で簡単に異常組織を検出することが可能な異常組織検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この異常組織検出装置には、マトリクス状に配置されたアンテナアレイが設けられている。この異常組織検出装置は、アンテナアレイの一のアンテナから生体にマイクロ波（インパルス電磁波）を放射し、アンテナアレイの他のアンテナで、放射したマイクロ波の反射波を受信する。この異常組織検出装置は、マイクロ波を送信するアンテナと、マイクロ波を受信するアンテナとの組み合わせを変えながら、マイクロ波の送受信を行い、各アンテナの組み合わせで得られた複数の受信信号に基づいて、生体内の異常組織を検出する。

特表２００７−０７１８７３号公報 特開２０１０−６９１５８号公報

上記特許文献１に開示された異常組織検出装置において生体内の異常組織を精度良く検出するためには、送受信を行うアンテナの組み合わせが変わっても、両アンテナの相対距離が同一であり、かつ、生体に異常組織がないのであれば、同じ受信信号を受信できるようになっている必要がある。アンテナの組み合わせが変わるだけで受信信号が変わってしまうのであれば、信号変動が極めて小さい生体内の異常組織を示す信号成分を検出するのが困難になるからである。

しかしながら、送受信を行うアンテナの組み合わせによって、受信信号が異なる場合がある。図２２には、３つの送受信を行うアンテナの組み合わせの受信信号の時間変動パターンがそれぞれ示されている。図２２に示すように、３つの受信信号はそれぞれ異なる。この受信信号の違いは、送受信用のアンテナがアンテナアレイの外周側にあるのか内周側にあるのかなど、各アンテナの周囲の環境の違いによって生じるものである。周囲が他のアンテナで囲まれているアンテナでは周囲のアンテナからの電波のしみだしの影響を強く受け、周縁にあるアンテナでは、周囲のアンテナからの電波のしみだしの影響が弱くなる。例えば、このような影響の違いが受信信号の違いとなって現れるものと考えられている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができるアンテナアレイ装置及び異常組織検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るアンテナアレイ装置は、マイクロ波のインパルス信号を送受信する複数のアンテナの配列を有するアンテナアレイと、前記複数のアンテナの中から、前記マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナと、前記一のアンテナから送信されたインパルス信号を受信する他のアンテナとから成る送受信用のアンテナの組み合わせを選択する選択部と、前記選択部を制御して、前記送受信用のアンテナの組み合わせを変えながら、前記マイクロ波のインパルス信号を送受信し、前記他のアンテナで受信された前記マイクロ波のインパルス信号に対する信号処理を行う信号処理部と、を備え、前記アンテナアレイは、前記一のアンテナと前記他のアンテナとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナの組み合わせでの前記マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。

この場合、前記アンテナアレイでは、前記各アンテナとインピーダンスが等価となる複数のダミーのアンテナがさらに設けられ、前記複数のダミーのアンテナは、前記複数のアンテナの周囲に配列されている、こととしてもよい。

また、前記アンテナアレイでは、前記各アンテナが所定の距離だけ離隔して配列されている、こととしてもよい。

この場合、前記アンテナアレイでは、前記各アンテナが、千鳥足状に配列されている、こととしてもよい。

また、前記アンテナアレイでは、前記各アンテナの間にマイクロ波を吸収する吸収体が挿入されている、こととしてもよい。

この場合、前記アンテナアレイと生体との間に、インピーダンス整合層を有し、
前記インピーダンス整合層の実効誘電率が皮膚組織と脂肪組織の間の値をとり、
前記インピーダンス整合層の厚さが、前記インパルス信号の幅に実効位相速度をかけた値より小さく、実効位相速度の１／２をかけた値より大きい、こととしてもよい。

また、前記各アンテナと前記選択部との間で送受信用の信号を伝送する線路として、マイクロストリップ伝送線路が設けられている、こととしてもよい。

前記アンテナの組み合わせは、アンテナ間の相対距離を同じくする２組の送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせであり、前記信号処理部は、第１の組の前記一のアンテナから送信した前記インパルス信号を第１の組の前記他のアンテナで受信して得られる信号から、第２の組の送信アンテナから送信した前記インパルス信号を前記第２の組の他のアンテナで受信して得られる信号を引き算する、こととしてもよい。

また、前記信号処理部は、前記一のアンテナと前記他のアンテナとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナの全ての組み合わせについて、前記アンテナアレイ装置で取得された複数の前記マイクロ波のインパルス信号の平均信号パターンを基準信号として算出し、前記基準信号と前記アンテナアレイ装置のアンテナアレイの各アンテナで受信された前記マイクロ波のインパルス信号との違いに基づいて、前記生体内の異常組織を検出する、こととしてもよい。

本発明の第２の観点に係る異常組織検出装置は、本発明のアンテナアレイ装置を備える。

本発明によれば、マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナとインパルス信号を受信する他のアンテナとの相対距離が同じである送受信用のアンテナの組み合わせでは、マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。これにより、各アンテナでの受信信号を同じとすることができるので、受信された複数の受信信号に基づいて、生体内の異常組織を精度良く検出することができる。この結果、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができる。

癌組織を検出する手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る癌検出装置の斜視図である。 図２の癌検出装置の内部構造を示す模式図である。 図３のアンテナアレイにおける各アンテナの配列を示す図である。 図３のアンテナアレイが生体にセットされた様子を示す図である。 散乱パラメータの周波数特性を示すグラフである。 散乱パラメータの周波数特性を示すグラフである。 誘電膜が２層構成となっている癌検出装置の内部構造を示す図である。 誘電膜が２層構成となっている場合の散乱パラメータの周波数特性の一例を示す図である。 誘電膜が２層構成となっている場合の散乱パラメータの周波数特性の一例を示す図である。 幾つかのアンテナの組み合わせで受信された受信信号の一例を示すグラフである。 アンテナアレイのマトリックス座標を示す図である。 図１１（Ａ）は、受信アンテナで受信される信号を示すグラフである。図１１（Ｂ）は、受信アンテナで受信された信号の差分信号を示すグラフである。 図１２（Ａ）は、本発明の実施の形態３に係る癌検出装置の構成を示す図である。図１２（Ｂ）は、癌検出装置による検出方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る癌検出装置のアンテナアレイにおける各アンテナの配列を示す図である。 幾つかのアンテナの組み合わせで受信された受信信号の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態５に係る癌検出装置のアンテナアレイにおける各アンテナの配列を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る癌検出装置のアンテナとアンテナに接続されたスイッチとを接続する回路図である。 本発明の実施の形態７に係る癌検出装置の本体の断面図である。 本発明の実施の形態８に係る癌検出装置の信号処理部の処理のフローチャートである。 アンテナの組み合わせと異常組織との位置関係を説明するための図である。 図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は、実際の臨床において、乳がんを検出するための、もうひとつの基準信号の作成方法を説明するための図である。 図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、実際の臨床において、乳がんを検出するための、もうひとつの基準信号の作成方法を説明するためのグラフである。 従来の異常組織検出装置におけるアンテナの異なる組み合わせでの受信信号の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態に係るアンテナアレイ装置及び異常組織検出装置について、乳癌を検出する乳癌センサを例に、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、説明する。

まず、癌組織を検出する手法について図１を参照して説明する。

まず、図１に模式的に示すように、生体表面に複数のアンテナＡ_１〜Ａ_４を一定間隔で配置する。

続いて、アンテナＡ_１からマイクロ波のインパルス信号を放射する。放射されたマイクロ波の一部は、生体内に伝播する。一般に、癌組織ＣＡは、通常の生体組織に比して、５〜１０倍程度の高い誘電率を有することが知られている。したがって、癌組織ＣＡが存在する場合には、誘電率の異なる領域の界面、即ち、癌組織ＣＡの表面で、マイクロ波が反射され、アンテナＡ_２〜Ａ_４で受信される。

ここで、マイクロ波のインパルス信号を放射してからアンテナＡ_２が反射波を受信するまでの時間をＴ_１２［ｓ］とすると、Ｔ_１２・ｃ（ｃ：生体中の光の速度）が、マイクロ波のインパルス信号の行程距離となる。

従って、癌組織ＣＡは、アンテナＡ_１とＡ_２を焦点とし、アンテナＡ_１とＡ_２からの距離の和がＴ_１２・ｃとなる楕円Ｅ_１２上に位置することになる。

アンテナＡ_３〜Ａ_４が受信したマイクロ波についても同様の処理を行い、複数の楕円Ｅ_１２〜Ｅ_１４の交点を求めることにより、癌組織ＣＡの位置を求めることができる。

さらに、送信用のアンテナをＡ_２に切替て、アンテナＡ_２からマイクロ波を放射し、これをアンテナＡ_１，Ａ_３、Ａ_４で受信して、同様の処理を行う。以後、送信アンテナをＡ_３、Ａ_４に順次切替ながら、マイクロ波を放射し、他のアンテナで反射波を受信し、同様の処理を行うことにより、癌組織ＣＡの位置をより正確に特定することが可能となる。

以下では、各アンテナＡ_ｋにおいて、送信用として選択されたアンテナをＡ_ｍとし、受信用として選択されたアンテナをＡ_ｎとする。

なお、上述の例では、理解を容易にするため、２次元で説明したが、実際は、３次元で上述の処理を行うことになる。

次に、このような手法を用いて、癌組織の有無及び位置を判別する癌検出装置１０について、説明する。

癌検出装置１０は、図２に示すように、本体１１と、表示装置１２とを備える。

本体１１には、図３に示すように、アンテナアレイ１３と、スイッチ回路１４と、信号処理部１５とが積層配置されている。

アンテナアレイ１３では、図４に示すように、複数のアンテナＡ_ｋ（ｋ＝１〜１６）が４×４のマトリクス状に配列されている。図４は、アンテナアレイ１３を生体側から見ている。このアンテナアレイ１３の各アンテナＡ_１〜Ａ_１６が、マイクロ波のインパルス信号を送受信する。

アンテナアレイ１３は、一のアンテナＡ_ｍと他のアンテナＡ_ｎとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）でのマイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。

より具体的には、アンテナアレイ１３では、複数のダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０がさらに設けられている。複数のダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０は、各アンテナＡ_１〜Ａ_１６とインピーダンスが等価となる。例えば、各アンテナＡ_１〜Ａ_１６とそのアンテナに接続するスイッチ回路１４のＣＭＯＳ回路を含む全体の回路のインピーダンスが５０Ωであるとすれば、アンテナＢ_１〜Ｂ_２０を含む回路全体のインピーダンスも５０Ωに設定される。

複数のダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０は、複数のアンテナＡ_１〜Ａ_１６の周囲を囲むように配列されている。ダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０により、アンテナＡ_１〜Ａ_４、Ａ_５、Ａ_８、Ａ_９、Ａ_１２、Ａ_１３〜Ａ_１６についても、アンテナＡ_６、Ａ_７、Ａ_１０、Ａ_１１と同じように、四方がアンテナに囲まれた状態となる。

図３に戻り、選択部としてのスイッチ回路１４は、半導体スイッチング素子を用いた半導体スイッチ回路である。スイッチ回路１４は、アンテナアレイ１３と信号処理部１５との間に設けられている。スイッチ回路１４は、信号処理部１５の制御の下、送受信を行うアンテナ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）の切替えを行う。より具体的には、スイッチ回路１４は、複数のアンテナＡ_１〜Ａ_１６のうちのマイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナＡ_ｍと、一のアンテナＡ_ｍから送信されたインパルス信号を受信する他のアンテナＡ_ｎとから成る送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）を選択する。

信号処理部１５はコンピュータである。コンピュータはＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリを有する。信号処理部１５は、ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することにより、その機能が実現される。

信号処理部１５は、受信したマイクロ波の電気信号に基づいて、生体中の癌組織ＣＡの有無を判別するための信号処理を行う。信号処理部１５は、マイクロ波の送信信号をアンテナアレイ１３に出力するとともに、そのマイクロ波の受信信号をアンテナアレイ１３から入力する。また、信号処理部１５は、スイッチ回路１４を制御するための制御信号をスイッチ回路１４に出力している。マイクロ波の送信信号、受信信号の入出力と、制御信号の出力とにより、信号処理部１５は、アンテナアレイ１３のいずれかのアンテナＡ_ｍから送信されるマイクロ波の電気信号を出力するとともに、アンテナアレイ１３のいずれかのアンテナＡ_ｎで受信されたマイクロ波の電気信号を入力する。

信号処理部１５は、スイッチ回路１４を制御して、送受信用のアンテナＡ_ｋの組み合わせを変えながら、マイクロ波のインパルス信号を送受信し、他のアンテナＡ_ｎで受信されたマイクロ波のインパルス信号に対する信号処理を行う。

図５Ａには、アンテナアレイ１３が生体３０にセットされる様子が示されている。図５Ａに示すように、癌検出装置１０では、アンテナアレイ１３と生体３０との間には、インピーダンス整合層としての誘電膜２０が挿入されている。アンテナアレイ１３は、誘電膜２０及び生体３０の皮膚３１を介して、生体３０の脂肪層３２と接する。

伝送線路理論より、誘電率、真性インピーダンスをそれぞれε₁、η₁とする誘電体層１、誘電率、真性インピーダンスをそれぞれε₂、η₂とする誘電体層２、誘電率、真性インピーダンスをそれぞれε₃、η₃とする誘電体層３からなる多層構造があるとき、厚さｄの誘電体層２における電波の波長をλ₂、伝搬定数をβ₂とすると、実効的な電波の反射係数Γ_effは次式で表される。

ここで、ｄ=λ₂/4とすると、
のとき、

となり、反射が最小、透過が最大になる。このとき
であるため、

となり、誘電体層３と誘電体層１の真性インピーダンスが等しいとき、反射は無くなる。

ここで、２つの実施例１、２について考える。実施例１では、誘電体層１、誘電体層２、誘電体層３をそれぞれ、アンテナ基板（ε₁＝１０）、インピーダンス整合層、皮膚（ε₃＝２８）とする。周波数を１０ＧＨｚとし、波長を３ｃｍとすると、誘電体層２における波長λ₂は、３ｃｍ/√（ε₂）となる。インピーダンス整合層の誘電率は
となり、ε₂＝１９が得られる。

実施例２では、誘電体層１、誘電体層２、誘電体層３をそれぞれ、インピーダンス整合層（e₁）、皮膚（e₂＝２８）、脂肪（e₃＝５．２）とする。周波数を１０ＧＨｚ、波長を３ｃｍとすると、誘電体層２における波長λ₂は３ｃｍ/√（ε₂）となる。皮膚の誘電率は、
となり、ε₁＝１５０が得られる。

このように、誘電体の構造によって値が異なる。３次元電磁界シミュレーションを用いて最適値を求めた結果を、図５Ｂに示す。図５Ｂには、散乱パラメータ（反射係数Ｓ₁₁及び透過係数Ｓ₂₁）の周波数特性が示されており、上側の曲線が反射係数Ｓ₁₁を示しており、下側の曲線が透過係数Ｓ₂₁を示している。誘電膜２０の誘電率に応じて、散乱パラメータ（反射係数Ｓ₁₁及び透過係数Ｓ₂₁）の周波数特性は大きく変化する。このように、誘電膜２０をアンテナと皮膚との間に挿入することで、Ｓ₁₁を−１０ｄＢ以下にすることができる。このことは誘電膜２０の界面で反射する電波の強さが−１０ｄＢ以下、すなわち反射にともなって生じる定在波の最大最小の比が２以下に抑制できることを示している。一方、高周波側の透過係数Ｓ₂₁は、電波が誘電膜２０を透過する程度を示しており、誘電率を上げるとＳ₂₁が下がるため、反射を最小にする散乱パラメータＳ₁₁が広い帯域にわたって、−１０ｄＢ以下になるインピーダンス整合層の最適誘電率はε₂＝２０となる。このときのインピーダンス整合層の厚さは１ｍｍである。ただし、このとき、皮膚の誘電率をε₂＝３５で計算している。

このことから、誘電膜２０の実効誘電率は、皮膚組織と脂肪組織の間の値をとることがわかる。これにより、アンテナＡ_ｍから発せられるマイクロ波のインパルス信号の伝送効率が向上する。皮膚の誘電率を２８程度とし、脂肪組織の誘電率を５．２とすると、誘電膜２０の実効誘電率を、例えば１０〜２０とすることができる。

また、インピーダンス整合層、すなわち誘電膜２０の厚さは、直接波が受信された後に、腫瘍ターゲットからの散乱波が到着するようにし、受信信号間の干渉を無くする。このためには、インピーダンス整合層の厚さをｔ、送受信アンテナ間距離ｄ、パルス幅をＴ、実効位相速度をν_effとすると、ピタゴラスの定理から、

を満足するｔを求める。すなわち、インピーダンス整合層の厚さｔはインパルス信号の幅に実効位相速度をかけた値の１／２より大きく、２倍より小さい範囲が適切である。あまり大きくすると、測定時間が長くなるため、適切ではない。

実施例として、例えば、Ｔ＝１００ｐｓとし、光速をｃ＝３×１０⁸ｍ／ｓとし、誘電膜２０の誘電率を２８として、実効位相速度を５．７×１０⁷ｍ／ｓとすると、インピーダンス整合層の厚さｔは３〜６ｍｍの範囲が適切である。

図６には、散乱パラメータ（反射係数Ｓ₁₁及び透過係数Ｓ₂₁）の周波数特性が示されている。図６のグラフでは、上側の曲線が反射係数Ｓ₁₁を示しており、下側の曲線が透過係数Ｓ₂₁を示している。図６に示すように、誘電膜２０の厚さに応じて、散乱パラメータ（反射係数Ｓ₁₁及び透過係数Ｓ₂₁）の周波数特性は大きく変化する。

Ｓ₁₁は、反射の度合いを示すパラメータであるから、できるだけ小さいほうがよい。ひとつの目安として、反射にともなって生じる定在波の大きさである定在波比２以下を基準とする。これをデシベル表示すると、−１０ｄＢとなり、これ以下であれば反射が小さいといえる。この観点から図６の上の方のデータを見ると、ｄ＝１ｍｍの場合、３〜１０ＧＨｚの帯域すべてにおいて、−１０ｄＢ以下であるから、良好な特性と判断できる。

一方、図６の下の方の曲線は、透過係数Ｓ₂₁を表しており、膜厚が厚くなると、Ｓ₂₁が大きくなっている。これは減衰が少なく、信号が伝送しやすいことを表しており、好ましいことではあるが、上述のＳ₁₁が悪化しており、ほとんど信号は伝送されないので、厚い膜は採用できない。このことからも、ｄ＝１ｍｍが最適と判断される。

このように、誘電膜２０をアンテナと皮膚との間に挿入することで高周波側の透過係数Ｓ₂₁が改善されているが、誘電膜２０の厚みｄが５ｍｍ以上になると、ほとんどの周波数範囲で反射していることがわかる。

なお、図７に示すように、誘電膜２０は、誘電膜２０Ａと誘電膜２０Ｂの２層構成であってもよい。誘電膜を２層にすると、散乱パラメータ（反射係数Ｓ₁₁及び透過係数Ｓ₂₁）の周波数特性は、さらに良好なものになる。

ここで、実施例１として、誘電率１０．２の誘電膜２０Ａと誘電率３８の誘電膜２０Ｂを用いてインピーダンス整合層を形成する場合を考える。この場合、アンテナアレイ１３の誘電率が１０．２であることから、誘電膜２０Ａの誘電率を、これに合わせる。また、皮膚３１の誘電率が２８であるので、それに近い物質の３８の誘電率を選択する。このとき、膜厚を最適化することにより整合条件を見つける。

図８Ａに示すように、誘電膜２０Ａの膜厚が１ｍｍ、誘電膜２０Ｂの膜厚が４ｍｍのときに、Ｓ₁₁が３．９〜１１ＧＨｚの帯域で−１０ｄＢ以下となる反射の少ない条件を得ることができる。このとき、透過係数Ｓ₂₁も帯域を確保している。

インピーダンス整合層を２層にすることで、最適化の自由度を向上することができ、その時の構造はアンテナ基板に接する側の誘電率ε_Aはアンテナ基板に近い値を、皮膚に接する側の誘電率ε_Bは皮膚に近い誘電率を選択する。このときの平均的な値は

となり、インピーダンス整合層の実効的な誘電率は皮膚と脂肪の値の間の値となる。

実施例２として、図８Ｂに、２層構造の全膜厚が１０ｍｍの場合について、シミュレーションした結果を示す。誘電膜２０Ａの膜厚が１ｍｍ、誘電膜２０Ｂの膜厚が９ｍｍのときに、Ｓ₁₁が４〜１１ＧＨｚの帯域で−１０ｄＢ以下となる反射の少ない条件を得ることができる。

図９には、幾つかのアンテナの組み合わせで受信された受信信号の一例が示されている。このグラフには、アンテナＡ_１を送信用のアンテナＡ_ｍとし、アンテナＡ_５を受信用のアンテナＡ_ｎとした場合の受信信号Ｔｘ１＿Ｒｘ５と、アンテナＡ_７を送信用のアンテナＡ_ｍとし、アンテナＡ_１１を受信用のアンテナＡ_ｎとした場合の受信信号Ｔｘ７＿Ｒｘ１１と、アンテナＡ_１１を送信用のアンテナＡ_ｍとし、アンテナＡ_１５を受信用のアンテナＡ_ｎとした場合の受信信号Ｔｘ１１＿Ｒｘ１５と、が示されている。図９に示すように、受信信号Ｔｘ１＿Ｒｘ５と、受信信号Ｔｘ７＿Ｒｘ１１と、受信信号Ｔｘ１１＿Ｒｘ１５とは、構造対称性から、信号波形が良く一致している。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナＡ_ｍとインパルス信号を受信する他のアンテナＡ_ｎとの相対距離が同じである送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）では、マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。これにより、図９に示すように、各アンテナＡ_ｎでの受信信号を同じとすることができるので、受信された複数の受信信号に基づいて、生体内の癌組織ＣＡを精度良く検出することができる。この結果、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、説明する。

本実施の形態では、アンテナアレイ１３における各アンテナＡ_ｋ、ダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０の配列が、上記実施の形態１と同じである。

この実施の形態では、送受信アンテナの組み合わせは、アンテナ間の相対距離を同じくする２組の送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせである。例えば、アンテナＡ_kのマトリックス座標を、図１０に示すように、（１，１）〜（４，４）とする。

ここで、生体表面に一定間隔で行・列のマトリクス状に配置された複数のアンテナについて、例えば、マトリクス座標（１，１）、（３，１）に対応する送信、受信アンテナの組み合わせを第１の組とし、マトリクス座標（１，２）、（３，２）に対応する送信、受信アンテナの組み合わせを第２の組とする。

信号処理部１５は、第１の組の送信アンテナ（Ａ₁（１，１））から送信したインパルス信号を第１の組の受信アンテナ（Ａ₉（３，１））で受信して得られる信号から、第２の組の送信アンテナ（Ａ₂（１，２））から送信したインパルス信号を第２の組の受信アンテナ（Ａ₁₀（３，２））で受信して得られる信号を引き算する。

図１１（Ａ）に示すように、送信アンテナ（Ａ₁（１，１））から受信アンテナ（Ａ₉（３，１））に至る直接波は、送信アンテナ（Ａ₂（１，２））から受信アンテナ（Ａ₁₀（３，２））に至る直接波とほぼ同一である。このため、引き算により得られる信号は、腫瘍ターゲットで散乱された成分だけからなる信号（図１１（Ｂ）参照）となる。信号処理部１５は、これを用いて共焦点画像処理を行って、ターゲット位置を計算する。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、説明する。

図１２（Ａ）には、本実施の形態２に係る癌検出装置１０の本体１１の内部構造が示されている。図１２（Ａ）に示すように、癌検出装置１０は、加速度センサ１７をさらに備えている。また、アンテナアレイ１３が形成される平面をＸＹ平面とする。

図１２（Ｂ）に示すように、癌検出装置１０では、本体１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向にΔＸ、ΔＹずつずらしながら、皮膚の上に接触させて複数回検出が行われる。これによって、案手難の数を見かけ上増やして解像度を上げることができる。加速度センサ１７は、各アンテナＡ_kの位置を検出するためのセンサとして用いられる。信号処理部１５は、加速度センサ１７の出力により、検出時の各アンテナＡ_kの位置を算出する。このようにすれば、検出の度に、ターゲットＴＡと各アンテナとの位置関係を変えて、実質的に、測定点の数を増やすことができる。これにより、検出精度を向上することができる。

なお、本実施の形態では、加速度センサ１７に限らず、各アンテナＡ_kの位置を検出するためのセンサであれば、任意のセンサを用いることもできる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、説明する。

本実施の形態では、アンテナアレイ１３における各アンテナＡ_ｋの配列が、上記実施の形態１と異なる。また、アンテナアレイ１３には、ダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０は設けられていない。

図１３には、アンテナアレイ１３におけるアンテナＡ_ｋ（ｋ＝１〜１６）の配列が示されている。図１３に示すように、このアンテナアレイ１３では、各アンテナＡ_ｋが所定の距離だけ離隔して配置されている。各アンテナＡ_ｋの間隔は、縦がａｍｍ（例えば１０ｍｍ程度）であり、横がｂｍｍ（例えば６ｍｍ程度）であるが、本発明はこの間隔に限定されない。

より具体的には、このアンテナアレイ１３では、各アンテナＡ_ｋが、千鳥足状に配置されている。このようにすれば、アンテナアレイ１３における各アンテナＡ_ｋの間隔をさらに広げ、隣接するアンテナＡ_ｋからの電波のしみだしの影響を最小限に留めることができる。

図１４には、幾つかのアンテナの組み合わせで受信された受信信号の一例が示されている。このグラフでも、アンテナＡ_１を送信用アンテナとし、アンテナＡ_５を受信用アンテナとした場合の受信信号Ｔｘ１＿Ｒｘ５と、アンテナＡ_７を送信用アンテナとし、アンテナＡ_１１を受信用アンテナとした場合の受信信号Ｔｘ７＿Ｒｘ１１と、アンテナＡ_１１を送信用アンテナとし、アンテナＡ_１５を受信用アンテナとした場合の受信信号Ｔｘ１１＿Ｒｘ１５と、が示されている。図１４に示すように、受信信号Ｔｘ１＿Ｒｘ５と、受信信号Ｔｘ７＿Ｒｘ１１と、受信信号Ｔｘ１１＿Ｒｘ１５とは、良く一致している。

このように、本実施の形態でも、マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナＡ_ｍとインパルス信号を受信する他のアンテナＡ_ｎの相対距離が同じ送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）では、隣接するアンテナＡ_ｋを離隔することにより、マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。これにより、図８に示すように、癌組織ＣＡがない状態での各アンテナＡ_ｋでの受信信号を同じとすることができるので、その受信信号から、生体３０内の癌組織ＣＡを精度良く検出することができる。この結果、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について、説明する。

本実施の形態では、アンテナアレイ１３における各アンテナＡ_ｋの配列が、上記実施の形態１と異なる。また、アンテナアレイ１３には、ダミーのアンテナＢ_１〜Ｂ_２０は設けられていない。

なお、図１５に示すように、アンテナアレイ１３では、各アンテナＡ_１〜Ａ_１６の間に吸収体４０が挿入されている。このような吸収体４０としては、例えばフェライトの薄膜を用いることができる。このようにすれば、各アンテナＡ_ｋからの電波のしみだしは、吸収体４０によって吸収され、各アンテナで受信される受信信号への影響を最小限に留めることができる。

このように、本実施の形態でも、マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナＡ_ｍとインパルス信号を受信する他のアンテナＡｎの相対距離が同じ送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）では、隣接するアンテナＡ_ｋ間に吸収体４０を挿入することにより、マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。これにより、癌組織ＣＡがない状態での各アンテナＡ_ｋでの受信信号を同じとすることができるので、その受信信号から、生体３０内の癌組織ＣＡを精度良く検出することができる。この結果、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について、説明する。

図１６には、アンテナＡ_ｋと、アンテナＡ_ｋに接続されたスイッチ回路１４のスイッチ７０とを接続する回路構成が示されている。図１６に示すように、各アンテナＡ_ｋとスイッチ７０との間で信号を伝送する伝送線路６０が設けられている。伝送線路６０は、インピーダンスが所定値以上となっている。伝送線路６０は、十分に高インピーダンスとなっている。これにより、スイッチ７０がオンとなっていてもオフとなっていても、アンテナＡ_ｋにおけるインピーダンスはほぼ一定であるとみなすことができる。

このように、本実施の形態でも、マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナＡ_ｍとインパルス信号を受信する他のアンテナＡ_ｎの相対距離が同じ送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）では、アンテナＡ_ｋとスイッチ７０との間を高インピーダンスな伝送線路６０で接続して、アンテナＡ_ｋのインピーダンスを安定させることにより、各アンテナＡ_ｋでマイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている。これにより、癌組織ＣＡがない状態での各アンテナＡ_ｋでの受信信号を同じとすることができるので、その受信信号から、生体３０内の癌組織ＣＡを精度良く検出することができる。この結果、マイクロ波のインパルス信号の受信効率を向上することができる。

（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７について、説明する。

図１７には、本実施の形態に係る本体１１の断面が示されている。図１７に示すように、本実施の形態では、アンテナアレイ１３と、スイッチ回路１４との間にアンテナアレイ１３をカバーする吸収体膜１６がさらに形成されている。吸収体膜１６は、例えばフェライトである。

この吸収体膜１６により、アンテナＡ_ｋから発せられたマイクロ波が、スイッチ回路１４を流れる信号に混入するのを防止することができる。

（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８について、説明する。

本実施の形態では、信号処理部１５における生体の癌組織ＣＡの検出方法について説明する。

図１８には、信号処理部１５の処理の流れが示されている。図１８に示すように、まず、信号処理部１５は、相対距離が同じ送受信用のアンテナの全ての組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）でマイクロ波のインパルス信号を送受信し、受信信号をそれぞれ取得する（ステップＳ１）。

続いて、信号処理部１５は、取得した複数の受信信号の平均信号パターンを基準信号として算出する（ステップＳ２）。

図１９に示すように、相対距離が同じ送受信用のアンテナの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）として、（Ａ_１、Ａ_５）、（Ａ_６、Ａ_１０）、（Ａ_５、Ａ_９）などと相対距離が同じアンテナＡ_ｋの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）では、癌組織ＣＡがなければ、受信信号のパターンは同じになる。

また、生体３０には、受信信号を変化させる癌組織ＣＡが含まれている場合がある。癌組織ＣＡがあると、各アンテナＡ_ｋで受信される受信信号の信号パターンは変化する。各アンテナＡ_ｋで受信される受信信号が、癌組織ＣＡによってどのように変化するかは、アンテナＡ_ｋと癌組織ＣＡとの位置関係によって決まる。例えば、アンテナＡ_５を送信用とし、アンテナＡ_９を受信用とした場合の受信信号における癌組織ＣＡの成分の出現位置と、アンテナＡ_６を送信用としアンテナＡ_１０を受信用とした場合の受信信号における癌組織ＣＡの成分の出現位置とは、それぞれ異なっている。

このように、各アンテナＡ_ｋで受信される受信信号における癌組織ＣＡの成分の出現位置はそれぞれ異なるため、各アンテナＡ_ｋで受信された受信信号の平均をとれば、受信信号から、癌組織ＣＡの成分を抑圧することができる。本実施の形態では、癌組織ＣＡの成分が抑圧され、かつ、生体３０を用いて実際に測定された受信信号を基準信号として、癌組織ＣＡの成分を検出する。

図１８に戻り、続いて、信号処理部１５は、基準信号とアンテナアレイ１３の各アンテナＡ_ｋで受信されたマイクロ波のインパルス信号との違いに基づいて、生体３０内の癌組織ＣＡを検出する（ステップＳ３）。ステップＳ３終了後、信号処理部１５は、処理を終了する。

このように、本実施の形態によれば、相対距離が同じ各アンテナＡ_ｋの組み合わせでそれぞれ受信される受信信号の平均パターンを基準とする。このようにすれば、生体３０内に癌組織ＣＡが有ると無いとに関わらず、その生体３０で観測される癌組織ＣＡがなく、かつ、生体３０の特性に沿った受信信号の信号パターンを実質的に得ることができる。この結果、癌組織ＣＡを高精度に検出することができる。

（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９について、説明する。

図２０、図２１を参照して、実際の臨床において、乳がんを検出するための、もうひとつの基準信号の作成方法について説明する。図１９又は図１０において、相対距離が同じ送受信用のアンテナの組み合わせとして、（Ａ_５、Ａ_９）、（Ａ_６、Ａ_１０）、（Ａ_７、Ａ_１１）などのように、相対距離が同じアンテナＡ_ｋの組み合わせ（Ａ_ｍ、Ａ_ｎ）があるとする。例えば、（Ａ_５、Ａ_９）と（Ａ_６、Ａ_１０）の組み合わせで、図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）に示すように、一方の組み合わせが、乳がんターゲットが真ん中にあり、もう一方の組み合わせがｄ_ｍ＝１１．６ｍｍだけ離れていた場合、それぞれ受信された受信波形の差分（図２１（Ａ）参照）をとると、直接波は、構造対称性から等しいため消滅する。よって、乳がんターゲットに散乱されて遅れた信号だけが位置関係の違いから差分信号（図２１（Ｂ）参照）として残る。これによって、平均化しなくても、２組の受信信号の差分によって、散乱信号だけを作ることができる。この方式は、基準信号を平均ではなく、差分で形成するために、コモンノイズを抑制することができ、信号雑音比が向上できる。２組４個の送受信アンテナの組み合わせをアンテナアレイについて行い、その差分信号を用いて、共焦点画像することにより、比較的簡単なアルゴリズムでイメージングできる。

上記各実施の形態では、アンテナの数を１６個としたが、本発明はこれには限られず、アンテナの数は任意でよい。

本発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、乳癌センサなどに用いられるアンテナアレイ装置に好適である。また、本発明は、乳癌センサに限らず、他の腫瘍等、生体内の誘電率の異なる領域の検出・判別に応用可能である。

１０ 癌検出装置
１１ 本体
１２ 表示装置
１３ アンテナアレイ
１４ スイッチ回路
１５ 信号処理部
１６ 吸収体膜
１７ 加速度センサ
２０、２０Ａ、２０Ｂ 誘電膜
３０ 生体
３１ 皮膚
３２ 脂肪層
４０ 吸収体
６０ 伝送線路
７０ スイッチ

Claims (10)

1. マイクロ波のインパルス信号を送受信する複数のアンテナの配列を有するアンテナアレイと、
   前記複数のアンテナの中から、前記マイクロ波のインパルス信号を送信する一のアンテナと、前記一のアンテナから送信されたインパルス信号を受信する他のアンテナとから成る送受信用のアンテナの組み合わせを選択する選択部と、
   前記選択部を制御して、前記送受信用のアンテナの組み合わせを変えながら、前記マイクロ波のインパルス信号を送受信し、前記他のアンテナで受信された前記マイクロ波のインパルス信号に対する信号処理を行う信号処理部と、
   を備え、
   前記アンテナアレイは、
   前記一のアンテナと前記他のアンテナとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナの組み合わせでの前記マイクロ波のインパルス信号の受信環境が同じになるように形成されている、
   アンテナアレイ装置。
2. 前記アンテナアレイでは、
   前記各アンテナとインピーダンスが等価となる複数のダミーのアンテナがさらに設けられ、
   前記複数のダミーのアンテナは、前記複数のアンテナの周囲に配列されている、
   請求項１に記載のアンテナアレイ装置。
3. 前記アンテナアレイでは、
   前記各アンテナが所定の距離だけ離隔して配列されている、
   請求項１に記載のアンテナアレイ装置。
4. 前記アンテナアレイでは、
   前記各アンテナが、千鳥足状に配列されている、
   請求項３に記載のアンテナアレイ装置。
5. 前記アンテナアレイでは、
   前記各アンテナの間にマイクロ波を吸収する吸収体が挿入されている、
   請求項１に記載のアンテナアレイ装置。
6. 前記アンテナアレイと生体との間に、インピーダンス整合層を有し、
   前記インピーダンス整合層の実効誘電率が皮膚組織と脂肪組織の間の値をとり、
   前記インピーダンス整合層の厚さが、前記インパルス信号の幅に実効位相速度をかけた値より小さく、実効位相速度の１／２をかけた値より大きい、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナアレイ装置。
7. 前記各アンテナと前記選択部との間で送受信用の信号を伝送する線路として、マイクロストリップ伝送線路が設けられている、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナアレイ装置。
8. 前記アンテナの組み合わせは、アンテナ間の相対距離を同じくする２組の送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせであり、前記信号処理部は、第１の組の前記一のアンテナから送信した前記インパルス信号を第１の組の前記他のアンテナで受信して得られる信号から、第２の組の送信アンテナから送信した前記インパルス信号を前記第２の組の他のアンテナで受信して得られる信号を引き算する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアンテナアレイ装置。
9. 前記信号処理部は、
   前記一のアンテナと前記他のアンテナとの相対距離が同じとなる送受信用のアンテナの全ての組み合わせについて、前記アンテナアレイ装置で取得された複数の前記マイクロ波のインパルス信号の平均信号パターンを基準信号として算出し、
   前記基準信号と前記アンテナアレイ装置のアンテナアレイの各アンテナで受信された前記マイクロ波のインパルス信号との違いに基づいて、前記生体内の異常組織を検出する、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のアンテナアレイ装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のアンテナアレイ装置を備える異常組織検出装置。