JP5460668B2 - 音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
現在、神経活動の非侵襲計測法としては、PET(Positron Emission Tomography;非特許文献2参照)、fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging;非特許文献3参照)、近赤外光トポグラフィ(非特許文献4参照)、また、脳磁計(非特許文献5参照)が主に実用化されている。
上記脳磁計は、細胞内電流が誘起する微弱磁場を検出しているので時間分解能は高く、上記の装置に比べて直接的にニューロン活動を検知する方式である。しかしながら、磁場分布をもとに位置を推定しているので、間接的な位置推定法であり、位置分解能が十分ではない。とくに、複数の部位が同時に活動している場合はその特定が難しくなる。また、深部からの情報や表面の法線方向に向かう電流の検出が困難であるという課題がある。
しかしながら、上記説明から理解されるように、血液中の代謝量の変化を検知して間接的に活動部位を検知する従来方法も、ニューロンの興奮に伴う細胞内電流が誘起する微弱磁場を検知する従来方法も、位置分解能が十分でなく、活動部位を必要十分に特定できず、且つ、装置コストが極めて高いという課題がある。
従って、物体の音波が照射される部分から放射される電磁波の強度が変化したとすれば、荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の特性値が変化したことになり、逆に、電磁波強度の変化から、上記荷電粒子の特性値の変化を測定できることになる。また、この変化がどの特性値の変化に基づくかは、音波が照射される物体に関する他の情報をもとに絞り込むことができる。例えば、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化があり得ない状態であるとすれば、電磁波強度の変化は、音波が照射される物体の部分の荷電粒子濃度の変化に結びつけることができる。
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法は、被測定物体に音波を照射し、被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することを特徴とする。
上記構成において、被測定物体の電気特性は、好ましくは、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化である。被測定物体の磁気特性は、好ましくは、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴である。被測定物体の電磁気・機械特性は、好ましくは、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性である。
本発明の物体の特性測定方法によれば、被測定物体の音波照射部分に含まれる、荷電粒子の特性値の変化、すなわち、荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の変化が生じた場合に、この物体から放射される電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れかが変化するので、これらの特性値の何れかが変化したことを検知し、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。例えば、荷電粒子の濃度以外に変化する可能性がない場合には、電磁波強度の変化を荷電粒子の濃度変化に結びつけることができる。また、荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力以外に変化する可能性がない場合には、電磁波強度の変化を荷電粒子の電子分極率、或いは、陽イオン分極率の変化に結びつけることができる。さらに、被測定物体の磁気特性として、電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴の測定を行なうことができ、被測定物体の電磁気・機械特性として、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性の測定も可能である。
に有用である。特に、脳の活動部位の特定に用いれば、極めて高い位置分解能で脳の活動部位を特定することができる。
初めに、物体の音波を照射する部分に誘起される電磁波を説明する。
図1は、被測定物体の部分に音波を照射して誘起される電磁波の様子を示す図である。図1において、音波集束ビーム1は、被測定物体の部分2に集束している様子を示しており、○で囲んだ+及び−はそれぞれ正の荷電粒子3及び負の荷電粒子4を示している。また、物体の部分2では、正の荷電粒子3と負の荷電粒子4の濃度のバランスが崩れ、正の荷電粒子3が多い電荷分布状態を示している。また、矢印5は音波集束ビーム1の音波振動方向を示しており、矢印6は、正の荷電粒子3及び負の荷電粒子4の音波による振動に伴って発生する、矢印5に垂直な方向に伝搬する電磁波を示している。
ち消し合うことができず、正味の電磁波6が誘起される。
従って、音波によって誘起される電磁波を観測し、電磁波の強度変化が観測されれば、電荷分布に変化が生じたこと、即ち、正の荷電粒子3又は負の荷電粒子4の濃度に変化が生じたか、或いはその両方の濃度が変化したことがわかる。即ち、音波によって誘起される電磁波の測定から、物体中の荷電粒子の特性値、この場合にはその濃度の変化を測定できる。
荷電粒子の位置座標をX、荷電粒子の質量をM、荷電粒子が周囲の媒体から音波振動に基づく力を受ける実効断面積をS、音波振動の圧力をp、音波振動の周波数をν、時間をtとすると、荷電粒子の運動方程式は次式(1)で近似される。
荷電粒子の電荷をeとすると、荷電粒子の振動は、電荷eの調和振動P=eAsin2πνtで表され、振動Pから単位時間当たりに放射される電磁波の放射パワーI(t)はε0 を真空誘電率、cを光速として、次式(4)で表される。
被測定物体23の有する電荷密度をρとすると、ρと電場等の関係は下記(6)式のポワッソンの方程式(ガウスの法則)で表わされる。
音波誘起電磁波は電荷密度の時間変化(∂ρ/∂t)によって引き起こされるので、電磁波の強度から、電荷密度、すなわち電束密度勾配の情報を取得することができる。さらに、電場が空間的に一定と推定される場合は、ρ=∇ε・Eであるから誘電率の空間勾配を得ることができる。誘導率が一定と推定される場合は、同様に電場勾配の情報を取得できる。言い換えると、ミクロには被測定物体の有する電荷による電荷振動によって電磁波放射が発生するわけである。マクロに見ると、電束密度、あるいは、誘導率や電場が時間変化して電磁波が放射されると考えられる。このため、本発明の方法により、生体の機能、例えば脳機能を測定し、解析する場合に関しても、音波誘起電磁波は体内イオン分布の時間変化が根本原因であり、イオンスケールに比べてマクロな音波集束域を考えると、神経活動に起因した電束密度や電場勾配の変化を測定する方法と見なすことができる。
図2は、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置の構成を示す図である。この図を用いて、音波誘起電磁波による物体の有する荷電粒子に基づく特性測定装置の構成と動作を説明する。
本発明の測定装置21は、電波暗室22と、電波暗室22内に配置された被測定物体23を保持する保持台24と、物体23に近接又は接触して配置される音波発生器25と、音波発生器25の発生する音波26が集束する部分23aから発生する電磁波27を受信するアンテナ28と、音波発生器25を駆動・制御し、且つ、アンテナ28の要素アンテナ28aの何れか又は複数が受信した電磁波信号27を測定、演算する制御・測定・演算部29とから構成される。
ここで、被測定物体23から放射される電磁波は、その近接場(near field)又は近接場ではない非近接場、即ち遠接場(far field)の電磁波測定により測定することができる。後述するが、被測定物体23から放射される電磁波の近接場などの磁場をSQUIDで測定してもよい。アンテナ28としては、電磁波を検出できるものであればその種類は問わない。例えば、ループ型アンテナやアレイ型アンテナなどの各種アンテナや、ループ型やアレイ型のコイルからなるアンテナを使用することができる。
なお、図2において、アレイ型アンテナ28を構成する要素アンテナ28aが円周上に配列して示されているが、この表示はアレイ型アンテナ28の断面を示したものであり、要素アンテナ28aは物体23を囲んで4πラジアン方向に均等な密度で配置されており、物体の任意の部分から誘起される電磁波、また、任意の方向から音波を集束した場合に誘起される電磁波を受信できるようにしている。
図3は音波を集束する方法を示す図である。この方法はフェーズドアレイ法と呼ばれており、圧電素子25を1列に配列したアレイの個々の圧電素子25が発生する音波パルス26同士を図に示すように中心の音波パルス26を遅相し、周辺の音波パルス26ほど進相することによって、平面上の所望の位置に音波パルスを集束できる。図においては圧電素子25を1列に配列したアレイを示しているが、アレイを複数段積み重ねて、個々の圧電素子25の発生する音波パルス26の位相を適切にずらすことによって被測定物体の3次元体積に亘って、所望の位置に集束することができる。
初めに、本発明の第1の測定方法及び装置を説明する。
図5は、本発明の第1の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。図を用いて、制御・測定・演算部の構成と動作を説明する。図は、照射する音波が一定周波数の狭帯域パルスである場合の構成を示している。図5において、制御・測定・演算部30は、RF発振器31と、RF発振器31から出力するRF信号31aを所定のパルス信号31bに整形するゲートスイッチ32と、ゲートスイッチ32の開閉を制御するパルス発生器33と、ゲートスイッチ32を出力したパルス信号31bを増幅する増幅器34を有し、増幅器34を出力したパルス信号31bは音波発生器25に入力され、音波発生器25は音波パルス26を発生する。
また、アレイ型アンテナ28に接続され、アレイ型アンテナ28で受信した電磁波を増幅する小信号増幅器35と、小信号増幅器35で増幅した電磁波をRF発振器31の発信周波数νで位相検波するミキサー36と、RF発振器31の発信周波数信号νの位相を制御して供給しミキサー36を制御する位相調整器37と、ミキサー36を通過した電磁波信号を増幅する増幅器38と、増幅器38で増幅された電磁波信号のうち、所定の周波数以下の成分のみを通過するローパスフィルター39と、ローパスフィルター39を通過した電磁波信号の強度をパルス発生器33のパルス発生タイミングに同期して測定するデジタルオシロスコープ40を有している。なお、33aはパルス発生器33とデジタルオシロスコープ40とを同期させるための信号線である。
また、パソコン41を有し、パソコン41には、RF発振器31、パルス発生器33、及びデジタルオシロスコープ40が接続され、パソコン41を介して、RF信号31aの制御、パルス信号31bの制御及びデジタルオシロスコープ40で測定した電磁波信号の取得とデジタルオシロスコープ40の測定制御を行う。
図には音波発生器一つだけを駆動する制御装置の構成を示しているが、上記に説明したように物体の所望の部分に音波パルスを集束し、集束位置を走査する場合には、図の音波発生器を複数有し、複数の音波発生器を制御して駆動するための図の駆動装置を複数有している。位相検波を用いると、他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除できるので、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。また、位相検波の場合には、位相調整器37で参照信号の位相を変化させて測定し、電磁波の位相と参照信号の位相が揃ったときの測定値の正、負によって、測定している電磁波が、正の荷電粒子の振動に基づくものか、負の荷電粒子の振動に基づくものかを判定することができる。
図7は、本発明の第2の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部50は、図1の構成におけるローパスフィルター39とデジタルオシロスコープ40との間にロックインアンプ51を有することのみが異なる。ロックインアンプ51は、ローパスフィルター39を通過した電磁波信号を、パルス発生器33の発信周波数μを参照信号としてロックイン検出する。42はパルス発生器33の発信周波数μをロックインアンプ51に供給する信号線である。
この方法によれば、音波の周波数νと音波パルスのパルス周期1/μの両方で位相検波するので、他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
ここで、ロックインアンプは位相検波用のゲートスイッチと狭帯域増幅器とから成り、位相検波法と同じ測定原理に基づいて測定するものであるが、位相検波の参照周波数が低い場合、ゲートスイッチと狭帯域増幅器とからなるセットがロックインアンプとして市販されており、通常、参照周波数が低い位相検波をロックイン検出と言い慣らされているので、位相検波の参照周波数が低い場合にロックインアンプ及びロックイン検出なる言葉を用いる。
生体の脳や筋組織中においては、周波数の高い音波は早く減衰し、周波数の低い音波が深部まで到達する。従って、音波によって誘起される電磁波の周波数を測定すれば、その電磁波の発生源が深部なのか、浅部なのかがわかる。本発明の第3の方法は、上記現象を利用したものであり、測定する電磁波の周波数からその電磁波の発生源が深部なのか、浅部なのかを判定することにより、音波集束部分内の深さ方向の位置分解能を高めることができる。
図8は、本発明の第3の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部52は、図1の構成におけるRF発振器31を有せず、パルス発生器33から発生する単一パルス53を音波発生器25に印加する構成である。音波発生器25は、例えば圧電素子であり、圧電素子に単一のパルス53を印加すると、圧電素子が自由振動し、振動エネルギーが散逸して零になるまで振動する。この圧電素子の自由振動による音波パルス54は、図1の狭帯域音波パルス31bと較べると、周波数が広い範囲に亘って分布しており、広帯域音波パルスである。
また、図に示すように制御・測定・演算部52の測定部分は、小信号増幅器35で増幅した電磁波信号の特定の周波数成分を通過する第1のバンドパスフィルター55と、第1のバンドパスフィルター55を透過した周波数成分を増幅する狭帯域増幅器38と、狭帯域増幅器38で増幅した周波数成分の特定の周波数成分を通過する第2のバンドパスフィルター57と、第2のバンドパスフィルター57を通過した周波数成分を積算して電磁波強度を測定するデジタルオシロスコープ40とからなる。
この方法によれば、生体の脳や筋組織中において、周波数の高い音波は早く減衰し、周波数の低い音波が深部まで到達するから、測定した電磁波の周波数から音波集束部分内の深さ方向の位置を知ることができる。
図9は、本発明の第4の測定方法に用いる制御・測定・演算部60の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部60は、図8の構成と較べて測定部が、第2のバンドパスフィルター57とデジタルオシロスコープ40との間に、パルス発生器33のパルス発生タイミングを参照周波数とするロックインアンプ61を有することのみが異なる。62はパルス発生器33のパルス発生タイミングを参照周波数としてロックインアンプ61に供給する信号線である。
第3の方法においては、電磁波強度の測定を、デジタルオシロスコープによる電磁波信号の積算によって行うが、この方法は、ロックインアンプ61によって外部ノイズを排除した電磁波信号の積算によって行うので、他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除でき、第3の方法に較べて、さらに小さい電磁波強度の変化も検出することができる。
図10は、本発明の第5の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図であり、(a)は装置の構成を、(b)はパルス発生器33が発生するゲートパルス66及び音波発生用パルス69の発生タイミング、音波発生器25で発生する音波54の発生タイミング及び物体中で誘起される電磁波27の発生タイミングを示す。
図10(a)に示すように、制御・測定・演算部65の測定部は、受信した電磁波27を増幅する小信号増幅器35と、小信号増幅器35で増幅した電磁波信号を、パルス発生器33が発生するゲートパルス66の継続時間の間だけ通過させるゲートスイッチ32と、ゲートスイッチ32を通過した電磁波信号を、周波数信号で表示するスペクトラムアナライザー67とからなる。スペクトラムアナライザー67は、周波数成分毎の強度を検出し、記憶する機能を有している。このスペクトラムアナライザー67の機能は、制御・測定・演算部65に備えた演算処理部において、フーリエ変換する演算処理により求めることができる。68はゲートパルス66をゲートスイッチ32に供給するための信号線であり、33bはパルス発生器とスペクトラムアナライザー67を同期させるための信号線である。
図10(b)の上段のグラフに示すように、パルス発生器33は、音波発生用のパルス69と、音波発生用のパルス69のパルス間隔Tの間にゲートパルス66を発生させる。下段のグラフは、音波発生用のパルス69により音波発生器25から発生する音波パルス54の発生タイミングと、音波パルス54が物体23に到達し誘起される電磁波27の発生タイミングを示している。図に示すように、ゲートパルス66と電磁波27の発生タイミングは一致させており、スペクトラムアナライザー67に取り込まれる信号は、電磁波27が誘起されている時間帯の信号のみとなり、この時間帯以外の外部ノイズを排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
図11は、本発明の広帯域音波パルスを使用する場合の電磁波発生源の電荷極性の判定に用いる制御・測定・演算部75の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部75の測定部は、受信した電磁波を増幅する小信号増幅器35と、小信号増幅器35で増幅した電磁波をRF発振器31の発信周波数νで位相検波するミキサー36と、RF発振器31の発信周波数信号νの位相を制御して供給しミキサー36の動作を制御する位相調整器37と、ミキサー36を通過した電磁波信号を増幅する増幅器38と、増幅器38で増幅された電磁波信号のうち、所定の周波数以下の成分のみを通過するローパスフィルター39と、ローパスフィルター39を通過した電磁波信号の強度を測定するデジタルオシロスコープ40を有している。
これにより、位相調整器37で参照信号の位相を変化させて測定し、電磁波の位相と参照信号の位相が揃ったときの測定値の正、負によって、測定している電磁波が、正の荷電粒子の振動に基づくものか、負の荷電粒子の振動に基づくものかを判定できる。
磁歪とは、結晶歪により電子軌道が変化し、軌道・スピン相互作用を通じて電子スピン磁化に変化が加わる現象をいう。または、結晶歪により、結晶場分裂に変化が生じ、これが電子状態を変化させ、電子スピン磁化の大きさを変化させることもある。これらの時間変化が電磁波を発生させると考えられる。従って、音波誘起電磁波の強度から磁化の大きさや軌道・スピン相互作用、又は結晶歪と電子軌道変化の敏感さ、あるいは、結晶場分裂と歪の敏感さ、又は結晶場分裂と電子スピン状態の関係を決定することができる。音波伝播方向と放射強度からは、被測定物体に電極を設けずに、非接触で磁歪テンソルを測定することができる。磁歪特性の画像化も圧電特性と同様に可能である。
従って、被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化を測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。
現在医療用に使用される圧電素子の周波数は、3.5MHz、5MHz、7.5MHz、10MHz及び30MHzである。音波の人体内速度を1600m/秒とすると7.5MHzの音波の波長が213μmとなり、この周波数の音波を人体に用いれば、人体の約213μmの領域に音波を集束できることになる。従って、人間の脳の活動部位の特定に、周波数7.5MHzの音波を使用して本発明の方法を用いれば、213μmの分解能で脳の活動部位の特定ができる。人体以外の目的で100MHz以上の高周波音波を用いれば10μm以下の分解能も可能である。
音波の集束は図3及び図4に示した方法で実際に医療分野で用いられており、例えば、体外衝撃波胆石破砕法(非特許文献6参照)や癌治療に用いられる高濃度焦点式音波治療法(非特許文献7参照)といった切開手術を要しない最新の治療技術に用いられている。脳の場合には、音波が頭蓋骨を透過しにくいので、頭蓋骨用の音響整合層を介して頭蓋骨に音波を照射することが好ましい。上記の脳の活動部位の特定においては、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置を用いて測定し、脳に関する音波誘起電磁波を別途記録し、その記録された測定データの解析をコンピュータで行なうことができる。
図13は、実施例1の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置の構成を模式的に示す図であり、それぞれ、(a)は特性測定装置の構成を、(b)は超音波プローブの変形例を、(c)は超音波の波形を示している。
図13(a)に示すように、実施例の測定装置21は、電波暗室22と、電波暗室22内に配置された被測定物体23を保持する保持台と、被測定物体23に近接又は接触して配置される音波発生器と、音波発生器25の発生する音波26が集束する部分23aから発生する電磁波を受信するループアンテナ28と、音波発生器を駆動・制御し、且つ、ループアンテナ28が受信した電磁波信号27を測定、演算する図示しない制御・測定・演算部29とから構成されている。音波発生器25は、パルサー(Panametrics社、モデル5077PR)と、このパルサーにより駆動されるポリフッ化ビニリデンからなる超音波振動子により構成されている。パルサーは、パルス幅50nsの矩形波を、繰り返し周波数100〜500Hzで発生した(図13(c)参照)。超音波振動子と被測定物体23との距離は、50〜70mmであり、媒体としては水を用いた。水中での音速は1500m/sであるので、上記距離の場合には、超音波により被測定物体23から発生した電磁波は33から47μs毎に発生することになる。広帯域の水中マイクロフォン
による測定で、超音波は被測定物体23の位置において、直径2mmの領域に集束していることが分かった。
ループアンテナ28の出力側には、同調用の2個の可変容量コンデンサが接続されており、同軸ケーブル等の線路を介して小信号増幅器に入力される。図示の場合には、小信号増幅器は、46dBの電圧利得を有する第1の小信号増幅器、ローパスフィルター、減衰器、46dBの電圧利得を有する第2の小信号増幅器、減衰器、ダイオードリミッター、55dBの電圧利得を有する第3の小信号増幅器の順に接続されている。第3の小信号増幅器の出力がデジタルオシロスコープに入力されている。
図14は、実施例3において、被測定物体23である半導体のGaAs結晶からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図であり、(a)は超音波波形、(b)は実施例1の特性測定装置で得られた波形、(c)は実施例2の特性測定装置で得られた波形を示している。図14において、横軸は時間(μs)を、縦軸は信号強度(任意目盛)を示している。用いたGaAsは厚さが350μmのノンドープ結晶であり、[110]軸を入射する超音波の波数ベクトルkの向きに合わせた。GaAsは、圧電係数が下記式(7)で表わされる材料である。
図14(a)は通常の超音波エコー信号を示しており、約9.25MHzの高周波パルの励起(0μs)に対して、88μs遅れて超音波エコーが生じることが分かる。
図14(b)から明らかなように、GaAsから発生した電磁波の信号は、上記周期の半分の44μsにおいて、つまり、超音波がGaAsに照射された瞬間に生じていることが分かる。この測定は、図13に示した実施例1の荷電粒子の特性測定装置を用いて行ない、実施例1の小信号増幅器の増幅度を82dBとし、デジタルオシロスコープの積算は200パルス(1秒)とした。GaAsから得られた電磁波のピーク間信号強度(Vp−p)は68μVであった。
図14(c)から明らかなように、GaAsから発生した電磁波の信号は、上記周期の半分の44μsにおいて、超音波がGaAsに照射された瞬間に生じていることが分かる。この測定は、図13に示した実施例2のヘテロダイン検波を用いた特性測定装置により行なったもので、図14(c)で示した場合よりも明瞭な電磁波信号が得られた。
図15(a)は被測定物体がSiの場合であるが信号が検出されないことが分かる。これは、Siが単元素から半導体であるので、圧電特性を示さないことに起因している。
図15(b)及び15(c)は、それぞれ、超音波の波数ベクトルをGaAs結晶の(100)面及び(110)面に平行となるように配置した場合であり、GaAs結晶が超音波により励起されるように配置された場合において、高周波信号が検出できることが分かる(図15(c)参照)。
図15の挿入図から明らかなように、7.60MHzの高周波信号が観測された。この高周波信号は、GaAsの超音波の共振振動波形から発生しており、そのQ(Quality Factor、電圧上昇比とも言う)は約10であった。周波数7.60MHzは、GaAs中の音波の伝播速度である4730m/sを考慮すると、GaAsの厚さ350μmに対応する1/2波長の機械共振に基づくものと推定される。
図16(a)は、実施例4のブタの骨の硬組織からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図である。図16(a)において、横軸は時間(μs)、縦軸は信号強度(任意目盛)を示している。
図16(a)から明らかなように、ブタの骨の硬組織からの電磁波が検出できることが分かる。同様の測定をブタの骨の軟硬組織について行ない、図16(a)と同様に電磁波波形を検出することができた。従来、骨の圧電係数は、イオンスクリーニングにより水中では著しく減衰するということが報告されていた。しかしながら、実施例4に示すように、水中に配置した骨の試料からの電磁波が検出できることが判明した。これは、イオンスクリーニングがMHz帯よりも遅い現象であるので、本願発明のように、約10MHz台の高周波パルスを用いた場合には、無視できるからであると推定される。
図16(b)は、実施例5の木材からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図である。図16(b)において、横軸は時間(μs)、縦軸は信号強度(任意目盛)を示している。図16(b)から明らかなように、木材からの電磁波が検出できることが分かる。この場合、木材の主成分であるセルロースにおいて、セルロース結晶が圧電性を示すので電磁波が生起するものと推定される。
図16(c)は、実施例6のポリプロピレンからの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図16(c)において、横軸は時間(μs)、縦軸は信号強度(任意目盛)を示している。図16(c)から明らかなように、信号は極めて弱いものの、ポリプロピレンからの電磁波が検出できることが分かる。この場合、ポリプロピレンは圧電性であるが、信号が弱いので、結晶化した粒界(グレイン)から電磁波が発生していると推定される。
図16(d)は、実施例7のアルミニウムからの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図16(d)において、横軸は時間(μs)、縦軸は信号強度(任意目盛)を示している。図16(d)から明らかなように、アルミニウムからは非常に強い電磁波が検出できることが分かる。アルミニウムの場合には、縦波の音響モードが、ポテンシャル変形の相互作用を介して価電子帯の底を変調し、この作用で伝導電子に変位を繰り返し与えることにより電磁波が発生すると推定される。
図17は、実施例9のフェライト磁石からの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図17において、横軸は時間(μs)を、左縦軸は検出された8MHzの高周波信号強度(任意目盛)を示し、右縦軸は検出された超音波のエコー信号強度(任意目盛)を示している。音波が試料に到達する前の時間領域においては、電磁波のノイズレベルは小さいが、音波が被測定物体に到達後、長時間に亘って電磁波の背景レベルが増大していることがわかる。これは、一度フェライト内部に侵入した音波が、被測定物体内部で反射を練り返していることを示唆している。その結果、音波パルスの照射よりもはるかに長時間に渡って電磁波を放射し続けていると推測される。このように実施例9からは、被測定物体が磁性材料の場合にも、音波誘起電磁波が検出できることが判明した。
従って、被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化を測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。このため、物体中の荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の特性値の変化を測定することができるので、生体、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は、上記材料からなる構造物または機能デバイスにおけるこれらの特性値の変化が関連した現象の解明に役立てることができる。特に、脳の活動部位の特定に用いれば、極めて高い位置分解能で脳の活動部位を特定できるので、極めて有用である。
2:音波集束部分
3:正の荷電粒子
4:負の荷電粒子
5:音波の振動方向
6:音波によって誘起される電磁波
21:音波誘起電磁波による物体の特性測定装置
22:電波暗室
23:被測定物体
23a:音波集束部分
24:保持台
25:音波発生器
26:音波
27:電磁波
28:アンテナ(アレイ型アンテナ又はアレイ型コイル)
28a:要素アンテナ
29,30,50,52,60,65,75,76:制御・測定・演算部
31:RF発振器
31a:RF信号
31b:パルス信号
32:ゲートスイッチ
33:パルス発生器
34:増幅器
35:小信号増幅器
36:ミキサー
37:位相調整器
38:増幅器
39:ローパスフィルター
40:デジタルオシロスコープ
41:パソコン
42,62,68,78:信号線
43:音波励起による電磁波の時間緩和波形
51,61,77:ロックインアンプ
54:広帯域音波パルス
55,57:バンドパスフィルター
66:ゲートパルス
67:スペクトラムアナライザー
69:音波発生用パルス
Claims (18)
- 被測定物体に音波が集束するように前記音波を照射する音波発生器と、
前記被測定物体から発生する電磁波を受信する、前記被測定物体を取り囲むアンテナ又はコイルと、
前記音波発生器を駆動・制御して、前記被測定物体の2次元面又は3次元体積に亘って前記音波の集束位置を走査するか、又は、前記音波発生器を前記被測定物体の周りに機械的に走査し、且つ、前記アンテナ又は前記コイルが受信した前記電磁波を測定及び演算することにより、前記電磁波の強度、位相、及び周波数特性の群から選択される1つ又は複数の特性から、
前記被測定物体の、
電場、
誘電率、
電場又は誘電率の空間勾配、及び
前記被測定物体の有する荷電粒子の濃度、質量、寸法、形状、又は荷電数、あるいは前記荷電粒子と前記荷電粒子を囲む媒体との相互作用
の群から選択される1つ又は複数の値の変化である電気特性を測定する制御・測定・演算部と、を備える、
音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記音波発生器は、一つ又は複数の音波発生器、あるいは曲面の法線が一点に集束する凹曲面に固定された複数の音波発生器からなる、
請求項1に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記制御・測定・演算部は、前記アンテナ又はコイルの受信した前記電磁波を、前記音波の周波数でヘテロダイン検波又は位相検波する手段と、前記検波した電磁波信号を、前記音波パルスのパルス周期の周波数でロックイン検出する手段と、を有する、
請求項1に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記制御・測定・演算部は、前記音波発生器から広帯域超短パルスを発生させると共に、前記アンテナ又は前記コイルの受信した前記電磁波の周波数を測定する手段を有する、
請求項1に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記電磁波の周波数を測定する手段は、バンドパスフィルター、ロックインアンプ、スペクトラムアナライザーの群から選択される1つまたは複数の手段である、
請求項4に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記被測定物体が、生体の脳を代表とする神経組織又は生体の筋組織であり、
前記電気特性が、ニューロンの活動に伴って形成される電荷分布又は筋組織の収縮に伴って形成される電荷分布であり、かつ
前記電気特性により、活動した前記ニューロン又は活動した前記筋組織の部位を特定する、
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記被測定物体は、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は、前記材料からなる構造物または機能デバイスである、
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 前記制御・測定・演算部は、磁場を検出するSQUIDを備えている、
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。 - 被測定物体に音波が集束するように前記音波を照射し、
前記被測定物体から発生する電磁波を、前記被測定物体を取り囲むアンテナ又はコイルを用いて受信し、
前記被測定物体の2次元面又は3次元体積に亘って前記音波の集束位置を走査し、
前記電磁波の強度、位相、及び周波数特性の群から選択される1つ又は複数の特性から、前記被測定物体の、
電場、
誘電率、
電場又は誘電率の空間勾配、及び
前記被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、又は荷電数、あるいは前記荷電粒子と前記荷電粒子を囲む媒体との相互作用
の群から選択される1つ又は複数の値の変化である電気特性を測定する、
音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記音波パルスの照射後に検出される電磁波の強度の時間依存性を測定することにより、前記被測定物体の有する荷電粒子の特性値の緩和特性を測定する、
請求項9に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記電磁波の測定は、前記被測定物体から放射される電磁波を、前記音波の周波数を参照信号としたヘテロイダイン検波法又は位相検波法により測定する、
請求項9に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記電磁波の測定は、前記被測定物体の部分から放射される前記電磁波を、前記音波パルスの周波数を参照信号としてヘテロイダイン検波又は位相検波し、
前記検波した信号を前記音波パルスのパルス周期の周波数でヘテロイダイン検波又は位相検波して測定する、
請求項9に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記位相検波の位相情報から、前記電磁波の信号の起源が前記被測定物体の有する、正の荷電粒子によるものか又は負の荷電粒子によるものかを判定する、
請求項11又は請求項12に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記音波パルスの発生源と前記被測定物体との間の距離を前記音波パルスが伝搬する時間が前記音波パルスの継続時間よりも長くなるように、前記被測定物体に前記音波パルスを照射し、
前記音波パルスの発生源が発生する電磁波ノイズから、前記被測定物体から発生する前記電磁波の信号を時間的に分離することにより、前記被測定物体から発生する前記電磁波を受信する、
請求項9乃至請求項13のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記被測定物体の所望の部分へ所望の方向から前記音波を集束し、且つ、前記被測定物体の所望の位置から所望の方向に放射する前記電磁波を測定すると共に、前記電磁波の放射方位分布を測定する、
請求項9乃至請求項14のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記走査位置と測定した前記電磁波の強度とを対応させることにより、前記荷電粒子の特性値の変化の2次元又は3次元分布を測定する、
請求項15に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記音波は複数の周波数成分から成る広帯域超短パルスであり、前記電磁波の周波数を測定し、前記電磁波の周波数から電磁波を発生する荷電粒子の位置の深さ方向の情報を得る、
請求項9又は請求項10に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。 - 前記被測定物体は、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は、前記材料からなる構造物または機能デバイスである、
請求項9乃至請求項17のいずれか1項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
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