JP6678985B2 - 診断装置 - Google Patents

Description

本発明は診断装置に係り、特に体内の異常細胞や骨折の診断等に用いるのに好適な、マイクロ波を用いた診断装置に関する。

乳癌は女性の癌の中で最も罹患率が高く、年々増加の傾向にある。早期発見・治療が重要であることはいうまでもなく、従来のＸ線マンモグラフィ、超音波診断に代わる大人数を対象としたスクリーニング手段が必要であり、最近では、マイクロ波を用いたマンモグラフィの研究が活発に行われている。

本発明者は、既に、高分解能でアーチファクトの少ない広帯域ビームフォーミングアルゴリズムを適用したマルチスタティック超高帯域（ＵＷＢ）レーダベースのマイクロ波マンモグラフィを提案した（特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたマイクロ波マンモグラフィは、半球状の内壁面を有する容器、及び内壁面に沿って配置され、被測定対象部位の電気的測定をする複数のアンテナを有するプローブアレイと、被測定対象部位の全体をプローブアレイで覆い、内壁面に被測定対象部位の皮膚を密着させ、被測定対象部位とプローブアレイとの相対的位置を固定する固定手段と、複数のアンテナを制御して電気的測定を実行し、電気的測定によるデータを解析して、被測定対象部位中の異常細胞を検出する測定制御解析手段とを備える。特許文献１に記載された発明は、臨床試験に適用され、直径１．２ｃｍの初期癌や、Ｘ線マンモグラフィでは見分けが困難な直径１．５ｃｍの非浸潤性乳癌のイメージングに成功している。

しかし、皮膚に近い病変からの反射応答は強く、反対側の応答は弱くなるのでＵＷＢレーダでは病変の形を正確に再現することは困難である。一方、乳房には乳癌のほか、乳腺症、のう胞などの別の疾患があり、これを見分けて診断を確定できる診断装置が求められている。ＵＷＢレーダで病変の有無は検出できるが、その病変が何であるかを特定することはできない。

乳房組織の導電率（電気伝導度）等の電気的特性の不均一性を測定することにより、逆問題として癌を検出する手法としてマイクロ波トモグラフィが提案されている。マイクロ波トモグラフィにおいては、異なる位置からマイクロ波が乳房に送信され、マイクロ波の散乱信号が乳房の周囲に配列されたアンテナによって収集される。癌細胞は、高い水分含有量を持っており、正常組織よりも強い散乱体であるため、悪性組織があるとマイクロ波の散乱信号に変化が生じる。マイクロ波により測定された電気信号は、含水量、温度や血管新生などの生理的パラメータに敏感であるので、撮像体としての乳房組織の電気定数分布に対応した病変の形が、逆問題を解析することにより、再現できると期待されている。

このマイクロ波トモグラフィで精緻な画像を、逆問題を解析して再構成するためには、多くの観察データが必要である。そのため、複数の周波数を使って観察データを増やす方法が提案されている。複数の周波数を使ったマイクロ波トモグラフィでも、実際の実測データと仮定した電気定数分布での逆問題解析に基づく理論値データの誤差を最小化することによって画像回復を行っている。

しかしながら、複数の周波数を使ったマイクロ波トモグラフィでは、複数の周波数を使うため、広帯域アンテナによって得られた観測データを、逆問題を解析することが必要になるが、現実の広帯域アンテナの製造技術上の誤差を考慮すれば、広帯域アンテナによって得られた観測データを精度良く計算器シミュレーションによって再現することは困難である。よって、従来のマイクロ波トモグラフィによる診断装置では、被測定対象部位の電気定数の分布を精度よく再現できないという問題があった。

そこで、本発明者は、既に、被測定対象部位の電気定数の分布を逆問題により精度よく回復できるマイクロ波マンモグラフィを提案した（特許文献２参照。）。特許文献２に記載されたマイクロ波マンモグラフィは、選択された特定のアンテナユニットからマイクロ波を送信して、該マイクロ波を被測定対象部位に照射し、且つ、被測定対象部位を透過、被測定対象部位から反射又は散乱されたマイクロ波を受信する、特定のアンテナユニットを含む複数のアンテナユニットの配列からなるアンテナアレイと、特定のアンテナユニットから送信されるマイクロ波の偏波を制御して送信する送信手段、複数のアンテナユニットが受信するそれぞれのマイクロ波の偏波を制御して受信する受信手段を有し、送信手段から特定のアンテナユニットへの接続、複数のアンテナユニットから受信手段への接続及び偏波を切り替えて、偏波ダイバーシチを制御する偏波ダイバーシチ制御手段と、送信手段が受信した複数のアンテナユニットからの電気信号により逆問題を解析し、再構成された被測定対象部位の電気定数の分布を画像表示する画像処理ユニットとを備え、トモグラフィ処理を実行する。

上記特許文献２に記載の偏波ダイバーシチを実行する手法によれば、観測データを増やすことができ、多様な観測データが得られるので、被測定対象部位の電気定数の分布を逆問題により精度よく回復できる。しかしながら、偏波ダイバーシチを実行すると計算コストが増大する。

特許第５６０５７８３号公報 特開２０１４−１９８０６７号公報

本発明は、計算コストを増大させずに多様な観測データを得ることができ、被測定対象部位の電気定数の分布を精度よく、逆問題として再現可能な診断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、本発明の態様は、（ａ）複数のアンテナユニットの配列からなり、複数のアンテナユニットのそれぞれの放射素子中を流れる電流の励振方向が互いに異なるアンテナアレイと、（ｂ）複数のアンテナユニットのそれぞれを逐次選択して、その選択されたアンテナユニットを介してマイクロ波を送信して、そのマイクロ波を被測定対象部位に照射する送信手段と、（ｃ）被測定対象部位を透過、被測定対象部位から反射又は散乱されたマイクロ波を選択されたアンテナユニットを含む複数のアンテナユニットでそれぞれ受信する受信手段と、（ｄ）受信手段が受信した複数のアンテナユニットからの電気信号により逆問題を解析して被測定対象部位の電気定数の分布を再構成し、再構成された電気定数の分布を画像表示する画像処理ユニットと、を備える診断装置であることを要旨とする。本発明の態様に係る診断装置においては、単一もしくは比較的狭帯域の周波数でトモグラフィが実行される。

本発明によれば、計算コストを増大させずに多様な観測データを得ることができ、被測定対象部位の電気定数の分布を精度よく、逆問題として再現可能な診断装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る診断装置の一態様としての実装容器、排気管及び減圧装置とともに、複数のアンテナユニットの配列からなるアンテナアレイを示す模式的な鳥瞰図である。 本発明の実施形態に係る診断装置に用いられるアンテナアレイの配置を、図１に示した実装容器の展開図によってより詳細に説明する模式図である。 図４に示す断面図の切断面を示す模式的な鳥瞰図である。 本発明の実施形態に係る診断装置に用いられる空間充填部材の概略構造を説明する断面図である。 図５（ａ）は、本発明の実施形態に係る診断装置に用いられるアンテナユニットの一例を示す上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したアンテナユニットの下面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）に示したアンテナユニットのＡ−Ａ方向の切断面の断面図である。 本発明の実施形態に係る診断装置に用いられるアンテナアレイの実装容器の上面（天井面）における配置例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る診断装置に用いられるアンテナアレイの実装容器の一側面における配置例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る診断装置におけるマイクロ波トモグラフィに必要な主要部を模式的に説明するブロック図である。 本発明の実施形態に係る診断装置に用いられる画像処理ユニットの主要部を模式的に説明するブロック図である。 第１の実施例におけるアンテナアレイの実装容器の上面（天井面）における配置例を示す模式図である。 第１の実施例におけるアンテナアレイの実装容器の４側面における配置例を示す模式図である。 第１の実施例における画像回復プログラムのフローチャートである。 第１の実施例におけるシミュレーション条件を示す表である。 図１４（ａ）は、第１の実施例における比誘電率のシミュレーション結果を示すグラフであり、図１４（ｂ）は、第１の実施例における導電率のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５（ａ）は、第２の実施例（多偏波）と比較するための第１の比較例（垂直偏波）の実装容器を示す斜視図であり、図１５（ｂ）は、第２の実施例と比較するための第２の比較例（水平偏波）の実装容器の一側面を示す模式図であり、図１５（ｃ）は、第２の実施例の実装容器の一側面を示す模式図である。 第２の実施例の各部位の観測点における散乱界への寄与を説明するための概略図である。 図１７（ａ）は、第２の実施例における乳房モデルの構成を示す概略図であり、図１７（ｂ）は、第２の実施例におけるボクセルへの電気定数の割り当てを示す概略図である。 第２の実施例における乳房モデルの誘電特性を示す表である。 図１９（ａ）は、第２の実施例における乳房モデル１の設定モデルの誘電率の分布を示すグラフであり、図１９（ｂ）は、第２の実施例における乳房モデル１の設定モデルの導電率の分布を示すグラフである。 図２０（ａ）は、第１の比較例の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２０（ｂ）は、第１の比較例の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２１（ａ）は、第２の比較例の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２１（ｂ）は、第２の比較例の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２２（ａ）は、第２の実施例の乳房モデル１の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２２（ｂ）は、第２の実施例の乳房モデル１の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２３（ａ）は、第２の実施例の乳房モデル１の比誘電率の分布を、設定モデル、第１の比較例及び第２の比較例とともに示す再構成画像であり、図２３（ｂ）は、第２の実施例の乳房モデル１の導電率の分布を、設定モデル、第１の比較例及び第２の比較例とともに示す再構成画像である。 図２４（ａ）は、第２の実施例における乳房モデル２の設定モデルの誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２４（ｂ）は、第２の実施例における乳房モデル２の設定モデルの導電率の分布を示す再構成画像である。 図２５（ａ）は、第２の実施例（多偏波）と比較するための第３の比較例（垂直偏波）の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２５（ｂ）は、第３の比較例の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２６（ａ）は、第２の実施例と比較するための第４の比較例（水平偏波）の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２６（ｂ）は、第４の比較例の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２７（ａ）は、第２の実施例の乳房モデル２の誘電率の分布を示す再構成画像であり、図２７（ｂ）は、第２の実施例の乳房モデル２の導電率の分布を示す再構成画像である。 図２８（ａ）は、第２の実施例の乳房モデル２の比誘電率の分布を、設定モデル、第３の比較例及び第４の比較例とともに示すグラフであり、図２８（ｂ）は、第２の実施例の乳房モデル２の導電率の分布を、設定モデル、第３の比較例及び第４の比較例とともに示すグラフである。 図２９（ａ）は、第２の実施例の乳房モデル１の収束曲線を、第１及び第２の比較例とともに示すグラフであり、図２９（ｂ）は、第２の実施例の乳房モデル２の収束曲線を、第３及び第４の比較例とともに示すグラフである。 第２の実施例の乳房モデル１，２における逆行列の条件数を示す表である。 図３１（ａ）は、第３の比較例の条件数を示すグラフであり、図３１（ｂ）は、第４の比較例の条件数を示すグラフであり、図３１（ｃ）は、第２の実施例の乳房モデル２の条件数を示すグラフである。 ダブルメッシュを用いた再構成アルゴリズムのフローチャートである。 第３の実施例におけるアンテナアレイの配置例を示す模式図である。 図３４（ａ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後の微細メッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３４（ｂ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後の微細メッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。 図３５（ａ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後の粗いメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３５（ｂ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後の粗いメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。 図３６（ａ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後のダブルメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３６（ｂ）は、第３の実施例の１００回繰り返し後のダブルメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。 図３７（ａ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後の微細メッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３７（ｂ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後の微細メッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。 図３８（ａ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後の粗いメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３８（ｂ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後の粗いメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。 図３９（ａ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後のダブルメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像であり、図３９（ｂ）は、第３の実施例の４００回繰り返し後のダブルメッシュによる比誘電率の分布を示す再構成画像である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、被測定対象部位が人間の乳房である場合について説明するが、被測定対象部位は頭部等他の部位でも構わない。又、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、例えば、実装容器は直方体に限定されるものではなく、６角柱や８角柱等他の多面体構造でも構わない。ただし解析の容易性を考慮すると直交系の面を有する場合の方が好ましい。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る診断装置は、図１に示すように、直方体の外形をなし、直方体の上面の中央部近傍に貫通孔３を設けた実装容器１と、この実装容器１に設けられた貫通孔３に一方の端部を連結したチューブ状の排気管４と、この排気管４の他方に連結したアスピレータや真空ポンプ等の減圧装置５とを備えている。直方体の実装容器１の内壁面をなす上面（天井面）には、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２が配列されるとともに、実装容器１の内壁面をなす４つの側壁面には、複数のアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_３６が配列されて、アンテナアレイを構成している（図１で隠れた２つの側壁面に配列された複数のアンテナユニットＡ_２５〜Ａ_３６は図示を省略している）。

アンテナユニットを構成する複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６は、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のそれぞれの放射素子中を流れる電流の励振方向が互いに異なるように配列されている。本発明の実施形態においては、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６がダイポールアンテナで構成される場合を一例として説明する。

図２は図１の実装容器１の展開図であり、中央に貫通孔３が設けられた正方形の上面（天井面）１_ｔｏｐの周囲に、それぞれ長方形の平板をなす第１の側壁面１_ｓ１、第２の側壁面１_ｓ２、第３の側壁面１_ｓ３、第４の側壁面１_ｓ４が連結されたトポロジーを示している。図１及び図２に示すように、第１の側壁面１_ｓ１及び第３の側壁面１_ｓ３の法線方向をＸ軸方向とし、第２の側壁面１_ｓ２及び第４の側壁面１_ｓ４の法線方向をＹ軸方向とし、天井面１_ｔｏｐの法線方向をＺ軸方向と定義する。また、図１及び図２において、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を矩形の破線で模式的に示し、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の送受する電磁波の偏波面の方向を矩形内の破線で模式的に示している。

図２に示すように、実装容器１の天井面１_ｔｏｐには、第３の側壁面１_ｓ３側から数えて１段目に２個のアンテナユニットＡ_１，Ａ_２が配置され、２段目に４個のアンテナユニットＡ_３〜Ａ_６が配置され、３段目に４個のアンテナユニットＡ_７〜Ａ_１０が配置され、４段目に２個のアンテナユニットＡ_１１，Ａ_１２が配置され、全部で１２個のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２がマトリックス状に配置されている。図１及び図２に示すように、アンテナユニットＡ_１，Ａ_３，Ａ_５，Ａ_８，Ａ_１０，Ａ_１２の送受する電磁波の偏波面の方向はＸ軸方向に平行であり、アンテナユニットＡ_１，Ａ_３，Ａ_５，Ａ_８，Ａ_１０，Ａ_１２と隣り合うアンテナユニットＡ_２，Ａ_４，Ａ_６，Ａ_７，Ａ_９，Ａ_１１の送受する電磁波の偏波面の方向はＹ軸方向に平行である。

図１及び図２に示すように、第１の側壁面１_ｓ１の上段には３個のアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１５が配置され、第１の側壁面１_ｓ１の下段には３個のアンテナユニットＡ_１６〜Ａ_１８が配置され、全部で２×３＝６個のアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８がマトリックス状に配置されている。アンテナユニットＡ_１３，Ａ_１５，Ａ_１７の送受する電磁波の偏波面の方向はＹ軸方向に平行であり、アンテナユニットＡ_１３，Ａ_１５，Ａ_１７と隣り合うアンテナユニットＡ_１４，Ａ_１６，Ａ_１８の送受する電磁波の偏波面の方向はＺ軸方向に平行である。

第２の側壁面１_ｓ２の上段には３個のアンテナユニットＡ_１９〜Ａ_２１が配置され、第２の側壁面１_ｓ２の下段には３個のアンテナユニットＡ_２２〜Ａ_２４が配置され、全部で２×３＝６個のアンテナユニットＡ_１９〜Ａ_２４がマトリックス状に配置されている。アンテナユニットＡ_１９，Ａ_２１，Ａ_２３の送受する電磁波の偏波面の方向はＹ軸方向に平行であり、アンテナユニットＡ_１９，Ａ_２１，Ａ_２３と隣り合うアンテナユニットＡ_２０，Ａ_２２，Ａ_２４の送受する電磁波の偏波面の方向はＸ軸方向に平行である。

図２に示すように、第３の側壁面１_ｓ３の上段には３個のアンテナユニットＡ_２５〜Ａ_２７が配置され、第３の側壁面１_ｓ３の下段には３個のアンテナユニットＡ_２８〜Ａ_３０が配置され、全部で２×３＝６個のアンテナユニットＡ_２５〜Ａ_３０がマトリックス状に配置されている。アンテナユニットＡ_２５，Ａ_２７，Ａ_２９の送受する電磁波の偏波面の方向はＹ軸方向に平行であり、アンテナユニットＡ_２５，Ａ_２７，Ａ_２９と隣り合うアンテナユニットＡ_２６，Ａ_２８，Ａ_３０の送受する電磁波の偏波面の方向はＺ軸方向に平行である。

第４の側壁面１_ｓ４の上段には３個のアンテナユニットＡ_３１〜Ａ_３３が配置され、第４の側壁面１_ｓ４の下段には３個のアンテナユニットＡ_３４〜Ａ_３６が配置され、全部で２×３＝６個のアンテナユニットＡ_３１〜Ａ_３６がマトリックス状に配置されている。アンテナユニットＡ_３１，Ａ_３３，Ａ_３５の送受する電磁波の偏波面の方向はＺ軸方向に平行であり、アンテナユニットＡ_３１，Ａ_３３，Ａ_３５と隣り合うアンテナユニットＡ_３２，Ａ_３４，Ａ_３６の送受する電磁波の偏波面の方向はＸ軸方向に平行である。この結果、天井面１_ｔｏｐ、第１の側壁面１_ｓ１、第２の側壁面１_ｓ２、第３の側壁面１_ｓ３及び第４の側壁面１_ｓ４の合計では、１２＋６×４＝３６個のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６が配置され、アンテナアレイを構成している。

図３も図１と等価な、内壁面をなす４つの側壁面及び上面に複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を配列した実装容器１を示すが、図３の実装容器１の上面の貫通孔３を、第１の側壁面１_ｓ１に平行に切る切断面Ｃで切った断面図が図４（ａ）である。図４（ａ）に示すように、実装容器１の内側には、図４（ｂ）に示す被測定対象部位６となる乳房に近い比誘電率ε_ｒを有する材料で構成された空間充填部材２が収納されている。ここで「乳房に近い比誘電率」とは乳房の比誘電率ε_ｒの±２０％の範囲に入る程度の比誘電率ε_ｒの値を意味する。この空間充填部材２の下面側には、図４（ａ）に示すように、被測定対象部位６の表面となる乳房の皮膚面を密着させ、被測定対象部位６の全体を収容可能な凹部１ｘが設けられている。空間充填部材２は更にこの凹部１ｘから上面まで貫通する貫通孔３が中央近傍に設けられている。空間充填部材２は、この貫通孔３を介して、図１に示す排気管４及びこの排気管４に連結した減圧装置５によって排気することにより、被測定対象部位６を吸引し、図４（ｂ）に示すように、被測定対象部位６の表面を空間充填部材２の凹部１ｘの内壁面に密着させることができる。

図１及び図２に示したアンテナユニットＡ_１は、例えば図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、誘電体基板５０に金属膜からなる一対の放射素子（ダイポール）５１，５２のパターンがプリント配線されたダイポールアンテナ（プリント板ダイポール）である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では便宜的に、誘電体基板５０の紙面奥側の部材を破線で示している。例えば、放射素子５１は、誘電体基板５０の主面（表面）に設けられ、放射素子５２は、誘電体基板５０の放射素子５１が設けられた主面とは反対側の主面（裏面）に設けられている。放射素子５１，５２の軸方向の全長は例えば波長の約１／２倍程度である。

放射素子５１は、マイクロストリップ線（給電線路）５３の一端にＬ字型を形成するように接続され、マイクロストリップ線５３の他端は図示を省略した同軸コネクタの芯線（内部導体）に電気的に接続される。放射素子５２は、マイクロストリップ線５４を介してグラウンド導体部５６に接続されている。グラウンド導体部５６は図示を省略した同軸コネクタの外部導体（網組み銅線）に電気的に接続される。放射素子５１，５２、マイクロストリップ線５３，５４及びグラウンド導体部５６は銅箔等の金属膜からなり、誘電体基板５０にプリント配線されて形成されている。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したプリント板ダイポールでは、マイクロストリップ線５３に給電し、マイクロストリップ線５４を接地することにより、直線偏波の電磁波が発生する。電磁波を構成する電界の振動方向（偏波面の方向）は、放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向と平行であり、放射素子５１，５２の軸方向に平行である。図１及び図２に示した複数のアンテナユニットＡ_２〜Ａ_３６も、アンテナユニットＡ１と同様の構成を有する。

図６に示すように、実装容器１の上面（天井面）１_ｔｏｐに位置するアンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２は、放射素子５１，５２の軸方向が互いに２種類に異なるようにプリント板の主面を直交させて配列されている。アンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２は放射素子５１，５２を下側（実装容器１の内側）に向けて配置されている。例えば、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２のそれぞれの放射素子５１，５２は同一平面Ｓ１上に位置し、同一の水平レベルに位置する。

図７に示すように、実装容器１の第１の側壁面１_ｓ１に位置するアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８は、放射素子５１，５２の軸方向が互いに２種類に異なるようにプリント板の主面を直交させて配列されている。アンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８は放射素子５１，５２を実装容器１の内側に向けて配置されている。例えば、アンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８のそれぞれの放射素子５１，５２は同一平面Ｓ２上に位置する。図１及び図２に示した第２の側壁面１_ｓ２に位置するアンテナユニットＡ_１９〜Ａ_２４、第３の側壁面１_ｓ３に位置するアンテナユニットＡ_２５〜Ａ_３０、第４の側壁面１_ｓ４に位置するアンテナユニットＡ_３１〜Ａ_３６も、図７に示した第１の側壁面１_ｓ１に位置するアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８と同様に配列されている。

このように、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６は、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のそれぞれの放射素子５１，５２の軸方向を互いに異ならせて、放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに異ならせている。したがって、偏波面の方向が互いに異なる複数の偏波（多偏波）を発生させることができ、多様な観測データを得ることができる。

また、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６が、軸方向が互いに直交する放射素子５１，５２のセットを単位として集合を構成する。そして、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６であるプリント板ダイポールが互いに面方向が直交するプリント板のセットを単位として、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の集合が構成されているため、計算コストがより低減できる。更に、プリント板のそれぞれが矩形の平面パターンを有し、プリント板のそれぞれに形成された放射素子５１，５２が矩形の辺と平行な方向を軸方向として直線状に延伸する。したがって、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６として曲面や斜線を使っていないプリント板ダイポールを用いるので、粗いボクセル精度でも精度よくモデル化でき、モデル化誤差と計算精度に有利である。また、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２の軸方向をそれぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向に平行となるように異ならせて配列することが計算コストを低減できるため好ましい。また、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２が配置されている側が実装容器１の内側を向き、放射素子５１，５２からマイクロストリップ線５３，５４が延伸する側が実装容器１の外側を向くことにより、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６と同軸ケーブルとの接続が容易となるため好ましい。

図１〜図４で説明したような実装容器１及び実装容器１の内側に収納された空間充填部材２を用いた構成に加え、本発明の実施形態に係る診断装置は、図８に示すように、実装容器１の内壁面をなす４つの互いに直交する側壁面に配列された複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を逐次選択して電気信号を送信する送信手段１１と、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を選択して電気信号を受信する受信手段１２とを備えている。

即ち、本発明の実施形態に係る診断装置は、被測定対象部位６の表面を被測定対象部位６に近い比誘電率ε_ｒを有する材料で構成された空間充填部材２に密着させた状態において、送信手段１１を駆動し、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を選択して電気信号を送信し、マイクロ波を空間充填部材２を透過して被測定対象部位６に照射する。前述したとおり、ここで「被測定対象部位に近い比誘電率」とは被測定対象部位６の比誘電率ε_ｒの±２０％の範囲に入る程度の比誘電率ε_ｒの値を意味する。一方、受信手段１２を駆動し、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を選択し、被測定対象部位６を透過、被測定対象部位６から反射又は散乱されたマイクロ波を受信する。

図８に示すように、本発明の実施形態に係る診断装置は、受信手段１２が受信した電気信号から被測定対象部位６の比誘電率ε_ｒ及び導電率σの分布の画像を再構成する逆問題を、マトリックス演算により解析し、得られた３次元画像を表示させる画像処理ユニット１３と、送信手段１１、受信手段１２及び画像処理ユニット１３の動作を制御するプロセッサ等の制御手段１９と、送信手段１１から複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６への接続、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６から受信手段１２への接続を切り替える切替手段（電子スイッチ）２５と、を更に備える。

送信手段１１は、送信用の電流を３６個のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のうちの１つのアンテナを選択して供給する３６個の出力端子を備える。受信手段１２は、３６個のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のそれぞれから信号を受信する３６個の入力端子を備える。切替手段２５を構成する電子スイッチにはｐｉｎダイオードスイッチのような高周波用スイッチが使用可能である。

本発明の実施形態に係る診断装置によれば、空間充填部材２を、被測定対象部位６としての乳房の全体を覆うようにかぶせて使用し、アンテナアレイから出射されるマイクロ波を用いて、画像処理ユニット１３によって、比誘電率ε_ｒ及び導電率σの分布を画像表示させることにより、初期乳癌のスクリーニングを行うことができる。このため、図４（ａ）に示した空間充填部材２の下面の凹部１ｘとしては、異なる半径の半球状の凹部１ｘを複数用意しておき、空間充填部材２が乳房の全体を覆うように、個人差による乳房の大きさに応じて選択可能なように構成するのが好ましい。図４（ａ）に示すような構造にすれば、被測定対象部位６としての乳房を整合液で濡らすことはなく、又被測定対象部位６としての乳房の３次元形状を測定する必要もない。

本発明の実施形態に係る診断装置においては、図５に示す複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のうちの１つのアンテナを選択して電磁波（マイクロ波）を送信し、送信に用いたアンテナを含むすべてのアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６で被測定対象部位６による散乱波を受信して記録する。送信に用いるアンテナを順次選択し、実測データ群Ｘ_ｎｎ（ｎ＝１，……，Ｎ）を逐次作成する。Ｎは実測データの総数を示すが、３６個のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を用いると、観察データの総数は３６×３６＝１２９６個となる。

画像処理ユニット１３は、図９に示すように、被測定対象部位６をＭ個の小区画に分割し、Ｍ個の小区画にそれぞれ適当な電気定数を割り当てて電気定数分布を初期化する電気定数分布初期化手段１３１と、電気定数分布初期化手段１３１が出力した理論値の計算結果Ｙ_ｎｎ（ｎ＝１，……，Ｎ）を格納する計算結果記憶装置１３２と、ヤコビアン（ヤコビ行列）Ｄを計算するヤコビアン計算手段１３３と、初期化した電気定数分布に対し修正値を繰り返し更新する繰り返し更新手段１３４と、受信手段１２から入力される実測データＸ_ｎｎを格納する測定データ記憶装置１３５と、理論値データＹ_ｎｎと実測データＸ_ｎｎの差Δｂ＝Ｘ_ｎｎ−Ｙ_ｎｎを求める比較手段１３６と、この比較手段１３６が求めた差ΔｂとヤコビアンＤを用い、電気定数分布の更新量を最小自乗法によって定める最小自乗解計算手段１３７等を備えている演算処理装置（プロセッサ）である。

図示を省略しているが、図９に示す画像処理ユニット１３には、更に、操作者からの初期値のデータや命令などの入力を受け付ける入力部と、解析された電気定数分布の結果を出力する出力部や表示部、画像処理ユニット１３の解析に必要な所定のデータなどを格納したデータ記憶部や、計算機トモグラフィにおける逆問題を解くマトリックス演算に必要なプログラムなどを格納したプログラム記憶部等も含まれている。これらの図示を省略した入力部、出力部、表示部、データ記憶部、プログラム記憶部等は、図８に示す制御手段１９と共通のハードウェア構成としてもよい。

図９に示す画像処理ユニット１３は、逆問題をマトリックス演算によって解いて、被測定対象部位６中の電気定数分布の３次元画像を再構成する。そのために、先ず、電気定数分布初期化手段１３１を用いて、被測定対象部位６をＭ個の小区画に分割し、Ｍ個の小区画にそれぞれ適当な誘電率ε_ｒと導電率σを割り当てて初期化して、理論値データＹ_ｎｎを計算する。３次元モデルの場合、Ｎ個の未知数に対し、３Ｍ個の連立方程式がたてられる。初期化状態で得られる理論値データＹ_ｎｎは、計算結果記憶装置１３２に格納される。このとき、ヤコビアン計算手段１３３が３Ｍ個の連立方程式のヤコビアンＤを計算する。ヤコビアンＤは３次元モデルの場合、３Ｍ個の連立方程式がたてられるのでＣ^Ｎ×３Ｍの行列式となる。

実施形態に係る診断装置において、導電率ε、比誘電率σの3次元分布は、例えばニュートン法とひずみボルン近似（ＤＢＩＭ）を用いて求めることができる。ひずみボルン近似を用いると、散乱界ｅ^ｓと導電率ε、比誘電率σの関係は次の式（１）〜（４）で表される：

ここで、Ｒ_ｅは実部、Ｉ_ｍは虚部、ε_bは背景の誘電率、σ_bは背景の導電率を表す。Ｍは乳房内を離散化したボクセルの数、Ｆは複素誘電率、

は受信アンテナ位置ｒ_ｋと乳房内の位置ｒ_ｍに関するダイアディックグリーン関数、

はアンテナｋから放射した時の乳房内の位置ｒ_ｍの電界を示す。式（1）は一般に悪条件問題で行と列数も異なるので、正規方程式に変換した後、チーホノフ正則化を適用し、Δε_ｍ＝ε_ｍ−ε_ｍ ^ｂとΔσ_ｍ＝σ_ｍ−σ_ｍ ^ｂを求め、比誘電率εと導電率σを更新する。

ここで、初期化した電気定数分布ｘ＝｛σ，ε｝は、繰り返し更新手段１３４において、ニュートン法によって更新量（修正量）Δｘ_ｋを用いて新たな理論推定値ｘ_ｋ＋１が繰り返し更新される：

ｘ_ｋ＋１＝ｘ_ｋ＋Δｘ_ｋ …（５）

ここでｋは繰り返し番号である。

画像回復処理では、繰り返し更新手段１３４が更新した理論値データＹ_ｎｎが計算結果記憶装置１３２に格納され、計算結果記憶装置１３２に格納された理論値データＹ_ｎｎと測定データ記憶装置１３５に格納された実測データＸ_ｎｎの差Δｂ＝Ｘ_ｎｎ−Ｙ_ｎｎを、比較手段１３６が更新の度に逐次計算する。比較手段１３６が計算した差ΔｂとヤコビアンＡを用い、最小自乗解計算手段１３７が、電気定数分布の更新量Δｘ_ｋを非線形最小自乗法によって、更新の度に逐次計算する。

最小自乗解計算手段１３７においては、第ｋ繰り返しでの最小自乗解は以下の式で計算する：

Δｘ_ｋ＝［Ａ^＋Ａ］⁻Ａ^＋Δｂ_ｋ …（６）

＋は共役転置を表す。最小自乗解計算手段１３７においては、解を安定させるためチーホノフの正則化を用いる：

Δｘ_ｋ＝［Ａ^＋Ａ＋ｇｌ］⁻Ａ^＋Δｂ_ｋ …（７）

ここでＩ（∝Ｃ^{３Ｍ×３Ｍ}）は単位行列、ｇは正則化係数で、Ｌカーブ法を用いて求められる。

Ｌカーブ法では、チーホノフの正則化法による近似解のノルムを縦軸に，その残差ノルムを横軸にとり，正則化パラメータを動かすことにより得られるＬ字型の曲線を用い，正則化係数を求めている。更新量Δｘ_ｋが充分小さくなったとき、繰り返し更新手段１３４による新たな理論推定値ｘ_ｋ＋１の更新を打ち切り、繰り返し更新手段１３４が最後に推定した電気定数分布のデータが逆問題の解であると判断する。この逆問題の解であると判断された電気定数分布のデータによって３次元画像が再構成され、３次元画像が図示を省略した表示部に表示される。

本発明の実施形態に係る診断装置によれば、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６のそれぞれの放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向が互いに異なるようにアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を配列することにより、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の送受する電磁波の偏波面を異ならせることができる。したがって、従来のマイクロ波トモグラフィを基礎とする診断装置のように、複数の周波数を使うことなく単一の周波数を用いて、アンテナの数を必要以上増やすことなく、多様な観測データを得ることができる。このため、被測定対象部位の電気定数の分布を精度よく、逆問題として検出する新たなマイクロ波トモグラフィ処理を実行できるという顕著な効果を奏することが可能である。又、複数の周波数を使わないので、精度の高い広帯域アンテナを再現性よく製造する必要がなくなり、診断装置にもちいるセンサとしてのアンテナアレイが簡単且つ安価に製造可能である。更に、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６として曲面や斜線を使っていないプリント板ダイポールを用いることにより、粗いボクセル精度でも精度よくモデル化でき、モデル化誤差と計算精度に有利である。

特に、本発明の実施形態に係る診断装置を乳癌検診に適用すれば、図８のモデル図に示した腺組織（乳腺組織）６_ｇ１，６_ｇ２，６_ｇ３，……，６_ｇ６、腫瘍６_ｔｕ、脂肪組織６_ｆ等を、比誘電率ε_ｒ及び導電率σによって、互いに明確に識別することが可能であるので、乳腺症やのう胞などとの識別が可能な、安価且つ正確なスクリーニングができる診断装置が提供できる。

＜第１の実施例＞
第１の実施例として、実装容器にアンテナユニットが偏波面を異ならせて配置された撮像センサを用いて乳房モデルの再構成画像を生成するシミュレーション結果を説明する。第１の実施例に係る実装容器１は、図１に示したように直方体を有する。実装容器１の凹部を囲むアンテナ開口の大きさは幅９６ｍｍ×長さ９６ｍｍ×高さ４８ｍｍに設定されている。図１０に示すように、実装容器１の上面にはアンテナユニット（プリント板ダイポール）Ａ_１〜Ａ_１２が放射素子５１，５２の軸方向をＸ軸方向とＹ軸方向で異ならせて配列されている。図１１に示すように、実装容器１の４つの側壁面にはそれぞれアンテナユニット（プリント板ダイポール）Ａ_１３〜Ａ_３６が６個ずつ、放射素子５１，５２の軸方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向で異ならせて配列されている。図１０及び図１１に示したアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６は実際には同一の実装容器１に配列されるが、便宜的に分けて示している。図１０及び図１１における半球状の破線は実装容器１の下面側に設けられた凹部（半球空間）１ｘを示す。アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の厚さは０．７５ｍｍ、比誘電率は３．８、誘電損失は０．００２に設定されている。モデル化を容易にするため、すべてのアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２はＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向に平行に設定した直交系を採用している。

アンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６は，脂肪とほぼ同じ誘電率と導電率の樹脂ブロック（空間充填部材）に埋め込まれている。この状態での共振周波数は２ＧＨｚである。図１０及び図１１に破線で示すように、樹脂ブロックの下面には乳房を収める半径４８ｍｍ、高さ４０ｍｍの凹部（半球空間）１ｘが設けられている。さらに、実装容器１の上面には吸引用のバルブが設けられ、乳房を半球状に成形して固定できる。このような構造にすると乳房の形を既知として扱うことができ、逆散乱問題の重要な事前情報となる。

市販のシミュレータはＣＡＤデータから構造を入力でき，正確にセンサをモデル化して電磁界を解析することができる。第１の実施例においては、例えばムラタソフトウェア株式会社製のＦｅｍｔｅｔ（登録商標）が使用可能である。Ｆｅｍｔｅｔ（登録商標）は有限要素法を用いており、ＦＤＴＤ系のシミュレータと異なり、送信アンテナの位置を変えるごとにシミュレーションを実行する必要はない。また、表計算プログラムによるシートとスクリプト言語のプログラムによるマクロ機能が供えられており，数値計算ソフトウェア上で動作する画像再構成アルゴリズムとの連携が比較的容易である。

図１２に有限要素法解析システムを用いた画像再構成プログラムのフローチャートを示す。ステップＳ１１において、数値計算ソフトウェアにおいてパラメータを設定し、ステップＳ１２において、表計算プログラムによるシート及びスクリプト言語のプログラムにパラメータを書き込む。一方、ステップＳ１３において、有限要素法解析システムにおいてモデルを設定する。ステップＳ１４において、表計算プログラムによるシートとスクリプト言語のプログラムからパラメータを読み出し、ステップＳ１５において、有限要素法解析システムで設定されたモデルに対してパラメータを設定する。ステップＳ１６において、設定されたモデル及びパラメータに基づいて、有限要素法解析システムにより電磁界解析を実行する。ステップＳ１７において、有限要素法解析システムにより電磁界解析の結果を出力し、ステップＳ１８において、表計算プログラムによるシート及びスクリプト言語のプログラムにパラメータを書き込む。

ステップＳ１９において、表計算プログラムによるシート及びスクリプト言語のプログラムからパラメータを読み出し、ステップＳ２０において、数値計算ソフトウェアにより、ニュートン法とひずみボルン近似を用いてデータベースのパラメータを更新する。ステップＳ２１において、更新量Δｘ_ｋが十分小さくなり、収束したか判定する。ステップＳ２１において収束したと判定された場合、最後に推定した電気定数分布のデータが逆問題の解であると判断し、この逆問題の解であると判断された電気定数分布のデータによって３次元画像が再構成され、３次元画像（回復結果）が表示部に表示される。一方、ステップＳ２１において収束していないと判定された場合、ステップＳ１１に戻り、更新量Δｘ_ｋを用いてパラメータを再設定する。

第１の実施例では、乳房内を１辺が１２ｍｍの立方体のボクセルに分割した。乳房は、皮膚、脂肪組織及び乳腺組織から構成される。図１３に、乳房を構成する各組織についての比誘電率及び導電率の設定値を示す。乳房を構成するボクセル群のうち、１ボクセルのみに乳腺組織を割り当て、他のボクセルを脂肪組織と仮定してシミュレーションを行った。

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に、５回のイタレーション後の比誘電率と導電率の回復結果を示す。脂肪組織に設定したボクセルの比誘電率と導電率に若干のばらつきは見られるが、乳腺組織に設定したボクセルの比誘電率と導電率は５回のイタレーションでほぼ正確に回復されている。なお、本シミュレーションでは各イタレーションにおけるアンテナのＳパラメータの差に一定の複素係数をかけて散乱界の変化としたが、アンテナ受信点での散乱界の差を用いると、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）のばらつきは完全になくなった。

＜第２の実施例＞
第２の実施例として、実装容器にアンテナユニットがそれぞれの偏波面を異ならせて配置された撮像センサを用いて乳房モデルの再構成画像を生成するシミュレーション結果を、偏波面が同一方向の第１及び第２の比較例と比較して説明する。図１５（ａ）は、第１の比較例に係る実装容器１の斜視図であり、図１５（ｂ）は第２の比較例に係る実装容器１の側面図であり、図１５（ｃ）は第２の実施例に係る実装容器１の側面図である。各実装容器１の大きさは幅９６ｍｍ×長さ９６ｍｍ×高さ４８ｍｍであり、解析領域を１１８３個のボクセルに分割し、８ｍｍの分解能を得る。図１５（ａ）に示す座標系において、Ｙ軸方向を垂直の偏波方向、Ｚ軸方向又はＸ軸方向を水平の偏波方向と定義する。

図１５（ａ）〜図１５（ｃ）において、実装容器１の側面に配列された直線状の実線はダイポールアンテナの偏波面の方向を示す。実装容器１の４側面にはそれぞれ８個のダイポールアンテナが設けられ、合計で３２個のダイポールアンテナが設けられている。アンテナの１つを送信で使用し、送信したアンテナを含むすべてのアンテナを受信で用いる。各側面のアンテナ配置は同一で、４つの側壁面はＸＹ平面又はＺＹ平面のいずれかに平行である。図１５（ａ）は垂直偏波の構成であり、図１５（ｂ）は水平偏波の構成であり、図１５（ｃ）は垂直偏波と水平偏波の両方を含む多偏波の構成である。偏波の効果を明確に示すため、実装容器１の上面にはアンテナを配置していない。図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示した第２の実施例、第１の比較例及び第２の比較例について、乳癌検出における偏波の有効性を評価した。

撮像センサは脂肪組織に近い樹脂で作成され，乳房を収めるために半球状の空間が設けられている。乳房もセンサと同様に一辺が８ｍｍのボクセルで離散化する。乳房とセンサの境界を既知とし、乳房内を占めるボクセル数をＶとする。吸引固定型の撮像センサを使用すると，乳房の形状が半球状に整形され，乳房の形が既知となる。第２の実施例ではひずみボルン近似の各イタレーションで、乳房領域の電気定数分布のみ更新している。この場合、図１６に示すように、乳房内の電気定数の変更による観測点での散乱界の変化は，乳房外からの反射等の影響を受けない。このことから第２の実施例では解析領域をセンサ内部に限定し、乳房下の筋肉等はモデル化していない。図１５（ａ）の開口中心に長さ１２ｍｍの微小ダイポールを置き、これらが背景（樹脂）の中にあるとして解析領域に入射界を与え，微小ダイポールの開口中心でのダイポールの向きに沿った散乱電界を求めて式（１）を計算する。

図１７（ａ）に単純な乳房モデルを示す。乳房モデルは、背景６１上の脂肪組織６２、乳腺組織６３及び癌６４で構成される。図１８に示した各構成部位の電気特性を、図１７（ｂ）に示すように各ボクセルＶｂ，Ｖａ，Ｖｆ，Ｖｔにそれぞれ割り当て、逆散乱問題を解く。乳房は半径４８ｍｍの半球で，癌の大きさは半径４ｍｍとした。乳房は３６９ボクセルで構成され，乳腺の占める体積比を１０％とし、残りの９０％を脂肪組織とした。この比は５０代の日本人女性の平均的な値である。

第２の実施例では、乳腺組織を省略し、脂肪組織と癌で構成した乳房モデル１についてシミュレーションを行い、画像再構成における多偏波の有効性を評価した。使用周波数は４．５ＧＨｚとした。散乱体内部の総合界はモーメント法により計算した。送受信アンテナとして、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示した垂直偏波、水平偏波、及び多偏波の構成を使い、乳房モデル１について１００回の反復処理をした後の再構成画像（３次元画像）を図１９（ａ）〜図２２（ｂ）に示す。

図１９（ａ）、図２０（ａ）、図２１（ａ）、図２２（ａ）は設定値、垂直偏波、水平偏波、及び多偏波の構成での比誘電率分布をそれぞれ示し、図１９（ｂ）、図２０（ｂ）、図２１（ｂ）、図２２（ｂ）は設定値、垂直偏波、水平偏波、及び多偏波の構成での導電率分布をそれぞれ示している。図１９（ａ）、図２０（ａ）、図２１（ａ）、図２２（ａ）に示すように、誘電率については、どの偏波の構成を使っても癌の位置のボクセル（実線で囲んだ部分）の誘電率が周囲に比較して高く、異物があることが分かる。一方、図１９（ｂ）、図２０（ｂ）、図２２（ｂ）に示すように、導電率については、垂直偏波及び多偏波をなすアンテナアレイを用いる場合には癌の位置のボクセル（実線で囲んだ部分の導電率が回復される一方、図２１（ｂ）に示すように、水平偏波のみを使用する場合は回復されない。

図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は癌を設定したボクセルを貫くｘ軸方向の回復した比誘電率と導電率を示す。ｘ軸はボクセルのｘ座標，ｙ軸は比誘電率もしくは導電率を示す。癌に相当するボクセルの比誘電率と導電率の設定値はそれぞれ５２．４［Ｓ／ｍ］となっている。垂直偏波のみの構成を用いる場合、当該ボクセルにおいて回復した比誘電率は２１．６０、導電率は３．４２［Ｓ／ｍ］で比誘電率の回復が悪い。水平偏波のみの構成を使う場合、回復した比誘電率は２６．１４、導電率は０．７７［Ｓ／ｍ］であり、特に導電率の回復が悪い。一方、多偏波をなすアンテナアレイを用いると、回復した比誘電率は４６．９５、導電率は３．６５［Ｓ／ｍ］であり、設定した値がほぼ正確に推定される。

更に、脂肪組織と癌で構成された乳房モデル１の代わりに、脂肪組織、乳腺組織と癌で構成された乳房モデル２を用いたシミュレーション結果を、偏波面が同一の第３及び第４の比較例と比較して説明する。図２４（ａ）及び図２４（ｂ）は、設定モデルの誘電率と導電率のグラフを示す。図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、第３の比較例（垂直偏波）の場合の２００回の反復後の誘電率と導電率の画像再構成結果を示す。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、第４の比較例（水平偏波）の場合の２００回の反復後の誘電率と導電率の画像再構成結果を示す。図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は、第２の実施例（多偏波）の場合の２００回の反復後の誘電率と導電率の画像再構成結果を示す。ここでは癌の画像を見やすくするため、癌を含むｘｙ面の断面図としている。

図２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すように、送受信アンテナとして垂直偏波のみの構成を使用すると、比誘電率と導電率分布を正しく再構成することはできない。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）に示すように、水平偏波のみの構成を使用した場合も再構成は不十分である。これらに対して、図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように、多偏波の構成を使用すれば、比誘電率と導電率分布を正しく再構成することができる。

図２８（ａ）及び図２８（ｂ）に、癌を設定したボクセルを貫くｘ軸方向の回復した比誘電率と導電率を示す。乳腺組織及び癌に相当するボクセルの比誘電率と導電率の設定値は図１８に示した値に設定されている。垂直偏波のみの構成を用いると、癌のボクセルの比誘電率や導電率は著しく大きくなり、正確に推定できない。水平偏波のみの構成を使うと乳腺部分の比誘電率はおおむね回復されるが、癌との識別は困難である。これは癌の周囲の導電率が著しく大きく推定された（ε_ｒ＝１．６６×１０^４）ためと考えられる。一方、多偏波をなすアンテナアレイを用いると回復した癌の比誘電率は５１．２、導電率は３．７７［Ｓ／ｍ］で、設定した値に近い。乳房モデル２では癌は乳腺組織に埋没しており、乳腺組織に対する癌のコントラストは小さいが、多偏波の構成を用いることにより癌を正しく検出することができた。

図２９（ａ）及び図２９（ｂ）に、第２の実施例における２つの乳房モデル１，２における収束曲線を表す。図２９（ａ）及び図２９（ｂ）のｘ軸は繰り返し数で、ｙ軸は散乱界の差のノルムを示す。図２９（ａ）は乳腺組織が存在しないモデル１の場合で、どの偏波でも繰り返し数が増すと収束に向かう。図２９（ｂ）は乳腺組織を含むモデル２の場合である。垂直偏波は収束が確認できないが、水平偏波と多偏波は収束に向かう。水平偏波は収束するにも関わらず画像回復は不十分である。これは、差ノルムの大きさが多偏波に比較して大きく、収束が不十分のためと考えられる。

逆散乱問題を正確に高分解能で解くには、多くの観測データが必要となる。またＳＮＲを高くしないと測定誤差が増え、正しく画像を回復させることができない。このため、アンテナと乳房が接近した小型センサの実現が求められる。この場合、狭いスペースに多く
のアンテナを配置しなければならない。しかし、同じような場所で多くのデータを取得しても，多様なデータを得ることができず，式（１）の連立方程式で、類似した係数を持つ方程式が増えるのみである。このような場合、逆散乱問題を正しく解くことはできない。狭い領域であっても偏波面を変えることにより多様な観測データが得られる。すなわち、偏波面を変えることにより、式（１）を構成する方程式の係数が多様となる。

また、行列の条件数は、線形方程式の解がデータの誤差に対して敏感である度合いを示す。連立方程式を構成する方程式の係数の類似性が高い時も、解が不安定になって条件数が増す。ここでは、２つの乳房モデル１，２を使用した場合の条件数について検討する。図３０は乳房モデル１，２における逆行列の条件数の経過を示す。乳房モデル２の場合では、垂直偏波のみ使う時、１回目の繰り返しでの条件数は１．４であるが２回目は２７１．９に大きく上昇した。その後繰り返しが進むにつれて条件数は不安定な変化を示し、２００回目では２．０×１０^１４と大きくなる。水平偏波のみ使う場合でも同様な傾向が見られる。このことから，悪条件により乳房内の比誘電率と導電率分布の再構成が正しく行われなかったと考えられる。

乳房モデル２において多偏波をなすアンテナアレイ使う場合では、１回目の繰り返しでの条件数は１．４であり、２回目は３６．５で、大きくはなるが垂直偏波又は水平偏波のアンテナアレイを使用する場合と比較すれば小さい。繰り返し数の進行とともに条件数は変動するが，その挙動は穏やかで２００回目では１７．６となる。乳房モデル１でも同様な傾向が見られる。このことより，多偏波をなすアンテナアレイを使う場合では悪条件が起こりにくく、乳房内の電気定数分布を再構成できることが分かる。

図３１（ａ）〜図３１（ｃ）は乳房モデル２での垂直偏波、水平偏波、多偏波の構成を用いた場合の繰り返し数に対する条件数の経過を表す。図３１（ａ）〜図３１（ｃ）から、多偏波をなすアンテナアレイを使用した方が条件数の変化が小さく滑らかであることが分かる。シミュレーション結果から、単一偏波より多偏波の方が、精度の良く電気定数分布を再構成できることが分かる。また、多偏波をなすアンテナアレイを使用することにより，条件数が改善し悪条件を回避できることも明らかになった。

以上のとおり、実施形態に係る診断装置によれば、単一の周波数のマイクロ波を用いて、被測定対象部位６の内部に含まれる散乱物体や不均質物体の位置、形状、大きさ、電気定数分布等の内部構造を、精度よく可視化できるという顕著な効果を奏することができる。特に、実施形態に係る診断装置を乳癌検診に適用すれば、Ｘ線マンモグラフィ検診のような副作用の危険性やコスト面での問題もなく、腫瘍と乳腺症、のう胞などの識別や、その病変が何であるかを特定が可能であり、安価に、且つより正確なスクリーニングができる診断装置が提供できる。

（変形例）
本発明の実施形態の変形例として、図８に示した画像処理ユニット１３が、逆問題を解析して再構成画像を生成した後に、再構成画像の画像回復領域の一部のメッシュを細かくして拡大表示する場合を説明する。ここでは、例えばダブルメッシュ法を用いることにより、再構成画像の画像回復領域の一部のメッシュを細かくし、部分的に解像度を増大させて拡大表示するとともに、逆問題における計算コストを低減する。ダブルメッシュ法では順問題における順方向のメッシュと、逆問題における粗いメッシュを用い、順問題における順方向のメッシュは順方向の解ｘ_ｆを定義し、逆問題における粗いメッシュが、再構成される未知のパラメータｘ_ｃを決定する。順方向の解ｘ_ｆ及び未知のパラメータｘ_ｃの分布は繰り返し再構成され、これらのパラメータｘ_ｆ，ｘ_ｃは２つのメッシュ間で行き来する。

図３２は、ダブルメッシュ法を用いた再構成アルゴリズムのフローチャートを示す。ステップＳ３１において、電気定数分布の初期値を設定する。ステップＳ３２において、順方向データである総合界Ｅ^ｔ及び散乱界Ｅ^ｓを算出する。ステップＳ３３において、ヤコビアンＡ_ｆを算出する。ステップＳ３４において、順方向の解ｘ_ｆを決定する。ステップＳ３５において、算出したヤコビアンＡ_ｆ及び順方向の解ｘ_ｆをダブルメッシュに割り当てる。ステップＳ３６において、ヤコビアンＡ_ｃを計算し、未知のパラメータｘ_ｃを決定する。ステップＳ３７において、決定したパラメータｘ_ｃでダブルメッシュを更新する。ステップＳ３８において更新を終了するか判定し、終了しないと判定した場合にはステップＳ３１に戻り、初期値を再設定する。

本発明の実施形態の変形例によれば、ダブルメッシュ法等により再構成画像の画像回復領域の一部のメッシュを細かくし、解像度を増大させて拡大表示することにより、計算コストを低減しつつ、再構成画像に含まれた腫瘍等を部分的に詳細に解析できる。

＜第３の実施例＞
第３の実施例として、図３３に示すように、９６ｍｍ×９６ｍｍ×４８ｍｍのアンテナ開口面の上面（天井面）に１２個のアンテナユニットを配列し、４側面にそれぞれ６個のアンテナユニットを配列してアンテナアレイを構成して、再構成画像を生成した。図３３では、ｙ軸方向は垂直方向であり、アンテナユニットの送受する電磁波の偏波面の方向（アンテナの軸方向）を破線で示している。

第３の実施例で用いる乳房モデル及び条件は図１７及び図１８に示した乳房モデル及び条件と同様である。第３の実施例では、脂肪組織、乳腺組織及び腫瘍（半径４ｍｍ）からなる半径４．８ｃｍの半球体にモデル化した。そして、乳房モデルは６ｍｍの分解能を有する８４７ボクセルに離散化した。背景の複素誘電率は、比誘電率を６．２とし、導電率を０．１５［Ｓ／ｍ］と設定した。脂肪組織の比誘電率は７、導電率は０．４［Ｓ／ｍ］に設定した。乳腺組織の比誘電率は３５、導電率は１．５［Ｓ／ｍ］に設定した。腫瘍の比誘電率は５２、導電率は４［Ｓ／ｍ］に設定した。ダブルメッシュ法による画像再構成の有効性を評価するため、撮像センサの実装及びボクセルの設定された複素誘電率を含む数値シミュレーションを開発した。シミュレーションでは単一の周波数４．５ＧＨｚを用いた。

図３４（ａ）〜図３６（ｂ）は、乳腺組織が無いモデルについての１００回繰り返し後の再構成画像を示す。図３４（ａ）及び図３４（ｂ）は８４７ボクセルの微細メッシュによる設定モデルの比誘電率及び導電率を示す。図３５（ａ）及び図３５（ｂ）は１０８ボクセルの粗いメッシュによる比誘電率及び導電率の再構成画像を示す。図３５（ａ）及び図３５（ｂ）から、腫瘍が特定されておらず、再構成が適切でないことが分かる。

ここで、図３５（ａ）に示した一部の領域Ｒ１にダブルメッシュ法を適用した。ダブルメッシュ法によれば、領域Ｒ１に対応するボクセルは１３６ボクセルであり、全体で２０７ボクセルが生成される。ダブルメッシュ法を適用した結果、図３６（ａ）及び図３６（ｂ）に示すように、再構成が成功し、誘電率及び導電率のいずれでも腫瘍が明確に特定される。図３６（ａ）及び図３６（ｂ）に示した腫瘍の比誘電率は２４．０４であり、導電率は３．４５［Ｓ／ｍ］であった。

次に、図３７（ａ）〜図３９（ｂ）は、乳腺組織が有るモデルについて、４００回繰り返し後の再構成画像の場合を説明する。図３７（ａ）及び図３７（ｂ）は、８４７ボクセルの微細メッシュによる設定モデルの比誘電率及び導電率を示す。図３８（ａ）及び図３８（ｂ）は、１０８ボクセルの粗いメッシュによる比誘電率及び導電率の再構成画像を示す。図３８（ａ）及び図３８（ｂ）から、比誘電率及び導電率のいずれも再構成画像が不十分であり、腫瘍の存在が特定できていない。

ここで、図３５（ａ）に示した一部の領域Ｒ２にダブルメッシュ法を適用する。ダブルメッシュ法によれば、領域Ｒ２に対応するボクセルは７２ボクセルであり、全体で１５９ボクセルが生成される。ダブルメッシュ法を適用した結果、図３９（ａ）及び図３９（ｂ）に示すように、再構成が成功し、誘電率及び導電率のいずれでも腫瘍が明確に特定される。図３９（ａ）及び図３９（ｂ）に示した腫瘍の比誘電率は５１．５０であり、導電率は４．３３［Ｓ／ｍ］と推定される。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた実施形態の説明においては、被測定対象部位を人間の乳房とし、乳癌を検診する場合について例示的に説明したが、乳癌の検診に限定されるものではない。例えば、被測定対象部位を頭部としてもよく、頭部の内部の散乱物体や不均質物体の位置、形状、大きさ、電気定数分布等の内部構造を逆問題解析によって検出し、その病変が何であるかを特定することが可能である。更には、本発明を手足の骨折箇所の特定等の診断にも適用可能である。

又、図１〜図４において、実装容器１の内壁面をなす４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４及び上面（天井面）１_ｔｏｐに複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６を配列した場合について例示的に説明したが、４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４及び上面（天井面）１_ｔｏｐの全てにアンテナユニットが配置されていなくてもよい。例えば、複数のアンテナユニットが、上面（天井面）１_ｔｏｐに配置されず、４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４のみに配置されていてもよい。また、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向が３種類に互いに異なる場合を説明したが、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向の種類はこれに限定されない。例えば、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を２種類（例えばＸ軸方向とＹ軸方向）に互いに異ならせてもよく、４種類以上に異ならせてもよい。

また、４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４及び上面（天井面）１_ｔｏｐのそれぞれにおいて、複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向が互いに異なる場合を説明したが、４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４及び上面（天井面）１_ｔｏｐ単位で複数のアンテナユニットＡ_１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに異ならせてもよい。例えば４つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，Ｉ_ｓ４に配置されたアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに同一（例えばＺ軸方向）とし、上面（天井面）１_ｔｏｐに配置されたアンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに同一（Ｘ軸方向又はＺ軸方向）として、アンテナユニットＡ_１〜Ａ_１２とアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を異ならせてもよい。また、２つの側壁面１_ｓ１，１_ｓ３に配置されたアンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８，Ａ_２５〜Ａ_３０の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに同一（例えばＹ軸方向）とし、２つの側壁面１_ｓ２，１_ｓ４に配置されたアンテナユニットＡ_１９〜Ａ_２４，Ａ_３１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を互いに同一（例えばＸ軸方向）として、アンテナユニットＡ_１３〜Ａ_１８，Ａ_２５〜Ａ_３０とアンテナユニットＡ_１９〜Ａ_２４，アンテナユニットＡ_３１〜Ａ_３６の放射素子５１，５２中を流れる電流の励振方向を異ならせてもよい。

また、図５（ａ）〜図５（ｃ）にアンテナユニットＡ_１の一例として放射素子５１，５２が誘電体基板５０の両面にそれぞれ配置されたダイポールアンテナを示したが、ダイポールアンテナの構造はこれに限定されない。例えば放射素子５１，５２が誘電体基板５０の片側に配置されたダイポールアンテナの構造であってもよい。また、本発明の実施形態に係るアンテナユニットとしてはダイポールアンテナに限定されず、例えば導波管開口や、偏波面が固定されたパッチアンテナでもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明は、人間の体内の異常細胞や骨折箇所等の散乱物体や不均質物体の位置、形状、大きさ、電気定数分布等の内部構造を調べる医療機器の技術分野に利用可能である。

１…実装容器
１_ｔｏｐ…上面（天井面）
１_ｓ１，１_ｓ２，１_ｓ３，１_ｓ４…側壁面
２…空間充填部材
３…貫通孔
４…排気管
５…減圧装置
６_ｆ…脂肪組織
６_ｔｕ…腫瘍
６…被測定対象部位
１１…送信手段
１２…受信手段
１３…画像処理ユニット
２５…電子スイッチ
５０…誘電体基板
５１。５２…放射素子（ダイポール）
５３，５４…マイクロストリップ線
５６…グラウンド導体部
１３１…電気定数分布初期化手段
１３２…計算結果記憶装置
１３３…ヤコビアン計算手段
１３４…繰り返し更新手段
１３５…測定データ記憶装置
１３６…比較手段
１３７…最小自乗解計算手段
Ａ_１〜Ａ_３６…アンテナユニット

Claims (10)

1. 被測定対象部位を収納する多面体の、前記被測定対象部位に対向する複数の内壁面に、それぞれ複数のアンテナユニットが配列され、 前記複数のアンテナユニットは、軸方向が互いに直交する放射素子のセットを単位として集合を構成する診断装置であって、
   前記複数のアンテナユニットが配列されるすべての前記内壁面で、前記単位の１次元方向の配列に沿って、互いに隣り合う前記複数のアンテナユニットのそれぞれの放射素子中を流れる電流の励振方向が、互いに直交するように、１次元方向に沿って交互に配置されたアンテナアレイと、
   前記複数のアンテナユニットのそれぞれを逐次選択して、該選択されたアンテナユニットを介してマイクロ波を送信して、該マイクロ波を前記被測定対象部位に照射する送信手段と、
   前記被測定対象部位を透過、前記被測定対象部位から反射又は散乱されたマイクロ波を前記選択されたアンテナユニットを含む前記複数のアンテナユニットでそれぞれ受信する受信手段と、
   前記受信手段が受信した前記複数のアンテナユニットからの電気信号により逆問題を解析して前記被測定対象部位の電気定数の分布を再構成し、前記再構成された電気定数の分布を画像表示する画像処理ユニットと、
   を備え、前記複数の内壁面に含まれる特定の内壁面において、前記複数のアンテナユニットが２次元マトリクス状に配列される場合は、行方向の配列、列方向の配列のそれぞれの１次元方向において、前記励振方向が互いに直交するように交互に配置され、トモグラフィ処理を実行することを特徴とする診断装置。
2. 前記複数のアンテナユニットのそれぞれがプリント板ダイポールからなることを特徴とする請求項１に記載の診断装置。
3. 前記プリント板ダイポールが互いに面方向が直交するプリント板のセットを単位として、前記複数のアンテナユニットの集合が構成されている請求項２に記載の診断装置。
4. 前記プリント板のそれぞれが矩形の平面パターンを有し、前記プリント板のそれぞれの主面にプリント配線される前記放射素子のパターンが、前記矩形の辺と平行な方向を軸方向として直線状に延伸して前記プリント板ダイポールを構成することを特徴とする請求項３に記載の診断装置。
5. 前記被測定対象部位に近い比誘電率を有する材料で構成され、前記被測定対象部位の表面が密着するように前記被測定対象部位の全体を収容可能な凹部を有する空間充填部材を更に備え、該空間充填部材を透過して前記マイクロ波が前記被測定対象部位に照射されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の診断装置。
6. 前記空間充填部材を、前記被測定対象部位となる乳房の全体を前記凹部に収納して使用し、前記アンテナアレイから出射される前記マイクロ波を用いて、初期乳癌のスクリーニングを行うことを特徴とする請求項５に記載の診断装置。
7. 異なる半径の半球面をそれぞれ前記凹部とする複数の前記空間充填部材が用意され，前記半球面が乳房の皮膚に密着するように、乳房の大きさに応じて特定の空間充填部材が選択可能であることを特徴とする請求項６に記載の診断装置。
8. 前記複数の空間充填部材のそれぞれが前記半球面に開口する貫通孔を備え、該貫通孔を介した排気により前記被測定対象部位を吸引し、前記乳房の皮膚を前記半球面に密着させることを特徴とする請求項７に記載の診断装置。
9. 前記空間充填部材が前記多面体からなる実装容器の内部に収納されることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の診断装置。
10. 前記画像表示の一部の解像度を増大させて拡大表示することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の診断装置。
    

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