JP6849980B2

JP6849980B2 - 異常組織検出装置

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Publication number: JP6849980B2
Application number: JP2019555344A
Authority: JP
Inventors: 公麿吉川; 航宋
Original assignee: Shimadzu Corp; Hiroshima University NUC
Current assignee: Shimadzu Corp; Hiroshima University NUC
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: JPWO2019103057A1; WO2019103057A1

Description

本発明は、異常組織検出装置に関する。

従来、被検者の検査部位にマイクロ波を放射し、受信アンテナにより検出されたマイクロ波の受信信号を信号処理することにより、検査部位中の異常組織からの反射波の成分を抽出し、検査部位中の異常組織の分布を推定する異常組織検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−１３１１９９号公報

本発明は、検査部位の異常組織を高精度に検出できる異常組織検出装置を提供することを目的とする。

一実施形態に係る異常組織検出装置は、マイクロ波を被検者の検査部位に向けて送信する複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナのいずれかが送信し、当該送信アンテナからの直接波の成分と前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を含むマイクロ波を受信する複数の受信アンテナと、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離が同一、かつ、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナと前記検査部位の異常組織との相対位置関係が異なる状態において１又は２以上の前記受信アンテナが受信した複数の信号を合成して基準信号を生成する基準信号生成手段と、前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号生成手段が生成する前記基準信号とを比較することにより、前記複数の信号のそれぞれに含まれる前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を推定する推定手段とを有し、前記基準信号生成手段は、前記複数の信号を重み付け加算することにより前記基準信号を生成し、重み係数を、重み付けを均一にした場合に比べて、前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号との、直接波の成分を含む区間における信号強度の差の合計が小さくなるように決定することを特徴とする。

ここで、「同一」とは、厳密に同一であることのみを示すものではなく、略同一であることも含む。例えば、送信アンテナと受信アンテナをそれぞれ複数備える異常組織検出装置において、送信アンテナと受信アンテナの組み合わせを変更しながら複数の信号を受信する場合、送信アンテナと受信アンテナの取り付け誤差等の影響により、送信アンテナと受信アンテナ間の距離が組み合わせ毎にわずかに異なることが考えられるが、このような場合についても、「同一」の範囲に含まれる。

本発明に係る異常組織検出装置によれば、検査部位の異常組織を高精度に検出することができる。

（Ａ）は、実施の形態に係る異常組織検出装置の外観を示す斜視図であり、（Ｂ）は、実施の形態に係る異常組織検出装置の構成を示す分解斜視図である。（Ａ）は、アンテナアレイの構成を示す側面図であり、（Ｂ）は、アンテナアレイの構成を示す上面図である。異常組織検出装置の構成を示すブロック図である。送信部から出力されるインパルス信号の一例を示すグラフである。（Ａ）は、異常組織検出時の送受信アンテナ及び乳房を示す模式図であり、（Ｂ）は、異常組織の検出原理を示す模式図であり、（Ｃ）は、受信信号を示す模式図である。異常組織検出処理のフローチャートである。平均化を用いた雑音信号の除去方法を示す概念図である。重みを用いた基準信号の算出方法を示す概念図である。（Ａ）は、Tikhonov正則化を用いて基準信号を算出した場合の差分信号の例を示すグラフであり、（Ｂ）は、平均化を用いて基準信号を算出した場合の差分信号の例を示すグラフである。（Ａ）は、６０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用した場合の１回転分の差分信号の例を示す図であり、（Ｂ）は、６０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用しない場合の１回転分の差分信号の例を示す図である。 Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタを用いて算出した重みと、Tikhonov正則化を適用しないWienerフィルタを用いて算出した重みの例を示すグラフである。（Ａ）は、６０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用した場合の共焦点画像の例を示す図であり、（Ｂ）は、６０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用しない場合の共焦点画像の例を示す図である。（Ａ）は、４０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用した場合の１回転分の差分信号の例を示す図であり、（Ｂ）は、４０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用しない場合の１回転分の差分信号の例を示す図である。（Ａ）は、４０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用した場合の共焦点画像の例を示す図であり、（Ｂ）は、４０個の受信信号で、Tikhonov正則化を適用しない場合の共焦点画像の例を示す図である。異常組織検出装置の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る異常組織検出装置について、乳癌を検出する異常組織検出装置を例に、図面を参照して詳細に説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る異常組織検出装置１は、筐体５７及びアンテナ部３等を含む回転部９と、固定基台３１と、駆動部３３と、ハンドル５１と、を備える。

固定基台３１には、回転部９を回転させるための駆動部３３が固定されている。駆動部３３は、例えばステッピングモータである。駆動部３３の回転部は、蓋５２に固定されている。これにより、異常組織検出装置１は、蓋５２、筐体５７、アンテナ部３等を含む回転部９を回転可能に支持する。また、固定基台３１の上部には、ハンドル５１が取り付けられている。検査を行う者は、ハンドル５１を保持し、回転部９を被検者の検査部位である乳房に当接させて検査する。

回転部９は、蓋５２、制御基板５５、高周波基板５６、筐体５７、アンテナ部３、アンテナカバー４１、スリーブ４２を備える。

アンテナ部３は、アンテナベース３７、アンテナ取付部３９、アンテナアレイ３８を備える。アンテナベース３７は、アンテナ取付部３９を筐体５７に固定させるための取付け部材である。

アンテナ取付部３９には、マイクロ波の無線信号を送受信するアンテナからなるアンテナアレイ３８が取り付けられる。アンテナ取付部３９は、アンテナベース３７に固定されている。アンテナ取付部３９は、例えば樹脂製であり、中心部分はドーム型に形成されている。

アンテナアレイ３８は、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８及び受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８で構成される。アンテナアレイ３８を構成する各アンテナは、アンテナ取付部３９の下面、すなわち後述するアンテナカバー４１のドーム型部分と対向する面に取り付けられている。また、各アンテナと後述のスイッチ部２とを接続する配線等はアンテナ取付部３９の上面側（筐体５７の内部側）に配置されている。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８、受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８は、アンテナ取付部３９の中心部から、半径方向に直線状に配置され、４つのアンテナ列Ａ１〜Ａ４からなるアンテナアレイ３８を構成している。

アンテナカバー４１は、アンテナ取付部３９の外面を覆うように配置され、被検者の体に接する。アンテナカバー４１は、スリーブ４２を介して筐体５７にねじ止め固定されている。アンテナカバー４１の中心部分は、アンテナ取付部３９と同心のドーム型に形成されており、検査部位である乳房に密着させ易い形状となっている。また、被検者の乳房の大きさに適したものを選択できるように、予め大きさの異なる複数のアンテナ取付部３９及びアンテナカバー４１を準備してもよい。

アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間には、ワセリン、無水グリセリン等、被検者の体の誘電率及びアンテナカバー４１の誘電率に近い誘電率の誘電体が充填されている。これにより、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間における不要輻射の発生を抑制することができるので、異常組織の検出精度を向上させることが可能となる。

制御基板５５は、図３のブロック図に示す制御部１４、記憶部１５、駆動制御部３４の各機能を実現するハードウエア回路が実装されたプリント配線板であり、筐体５７内に固定されている。

駆動制御部３４は、駆動部３３であるステッピングモータの回転を制御するモータドライバである。図３に示すように、駆動制御部３４は、制御部１４からの制御信号に従って、駆動部３３を回転させることにより、アンテナアレイ３８を含むアンテナ部３を回転させる。

制御部１４は、信号処理部の一部であり、ＣＰＵ、メモリ、外部記憶装置、入出力Ｉ／Ｏ、水晶発振器等を備えるコンピュータ（情報処理装置）である。水晶発振器が発生するクロック信号に従って、ＣＰＵが、外部記憶装置にインストールされメモリに読み込まれたプログラムを実行して、外部記憶装置へのデータの書き込み／読み出しや入出力Ｉ／Ｏを介して外部機器と送受信を行うことにより、制御部１４の機能が実現される。

記憶部１５は、信号処理部の一部であり、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリである。図３に示すように、制御部１４は、受信部１２から受信した受信信号ＲＳを記憶部１５へ送信し、記憶させる。また、制御部１４は、記憶部１５に記憶させた受信信号ＲＳを読み出して、基準信号ＳＳの算出、差分信号ＤＳ_ｎの算出による目的信号の抽出等の信号処理を行う。

図３に示すように、制御部１４は、プログラムの実行により、送信信号ＴＳを出力させるタイミングを示すタイミング信号を送信部１１に出力するとともに、ＣＭＯＳスイッチ１７の制御信号ＣＳ１を出力する。制御部１４は、ＣＭＯＳスイッチ１９の制御信号ＣＳ２を出力するとともに、受信部１２から受信信号ＲＳの波形データを入力する。

高周波基板５６は、図３のブロック図に示す送信部１１、受信部１２、スイッチ部２の各機能を実現するハードウエア回路が実装されたプリント配線板であり、筐体５７内に固定されている。

送信部１１は、制御部１４から入力されたタイミング信号に従って、例えば、図４に示すインパルス状の電気信号である送信信号ＴＳを出力するハードウエア回路である。図４に示すように、この電気信号のレベルは、短時間で正の値から負の値に変動するインパルス信号である。

スイッチ部２は、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８のうちマイクロ波のインパルス信号を送信する送信アンテナを選択するＣＭＯＳスイッチ１７と、受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８のうち異常組織によって反射された散乱信号を受信する受信アンテナを選択するＣＭＯＳスイッチ１９とを備える。

ＣＭＯＳスイッチ１７は、入力端から送信信号ＴＳを入力する。ＣＭＯＳスイッチ１７は、制御信号ＣＳ１に従って、入力した送信信号ＴＳを出力するアンテナを、複数の送信アンテナＳＡ１、ＳＡ２、…、ＳＡ８のいずれかに切り替える。

受信部１２は、ＣＭＯＳスイッチ１９から入力した受信信号ＲＳを制御部１４に出力するハードウエア回路である。すなわち、信号処理部である制御部１４に、受信信号ＲＳを受信信号ＩＳ_ｎとして入力させる入力部である。制御部１４は、入力した受信信号ＩＳ_ｎに基づいて、信号処理を行って、異常組織ＣＡを検出する。

図３の例に示すように、制御信号ＣＳ１により、送信アンテナＳＡ２が選択された場合、ＣＭＯＳスイッチ１７は、送信信号ＴＳを送信アンテナＳＡ２に出力するように切り変わる。制御信号ＣＳ２により、受信アンテナＲＡ２が選択された場合には、ＣＭＯＳスイッチ１９は、受信アンテナＲＡ２で受信された受信信号ＲＳを受信部１２に出力するように切り変わる。この場合、送信アンテナＳＡ２、受信アンテナＲＡ２の組み合わせでマイクロ波のインパルス信号ＭＷの送信及び反射信号ＲＷの受信が行われる。送信アンテナＳＡ２から出力される信号は、より多くの周波数成分を含む意味でインパルス信号であることが望ましいが、単一の周波数成分からなる正弦波でも、複数の周波数成分を含むスロープ波形であっても良い。

制御部１４は、制御信号ＣＳ１、ＣＳ２によりＣＭＯＳスイッチ１７、１９を制御して、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８及び受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８の組み合わせを切り替えながら、送信信号ＴＳをＣＭＯＳスイッチ１７に出力させる。また、制御部１４は、受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８から出力された受信信号ＲＳを、ＣＭＯＳスイッチ１９を介して入力し、入力した電気信号に対する信号処理を行う信号処理部として動作する。

次に、異常組織検出装置１における、無線信号を使った異常組織検出の基本動作について説明する。本実施の形態に係る異常組織検出装置１は、インパルス状のマイクロ波の無線信号の送受信を行い、その送受信結果に基づいて、異常組織、すなわち乳癌を検出する。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、異常組織検出装置１は、回転部９、すなわち送信アンテナＳＡ１及び受信アンテナＲＡ１を含むアンテナ部３の回転角度θを初期角度θ１（angle1）として、送信アンテナＳＡ１からマイクロ波のインパルス信号ＭＷを放射する。一般に、癌組織等の異常組織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、異常組織ＣＡが存在する場合には、誘電率の異なる領域の界面、即ち、異常組織ＣＡの表面で、マイクロ波が反射され、受信アンテナＲＡ１で受信される（以下、反射波という）。

ここで、マイクロ波のインパルス信号ＭＷを放射してから受信アンテナＲＡ１が反射波を受信するまでの時間をＴ１［ｓ］とすると、Ｔ１・ｃ（ｃ：生体中の光の速度）が、マイクロ波のインパルス信号ＭＷの行程距離となる。

従って、異常組織ＣＡは、回転角度θ１における、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１を焦点とし、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１からの距離の和がＴ１・ｃとなる楕円Ｅ１上に位置することになる。

続いて、駆動制御部３４は、送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ１を含む回転部９を回転させ、回転角度θをθ２（angle2）とする。そして、異常組織検出装置１は、送信アンテナＳＡ１からマイクロ波のインパルス信号ＭＷを放射し、受信アンテナＲＡ１で受信する。マイクロ波のインパルス信号ＭＷを放射してから受信アンテナＲＡ１が反射波を受信するまでの時間をＴ２［ｓ］とすると、Ｔ２・ｃがマイクロ波のインパルス信号ＭＷの行程距離となる。

従って、異常組織ＣＡは、回転角度θ２における、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１を焦点とし、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１からの距離の和がＴ２・ｃとなる楕円Ｅ２上に位置することになる。

送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ１を順次回転させながら、同様の処理を行い、複数の楕円Ｅ１〜ＥＮ（Ｎは自然数、Ｅ３以下については不図示）の交点を求めることにより、異常組織ＣＡの位置を求めることができる。

さらに、インパルス信号ＭＷを送信するアンテナを送信アンテナＳＡ２に切り換えて、送信アンテナＳＡ２からマイクロ波を放射し、これを受信アンテナＲＡ２で受信して、同様の処理を行う。以後、送信アンテナを順次切り換えながら、マイクロ波を放射し、受信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、異常組織ＣＡの位置をより正確に特定することが可能となる。

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。

しかしながら、実際には、受信アンテナＲＡ１が受信する信号は、反射波の成分以外の成分を含む。すなわち、受信アンテナＲＡ１が受信する信号は、直接波の成分や量子ノイズの成分を含む。ここで、直接波とは、異常組織ＣＡの有無に関わらず、送信アンテナＳＡ１から放射されたマイクロ波が、最も近い経路を伝搬して、受信アンテナＲＡ１に到達する波である。従って、受信アンテナＲＡ１が実際に受信する信号は、異常組織ＣＡが存在する場合は、直接波と反射波の合成波の成分を含み、異常組織ＣＡが存在しない場合は、直接波の成分のみを含むこととなる。

直接波は、反射波に比して信号強度が高く、かつ伝搬時間が短い。この性質の違いを利用して、合成波から直接波の成分やその他の雑音信号の成分を抑制し、又は、反射波の成分を強調することにより、反射波の伝搬時間を正確に推定する必要がある。

この点、送信アンテナＳＡ１及び受信アンテナＲＡ１の間の距離が一定であれば、回転角度θや送信アンテナ−受信アンテナの組み合わせが異なっても、直接波の成分は一定であるが、反射波の成分は、これらアンテナと異常組織ＣＡとの相対的な位置関係により種々変化する。従って、送信アンテナ及び受信アンテナの間の距離が同一で、かつ、アンテナと異常組織ＣＡとの相対位置が異なると想定される位置関係で測定された受信信号を単純平均することにより、受信信号ごとに異なる信号成分である量子ノイズの成分や反射波の成分は相殺されて相対的に小さくなり、各受信信号で共通する成分である直接波の成分は強調されて相対的に大きくなるため、直接波の成分を推定することができる（以下、基準信号という）。その後、各受信信号から推定された直接波である基準信号を減算することにより、相対的に反射波の強調された信号を生成することができる。

しかしながら、検証の結果、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が一定であっても、回転角度θや送信アンテナ−受信アンテナの組み合わせが異なった場合に、直接波の成分が必ずしも一定にならないことが確認された。例えば、送信アンテナと受信アンテナは、理想的な点光源、点観測源で構成することはできないため、直接波のパスは、ある程度の断面積を有する。直接波のパス内に異常組織ＣＡが存在する場合としない場合とで、異常組織ＣＡの表面での反射の有無が異なる。異常組織ＣＡの表面でマイクロ波が反射される場合は、反射された分だけエネルギを損失するので、直接波の強度は、反射されない場合と比べて相対的に弱くなる。また、その他、送信アンテナ及び受信アンテナの取り付け誤差や回転誤差等の機械的な誤差、検査部位の形状や検査部位内部の組織分布の違い等の種々の原因により、直接波の強度及び伝搬速度が異なる。これらの原因による直接波の強度及び伝搬速度の違いは、各受信信号における直接波の成分にわずかな違いをもたらす。そして、これら受信信号を単純平均した場合は、直接波の成分が歪んだ基準信号が得られる。従って、このような基準信号を各受信信号から減算した場合は、直接波の成分が理想通りに減算されず、歪の成分が残存する。たとえ残存する歪の成分が直接波の成分に比べて微弱であっても、反射波の成分の強度は直接波の成分に比べて微弱であることから、減算後の結果において反射波の成分を誤って特定してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、各受信信号に対して重み付け加算を実行することにより基準信号を取得する。ここで、重み付け加算に用いられる重み係数は、重み付けを均一にした場合と比して、基準信号と各受信信号との、直接波の成分を含む区間における信号強度の差の合計が小さくなるように決定される。言い換えれば、取得される基準信号の信号値が、各受信信号の直接波の成分の信号値に対してより一致するように決定される。本実施の形態においては、一例として、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより重み係数を決定する方法について説明する。

以下、説明を簡単にするために、図７に示すように、受信信号ＩＳ_ｎにおける直接波の成分を含む区間を第１の区間、反射波の成分を含む区間を第２の区間と呼ぶ。制御部１４は、まず、受信信号ＩＳ_ｎに対して第１の区間及び第２の区間を設定する。ここで、第１の区間の設定については、種々の方法が適用され得る。例えば、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１の間の距離及び、送信アンテナＳＡ１から放射するインパルス信号の強度及び、検査部位のおおよその減衰係数は既知であるため、送信アンテナＳＡ１がインパルス信号を放射してから、受信アンテナＲＡ１に到達した直接波が減衰するまでのおおよその時間幅を算出することができ、この時間幅を受信信号ＩＳ_ｎにおける第１の区間として設定すればよい。その他にも、前もって検査部位を模したファントムに対して送信アンテナＳＡ１からのインパルス信号の放射と受信アンテナＲＡ１による信号の受信を行うことで、送信アンテナＳＡ１がインパルス信号を放射してから、受信アンテナＲＡ１に到達した直接波が減衰するまでの時間幅を取得し、記憶部１５に記憶しておく方法が考えられる。この場合、実際に、被検者の検査部位に対して送信アンテナＳＡ１からのインパルス信号の放射と受信アンテナＲＡ１による信号の受信を行う際、記憶部１５に記憶した時間幅を呼び出し、第１の区間として設定することができる。そして、第１の区間以降の時間幅が、第２の区間として設定される。

次に、図８に示すように、制御部１４は、受信信号ＩＳ_ｎの第１の区間のサンプリング値Ｓｉ（ｔ）（ｉ＝１〜ｎ、ｔ＝１〜Ｌ、Ｌ＞ｎ、ｎ，Ｌは自然数）に重み係数ｗｉを掛けて加算することにより、Ｓdesired（１）〜Ｓdesired（Ｌ）を算出する。ここで、Ｌは各受信信号の第１の区間におけるサンプリングの個数、ｎはアンテナ部３の回転角度の最大値に相当する値であり、例えば、アンテナ部３を６°ずつ回転させながら３６０°にわたって受信信号を取得する場合、ｎ＝６０（＝３６０／６）である。そして、Ｓdesired（ｔ）とＳｉ（ｔ）との差が最小となるように、各受信信号ＩＳ_ｎに対応する重み係数ｗを決定する。

以下、各受信信号ＩＳ_ｎの第１の区間の信号に基づいて、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより重み係数ｗを決定する方法について、さらに詳細に説明する。具体的は、以下の式（１）を満たす重み係数ｗが決定される。

ここで、ｂは基準信号ベクトル、Ｈは受信信号行列、ｗは重み係数ベクトルである。ここで、重み係数ベクトルｗにおける各要素は、基準信号ＳＳの生成の際に各受信信号ＩＳ_ｎに掛ける重み係数ｗである。また、λは正則化パラメータであり、λ＞０の範囲で任意に設定される。λを含む式（１）の第２項の導入により、重み係数ベクトルｗの各要素のノルムが過大となることを防止できる。ただし、過大なλを設定すると、重み係数ベクトルｗの各要素は１／ｎに収束するため、単に受信信号ＩＳ_ｎを単純平均して基準信号ＳＳを生成した場合と同様の結果となる。従って、重み係数ベクトルｗの各要素のノルムが過大となることを防止しつつ、各受信信号ＩＳ_ｎの直接波の成分の信号値に対してより一致する信号値を有する基準信号が得られるようなλを設定することが望ましい。

続いて、式（１）の具体的な解法について説明する。式（１）は、以下の式に示す変数ｘ、ｙを導入することにより、式（５）と変形できる。

さらに、式（５）の最小二乗解は、以下の式（６）で与えられる。

したがって、求める重み係数は、以下の式（７）で与えられる。

以上の方法により算出される重み係数ｗを、制御部１４は、対応する受信信号ＩＳ_ｎにおける第１の区間の信号及び第２の区間の信号に掛けて加算することにより、基準信号ＳＳを生成する。さらに、制御部１４は、各受信信号ＩＳ_ｎから基準信号ＳＳを減算して差分信号ＤＳ_ｎを算出する。ここで、基準信号ＳＳにおける信号値は、各受信信号ＩＳ_ｎの直接波の成分の信号値に対してより一致するように生成されていることから、差分信号ＤＳ_ｎに含まれる直接波の成分の強度は、反射波の成分の強度と比べて極めて小さいものとなる。従って、例えば、信号強度に対する適当な閾値を設定することにより、差分信号ＤＳ_ｎにおける反射波の成分を正確に抽出することができる。

なお、受信信号ＩＳ_ｎに対する第１の区間の設定においては、生成される基準信号ＳＳが各受信信号ＩＳ_ｎの直接波の成分に対してより一致するように重み付け加算の重み係数ｗを算出する意味で、直接波の成分を含み、反射波の成分を含まない区間を受信信号ＩＳ_ｎに対する第１の区間として設定することが望ましい。しかしながら、本発明においては、少なくとも、設定される第１の区間が直接波の成分の一部を含み、第１の区間外に反射波の成分の一部を含むように第１の区間が設定されればよい。このような条件で第１の区間を設定すれば、重み付けを均一の状態で受信信号ＩＳ_ｎを積算して得られる基準信号ＳＳに比べて、各受信信号ＩＳ_ｎの直接波の成分に対してより一致する基準信号ＳＳを得るように重み係数ｗを決定することができる。

また、上記の実施の形態においては、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより重み係数を決定したが、本発明においては、重み付けを均一の状態で受信信号ＩＳ_ｎを積算して得られる基準信号ＳＳに比べて、各受信信号ＩＳ_ｎの直接波の成分に対してより一致する基準信号ＳＳを得るように重み係数ｗを決定する限りにおいて、種々の演算を適用することができる。

次に、本実施の形態に係る異常組織検出装置１における異常組織検出処理、すなわち基準信号ＳＳを用いた信号処理について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。

制御部１４は、アンテナ部３を含む回転部９の回転角度θを初期回転角（θ＝０°）に設定する（ステップＳ１１）。続いて、送信アンテナＳＡ１から送信信号ＴＳを送信させ、受信アンテナＲＡ１に受信信号ＲＳを受信させる（ステップＳ１２）。制御部１４は、受信アンテナＲＡ１で受信された受信信号ＲＳを受信信号ＩＳ_１として記憶部１５に記憶させる（ステップＳ１３）。

回転部９の回転角度はθ＝０°であり、θ＜３６０°なので（ステップＳ１４；ＮＯ）、制御部１４は、駆動部３３を動作させることにより、回転部９を予め設定された角度回転させる（ステップＳ１５）。本実施の形態では、予め設定された角度を６°とし、回転部９は、６０回の回転動作で１回転する。回転部９の回転が完了した後、ステップＳ１２に戻って、制御部１４は、送信アンテナＳＡ１から送信信号ＴＳを送信させ、受信アンテナＲＡ１に受信信号ＲＳを受信させる。制御部１４は、受信信号ＲＳを受信信号ＩＳ_２として記憶部１５に記憶させる。

制御部１４は、さらに回転部９を回転させて、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ１との間で信号を送受信させる。制御部１４は、回転角度θが３６０°に達するまで、上述の回転動作と信号の送受信を繰り返し、６０個の受信信号ＩＳ_ｎ（ｎ＝１〜６０）を記憶部１５に記憶させる。

回転角度θが３６０°に達し、受信信号ＩＳ_ｎの受信が完了すると（ステップＳ１４；ＹＥＳ）、入力された受信信号ＩＳ_ｎの信号処理が開始される。制御部１４は、記憶部１５から受信信号ＩＳ_ｎを読み込む（ステップＳ１６）。

制御部１４は、受信信号ＩＳ_ｎに対して第１の区間及び第２の区間を設定し、各受信信号ＩＳ_ｎの第１の区間の信号に基づいて、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより重み係数ｗを決定する（ステップＳ１７）。続いて、決定した重み係数ｗを、対応する受信信号ＩＳ_ｎにおける第１の区間の信号及び第２の区間の信号に掛けて加算することにより、基準信号ＳＳを生成する（ステップＳ１８）。制御部１４は、さらに、各受信信号ＩＳ_ｎから基準信号ＳＳを減算して差分信号ＤＳ_ｎを算出する（ステップＳ１９）。そして、差分信号ＤＳ_ｎにおける反射波の成分を抽出し、抽出した反射波の成分に基づいて、検査部位における異常組織ＣＡの位置を検出して（ステップＳ２０）、信号処理を終了する。

上述の信号処理の結果の一例を図９（Ａ）、（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は、回転部９の回転角度が１２６°の時の受信信号ＩＳ_ｎ、本発明の方法により算出した基準信号ＳＳ及び受信信号ＩＳ_ｎから基準信号ＳＳを減算した差分信号ＤＳ_ｎを示している。また、図９（Ｂ）は、受信信号ＩＳ_ｎ、重み付けを均一の状態で受信信号ＩＳ_ｎを積算して基準信号ＳＳとした場合の基準信号ＳＳ及び受信信号ＩＳ_ｎから基準信号ＳＳを減算した差分信号ＤＳ_ｎを示している。これより、本発明の方法の適用によって、差分信号ＤＳ_ｎにおける直接波の成分が、反射波の成分と比べて、十分に小さく抑えられていることが分かる。

図１０（Ａ）は、回転部９の回転角度が０°から３６０°までの各位置での差分信号ＤＳ_ｎを算出した１回転分の結果を示している。図１０（Ｂ）は、以下の式（８）で示すTikhonov正則化を適用しないWienerフィルタを、受信信号ＩＳ_ｎの第１の区間に適用することで決定した重み係数ｗを用いて差分信号ＤＳ_ｎを算出した場合の１回転分の結果を示している。

図１０（Ｂ）に示すTikhonov正則化を用いない場合に比べて、図１０（Ａ）に示すTikhonov正則化を適用した本発明の信号処理方法では、第２の区間のノイズが低減されていることがわかる。これは、図１１に示すように、Tikhonov正則化した場合の重み係数ｗが、Tikhonov正則化しなかった場合の重み係数ｗに比べて小さく抑えられているためである。

図１２（Ａ）、（Ｂ）は、上述の図１０（Ａ）、（Ｂ）の結果を共焦点画像として示したものである。図１２（Ａ）に示すTikhonov正則化した場合のＳＣＲ（Signal to Clutter Ratio）は５．０２５ｄＢであり、図１２（Ｂ）に示すTikhonov正則化しなかった場合のＳＣＲ＝０．６９ｄＢに比べて大きく、Ｓ／Ｎ比が大きくなっていることがわかる。

図１３（Ａ）は、ｎ＝４０、すなわち回転部９を９°刻みで回転させて受信信号ＩＳ_ｎを作成した場合の、Tikhonov正則化を用いて算出した差分信号ＤＳ_ｎを示している。また、図１３（Ｂ）は、ｎ＝４０で受信信号ＩＳ_ｎを作成し、Tikhonov正則化を適用しないWienerフィルタを用いて算出した差分信号ＤＳ_ｎを示している。また、図１４（Ａ）、（Ｂ）は、ｎ＝４０の場合の差分信号ＤＳ_ｎに基づく共焦点画像を示している。

図１３（Ａ）、（Ｂ）及び図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す結果から、Tikhonov正則化しなかった場合に比べて、本発明に係るTikhonov正則化を適用したWienerフィルタを用いた場合で、Ｓ／Ｎ比が大きくなっており、目的信号を明確に検出できていることがわかる。したがって、本発明に係る信号処理方法は、受信信号ＩＳ_ｎの数が少ない場合でも有効に雑音信号を低減できることがわかる。

以上、詳細に説明したように、本実施の形態によれば、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタによって重み係数ｗを算出するので、重み係数ｗのノルムが過大となることを防止することができる。これにより、雑音信号を適切に除去するとともに、差分信号のＳ／Ｎ比を向上させて、目的信号を明確に抽出することができる。

以上、本発明は、本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。

本実施の形態では、送信アンテナＳＡ１及び受信アンテナＲＡ１の相対位置関係を維持しつつ、これらのアンテナを検査部位の周囲で回転させ、その間に複数の受信信号ＩＳ_ｎを取得するものとしたが、これに限られない。本発明においては、送信アンテナ及び受信アンテナの距離が同一、かつ、送信アンテナ及び受信アンテナと検査部位の異常組織との相対位置関係が異なる状態において、複数の信号を取得しさえすればよい。例えば、複数のアンテナが配置されたアンテナアレイを備えた異常組織検出装置において、アンテナ間の距離が同じになるような複数の組み合わせを決定し、各々の組み合わせにおいて、一方のアンテナから検査部位にむけてマイクロ波を放射し、他方のアンテナで検査部位における異常組織からの反射波を含む信号を受信する構成であってもよい。

また、本実施の形態に係る入力部は、受信部１２であることとしたが、これに限られない。例えば、予め取得された受信信号ＩＳ_ｎを記憶するハードディスク、フラッシュメモリ等の外部記憶装置であってもよい。

また、本実施の形態では、アンテナカバー４１を筐体５７に固定し、アンテナ取付部３９とともに回転させることとしたが、これに限られない。例えば、図１５に示すように、固定基台３１とハンドル５１との間に取り付けられた固定プレート４４に、スリーブ４２を介してアンテナカバー４１を接続することとしてもよい。これにより、アンテナベース３７に固定されたアンテナ取付部３９が回転しても、固定プレート４４に接続されたアンテナカバー４１は回転しないように構成される。したがって、検査の際、被検者に接触しているアンテナカバー４１が回転しないので、検査時の被検者の身体的負担を軽減することができる。

本実施の形態に係る異常組織検出装置は、マイクロ波を被検者の検査部位に向けて送信する複数の送信アンテナと、前記複数の送信アンテナのいずれかが送信し、当該送信アンテナからの直接波の成分と前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を含むマイクロ波を受信する複数の受信アンテナと、送信アンテナ及び受信アンテナの距離が同一、かつ、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナと前記検査部位の異常組織との相対位置関係が異なる状態において前記受信アンテナが受信した複数の信号を合成して基準信号を生成する基準信号生成手段と、前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号生成手段が生成する前記基準信号とを比較することにより、前記複数の信号のそれぞれに含まれる前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を推定する推定手段とを有し、前記基準信号生成手段は、前記複数の信号を合成することにより前記基準信号を生成し、重み係数を、重み付けを均一にした場合に比べて、前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号との、直接波の成分を含む区間における信号強度の差の合計が小さくなるように決定することを特徴とする。

上記の異常組織検出装置は、重み付けを均一にした場合に比べて、複数の信号のそれぞれと基準信号との、直接波の成分を含む区間における信号強度の差の合計が小さくなるように決定される重み係数を用いて基準信号を生成し、複数の信号と基準信号とを比較することから、複数の信号のそれぞれに含まれる異常組織からの反射波の成分を正確に抽出し、検査部位の異常組織を高精度に検出することができる。

また、上記の異常組織検出装置は、送信アンテナと受信アンテナを相対位置を維持したまま前記検査部位の周囲を回転させる回転制御手段を備え、前記基準信号生成手段は、前記回転制御手段が前記送信アンテナと前記受信アンテナを回転する間に、当該受信アンテナが、異なる回転角度において受信した複数の信号に基づいて、基準信号を生成してもよい。これにより、回転制御手段が送信アンテナと受信アンテナを検査部位の周囲で回転する間に取得される複数の信号のそれぞれに含まれる異常組織からの反射波の成分を正確に抽出し、検査部位の異常組織を高精度に検出することができる。

また、前記基準信号生成手段は、前記回転制御手段が、一対の送信アンテナと受信アンテナが前記検査部位の周囲を回転する間に、当該受信アンテナが受信する前記複数の信号に基づいて前記基準信号を生成してもよい。これにより、一対の送信アンテナと受信アンテナが検査部位の周囲を回転する間に取得される複数の信号のそれぞれに含まれる異常組織からの反射波の成分を正確に抽出し、検査部位の異常組織を高精度に検出することができる。

また、前記複数の信号のそれぞれは、直接波の成分を含む第１の区間と、反射波の成分を含む第２の区間とを有し、前記基準信号生成手段は、前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号に基づいて前記重み係数を決定し、前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号及び前記第２の区間の信号に対して重み付け加算を行うことで前記基準信号を生成してもよい。この場合、第１の区間の信号に基づいて重み係数を決定することによって、複数の信号のそれぞれと基準信号とを比較する際、複数の信号のそれぞれにおける直接波の成分が、反射波の成分に比して小さくなるような重み係数が決定される。これにより、複数の信号のそれぞれに含まれる異常組織からの反射波の成分をより正確に抽出し、検査部位の異常組織を高精度に検出することができる。

また、前記基準信号生成手段は、前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号に基づいて、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより前記重み係数を決定してもよい。この場合、Tikhonov正則化の適用により、決定される重み係数のノルムが過大になることを防止でき、複数の信号のそれぞれと基準信号との比較により取得される信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、前記検査部位は、乳房であり、前記異常組織は、前記乳房に含まれる癌であってもよい。これにより、抽出した反射波の成分に基づき、乳房に含まれる乳癌を検出することができる。

本発明は、乳癌センサなどに用いられるアンテナ装置に好適である。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。また、生体に関わらず、周囲と誘電率が異なる検出対象の検出・判別に応用可能である。

１異常組織検出装置、２スイッチ部、３アンテナ部、９回転部、１１送信部、１２受信部、１４制御部、１５記憶部、１７，１９ＣＭＯＳスイッチ、３１固定基台、３３駆動部、３４駆動制御部、３７アンテナベース、３８アンテナアレイ、３９アンテナ取付部、４１アンテナカバー、４２スリーブ、４４固定プレート、５１ハンドル、５２蓋、５５制御基板、５６高周波基板、５７筐体、ＳＡ１〜ＳＡ８送信アンテナ、ＲＡ１〜ＲＡ８受信アンテナ、Ａ１〜Ａ４アンテナ列、ＣＡ異常組織、Ｌインダクタ、Ｅ_１，Ｅ_２楕円、ＳＳ基準信号、ＴＳ送信信号、ＲＳ受信信号、ＭＷインパルス信号、ＲＷ反射信号、ＣＳ１，ＣＳ２制御信号

Claims

マイクロ波を被検者の検査部位に向けて送信する複数の送信アンテナと、
前記複数の送信アンテナのいずれかが送信し、当該送信アンテナからの直接波の成分と前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を含むマイクロ波を受信する複数の受信アンテナと、
送信アンテナと受信アンテナとの間の距離が同一、かつ、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナと前記検査部位の異常組織との相対位置関係が異なる状態において１又は２以上の前記受信アンテナが受信した複数の信号を合成して基準信号を生成する基準信号生成手段と、
前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号生成手段が生成する前記基準信号とを比較することにより、前記複数の信号のそれぞれに含まれる前記検査部位の異常組織からの反射波の成分を推定する推定手段とを有し、
前記基準信号生成手段は、前記複数の信号を重み付け加算することにより前記基準信号を生成し、重み係数を、重み付けを均一にした場合に比べて、前記複数の信号のそれぞれと前記基準信号との、直接波の成分を含む区間における信号強度の差の合計が小さくなるように決定することを特徴とする、異常組織検出装置。
請求項１に記載の異常組織検出装置において、
送信アンテナと受信アンテナを、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対位置を維持したまま前記検査部位の周囲を回転させる回転制御手段を備え、
前記基準信号生成手段は、前記回転制御手段が前記送信アンテナと前記受信アンテナを回転する間に、当該受信アンテナが、異なる回転角度において受信した複数の信号に基づいて、基準信号を生成することを特徴とする、異常組織検出装置。
前記基準信号生成手段は、前記回転制御手段が、一対の送信アンテナと受信アンテナが前記検査部位の周囲を回転する間に、当該受信アンテナが受信する前記複数の信号に基づいて前記基準信号を生成することを特徴とする、請求項２に記載の異常組織検出装置。
前記複数の信号のそれぞれは、直接波の成分を含む第１の区間と、反射波の成分を含む第２の区間とを有し、
前記基準信号生成手段は、前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号に基づいて前記重み係数を決定し、
前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号及び前記第２の区間の信号に対して重み付け加算を行うことで前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の異常組織検出装置。
前記基準信号生成手段は、前記複数の信号のそれぞれにおける前記第１の区間の信号に基づいて、Tikhonov正則化を適用したWienerフィルタにより前記重み係数を決定することを特徴とする請求項４に記載の異常組織検出装置。
前記検査部位は、乳房であり、
前記異常組織は、前記乳房に含まれる癌であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の異常組織検出装置。