JP6925034B2

JP6925034B2 - 異常組織検出装置

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Publication number: JP6925034B2
Application number: JP2017175803A
Authority: JP
Inventors: 公麿吉川; 航宋; 佐藤　光; 光佐藤
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2018051303A

Description

本発明は、異常組織検出装置に関する。

Ｘ線装置やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置を用いずに、簡易な構成で異常組織を検出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１参照）。この異常組織検出装置には、アンテナが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。

アンテナアレイの一のアンテナから生体にインパルス状のマイクロ波の無線信号が放射され、アンテナアレイの他のアンテナで、生体の一部で反射した無線信号が受信される。アンテナの組み合わせを変えながら無線信号の送受信が行われ、各組み合わせで得られた複数の無線信号の送受信時間に基づいて、生体内の異常組織が検出される。

送受信される電気信号、無線信号には、様々なノイズ成分が混入する。一般に、異常組織によって反射されるインパルス波形（反射波形）は、ノイズ成分と比較して大きくないので、ノイズ成分の多い受信信号から反射波形を抽出することは難しい。したがって、このようなノイズ成分は、異常組織の検出精度の低下の要因となる。

そこで、特許文献２では、アンテナ間の距離が同じであるアンテナの組み合わせで、取得した受信信号を平均することによって基準信号を生成する。そして、基準信号と受信信号の差分から反射波形を抽出して、異常組織の位置を算出する。

特開２０１０−６９１５８号公報特開２０１６−８３０３６号公報

ノイズ成分の特性は、アンテナ回路を構成する素子の特性ばらつきの影響を受けるため、送信用アンテナと受信用アンテナとの組み合わせごとに異なる。しかしながら、特許文献２では、複数のアンテナの組み合わせの受信信号を平均して基準信号を生成しているため、個々のアンテナの組み合わせのノイズ特性に適した基準信号を生成することはできない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、アンテナの組み合わせごとのノイズ特性に適した基準信号を生成し、異常組織の検出精度を向上することができる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、本発明に係る異常組織検出装置は、
マイクロ波のインパルス信号を発生する送信部と、
前記送信部によって発生された前記インパルス信号を送信する複数の送信アンテナと、
前記インパルス信号を受信する複数の受信アンテナと、
前記受信アンテナによって受信された前記インパルス信号を含む受信信号を処理する信号処理部と、
前記複数の送信アンテナのうち前記インパルス信号を送信する送信アンテナを選択するとともに、前記複数の受信アンテナのうち前記インパルス信号を受信する受信アンテナを選択するスイッチ部と、
前記スイッチ部を制御して、選択された送信アンテナ及び選択された受信アンテナの組み合わせを切り替える制御部と、
前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを固定するアンテナ部と、
前記アンテナ部を回転可能に支持する固定基台と、を備え、
前記制御部は、
前記アンテナ部を回転させながら、前記インパルス信号を前記選択された送信アンテナに出力し、前記選択された受信アンテナで受信された受信信号を入力し、
前記信号処理部は、
前記選択された送信アンテナと前記選択された受信アンテナとの組み合わせごとに、入力された複数の前記受信信号を平均して、基準信号を算出する。

また、前記固定基台に取り付けられ、前記アンテナ部を回転させる駆動部を備える、
こととしてもよい。

また、前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナは、
被検者に接触可能なように、前記アンテナ部の表面に配置される、
こととしてもよい。

また、前記アンテナ部は、前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを固定するアンテナ取付部を備え、
前記アンテナ取付部の外面のうち少なくとも前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを覆うアンテナカバーと、
前記アンテナ取付部と前記アンテナカバーとの間に配置され、前記インパルス信号の経路の誘電率を調整する誘電率調整部と、を備える
こととしてもよい。

また、前記誘電率調整部は、比誘電率が２以上６以下である誘電体を用いて前記インパルス信号の経路の誘電率を調整する、
こととしてもよい。

前記アンテナカバーは、前記固定基台に回転不能に固定され、前記アンテナ部の回転に追従して回転しない、
こととしてもよい。

本発明によれば、送受信アンテナの組み合わせごとに、送受信アンテナ間の距離を変更することなく、送受信アンテナと異常組織との距離を変化させながらマイクロ波を送受信させることができるので、送受信アンテナの組み合わせごとのノイズ特性に適した基準信号を生成することが可能である。

図１（Ａ）は、実施の形態１に係る異常組織検出装置の外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、実施の形態１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。図２（Ａ）は、アンテナアレイの構成を示す側面図であり、図２（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図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、ＣＭＯＳスイッチの一部の回路図である。ＣＭＯＳスイッチの全体の回路図である。異常組織の検出原理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。図９（Ａ）は、回転角度α°の受信波形を示す概念図であり、図９（Ｂ）は、回転角度β°の受信波形を示す概念図であり、図９（Ｃ）は、基準波形を示す概念図である。受信波形パターン、基準波形パターン及び差分波形パターンの一例を示す図である。図１１（Ａ）は、実施の形態２に係る異常組織検出装置の外観を示す斜視図であり、図１１（Ｂ）は、実施の形態２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。アンテナ取付部及びアンテナカバーの要部の構成を示す断面側面図である。実施の形態２に係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）
図１（Ａ）、図１（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、後述する回転部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、アンテナ部３を被検者の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。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を準備してもよい。

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（被検者との接触面）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）、図２（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。

具体的には、アンテナ列Ａ１では、送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ１、送信アンテナＳＡ５、受信アンテナＲＡ５が、アンテナ取付部３９に、中心から半径方向に、一列に並べられている。同様にアンテナ列Ａ２では、送信アンテナＳＡ２、受信アンテナＲＡ２、送信アンテナＳＡ６、受信アンテナＲＡ６が一列に並べられる。アンテナ列Ａ３では、送信アンテナＳＡ３、受信アンテナＲＡ３、送信アンテナＳＡ７、受信アンテナＲＡ７が一列に並べられ、アンテナ列Ａ４では、送信アンテナＳＡ４、受信アンテナＲＡ４、送信アンテナＳＡ８、受信アンテナＲＡ８が一列に並べられている。各アンテナ列は、アンテナ取付部３９の中心から半径方向に互いに９０°の間隔で配置されている。

制御基板５５は、制御部１４、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のブロック図に示すように、駆動制御部３４は、後述する制御部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を所定角度回転させる。

制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、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。

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ＳＳ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（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路である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、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に示すようなインパルス状の電気信号である送信信号ＳＳ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ＳＲ１〜ＳＲ８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、単極８投のスイッチである。ＣＭＯＳスイッチ１７は、入力端から送信信号ＳＳを入力する。ＣＭＯＳスイッチ１７では、複数の出力端それぞれが複数の送信アンテナＳＡ１、ＳＡ２、…、ＳＡ８と接続されている。ＣＭＯＳスイッチ１７は、制御信号ＣＳ１に従って、入力した送信信号ＳＳ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。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）には、ＣＭＯＳスイッチ１７の一部の回路構成が示されている。図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、ＣＭＯＳスイッチ１７は、半導体スイッチング素子２１と、半導体スイッチング素子２２と、インバータ２５と、インダクタＬとを備える。

半導体スイッチング素子２１のソースは、送信信号ＳＳの信号ポート（Ｔｘ／ＲｘＰｏｒｔ；ＣＭＯＳスイッチ１９ではＲｘＰｏｒｔ）に接続されている。また、半導体スイッチング素子２１のドレインは、インダクタＬを介してＣＭＯＳスイッチ１７の出力端Ｔｎ（ｎ＝１、２、３、４、・・・）と接続されている。出力端Ｔｎは、送信アンテナＳＡｎと接続されている。すなわち、半導体スイッチング素子２１は、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８のいずれかと、送信部１１と接続された送信信号ポート（Ｔｘ／ＲｘＰｏｒｔ）との間に挿入されている。また、半導体スイッチング素子２１のゲートは、制御信号の信号ポートに接続されている。制御信号の信号ポートからは制御信号ＣＴｎ（ｎ＝１、２、３、４、・・・）が出力される。

半導体スイッチング素子２２のソースは、半導体スイッチング素子２１のドレインに接続されている。また、半導体スイッチング素子２２のドレインは、接地されている。すなわち、半導体スイッチング素子２２は、半導体スイッチング素子２１のドレイン側と出力端Ｔｎとの間と、グラウンドとの間にそれぞれ挿入されている。また、半導体スイッチング素子２２のゲートは、インバータ２５を介して、制御信号の信号ポートに接続されている。したがって、半導体スイッチング素子２２のゲートには、制御信号ＣＴｎの反転信号が入力される。

図５（Ａ）に示すように、制御信号ＣＴｎがハイレベル（１）になると、半導体スイッチング素子２１はオンになり、半導体スイッチング素子２２はオフになる。この状態では、送信部１１の送信ポート（ＴｘＰｏｒｔ）から出力されたマイクロ波の電気信号は、出力端Ｔｎから送信アンテナＳＡｎに出力され、送信アンテナＳＡｎからマイクロ波が放射される。

図５（Ｂ）に示すように、送信部１１から出力される制御信号ＣＴｎがローレベル（０）になると、半導体スイッチング素子２１はオフになり、半導体スイッチング素子２２はオンになる。この状態では、送受信ポート（Ｔｘ／ＲｘＰｏｒｔ）と、出力端Ｔｎとは非接続となり、送信アンテナＳＡｎではマイクロ波の送受信は行われない。仮に、送信部１１から半導体スイッチング素子２１を通して送信アンテナＳＡｎの方へリーク電流が流れたとしても、そのリーク電流は、半導体スイッチング素子２２を通ってグラウンドに流れるようになる。これにより、リーク電流に起因する諸問題、例えばノイズの混入などを防ぐことができる。

ＣＭＯＳスイッチ１７は図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示されるような送信アンテナＳＡｎに接続される回路を基本回路としている。以下では、この回路構成を基本回路２８とする。

図６には、ＣＭＯＳスイッチ１７の全体回路の回路構成が示されている。図６に示すように、ＣＭＯＳスイッチ１７は、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８に接続する８個の基本回路２８を有している。８個の基本回路２８は２つのグループに分かれている。

ＣＭＯＳスイッチ１７は、１Ｐ２Ｔスイッチ２９をさらに備えている。１Ｐ２Ｔスイッチ２９は、インダクタ２３を介して送信部１１の送信ポート（ＴｘＰｏｒｔ）と接続されている。

１Ｐ２Ｔスイッチ２９は、送信ポートから出力された送信信号ＳＳを入力する。１Ｐ２Ｔスイッチ２９は、２つの送信ポートＡ、Ｂを有しており、送信するアンテナに接続された基本回路２８が属するグループにインダクタ２３を介して接続された送信ポートＡ、Ｂから、入力した送信信号ＳＳを出力する。

１Ｐ２Ｔスイッチ２９の送信ポートの２つの出力は、インダクタ２４を介して対応するグループを構成する４つの基本回路２８にそれぞれ接続されている。例えば、送信ポートの出力Ａから送信信号ＳＳが出力された場合には、図６の左側のグループＡの各基本回路２８に送信信号ＳＳが入力される。

ＣＭＯＳスイッチ１７は、２つのデマルチプレクサ２７をさらに備える。デマルチプレクサ２７は、基本回路２８のグループ毎に設けられている。２つのデマルチプレクサ２７には、制御部１４から出力される制御信号ＣＳ１が入力されている。制御信号ＣＳ１には、どの送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８を送信用として選択すべきか否かを示す情報が含まれている。各デマルチプレクサ２７は、この制御信号ＣＳ１に基づいて、送信用として選択されたアンテナに接続された基本回路２８が、接続するグループに含まれているか否かを判定し、制御信号ＣＴｎを出力する。

デマルチプレクサ２７は、送信用として選択された送信アンテナＳＡｎに接続された基本回路２８が、接続するグループに含まれている場合には、その送信アンテナＳＡｎに接続された基本回路２８に出力する制御信号ＣＴｎをハイレベルとし、他の基本回路２８に出力される制御信号ＣＴｎについてはローレベルとする。図６では、送信アンテナＳＡ１に対応する制御信号がハイレベルとなり、他の制御信号がローレベルとなって、送信アンテナＳＡ１に接続される出力端Ｔ１が選択される様子が示されている。

また、デマルチプレクサ２７は、送信用として選択された送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８に接続された基本回路２８が、接続するグループに含まれていない場合には、すべての基本回路２８に出力される制御信号ＣＴｎをローレベルとする。

図６の場合、送信部１１から出力された送信信号ＳＳはインダクタ２３を介してグループＡの各基本回路２８に入力される。ここで、送信アンテナＳＡ１に接続された各基本回路２８がハイレベルの制御信号を入力している。この結果、送信信号ＳＳに基づくマイクロ波は、出力端Ｔ１から出力され、送信アンテナＳＡ１から放射される。

このように、単極８投のＣＭＯＳスイッチ１７は、８つの送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８と接続されている。ＣＭＯＳスイッチ１７は、８つの基本回路２８を備えている。基本回路２８は、８つの送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８のうちのいずれか１つのアンテナを選択するために各アンテナに接続され、それぞれ４ずつの２つのグループにグループ分けされた８つの選択回路である。さらに、ＣＭＯＳスイッチ１７は、基本回路２８のグループの一方を選択する１Ｐ２ＴのＣＭＯＳスイッチを備えている。

図３に戻り、配線部１５は、ＣＭＯＳスイッチの８つの出力端Ｔ１〜Ｔ８のいずれかと、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８のいずれかとを同じ長さの配線で結ぶ８つの伝送線路を備えている。

アンテナアレイ３８は、複数の送信アンテナＳＡ１、ＳＡ２、…、ＳＡ８を備える。複数の送信アンテナＳＡ１、ＳＡ２、…、ＳＡ８は、入力した送信信号ＳＳに従ってマイクロ波のインパルス信号ＭＷを送信する。インパルス信号ＭＷは、被検者の体内の異常組織ＣＡで反射し、反射信号ＲＷとなる。

アンテナアレイ３８は、複数の受信アンテナＲＡ１、ＲＡ２、…、ＲＡ８を備える。複数の受信アンテナＲＡ１、ＲＡ２、…、ＲＡ８は、反射信号ＲＷを含むマイクロ波を受信する。

配線部１６は、ＣＭＯＳスイッチ１９の８つの入力端Ｔ１〜Ｔ８のいずれかと、受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８のいずれかとを、同じ長さの配線で結ぶ８つの伝送線路を備えている。

ＣＭＯＳスイッチ１９は、単極８投のスイッチである。ＣＭＯＳスイッチ１９も図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図６に示す構成と同様の構成を有する。ＣＭＯＳスイッチ１７の出力端Ｔ１〜Ｔ８であったものが、ＣＭＯＳスイッチ１９では、入力端Ｔ１〜Ｔ８となる。ＣＭＯＳスイッチ１９は、８つの入力端Ｔ１〜Ｔ８を有し、複数の受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８で受信した信号を入力する。ＣＭＯＳスイッチ１９では、１つの出力端が受信部１２と接続されている。ＣＭＯＳスイッチ１９は、制御信号ＣＳ２に従って複数の受信アンテナＲＡ１、ＲＡ２、…、ＲＡ８のいずれかを選択し、受信した信号を、受信信号ＲＳとして受信部１２に送信する。ＣＭＯＳスイッチ１９では、制御信号ＣＳ２によって選択された入力端Ｔ１〜Ｔ８から入力された受信信号が、ＲｘＰｏｒｔに伝えられる。

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。

信号処理部としての制御部１４は、入力した受信信号ＲＳ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が選択された場合には、ＣＭＯＳスイッチ１７は、送信信号ＳＳ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。

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ＳＳをＣＭＯＳスイッチ１７に出力させ、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７に示すように、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ＲＡ２〜ＲＡ４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受信アンテナＲＡ２が反射波を受信するまでの時間をＴ₁₂［ｓ］とすると、Ｔ₁₂・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、異常組織ＣＡは、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ２を焦点とし、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ２からの距離の和がＴ₁₂・ｃとなる楕円Ｅ12上に位置することになる。

受信アンテナＲＡ３、ＲＡ４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Ｅ₁₂〜Ｅ₁₄（Ｅ₁₄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〜ＲＡ４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。

次に、本実施の形態に係る異常組織検出装置１における基準信号を用いた異常組織検出処理について説明する。

図８に示すように、異常組織検出処理が開始されると、制御部１４は、メモリ上の変数であるカウンタｃｎｔをリセット（ｃｎｔ＝０）する（ステップＳ１）。

続いて、取り得る全ての送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８と受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８との組み合わせで無線信号を送受信し、各組み合わせでの受信信号ＲＳを取得する（ステップＳ２）。具体的には、このステップＳ２において、制御部１４は、制御信号ＣＳ１、ＣＳ２を出力してＣＭＯＳスイッチ１７、１９を制御しつつ、送信信号ＳＳを送信する送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８及び受信信号ＲＳを受信する受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８の組み合わせを順次切り替えていく。そして、制御部１４は、この切り替えを行いながら、送信部１１に送信信号ＳＳを出力させ、受信信号ＲＳを受信部１２に入力させる。

本実施の形態では、ＣＭＯＳスイッチ１７によって送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８のうち、いずれかのアンテナが送信用のアンテナとして選択され、ＣＭＯＳスイッチ１９によって受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８のうち、いずれかのアンテナが受信用のアンテナとして選択される。すなわち、１つの送信用のアンテナに対して、８個の受信用のアンテナが存在する。送信用のアンテナの数は８個であるので、８×８＝６４通りのアンテナの組み合わせで送受信が行われる。

また、測定誤差の影響を低減するため、受信信号ＲＳの取得は、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８と受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８とのそれぞれの組み合わせで、３２回行う。制御部１４は、取得した３２回分の受信信号ＲＳを平均し、受信波形パターンを算出する（ステップＳ３）。

ステップＳ３の受信波形パターンの算出が完了すると、制御部１４は、カウンタｃｎｔをインクリメントし（ステップＳ４）、カウンタｃｎｔが３６０に達したか否か判定する（ステップＳ５）。カウンタｃｎｔが３６０未満であれば（Ｓ５；ＮＯ）、下記のステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、制御部１４は、アンテナ部３を含む回転部９を回転させるため、駆動制御部３４に回転信号を送る。回転信号を受けた駆動制御部３４は、駆動部３３を動作させることにより、回転部９を１°回転させる。そして、ステップＳ２の受信信号ＲＳの取得を行う。すなわち、アンテナ部３が１回転（１°×３６０回）するまで、受信信号ＲＳの取得及び受信波形パターンの算出を繰り返す。

ステップＳ５で、カウンタｃｎｔが３６０以上であれば（Ｓ５；ＹＥＳ）、基準波形パターン算出（ステップＳ７）を行う。

基準波形パターンは、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８と受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８との組み合わせごとに、３６０回算出された受信波形パターンを平均化して生成される。図９（Ａ）の概念図には、送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ８の組み合わせで、アンテナ部３の回転角度をα°とした場合の受信波形パターンが示されている。また、図９（Ｂ）には、同じ送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ８の組み合わせで、アンテナ部３の回転角度をβ°とした場合の受信波形パターンが示されている。アンテナ部３の回転角度をα°とした時と、β°とした時とで、送信アンテナＳＡ１と受信アンテナＲＡ８との距離は変わらない。よって、このアンテナの組み合わせに固有のノイズ成分と送信アンテナＳＡ１から受信アンテナＲＡ８に直接伝播するインパルス波形を含む直接波は、ほぼ同じとなる。一方、送信アンテナＳＡ１、受信アンテナＲＡ８と、異常組織との距離は、アンテナ部３の回転角度によって変化するため、受信信号ＲＳに含まれる異常組織からのインパルス信号の反射波形の位置は異なる。

したがって、アンテナ部３の回転角度ごとの受信波形パターンを平均化することにより、受信信号に含まれる異常組織からのインパルス信号の反射波成分を低減しつつ、アンテナの組み合わせに固有のノイズ成分を含む直接波の特性を保持した基準波形パターン（図９（Ｃ））を生成することができる。

続いて、制御部１４は、受信波形パターンと基準波形パターンの差分波形パターンを算出する（ステップＳ８）。さらに、制御部１４は、その差分波形パターンに基づいて、無線信号の送受信時間、すなわち、送信信号（インパルス信号）の放射時点から、目標物である異常組織ＣＡで反射された散乱信号の受信時点までの遅れ時間を求める。その遅れ時間に基づいて、図７に示すように、異常組織ＣＡの位置を検出する（ステップＳ９）。ステップＳ９終了後は、処理を終了する。

図１０には、送信アンテナＳＡ７を送信用アンテナとし、受信アンテナＲＡ７を受信用アンテナとした場合の受信波形パターン、基準波形パターン等が示されている。図１０に示すように、異常組織からの反射波形は、受信波形の中に比較的小さな変化として含まれる。受信波形パターンと基準波形パターンに基づいて、差分波形を算出することにより、反射波形が明確になっている。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、アンテナ部３を回転させることにより、送信アンテナＳＡ１〜ＳＡ８及び受信アンテナＲＡ１〜ＲＡ８と異常組織との距離を変化させながら受信信号ＲＳを取得することができる。これにより、アンテナの組み合わせごとに反射波成分を低減しつつ、ノイズ成分を残した基準信号を算出できる。したがって、アンテナの組み合わせごとのノイズ特性に適した基準信号を生成できるので、異常組織の検出精度を向上することができる。

上記実施の形態では、送信アンテナ及び受信アンテナの数を、それぞれ８個とし、アンテナ列を４つとしたが、これに限られない。例えば、送信アンテナ、受信アンテナを、それぞれ２個とする、１つのアンテナ列としてもよい。これにより、アンテナ部３の構成を簡易なものにしながら、異常組織の検出精度を向上することができる。

また、本実施の形態では、アンテナアレイ３８は、アンテナ取付部３９の中心から半径方向に配置されるアンテナ列によって構成されることとしたが、これに限られない。例えば、１行目にアンテナ列Ａ１、２行目にアンテナ列Ａ２、３行目にアンテナ列Ａ３、４行目にアンテナ列Ａ４を連続して配置する、格子状の配列としてもよく、アンテナ部３の回転によって、各アンテナ間の距離が変化しなければよい。

また、本実施の形態では、アンテナ部３の回転角度ごとに、受信信号ＲＳを３２回取得することとしたが、これに限られない。受信信号ＲＳが安定していれば、より少ない回数で受信波形パターンを算出してもよい。また、１回分の受信信号ＲＳを、そのまま受信波形パターンとして使用してもよい。これにより、異常組織検出に要する時間を短縮できるため、被検者の負担を軽減することができる。

また、本実施の形態では、アンテナ取付部３９の中心部（アンテナ取付部分）をドーム型としたが、これに限られない。例えば、アンテナ取付部３９の中心部を平板状とすることにより、背中など被検体の平面的な部位に密着させることができる。これにより、肝臓癌その他の異常組織検出が可能となる。

また、本実施の形態では、アンテナ部３を駆動部３３によって回転させることとしたが、これに限られず、手動で回転させることとしてもよい。これにより、異常組織検出装置１の構成を簡易化することができる。

（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る異常組織検出装置１０について説明する。異常組織検出装置１０は、実施の形態１に係る異常組織検出装置１と同様に、乳がんの検出を行う装置である。本実施の形態では、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように、異常組織検出装置１０が、アンテナ取付部３９の外面を覆うアンテナカバー４１を備える点で、上記実施の形態１と異なる。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので同じ符号を付す。

本実施の形態に係るアンテナ部３は、実施の形態１と同様に、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。また、異常組織検出装置１０は、アンテナ取付部３９の外面を覆うアンテナカバー４１、アンテナカバー４１を固定するためのスリーブ４２、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間に配置された図１２に示す誘電率調整部４３を備える。

実施の形態１と同様に、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。また、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。また、ドーム形状部分の外面、すなわち被検者の体に接触する面は、被検者に違和感を与えないよう滑らかな面に形成されている。

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よう構成されている。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、被検者の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。

アンテナカバー４１の材質は、例えば樹脂であり、本実施の形態に係るアンテナカバー４１の比誘電率は、ε＝２〜６程度である。

誘電率調整部４３は、図１２に示すように、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間の領域である。より具体的には、誘電率調整部４３は、アンテナ取付部３９のドーム形状部分とアンテナカバー４１のドーム形状部分との間の領域であり、誘電体が充填されている。充填されている誘電体の誘電率は、被検者の体の誘電率及び上述のアンテナカバー４１の誘電率に近いものを選択する。本実施の形態では、比誘電率２〜６程度であるワセリンまたは無水グリセリンを誘電体として使用する。これにより、インパルス信号の経路の誘電率を調整できる。すなわち、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間に空気層ができることによる不要幅射の発生を減少させ、精度よく異常組織の検出を行うことができる。

続いて、本実施の形態に係る異常組織検出装置１０を用いた異常組織検出方法について説明する。

異常組織の検出を行う際、まず、異常組織検出装置１０のアンテナカバー４１を被検者の乳房にセットする。より具体的には、被検者の乳房にアンテナカバー４１を当接させ、乳房とアンテナカバー４１のドーム部分との間に空気が入り込まないようにセットする。これにより、アンテナカバー４１及び人体に対して誘電率が大きく異なる空気の層を排除し、空気層での不要輻射を減少させることができる。なお、アンテナカバー４１をセットする前に、被検者の乳房にワセリンを塗布してもよい。

また、本実施の形態に係る異常組織検出装置１０では、アンテナカバー４１のドーム形状部分の外面が被検者の乳房に接するよう構成されている。アンテナカバー４１の外面には、アンテナアレイ３８が取り付けられておらず、滑らかなアンテナカバー４１の外面が乳房に接する。したがって、検査時に被検者の体を傷付けたり、被検者に違和感を与えたりすることなく検査を行うことができる。

続いて、実施の形態１と同様に、異常組織検出装置１０を動作させ、アンテナ部３を回転させつつ、無線信号の送受信を行う。そして、受信波形パターン及び基準波形パターンの算出を行い、これらの波形パターンから差分波形パターンを算出して、異常組織を検出する。

上述の通り、本実施の形態では、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間の誘電率調整部４３に誘電体を充填させている。したがって、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間のインパルス信号の経路には空気層が存在しない。これにより、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間で、空気層による不要輻射の発生を防止し、異常組織の検出を精度よく行うことができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、アンテナ部３を回転させる際、アンテナ取付部３９を直接被検者に接触させることなく、アンテナカバー４１を被検者に接触させることとしているので、被検者に身体的負担を与えることなく、異常組織の検出を行うことができる。

また、本実施の形態では、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間の誘電率調整部４３に誘電体を充填させて、インパルス信号の経路の誘電率を調整している。これにより、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１との間で、空気層による不要輻射の発生を防止し、異常組織の検出精度を向上させることができる。

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１３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。

また、本実施の形態に係るアンテナカバー４１は、アンテナ取付部３９全体を覆うこととしたが、これに限られない。例えば、アンテナアレイ３８が取り付けられている部分のみを覆うこととしてもよい。これにより、凹凸のあるアンテナ部分を覆うとともに、アンテナカバー４１の構造を簡素にすることができる。

また、本実施の形態では、アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１とが別の構成部材であることとしたが、これに限られない。アンテナ取付部３９とアンテナカバー４１とが一体的に形成されていてもよい。これにより、部品点数を削減し、アンテナ取付部３９、アンテナカバー４１の構造を簡素にすることができる。

また、上述の各実施の形態では、異常組織検出装置１，１０を被検者に接触させて異常組織を検出する。したがって、従来の大型の検出装置を用いる場合のように、検出装置上に伏臥して異常組織検出を行う必要はない。すなわち、仰臥位、立位等で検査を行うことができる。これにより、疾患、障害等により、伏臥位を取ることが困難な被検者であっても容易に異常組織の検出を行うことができる。

この発明は、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、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、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、この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。

１，１０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、１５，１６配線部、１７，１９ＣＭＯＳスイッチ、２１，２２半導体スイッチング素子、２３，２４インダクタ、２５インバータ、２７デマルチプレクサ、２８基本回路、２９１Ｐ２Ｔ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、４３誘電率調整部、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、Ｅ₁₂，Ｅ₁₃ 楕円、ＳＳ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

マイクロ波のインパルス信号を発生する送信部と、
前記送信部によって発生された前記インパルス信号を送信する複数の送信アンテナと、
前記インパルス信号を受信する複数の受信アンテナと、
前記受信アンテナによって受信された前記インパルス信号を含む受信信号を処理する信号処理部と、
前記複数の送信アンテナのうち前記インパルス信号を送信する送信アンテナを選択するとともに、前記複数の受信アンテナのうち前記インパルス信号を受信する受信アンテナを選択するスイッチ部と、
前記スイッチ部を制御して、選択された送信アンテナ及び選択された受信アンテナの組み合わせを切り替える制御部と、
前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを固定するアンテナ部と、
前記アンテナ部を回転可能に支持する固定基台と、を備え、
前記制御部は、
前記アンテナ部を回転させながら、前記インパルス信号を前記選択された送信アンテナに出力し、前記選択された受信アンテナで受信された受信信号を入力し、
前記信号処理部は、
前記選択された送信アンテナと前記選択された受信アンテナとの組み合わせごとに、入力された複数の前記受信信号を平均して、基準信号を算出する、
ことを特徴とする異常組織検出装置。
前記固定基台に取り付けられ、前記アンテナ部を回転させる駆動部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の異常組織検出装置。
前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナは、
被検者に接触可能なように、前記アンテナ部の表面に配置される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の異常組織検出装置。
前記アンテナ部は、前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを固定するアンテナ取付部を備え、
前記アンテナ取付部の外面のうち少なくとも前記複数の送信アンテナ及び前記複数の受信アンテナを覆うアンテナカバーと、
前記アンテナ取付部と前記アンテナカバーとの間に配置され、前記インパルス信号の経路の誘電率を調整する誘電率調整部と、を備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の異常組織検出装置。
前記誘電率調整部は、比誘電率が２以上６以下である誘電体を用いて前記インパルス信号の経路の誘電率を調整する、
ことを特徴とする請求項４に記載の異常組織検出装置。
前記アンテナカバーは、前記固定基台に回転不能に固定され、前記アンテナ部の回転に追従して回転しない、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の異常組織検出装置。