WO2017073757A1 - 検出装置、信号処理方法及びプログラム - Google Patents

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antenna
transmission
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公麿 吉川
航 宋
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Hiroshima University NUC
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Hiroshima University NUC
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Instruments for taking body samples for diagnostic purposes; Other methods or instruments for diagnosis, e.g. for vaccination diagnosis, sex determination or ovulation-period determination; Throat striking implements

Definitions

  • the present invention relates to a detection device, a signal processing method, and a program.
  • the diagnosis of cancer is generally performed by, for example, taking an image of a target region with an X-ray or a nuclear magnetic resonance apparatus (MRI (Magnetic Resonance Imaging)) and analyzing the taken image (for example, Patent Document 1).
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • Patent Document 1 a nuclear magnetic resonance apparatus
  • This abnormal tissue detection apparatus that can easily detect an abnormal tissue with a simple configuration without using an X-ray apparatus or an MRI apparatus (for example, see Patent Document 2).
  • This abnormal tissue detection apparatus is provided with an antenna array in which antennas are arranged in a matrix.
  • This abnormal tissue detection apparatus radiates a microwave impulse signal from one antenna of an antenna array to a living body, and receives a reflected wave of the radiated impulse signal by another antenna of the antenna array.
  • This abnormal tissue detection device performs transmission / reception of impulse signals while changing the combination of an antenna that transmits microwave impulse signals and an antenna that receives microwaves, and a plurality of reception signals obtained by combinations of the antennas. Based on the above, an abnormal tissue in the living body is detected.
  • the received signal may differ depending on the combination of antennas that transmit and receive radio waves. This is because the level of the received signal varies depending on the environment around each antenna, such as whether the antenna for transmission and reception is on the outer peripheral side or the inner peripheral side of the antenna array. Therefore, an antenna array device is disclosed in which a dummy antenna or the like is provided to change the radio wave transmission / reception state to the same state by combining different antennas (see, for example, Patent Document 3).
  • the delay of the received signal may differ depending on the combination of antennas. Due to the difference in the delay of the received signal, the detection accuracy may be reduced.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a detection device, a signal processing method, and a program capable of improving the detection accuracy of a detection target.
  • a detection apparatus provides: A plurality of transmission antennas for transmitting microwave impulse signals; A plurality of receiving antennas for receiving the impulse signal; Control that outputs an impulse signal to a selected transmission antenna while switching a combination of a transmission antenna and a reception antenna to be selected, inputs a reception signal received by the selected reception antenna, and performs signal processing on the input reception signal
  • the controller is A time adjustment unit that adjusts a deviation in a time direction of a signal waveform based on a time point of a peak in a signal waveform of a plurality of reception signals received by the reception antenna for a predetermined combination of the transmission antenna and the reception antenna; , A plurality of reception signals adjusted by the time adjustment unit, the plurality of reception signals acquired for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, or the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna
  • a detection waveform pattern generation unit that generates a detection waveform pattern indicating an average of a plurality of received signals acquired for the same
  • the time adjustment unit adjusts the deviation of the signal waveform in the time direction as a predetermined combination of the same combination of the transmission antenna and the reception antenna
  • the detected waveform pattern generation unit A set average waveform pattern that averages signal waveforms of a plurality of received signals in the same combination of the same transmitting antenna and the receiving antenna is generated as a detected waveform pattern
  • the reference waveform pattern generation unit The same distance average waveform pattern obtained by averaging the average waveform pattern for each set in the same combination of the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna is generated as a reference waveform pattern. It is good as well.
  • the time adjustment unit adjusts the deviation in the time direction of the signal waveform as a predetermined combination with the same relative distance between the transmission antenna and the reception antenna
  • the detected waveform pattern generation unit The same distance average waveform pattern that averages the signal waveform of the received signal in the same combination of the relative distance between the transmitting antenna and the receiving antenna is generated as a detected waveform pattern
  • the reference waveform pattern generation unit Generating all signal average waveform patterns obtained by averaging signal waveforms of received signals in all combinations of the transmitting antenna and the receiving antenna as a reference waveform pattern; It is good as well.
  • the controller is For combinations with the same relative distance between the transmitting antenna and the receiving antenna, the amplitude of the signal received by the receiving antenna is the same level based on the offset and amplitude of the signal waveform of the signal received by the receiving antenna.
  • Signal transmission / reception control for inputting the digital reception signal of a predetermined number of bits output from the selected reception antenna by outputting the impulse signal to the selected transmission antenna a plurality of times for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna
  • An average waveform pattern generating unit for acquiring an average waveform pattern that expresses an average of digital received signals that are input a plurality of times by a number of bits larger than the predetermined number of bits, as a waveform pattern of a signal waveform of the combination of received signals; and Comprising It is good as well.
  • the average waveform pattern generation unit for each set is Of the digital received signals input a plurality of times, exclude the digital received signals whose maximum amplitude is outside the 90% confidence interval of the normal distribution, and generate the average waveform pattern. It is good as well.
  • the impulse signal is a Gaussian monocycle pulse; It is good as well.
  • the controller is The same distance average waveform pattern generation unit that generates the same distance average waveform pattern indicating the average of the signal waveform of the received signal in the same combination of the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna,
  • the same distance average waveform pattern generation unit Regarding the waveform pattern of the signal waveform of the reception signal of each combination of the transmission antenna and the reception antenna, when a positive peak appears following a positive peak and a negative peak does not appear, the received signal of the combination Exclude the waveform pattern of the signal waveform from the calculation target, It is good as well.
  • the detector is Based on the differential waveform pattern, the propagation time from the transmission of the impulse signal to the reception of the reception signal is obtained for each combination of the same relative distance between the transmission antenna and the reception antenna, Based on the obtained propagation time, estimate the offset included in the propagation time when the relative distance is assumed to be 0, Detecting a position of a detection target based on the propagation time obtained by subtracting an offset included in the propagation time; It is good as well.
  • the detector is Obtaining the propagation time based on the first positive or negative peak position of the differential waveform pattern, estimating the offset included in the propagation time, When the offset included in the propagation time is estimated based on the positive peak position, the position of the detection target is detected based on the positive peak position of the differential waveform pattern, When the offset is estimated based on the negative peak position, the position of the detection target is detected based on the negative peak position of the differential waveform pattern. It is good as well.
  • a logic circuit that inputs a clock signal, a delay circuit, and a combination circuit of semiconductor switching elements, and a transmission signal generation unit that generates impulse signals to be transmitted to a plurality of transmission antennas using the combination circuit. It is good as well.
  • the controller is A band filter for removing low frequency noise and high frequency noise from the differential waveform pattern generated by the differential waveform pattern generation unit, It is good as well.
  • the controller is Compensating the differential waveform pattern with a loss equation of a medium through which the impulse signal propagates, It is good as well.
  • a signal processing method includes: While switching the combination of a plurality of transmission antennas that transmit microwave impulse signals and a plurality of reception antennas that receive the impulse signals, the impulse signals are output to the selected transmission antennas and received by the selected reception antennas.
  • a signal processing method for inputting the received signal and performing signal processing on the input received signal A time adjustment step for adjusting a deviation in a time direction of a signal waveform based on a point in time of a peak in a signal waveform of a plurality of reception signals received by the reception antenna for a predetermined combination of the transmission antenna and the reception antenna; , A plurality of reception signals adjusted in the time adjustment step, the plurality of reception signals acquired for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, or the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna
  • a detection waveform pattern generating step for generating a detection waveform pattern indicating an average of a plurality of received signals acquired for the same combination;
  • a reference waveform pattern generating step including a plurality of received signals used for generating the detected waveform pattern, and generating a reference waveform pattern indicating an average of signal waveforms of a larger number of received signals;
  • a differential waveform pattern generation step for generating a differential waveform pattern indicating a difference between the detection waveform pattern
  • the program according to the third aspect of the present invention is: Computer While switching the combination of a plurality of transmission antennas that transmit microwave impulse signals and a plurality of reception antennas that receive the impulse signals, the impulse signals are output to the selected transmission antennas and received by the selected reception antennas.
  • a control unit that inputs the received signal and performs signal processing on the received signal, For a predetermined combination of the transmission antenna and the reception antenna, a time adjustment unit that adjusts a shift in the time direction of the signal waveform based on a point in time of a peak in a signal waveform of a plurality of reception signals received by the reception antenna; A plurality of reception signals adjusted by the time adjustment unit, the plurality of reception signals acquired for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, or the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna A detection waveform pattern generation unit that generates a detection waveform pattern indicating an average of a plurality of received signals acquired for the same combination, A reference waveform pattern generation unit including a plurality of reception signals used for generating the detection waveform pattern, and generating a reference waveform pattern indicating an average of signal waveforms of a larger number of reception signals; A differential waveform pattern generation unit that generates a differential waveform pattern indicating a difference between the detection waveform pattern generated by the detection waveform pattern generation unit and
  • the average waveform pattern is calculated and calculated after matching each waveform pattern in the time direction.
  • a detection target is detected based on the average waveform pattern. Since the average waveform pattern adjusted in the time direction is a waveform pattern with reduced noise and jitter, detection accuracy of the detection target can be improved by detecting the detection target based on the waveform pattern.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a functional configuration of a control unit according to the first embodiment.
  • 3 is a flowchart of signal processing according to the first embodiment.
  • 3 is a data flow showing a data flow in the abnormal tissue detection apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 10A to 10C are diagrams showing how the waveform pattern is time-adjusted in the combination of the transmitting antenna and the receiving antenna having the same relative distance.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams showing how the level of a waveform pattern is adjusted in a combination of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating an example of a waveform of a differential waveform pattern when time adjustment is not performed.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating an example of the waveform of the differential waveform pattern when time adjustment is performed.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating an example of a waveform of a differential waveform pattern when level adjustment is not performed.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating an example of a waveform of a differential waveform pattern when level adjustment is performed. It is a graph which shows an example of the relationship between the distance between antennas, and peak time. It is a graph which shows an example of the relationship between the distance between antennas for every transmission antenna, and peak time.
  • FIGS. 16A to 16C are diagrams showing detection results of abnormal tissues when time adjustment and level adjustment are not performed.
  • FIGS. 17A and 17B are diagrams showing detection results of abnormal tissue when time adjustment and level adjustment are performed. It is a block diagram which shows the function structure of the control part which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a flowchart of signal processing according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a data flow showing a data flow in the abnormal tissue detection apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 21A is a histogram of the peak value of the received waveform.
  • FIG. 21B shows a peak value for each received waveform.
  • FIG. 22A is a graph showing an example of a differential waveform pattern.
  • FIG. 22B is a graph showing an example of the integral value of the differential waveform pattern.
  • FIG. 22C is a graph showing an example of a frequency spectrum obtained by Fourier transforming the differential waveform pattern.
  • FIG. 23A is a graph showing an example of a differential waveform pattern to which a bandpass filter is applied.
  • FIG. 23B is a graph showing an example of the integrated value of the differential waveform pattern to which the bandpass filter is applied.
  • FIG. 21A is a histogram of the peak value of the received waveform.
  • FIG. 21B shows a peak value for each received waveform.
  • FIG. 22A is a graph showing an example of
  • FIG. 24A is a graph showing an example of the integrated value of the differential waveform pattern before loss compensation.
  • FIG. 24B is a graph showing an example of the integrated value of the differential waveform pattern after loss compensation.
  • FIG. 25A and FIG. 25B are diagrams showing a positive peak position and a negative peak position in the differential waveform pattern.
  • FIG. 26A is a diagram showing the detection result of the abnormal tissue when the offset time is estimated at the positive peak position.
  • FIG. 26B is a diagram showing the detection result of the abnormal tissue when the offset time is estimated at the negative peak position.
  • FIG. 27A is a diagram illustrating an abnormal tissue detection result when the bandpass filter and the loss compensation are not applied.
  • FIG. 27B is a diagram illustrating the detection result of the abnormal tissue when the band filter is applied and the loss compensation is not applied.
  • FIG. 27C is a diagram illustrating a detection result of an abnormal tissue when a band filter and loss compensation are applied.
  • the abnormal tissue detection apparatus 1 includes a control unit 10, a transmission unit 11, a transmission amplifier 12, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) switch 13, a wiring unit 14, an antenna array 15, The wiring unit 16, the CMOS switch 17, the reception amplifier 18, the reception unit 19, and the selection unit 20 are provided.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the control unit 10 is a computer (information processing apparatus) including a CPU, a memory, an external storage device, an input / output I / O, a crystal oscillator, and the like.
  • the CPU executes a program installed in the external storage device and read into the memory, and writes / reads data to / from the external storage device and external devices via the input / output I / O
  • the function of the control unit 10 is realized by performing transmission and reception.
  • control unit 10 outputs the data signal DATA and the clock signal CLK to the transmission unit 11.
  • the control unit 10 inputs the data signal DATA2 from the reception unit 19 and outputs a clock signal CLK to the reception unit 19. Further, the control unit 10 outputs the control signal CS1 of the CMOS switches 13 and 17 to the selection unit 20.
  • the transmission unit 11 as a transmission signal generation unit generates and outputs a transmission signal SS1, which is an impulse-like electric signal as shown in FIG. 2, for example, according to the clock signal CLK input from the control unit 10. It is.
  • the transmission signal SS1 is an impulse-like electric signal in which a positive peak and a negative peak continue in a short time. This signal is also called a Gaussian monocycle pulse (GMP).
  • GMP is a broadband signal in a microwave band (for example, a center frequency of 6 GHz).
  • the transmission signal SS1 is repeatedly transmitted at a repetition frequency (for example, 100 MHz).
  • the transmission unit 11 includes a combinational circuit such as a logic circuit, a delay circuit, and a semiconductor switching element. As shown in FIG. 3, the transmitter 11 includes NAND circuits 21A and 21B, NOR circuits 21C and 21D, delay circuits 22A to 22D, OR circuits 23A and 23C, AND circuits 23B and 23D, and a down pulse generator. 24A and 24C, up pulse generators 24B and 24D, and buffer circuits 25A and 25B.
  • NAND circuits 21A and 21B are NAND circuits.
  • the clock signal CLOCK (CLK) and the data signal DATA are input to the NAND circuit 21A.
  • the NAND circuit 21B receives the clock signal CLOCK and the data signal / DATA.
  • the NOR circuits 21C and 21D are negative OR logic circuits.
  • a clock signal / CLOCK and a data signal / DATA are input to the NOR circuit 21C.
  • the clock signal / CLOCK and the data signal DATA are input to the NOR circuit 21D.
  • As the data signals DATA and / DATA a BPSK (Binary Phase Shift Keying) signal is input.
  • the output of the NAND circuit 21A is input to the delay circuit 22A, and the output of the NAND circuit 21B is input to the delay circuit 22B. Further, the output of the NOR circuit 21C is input to the delay circuit 22C, and the output of the NOR circuit 21D is input to the delay circuit 22D.
  • 1 ⁇ represents the delay time of one inverter.
  • 1 ⁇ , 2 ⁇ , 3 ⁇ , and 4 ⁇ are outputs of the first, second, third, and fourth inverters, and the delay time of each output is equal to 1 ⁇ , twice, three times, and four times the delay. It will be time.
  • the OR circuit 23A inputs the signal delayed by 1 ⁇ by the delay circuit 22A and the signal delayed by 4 ⁇ by the delay circuit 22D.
  • the AND circuit 23B receives the signal delayed by 2 ⁇ by the delay circuit 22B and the signal delayed by 3 ⁇ by the delay circuit 22C. Further, the OR circuit 23C receives the signal delayed by 1 ⁇ by the delay circuit 22B and the signal delayed by 4 ⁇ by the delay circuit 22C.
  • the AND circuit 23D receives the signal delayed by 2 ⁇ by the delay circuit 22A and the signal delayed by 3 ⁇ by the delay circuit 22D.
  • the down pulse generator 24A inputs the signal output from the OR circuit 23A.
  • the up pulse generator 24B receives the signal output from the AND circuit 23B.
  • the down pulse generator 24C receives the signal output from the OR circuit 23C.
  • the up pulse generator 24D receives the signal output from the AND circuit 23D.
  • the buffer circuit 25A receives the signal output from the down pulse generator 24A and the signal output from the up pulse generator 24B, and outputs a positive-side output signal OP of the differential output.
  • the buffer circuit 25B receives the signal output from the down pulse generator 24C and the signal output from the up pulse generator 24D, and outputs a differential output negative output signal OM.
  • the clock signal Ck that is the output signal of the OR circuit 23C has a high level (H) and a low level (L) as shown in FIG. It becomes a periodic signal that repeats.
  • the output a (see FIG. 3) of the inverter inside the down pulse generator 24C has a waveform as shown in FIG. 4B, which is delayed and inverted by the delay time 1 ⁇ , and the output b (FIG. 3) of the down pulse generator 24C. (Refer to FIG. 4C).
  • the current Id flowing in the switching element on the positive side of the buffer circuit 25B due to the ON output of the down pulse generator 24C has a waveform as shown in FIG.
  • the waveform pattern of the output signal OP is the output signal. This is the reverse of the OM waveform pattern.
  • the transmission amplifier 12 amplifies the transmission signal SS1 input from the transmission unit 11 and outputs it as the transmission signal SS2.
  • the transmission amplifier 12 includes a DC cut filter, an attenuator, a variable gain power amplifier, a STEP attenuator, and the like, and generates a transmission signal SS2 in which the DC component is cut and the gain is amplified.
  • the CMOS switch 13 is a single-pole 8-throw switch.
  • the CMOS switch 13 receives the transmission signal SS2 from the input end.
  • each of a plurality of output ends is connected to a plurality of transmission antennas Tx1, Tx2,.
  • the CMOS switch 13 switches the antenna that outputs the input transmission signal SS2 to any one of the plurality of transmission antennas Tx1, Tx2,..., Tx8 in accordance with a control signal CS2 output from the selection unit 20 described later.
  • the wiring unit 14 includes eight transmission lines that connect any one of the eight output ends of the CMOS switch 13 and any one of the transmission antennas Tx1 to Tx8 with a wiring having the same length.
  • This transmission line is formed by a coaxial cable, a micro strap line, or the like. Since the lengths of the transmission lines that transmit signals to the transmission antennas Tx1 to Tx8 in the wiring section 14 are the same, the time difference between the signals flowing through the transmission lines is almost eliminated.
  • the antenna array 15 includes a plurality of transmission antennas Tx1, Tx2, ..., Tx8.
  • the plurality of transmission antennas Tx1, Tx2,..., Tx8 transmit a microwave impulse signal MW according to the input transmission signal SS2.
  • the impulse signal MW is reflected by the abnormal tissue CA in the body of the subject and becomes a reflected signal RW.
  • the antenna array 15 includes a plurality of receiving antennas Rx1, Rx2, ..., Rx8.
  • the plurality of receiving antennas Rx1, Rx2,..., Rx8 receive a microwave (reflected signal RW).
  • FIG. 5A shows one surface of the antenna array 15, and FIG. 5B shows the other surface of the antenna array 15.
  • a plurality of antennas are arranged in a 4 ⁇ 4 matrix.
  • the size of the antenna array 15 is, for example, 55.4 mm ⁇ 47 mm, and the thickness is 0.635 mm.
  • Each antenna is 11 mm ⁇ 13.1 mm.
  • the gap between the antennas is set to 1 mm.
  • the transmission antennas Tx1 to Tx4 are arranged side by side in the X axis direction
  • the reception antennas Rx1 to Rx4 are arranged side by side in the X axis direction
  • the transmission antennas Tx5 to Tx8 are arranged side by side in the X axis direction.
  • the receiving antennas Rx5 to Rx8 are arranged side by side in the X-axis direction.
  • the transmission antennas Tx1 to Tx4, the reception antennas Rx1 to Rx4, the transmission antennas Tx5 to Tx8, and the reception antennas Rx5 to Rx8 are arranged in this order in the Y-axis direction.
  • the reception environment for the wave impulse signal is the same.
  • the wiring unit 16 includes eight transmission lines that connect any one of the eight input ends of the CMOS switch 17 and any one of the receiving antennas Rx1 to Rx8 with a wiring having the same length.
  • the lengths of the transmission lines for transmitting signals from the receiving antennas Rx1 to Rx8 are the same, so that there is almost no time difference between the signals.
  • the CMOS switch 17 is a single-pole 8-throw switch.
  • the CMOS switch 17 has eight input terminals and inputs signals received by the plurality of receiving antennas Rx1 to Rx8.
  • one output terminal is connected to the reception amplifier 18.
  • the CMOS switch 17 switches the signal received in accordance with the control signal CS2 output from the selection unit 20 to any one of a plurality of reception antennas Rx1, Rx2,..., Rx8 that transmit the reception signal RS1 to the reception amplifier 18.
  • the reception signal input from the input terminal by the control signal CS2 is output as the reception signal RS1.
  • the reception amplifier 18 amplifies the reception signal RS1 and outputs the amplified signal as the reception signal RS2.
  • the reception amplifier 18 includes a low noise amplifier, a STEP attenuator, a DC cut filter, and the like, receives the reception signal RS1, and generates and outputs the reception signal RS2 through these internal circuits.
  • the reception unit 19 is a hardware circuit that outputs the reception signal RS2 input from the reception amplifier 18 to the control unit 10.
  • the reception signal RS2 is converted into a digital data signal DATA2 and input to the control unit 10.
  • the data signal DATA2 is a 4-bit signal, for example.
  • the selection unit 20 is a hardware circuit that outputs a control signal CS2 for switching the CMOS switches 13 and 17 in accordance with the control signal CS1 output from the control unit 10.
  • the switches are switched according to the control signal CS2, and one transmission antenna among the transmission antennas Tx1 to Tx8 of the antenna array 15 and one reception antenna among the reception antennas Rx1 to Rx8 are selected.
  • the control unit 10 performs signal processing on the input data signal DATA2 to detect abnormal tissue CA.
  • the CMOS switch 13 switches to output the transmission signal SS2 to the transmission antenna Tx2.
  • the CMOS switch 17 switches to output the reception signal RS1 received by the reception antenna Rx2 to the reception amplifier 18.
  • the microwave impulse signal MW is transmitted and received by a combination of the transmission antenna Tx2 and the reception antenna Rx2.
  • the control unit 10 controls the CMOS switches 13 and 17 by the control signal CS2 and outputs the transmission signal SS2 to the CMOS switch 13 while switching the combination of the transmission antennas Tx1 to Tx8 and the reception antennas Rx1 to Rx8, and receives the reception antenna Rx1.
  • the received signal RS1 output from ⁇ Rx8 is input via the CMOS switch 17, and signal processing is performed on the input electrical signal.
  • a microwave impulse signal is radiated from the transmission antenna Tx1.
  • Part of the emitted microwave propagates in the living body.
  • abnormal tissue CA such as cancer tissue has a dielectric constant about 5 to 10 times higher than that of normal biological tissue. Therefore, when the abnormal tissue CA exists, the microwave is reflected at the interface of the regions having different dielectric constants, that is, the surface of the abnormal tissue CA, and is received by the receiving antennas Rx2 to Rx4.
  • T 12 ⁇ c speed of light in the living body
  • abnormal tissue CA is a receiving antenna Rx2 and the transmission antennas Tx1 and focus, will be located on an ellipse E12 sum of the distance from the antenna Tx1 and Rx2 is T 12 ⁇ c.
  • the same processing is performed on the microwaves received by the antennas Rx3 and Rx4, and the position of the abnormal tissue CA can be obtained by obtaining the intersections of a plurality of ellipses E 12 to E 14 (E 14 is not shown). .
  • the time from when the impulse signal is transmitted from the transmitting antenna Txm to when the receiving antenna Rxn receives it is defined as a propagation time T mn .
  • the antenna that transmits the impulse signal is switched to the transmission antenna Tx2, the microwave is radiated from the transmission antenna Tx2, and this is received by the reception antennas Rx2 to Rx4, and the same processing is performed. Thereafter, the microwaves are radiated while the transmitting antennas are sequentially switched, the reflected waves are received by the receiving antennas, and the same processing is performed, whereby the position of the abnormal tissue CA can be specified more accurately.
  • the abnormal tissue detection apparatus 1 detects the abnormal tissue CA based on the propagation time of the impulse signal transmitted and received between the transmission antennas Tx1 to Tx8 and the reception antennas Rx1 to Rx8. Therefore, the position of the abnormal tissue CA can be accurately detected by eliminating the delay of the impulse signal on the circuit as in the present embodiment.
  • FIG. 7 shows a functional configuration of the control unit 10.
  • the control unit 10 includes a signal transmission / reception control unit 30, an average waveform pattern generation unit 31 for each set, a time adjustment unit 32A, a level adjustment unit 32B, and an equal distance average waveform pattern generation unit 32C. And an all-signal average waveform pattern generation unit 33A, a differential waveform pattern generation unit 33B, a detection unit 34, and a storage unit 40.
  • raw waveform data 41, average waveform pattern 42 for each set, average distance average waveform pattern 43, average total signal waveform pattern 44, differential waveform pattern 45, and detected image data 46 are stored. Is done.
  • Each unit shown in FIG. 7 is realized by execution of the CPU as described above.
  • the signal transmission / reception control unit 30 outputs the impulse signal to the selected transmission antenna while switching the combination of the transmission antenna and the reception antenna to be selected, and inputs the reception signal received by the selected reception antenna.
  • the signal transmission / reception control unit 30 outputs the impulse signal to the selected transmission antenna a plurality of times for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, and outputs a digital signal with a quantization bit number of 4 bits output from the selected reception antenna.
  • a reception signal (data signal DATA2) is input. This data is stored in the storage unit 40 as raw waveform data 41.
  • the average waveform pattern generation unit 31 for each set generates an average waveform pattern that expresses the average of a 4-bit digital received signal input a plurality of times by the number of quantization bits larger than 4 bits, and the signal waveform of the received signal of the combination. Acquired as a waveform pattern.
  • the acquired pattern is stored in the storage unit 40 as an average waveform pattern 42 for each set.
  • the time adjustment unit 32A adjusts the deviation in the time direction of the signal waveform based on the peak time point in the signal waveform of the reception signal received by the reception antenna for the combination having the same relative distance between the transmission antenna and the reception antenna. Specifically, the time of the signal waveform is adjusted so that the signal waveforms are overlapped so that the peak points coincide.
  • the level adjustment unit 32B determines the amplitude of the signal received by the receiving antenna based on the offset Offset and the amplitude of the signal waveform of the signal received by the receiving antenna for the combination having the same relative distance between the transmitting antenna and the receiving antenna.
  • the amplitude level of the signal waveform is adjusted so that becomes the same level.
  • the scale of each signal waveform is adjusted so that the center and amplitude of each signal waveform are the same.
  • the same distance average waveform pattern generation unit 32C as the detection waveform pattern generation unit adjusts the deviation in the time direction of the signal waveform and adjusts the amplitude level of the signal waveform, and the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna. Generate the same distance average waveform pattern indicating the average of the signal waveforms of the received signals in the same combination.
  • the generated waveform pattern is stored in the storage unit 40 as the same distance average waveform pattern 43.
  • the same distance average waveform pattern generation unit 32C has a positive peak that appears after the positive peak and no negative peak in the waveform pattern of the signal waveform of the reception signal of each combination of the transmission antenna and the reception antenna.
  • the waveform pattern of the signal waveform of the received signal of the combination is excluded from the calculation target for detecting the detection target.
  • the all-signal average waveform pattern generation unit 33A as the reference waveform pattern generation unit generates an all-signal average waveform pattern indicating the average of the signal waveforms of the reception signals at all combinations of the transmission antenna and the reception antenna.
  • the generated waveform pattern is stored in the storage unit 40 as an all-signal average waveform pattern 44.
  • the differential waveform pattern generation unit 33B includes the same distance average waveform pattern 43 and the all signal average waveform pattern generation unit in the combination in which the relative distance between the transmission antenna and the reception antenna generated by the same distance average waveform pattern generation unit 32C is the same.
  • a differential waveform pattern indicating a difference from the all-signal average waveform pattern 44 generated at 33A is generated.
  • the generated waveform pattern is stored in the storage unit 40 as the differential waveform pattern 45.
  • the detection unit 34 detects a detection target based on the differential waveform pattern 45 generated by the differential waveform pattern generation unit 33B. Based on the differential waveform pattern 45, the detection unit 34 has a propagation time T mn from the transmission of the impulse signal to the reception of the reception signal, with the same relative distance between the transmission antenna and the reception antenna (inter-antenna distance). Ask for each. Then, the detection unit 34 on the basis of the propagation time T mn obtained, the relative distance between the transmit and receive antennas (antenna distance) remains even when it is assumed to be 0, contained in the propagation time T mn The offset TL is estimated (see FIG. 14). Details of the offset TL will be described later. Furthermore, the detection unit 34 detects the position of the detection target based on the propagation time T mn ′ from which the offset TL has been subtracted.
  • FIG. 8 shows a flow of operations of the abnormal tissue detection apparatus 1.
  • FIG. 9 shows the data flow of the abnormal tissue detection apparatus 1.
  • FIG. 8 shows the flow of processing of the control unit 10.
  • the control unit 10 (signal transmission / reception control unit 30) transmits and receives microwaves in all combinations to obtain a reception signal (step S11).
  • the signal transmission / reception control unit 30 outputs the control signal CS1 for selecting the transmission antenna Tx1 and the reception antenna Rx1, and outputs the data signal DATA to the transmission unit 11 to output the transmission signal SS1.
  • signals are transmitted and received between the transmission antenna Tx1 and the reception antenna Rx1, and a signal received by the reception antenna Rx1 is input to the control unit 10.
  • the signal transmission / reception control unit 30 stores the received signal as raw waveform data 41 in the storage unit 40.
  • the received signal is stored in association with information (Tx1-Rx1) of the transmission antenna and the reception antenna used for transmission / reception.
  • the signal transmission / reception control unit 30 performs signal transmission / reception a plurality of times, for example, 16 times, with the same antenna combination (Tx1-Rx1). Accordingly, the storage unit 40 stores 16 pieces of data of the received signal (data signal DATA2) in the same antenna combination (Tx1-Rx1).
  • the signal transmission / reception control unit 30 outputs the control signal CS1, causes the selection unit 20 to output the control signal CS2 for selecting the transmission antenna Tx1 and the reception antenna Rx2, and causes the transmission unit 11 to output the transmission signal SS1.
  • Signal transmission / reception is performed 16 times, and 16 received signals are acquired for the antenna combination (Tx1-Rx2) and stored in the storage unit 40.
  • the control unit 10 calculates an average waveform pattern with the same combination of the transmission antenna and the reception antenna (step S12).
  • the average waveform pattern generation unit 31 for each group stores 16 received signals (raw waveform data 41) for each antenna combination.
  • the average waveform pattern generation unit 31 for each set calculates an average waveform pattern of the 16 received signals (data signal DATA2) as an average waveform pattern 42 for each set.
  • Each received signal (data signal DATA2) is a 4-bit coarse digital signal.
  • the control unit 10 excludes the average waveform pattern having no peak in the waveform from the group-specific average waveform pattern 42 in the same combination of the transmission antenna and the reception antenna. (Step S13).
  • the same distance average waveform pattern generation unit 32C excludes an average waveform pattern in which a negative peak does not appear after a positive peak from subsequent calculation targets. This exclusion may be performed by another threshold value.
  • the control unit 10 performs time adjustment of the average waveform pattern with the combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance (step S14).
  • step S14 For example, as a combination of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance, as shown in FIGS. 5A and 5B, (Tx1-Rx1), (Tx2-Rx2), (Tx3-Rx3), (Tx4-Rx4), (Tx5-Rx5), (Tx6-Rx6), (Tx7-Rx7), (Tx8-Rx8), and the like.
  • FIG. 10A shows an average waveform pattern for two combinations of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance.
  • the two average waveform patterns appear to overlap well, but actually, as shown in FIG. 10B in which the vicinity of the peak is enlarged, the peak P1 of the two signal waveforms, P2 is shifted in the time direction. Therefore, the control unit 10 calculates the center time points A1 and A2 of the peaks P1 and P2 of the two signal waveforms as shown in FIG. 10C, which is a further enlarged view of FIG. dT is calculated.
  • the centers of the vertices of the peaks P1 and P2 that maintain the maximum values may be set as the central time points A1 and A2.
  • the control unit 10 performs level adjustment of the average waveform pattern with the combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance (step S15). Specifically, as shown in FIG. 11A, the level adjustment unit 32B obtains an offset component Offset of two average waveform patterns for a combination of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance, and FIG. ), The scale ratio of the levels A and B between the maximum value and the minimum value of the two average waveform patterns is obtained.
  • control unit 10 uses a combination of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance based on the obtained shift time dT, the offset Offset, and the scale ratio A / B.
  • An average signal pattern is calculated (step S16).
  • Time adjustment adjustment of time deviation
  • level adjustment are performed, and an average waveform pattern for a combination of a transmission antenna and a reception antenna having the same relative distance is calculated.
  • the calculated average waveform pattern is stored in the storage unit 40 as the same distance average waveform pattern 43 (detected waveform pattern) as shown in FIGS.
  • control unit 10 all signal average waveform pattern generation unit 33A calculates an average waveform pattern for all combinations of transmission antennas and reception antennas as an all signal average waveform pattern (reference waveform pattern) 44 (step S17). ).
  • the living body may include an abnormal tissue CA that changes the received signal.
  • an abnormal tissue CA When there is an abnormal tissue CA, the waveform pattern of the reception signal received by each reception antenna Rxn changes. How the received signal received by each receiving antenna Rxn changes depending on the abnormal tissue CA depends on the positional relationship between the receiving antenna Rxn and the abnormal tissue CA. For example, when the transmission antenna Tx1 is for transmission and the reception antenna Rx1 is for reception, the appearance position of the abnormal tissue CA component in the received signal, and when the transmission antenna Tx6 is for transmission and the reception antenna Rx6 is for reception The appearance position of the abnormal tissue CA component in the received signal is different.
  • the component of abnormal tissue CA is detected using the average waveform pattern of all signals of the reception signal actually measured using a living body as a reference waveform pattern, while suppressing the component of abnormal tissue CA. .
  • the calculated average waveform pattern is stored in the storage unit 40 as an all-signal average waveform pattern (reference waveform pattern) 44 as shown in FIGS.
  • the control unit 10 calculates a difference waveform pattern between the same distance average waveform pattern and the reference waveform pattern (step S18).
  • the control unit 10 calculates the average signal average waveform pattern (total signal average waveform pattern 43 obtained in step S17) from the average distance average waveform pattern 43 in the combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance obtained in step S16.
  • a difference waveform pattern is obtained by subtracting the (reference waveform pattern) 44.
  • the differential waveform pattern is obtained for each combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance.
  • the calculated differential waveform pattern is stored in the storage unit 40 as a differential waveform pattern 45 as shown in FIGS.
  • FIG. 12A shows the same distance average waveform pattern obtained by combining the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance, and the total signal average waveform pattern (reference waveform), which are obtained when the time adjustment in step S14 is not performed.
  • the difference waveform pattern obtained when the pattern) is subtracted is shown.
  • FIG. 12B shows the same distance average waveform pattern obtained by combining the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance and the average signal average waveform pattern (reference) obtained when the time adjustment in step S14 is performed.
  • a differential waveform pattern obtained when the (waveform pattern) is subtracted is shown. As can be seen by comparing FIG. 12A and FIG. 12B, the obtained differential waveform pattern is remarkably different depending on the presence or absence of time adjustment.
  • FIG. 13A shows the same distance average waveform pattern obtained by combining the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance and the all signal average waveform pattern (reference waveform), which are obtained when the level adjustment in step S15 is not performed.
  • the difference waveform pattern obtained when the pattern) is subtracted is shown.
  • FIG. 13B shows the same distance average waveform pattern obtained by the combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance in step S18, which is obtained when the level adjustment in step S15 is performed, and the total average signal waveform.
  • a differential waveform pattern obtained when the pattern (reference waveform pattern) is subtracted is shown. As can be seen by comparing FIG. 13A and FIG. 13B, the obtained differential waveform patterns are slightly different.
  • FIG. 14 shows the relationship of the propagation time (peak time) from the start of transmission of the transmission signal in the differential waveform pattern to the peak with respect to the distance between the antennas of the transmission antenna and the reception antenna. If the distance between the antennas becomes zero, the time until reception of the differential waveform pattern from the start of transmission of the transmission signal should theoretically be zero, but as shown in FIG. Has an offset time TL.
  • the offset time TL is considered to be due to the delay of the high-frequency signal from when the impulse current starts to flow to the terminal of the antenna until the electromagnetic wave is actually radiated from the antenna opening surface.
  • the offset time TL is an error factor in the detection result of the abnormal tissue CA, it is necessary to remove it from the measured peak time T mn . Since the offset time TL varies due to various factors such as a difference in electronic device characteristics in each component of the detection apparatus and a difference in transmission / reception antenna characteristics, it is necessary to obtain the offset time TL for each measurement. Therefore, in this step, the offset time TL is obtained.
  • the detection unit 34 obtains a time T from the start of transmission of a transmission signal to the first peak appearing in the differential waveform pattern by a combination of a transmission antenna and a reception antenna having different distances between the antennas.
  • a solid line shown in FIG. 14 is determined based on the points plotted using the least square method. And the position coordinate of the intersection of this solid line and a vertical axis
  • the detection unit 34 integrates the differential waveform patterns respectively obtained by combinations of transmission antennas and reception antennas having different antenna distances. Then, for the integrated waveform, a time T from the start of transmission of the transmission signal until the maximum peak appears is obtained, and the time T is plotted on the graph shown in FIG. 14, for example, a point plotted using the least square method The solid line shown in FIG. And the position coordinate of the intersection of this solid line and a vertical axis
  • FIG. 15 shows a graph in the case where the time T from the start of transmission of a transmission signal to reception is generated for each transmission antenna.
  • the curves (solid lines) for the transmission antennas Tx1, Tx3, and Tx4 are in good agreement, but the curve (dotted line) for the transmission antenna Tx2 is better than the curves of other antennas.
  • the slope is also large.
  • the measurement result related to the transmission antenna Tx2 may be excluded from the measurement result for detecting the abnormal tissue CA.
  • the control unit 10 detects the abnormal tissue CA based on the differential waveform pattern (step S20).
  • the time until reception that is, the propagation time (peak time) T mn until the peak appears
  • the offset time TL is subtracted.
  • the position of the abnormal tissue CA is detected by detecting the intersection of a plurality of ellipses based on the stroke distance of the microwave impulse signal.
  • the detected abnormal tissue is imaged and stored in the storage unit 40 as detected image data 46 as shown in FIG. 7 and displayed on the display screen as necessary.
  • FIGS. 16 (A) to 16 (C) show detection results (detected images) of abnormal tissue CA when time adjustment and level adjustment are not performed. As shown in FIGS. 16A to 16C, it is difficult to specify the position of the abnormal tissue CA when the time adjustment and the level adjustment are not performed.
  • FIG. 17A shows the detection result of the abnormal tissue CA when the time adjustment is performed
  • FIG. 17B shows the detection result of the abnormal tissue CA when the time adjustment and level adjustment are performed ( Image).
  • abnormal tissue CA appears slightly in the middle and diagonally to the left.
  • the position of the abnormal tissue CA can be specified.
  • the detection position of the abnormal tissue CA is slightly different between when the level adjustment is performed and when the level adjustment is not performed, and the detection position of the abnormal tissue CA is more accurate when the level adjustment is performed.
  • the waveform pattern for each set is matched to the time direction and the amplitude direction.
  • the average waveform pattern at the same distance is calculated, and the detection target is detected based on the calculated average waveform pattern. Since the average waveform pattern at the same distance adjusted in the time direction and the amplitude direction is a waveform pattern with reduced noise and jitter, if the detection target is detected based on the waveform pattern, the detection accuracy of the detection target Can be improved.
  • the transmission antennas Tx1 to Tx8 have the same positional relationship even if the lengths are slightly different.
  • the received signal transmitted and received by the combination of the receiving antennas Rx1 to Rx8 may be calibrated to adjust the difference in the received signal due to the difference in the wiring length.
  • the control unit 10 excludes reception signals with large variations in peak values and calculates an average waveform pattern for each set, and a bandpass filter for the difference waveform pattern
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that a compensation calculation or the like is applied. Moreover, it differs from the said Embodiment 1 by the point which uses the average waveform pattern for every group as a detection waveform pattern, and the same distance waveform pattern as a reference
  • the basic functional configuration of the control unit 10 (FIG. 18) is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 7 except for the part related to the average waveform pattern of all signals, but the difference between the detected waveform pattern and the reference waveform pattern. Therefore, some functions and processes are different from those in the first embodiment. Hereinafter, functions different from those of the first embodiment will be mainly described.
  • the average waveform pattern generation unit 31 for each set excludes outliers from the received signal. Specifically, the average value and the standard deviation of the peak values are obtained from the peak value of each received signal acquired with the same combination of the transmitting antenna and the receiving antenna. Then, after removing received signals whose peak values are out of a certain confidence interval, an average waveform pattern for each set is calculated.
  • the differential waveform pattern generation unit 33B includes a band filter for excluding noise from the differential waveform pattern.
  • the differential waveform pattern includes high-frequency quantization noise and direct-current component low-frequency noise.
  • the differential waveform pattern generation unit 33B applies a bandpass filter to the differential waveform pattern to remove these noises.
  • the differential waveform pattern generation unit 33B includes a compensator for amplifying the reception signal attenuated by propagating through the body of the subject. Specifically, compensation is performed by multiplying the integral waveform of the differential waveform pattern by a compensation coefficient C of the following equation.
  • ⁇ is the attenuation constant of the following equation
  • r is the distance (the speed of light in the living body c ⁇ time t).
  • ⁇ represents magnetic permeability
  • ⁇ represents dielectric constant
  • ⁇ represents angular frequency
  • ⁇ represents conductivity.
  • FIG. 19 shows a flow of operations of the abnormal tissue detection apparatus 1.
  • FIG. 20 shows a data flow of the abnormal tissue detection apparatus 1.
  • Step S31 is the same processing as step S11 of the first embodiment, and signals are transmitted and received a plurality of times, for example, 40 times with the same combination of antennas (FIG. 20). Then, the data (raw waveform data 41) of 40 received signals (data signal DATA2) is stored in the storage unit 40 for all combinations of antennas (64 ways).
  • the control unit 10 excludes the data of the received signals whose peak values are out of the confidence interval with the constant peak value from the data of the 40 received signals (step S32). . Specifically, the average waveform pattern generation unit 31 for each set calculates the average value and standard deviation of the peak values based on the peak values of each of the 40 received signal data. Then, received signals whose peak values are outliers that are out of a certain confidence interval are excluded.
  • the confidence interval for excluding outliers can be arbitrarily set based on the variation in the peak value of each received signal.
  • a range of an average value ⁇ 1.64 ⁇ ( ⁇ : standard deviation), that is, a confidence interval of about 90% is set, and a peak value that deviates from this is set.
  • the received signal is excluded.
  • FIG. 21A is a diagram showing the peak value of each received signal acquired by the combination of the transmitting antenna Tx1 and the receiving antenna Rx13
  • FIG. 21B is a histogram of the peak value of each received signal. . Outliers outside the 90% confidence interval are excluded from the peak value of this received signal.
  • control unit 10 uses the same combination of the transmission antenna and the reception antenna for the remaining reception signal (raw waveform data 41) from which the reception signal data related to the outlier is excluded from the first embodiment. Similarly to step S14, the time difference dT is calculated for time adjustment (step S33).
  • control unit 10 uses the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, and the remaining reception signal (raw waveform data 41) excluding the reception signal data related to the outlier is the same as that of the first embodiment.
  • the remaining reception signal raw waveform data 41
  • the remaining reception signal data related to the outlier is the same as that of the first embodiment.
  • an offset Offset and a scale ratio A / B are obtained (step S34).
  • the control unit 10 (average waveform pattern generation unit 31 for each group) serves as a detection waveform pattern generation unit for the remaining reception signal (raw waveform data 41) excluding the reception signal data related to the outlier in step S33. Adjustment is made based on the obtained shift time dT, the offset Offset and the scale ratio A / B obtained in step S34, and an average waveform pattern for the same combination of the transmission antenna and the reception antenna is calculated (step S35). That is, as shown in FIG. 20, the average waveform pattern generation unit 31 for each group excludes reception signals related to outliers from the 40 reception signals (data signal DATA2) by the filtering.
  • each received signal (data signal DATA2) is a 4-bit coarse digital signal.
  • the number of quantization bits of each digital received signal is increased, and is statistically valid. Since the signal waveform can be obtained, the influence of noise and jitter included in the received signal can be reduced. Further, by calculating the average waveform pattern for each set by excluding the reception signal related to the outlier, it is possible to obtain the average waveform pattern for each set with less influence of noise.
  • control unit 10 serving as the reference waveform pattern generation unit averages each pair with the same combination of the transmission antenna and the reception antenna, as in step S13 of the first embodiment.
  • the average waveform pattern having no peak in the waveform is excluded from the waveform pattern 42 (step S36). As described above, this exclusion may be performed by another threshold value.
  • control unit 10 calculates an average signal pattern for the combination of the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance from the average waveform pattern 42 for each pair remaining in step S36. (Step S37).
  • the calculated average waveform pattern is stored in the storage unit 40 as the same distance average waveform pattern 43.
  • the calculated same distance average waveform pattern 43 is stored in the storage unit 40 as a reference waveform pattern.
  • the control unit 10 calculates a difference waveform pattern between the average waveform pattern for each set as the detection waveform pattern and the same distance waveform pattern as the reference waveform pattern (step S38). That is, the control unit 10 determines whether the transmission antenna and the reception antenna having the same relative distance obtained in step S37 are obtained from the average waveform pattern 42 for each pair in the same combination of the transmission antenna and the reception antenna obtained in step S35. A difference waveform pattern is obtained by subtracting the same distance average waveform pattern 43 in the combination. As shown in FIG. 20, the differential waveform pattern is obtained for each combination of the transmission antenna and the reception antenna. The calculated differential waveform pattern is stored in the storage unit 40 as a differential waveform pattern 45 '.
  • the control unit 10 performs noise removal using a bandpass filter (step S39).
  • the differential waveform pattern 45 'calculated in step S38 includes high-frequency noise due to quantization error, which appears as spike-like noise in FIG.
  • the integrated waveform obtained by integrating the differential waveform pattern 45 ′ in FIG. 22A increases as time passes, as shown in FIG. 22B. Therefore, it can be seen that the differential waveform pattern 45 ′ includes low frequency noise of a DC component. It can also be seen from the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the differential waveform pattern 45 ′ shown in FIG. 22C that low frequency noise and high frequency noise are included.
  • FIG. 23A shows a waveform obtained by applying the above-described bandpass filter to the differential waveform pattern 45 ′ shown in FIG. By applying the bandpass filter, high frequency noise due to quantization error is removed.
  • the integrated waveform obtained by integrating the differential waveform pattern 45 ′ shown in FIG. 23 (A) is kept horizontal without increasing with the passage of time, as shown in FIG. 23 (B). Therefore, it can be seen that the low-frequency noise of the DC component can be removed by applying the bandpass filter.
  • control unit 10 compensates for the received signal attenuated by propagating through the body of the subject (step S40).
  • the integral value calculated in step S39 is multiplied by the compensation coefficient C expressed by the above-described equations 1 and 2.
  • the reflected wave from the abnormal tissue received late is made relatively large with respect to the direct wave from the transmitting antenna to the receiving antenna. (FIGS. 24A and 24B). Therefore, since the reflected wave from the abnormal tissue in the received waveform can be clarified, the accuracy of detecting the abnormal tissue can be improved.
  • the control unit 10 adjusts the emission time point in the same manner as in step S19 of the first embodiment (step S41).
  • the offset time TL is calculated by the method using the positive peak position in the differential waveform pattern 45 ′ or the method using the peak position when the differential waveform pattern 45 ′ is integrated. Not limited to.
  • the offset time TL can be calculated using the negative peak position in the differential waveform pattern 45 ′.
  • the detection unit 34 uses a combination of a transmission antenna and a reception antenna having different antenna distances to calculate a time T m from when transmission signal transmission is started until a negative peak appears in the differential waveform pattern 45 ′.
  • the time Tm is plotted on a graph, and a solid line based on the plotted points is determined using, for example, the least square method. And the position coordinate of the intersection of this solid line and a vertical axis
  • FIGS. 25A and 25B show an example in which a positive peak position is selected and a negative peak position is selected.
  • FIG. 25A shows a differential waveform pattern 45 ′ in the transmission antenna Tx3 and the reception antenna Rx7.
  • FIG. 25B shows a differential waveform pattern 45 ′ in the combination of the transmission antenna Tx3 and the reception antenna Rx15.
  • TL 2.77 ns.
  • the control unit 10 detects the abnormal tissue CA based on the differential waveform pattern, similarly to step S20 of the first embodiment (step S42).
  • the position of the abnormal tissue CA is obtained by subtracting the offset time TL from the time until reception of the differential waveform pattern 45 ′ from the start of transmission of the transmission signal, that is, the propagation time (peak time) T mn until the peak appears. Then, based on the subtracted time T mn ′, the intersection of a plurality of ellipses based on the stroke distance of the microwave impulse signal is detected.
  • step S41 when the offset time TL is calculated based on the positive peak value, the position of the abnormal tissue CA is detected based on the positive peak of the reflected signal.
  • the offset time TL is calculated based on the negative peak value, the position of the abnormal tissue CA is detected based on the negative peak of the reflected signal.
  • the detected abnormal tissue is imaged, stored as detected image data 46 in the storage unit 40, and displayed on the display screen as necessary.
  • FIG. 26 (A) and FIG. 26 (B) are examples in which the detected abnormal tissue is imaged.
  • FIG. 26A shows a case where the abnormal tissue CA is detected using the offset time TL calculated based on the positive peak value. In this figure, the position of the abnormal tissue appears as a positive bright spot.
  • FIG. 26B shows a case where the abnormal tissue CA is detected using the offset time TL calculated based on the negative peak value. In this figure, the position of the abnormal tissue appears as a negative bright spot. In this way, it is possible to select whether the position of the abnormal tissue CA is represented by a positive luminescent spot or a negative luminescent spot on the detection result image based on the calculation criterion of the offset time TL. Thereby, it becomes possible to create an image by a method that makes it easy to discriminate the abnormal tissue CA, and the detection accuracy of the abnormal tissue CA can be improved.
  • FIG. 27A shows the detection result (detected image) of the abnormal tissue CA when the filtering by the band filter and the loss compensation are not performed.
  • FIG. 27B shows the detection result of the abnormal tissue CA when filtering by the band filter is performed and loss compensation is not performed.
  • FIG. 27C shows the detection result of the abnormal tissue CA in the case where filtering and loss compensation by the band filter are performed.
  • the detection accuracy of the abnormal tissue CA can be improved by the bandpass filter and the loss compensation of the present embodiment.
  • the number of antennas is eight transmitting antennas and eight receiving antennas, but the present invention is not limited to this, and the number of antennas may be arbitrary.
  • the CMOS switches 13 and 17 do not have to be single-pole 8-throw, but may be other single-pole multi-throw switches. The number matches the number of transmitting antennas and receiving antennas. Note that it is desirable that the output ends of the CMOS switch 13 and the output ends of the CMOS switch 17 have numbers that can be arranged in a circle so that the lengths of the wirings are equal and not too long.
  • CMOS switches 13 and 17 may be double pole multiple throw switches. In this case, since each antenna becomes both a transmission switch and a reception switch, the number of switch combinations can be increased.
  • control unit 10 In addition, the hardware configuration and software configuration of the control unit 10 are examples, and can be arbitrarily changed and modified.
  • the central part for performing the processing of the control unit 10 can be realized by using a normal computer system, not a dedicated system.
  • a computer program for executing the above operation is stored and distributed in a computer-readable recording medium (flexible disk, CD-ROM, DVD-ROM, etc.), and the computer program is installed in the computer.
  • the control unit 10 that executes the above-described processing may be configured.
  • the computer program may be stored in a storage device included in a server device on a communication network such as the Internet, and the control unit 10 may be configured by being downloaded by a normal computer system.
  • control unit 10 When the function of the control unit 10 is realized by sharing of an OS (operating system) and an application program, or by cooperation between the OS and the application program, only the application program portion may be stored in a recording medium or a storage device. Good.
  • OS operating system
  • application program portion may be stored in a recording medium or a storage device. Good.
  • the computer program may be posted on a bulletin board (BBS, “Bulletin” Board System) on the communication network, and the computer program may be distributed via the network.
  • BBS bulletin board
  • the computer program may be started and executed in the same manner as other application programs under the control of the OS, so that the above-described processing may be executed.
  • the present invention is suitable for an antenna array apparatus used for a breast cancer sensor or the like.
  • the present invention is not limited to a breast cancer sensor, and can be applied to detection and discrimination of regions having different dielectric constants in living bodies and the external environment such as other tumors.

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Abstract

異常組織検出装置（１）の制御部（１０）は、複数の送信アンテナ、受信アンテナが配列されたアンテナアレイ中の送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせ（Ｔｘ１－Ｒｘ１、・・・、Ｔｘ８－Ｒｘ８）の組毎平均波形パターン（４２）について、受信アンテナで受信された受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する（時間調整）。そして、制御部（１０）は、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形の平均を示す同距離平均波形パターン（４３）を生成する。送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける同距離平均波形パターン（４３）と、全信号平均波形パターン（４４）との差分を示す差分波形パターン（４５）が生成される。

Description

検出装置、信号処理方法及びプログラム
　本発明は、検出装置、信号処理方法及びプログラムに関する。
　癌の診断は、例えば、Ｘ線や核磁気共鳴装置（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線の生体への悪影響が懸念されるうえ、Ｘ線装置、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、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。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のインパルス信号を放射し、アンテナアレイの他のアンテナで、放射したインパルス信号の反射波を受信する。この異常組織検出装置は、マイクロ波のインパルス信号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、インパルス信号の送受信を行い、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。
　特許文献２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（インパルス信号の反射波）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ためである。
　しかしながら、電波の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。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受信信号のレベルの変化が発生するためである。そこで、ダミーアンテナなどを設けて電波の送受信状態を、異なるアンテナの組み合わせで同じ状態とするアンテナアレイ装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０１５－１３１０９６号公報 特開２０１０－６９１５８号公報 特開２０１４－１３１１９９号公報
　しかしながら、上述のアンテナアレイ装置のように、異なるアンテナの組み合わせで電波の送受信状態を同じにしても、受信信号の遅れなどがアンテナの組み合わせによって異なる場合がある。この受信信号の遅れの違いにより、検出精度が低下するおそれがある。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、検出対象の検出精度を向上することができる検出装置、信号処理方法及びプログラム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の観点に係る検出装置は、
　マイクロ波の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、
　選択する送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整部と、
　前記時間調整部で調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成部と、
　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成部と、
　前記検出波形パターン生成部で生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成部で生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成部と、
　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出部と、
　を備える。
　前記時間調整部は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせを所定の組み合わせとして信号波形の時間方向のずれを調整し、
　前記検出波形パターン生成部は、
　同一の前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせにおける複数の受信信号の信号波形を平均した組毎平均波形パターンを検出波形パターンとして生成し、
　前記基準波形パターン生成部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせでの前記組毎平均波形パターンを平均した同距離平均波形パターンを基準波形パターンとして生成する、
　こととしてもよい。
　前記時間調整部は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせを所定の組み合わせとして信号波形の時間方向のずれを調整し、
　前記検出波形パターン生成部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形を平均した同距離平均波形パターンを検出波形パターンとして生成し、
　前記基準波形パターン生成部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの全ての組み合わせでの受信信号の信号波形を平均した全信号平均波形パターンを基準波形パターンとして生成する、
　こととしてもよい。
　前記制御部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された信号の信号波形のオフセット及び振幅に基づいて、前記受信アンテナで受信された信号の振幅が同一レベルになるように信号波形の振幅レベルを調整するレベル調整部を備える、
　こととしてもよい。
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同じ組み合わせについて、複数回、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力して選択された受信アンテナから出力された所定ビット数のデジタル受信信号を入力する信号送受信制御部と、
　複数回入力されたデジタル受信信号の平均を前記所定ビット数より大きいビット数で表現する平均波形パターンを、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンとして取得する組毎平均波形パターン生成部と、
　を備える、
　こととしてもよい。
　前記組毎平均波形パターン生成部は、
　前記複数回入力されたデジタル受信信号のうち、前記デジタル受信信号の最大振幅が正規分布の９０％信頼区間外であるデジタル受信信号を除外して、前記平均波形パターンを生成する、
　こととしてもよい。
　前記インパルス信号は、ガウシアンモノサイクルパルスである、
　こととしてもよい。
　前記制御部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形の平均を示す同距離平均波形パターンを生成する、同距離平均波形パターン生成部を備え、
　前記同距離平均波形パターン生成部は、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの各組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンについて、正のピークに続いて正のピークが現れ、負のピークが現れない場合には、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンを計算対象から除外する、
　こととしてもよい。
　前記検出部は、
　前記差分波形パターンに基づいて、前記インパルス信号を送信してから前記受信信号を受信するまでの伝搬時間を、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについてそれぞれ求め、
　求められた伝搬時間に基づいて、前記相対距離が０であると仮定したときの伝搬時間に含まれるオフセットを推定し、
　前記伝搬時間に含まれるオフセットを差し引かれた前記伝搬時間に基づいて、検出対象の位置を検出する、
　こととしてもよい。
　前記検出部は、
　前記差分波形パターンの最初の正又は負のピーク位置に基づいて前記伝搬時間を求め、前記伝搬時間に含まれるオフセットを推定するとともに、
　前記正のピーク位置に基づいて前記伝搬時間に含まれるオフセットを推定した場合には、前記差分波形パターンの正のピーク位置に基づいて、前記検出対象の位置を検出し、
　前記負のピーク位置に基づいて前記オフセットを推定した場合には、前記差分波形パターンの負のピーク位置に基づいて、前記検出対象の位置を検出する、
　こととしてもよい。
　クロック信号を入力する論理回路、遅延回路及び半導体スイッチング素子の組み合わせ回路を有し、その組み合わせ回路を用いて複数の送信アンテナに送信するインパルス信号を生成する送信信号生成部を備える、
　こととしてもよい。
　前記制御部は、
　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンから、低周波ノイズ及び高周波ノイズを除去する帯域フィルタを備える、
　こととしてもよい。
　前記制御部は、
　前記差分波形パターンを、前記インパルス信号が伝搬する媒体の損失式で補償する補償器を備える、
　こととしてもよい。
　本発明の第２の観点に係る信号処理方法は、
　マイクロ波の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の組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う信号処理方法であって、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整ステップと、
　前記時間調整ステップで調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成ステップと、
　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成ステップと、
　前記検出波形パターンステップで生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成ステップで生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成ステップと、
　前記差分波形パターン生成ステップで生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出ステップと、
　を含む。
　本発明の第３の観点に係るプログラムは、
　コンピュータを、
　マイクロ波の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の組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う制御部、
　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整部、
　前記時間調整部で調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成部、
　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成部、
　前記検出波形パターン生成部で生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成部で生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成部、
　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出部、
　として機能させる。
　本発明によれば、相対距離が同じである送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせで得られた受信信号について、それぞれの波形パターンを時間方向に合わせた上で、平均の波形パターンを算出し、算出した平均の波形パターンに基づいて検出対象を検出する。時間方向に調整された平均の波形パターンは、ノイズやジッタが低減された波形パターンとなるので、その波形パターンに基づいて検出対象を検出すれば、検出対象の検出精度を向上することができる。
本発明の一実施の形態に係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。 送信部の構成を示す図である。 図４（Ａ）～図４（Ｇ）は、送信部における各種信号のタイミングチャートの一例である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、アンテナアレイの詳細な構成を示す図である。 異常組織の検出原理を示す図である。 実施形態１に係る制御部の機能構成を示すブロック図である。 実施形態１に係る信号処理のフローチャートである。 実施形態１に係る異常組織検出装置におけるデータの流れを示すデータフローである。 図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせにおける波形パターンの時間調整の様子を示す図である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせにおける波形パターンのレベル調整の様子を示す図である。 図１２（Ａ）は、時間調整を行わない場合での差分波形パターンの波形の一例を示す図である。図１２（Ｂ）は、時間調整を行った場合での差分波形パターンの波形の一例を示す図である。 図１３（Ａ）は、レベル調整を行わない場合での差分波形パターンの波形の一例を示す図である。図１３（Ｂ）は、レベル調整を行った場合での差分波形パターンの波形の一例を示す図である。 アンテナ間距離とピーク時間との関係の一例を示すグラフである。 送信アンテナ毎のアンテナ間距離とピーク時間との関係の一例を示すグラフである。 図１６（Ａ）～図１６（Ｃ）は、時間調整及びレベル調整を行わなかったときの異常組織の検出結果を示す図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、時間調整及びレベル調整を行ったときの異常組織の検出結果を示す図である。 実施形態２に係る制御部の機能構成を示すブロック図である。 実施形態２に係る信号処理のフローチャートである。 実施形態２に係る異常組織検出装置におけるデータの流れを示すデータフローである。 図２１（Ａ）は、受信波形のピーク値のヒストグラムである。図２１（Ｂ）は、受信波形ごとのピーク値を示す図である。 図２２（Ａ）は、差分波形パターンの一例を示すグラフである。図２２（Ｂ）は、差分波形パターンの積分値の一例を示すグラフである。図２２（Ｃ）は、差分波形パターンをフーリエ変換した周波数スペクトルの一例を示すグラフである。 図２３（Ａ）は、帯域フィルタを適用した差分波形パターンの一例を示すグラフである。図２３（Ｂ）は、帯域フィルタを適用した差分波形パターンの積分値の一例を示すグラフである。 図２４（Ａ）は、損失補償前の差分波形パターンの積分値の一例を示すグラフである。図２４（Ｂ）は、損失補償後の差分波形パターンの積分値の一例を示すグラフである。 図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）は、差分波形パターンにおいて正のピーク位置と負のピーク位置を示す図である。 図２６（Ａ）は、正のピーク位置でオフセット時間を推定した場合の異常組織の検出結果を示す図である。図２６（Ｂ）は、負のピーク位置でオフセット時間を推定した場合の異常組織の検出結果を示す図である。 図２７（Ａ）は、帯域フィルタ及び損失補償を適用しない場合の異常組織の検出結果を示す図である。図２７（Ｂ）は、帯域フィルタを適用し、損失補償を適用しない場合の異常組織の検出結果を示す図である。図２７（Ｃ）は、帯域フィルタ及び損失補償を適用した場合の異常組織の検出結果を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る検出装置、信号処理方法及びプログラムについて、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。なお、各実施の形態では、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る受信信号の違いを考慮しないものとする。
（実施形態１）
　図１に示すように、異常組織検出装置１は、制御部１０と、送信部１１と、送信アンプ１２と、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）スイッチ１３と、配線部１４と、アンテナアレイ１５と、配線部１６と、ＣＭＯＳスイッチ１７と、受信アンプ１８と、受信部１９と、選択部２０と、を備える。
　制御部１０は、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１０の機能が実現される。
　例えば、制御部１０は、データ信号ＤＡＴＡ及びクロック信号ＣＬＫを送信部１１に出力する。制御部１０は、受信部１９からデータ信号ＤＡＴＡ２を入力するとともに受信部１９に対しクロック信号ＣＬＫを出力する。さらに、制御部１０は、選択部２０にＣＭＯＳスイッチ１３、１７の制御信号ＣＳ１を出力する。
　送信信号生成部としての送信部１１は、制御部１０から入力されたクロック信号ＣＬＫに従って、例えば、図２に示すようなインパルス状の電気信号である送信信号ＳＳ１を生成して出力するハードウエア回路である。図２に示すように、送信信号ＳＳ１は、短時間で正のピークと負のピークが連続するインパルス状の電気信号である。この信号は、ガウシアンモノサイクルパルス（Gaussian monocycle pulse，ＧＭＰ）とも呼ばれる。ＧＭＰは、マイクロ波帯（例えば、中心周波数６ＧＨｚ）における広帯域信号である。送信信号ＳＳ１は、繰り返し周波数（例えば１００ＭＨｚ）で繰り返し送信される。
　送信部１１は、論理回路、遅延回路及び半導体スイッチング素子等の組み合わせ回路で構成されている。図３に示すように、送信部１１は、ＮＡＮＤ回路２１Ａ、２１Ｂと、ＮＯＲ回路２１Ｃ、２１Ｄと、遅延回路２２Ａ～２２Ｄと、ＯＲ回路２３Ａ、２３Ｃと、ＡＮＤ回路２３Ｂ、２３Ｄと、ダウンパルスジェネレータ２４Ａ、２４Ｃと、アップパルスジェネレータ２４Ｂ、２４Ｄと、バッファ回路２５Ａ、２５Ｂと、を備える。
　ＮＡＮＤ回路２１Ａ、２１Ｂは、否定論理積の論理回路である。ＮＡＮＤ回路２１Ａには、クロック信号ＣＬＯＣＫ（ＣＬＫ）と、データ信号ＤＡＴＡとが入力される。また、ＮＡＮＤ回路２１Ｂには、クロック信号ＣＬＯＣＫと、データ信号／ＤＡＴＡとが入力される。ＮＯＲ回路２１Ｃ、２１Ｄは、否定論理和の論理回路である。ＮＯＲ回路２１Ｃには、クロック信号／ＣＬＯＣＫと、データ信号／ＤＡＴＡとが入力される。さらに、ＮＯＲ回路２１Ｄには、クロック信号／ＣＬＯＣＫと、データ信号ＤＡＴＡとが入力される。データ信号ＤＡＴＡ、／ＤＡＴＡとしては、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）信号が入力される。
　遅延回路２２Ａには、ＮＡＮＤ回路２１Ａの出力が入力され、遅延回路２２Ｂには、ＮＡＮＤ回路２１Ｂの出力が入力される。また、遅延回路２２Ｃには、ＮＯＲ回路２１Ｃの出力が入力され、遅延回路２２Ｄには、ＮＯＲ回路２１Ｄの出力が入力される。
　遅延回路２２Ａ～２２Ｄでは、４つのインバータが直列で接続されている。１δは、１つのインバータの遅延時間を表している。１δ、２δ、３δ及び４δは、１番目、２番目、３番目、４番目のインバータの出力であり、それぞれの出力の遅延時間は、１δの等倍、２倍、３倍、４倍の遅延時間となる。
　ＯＲ回路２３Ａは、遅延回路２２Ａで１δ遅延した信号と、遅延回路２２Ｄの４δ遅延した信号とを入力する。ＡＮＤ回路２３Ｂは、遅延回路２２Ｂで２δ遅延した信号と、遅延回路２２Ｃで３δ遅延した信号とを入力する。また、ＯＲ回路２３Ｃは、遅延回路２２Ｂで１δ遅延した信号と、遅延回路２２Ｃで４δ遅延した信号とを入力する。ＡＮＤ回路２３Ｄは、遅延回路２２Ａで２δ遅延した信号と、遅延回路２２Ｄで３δ遅延した信号とを入力する。
　続いて、ダウンパルスジェネレータ２４Ａは、ＯＲ回路２３Ａから出力された信号を入力する。アップパルスジェネレータ２４Ｂは、ＡＮＤ回路２３Ｂから出力された信号を入力する。また、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃは、ＯＲ回路２３Ｃから出力された信号入力する。アップパルスジェネレータ２４Ｄは、ＡＮＤ回路２３Ｄから出力された信号を入力する。
　バッファ回路２５Ａは、ダウンパルスジェネレータ２４Ａから出力された信号と、アップパルスジェネレータ２４Ｂから出力された信号とを入力し、差動出力の正側の出力信号ＯＰを出力する。バッファ回路２５Ｂは、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃから出力された信号と、アップパルスジェネレータ２４Ｄから出力された信号とを入力し、差動出力の負側の出力信号ＯＭを出力する。
　データ信号ＤＡＴＡが０である場合、ＯＲ回路２３Ｃの出力信号であるクロック信号Ｃｋ（図３参照）は、図４（Ａ）に示すように、ハイレベル（Ｈ）とローレベル（Ｌ）とを繰り返す周期信号となる。すると、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃ内部のインバータの出力ａ（図３参照）は、遅延時間１δだけ遅れ反転した図４（Ｂ）に示すような波形となって、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃの出力ｂ（図３参照）は、図４（Ｃ）に示すような波形となる。この場合、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃのオン出力により、バッファ回路２５Ｂの正極側のスイッチング素子に流れる電流Ｉｄは、図４（Ｄ）に示すような波形となる。
　同様に、アップパルスジェネレータ２４Ｄのオン出力により、バッファ回路２５Ｂの負側スイッチング素子に流れる電流Ｉuは、図４（Ｅ）に示すような波形となる。したがって、電流Ｉｄと電流Ｉuの和は、図４（Ｆ）に示すように変化する。この結果、送信部１１の差動出力の負側の出力信号ＯＭは、図４（Ｇ）に示すような波形となる。
　一方、ダウンパルスジェネレータ２４Ａ、アップパルスジェネレータ２４Ｂから出力される信号は、ダウンパルスジェネレータ２４Ｃ、アップパルスジェネレータ２４Ｄから出力される信号と論理が逆であるため、出力信号ＯＰの波形パターンは、出力信号ＯＭの波形パターンの逆となる。
　図１に戻り、送信アンプ１２は、送信部１１から入力した送信信号ＳＳ１を増幅して送信信号ＳＳ２として出力する。具体的には、送信アンプ１２は、ＤＣカットフィルタ、アッテネータ、可変利得パワーアンプ、ＳＴＥＰアッテネータ等を有し、直流成分がカットされ、かつ、ゲインが増幅された送信信号ＳＳ２を生成する。
　ＣＭＯＳスイッチ１３は、単極８投のスイッチである。ＣＭＯＳスイッチ１３は、入力端から送信信号ＳＳ２を入力する。ＣＭＯＳスイッチ１３では、複数の出力端それぞれが複数の送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、…、Ｔｘ８と接続されている。ＣＭＯＳスイッチ１３は、後述される選択部２０から出力される制御信号ＣＳ２に従って、入力した送信信号ＳＳ２を出力するアンテナを、複数の送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、…、Ｔｘ８のいずれかに切り替える。
　配線部１４は、ＣＭＯＳスイッチ１３の８つの出力端のいずれかと、送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８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。この伝送路は、同軸ケーブルやマイクロストラップライン等で形成されている。配線部１４で送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８に信号を送信する伝送線路の長さが同じであるため、各伝送線路を流れる信号の時間差は、ほとんどなくなっている。
　アンテナアレイ１５は、複数の送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、…、Ｔｘ８を備える。複数の送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、…、Ｔｘ８は、入力した送信信号ＳＳ２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１５は、複数の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…、Ｒｘ８を備える。複数の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…、Ｒｘ８は、マイクロ波（反射信号ＲＷ）を受信する。
　図５（Ａ）にはアンテナアレイ１５の一方の面が示され、図５（Ｂ）にはアンテナアレイ１５の他方の面が示されている。アンテナアレイ１５では、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、複数のアンテナが４×４のマトリクス状に配列されている。アンテナアレイ１５の大きさは、例えば、５５．４ｍｍ×４７ｍｍであり、厚みは、０．６３５ｍｍである。各アンテナは、１１ｍｍ×１３．１ｍｍである。また、アンテナ間のギャップは、１ｍｍに設定されている。アンテナアレイ１５では、送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ４がＸ軸方向に並んで配置され、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ４がＸ軸方向に並んで配置され、送信アンテナＴｘ５～Ｔｘ８がＸ軸方向に並んで配置され、受信アンテナＲｘ５～Ｒｘ８がＸ軸方向に並んで配置されている。送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ４、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ４、送信アンテナＴｘ５～Ｔｘ８、受信アンテナＲｘ５～Ｒｘ８は、Ｙ軸方向にこの順で並んでいる。
　アンテナアレイ１５では、送信アンテナＴｘｍ（ｍ＝１～８）と受信アンテナＲｘｎ（ｎ＝１～８）との相対距離が同じとなる送信アンテナと受信アンテナとの組み合わせ（Ｔｘｍ、Ｒｘｎ）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。
　配線部１６は、ＣＭＯＳスイッチ１７の８つの入力端のいずれかと、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８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。配線部１６では、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８から信号を送信する伝送線路の長さが同じであるため、各信号の時間差がほとんどなくなっている。
　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、８つの入力端を有し、複数の受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８で受信した信号を入力する。ＣＭＯＳスイッチ１７では、１つの出力端が受信アンプ１８と接続されている。ＣＭＯＳスイッチ１７は、選択部２０から出力された制御信号ＣＳ２に従って受信した信号を、受信信号ＲＳ１として受信アンプ１８に送信する複数の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…、Ｒｘ８のいずれかに切り替える。ＣＭＯＳスイッチ１７では、制御信号ＣＳ２によって入力端から入力された受信信号が、受信信号ＲＳ１として出力される。
　受信アンプ１８は、受信信号ＲＳ１を増幅し、増幅した信号を受信信号ＲＳ２として出力する。具体的には、受信アンプ１８は、低雑音増幅器、ＳＴＥＰアッテネータ及びＤＣカットフィルタ等を有しており、受信信号ＲＳ１を入力し、これらの内部回路を経て受信信号ＲＳ２を生成して出力する。
　受信部１９は、受信アンプ１８から入力した受信信号ＲＳ２を制御部１０に出力するハードウエア回路である。受信信号ＲＳ２は、デジタルのデータ信号ＤＡＴＡ２に変換され、制御部１０に入力される。データ信号ＤＡＴＡ２は例えば４ビットの信号である。
　選択部２０は、制御部１０から出力された制御信号ＣＳ１に従って、ＣＭＯＳスイッチ１３、１７を切り替えるための制御信号ＣＳ２を出力するハードウエア回路である。ＣＭＯＳスイッチ１３、１７では、この制御信号ＣＳ２に従ってスイッチが切り替えられ、アンテナアレイ１５の送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８のうち、１つの送信アンテナと、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８のうち、１つの受信アンテナが選択される。
　制御部１０は、入力したデータ信号ＤＡＴＡ２に対して信号処理を行って、異常組織ＣＡを検出する。
　図１に示すように、制御信号ＣＳ２により、送信アンテナＴｘ２が選択された場合には、ＣＭＯＳスイッチ１３は、送信信号ＳＳ２を送信アンテナＴｘ２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Ｒｘ２が選択された場合には、ＣＭＯＳスイッチ１７は、受信アンテナＲｘ２で受信された受信信号ＲＳ１を受信アンプ１８に出力するように切り変わる。この場合、送信アンテナＴｘ２、受信アンテナＲｘ２の組み合わせでマイクロ波のインパルス信号ＭＷの送受信が行われる。
　制御部１０は、制御信号ＣＳ２によりＣＭＯＳスイッチ１３、１７を制御して、送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８及び受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８の組み合わせを切り替えながら、送信信号ＳＳ２をＣＭＯＳスイッチ１３に出力し、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８から出力された受信信号ＲＳ１を、ＣＭＯＳスイッチ１７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。
　図６に示すように、送信アンテナＴｘ１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、生体内を伝播する。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Ｒｘ２～Ｒｘ４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Ｒｘ２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Ｔｘ１と受信アンテナＲｘ２を焦点とし、アンテナＴｘ１とＲｘ２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。
　アンテナＲｘ３、Ｒｘ４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。なお、送信アンテナＴｘｍからインパルス信号が送信されてから受信アンテナＲｘｎが受信するまでの時間を、伝搬時間Ｔｍｎとする。
　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Ｔｘ２に切り換えて、送信アンテナＴｘ２からマイクロ波を放射し、これを受信アンテナＲｘ２～Ｒｘ４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。
　上述のように、異常組織検出装置１では、送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８と受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８との間で送受信されるインパルス信号の伝搬時間に基づいて、異常組織ＣＡを検出する。そのため、本実施の形態のように、回路上のインパルス信号の遅れを解消することにより、異常組織ＣＡの位置を精度良く検出することができる。
　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。
　図７には、制御部１０の機能構成が示されている。図７に示すように、制御部１０は、信号送受信制御部３０と、組毎平均波形パターン生成部３１と、時間調整部３２Ａと、レベル調整部３２Ｂと、同距離平均波形パターン生成部３２Ｃと、全信号平均波形パターン生成部３３Ａと、差分波形パターン生成部３３Ｂと、検出部３４と、記憶部４０と、を備える。記憶部４０には、生波形データ４１と、組毎平均波形パターン４２と、同距離平均波形パターン４３と、全信号平均波形パターン４４と、差分波形パターン４５と、検出画像データ４６と、が記憶される。図７に示す各部は、上述のように、ＣＰＵの実行により実現される。
　信号送受信制御部３０は、選択する送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、選択された受信アンテナで受信された受信信号を入力する。信号送受信制御部３０は、送信アンテナと受信アンテナとの同じ組み合わせについて、複数回、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力して選択された受信アンテナから出力された量子化ビット数４ビットのデジタル受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）を入力する。このデータは、生波形データ４１として記憶部４０に記憶される。
　組毎平均波形パターン生成部３１は、複数回入力された４ビットのデジタル受信信号の平均を、４ビットより大きい量子化ビット数で表現する平均波形パターンを、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンとして取得する。取得されたパターンは、組毎平均波形パターン４２として記憶部４０に記憶される。
　時間調整部３２Ａは、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて、受信アンテナで受信された受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する。具体的には、ピークの時点が一致するように、信号波形が重ね合わされた状態に信号波形の時間が調整される。
　また、レベル調整部３２Ｂは、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて、受信アンテナで受信された信号の信号波形のオフセットＯｆｆｓｅｔ及び振幅に基づいて、受信アンテナで受信された信号の振幅が同一レベルになるように信号波形の振幅レベルを調整する。具体的には、各信号波形の中心及び振幅が同じになるように、各信号波形のスケールを調整する。
　さらに、検出波形パターン生成部としての、同距離平均波形パターン生成部３２Ｃは、信号波形の時間方向のずれが調整され、信号波形の振幅レベルが調整された、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形の平均を示す同距離平均波形パターンを生成する。生成された波形パターンは、同距離平均波形パターン４３として、記憶部４０に記憶される。
　なお、同距離平均波形パターン生成部３２Ｃは、送信アンテナと受信アンテナとの各組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンについて、正のピークに続いて正のピークが現れ、負のピークが現れない場合には、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンを、検出対象を検出するための計算対象から除外する。
　基準波形パターン生成部としての、全信号平均波形パターン生成部３３Ａは、送信アンテナと受信アンテナとの全ての組み合わせでの受信信号の信号波形の平均を示す全信号平均波形パターンを生成する。生成された波形パターンは、全信号平均波形パターン４４として記憶部４０に記憶される。また、差分波形パターン生成部３３Ｂは、同距離平均波形パターン生成部３２Ｃで生成された送信アンテナと受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける同距離平均波形パターン４３と、全信号平均波形パターン生成部３３Ａで生成された全信号平均波形パターン４４との差分を示す差分波形パターンを生成する。生成された波形パターンは、差分波形パターン４５として記憶部４０に記憶される。
　検出部３４は、差分波形パターン生成部３３Ｂで生成された差分波形パターン４５に基づいて、検出対象を検出する。検出部３４は、差分波形パターン４５に基づいて、インパルス信号を送信してから受信信号を受信するまでの伝搬時間Ｔｍｎを、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離（アンテナ間距離）が同じ組み合わせについてそれぞれ求める。そして、検出部３４は、求められた伝搬時間Ｔｍｎに基づいて、送信アンテナと受信アンテナとの相対距離（アンテナ間距離）が０であると仮定したときにも残る、伝搬時間Ｔｍｎに含まれるオフセットＴＬを推定する（図１４参照）。このオフセットＴＬの詳細については後述する。さらに、検出部３４は、オフセットＴＬが差し引かれた伝搬時間Ｔｍｎ’に基づいて、検出対象の位置を検出する。
　次に、本実施の形態に係る異常組織検出装置１の動作について説明する。図８には、異常組織検出装置１の動作の流れが示されている。図９には、異常組織検出装置１のデータの流れが示されている。
　図８には、制御部１０の処理の流れが示されている。図８に示すように、まず、制御部１０（信号送受信制御部３０）は、全ての組み合わせでマイクロ波を送受信し、受信信号を取得する（ステップＳ１１）。例えば、信号送受信制御部３０は、送信アンテナＴｘ１及び受信アンテナＲｘ１を選択する制御信号ＣＳ１を出力するとともに、送信部１１にデータ信号ＤＡＴＡを出力し、送信信号ＳＳ１を出力させる。このようにして、送信アンテナＴｘ１と受信アンテナＲｘ１との間で信号の送受信が行われ、受信アンテナＲｘ１で受信された信号が、制御部１０に入力される。信号送受信制御部３０は、この受信信号を生波形データ４１として記憶部４０に記憶する。受信信号は、送受信に用いられた送信アンテナ及び受信アンテナの情報（Ｔｘ１－Ｒｘ１）と関連付けられて記憶される。信号送受信制御部３０は同じアンテナの組み合わせ（Ｔｘ１－Ｒｘ１）で、複数回、例えば１６回信号の送受信を行う。したがって、記憶部４０には、同じアンテナの組み合わせ（Ｔｘ１－Ｒｘ１）における受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）のデータが１６個記憶される。
　次に、信号送受信制御部３０は、制御信号ＣＳ１を出力して、送信アンテナＴｘ１及び受信アンテナＲｘ２を選択する制御信号ＣＳ２を選択部２０に出力させるとともに、送信部１１に送信信号ＳＳ１を出力させる。信号の送受信は、１６回行われ、アンテナの組み合わせ（Ｔｘ１－Ｒｘ２）についても、１６個の受信信号が取得され、記憶部４０に記憶される。
　このようにして、全てのアンテナの組み合わせ（Ｔｘ１－Ｒｘ１）、（Ｔｘ１－Ｒｘ２）、…、（Ｔｘ２－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ２－Ｒｘ８）、（Ｔｘ３－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ３－Ｒｘ８）、（Ｔｘ４－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ４－Ｒｘ８）、（Ｔｘ５－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ５－Ｒｘ８）、（Ｔｘ６－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ６－Ｒｘ８）、（Ｔｘ７－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ７－Ｒｘ８）、（Ｔｘ８－Ｒｘ１）、…、（Ｔｘ８－Ｒｘ８）について、それぞれ１６個の受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）が取得され、制御部１０に記憶される。アンテナの組み合わせは６４通りあるので、図９に示すように、アンテナの各組み合わせで６４通り、計１６×６４個の受信信号のデータ（生波形データ４１）が記憶される。
　続いて、制御部１０（組毎平均波形パターン生成部３１）は、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせでの平均波形パターンを算出する（ステップＳ１２）。この時点で、組毎平均波形パターン生成部３１は、アンテナの組み合わせ毎に１６個の受信信号（生波形データ４１）を記憶している。組毎平均波形パターン生成部３１は、図９に示すように、この１６個の受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）の平均波形パターンを、組毎平均波形パターン４２として算出する。各受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）は４ビットの粗いデジタル信号であるが、この平均化により、各デジタル受信信号の量子化ビット数を上げ、統計的に見て妥当な信号波形を得ることができるので、受信信号に含まれるノイズ及びジッタの影響を低減することができる。
　続いて、制御部１０（同距離平均波形パターン生成部３２Ｃ）は、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせでの組毎平均波形パターン４２の中から、波形にピークを有しない平均波形パターンを除外する（ステップＳ１３）。例えば、同距離平均波形パターン生成部３２Ｃは、正のピークの後に負のピークが現れない平均波形パターンについては、その後の計算対象から除外する。この除外は、他に閾値によって行われるようにしてもよい。
　続いて、制御部１０（時間調整部３２Ａ）は、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均波形パターンの時間調整を行う（ステップＳ１４）。例えば、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせとしては、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、（Ｔｘ１－Ｒｘ１）、（Ｔｘ２－Ｒｘ２）、（Ｔｘ３－Ｒｘ３）、（Ｔｘ４－Ｒｘ４）、（Ｔｘ５－Ｒｘ５）、（Ｔｘ６－Ｒｘ６）、（Ｔｘ７－Ｒｘ７）、（Ｔｘ８－Ｒｘ８）等がある。
　図１０（Ａ）には、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの２つの組み合わせにおける平均波形パターンが表示されている。図１０（Ａ）では、２つの平均波形パターンはよく重なっているように見えるが、実際には、そのピーク付近を拡大した図１０（Ｂ）に示すように、２つの信号波形のピークＰ１、Ｐ２は時間方向にずれている。そこで、制御部１０は、図１０（Ｂ）のさらなる拡大図である図１０（Ｃ）に示すように、２つの信号波形のピークＰ１、Ｐ２の中心時点Ａ１、Ａ２を算出し、そのずれ時間ｄＴを算出する。なお、ピークＰ１、Ｐ２に幅がある場合には、最大値を維持するピークＰ１、Ｐ２の頂点の中央を、中心時点Ａ１、Ａ２とすればよい。
　続いて、制御部１０（レベル調整部３２Ｂ）は、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均波形パターンのレベル調整を行う（ステップＳ１５）。具体的には、レベル調整部３２Ｂは、図１１（Ａ）に示すように、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの２つの平均波形パターンのオフセット成分Ｏｆｆｓｅｔを求め、図１１（Ｂ）に示すように、２つの平均波形パターンの最大値と最小値とのレベルＡ、Ｂのスケール比を求める。
　続いて、制御部１０（同距離平均波形パターン生成部３２Ｃ）は、求めたずれ時間ｄＴと、オフセットＯｆｆｓｅｔ及びスケール比Ａ／Ｂに基づいて、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均信号パターンを算出する（ステップＳ１６）。例えば（Ｔｘ１－Ｒｘ１）、（Ｔｘ２－Ｒｘ２）、（Ｔｘ３－Ｒｘ３）、（Ｔｘ４－Ｒｘ４）、（Ｔｘ５－Ｒｘ５）、（Ｔｘ６－Ｒｘ６）、（Ｔｘ７－Ｒｘ７）、（Ｔｘ８－Ｒｘ８）について、時間調整（時間ずれの調整）及びレベル調整が行われ、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均波形パターンが算出される。算出された平均波形パターンは、図７、図９に示すように、同距離平均波形パターン４３（検出波形パターン）として、記憶部４０に記憶される。
　続いて、制御部１０（全信号平均波形パターン生成部３３Ａ）は、全ての送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均波形パターンを全信号平均波形パターン（基準波形パターン）４４として算出する（ステップＳ１７）。
　生体には、受信信号を変化させる異常組織ＣＡが含まれている場合がある。異常組織ＣＡがあると、各受信アンテナＲｘｎで受信される受信信号の波形パターンが変化する。各受信アンテナＲｘｎで受信される受信信号が、異常組織ＣＡによってどのように変化するかは、受信アンテナＲｘｎと異常組織ＣＡとの位置関係によって決まる。例えば、送信アンテナＴｘ１を送信用とし、受信アンテナＲｘ１を受信用とした場合の受信信号における異常組織ＣＡの成分の出現位置と、送信アンテナＴｘ６を送信用とし受信アンテナＲｘ６を受信用とした場合の受信信号における異常組織ＣＡの成分の出現位置とは、それぞれ異なっている。
　各受信アンテナＲｘｎで受信される受信信号における異常組織ＣＡの成分の出現位置はそれぞれ異なるため、各受信アンテナＲｘｎで受信された受信信号の平均をとれば、受信信号から、異常組織ＣＡの成分を抑圧することができる。本実施の形態では、異常組織ＣＡの成分が抑圧され、かつ、生体を用いて実際に測定された受信信号の全ての信号の平均波形パターンを基準波形パターンとして、異常組織ＣＡの成分を検出する。
　算出された平均波形パターンは、図７、図９に示すように、全信号平均波形パターン（基準波形パターン）４４として、記憶部４０に記憶される。
　続いて、制御部１０（差分波形パターン生成部３３Ｂ）は、同距離平均波形パターンと基準波形パターンとの差分波形パターンを算出する（ステップＳ１８）。すなわち、ここでは、制御部１０は、上記ステップＳ１６で求められた相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターン４３から、ステップＳ１７で求められた全信号平均波形パターン（基準波形パターン）４４を差し引いて、差分波形パターンが求められる。差分波形パターンは、図９に示すように、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせ毎に求められる。算出された差分波形パターンは、図７、図９に示すように、差分波形パターン４５として、記憶部４０に記憶される。
　図１２（Ａ）には、ステップＳ１４の時間調整を行わなかった場合に求められる、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターンと、全信号平均波形パターン（基準波形パターン）を差し引いた場合に求められる差分波形パターンが示されている。また、図１２（Ｂ）には、ステップＳ１４の時間調整を行った場合に求められる、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターンと、全信号平均波形パターン（基準波形パターン）を差し引いた場合に求められる差分波形パターンが示されている。図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）を比較するとわかるように、求められる差分波形パターンは、時間調整の有無により、著しく異なっている。
　図１３（Ａ）には、ステップＳ１５のレベル調整を行わなかった場合に求められる、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターンと、全信号平均波形パターン（基準波形パターン）を差し引いた場合に求められる差分波形パターンが示されている。また、図１３（Ｂ）には、ステップＳ１５のレベル調整を行った場合に求められる、ステップＳ１８における相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターンと、全信号平均波形パターン（基準波形パターン）を差し引いた場合に求められる差分波形パターンが示されている。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）を比較するとわかるように、求められる差分波形パターンは、若干異なっている。
　続いて、制御部１０（検出部３４）は、放射時点を調整する（ステップＳ１９）。図１４には、送信アンテナ及び受信アンテナのアンテナ間距離に対する、差分波形パターンにおける送信信号の送信を開始してからピークまでの伝搬時間（ピーク時間）の関係が示されている。アンテナ間距離が０になれば、送信信号の送信を開始してから差分波形パターンにおいて、受信されるまでの時間は理論的には０になるはずであるが、図１４に示すように、実際には、オフセット時間ＴＬが乗っている。オフセット時間ＴＬは、アンテナの端子にインパルス電流を流し始めてから、アンテナ開口面から電磁波が実際に放射されるまでの高周波信号の遅れによるものであると考えられている。オフセット時間ＴＬは、異常組織ＣＡの検出結果の誤差要因であるため、計測されたピーク時間Ｔｍｎから取り除く必要がある。検出装置の各構成要素中の電子デバイス特性の相違、送受信アンテナ特性の相違等様々な要因によって、オフセット時間ＴＬにはばらつきが生じるため、計測の都度、オフセット時間ＴＬを求める必要がある。そこで、このステップでは、オフセット時間ＴＬを求める。
　オフセット時間ＴＬの求め方には２通りの方法がある。まず、１つ目の方法について説明する。検出部３４は、アンテナ間距離が異なる送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせで、送信信号の送信を開始してから差分波形パターンにおいて最初のピークが現れるまでの時間Ｔを求め、時間Ｔを図１４に示すグラフ上にプロットし、例えば最小二乗法を用いてプロットされた点に基づく図１４に示す実線を決定する。そして、この実線と縦軸との交点の位置座標を、オフセット時間ＴＬとして求める。
　次に、２つ目の方法について説明する。検出部３４は、アンテナ間距離が異なる送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでそれぞれ得られた差分波形パターンを積分する。そして、積分波形について、送信信号の送信を開始してから最大ピークが現れるまでの時間Ｔを求め、時間Ｔを図１４に示すグラフ上にプロットし、例えば最小二乗法を用いてプロットされた点に基づく図１４に示す実線を決定する。そして、この実線と縦軸との交点の位置座標を、オフセット時間ＴＬとして求める。
　また、図１５には、送信アンテナ別に、送信信号の送信を開始してから受信されるまでの時間Ｔをそれぞれ生成した場合のグラフが示されている。図１５に示すように、この場合には、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ３、Ｔｘ４については曲線（実線）が良く一致していたが、送信アンテナＴｘ２の曲線（点線）については、他のアンテナの曲線よりも傾きが大きくなっている。このような場合には、送信アンテナＴｘ２に関連する計測結果を、異常組織ＣＡを検出するための計測結果から除外するようにしてもよい。
　続いて、制御部１０（検出部３４）は、差分波形パターンに基づいて異常組織ＣＡを検出する（ステップＳ２０）。ここでは、送信信号の送信を開始してから差分波形パターンにおいて、受信されるまでの時間、すなわちピークが現れるまでの伝搬時間（ピーク時間）Ｔｍｎからオフセット時間ＴＬが差し引かれた後、差し引かれた時間Ｔｍｎ’に基づいて、マイクロ波のインパルス信号の行程距離に基づく複数の楕円の交点を検出することにより、異常組織ＣＡの位置が検出される。検出された異常組織は画像化され、図７に示すように、検出画像データ４６として記憶部４０に記憶され、必要に応じて表示画面に表示される。
　図１６（Ａ）～図１６（Ｃ）には、時間調整及びレベル調整を行わなかった場合における異常組織ＣＡの検出結果（検出画像）が示されている。図１６（Ａ）～図１６（Ｃ）に示すように、時間調整及びレベル調整が行われていない状態では、異常組織ＣＡの位置を特定することが困難になっている。
　図１７（Ａ）は、時間調整を行った場合における異常組織ＣＡの検出結果が示されて、図１７（Ｂ）には、時間調整及びレベル調整を行った場合における異常組織ＣＡの検出結果（画像）が示されている。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示すように、この検出結果では、中央やや左斜め下に異常組織ＣＡが現れている。この検出結果を用いれば、異常組織ＣＡの位置を特定することが可能となる。レベル調整を行った場合と、行わなかった場合とでは、異常組織ＣＡの検出位置が若干異なっており、レベル調整を行った方が、異常組織ＣＡの検出位置は正確であった。
　このように、本実施の形態によれば、相対距離が同じである送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせで得られた受信信号について、それぞれの組毎波形パターンを時間方向及び振幅方向に合わせた上で、同じ距離での平均の波形パターンを算出し、算出した平均の波形パターンに基づいて検出対象を検出する。時間方向及び振幅方向に調整された同じ距離での平均の波形パターンは、ノイズやジッタが低減された波形パターンとなるので、その波形パターンに基づいて検出対象を検出すれば、検出対象の検出精度を向上することができる。
　なお、送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８とＣＭＯＳスイッチ１３、１７の間の配線の長さを同じとしたが、多少長さが違っていても、位置関係が同じ送信アンテナＴｘ１～Ｔｘ８及び受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ８の組み合わせで送受信された受信信号に対してキャリブレーションを行って配線の長さの違いによる受信信号の差を調整してもよい。
（実施形態２）
　続いて、実施形態２に係る検出装置、信号処理方法及びプログラムについて説明する。本実施形態では、検出対象の検出精度を向上させるため、制御部１０が、ピーク値のばらつきの大きい受信信号を除外して組毎平均波形パターンを算出する点、及び差分波形パターンに帯域フィルタ、補償演算等を適用する点で、上記実施形態１と異なる。また、検出波形パターンとして組毎平均波形パターンを、基準波形パターンとして同距離波形パターンを用いる点で、上記実施形態１と異なる。その他の構成は上記実施形態１の構成（図１）と同様であるので、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
　制御部１０の基本的な機能構成（図１８）は、全信号平均波形パターンに関する部分を除いて、図７に示される実施形態１と同様であるが、上記検出波形パターン及び基準波形パターンの違いから、一部の機能、処理は実施形態１と異なる。以下、主に、実施形態１と異なる機能について説明する。
　本実施形態の組毎平均波形パターン生成部３１は、受信信号の外れ値を除外する。具体的には、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせで取得された各受信信号のピーク値から、ピーク値の平均値と標準偏差を求める。そして、ピーク値が、一定の信頼区間から外れている受信信号を除外した後、組毎平均波形パターンを算出する。
　また、差分波形パターン生成部３３Ｂは、差分波形パターンから雑音を除外するための帯域フィルタを備える。差分波形パターンは、高周波の量子化ノイズと、直流成分の低周波ノイズを含んでいる。差分波形パターン生成部３３Ｂは、差分波形パターンに帯域フィルタを適用して、これらのノイズを除去する。
　さらに、差分波形パターン生成部３３Ｂは、被検者の体内を伝搬することによって減衰した受信信号を増幅させるための補償器を備える。具体的には、差分波形パターンの積分波形に対して、次式の補償係数Ｃを乗ずることにより、補償を行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、αは次式の減衰定数、ｒは距離（生体中の光の速度ｃ×時間ｔ）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ただし、μは透磁率、εは誘電率、ωは角周波数、σは導電率を表す。
　次に、実施形態２に係る異常組織検出装置１の動作について説明する。図１９には、異常組織検出装置１の動作の流れが示されている。図２０には、異常組織検出装置１のデータの流れが示されている。
　図１９に示すように、まず、制御部１０（信号送受信制御部３０）は、全ての組み合わせでマイクロ波を送受信し、受信信号を取得する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１は、実施形態１のステップＳ１１と同様の処理であり、同じアンテナの組み合わせで複数回、例えば４０回信号の送受信を行う（図２０）。そして、記憶部４０に、全てのアンテナの組み合わせ（６４通り）で４０個の受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）のデータ（生波形データ４１）が記憶される。
　続いて、制御部１０（組毎平均波形パターン生成部３１）は、上記４０個の受信信号のデータから、ピーク値が一定の信頼区間から外れている受信信号のデータを除外する（ステップＳ３２）。具体的には、組毎平均波形パターン生成部３１は、上記４０個の受信信号のデータそれぞれのピーク値を基に、ピーク値の平均値及び標準偏差を算出する。そして、ピーク値が、一定の信頼区間から外れている外れ値となる受信信号を除外する。
　外れ値を除外するための信頼区間は、各受信信号のピーク値のばらつきに基づいて、任意に設定することができる。本実施の形態では、各受信信号のピーク値は正規分布に従うものとして、平均値±１．６４σ（σ：標準偏差）の範囲、すなわち約９０％の信頼区間を設定し、これから外れるピーク値を有する受信信号を除外している。
　例えば、図２１（Ａ）は、送信アンテナＴｘ１及び受信アンテナＲｘ１３の組み合わせで取得した各受信信号のピーク値を示す図であり、図２１（Ｂ）は、各受信信号のピーク値のヒストグラムである。この受信信号のピーク値について９０％信頼区間外の外れ値を除外する。
　続いて、制御部１０（時間調整部３２Ａ）は、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせで、外れ値に係る受信信号データを除外した残余の受信信号（生波形データ４１）について、実施形態１のステップＳ１４と同様に、時間調整を行うため、ずれ時間ｄＴを算出する（ステップＳ３３）。
　また、制御部１０（レベル調整部３２Ｂ）は、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせで、外れ値に係る受信信号データを除外した残余の受信信号（生波形データ４１）について、実施形態１のステップＳ１５と同様に、レベル調整を行うため、オフセットＯｆｆｓｅｔ及びスケール比Ａ／Ｂを求める（ステップＳ３４）。
　続いて、制御部１０（組毎平均波形パターン生成部３１）は、検出波形パターン生成部として、外れ値に係る受信信号データを除外した残余の受信信号（生波形データ４１）について、ステップＳ３３で求めたずれ時間ｄＴと、ステップＳ３４で求めたオフセットＯｆｆｓｅｔ及びスケール比Ａ／Ｂに基づく調整を行い送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせでの平均波形パターンを算出する（ステップＳ３５）。すなわち、組毎平均波形パターン生成部３１は、図２０に示すように、上記フィルタリングによって、４０個の受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）から外れ値に係る受信信号を除外する。残余の受信信号は、時間調整部３２Ａ及びレベル調整部３２Ｂによって調整された後、組毎平均波形パターン生成部３１によって平均される。そして、算出された平均波形パターンを、組毎平均波形パターン４２とする。実施形態１と同様に、各受信信号（データ信号ＤＡＴＡ２）は４ビットの粗いデジタル信号であるが、この平均化により、各デジタル受信信号の量子化ビット数を上げ、統計的に見て妥当な信号波形を得ることができるので、受信信号に含まれるノイズ及びジッタの影響を低減することができる。また、外れ値に係る受信信号を除外して、組毎平均波形パターンを算出することにより、ノイズの影響の少ない組毎平均波形パターンを求めることができる。
　続いて、基準波形パターン生成部としての、制御部１０（同距離平均波形パターン生成部３２Ｃ）は、実施形態１のステップＳ１３と同様に、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせでの組毎平均波形パターン４２の中から、波形にピークを有しない平均波形パターンを除外する（ステップＳ３６）。上述のように、この除外は、他に閾値によって行われるようにしてもよい。
　続いて、制御部１０（同距離平均波形パターン生成部３２Ｃ）は、ステップＳ３６で残った組毎平均波形パターン４２から、相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの平均信号パターンを算出する（ステップＳ３７）。算出された平均波形パターンは、同距離平均波形パターン４３として、記憶部４０に記憶される。
　算出された同距離平均波形パターン４３は、基準波形パターンとして、記憶部４０に記憶される。
　続いて、制御部１０（差分波形パターン生成部３３Ｂ）は、検出波形パターンとしての組毎平均波形パターンと基準波形パターンとしての同距離波形パターンとの差分波形パターンを算出する（ステップＳ３８）。すなわち、制御部１０は、上記ステップＳ３５で求められた、送信アンテナ及び受信アンテナの同一の組み合わせでの組毎平均波形パターン４２から、ステップＳ３７で求められた相対距離が同じ送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせでの同距離平均波形パターン４３を差し引いて、差分波形パターンが求められる。差分波形パターンは、図２０に示すように、送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせ毎に求められる。算出された差分波形パターンは、差分波形パターン４５’として、記憶部４０に記憶される。
　続いて、制御部１０（差分波形パターン生成部３３Ｂ）は、帯域フィルタによるノイズ除去を行う（ステップＳ３９）。ステップＳ３８で算出された差分波形パターン４５’には、図２２（Ａ）にスパイク状のノイズとして表れている、量子化誤差による高周波ノイズが含まれている。また、図２２（Ａ）の差分波形パターン４５’を積分した積分波形は、図２２（Ｂ）に示すように、時間の経過とともに増大している。よって、差分波形パターン４５’には、直流成分の低周波ノイズが含まれていることがわかる。また、図２２（Ｃ）に示す差分波形パターン４５’をフーリエ変換した周波数スペクトルからも、低周波ノイズ及び高周波ノイズが含まれていることがわかる。
　これらのノイズを除去するため、本実施形態では、送信信号の周波数よりも狭い、２ＧＨｚ～６ＧＨｚを通過帯域とする帯域フィルタを用いる。図２３（Ａ）は、図２２（Ａ）の差分波形パターン４５’に上述の帯域フィルタを適用した波形である。帯域フィルタの適用によって、量子化誤差による高周波ノイズが除去されている。
　また、図２３（Ａ）に示す差分波形パターン４５’を積分した積分波形は、図２３（Ｂ）に示すように、時間の経過とともに増大することなく、水平を保っている。したがって、帯域フィルタの適用により、直流成分の低周波ノイズを除去できていることがわかる。
　続いて、制御部１０（差分波形パターン生成部３３Ｂ）は、被検者の体内を伝搬することによって減衰した受信信号の補償を行う（ステップＳ４０）。
　具体的には、上記ステップＳ３９で算出された積分値に対して、上述の数１及び数２で表される補償係数Ｃを乗ずる。これにより、送信アンテナから受信アンテナへの直接波に対して、遅く受信される異常組織からの反射波を相対的に大きくする。（図２４（Ａ）、図２４（Ｂ））。したがって、受信波形における異常組織からの反射波をより明確にすることができるため、異常組織検出の精度を向上させることができる。
　続いて、制御部１０（検出部３４）は、実施形態１のステップＳ１９と同様に、放射時点を調整する（ステップＳ４１）。実施形態１では、オフセット時間ＴＬは、差分波形パターン４５’における正のピーク位置を用いる方法、または、差分波形パターン４５’を積分した場合のピーク位置を用いる方法によって算出することとしたが、これに限られない。
　例えば、差分波形パターン４５’における負のピーク位置を用いてオフセット時間ＴＬを算出することができる。具体的には、検出部３４は、アンテナ間距離が異なる送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせで、送信信号の送信を開始してから差分波形パターン４５’において負のピークが現れるまでの時間Ｔｍを求める。図１４と同様に、時間Ｔｍをグラフ上にプロットし、例えば最小二乗法を用いてプロットされた点に基づく実線を決定する。そして、この実線と縦軸との交点の位置座標を、オフセット時間ＴＬとして求める。
　図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）に、正のピーク位置を選択した場合と負のピーク位置を選択した場合の例が示されている。図２５（Ａ）は、送信アンテナＴｘ３及び受信アンテナＲｘ７における差分波形パターン４５’を示しており、正のピーク位置は、Ｔｐ１＝３．８３ｎｓ、負のピーク位置は、Ｔｍ１＝３．９５ｎｓの時点である。また、図２５（Ｂ）は、送信アンテナＴｘ３及び受信アンテナＲｘ１５の組み合わせにおける差分波形パターン４５’を示しており、正のピーク位置は、Ｔｐ２＝４．００ｎｓ、負のピーク位置は、Ｔｍ２＝４．１０ｎｓの時点である。上記の通り、Ｔｐ１及びＴｐ２からオフセット時間ＴＬを算出すると、ＴＬ＝２．７７ｎｓとなる。また、Ｔｍ１及びＴｍ２からオフセット時間ＴＬを算出すると、ＴＬ＝２．９０ｎｓとなる。
　続いて、制御部１０（検出部３４）は、実施形態１のステップＳ２０と同様に、差分波形パターンに基づいて異常組織ＣＡを検出する（ステップＳ４２）。異常組織ＣＡの位置は、送信信号の送信を開始してから差分波形パターン４５’において、受信されるまでの時間、すなわちピークが現れるまでの伝搬時間（ピーク時間）Ｔｍｎからオフセット時間ＴＬが差し引かれた後、差し引かれた時間Ｔｍｎ’に基づいて、マイクロ波のインパルス信号の行程距離に基づく複数の楕円の交点を検出することによって行われる。
　上記ステップＳ４１において、正のピーク値に基づいてオフセット時間ＴＬを算出した場合には、反射信号の正のピークに基づいて、異常組織ＣＡの位置が検出される。また、負のピーク値に基づいてオフセット時間ＴＬを算出した場合には、反射信号の負のピークに基づいて、異常組織ＣＡの位置が検出される。検出された異常組織は画像化され、検出画像データ４６として記憶部４０に記憶され、必要に応じて表示画面に表示される。
　図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）は、検出された異常組織を画像化した例である。図２６（Ａ）は、正のピーク値に基づいて算出したオフセット時間ＴＬを使って、異常組織ＣＡを検出した場合を示している。この図では、異常組織の位置は、正の輝点として現れている。図２６（Ｂ）は、負のピーク値に基づいて算出したオフセット時間ＴＬを使って、異常組織ＣＡを検出した場合を示している。この図では、異常組織の位置は、負の輝点として現れている。このように、オフセット時間ＴＬの算出基準によって、検出結果の画像上で異常組織ＣＡの位置を正の輝点で表すか、負の輝点で表すかを選択することができる。これにより、異常組織ＣＡを判別し易い方法で画像を作成することが可能となり、異常組織ＣＡの検出精度を向上させることができる。
　図２７（Ａ）には、帯域フィルタによるフィルタリング及び損失補償を行わなかった場合における異常組織ＣＡの検出結果（検出画像）が示されている。図２７（Ｂ）には、帯域フィルタによるフィルタリングを行い、損失補償を行わなかった場合における異常組織ＣＡの検出結果が示されている。図２７（Ｃ）には、帯域フィルタによるフィルタリング及び損失補償を行った場合における異常組織ＣＡの検出結果が示されている。それぞれの場合の信号雑音比は、図２７（Ａ）でＳＣＲ（signal-to-clutter ratio）＝２．４３，ＳＭＲ（signal-to-mask ratio）＝２１．２２、図２７（Ｂ）でＳＣＲ＝４．９３，ＳＭＲ＝２４．２２、図２７（Ｃ）でＳＣＲ＝５．７０，ＳＭＲ＝２４．５４となっている。このように、本実施形態の帯域フィルタ及び損失補償により、異常組織ＣＡの検出精度を向上させることができる。
　上記各実施の形態では、アンテナの数を送信アンテナ８個、受信アンテナ８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。これに合わせて、ＣＭＯＳスイッチ１３、１７も、単極８投でなくてもよく、他の単極多投のスイッチでよい。その数は、送信アンテナ、受信アンテナの数に合わせることになる。なお、ＣＭＯＳスイッチ１３の出力端、ＣＭＯＳスイッチ１７の出力端は、配線の長さが等しくなるように、かつ長すぎないように、円状に配置できる数とするのが望ましい。
　また、ＣＭＯＳスイッチ１３、１７は、双極多投のスイッチであってもよい。この場合には、各アンテナが、送信スイッチにも受信スイッチにもなるので、スイッチの組み合わせの数を増やすことができる。
　その他、制御部１０のハードウエア構成やソフトウエア構成は一例であり、任意に変更および修正が可能である。
　制御部１０の処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等）に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行する制御部１０を構成してもよい。また、インターネット等の通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロード等することで制御部１０を構成してもよい。
　制御部１０の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担、またはＯＳとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。
　搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して配信することも可能である。たとえば、通信ネットワーク上の掲示板（BBS, Bulletin Board System）にコンピュータプログラムを掲示し、ネットワークを介してコンピュータプログラムを配信してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、前記の処理を実行できるように構成してもよい。
　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。
　本出願は、２０１５年１０月２９日に出願された日本国特許出願２０１５－２１３４０６号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１５－２１３４０６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
　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、外部環境の誘電率の異なる領域の検出・判別に応用可能である。
　１　　異常組織検出装置
　１０　　制御部
　１１　　送信部
　１２　　送信アンプ
　１３　　ＣＭＯＳスイッチ
　１４　　配線部
　１５　　アンテナアレイ
　１６　　配線部
　１７　　ＣＭＯＳスイッチ
　１８　　受信アンプ
　１９　　受信部
　２０　　選択部
　２１Ａ、２１Ｂ　ＮＡＮＤ回路
　２１Ｃ、２１Ｄ　ＮＯＲ回路
　２２Ａ～２２Ｄ　遅延回路
　２３Ａ、２３Ｃ　ＯＲ回路
　２３Ｂ、２３Ｄ　ＡＮＤ回路
　２４Ａ、２４Ｃ　ダウンパルスジェネレータ
　２４Ｂ、２４Ｄ　アップパルスジェネレータ
　２５Ａ、２５Ｂ　バッファ回路
　３０　信号送受信制御部
　３１　組毎平均波形パターン生成部
　３２Ａ　時間調整部
　３２Ｂ　レベル調整部
　３２Ｃ　同距離平均波形パターン生成部
　３３Ａ　全信号平均波形パターン生成部
　３３Ｂ　差分波形パターン生成部
　３４　検出部
　４０　記憶部
　４１　生波形データ
　４２　組毎平均波形パターン
　４３　同距離平均波形パターン
　４４　全信号平均波形パターン（基準波形パターン）
　４５、４５’　差分波形パターン
　４６　検出画像データ
　ＣＡ　異常組織
　Ｃｋ　信号
　ＣＬＫ、ＣＬＯＣＫ、／ＣＬＯＣＫ　クロック信号
　ＣＳ１、ＣＳ２　制御信号
　ＤＡＴＡ、／ＤＡＴＡ、ＤＡＴＡ２　データ信号
　ＲＳ１、ＲＳ２　受信信号
　Ｒｘ１、Ｒｘ２、…、Ｒｘ８　受信アンテナ
　ＭＷ　送信信号（インパルス信号）
　ＯＰ、ＯＭ　出力信号
　ＲＷ　反射信号
　Ｔｘ１、Ｔｘ２、…、Ｔｘ８　送信アンテナ
　ＳＳ１、ＳＳ２　送信信号

Claims (15)

  1. 　マイクロ波の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、
    　選択する送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整部と、
    　前記時間調整部で調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成部と、
    　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成部と、
    　前記検出波形パターン生成部で生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成部で生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成部と、
    　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出部と、
    　を備える検出装置。
  2. 　前記時間調整部は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせを所定の組み合わせとして信号波形の時間方向のずれを調整し、
    　前記検出波形パターン生成部は、
    　同一の前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせにおける複数の受信信号の信号波形を平均した組毎平均波形パターンを検出波形パターンとして生成し、
    　前記基準波形パターン生成部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせでの前記組毎平均波形パターンを平均した同距離平均波形パターンを基準波形パターンとして生成する、
    　請求項１に記載の検出装置。
  3. 　前記時間調整部は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせを所定の組み合わせとして信号波形の時間方向のずれを調整し、
    　前記検出波形パターン生成部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形を平均した同距離平均波形パターンを検出波形パターンとして生成し、
    　前記基準波形パターン生成部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの全ての組み合わせでの受信信号の信号波形を平均した全信号平均波形パターンを基準波形パターンとして生成する、
    　請求項１に記載の検出装置。
  4. 　前記制御部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された信号の信号波形のオフセット及び振幅に基づいて、前記受信アンテナで受信された信号の振幅が同一レベルになるように信号波形の振幅レベルを調整するレベル調整部を備える、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置。
  5. 　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同じ組み合わせについて、複数回、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力して選択された受信アンテナから出力された所定ビット数のデジタル受信信号を入力する信号送受信制御部と、
    　複数回入力されたデジタル受信信号の平均を前記所定ビット数より大きいビット数で表現する平均波形パターンを、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンとして取得する組毎平均波形パターン生成部と、
    　を備える、
    　請求項１から４のいずれか一項に記載の検出装置。
  6. 　前記組毎平均波形パターン生成部は、
    　前記複数回入力されたデジタル受信信号のうち、前記デジタル受信信号の最大振幅が正規分布の９０％信頼区間外であるデジタル受信信号を除外して、前記平均波形パターンを生成する、
    　請求項５に記載の検出装置。
  7. 　前記インパルス信号は、ガウシアンモノサイクルパルスである、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の検出装置。
  8. 　前記制御部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせにおける受信信号の信号波形の平均を示す同距離平均波形パターンを生成する、同距離平均波形パターン生成部を備え、
    　前記同距離平均波形パターン生成部は、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの各組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンについて、正のピークに続いて正のピークが現れ、負のピークが現れない場合には、その組み合わせの受信信号の信号波形の波形パターンを計算対象から除外する、
    　請求項７に記載の検出装置。
  9. 　前記検出部は、
    　前記差分波形パターンに基づいて、前記インパルス信号を送信してから前記受信信号を受信するまでの伝搬時間を、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについてそれぞれ求め、
    　求められた伝搬時間に基づいて、前記相対距離が０であると仮定したときの伝搬時間に含まれるオフセットを推定し、
    　前記伝搬時間に含まれるオフセットを差し引かれた前記伝搬時間に基づいて、検出対象の位置を検出する、
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の検出装置。
  10. 　前記検出部は、
    　前記差分波形パターンの最初の正又は負のピーク位置に基づいて前記伝搬時間を求め、前記伝搬時間に含まれるオフセットを推定するとともに、
    　前記正のピーク位置に基づいて前記伝搬時間に含まれるオフセットを推定した場合には、前記差分波形パターンの正のピーク位置に基づいて、前記検出対象の位置を検出し、
    　前記負のピーク位置に基づいて前記オフセットを推定した場合には、前記差分波形パターンの負のピーク位置に基づいて、前記検出対象の位置を検出する、
    　請求項９に記載の検出装置。
  11. 　クロック信号を入力する論理回路、遅延回路及び半導体スイッチング素子の組み合わせ回路を有し、その組み合わせ回路を用いて複数の送信アンテナに送信するインパルス信号を生成する送信信号生成部を備える、
    　請求項１から１０のいずれか一項に記載の検出装置。
  12. 　前記制御部は、
    　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンから、低周波ノイズ及び高周波ノイズを除去する帯域フィルタを備える、
    　請求項１から１１のいずれか一項に記載の検出装置。
  13. 　前記制御部は、
    　前記差分波形パターンを、前記インパルス信号が伝搬する媒体の損失式で補償する補償器を備える、
    　請求項１から１２のいずれか一項に記載の検出装置。
  14. 　マイクロ波の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の組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う信号処理方法であって、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整ステップと、
    　前記時間調整ステップで調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成ステップと、
    　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成ステップと、
    　前記検出波形パターンステップで生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成ステップで生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成ステップと、
    　前記差分波形パターン生成ステップで生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出ステップと、
    　を含む信号処理方法。
  15. 　コンピュータを、
    　マイクロ波の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の組み合わせを切り替えながら、インパルス信号を選択された送信アンテナに出力し、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、入力した受信信号に対する信号処理を行う制御部、
    　前記送信アンテナと前記受信アンテナとの所定の組み合わせについて、前記受信アンテナで受信された複数の受信信号の信号波形におけるピークの時点に基づいて、信号波形の時間方向のずれを調整する時間調整部、
    　前記時間調整部で調整された複数の受信信号であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの同一の組み合わせについて取得された複数の受信信号、または、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの相対距離が同じ組み合わせについて取得された複数の受信信号の平均を示す検出波形パターンを生成する検出波形パターン生成部、
    　前記検出波形パターンの生成に用いられた複数の受信信号を含み、より多数の受信信号の信号波形の平均を示す基準波形パターンを生成する基準波形パターン生成部、
    　前記検出波形パターン生成部で生成された検出波形パターンと、前記基準波形パターン生成部で生成された基準波形パターンとの差分を示す差分波形パターンを生成する差分波形パターン生成部、
    　前記差分波形パターン生成部で生成された差分波形パターンに基づいて、検出対象を検出する検出部、
    　として機能させるプログラム。
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