(57)【要約】【課題】電磁波を利用して生体組織の誘電率の差異および／または変化を取得するシステムの電磁波送受信装置において、生体内へより多くの電磁波を入射可能とする。【解決手段】被験生体の生体内部へ電磁波を入射する送信手段２と、生体内部へ入射した電磁波の該生体内部からの反射波を検知する受信手段２と、誘電率の差異および／または変化を取得する際に、送信手段および受信手段２と、被験生体７の皮膚８との間に隙間無く配置されるｎ層の誘電体層４、５とを備え、ｎ番目の誘電体層の被誘電率をεｎ、空気の誘電率をεａ、生体の皮膚の誘電率をεｂとしたとき、εａ＜ε１＜ε２＜・・・・εｎ＜εｂの関係とする。【選択図】図１
2010046181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を利用して生体組織の誘電率の差異および／または変化を取得するシステムにおいて、被験生体外に配置されて用いられる電磁波送受信装置であって、
被験生体の生体内部へ電磁波を入射する送信手段と、
前記生体内部へ入射した電磁波の該生体内部からの反射波を検知する受信手段と、
前記誘電率の差異および／または変化を取得する際に、前記送信手段および前記受信手段と、前記被験生体の皮膚との間に隙間無く配置されるｎ層の誘電体層とを備え（ここで、ｎは２以上の自然数であり、前記送信手段または受信手段側から１、２・・・とする。）、
ｎ番目の誘電体層の被誘電率をεｎ、空気の誘電率をεａ、生体の皮膚の誘電率をεｂとしたとき、
εａ＜ε１＜ε２＜・・・・εｎ＜εｂ
の関係にあることを特徴とする電磁波送受信装置。
【請求項２】
前記ｎ層の誘電体層の全誘電体層の合計厚みが、前記電磁波の波長λ以上であることを特徴とする請求項１記載の電磁波送受信装置。
【請求項３】
前記ｎ層の誘電体層の誘電率が、下記式を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の電磁波送受信装置。
【数１】
2010046181.tif 000013
【請求項４】
前記送信手段が、前記受信手段を兼ねるものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の電磁波送受信装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれか１項記載の前記電磁波送受信装置を備えたことを特徴とする温度計測システム。
【請求項６】
請求項１から４いずれか１項記載の前記電磁波送受信装置を備えたことを特徴とする腫瘍検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内に電磁波を入射させ、その反射波から生体組織の誘電率の差異および／または変化を検出して、生体内の情報を取得するシステムおよび該システムに用いられる電磁波送受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、生体組織の誘電率の差異または変化を、電磁波（マイクロ波）の反射波に基づいて検出する、生体情報の取得方法が研究されている（特許文献１）。
【０００３】
電磁波を用いた生体情報の取得原理について簡単に説明する。  
物質は生体組織に限らず、構成媒質に依存する特性インピーダンスを持っている。電波が一方の媒質から他の媒質へ伝搬するとき、その界面で反射が起こり、一部は透過する。
【０００４】
真空中の特性インピーダンスは下記式で表され、
【数１】
2010046181.tif 000003
【０００５】
誘電率εrの無損失媒質におけるインピーダンスは、
【数２】
2010046181.tif 000004
【０００６】
で表される。
【０００７】
図６は、比誘電率ε1、比透磁率μ1の誘電体Ｄ1と比誘電率ε2、比透磁率μ2の誘電体Ｄ2の界面における電磁波の反射と透過を模式的に示した図である。誘電体界面での反射・透過波の大きさは、伝送線路の考え方と同様に考えることができる。
【０００８】
特性インピーダンスＺ1（比誘電率ε1）の誘電体からＺ2（比誘電率ε2）の誘電体に電磁波が入射するとき、反射係数Γは、下記（１）式で表される。
【数３】
2010046181.tif 000005
【０００９】
従って、入射信号Ｅiとすると、透過信号は、Ｅｔ＝（１＋Γ）・Ｅi      
反射信号は、Ｅｒ＝Γ・Ｅi
と表される。
【００１０】
一般に媒質中の電磁波の波長は真空中の
【数４】
2010046181.tif 000006
【００１１】
倍になる。生体は、非磁性体（比透磁率μｒ＝１）と考えられるので、
【数５】
2010046181.tif 000007
【００１２】
倍となる。
【００１３】
この原理を応用して、乳がんなどの早期検出システムが研究されている。乳がんは体表に近く、比較的均一な脂肪で構成された組織（低ノイズ）内にあり、がん組織と正常組織の誘電率の差が大きく、コントラストがとりやすいことから本原理の応用に適すると考えられている。正常組織とがん組織の比誘電率は１０と５０（２ＧＨｚの電磁波に対して）であり、両者の界面における反射率は約０．４である。
【００１４】
非特許文献１においては、数値ファントムを使ったシミュレーションが行われ、この数値ファントムを使用したシミュレーションでは２ｍｍの大きさのがんが検出できるという報告がなされている。
【００１５】
また、非特許文献２においては、生体組織の誘電率変化を検出することにより、電磁波（マイクロ波）を用いて生体等の内部温度分布を計測する方法として、マイクロ波を生体等に照射して透過特性を測定する計測方法が提案されている。
【特許文献１】特表２００５-５１４９９６号公報
【非特許文献１】Bond, E.J.; Xu Li; Hagness, S.C.; Van Veen, B.D. Microwave imaging via space-time beamforming for early detection of breast cancer, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Volume 51, Issue 8, Aug. 2003 1690-1705
【非特許文献２】生体情報の可視化技術  ５章「電磁波と生体情報の可視化」  生体情報の可視化技術編集委員会  1997  コロナ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、生体組織の誘電率の差異を検出して、乳がんの早期検出を行う、あるいは、生体内組織の温度による誘電率の変化を検知して、その温度を測定する装置が研究・開発されているが、現状ではそのアルゴリズム開発が中心となっており、実用化にあたっての検討が十分になされていない。
【００１７】
現実に電磁波を生体内に入射させる場合、空気と皮膚との誘電率の差が非常に大きいため、入射波の多くは皮膚で反射され、生体内に十分侵入できないことが分かっている。非特許文献１においても皮膚で反射された入射波の強度が生体内からの反射波より３桁（１０００倍）近く大きいことが示されている。
【００１８】
実験段階である現状では、誘電率一定の食塩水やオイルの中に測定対象とアンテナを入れて測定がなされており、そのまま実際の生体計測に適応できるものではない。また、上記非特許文献におけるシミュレーションでは、皮膚での反射を補正するために、取得したデータから皮膚での反射分を減算することが示されているが、現実的な測定系においては、ＡＤビット数などのダイナミックレンジを、皮膚からの反射波に合わせると、生体内部からの反射波検出の感度が著しく低下するという問題が生じる。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、入射波をより多く生体内へ伝搬させることができる電磁波送受信装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、生体内からの信号をＳ／Ｎよく取得することができるシステムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の電磁波送受信装置は、電磁波を利用して生体組織の誘電率の差異および／または変化を取得するシステムにおいて、被験生体外に配置されて用いられる電磁波送受信装置であって、
被験生体の生体内部へ電磁波を入射する送信手段と、
前記生体内部へ入射した電磁波の該生体内部からの反射波を検知する受信手段と、
前記誘電率の差異および／または変化を取得する際に、前記送信手段および前記受信手段と、前記被験生体の皮膚との間に隙間無く配置されるｎ層の誘電体層とを備え（ここで、ｎは２以上の自然数であり、前記送信手段または受信手段側から１、２・・・とする。）、
ｎ番目の誘電体層の被誘電率をεｎ、空気の誘電率をεａ、生体の皮膚の誘電率をεｂとしたとき、
εａ＜ε１＜ε２＜・・・・εｎ＜εｂ
の関係にあることを特徴とするものである。
【００２１】
ここで、前記ｎ層の誘電体層の全誘電体層の合計厚みが、前記電磁波の波長λ以上であることが望ましい。
【００２２】
また、前記ｎ層の誘電体層の誘電率が、下記式を満たすことが望ましい。
【数６】
2010046181.tif 000008
【００２３】
また、前記送信手段が、前記受信手段を兼ねるものであることが望ましい。
【００２４】
本発明の温度計測システムは、本発明の電磁波送受信装置を備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の腫瘍検出システムは、本発明の電磁波送受信装置を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の電磁波送受信装置によれば、送信手段および受信手段と被験生体の皮膚との間にｎ層の誘電体層（ｎ≧２）を備え、誘電体層の誘電率が、皮膚に近づくにつれ、皮膚の誘電率に近くいものとなるように該ｎ層以上の誘電体層を配置しているので、生体へ入射させる電磁波の皮膚での反射を抑制し、生体内への透過率を大きくすることができる。皮膚での反射を抑制し、生体への入射波の進入割合を増加させることができることから、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００２７】
また、送信手段および受信手段を直接皮膚に接触させないことから、送信手段および受信手段のさび、腐食およびそれらに伴う性能変化を防止することができる。
【００２８】
さらに、少なくとも１つの誘電体層の厚みが電磁波の波長以上であれば、皮膚からの反射波の影響を距離的に排除することができ、反射波から種々の生体内の情報を取得する際に、演算により皮膚からの反射波を排除する処理が不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
＜電磁波送受信装置＞
まず、本発明の電磁波送受信装置の実施形態を図１を参照して説明する。図１は第１の実施形態の電磁波送受信装置の模式図である。
【００３１】
図１に示す、第１の実施形態の電磁波送受信装置１は、送信手段および受信手段を兼ねたアンテナ２と、アンテナ２を挟むようにして配置された第１の誘電体層であるプリント樹脂基板４（ＦＲ４：Flame Retardant Type 4、誘電率ε1≒４）と、プリント樹脂基板の外側に配置された第２の誘電体層であるポリウレタン５（誘電率ε2≒６）とを備えている。第２の誘電体層の厚みｄは送受信される電磁波の波長λ以上であることが好ましい。該電磁波送受信装置１を用いた電磁波送受信計測時においては、ポリウレタン５の表面が被験生体７の皮膚表面８に接触するように配置されて使用される。
【００３２】
アンテナ２は例えば、金属体で形成されたものを用いる。第１の誘電体層としては、テフロン（登録商標）、ＦＰＣ（ポリイミド）等を用いてもよい。皮膚８と接触する側の第２の誘電体層としては、入手しやすく生体の皮膚の誘電率に近いアルコール類、ウレタン等を選択することが望ましい。
【００３３】
空気の比誘電率εａ＝１、生体の皮膚の誘電率εｂ≒３８であり、第１および第２の誘電体層の比誘電率は、εａ＜ε１＜ε２＜εｂの関係にある。
【００３４】
なお、第１および第２の誘電体層４、５はアンテナ２に対して取り外しできないように固定されていてもよいし、脱着自在になっていてもよく、少なくとも生体への電磁波の送信および反射波の受信測定を行う際に、生体皮膚表面８とアンテナ２との間に隙間無く挿入できればよい。
【００３５】
ここで、本発明の電磁波送受信装置の効果について検証する。  
アンテナ２と生体の皮膚表面８との間に誘電体層が挿入されていない場合、空気の比誘電率εａ＝１、生体の皮膚の誘電率εｂ＝３８としたとき、アンテナから放射された電磁波が生体の皮膚に入射するときの透過係数Ｔ（＝１＋Γ）は、上述の式（１）から
【数７】
2010046181.tif 000009
【００３６】
である。一方、例えば、アンテナと生体の皮膚の間にウレタンが挿入されている場合、ウレタンの比誘電率ε2＝６、生体の皮膚の誘電率εｂ＝３８であり、アンテナから放射された電磁波が生体の皮膚に入射するときの透過係数Ｔ（＝１＋Γ）は、
【数８】
2010046181.tif 000010
【００３７】
である。
【００３８】
このように、アンテナと生体の皮膚との間に誘電体層が存在しない場合、２８％が透過されるのに対し、比誘電率６の誘電体層が存在する場合には、５７％が透過されることになる。
【００３９】
このように、アンテナと生体の皮膚との間に空気と皮膚との誘電率の間の誘電率を有する誘電体層を挿入することにより皮膚での電磁波の反射を抑制することができ、より多くの電磁波を生体内へ伝搬させることができることが分かる。
【００４０】
なお、誘電体層を備えた場合でも４０％程度の反射率で入射波が反射する。このとき、入射波と反射波との干渉を抑制するためには、誘電体層が、入射波の１波長程度の厚みを有することが望ましい。
【００４１】
なお、上記においては本発明の効果を簡易に説明するため誘電体層が１つのみ存在する場合について説明したが、本発明においては、送受信手段であるアンテナと生体の皮膚との間に２層以上の誘電体層が配置される。２層以上の誘電体層が配置される場合には、アンテナ側の誘電体層の誘電率より生体側となる誘電体層の誘電率の方が順次大きくなるように配置構成することにより、効率的に誘電体層間、および生体の皮膚との各界面での電磁波の反射の抑制を行うことができる。
【００４２】
誘電体層が多層の場合、特に、誘電体層間、および生体の皮膚との各界面での反射係数を乗じたものが小さくなるように誘電体の材料を選択するのが好ましい。  
図１に示すように、アンテナと生体の皮膚との間に誘電体層を２層挿入する場合は、アンテナと接触している第１の誘電体層の誘電率をε１、第１の誘電体と皮膚との間に挿入される第２の誘電体層の誘電率をε２、皮膚をεｂとすると、εａ＜ε１＜ε２＜εｂを満たした上で、
【数９】
2010046181.tif 000011
【００４３】
になるような誘電体材料を選択することが最も好ましい。
【００４４】
さらに、誘電体層をｎ層とする場合には、各誘電体層の材料の誘電率εｎがεａ＜ε１＜ε２＜・・・・εｎ＜εｂを満たした上で、
【数１０】
2010046181.tif 000012
【００４５】
となるように材料を選択することが好ましい。このように材料を選択することにより、各誘電体層の界面および皮膚との界面における反射率をより抑制することができ、より効率的に入射波を生体内に伝搬させることができる。
【００４６】
[設計変更例]
上述の図１に示す実施形態においては、アンテナ２をプリント樹脂基板４で挟むようにした例を挙げたが、図２に示す電磁波送受信装置１１のように、アンテナ２を第１の誘電体層１４で内包し、第２の誘電体層１５を生体側に配置するように構成してもよい。
【００４７】
＜温度計測システムの実施形態＞
本発明の電磁波送受信装置を備えた温度計測システムの実施形態について図３を参照して説明する。温度計測システムは、誘電率の温度変化を検出して生体深部の温度計測を行うシステムであり、ここでは１次元の計測システムについて説明する。
【００４８】
例えば、1.5ＧＨｚの電磁波を用いた場合、温度変化による比誘電率の変化は0.7％／degである。この比誘電率の温度依存性を利用して体内の温度分布の変化を非侵襲で計測することができる。
【００４９】
本実施形態の温度計測システム２０は、図１に示した電磁波送受信装置１と、アンテナ２による電磁波の送受信を制御する制御部２１、アンテナ２から送信される送信電磁波Ｅiを発振する発振部２２、アンテナ２で受信された反射波Ｅｒに基づいて温度を検出する温度検出部２３とを備えている。
【００５０】
温度計測時には、図３に示すように、電磁波送受信装置１の第２の誘電体層５の表面を被験生体７の皮膚表面８に接触させた状態として、対象組織９における温度を計測する。
【００５１】
まず、アンテナから超短パルスを送信する。パルスは、例えば、２００ｐｓ幅の微分ガウシアンパルスで、４ＧＨｚ程度の中心周波数とする。なお、４ＧＨｚの電磁波を用いた場合、温度変化による比誘電率の変化は0.5％／degである。このパルスの反射波をアンテナで受信して温度検出部において記録する。
【００５２】
温度検出部において、反射波の、脂肪の厚みなどＭＲＩ等で予め測定しておいた測定距離に対応する時間遅れに対応した部分の誘電率変化を温度変化に換算する。本温度計測システム２０のように、本発明の電磁波送受信装置を備えることにより、反射波検出におけるＳ／Ｎを向上することができるので、温度計測の精度も向上させることができる。
【００５３】
＜腫瘍検出システムの実施形態＞
次に本発明の電磁波送受信装置を備えた、腫瘍検出システムの実施形態として乳がん検出システムについて説明する。
【００５４】
図４に示すように、本実施形態の乳がん検出システム３０は、複数の(ここでは１２個）電磁波送受信装置１Ａ〜１Ｌと、電磁波送受信装置１Ａ〜１Ｌによる電磁波の送受信を制御する制御部３１、アンテナから送信される送信電磁波を発振する発振部３２、アンテナで受信された反射波に基づいて乳がんの検出を行う検出部３３とを備えている。
【００５５】
計測時には、図４に示すように、マンモ３５に複数個（ここでは、１２個）の電磁波送受信装置を接触配置する。
【００５６】
図５は腫瘍部３６を有するマンモ３５の２次元断面および、該マンモ３５に対する電磁波送受信装置１Ａ〜１Ｌの配置およびＸ−Ｙ断面におけるレーダーアルゴリズムを説明するための図である。図５に示すように、電磁波送受信装置１Ａ〜１Ｌは、Ｘ−Ｙ断面において、Ｘ１〜Ｘ１２の各Ｘ座標にそれぞれ配置されている。マンモ３５の断面を複数の領域に分割し、該分割された領域毎（座標点）に該領域からの反射波の強度を算出することにより、各領域における誘電率差を画像化することができる。
【００５７】
以下、マンモ３５中の腫瘍部３６に対するレーダーアルゴリズムを説明する。  
図４および図５に示すように、マンモ３５の表面に沿って電磁波送受信装置複数個（ｍ＝１２個）をそれぞれ該マンモ表面に接触させるように配置した状態で計測を行う。
【００５８】
１）各々の電磁波送受信装置１Ａ〜１Ｌのアンテナから超短パルスを送信する。超短パルスは、２００ｐｓ幅の微分ガウシアンパルスで、４ＧＨｚ程度の中心周波数とする。
【００５９】
２）このパルスの反射波をアンテナで受信して検出部３３において記録する。アンテナｍ個分の反射波系列として記録される。
【００６０】
３）この反射波系列においては、入射波の皮膚における反射が支配的なものとなるが、腫瘍からの反射波形正常組織の不均一性による散乱信号は、平均化され、散乱信号は無視できるレベルになっている。しかしながら、皮膚とアンテナ間に誘電体層がない場合と比較すると皮膚における反射は小さい。皮膚とアンテナ間に誘電体層がない場合、各反射波列において、皮膚からの反射は、最も早い時間に、しかも大きく現れ、不必要な信号であることから、まずこの皮膚からの反射による信号を取り除く処理が必要となる。その場合、ｍ個の波形列を加算し、平均を取ることにより参照波形列を生成し、この参照波形列をｍ個の各波系列から減算することにより、入射波と皮膚からの反射波を除いた補正されたｍ個の波系列を得る。  
本実施形態では、アンテナと皮膚との間に誘電体層が挿入されていることから、皮膚での反射が抑制され、かつ、誘電体層の厚みが送受信電磁波の１波長以上であることから、反射波による信号を排除する処理は不要である。
【００６１】
４）全反射波列の移動平均を取り、各反射波列から減算することにより低周波信号が排除され、ｍ個の目的とする波系列が生成される。
【００６２】
５）これらのｍ個の波形列を指定したマンモ３５の座標点から各アンテナまでの距離を時間に換算した分をシフトした波形列を加算することにより、その座標点の振幅強度を導き出す。
【００６３】
６）５）の操作を分割した座標点分繰り返す。例えば、分割は、１ｍｍ間隔で行い、座標化する。
【００６４】
７）各座標点における振幅強度が得られ、これを画像化することにより、Ｘ―Ｙ断面における座標毎の誘電率の相対的な違いを表すことができる。
【００６５】
本乳がん検出システム３０のように、本発明の電磁波送受信装置を備えることにより、反射波検出におけるＳ／Ｎを向上することができるので、腫瘍検出の精度も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の電磁波送受信装置の実施形態を示す模式図
【図２】本発明の電磁波送受信装置の変更例を示す模式図
【図３】本発明の温度検出システムの実施形態を示す全体図
【図４】本発明の乳がん検出システムの実施形態を示す全体図
【図５】マンモ断面および電磁波送受信装置の配置を示す模式図
【図６】電磁波の反射と透過を説明するための図
【符号の説明】
【００６７】
１、１１、１Ａ〜１Ｌ    電磁波送受信装置
２    アンテナ
４、１４    第１の誘電体層
５、１５    第２の誘電体層
２０    温度検出システム
２１    制御部
２２    発振部
２３    温度検出部
３０    乳がん検出システム
３１    制御部
３２    発振部
３３    検出部
３５    マンモ（乳房）
３６    腫瘍部
【図１】
2010046181.tif 000014
【図２】
2010046181.tif 000015
【図３】
2010046181.tif 000016
【図４】
2010046181.tif 000017
【図５】
2010046181.tif 000018
【図６】
2010046181.tif 000019