(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数成分がマイクロ波帯域に及ぶ超短パルスを、内部に誘電率の異なる検出対象物が存在するか又は存在すると予想される所定の物体に対し複数方向から照射し、複数方向の反射波の測定結果を用いて、合成開口処理を伴う画像再構成を実行し、前記物体内における検出対象物の位置を画像化するマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記物体に対し超短パルスを複数方向から同時に又は順次時間をずらして照射すると共に、各照射方向ごとに物体や検出対象物からの反射波を受信し、反射波の信号を出力するパルス送受信手段と、
反射波信号における周波数成分の周波数帯域内で、最小周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つ当該周波数範囲に含まれる前記物体内部での反射波成分が物体内での所定の透過性を有する第一の周波数範囲、並びに、前記周波数帯域内で、最大周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つ当該周波数範囲に含まれる前記物体内部での反射波成分の物体内における透過性が前記第一の周波数範囲の場合より著しく低くなる第二の周波数範囲、をそれぞれ設定する周波数範囲設定手段と、
前記パルス送受信手段で得られた各方向ごとの所定時間にわたる反射波信号から、前記第一の周波数範囲に当てはまる周波数成分を有する第一の信号成分と、前記第二の周波数範囲に当てはまる周波数成分を有する第二の信号成分をそれぞれ抽出取得した上で、前記第一の信号成分における物体表面からの反射波成分を、前記第二の信号成分における物体表面からの反射波成分で打消し、検出対象物からの反射波成分が相対的に強調された第一の信号成分を画像再構成用の新たな反射波信号とする信号解析手段とを備えることを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項２】
前記請求項１に記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記信号解析手段が、前記反射波の信号をフーリエ変換して周波数領域の信号を得て、当該周波数領域の信号から前記第一の周波数範囲に合致する信号成分と前記第二の周波数範囲に合致する信号成分をそれぞれ取得し、さらに、前記第一の周波数範囲に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第一の信号成分を得ると共に、前記第二の周波数範囲に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第二の信号成分を得ることを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項３】
前記請求項２に記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記信号解析手段が、反射波信号に対し、フーリエ変換で周波数領域の信号を得る過程で、反射波信号の対象となる時間範囲をあらかじめ限定する時間フィルタリングを実行することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項４】
前記請求項１に記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記パルス送受信手段で得られた反射波信号における周波数成分が前記第一の周波数範囲に収るよう不要帯域のフィルタリングを行う第一のフィルタ回路と、
当該第一のフィルタ回路と並列に配置され、前記パルス送受信手段で得られた反射波信号における周波数成分が前記第二の周波数範囲に収るよう不要帯域のフィルタリングを行う第二のフィルタ回路とを備え、
前記信号解析手段が、反射波信号を前記第一のフィルタ回路に通して前記第一の信号成分を取得すると共に、反射波信号を前記第二のフィルタ回路に通して前記第二の信号成分を取得することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記周波数範囲設定手段が、前記第二の周波数範囲を、当該周波数範囲に対応する前記第二の信号成分における前記物体表面からの反射波成分が、前記第一の周波数範囲に対応する前記第一の信号成分における物体表面からの反射波成分の信号強度に近い信号強度となる帯域幅として設定することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項６】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記周波数範囲設定手段が、前記第一の周波数範囲と第二の周波数範囲を、それぞれ同じ帯域幅に設定することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項７】
前記請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記信号解析手段が、照射されるパルスの、反射によらずに直接受信されるクロストーク成分をあらかじめ把握し、前記パルス送受信手段で得られた反射波信号から前記クロストーク成分を差引いて反射波成分のみの信号を生成することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【請求項８】
前記請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ波イメージングシステムにおいて、
前記物体が人体胸部組織であり、検出対象物が前記胸部組織内の腫瘍である場合に、
前記周波数範囲設定手段が、検出対象物である腫瘍の検出対象とする最小の大きさ及び／又は胸部組織表面からの腫瘍の距離に対応させて、設定する前記第一の周波数範囲と第二の周波数範囲の各範囲をそれぞれ調整することを
特徴とするマイクロ波イメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射した超短パルスの周波数帯域における物質の誘電率の差異に基づいて生じる反射波を用いて、周囲の物体とは性質の異なる検出対象物を画像として検出可能とするマイクロ波イメージングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用途において生体内情報を画像化（イメージング）する手法としては、Ｘ線や超音波を利用した方法の他、核磁気共鳴画像法も知られており、これらは広く利用されているが、特に、乳がん検出を目的とする場合には、Ｘ線マンモグラフィが最も有用なイメージング法として近年利用が進んでいる。
【０００３】
ただし、Ｘ線マンモグラフィでは、Ｘ線の照射強度が比較的小さい上、Ｘ線の周波数領域において正常な胸部細胞と腫瘍との誘電率の差異が小さく、得られた画像における正常な胸部組織と腫瘍とのコントラストが小さくなり、これらの見分けが付きにくいことに起因して、画像に基づく診断結果が偽陰性や偽陽性となる割合が高くなるといった問題がある。また、Ｘ線マンモグラフィでは、小さい放射線量で乳房の病変を撮影する必要から、乳房を専用の器具で圧迫してＸ線が乳房に適切に照射されるようにしており、これに伴い受診者が痛みを感じる場合があるという問題もあった。
【０００４】
これに対し、マイクロ波の周波数帯域で正常な胸部組織と悪性腫瘍との誘電率の差が大きくなることを利用して、マイクロ波帯域の超短パルスレーダを用いて胸部からの反射波を取得し、反射波の飛行時間を計測して乳房内の腫瘍の検出と位置同定を行ういわゆるマイクロ波イメージングを用いた乳がん検出の手法が近年提案され、超短パルスを用いた非接触での測定により、Ｘ線マンモグラフィで生じていた諸問題を解決できるものとして、注目を集めている。こうした従来のマイクロ波イメージングを用いた乳がん検出の手法の一例として、特表２００８−５３０５４６号公報に開示されるものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３０５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のマイクロ波イメージングによる乳がん検出の方法は、前記特許文献に示されるものとなっており、マイクロ波イメージングにおける最大の問題としての、体表面からの極めて大きい反射波の成分が体内の腫瘍検知の大きな障害となる点への対策として、反射波から校正信号を生成して反射波における体表面での反射波成分を打消す手法が提案されているが、この場合、表面での反射波成分を打消す対象の反射波と同じアンテナではなく、他のアンテナで得られた反射波に基づいて校正信号が生成されることから、反射波の表面での反射波成分と校正信号とを一致させることは難しく、表面での反射波成分を適切に打消せるとは限らないという課題を有していた。
【０００７】
このように表面反射の影響は、マイクロ波イメージングの手法における大きな問題として存在し、表面反射の影響を回避する他の手法としては、反射波の処理対象とする時間範囲を絞って表面での反射波成分を取除くことも提案されているが、アンテナからの照射パルスがそもそも理想のパルス波形となっておらず、アンテナの周波数特性（分散特性）の影響を受けたチャープパルスとなり、リンギング等を有する状態となっていることから、理想パルスであれば体内の腫瘍等からの反射波成分と見分けられる表面での反射波成分も、現実にはパルスの後に前記リンギング等の後に続く波形を有するものとなっており、この波形部分に内部からの反射波成分が重なって隠されてしまい、時間の範囲を限定するだけではこの内部からの反射波成分のみを有効に取得することはできないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、超短パルスの反射波信号における周波数成分の周波数帯域において、物体内の検出対象物からの反射波成分が十分な強度となる低い周波数範囲と、同じ反射波成分でも減衰で強度が大きく低下する高い周波数範囲を設定し、物体表面での反射波成分は各周波数範囲でほぼ同様となることを利用して、各周波数範囲に対応する反射波の信号を用いて物体表面での反射波成分を除去し、マスキングされていた検出対象物からの反射波成分を確実に取得して、物体内の検出対象物の状況を適切に画像化して評価可能とするマイクロ波イメージングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは、周波数成分がマイクロ波帯域に及ぶ超短パルスを、内部に誘電率の異なる検出対象物が存在するか又は存在すると予想される所定の物体に対し複数方向から照射し、複数方向の反射波の測定結果を用いて、合成開口処理を伴う画像再構成を実行し、前記物体内における検出対象物の位置を画像化するマイクロ波イメージングシステムにおいて、前記物体に対し超短パルスを複数方向から同時に又は順次時間をずらして照射すると共に、各照射方向ごとに物体や検出対象物からの反射波を受信し、反射波の信号を出力するパルス送受信手段と、反射波信号における周波数成分の周波数帯域内で、最小周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つ当該周波数範囲に含まれる前記物体内部での反射波成分が物体内での所定の透過性を有する第一の周波数範囲、並びに、前記周波数帯域内で、最大周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つ当該周波数範囲に含まれる前記物体内部での反射波成分の物体内における透過性が前記第一の周波数範囲の場合より著しく低くなる第二の周波数範囲、をそれぞれ設定する周波数範囲設定手段と、前記パルス送受信手段で得られた各方向ごとの所定時間にわたる反射波信号から、前記第一の周波数範囲に当てはまる周波数成分を有する第一の信号成分と、前記第二の周波数範囲に当てはまる周波数成分を有する第二の信号成分をそれぞれ抽出取得した上で、前記第一の信号成分における物体表面からの反射波成分を、前記第二の信号成分における物体表面からの反射波成分で打消し、検出対象物からの反射波成分が相対的に強調された第一の信号成分を画像再構成用の新たな反射波信号とする信号解析手段とを備えるものである。
【００１０】
このように本発明によれば、超短パルスの周波数成分の周波数帯域の中に、その範囲では検出対象物からの反射波成分が物体内を十分透過できる性質を有する第一の周波数範囲と、同じ反射波成分でも周波数が高くなることで物体内での透過性が低下する第二の周波数範囲をそれぞれ設定し、反射波信号のうちこれら二つの周波数範囲に対応する各信号成分を取得すると、物体内部を通る検出対象物からの反射波成分については信号強度の大きな差が生じるものの、物体内部を通らない物体表面での反射波成分については同様の信号強度となることを用いて、低い方の第一の周波数範囲に対応して検出対象物からの反射波成分が相対的に大となっている第一の信号成分から、高い方の第二の周波数範囲に対応する第二の信号成分を差引き、検出対象物からの反射波成分を残しつつ物体表面での反射波成分を打消すことにより、第一の信号成分における検出対象物からの反射波成分にほとんど影響を与えずに、効率よく物体表面での反射波成分を取除いて、第一の信号成分での検出対象物からの反射波成分を相対的に強調できることとなり、物体表面での反射波成分の存在に関わりなく検出対象物からの反射波成分を確実に取得でき、画像再構成で検出対象物の画像化を精度よく実行可能となり、得られた画像から検出対象物を適切に検出することができる。
【００１１】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記信号解析手段が、前記反射波の信号をフーリエ変換して周波数領域の信号を得て、当該周波数領域の信号から前記第一の周波数範囲に合致する信号成分と前記第二の周波数範囲に合致する信号成分をそれぞれ取得し、さらに、前記第一の周波数範囲に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第一の信号成分を得ると共に、前記第二の周波数範囲に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第二の信号成分を得るものである。
【００１２】
このように本発明によれば、反射波の時間領域の信号をフーリエ変換により周波数領域に変換し、設定された第一の周波数範囲と第二の周波数範囲の各範囲に合致する信号成分をそれぞれ抽出し、さらに各範囲に合致する信号成分を逆フーリエ変換で時間領域の信号にそれぞれ変換して、物体表面での反射波成分を同様に含んだ第一の信号成分と第二の信号成分とを取得することにより、反射波の信号が検出対象物からの反射波成分を識別できなくなるような物体表面での反射波成分を含んで、単純な反射波信号を用いた画像再構成の処理では鮮明な検出対象物部分を含む画像を得にくい場合でも、数値計算のみで適切に反射波の信号を処理して、検出対象物からの反射波成分の存在を明確化でき、反射波信号より得た検出対象物からの反射波成分に基づく画像再構成等処理を正確に実行して、確実に検出対象物の存在に対応した画像を得られる。
【００１３】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記信号解析手段が、反射波信号に対し、フーリエ変換で周波数領域の信号を得る過程で、反射波信号の対象となる時間範囲をあらかじめ限定する時間フィルタリングを実行するものである。
【００１４】
このように本発明によれば、反射波信号について、反射によらずに直接到来している成分や物体表面からの反射波成分など、不要な反射波成分のみが存在していると予想される時間帯の反射波信号を解析の対象から除外し、検出対象物からの反射波成分を含む必要な時間の反射波信号のみに限定してフーリエ変換で周波数領域の信号に変換することにより、確実に不要な成分を除去して検出対象物からの反射波成分を際立たせることができ、画像再構成で得られる画像における検出対象物の画像化の精度を高めて検出対象物の検出性を向上させられると共に、各方向の反射波信号を用いた画像再構成までの計算処理量を軽減できる。
【００１５】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記パルス送受信手段で得られた反射波信号における周波数成分が前記第一の周波数範囲に収るよう不要帯域のフィルタリングを行う第一のフィルタ回路と、当該第一のフィルタ回路と並列に配置され、前記パルス送受信手段で得られた反射波信号における周波数成分が前記第二の周波数範囲に収るよう不要帯域のフィルタリングを行う第二のフィルタ回路とを備え、前記信号解析手段が、反射波信号を前記第一のフィルタ回路に通して前記第一の信号成分を取得すると共に、反射波信号を前記第二のフィルタ回路に通して前記第二の信号成分を取得するものである。
【００１６】
このように本発明によれば、反射波の信号について、前記第一の周波数範囲のみ通過させる第一のフィルタ回路に通して第一の信号成分を得る一方、別途反射波の信号を前記第二の周波数範囲のみ通過させる第二のフィルタ回路に通して第二の信号成分を得て、信号を二つの周波数範囲にそれぞれ対応させることにより、二つの信号成分に共通して現れる物体表面での反射波成分を用いて、第一の信号成分の物体表面での反射波成分を第二の信号成分の物体表面での反射波成分で打消し、検出対象物からの反射波成分を際立たせた第一の信号成分に対し画像再構成の処理が可能な状態を得られることとなり、パルス送受信手段で得られる反射波の信号が物体表面での反射波成分等ノイズを含んで、単純な反射波信号を用いた画像再構成の処理では鮮明な検出対象物の画像を得にくい場合でも、適切なフィルタリングで検出対象物からの反射波成分が明確な反射波信号を確実に取得でき、反射波信号を用いた画像再構成等の処理で検出対象物からの反射波成分に基づくイメージを正確に導くことができる。
【００１７】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記周波数範囲設定手段が、前記第二の周波数範囲を、当該周波数範囲に対応する前記第二の信号成分における前記物体表面からの反射波成分が、前記第一の周波数範囲に対応する前記第一の信号成分における物体表面からの反射波成分の信号強度に近い信号強度となる帯域幅として設定するものである。
【００１８】
このように本発明によれば、第二の周波数範囲について、この範囲に対応する第二の信号成分における物体表面からの反射波成分の信号強度が、第一の信号成分における同じ物体表面からの反射波成分の信号強度に近い値を確保できる帯域幅となるよう範囲設定して、信号解析手段で第二の信号成分を取得することにより、この第二の信号成分に現れる物体表面での反射波成分で第一の信号成分に現れる物体表面での反射波成分を十分に打消すことができ、反射波信号における物体表面での反射波成分を小さくする一方、検出対象物からの反射波成分を後の画像再構成等において適切に解析処理できる程度に際立たせることができ、検出対象物の画像取得に係る各処理が確実に行え、画像再構成において検出対象物を良好に画像化でき、画像再構成で得られる画像から検出対象物を検出する際の検出性を確保できる。
【００１９】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記周波数範囲設定手段が、前記第一の周波数範囲と第二の周波数範囲を、それぞれ同じ帯域幅に設定するものである。
【００２０】
このように本発明によれば、周波数範囲設定手段で前記第一の周波数範囲と第二の周波数範囲を同じ帯域幅となるように設定した上で、信号解析手段において反射波信号からこれら各周波数範囲に対応する信号をそれぞれ抽出取得し、得られた各信号に現れる物体表面での反射成分をほぼ同じ大きさとすることにより、ちょうど各信号における物体表面での反射成分が打消し合ってこれを最大限除去できることとなり、検出対象物からの反射波成分を適切に際立たせて、後の画像再構成の処理が確実に行え、検出対象物の画像化の精度を高めて、画像再構成で得られる画像からの検出対象物の検出精度向上に繋げられる。
【００２１】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記信号解析手段が、照射されるパルスの、反射によらずに直接受信されるアンテナ間のクロストーク成分をあらかじめ把握し、前記パルス送受信手段で得られた反射波信号から前記クロストーク成分を差引いて反射波成分のみの信号を生成するものである。
【００２２】
このように本発明によれば、反射波信号について、検出対象物に対するパルス照射を行わない状態でもパルス送受信手段でパルスの送受信を行えば発生するクロストーク成分をあらかじめ把握し、実際に物体や検出対象物から反射された反射波信号からこのクロストーク成分を減算して、クロストーク成分の除去された反射波信号を用いて処理を進めることにより、検出対象物からの反射波成分を含む反射波信号から確実に不要な成分を除去して検出対象物からの反射波成分を際立たせることができ、画像再構成で得られる画像における検出対象物の画像化の精度を高めて検出対象物の検出性向上が図れると共に、各信号成分の抽出取得から画像再構成までの計算処理量を軽減できる。
【００２３】
また、本発明に係るマイクロ波イメージングシステムは必要に応じて、前記物体が人体胸部組織であり、検出対象物が前記胸部組織内の腫瘍である場合に、前記周波数範囲設定手段が、検出対象物である腫瘍の検出対象とする最小の大きさ及び／又は胸部組織表面からの腫瘍の距離に対応させて、設定する前記第一の周波数範囲と第二の周波数範囲の各範囲をそれぞれ調整するものである。
【００２４】
このように本発明によれば、物体としての胸部組織から検出対象物としての腫瘍を検出しようとする乳がん検出の場合で、検出対象にする腫瘍の最小の大きさや胸部組織表面からの腫瘍の距離に応じて、第一の周波数範囲と第二の周波数範囲を周波数範囲設定手段でそれぞれ調整して、信号解析手段で取得する第一と第二の各信号成分を、腫瘍からの反射波成分が適切に含まれると共に胸部組織表面での反射波成分を適切に打消せるものとすることにより、特に乳がん検出の場合に、腫瘍の大きさや位置によって細かく変化する腫瘍表面での反射の状況に応じて、信号解析手段で取扱う各信号成分を最適化し、二つの信号成分を用いて胸部組織表面での反射波成分を打消す一方で腫瘍からの反射波成分を相対的に際立たせる処理が確実に実行でき、後の画像再構成の処理を問題なく進めて胸部組織内部の画像における腫瘍の画像部分を鮮明に取得でき、乳がん検出の精度を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムのブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおけるアンテナ移動機構の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムで得た反射波信号とその周波数成分の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおける画像再構成で得られる画像例を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムのブロック構成図である。
【図６】本発明のマイクロ波イメージングシステムにおけるパルス発生器で生じたパルス出力波形、及び照射アンテナからの実際の出力波形の各グラフである。
【図７】本発明のマイクロ波イメージングシステムと同条件のパルス送受信手段で得た反射波信号波形例、及びこの反射波信号のフーリエ変換で得られた反射波信号の周波数成分の各グラフである。
【図８】図７（Ｂ）における反射波信号の周波数成分の１０ＧＨｚより上の帯域を除去した波形、及びこれを逆フーリエ変換して得た新たな周波数信号の波形の各グラフである。
【図９】本発明のマイクロ波イメージングシステムと同条件の画像再構成手段で１〜７ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像、及び１〜８ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像の説明図である。
【図１０】本発明のマイクロ波イメージングシステムと同条件の画像再構成手段で１〜９ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像、及び１〜１０ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像の説明図である。
【図１１】本発明のマイクロ波イメージングシステムと同条件の画像再構成手段で２〜８ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像、及び３〜９ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像の説明図である。
【図１２】本発明のマイクロ波イメージングシステムと同条件の画像再構成手段で４〜１０ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像、及び５〜１１ＧＨｚの範囲の反射波信号について画像再構成を行って得られた画像の説明図である。
【図１３】本発明のマイクロ波イメージングシステムにおけるパルス送受信手段で得た反射波信号波形例、及びこの反射波信号のフーリエ変換で得られた反射波信号の周波数成分の各グラフである。
【図１４】図１３（Ｂ）における反射波信号の周波数成分の７ＧＨｚより上の帯域を除去した波形、及びこれを逆フーリエ変換して得た第一の信号成分の波形の各グラフである。
【図１５】図１３（Ｂ）における反射波信号の周波数成分の７〜１３ＧＨｚ以外の帯域を除去した波形、及びこれを逆フーリエ変換して得た第二の信号成分の波形の各グラフである。
【図１６】本発明のマイクロ波イメージングシステムにおける画像再構成手段で反射波信号について画像再構成を行って得られた画像、及び物体表面での反射波成分を打消さずに画像再構成を行って得られた画像の各説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムを前記図１ないし図４に基づいて説明する。本実施形態においては、検出対象物としての腫瘍が物体としての人体胸部組織の内部に存在するか否かを反射波を解析した画像から検出可能とする乳がん検出用のシステムの例について説明する。
【００２７】
前記各図において本実施形態に係るマイクロ波イメージングシステム１は、マイクロ波帯域の超短パルスを内部に検出対象物６０が存在すると予想される所定の物体５０に対し複数方向から照射すると共に、物体５０表面や検出対象物６０からの反射波を受信し、反射波の信号を出力するパルス送受信手段１１と、得られた反射波信号における周波数成分の周波数帯域内で、前記第一の周波数範囲（ｆ１）及び第二の周波数範囲（ｆ２）をそれぞれ設定する周波数範囲設定手段１２と、得られた各方向ごとの所定時間にわたる反射波信号について、前記第一の周波数範囲（ｆ１）に当てはまる周波数成分を有する第一の信号成分、及び前記第二の周波数範囲（ｆ２）に当てはまる周波数成分を有する第二の信号成分をそれぞれ抽出取得した上で、前記第一の信号成分に含まれる物体５０表面からの反射波成分を、前記第二の信号成分に含まれる物体５０表面からの反射波成分で打消して、反射波の新たな信号を得る信号解析手段１３と、各測定方向ごとに得られた反射波信号を記録する記録手段１４と、各測定方向ごとの信号から画像再構成を行って物体内表示画像を得る画像再構成手段１５と、得られた物体内表示画像を表示する表示手段１６とを備える構成である。
【００２８】
前記パルス送受信手段１１は、検出対象物６０（例えば、乳がんをなす腫瘍）が存在するか、存在すると予想される物体５０（例えば、胸部組織）に対し、パルス幅が１〜数十ｐｓとなる超短パルスを照射する一方、物体５０や検出対象物６０からの反射波を受信して、反射波の信号を出力するものである。
【００２９】
詳細には、パルス送受信手段１１は、図１に示すように、測定対象の物体５０に超短パルスを照射する照射アンテナ１１ａと、この照射アンテナ１１ａ近傍に配設されて物体５０や検出対象物６０からの反射波を受信する受信アンテナ１１ｂと、超短パルスを発生させるパルス発生器１１ｃと、照射アンテナ１１ａと受信アンテナ１１ｂの組を物体５０の周囲で移動させて超短パルスの照射方向を変化させるアンテナ移動機構１１ｄと、受信アンテナ１１ｂからの反射波が入力され、外部へ解析可能な状態の反射波信号として出力する信号入出力部１１ｅと、パルス照射のタイミングに合わせてアンテナ移動機構１１ｄを制御する制御部１１ｆとを備える構成である。
【００３０】
このパルス送受信手段１１では、パルス発生器１１ｃから出力される超短パルスが、照射アンテナ１１ａから照射波として物体５０に照射される。そして、物体５０表面や内部の検出対象物６０で反射された反射波の信号を受信アンテナ１１ｂで受信し、得られた反射波の信号が信号解析手段１３に入力される。
【００３１】
照射される超短パルスの波形は、ピコ秒のパルス幅を持つインパルスであり、例えば、パルス幅１０〜１００ｐｓで、そのフーリエ変換後の周波数成分がマイクロ波帯域で約１〜１２ＧＨｚの超広帯域（ＵＷＢ）となるものである。照射アンテナ１１ａや受信アンテナ１１ｂとしては、こうした超広帯域に対応した、すなわち周波数による特性変化が小さく、照射及び受信波形がパルス発生器でのパルス波形になるべく近くなるような分散特性が小さいものを用いるのがより好ましい。このような特性を有するアンテナとして、ボウタイアンテナ、ログスパイラルアンテナ、ビバルディアンテナ等を用いる。
【００３２】
超短パルスを物体５０に照射すると、誘電率が大きく変化する部位、すなわち、誘電率の異なる二つの物質の境界である物体５０の表面や検出対象物６０の表面部分で、反射した反射波が得られる。受信アンテナ１１ｂで受信した反射波には、こうした物体５０表面での反射波成分や検出対象物６０からの反射波成分が含まれており、このうち、検出対象物６０からの反射波成分の照射時からの遅れ時間、すなわちパルスの飛行時間を算出することで、反射面、すなわち検出対象物６０の表面位置を求めることができ、アンテナ移動機構１１ｄにより各アンテナ位置を動かして、物体５０への超短パルスの照射角度を変えて繰返し測定した同様の結果から、合成開口処理により画像再構成を実行すれば、物体５０中の検出対象物６０の位置を特定できる画像情報が得られることとなる。反射面位置を求める原理自体は、照射時から反射波到来までの遅れ時間により決定するいわゆるレーダと同じ原理である。
【００３３】
前記アンテナ移動機構１１ｄは、物体５０を取囲む所定の測定経路上で、物体５０を中心とした所定角度分だけ、照射アンテナ１１ａ及び受信アンテナ１１ｂを移動させるものである（図２参照）。このアンテナ移動機構１１ｄは、照射アンテナ１１ａ及び受信アンテナ１１ｂを所定角度に位置させ、この角度における一回の測定過程が終了したら、制御部１１ｆによる制御を受けて、アンテナ位置を次の角度まで動かし、これを繰返して各方向からの測定を実行可能とする。
【００３４】
一回の測定過程は、所定回の繰返しパルス照射と各パルスに対応する物体５０内の検出対象物６０からの反射波を得、これらを信号入出力部１１ｅで積分し、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を向上させた反射波信号を取得する手順で行われる。例えば、信号入出力部１１ｅに高速ディジタイジングスコープ（サンプリングスコープ）を使用し、パルスの繰返し周波数を１ＭＨｚ（１マイクロ秒間隔）とすると、サンプリング方式で２０００点の１トレースを得るには、１マイクロ秒×２０００＝２ミリ秒の測定時間がかかる。この信号入出力部１１ｅで測定精度を向上させるために１６回のトレースの積分を行う場合、一回の測定過程に費やす時間は、２ミリ秒×１６＝３２ミリ秒となる。
【００３５】
このアンテナ移動機構１１ｄで、各アンテナを物体５０を中心とした物体５０上の１８０°の角度範囲にわたって所定角度ずつずらしながら、各角度位置で反射波信号を得ていくことで、画像再構成手段１５が合成開口処理を伴う画像再構成により物体内部の二次元画像（図４参照）を得られる仕組みであるが、さらにアンテナ移動機構を用いて、横方向における物体５０周りに各アンテナを１８０°の角度範囲にわたって所定角度ごとに上記の一連の測定を繰返し行うようにして、物体内の全ての領域の情報を得て、最終的に三次元の画像を得るようにすることもできる。
【００３６】
前記周波数範囲設定手段１２は、反射波信号における周波数成分、すなわち、時間領域にある反射波信号をフーリエ変換して周波数領域に置換えたもの（図３参照）、の周波数帯域内で、最小周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つこの周波数範囲に含まれる反射波における物体５０内部での反射波成分が物体５０内での所定の透過性を有する第一の周波数範囲（ｆ１）と、前記周波数帯域内で、最大周波数側に偏った一部の周波数範囲であり、且つこの周波数範囲に含まれる反射波における物体５０内部での反射波成分の物体５０内における透過性が前記第一の周波数範囲の場合より著しく低くなる第二の周波数範囲（ｆ２）とを、それぞれ設定するものである。
【００３７】
また、前記信号解析手段１３は、パルス送受信手段１１で得られた各方向ごとの所定時間にわたる反射波信号について、前記第一の周波数範囲（ｆ１）に当てはまる周波数成分を有する第一の信号成分と、前記第二の周波数範囲（ｆ２）に当てはまる周波数成分を有する第二の信号成分をそれぞれ数値計算により取得した上で、第一の信号成分に含まれる物体５０表面での反射波成分を、第二の信号成分に含まれる物体５０表面での反射波成分で打消し、この物体５０表面での反射波成分を打消した第一の信号成分を新たな反射波信号として出力するものである。
【００３８】
パルス送受信手段１１で照射される超短パルスは、その周波数成分が超広帯域となっているが、物体内への入射成分については、周波数成分の全帯域のうち低い周波数成分は物体内部で減衰しにくく透過性が高いものの、高い周波数成分は物体内部で減衰しやすく透過性が低い。一方、反射波のうち物体表面での反射波成分は、物体内部での減衰の影響を受けないため、周波数による差が生じにくい。よって、周波数範囲設定手段１２で反射波信号における周波数成分の周波数帯域において低い方の第一の周波数範囲（ｆ１）と高い方の第二の周波数範囲（ｆ２）の二つを適切に設定すると、第一の周波数範囲（ｆ１）に含まれる物体５０表面での反射波成分と第二の周波数範囲（ｆ２）に含まれる物体５０表面での反射波成分は、同様の信号強度として現れるようになる一方で、第一の周波数範囲（ｆ１）に含まれる検出対象物６０からの反射波成分に対し、第二の周波数範囲（ｆ２）に含まれる検出対象物６０からの反射波成分は、その信号強度を著しく小さくして現れることとなる。
【００３９】
この原理に基づき、信号解析手段１３で、反射波信号から第一の周波数範囲（ｆ１）に対応する第一の信号成分と、第二の周波数範囲（ｆ２）に対応する第二の信号成分をそれぞれ取得すると、第一の信号成分における物体５０表面からの反射波成分と第二の信号成分における物体５０表面での反射波成分は、同様の信号強度となる一方で、第一の信号成分における検出対象物６０からの反射波成分に対し、第二の信号成分における検出対象物６０からの反射波成分は、その信号強度を著しく小さくすることから、第一の信号成分から第二の信号成分を差引き、検出対象物からの反射波成分を残しつつ物体表面での反射波成分を打消すようにすることで、信号強度が相対的に大であった物体５０表面での反射波成分にマスキングされて不明瞭となっていた検出対象物６０での反射波成分を明確化できることとなる。
【００４０】
パルス送受信手段１１から照射されるピコ秒（〜１００ｐｓ）のパルス幅を持つ超短パルスは、そのフーリエ変換後の周波数成分が最大で８００ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数帯域に及ぶことがあるが、乳がん検出用途の場合、周波数範囲設定手段１２で設定する二つの周波数範囲のうち、低い方の第一の周波数範囲（ｆ１）は、検出対象物６０である腫瘍の検出性能（分解能）と物体５０としての胸部組織（乳房）内部での反射波減衰度合を考慮して、周波数範囲の最小周波数（下限値）が８００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの範囲内にあって、また周波数の帯域幅を、この周波数範囲に対応する第一の信号成分において、検出対象物６０である腫瘍からの反射波成分が十分な信号強度となって明瞭に得られるように、約４〜８ＧＨｚ幅として設定されるのが好ましい。
【００４１】
また、第二の周波数範囲（ｆ２）については、この範囲に対応する第二の信号成分における物体５０表面からの反射波成分の信号強度が、第一の信号成分における物体５０表面からの反射波成分の信号強度に近い値、例えば、がんの検出感度に対応させて±１０％の範囲内の信号強度を確保できる帯域幅となるよう範囲設定すれば、信号解析手段１３ではこれら第一の信号成分と第二の信号成分を用いて、検出対象物６０からの反射波成分を十分にＳ／Ｎ比を確保して適切に解析処理できる程度に、物体５０表面での反射波成分を除去する処理が行えるが、こうした第一の周波数範囲と第二の周波数範囲を、それぞれ同じ帯域幅（例えば、約４〜８ＧＨｚ幅）に設定して、第一の周波数範囲と第二の周波数範囲にそれぞれ対応する第一の信号成分と第二の信号成分において、各々の物体５０表面での反射波成分の信号強度が同じ程度となるようにするのが、信号解析手段１３での物体５０表面での反射波成分を除去する処理を行う点では望ましい。
【００４２】
乳がん検出用途の場合を例に挙げると、超短パルスの周波数成分が１ＧＨｚ〜１３ＧＨｚの周波数帯域をとるものであれば、二つの周波数範囲は例えば、低い方の第一の周波数範囲（ｆ１）が１〜７ＧＨｚ、高い方の第二の周波数範囲（ｆ２）が７〜１３ＧＨｚと設定されることとなる（図３参照）。ただし、この高低二つの周波数範囲の帯域幅をそれぞれ６ＧＨｚとして同じ帯域幅とする場合に限られるものではなく、例えば、第一の周波数範囲の帯域幅と第二の周波数範囲の帯域幅を異ならせることもでき、第一の周波数範囲を１〜８ＧＨｚ、第二の周波数範囲を５〜１３ＧＨｚとしたり、第一の周波数範囲を１〜６ＧＨｚ、第二の周波数範囲を５〜１３ＧＨｚとしたり、また、第一の周波数範囲を１〜５ＧＨｚ、第二の周波数範囲を８〜１３ＧＨｚとするようにしてもかまわない。
【００４３】
なお、この乳がん検出用途、すなわち、物体５０が胸部組織で、検出対象物６０が腫瘍の場合、年齢やがん進行度合など、人体組織の差異によって物体５０としての胸部組織や検出対象物６０としての腫瘍の誘電率が異なる上、検出対象としたい腫瘍の大きさやその存在位置も反射波に大きく影響を与えることから、周波数範囲設定手段１２で設定する二つの周波数範囲の周波数域やその帯域幅は、胸部組織や腫瘍の誘電率、検出対象としたい腫瘍の大きさやその存在位置により調整して、信号解析手段１３で第一と第二の各信号成分を用いて、物体表面での反射波成分を適切に打消せるものとすることが好ましい。二つの信号成分を用いて物体表面での反射波成分を打消して検出対象物からの反射波成分を確実に際立たせることで、後の画像再構成で得られる画像における腫瘍とその他の部分とのコントラストを鮮明化することが可能となり、画像からの乳がん検出の精度を高められる。
【００４４】
特に、乳がんの早期発見のためには、腫瘍をなるべく小さい段階で検出できるようにするのが望ましいが、画像再構成で得られた画像から小さい腫瘍でも検出できるようにするためには、空間分解能を高くする必要があり、これには第一の周波数範囲における最小周波数を高くして周波数域を全体的に高い側に移す必要があるなど、検出したい最小の検出対象物６０の大きさが、第一の周波数範囲（ｆ１）の設定において重要な要素となる。
【００４５】
前記信号解析手段１３による第一の信号成分と第二の信号成分の導出の詳細は、パルス送受信手段１１で得られた反射波の信号をフーリエ変換して周波数領域の信号を得て、この周波数領域の信号から第一の周波数範囲（ｆ１）に合致する信号成分と第二の周波数範囲（ｆ２）に合致する信号成分をそれぞれ取得し、さらにこの第一の周波数範囲（ｆ１）に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第一の信号成分を得ると共に、第二の周波数範囲（ｆ２）に合致する信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の信号としての前記第二の信号成分を得る仕組みである。
【００４６】
また、信号解析手段１３は、時間フィルタリングも実行しており、反射波信号で検出対象物６０の表面からの反射波がどれだけの時間経過後に現れるかが事前にある程度予測できることから、検出対象物６０の表面からの反射波が到来し得ない時間帯をフィルタリングすることで、後の処理の負荷を軽減できる。例えば、乳がん検出を行う場合、体表面から１ｃｍ程度は腫瘍の存在確率が極めて小さく、また触診等、より容易な他の手法による腫瘍の有無の確認精度が高いことから、その範囲分の反射波が到来する時間まではカットすることができ、検出対象物６０である腫瘍からの反射波成分を明確化して画像化の精度を高められ、検出精度向上に繋げられる。
【００４７】
この信号解析手段１３においても、物体５０としての胸部組織や検出対象物６０としての腫瘍の誘電率の変化、検出対象としたい腫瘍の大きさやその存在位置の変化に応じて、時間フィルタリングの特性を変化させる、具体的には検出対象物６０の表面からの反射波が到来し得ない時間帯と見なしてカットする時間の幅を変えるようにすることもでき、画像再構成で得られる画像における検出対象物６０のより一層の鮮明化が図れることとなる。
【００４８】
なお、検出対象物６０が腫瘍の場合、その進行度合により誘電率が変化し、この検出対象物６０の誘電率の違いによって、反射波の状態が変化し、画像再構成で得られる画像も、検出対象物６０とその他の部分とのコントラストが変化するといったような影響を受けることから、逆に誘電率の変化に基づいて、信号解析手段１３で反射波の変化状態を識別するようにして、がんの進行度合を判定することもできる。
【００４９】
前記記録手段１４は、パルス送受信手段１１でのパルス照射及び反射波の受信と、反射波の信号に対する信号解析手段１３による処理が、物体５０に対するパルス送受信手段１１の各アンテナ角度位置を切換えつつ各角度ごとに実行され、そのつど反射波信号（物体表面での反射波成分を打消した第一の信号成分）が出力される一方、画像再構成手段１５では全ての測定位置からの反射波信号が得られた段階で合成開口処理を伴う画像再構成を実行することから、全ての測定位置からの反射波信号が得られるまで、各測定位置ごとの反射波信号をデータとして記録しておき、この反射波信号のデータを画像再構成手段１５に提供するものであり、その構成自体は、電子データを外部に取り出し可能に保持する公知の記録装置と同様のものであり、説明を省略する。
【００５０】
前記画像再構成手段１５は、各方向ごとの複数の反射波信号から合成開口処理を伴う画像再構成を行い、物体中に検出対象物の示された画像（図４参照）を得るものであり、合成開口処理を伴う画像再構成そのものは公知の手法であり、詳細な説明を省略する。なお、図４に示す再構成後の画像における縦軸（左）は物体５０頂点からの縦方向距離［ｍ］、横軸は物体５０の頂点直下からの横方向距離［ｍ］で、明暗（右）が反射波信号の強さ［任意単位（a.u.）］、すなわち検出対象物６０の存在確度を示している（明るいほど大）。また、画像中の白線は物体５０の表面位置を示す線である。
【００５１】
前記表示手段１６は、画像再構成手段１５での画像再構成により得られた画像を表示画面上に表示するものであり、その構成自体は、ＣＲＴや液晶、有機ＥＬ等を表示用デバイスとして使用した公知のディスプレイ装置と同様のものであり、説明を省略する。なお、この表示手段１６を、後述するコンピュータのディスプレイ装置が兼ねるようにしてもかまわない。
【００５２】
前記パルス送受信手段１１の制御部１１ｆ、周波数範囲設定手段１２、信号解析手段１３、記録手段１４、及び、画像再構成手段１５は、そのハードウェア構成として、ＣＰＵやメモリ、入出力インターフェース等を備えるコンピュータとなっており、メモリ等に格納されるプログラムにより、コンピュータを前記制御部１１ｆ、周波数範囲設定手段１２、信号解析手段１３、記録手段１４、及び、画像再構成手段１５として動作させる仕組みである。パルス送受信手段１１で得られた反射波信号や、信号解析手段１３で得られた第一の信号成分に基づく新たな反射波信号等の測定、算出結果は、記録手段１４をなすこのコンピュータのメモリ等に各角度位置での測定毎に記録保存される。なお、前記周波数範囲設定手段１２、信号解析手段１３、記録手段１４、及び、画像再構成手段１５は、それぞれ独立に、あるいは複数まとめた状態として、複数のコンピュータをなすものとすることもできる。また、こうしたコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、ＲＯＭ等を一体的に形成されたマイクロコンピュータとしてもかまわない。
【００５３】
次に、本実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムの使用状態について説明する。まず、乳がん検出を目的とする場合、反射波信号における周波数成分の周波数帯域は１〜１３ＧＨｚとなり、超短パルスを照射する物体５０としての乳房や検出対象物６０としての腫瘍の各誘電率、並びに検出しようとする腫瘍の大きさや胸部組織における位置関係から、周波数範囲設定手段１２は、低い方の第一の周波数範囲（ｆ１）について、この周波数範囲に含まれる物体５０内部での反射波成分が物体５０内での透過性を有して、腫瘍を検出可能となる空間分解能を得られると共に、第一の信号成分における検出対象物６０からの反射波成分及び物体５０表面での反射波成分がそれぞれノイズから分離して検出可能な所定の信号強度以上となるように、周波数範囲を例えば１〜７ＧＨｚと設定する（図３参照）。
【００５４】
また、周波数範囲設定手段１２は、第二の周波数範囲（ｆ２）について、この周波数範囲に含まれる物体５０内部での反射波成分の物体５０内における透過性が第一の周波数範囲の場合より著しく低く、第二の信号成分における検出対象物６０からの反射波成分の信号強度が第一の信号成分におけるそれより十分小さくなる一方、物体５０表面での反射波成分は第一の信号成分と第二の信号成分とでほぼ同様の信号強度となるよう、周波数範囲を例えば７〜１３ＧＨｚと設定する。
【００５５】
周波数範囲設定手段１２で第一の周波数範囲（ｆ１）と第二の周波数範囲（ｆ２）が設定される一方、物体５０としての胸部組織に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３２ミリ秒）の間、パルス送受信手段１１が、アンテナ移動機構１１ｄにより測定開始角度位置（０°）に位置して、物体５０に対しアンテナ１１ａから超短パルスを照射すると共に、物体５０及び検出対象物６０からの反射波を受信アンテナ１１ｂで受信し、反射波を信号入出力部１１ｅで処理して得た反射波信号を信号解析手段１３に入力する。
【００５６】
信号解析手段１３は、得られた反射波信号について、まず反射波の信号をフーリエ変換して周波数領域の信号を得る。信号は周波数領域ではマイクロ波の帯域に及ぶ超広帯域となる。この周波数領域の信号から第一の周波数範囲（ｆ１）に合致する信号成分を取得すると共に、第二の周波数範囲（ｆ２）に合致する信号成分を取得する。さらに、この第一の周波数範囲（ｆ１）に合致する信号成分と、第二の周波数範囲（ｆ２）に合致する信号成分とを逆フーリエ変換して、それぞれ時間領域の信号に戻す。この時間領域の信号は、第一の周波数範囲（ｆ１）に合致する信号成分を変換したものは、第一の周波数範囲（ｆ１）に当てはまる周波数成分を有する第一の信号成分となり、第二の周波数範囲（ｆ２）に合致する信号成分を変換したものは、第二の周波数範囲に当てはまる周波数成分を有する第二の信号成分となっている。
【００５７】
ここで、第一の信号成分には、第一の周波数範囲（ｆ１）の設定に応じて、検出対象物６０からの反射波成分及び物体５０表面での反射波成分がそれぞれ十分なＳ／Ｎ比の得られる信号強度以上で含まれている。また、第二の信号成分には、第二の周波数範囲（ｆ２）の設定に応じて、検出対象物６０からの反射波成分はほとんど含まれないものの、物体５０表面での反射波成分は第一の信号成分とほぼ同様の信号強度で含まれていることから、第一の信号成分から第二の信号成分を減じれば、第一の信号成分に含まれる物体５０表面での反射成分が、第二の信号成分に含まれる物体５０表面での反射成分で打消されて除去され、第一の信号成分における検出対象物６０からの反射成分が相対的に強調されることとなる。この物体５０表面での反射波成分が打消された第一の信号成分を、新たな反射波信号とする。
【００５８】
また、信号解析手段１３は、反射波信号において検出対象物６０の表面からの反射波がどれだけの時間経過後に現れるかの予測に基づいて、検出対象物６０の表面からの反射波が到来し得ない時間帯として、体表面から１ｃｍ程度までの範囲分の反射波が到来する時間までと、胸部組織（乳房）全域の反射波が既に到来したと見なせる時間以降を、新たな反射波信号としての第一の信号成分からそれぞれ除去する時間フィルタリングを実行し、反射波信号のデータ量を抑えており、後の画像再構成等における処理負荷の軽減を図っている。そして、この時間フィルタリングと共に、照射アンテナ１１ａから受信アンテナ１１ｂに直接到達するクロストーク成分を反射波信号から除去して、反射波信号のＳ／Ｎ比を高め、検出対象物６０からの反射波成分をさらに際立たせている。
【００５９】
こうして物体５０表面での反射波成分が打消されて、検出対象物６０からの反射成分が明瞭となった第一の信号成分を、新たにこの測定角度での反射波信号として記録手段１４に記録したら、アンテナ移動機構１１ｄを動作させて各アンテナ１１ａ、１１ｂを次の測定角度に移行させ、前記同様の測定及び処理を実行し、これを全ての測定角度（１８０°まで）について繰返し行う。
【００６０】
全ての測定角度で測定を終了し、測定角度ごとの反射波信号が得られたら、画像再構成手段１５が各角度ごとの反射波信号を用いて合成開口処理により画像再構成を行うことで、物体５０内に検出対象物６０が存在する場合には、この検出対象物６０が明確に画像化された物体５０内部の画像が取得され、この画像が表示手段１６に表示されることとなる。表示された画像から、検出対象物６０の有無や状態を判断することができる。
【００６１】
このように、本実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムは、超短パルスの周波数成分の周波数帯域内に、その範囲では検出対象物６０からの反射波成分が物体５０内を十分透過できる性質を有する第一の周波数範囲（ｆ１）と、同じ反射波成分でも周波数が高くなることで物体５０内での透過性が低下する第二の周波数範囲（ｆ２）をそれぞれ設定し、反射波信号のうちこれら二つの周波数範囲に対応する各信号成分を取得すると、物体５０内部を通る検出対象物６０からの反射波成分については信号強度の大きな差が生じるものの、物体５０内部を通らない物体５０表面での反射波成分については同様の信号強度となることを用いて、第一の信号成分から第二の信号成分を差引き、検出対象物からの反射波成分を残しつつ物体表面での反射波成分を打消すことから、第一の信号成分における検出対象物６０からの反射波成分にほとんど影響を与えずに、効率よく物体５０表面での反射波成分を取除いて、第一の信号成分での検出対象物６０からの反射波成分を相対的に強調できることとなり、検出対象物６０からの反射波成分を確実に取得でき、画像再構成で検出対象物６０の画像化を精度よく実行可能となり、得られた画像から検出対象物６０を適切に検出、評価できる。
【００６２】
なお、前記実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおいては、反射波信号に対し、信号解析手段におけるフーリエ変換や逆フーリエ変換を使用した数値計算で、第一の信号成分と第二の信号成分を得、これらを用いて物体表面での反射波成分を打消して検出対象物からの反射波成分を際立たせる構成としているが、これに限らず、図５に示すように、反射波信号を、第一の周波数範囲のみ通過させる第一のフィルタ回路２３ａに通して第一の信号成分を得ると共に、別途反射波信号を第二の周波数範囲のみ通過させる第二のフィルタ回路２３ｂに通して第二の信号成分を得て、第一の信号成分の物体表面での反射波成分を第二の信号成分の物体表面での反射波成分で打消す構成とすることもでき、前記同様、パルス送受信手段で得られる反射波の信号が物体表面での反射波成分等ノイズを含んで、単純な反射波信号を用いた画像再構成の処理では鮮明な検出対象物の画像を得にくい場合でも、ハードウェアによる適切なフィルタリングで検出対象物からの反射波成分が明確な反射波信号を確実に取得でき、反射波信号を用いた画像再構成等の処理で検出対象物からの反射波成分に基づくイメージを正確に導くことができる。
【００６３】
また、前記実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおいては、照射アンテナ１１ａや受信アンテナ１１ｂとして、超短パルスにおける周波数成分の全ての周波数帯域に対応した一つのアンテナをそれぞれ用いる構成としているが、この他、こうしたアンテナとしては、アンテナ配置のレイアウトを工夫してアンテナ移動機構１１ｄで無理なく動かせる程度にコンパクトにまとめることができれば、低い周波数帯域用と高い周波数帯域用に最適化した複数のアンテナを一つに組合わせたものを用いるようにしてもよい。
【００６４】
また、前記実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおいては、信号解析手段１３で時間フィルタリングを実行して、不要な時間帯の反射波信号の他、アンテナからの照射後に反射によらず極短時間で受信側に直接到達するクロストーク成分も同時に除去する構成としているが、これに限らず、パルスの送受信を行えば発生するクロストーク成分をあらかじめ把握し、実際に物体や検出対象物から反射された反射波信号からこのクロストーク成分を減算して、クロストーク成分の除去された反射波信号を得る構成とすることもでき、検出対象物からの反射波成分を含む反射波信号から確実に不要なクロストーク成分を除去して検出対象物からの反射波成分を際立たせることができ、画像再構成で得られる画像における検出対象物の画像化の精度を高めて検出対象物の検出性向上が図れると共に、各信号成分の抽出取得から画像再構成までの計算処理量を軽減できる。
【００６５】
また、前記実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムにおいては、物体５０を胸部組織、検出対象物６０を腫瘍として、乳がん検出に適用する例を挙げているが、これ以外にも生体におけるほぼ均一な誘電率の組織内に誘電率の異なるものが存在し得る状況で、この誘電率の異なる部分を、画像を利用して検出する用途に適用でき、生体の場合は乳がんの他に脳血栓、脳腫瘍等の検出にも適用できる。なお、こうした生体の場合に限られず、マイクロ波帯域で略一定の誘電率となる均質な物体内に誘電率が異なる異物が存在するか存在が予想される場合に、物体内の画像からこの異物を識別する用途にも適用することもできる。この場合、超短パルスの周波数成分の周波数帯域や、反射波信号の各信号成分を規定する周波数範囲は、物体や異物の誘電率に対応する値として、物体内画像に異物のイメージが明瞭に現れるようにするのが望ましい。
【実施例】
【００６６】
本発明のマイクロ波イメージングシステムで、腫瘍を模した異物を内蔵する乳房のモデルについて、反射波の取得と画像再構成で物体内部の画像を得る一連の処理を実行し、表面反射成分を打消す処理の有無で、画像再構成により得られた画像における検出対象物の表示状態がどのように変化するかを評価した。
【００６７】
まず、物体表面での反射波成分を打消す処理の有無に係る評価に先立ち、本発明のマイクロ波イメージングシステムと同様の超短パルスを用いた条件で、腫瘍を模した異物を内蔵する乳房のモデルについて、反射波の取得と画像再構成で物体内部の画像を得る一連の処理を、前記実施形態とは異なり、反射波信号における周波数成分で、実際に画像再構成に用いる周波数範囲を決定し、この周波数範囲の信号成分をそのまま新たな反射波信号として画像再構成を実行する手順で、且つ画像再構成に用いる周波数範囲を複数通り変えて実行し、検出対象物からの反射波成分と周波数との関係について検証した。ただし、物体としての乳房モデルには、検出対象物からの反射波成分の傾向を探る測定実験の性格上、誘電定数（比誘電率）が乳房の脂肪に近くなるよう調製した油モデルを用いた。
【００６８】
物体内部の画像を取得するにあたっては、前記実施形態に係るマイクロ波イメージングシステムと同様に、物体に対しアンテナの角度を変えて複数方向から測定を行うために、パルス送受信手段のアンテナは、アンテナ移動機構に取付けられて物体としての乳房モデル近傍に配置され、照射角度を少しずつ変えながら物体に超短パルスを照射し、各測定角度ごとに物体や検出対象物からの反射波を測定するようにした。
【００６９】
モデルに向けられた各アンテナはアンテナ移動機構に取付けられて、物体としての乳房モデルの周囲を真横（０°）から反対側（１８０°）までモデルの真上を通る経路上で５°ずつ移動して、モデルに対するパルス照射方向を変えつつ、合計３７箇所で超短パルスをモデルに向けて照射すると共に反射波を受信することとなる。なお、モデルは半径５．５ｃｍの半球体、又は非球体の人体を模したモデル（ファントム）であり、モデル内の腫瘍に相当する０．５〜１ｃｍ角の大きさとなる物体（異物）の誘電率εr＝２０、それ以外の部分のモデルの誘電率εr＝２〜４．５となっており、モデルにおける腫瘍を模した異物の位置はモデル上部中心位置から下方に２ｃｍ下がった内部とされる。
【００７０】
パルス発生器で生成される超短パルスは、パルス幅が６５ｐｓ、振幅が８Ｖである。この超短パルスが、ボウタイアンテナとして形成された照射アンテナから照射される。
【００７１】
物体や検出対象物からの反射波は、照射アンテナと同形状の受信アンテナで受信され、前記信号入出力部としてのサンプリングスコープで波形を確認可能としつつ信号解析手段に反射波信号が出力される。
【００７２】
信号解析手段で反射波信号は、アンテナ間のクロストーク分を差し引く処理と時間フィルタリングを実行された後、フーリエ変換でいったん周波数領域の信号とされる。この周波数領域の信号について、前記実施形態とは異なり、画像再構成に用いる周波数範囲を決定し、それ以外の信号部分については除去する処理を実行する。そして、残された周波数範囲の信号成分を逆フーリエ変換して、時間領域の新たな反射波信号を得る。こうした反射波信号が各測定角度ごとに取得された後、これら反射波信号を用いて合成開口処理を伴う画像再構成が実行され、物体内画像が生成される。
【００７３】
反射波信号の実際に画像再構成に用いる周波数範囲としては、最大周波数の異なる、１〜７ＧＨｚ、１〜８ＧＨｚ、１〜９ＧＨｚ、及び１〜１０ＧＨｚの四通り、並びに、帯域幅は同じで周波数域をずらした、２〜８ＧＨｚ、３〜９ＧＨｚ、４〜１０ＧＨｚ、及び５〜１１ＧＨｚの四通り、合計八通りをそれぞれ設定して、それぞれの場合で画像再構成を経て物体内画像を取得した。
【００７４】
前記各周波数範囲のいずれの場合も、静止環境としてモデルが静止した状況下で測定され、その測定時間は３２ミリ秒となっている。各場合に共通する、パルス発生器で生じたパルス出力波形と、照射アンテナからの実際の出力波形を、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す。また、パルス送受信手段で得た所定角度位置における反射波信号波形の例を、図７（Ａ）に、この反射波信号のフーリエ変換で得られた周波数領域における反射波信号の周波数成分を図７（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００７５】
さらに、この反射波信号の周波数成分で１〜１０ＧＨｚの周波数範囲を設定してこの範囲外を除去したものの波形を図８（Ａ）に、この１〜１０ＧＨｚの範囲の周波数成分を逆フーリエ変換して得た新たな周波数信号の波形を図８（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００７６】
そして、前記八通りの周波数範囲について、それぞれ画像再構成を経て取得した物体内画像を、図９〜図１２に示す。ここで、各図の縦軸（左）は物体頂点からの縦方向距離［ｍ］、横軸は物体の頂点直下からの横方向距離［ｍ］で、明暗（右）が反射波信号の強さ［任意単位（a.u.）］、すなわち検出対象物の存在確度を示す（明るいほど大）。なお、画像中の白線は物体の表面位置を示す線である。
【００７７】
画像再構成後の物体内画像のうち、周波数範囲の最大周波数を四通りに変えた図９（Ａ）（１〜７ＧＨｚ）、図９（Ｂ）（１〜８ＧＨｚ）、図１０（Ａ）（１〜９ＧＨｚ）、及び図１０（Ｂ）（１〜１０ＧＨｚ）では、同様の位置に検出対象物と見なせる、周囲と明らかに異なるイメージ部分が生成されており、周波数範囲を高い周波数側に広げるに従って、わずかながら周囲との差が大きくなっている。このことから、検出対象物からの反射波成分は主に７ＧＨｚ以下の低い周波数範囲に存在しているものの、それより高い周波数範囲にもわずかながら存在していることがうかがえる。
【００７８】
また、物体内画像のうち、周波数範囲を帯域幅は固定としつつ範囲をずらして四通りに変えた図１１（Ａ）（２〜８ＧＨｚ）、図１１（Ｂ）（３〜９ＧＨｚ）、図１２（Ａ）（４〜１０ＧＨｚ）、及び図１２（Ｂ）（５〜１１ＧＨｚ）では、最も周波数範囲の低い図１１（Ａ）で、前記図９（Ａ）ないし図１０（Ｂ）の周波数範囲の最大周波数を変えた各例と同様のイメージ部分が生成されているが、周波数範囲が高い周波数側にずれるに従って、周囲と異なるイメージ部分が拡散していくと共に、周囲との差が曖昧になって（各図右端の明暗部の目盛数値参照）、検出対象物としての特定が困難になっている。このことから、検出対象物からの反射波成分は周波数が高くなるほど小さくなる、すなわち物体内部で減衰する割合が高くなることがわかる。さらに、前記図９（Ａ）ないし図１０（Ｂ）の結果も合せると、検出対象物からの反射波成分の大部分は約４ＧＨｚ以下の低い周波数範囲に存在しているといえる。
【００７９】
これらから、反射波信号を、この反射波信号の周波数成分の周波数帯域内で、検出対象物からの反射波成分が明確に得られる低い周波数範囲と、物体内部の減衰の影響で検出対象物からの反射波成分が著しく小さくなる高い周波数範囲にそれぞれ対応する信号成分に分けると、低い周波数範囲に対応する信号成分における検出対象物からの反射波成分がより大きく現れることがわかる。
【００８０】
なお、図９〜図１２の物体内画像の取得に用いたモデルは、誘電定数が脂肪に近くなるよう調製した油モデルであり、生体と比較して、内部の誘電損失が小さい点や、表面反射が少し小さい点などから、反射波信号に対しアンテナ間のクロストーク分を差し引くと共に、時間フィルタリングを行う処理だけでも、十分に明確な検出対象物の画像が得られている。しかしながら、実際の生体やこれに極めて近いファントムモデルの場合、表面（皮膚）での反射が大きい点や、内部の誘電損失が大きい点により、上記の処理のみでは検出対象物が明確に現れるような画像再構成は不可能である。よって、本発明のマイクロ波イメージングシステムにより、物体表面での反射波成分を打消し、検出対象物からの反射波成分を相対的に強調する処理が必要になる。
【００８１】
続いて、上記の検出対象物からの反射波成分が、低い周波数範囲ほど大きく得られた結果を踏まえ、本発明のマイクロ波イメージングシステムを用いて、高低二つの周波数範囲を設定して物体表面での反射波成分を打消す処理を実行し、得られた画像における検出対象物の表示状態について評価した。
【００８２】
まず、モデルにおいて腫瘍を模した異物を二つ用い、各異物をモデル上部中心位置から左に２ｃｍ、表面から２ｃｍ下がった位置と、中心位置から右に３ｃｍ、表面から３．５ｃｍ下がった位置とにそれぞれ配置する点以外は、上記と同じ測定条件で得た反射波信号について、周波数範囲設定手段で第一の周波数範囲と第二の周波数範囲をそれぞれ設定し、信号解析手段において反射波信号をフーリエ変換でいったん周波数領域の信号とした後、この周波数領域の信号について、第一の周波数範囲に合致する信号成分を取得する（範囲外の信号部分については除去する）と共に、第二の周波数範囲に合致する信号成分を取得する（範囲外の信号部分については除去する）処理を実行する。そして、二つの周波数範囲の信号成分を逆フーリエ変換して、それぞれ時間領域の信号に戻すことで、第一の信号成分と第二の信号成分を得て、さらに第一の信号成分から第二の信号成分を減じて、物体表面での反射波成分が打消された第一の信号成分を、新たな反射波信号とする。この反射波信号を用いて合成開口処理を伴う画像再構成が実行され、物体内画像が生成される。
【００８３】
前記第一の周波数範囲としては、１〜７ＧＨｚを設定し、また、前記第二の周波数範囲としては、７〜１３ＧＨｚを設定した。ここで、パルス送受信手段で得た所定角度位置における反射波信号波形の例を、図１３（Ａ）に、この反射波信号のフーリエ変換で得られた周波数領域における反射波信号の周波数成分を図１３（Ｂ）にそれぞれ示す。そして、この反射波信号の周波数成分で１〜７ＧＨｚの第一の周波数範囲を設定してこの範囲外を除去したものの波形を図１４（Ａ）に、この１〜７ＧＨｚの範囲の周波数成分を逆フーリエ変換して得た第一の信号成分の波形を図１４（Ｂ）にそれぞれ示す。同様に、反射波信号の周波数成分で７〜１３ＧＨｚの第二の周波数範囲を設定してこの範囲外を除去したものの波形を図１５（Ａ）に、この７〜１３ＧＨｚの範囲の周波数成分を逆フーリエ変換して得た第二の信号成分の波形を図１５（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００８４】
そして、第一の周波数範囲（１〜７ＧＨｚ）に対応する第一の信号成分から第二の周波数範囲（７〜１３ＧＨｚ）に対応する第二の信号成分を減じて、物体表面での反射波成分が打消された第一の信号成分を、新たな反射波信号として用いて、画像再構成を経て取得した物体内画像を図１６（Ａ）に、また、比較例として、物体表面での反射波成分を打消す処理を行わずに、反射波信号（約１〜１３ＧＨｚ）をそのまま用い、画像再構成を経て取得した物体内画像を図１６（Ｂ）に示す。ここで、各図の縦軸（左）は物体頂点からの縦方向距離［ｍ］、横軸は物体の頂点直下からの横方向距離［ｍ］で、明暗（右）が反射波信号の強さ［任意単位（a.u.）］、すなわち検出対象物の存在確度を示す（明るいほど大）。なお、画像中の白線は物体の表面位置を示す線である。
【００８５】
画像再構成後の物体内画像のうち、物体表面での反射波成分を打消したもの（図１６（Ａ）参照）では、検出対象物と見なせる周囲と明らかに異なるイメージ部分がごく限られた位置に集中的に生成されているのに対し、比較例としての物体表面での反射波成分を打消さなかったもの（図１６（Ｂ）参照）では、信号強度の高い領域が広く分散して現れ、画像から検出対象物を特定することは困難となっている。
【００８６】
以上から、本発明のマイクロ波イメージングシステムで、反射波信号を、この反射波信号の周波数成分の周波数帯域内で、検出対象物からの反射波成分が明確に得られる第一の周波数範囲と、物体内部の減衰の影響で検出対象物からの反射波成分が著しく小さくなる第二の周波数範囲とにそれぞれ対応する信号成分に分け、物体内部の影響を受けず各信号成分で同様に現れる物体表面での反射波成分を、第一の周波数範囲に対応する第一の信号成分から第二の周波数範囲に対応する第二の信号成分を減算し打消すことで、信号成分から物体表面での反射波成分が取除かれる一方で、差異のある検出対象物からの反射波成分は残すことができ、こうして残った検出対象物からの反射波成分を画像再構成に利用して、物体内画像に物体表面での反射波成分の影響を受けない明確な検出対象物のイメージを生成でき、物体内画像から検出対象物を確実に検出可能であることがわかる。
【符号の説明】
【００８７】
１      マイクロ波イメージングシステム
１１    パルス送受信手段
１１ａ  照射アンテナ
１１ｂ  受信アンテナ
１１ｃ  パルス発生器
１１ｄ  アンテナ移動機構
１１ｅ  信号入出力部
１１ｆ  制御部
１２    周波数範囲設定手段
１３    信号解析手段
１４    記録手段
１５    画像再構成手段
１６    表示手段
２３ａ  第一のフィルタ回路
２３ｂ  第二のフィルタ回路
５０    物体
６０    検出対象物
【図１】
0005408617.tif 000002
【図２】
0005408617.tif 000003
【図３】
0005408617.tif 000004
【図５】
0005408617.tif 000005
【図６】
0005408617.tif 000006
【図７】
0005408617.tif 000007
【図８】
0005408617.tif 000008
【図１３】
0005408617.tif 000009
【図１４】
0005408617.tif 000010
【図１５】
0005408617.tif 000011
【図４】
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【図９】
0005408617.tif 000013
【図１０】
0005408617.tif 000014
【図１１】
0005408617.tif 000015
【図１２】
0005408617.tif 000016
【図１６】
0005408617.tif 000017