(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体の被測定物体を構成する電子や原子核の磁気共鳴周波数の音波を前記被測定物体に集束するように照射する音波発生器と、
前記被測定物体から発生する電磁波を受信する、前記被測定物体を取り囲むアンテナ又はコイルと、
前記音波発生器を駆動・制御して、前記被測定物体の２次元面又は３次元体積に亘って前記音波の集束位置を走査するか、又は、前記音波発生器を前記被測定物体の周りに機械的に走査し、且つ、走査された前記集束位置ごとの前記電磁波の強度、位相、及び周波数特性の群から選択される１つ又は複数の特性から、前記被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定する制御・測定・演算部とを備える、
音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項２】
前記音波発生器は、一つ又は複数の音波発生器、あるいは曲面の法線が一点に集束する凹曲面に固定された複数の音波発生器からなる、
請求項１に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項３】
前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記制御・測定・演算部は、前記アンテナ又はコイルの受信した電磁波を、前記音波の周波数でヘテロダイン検波又は位相検波する手段と、
前記検波した電磁波信号を、前記音波パルスのパルス周期の周波数でロックイン検出する手段と、を有する、
請求項１に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項４】
前記制御・測定・演算部は、前記音波発生器から広帯域超短パルスを発生させると共に、前記アンテナ又は前記コイルの受信した電磁波の周波数を測定する手段を有する、
請求項１に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項５】
前記電磁波の周波数を測定する手段は、バンドパスフィルター、ロックインアンプ、スペクトラムアナライザーの群から選択される１つまたは複数の手段である、
請求項４に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項６】
前記音波は音波パルスであり、
該音波パルスの照射後に検出される前記電磁波の強度の時間依存性を測定することにより、前記音響磁気共鳴の緩和時間を測定する、
請求項１に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項７】
前記被測定物体は、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、の何れかまたはこれらの複合材料、又は、前記材料からなる構造物または機能デバイスである、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項８】
前記制御・測定・演算部は、磁場を検出するＳＱＵＩＤを備えている、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置。
【請求項９】
固体の被測定物体を構成する電子や原子核の磁気共鳴周波数の音波を前記被測定物体に集束するように照射し、
前記被測定物体から発生する電磁波を、前記被測定物体を取り囲むアンテナ又はコイルを用いて受信し、
前記被測定物体の２次元面又は３次元体積に亘って前記音波の集束位置を走査し、且つ、走査された前記集束位置ごとの前記電磁波の強度、位相、及び周波数特性の群から選択される１つ又は複数の特性から、前記被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定する、
音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１０】
前記電磁波の測定は、前記被測定物体から放射される電磁波を、前記音波の周波数を参照信号としたヘテロイダイン検波法又は位相検波法により測定する、
請求項９に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１１】
前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記電磁波の測定は、前記被測定物体の部分から放射される電磁波を、前記パルスの音波周波数を参照信号としてヘテロイダイン検波又は位相検波し、
前記検波した信号を前記音波パルスのパルス周期の周波数でヘテロイダイン検波又は位相検波して測定する、
請求項９に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１２】
前記被測定物体に照射する音波は音波パルスであり、
前記音波パルスの発生源と前記被測定物体との間の距離を前記音波パルスが伝搬する時間が前記音波パルスの継続時間よりも長くなるように、前記被測定物体に前記音波パルスを照射し、
前記音波パルスの発生源が発生する電磁波ノイズから、前記被測定物体から発生する前記電磁波の信号を時間的に分離することにより、前記被測定物体から発生する前記電磁波を受信する、
請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１３】
前記被測定物体の所望の部分へ所望の方向から前記音波を集束し、且つ、前記被測定物体の所望の位置から所望の方向に放射する前記電磁波を測定すると共に、前記電磁波の放射方位分布を測定する、
請求項９乃至請求項１２のいずれか１項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１４】
前記被測定物体は、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、の何れかまたはこれらの複合材料、又は、前記材料からなる構造物または機能デバイスである、
請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【請求項１５】
前記音波は音波パルスであり、
該音波パルスの照射後に検出される前記電磁波の強度の時間依存性を測定することにより、前記音響磁気共鳴の緩和時間を測定する、
請求項９に記載の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音波振動によって電磁波を放射し得る、人体も含めたあらゆる対象物に対して適用可能な音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置に関し、特に、この方法を用いた脳の活動部位の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の精神活動と脳の働きとの関係を解明するために、また、脳の病気治療において病変部分を特定するために、脳の神経活動部位を特定することが行われている。神経細胞（ニューロン）は神経活動の際に、イオン濃度を制御して電荷分布を形成し、電荷分布によって形成される電位、すなわち、活動電位の伝播を通じて情報伝達を行っている（非特許文献１参照）。従って、神経活動の部位を特定できる最も直接的な情報源は活動電位、より根本的にはニューロンが形成する電荷分布である。
【０００３】
神経系の活動電位測定は、通常、体内に電極を直接挿入する方法が取られるが、人体、特にその中でも脳組織においてはこの方法が採用できず、人体外から人体を傷つけることなく活動部位を特定する、非侵襲計測法を用いることが必要である。
現在、神経活動の非侵襲計測法としては、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；非特許文献２参照）、ｆＭＲＩ（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ；非特許文献３参照）、近赤外光トポグラフィ（非特許文献４参照）、また、脳磁計（非特許文献５参照）が主に実用化されている。
【０００４】
しかしながら、ＰＥＴ、ｆＭＲＩ及び近赤外光トポグラフィとも、活動部位近傍の代謝量、すなわち、血液中の血流量あるいは酸素量の変化からニューロンの活動を間接的に検知しており、直接ニューロンに生じる電気信号を測定しているわけではない。その結果として、活動部位の位置分解能、時間分解能は、人間の精神活動と脳の働きとの関係を解明するうえでも、病気治療に役立てるうえでも、十分なものではない。また、これらの装置は、ポジトロンを生成するためのサイクロトロン加速機、或いは、核磁気共鳴を生じさせるための高磁場発生装置等を必要とし、装置コストが極めて高い。
上記脳磁計は、細胞内電流が誘起する微弱磁場を検出しているので時間分解能は高く、上記の装置に比べて直接的にニューロン活動を検知する方式である。しかしながら、磁場分布をもとに位置を推定しているので、間接的な位置推定法であり、位置分解能が十分ではない。とくに、複数の部位が同時に活動している場合はその特定が難しくなる。また、深部からの情報や表面の法線方向に向かう電流の検出が困難であるという課題がある。
【０００５】
物質の特性として、磁気特性が挙げられる。磁性体の磁化に関しては、例えば、非特許文献８において、強磁性体薄膜へのフェムト秒のレーザー光の照射によりコヒーレントなＴＨｚ帯の放射が観測されることが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】松村  道一  著  「脳科学への招待（神経回路の秘密を解き明かす）」サイエンス社  ２００３年７月１０日初版第３刷発行  ｐｐ５５−６５
【非特許文献２】Ｍ．Ｉ．Ｐｏｓｎｅｒ  ａｎｄ  Ｍ．Ｅ．Ｒａｉｃｈｅｌｅ著（養老猛司、加藤雅子、笠井清登  訳）：「脳を観る−認知神経科学が明かす心の謎」日経サイエンス社  ２００２年６月２５日第３刷発行
【非特許文献３】Ｐ．Ｊｅｚｚａｒｄ，Ｐ．Ｍ．Ｍａｔｔｈｅｗｓ，Ｓ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ編集「Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍｒｉ：Ａｎ  ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎとＭｅｔｈｏｄｓ」Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖ．Ｐｒ（Ｓｄ）；ＩＳＢＮ：０１９８５２７７３Ｘ；（２００３／０６）
【非特許文献４】松村  道一  著  「脳科学への招待（神経回路の秘密を解き明かす）」サイエンス社  ２００３年７月１０日初版第３刷発行  ｐ１７３
【非特許文献５】松村  道一  著  「脳科学への招待（神経回路の秘密を解き明かす）」サイエンス社  ２００３年７月１０日初版第３刷発行  ｐｐ１６８−１６９
【非特許文献６】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｏｆｕｋｕ．ｇｏ．ｊｐ／ｈａｎａｓｉ／ｅｓｗｌ．ｈｔｍ
【非特許文献７】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｄａｐ−ｈｉｆｕ．ｃｏｍ／
【非特許文献８】Ｅ．Ｂｅａｕｒｅｐａｉｒｅ  他５名、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ．１８，ｐｐ．３４６５−３４６７，３Ｍａｙ  ２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特定の精神活動にかかわる脳の活動部位を非侵襲に特定することは、人間の精神活動と脳の働きとの関係を解明するうえで極めて有力な手段であり、また、脳の病気の治療において、脳の特定の部位の活動が正常であるか異常であるかを判定することは、脳の病気の治療において極めて重要である。
しかしながら、上記説明から理解されるように、血液中の代謝量の変化を検知して間接的に活動部位を検知する従来方法も、ニューロンの興奮に伴う細胞内電流が誘起する微弱磁場を検知する従来方法も、位置分解能が十分でなく、活動部位を必要十分に特定できず、且つ、装置コストが極めて高いという課題がある。
【０００８】
上記課題に鑑み本発明は、物体に音波を照射して誘起される電磁波から物体中の荷電粒子の特性値の変化を測定する方法、即ち、音波誘起電磁波による物体の特性測定方法とその装置を提供し、特に、この方法を適用した、ニューロン活動の最も直接的な量であるニューロンの電荷分布を検出し、高い位置分解能で脳の活動部位を特定できる、脳の活動部位の測定方法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】
物体は、ミクロに見れば必ず、正電荷を有する粒子と負電荷を有する粒子とを含み、全体として中性である。例えば、Ｓｉ結晶は正電荷を有するＳｉコアとその周りを回る負電荷を有する電子とで構成され、全体として中性である。イオン結晶は陽イオンと負イオンとで構成され、全体として中性である。コロイド溶液は、正又は負の電荷を持つコロイド粒子と、コロイドを取り囲みコロイド粒子と反対符号の電荷を有するイオンや分子とを含み、全体として中性である。また、生体の生体液は、ＮａやＫ等の陽イオンとＣｌ等の負イオンとを含み、全体として中性である。
【００１０】
物体の音波が照射される部分を構成する粒子はその音波周波数で調和振動し、荷電粒子はその電荷の調和振動に基づいて、その音波周波数の電磁波を発生する。従って、音波が照射される部分の荷電粒子の濃度が変化すれば、電磁波の強度が変化する。ところで、物体は全体として中性であるから、正の荷電粒子が存在すれば、それと同数の負の荷電粒子が存在し、正の荷電粒子と負の荷電粒子の発生する電磁波は位相がπ異なるので互いに打ち消し合い、物体から電磁波は放射されないと考えられがちであるが、そのような場合はまれであり、たとえ、音波が照射される物体の部分に、正と負の荷電粒子が同じ濃度で存在する場合であっても、正と負の荷電粒子の、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力、すなわち、荷電粒子の特性値が異なれば、調和振動の振幅が異なるため、正と負の荷電粒子の発生する電磁波は強度が異なり、互いに完全に打ち消されずに物体の外部に放出される。
従って、物体の音波が照射される部分から放射される電磁波の強度が変化したとすれば、荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の特性値が変化したことになり、逆に、電磁波強度の変化から、上記荷電粒子の特性値の変化を測定できることになる。また、この変化がどの特性値の変化に基づくかは、音波が照射される物体に関する他の情報をもとに絞り込むことができる。例えば、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化があり得ない状態であるとすれば、電磁波強度の変化は、音波が照射される物体の部分の荷電粒子濃度の変化に結びつけることができる。
【００１１】
特に、ニューロンにおいては、その活動の際に、細胞壁のＮａイオンのチャネルが開き、細胞外からＮａイオンが濃度勾配に基づいて細胞内に拡散してＮａイオンからなる電荷分布を形成するので、この部分に音波を集束して電磁波強度を測定すれば、ニューロンの活動に伴って電磁波強度が大きく変化し、ニューロンの活動を直接検知できる。同様に、生体の筋組織が活動する際には、その部分にＣａイオンから成る電荷分布が形成されるので、この部分に音波を集束して電磁波強度を測定すれば、筋組織の活動部位を直接検知できる。
【００１２】
本発明は上記原理に基づくものであり、以下に詳細に説明する。
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法は、被測定物体に音波を照射し、被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することを特徴とする。
上記構成において、被測定物体の電気特性は、好ましくは、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化である。被測定物体の磁気特性は、好ましくは、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴である。被測定物体の電磁気・機械特性は、好ましくは、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性である。
本発明の物体の特性測定方法によれば、被測定物体の音波照射部分に含まれる、荷電粒子の特性値の変化、すなわち、荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の変化が生じた場合に、この物体から放射される電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れかが変化するので、これらの特性値の何れかが変化したことを検知し、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。例えば、荷電粒子の濃度以外に変化する可能性がない場合には、電磁波強度の変化を荷電粒子の濃度変化に結びつけることができる。また、荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力以外に変化する可能性がない場合には、電磁波強度の変化を荷電粒子の電子分極率、或いは、陽イオン分極率の変化に結びつけることができる。さらに、被測定物体の磁気特性として、電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴の測定を行なうことができ、被測定物体の電磁気・機械特性として、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性の測定も可能である。
【００１３】
物体に照射する音波がパルスであり、音波パルスの照射後に検出される電磁波の強度の時間依存性を測定することにより、被測定物体の有する荷電粒子の特性値の音波励起による緩和特性を測定することができる。
【００１４】
音波は一定周波数の狭帯域音波又は一定周波数の狭帯域音波パルスであり、電磁波の測定は、被測定物体から放射される電磁波を、音波の周波数を参照信号としてヘテロダイン検波又は位相検波し、電磁波の信号を高感度に測定すれば好ましく、この場合には他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
【００１５】
物体に照射する一定周波数の狭帯域音波はパルスであってもよく、電磁波の測定は、被測定物体の部分から放射される電磁波を、音波の周波数を参照信号としてヘテロダイン検波又は位相検波し、さらに、パルスの発生周波数を参照信号として位相検波すれば好ましく、この場合には他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
【００１６】
好ましくは、位相検波の位相情報から、電磁波の信号の起源が被測定物体の有する、正の荷電粒子によるものか又は負の荷電粒子によるものかを判定する。位相検波を用いれば、位相検波の位相情報から、電磁波の信号の起源が正の荷電粒子によるものか又は負の荷電粒子によるものかを判定できる。
【００１７】
音波のパルスの発生源と物体との間の距離を、音波のパルスがこの距離を伝搬する時間を音波のパルスの継続時間よりも長くなるように選択するか、又は、音波のパルスの継続時間を、上記伝搬する時間よりも短くすれば、音波のパルスの発生源の発生する電磁波ノイズから、電磁波の信号を時間的に分離して測定することができ、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出できる。
【００１８】
物体への音波の照射は複数の音波源からの音波を物体の所望の微小部分へ集束することで行い、この微小部分で誘起される電磁波を、物体を取り囲むアンテナ又はコイルを用いて測定すれば好ましい。この場合には、物体の任意の部分への音波の集束、及び任意の方向からの音波の集束が可能になり、また、物体の任意の位置から、及び任意の方向に放射する電磁波を測定できるようになると共に、電磁波の放射方位分布を測定することができる。物体に音波を照射した場合、その物体に含まれる荷電粒子の弾性率の異方性により、音波振動方向に垂直な方向と異なる方向に電磁波が放射される場合があり、放射方位分布を測定することによって、その荷電粒子の種類や、特性値の変化を特定できる。
【００１９】
音波の集束を物体の２次元面又は３次元体積に亘って走査し、各走査位置で誘起される電磁波の強度を、物体を取り囲むアンテナ又はコイルを用いて測定し、走査位置と測定した電磁波の強度とを対応させて、荷電粒子の特性値の変化の２次元又は３次元分布を測定すれば好ましい。
【００２０】
音波は、複数の周波数成分から成る広帯域超短パルスであれば好ましく、生体の脳や筋組織中において、周波数の高い音波は早く減衰し、周波数の低い音波が深部まで到達することから、測定する電磁波の周波数から電磁波の発生位置の深さ方向の情報を得ることができる。例えば、上記の音波を集束した部分内の深さ方向の位置情報の精度を高めることができる。
【００２１】
物体が生体の脳を代表とする神経組織であれば、ニューロンの活動に伴って電荷分布が形成され、又、物体が生体の筋組織であれば筋組織の活動に伴って電荷分布が形成され、この電荷分布に伴って電磁波強度が大きくなるので、音波の集束を脳または筋組織の２次元面又は３次元体積に亘って走査し、各走査位置で誘起される電磁波の強度を、脳又は筋組織を取り囲むアンテナ又はコイルを用いて測定し、走査位置と測定した電磁波の強度とを対応させれば神経組織又は筋組織の活動部位の２次元又は３次元マップが作成できる。
【００２２】
また、上記の方法は、物体が生体である場合に限らず、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は上記材料からなる構造物または機能デバイス中における荷電粒子の特性値に関連した現象の解明に役立てることができる。
【００２３】
本発明による音波誘起電磁波による物体の特性測定装置は、少なくとも、電波暗室と、電波暗室内に配置される被測定物体を保持する保持台と、物体に近接又は接触して配置される音波発生器と、音波発生器の発生する音波又は音波パルスが照射される部分から発生する電磁波を受信するアンテナ又はコイルと、音波発生器を駆動・制御し、アンテナ又はコイルの受信した電磁波を検出、演算する制御・測定・演算部とを有することを特徴とする。
【００２４】
音波発生器は複数の音波発生器から成り、この複数の音波発生器が発生する音波パルスの相互の位相を制御・測定・演算部で制御して、被測定物体の所望の位置に音波パルスを集束し、被測定物体の２次元面又は３次元体積に亘って音波の集束位置を走査すれば好ましい。
【００２５】
音波発生器は曲面の法線が一点に集束する凹曲面に固定された複数の音波発生器から成っていてもよく、この場合、制御・測定・演算部は複数の音波発生器を同時に駆動して音波パルスを発生すると共に、複数の音波発生器が凹曲面に固定された音波発生器を、被測定物体の周りに機械的に走査して、被測定物体の２次元面又は３次元体積に亘って音波の集束位置を走査すれば好ましい。
【００２６】
制御・測定・演算部は、アンテナ又はコイルの受信した電磁波を、音波の周波数又は音波パルスのパルス周波数でヘテロダイン検波又は位相検波する手段を有すれば好ましい。この場合には他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
【００２７】
上記検波手段で検波した電磁波信号をさらに、音波パルスのパルス周波数でロックイン検出する手段を有すれば好ましい。この場合には、他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
【００２８】
制御・測定・演算部が、音波発生器から広帯域超短パルスを発生させると共に、アンテナ又はコイルの受信した電磁波の周波数を測定する手段を有すれば好ましい。この場合、例えば音波を集束した部分内の深さ方向の位置情報の精度を高めることができる。
【００２９】
電磁波の周波数を測定する手段は、制御・測定・演算部に設けたバンドパスフィルターであれば好ましい。
【００３０】
電磁波の周波数を測定する手段は、制御・測定・演算部に設けたバンドパスフィルターとロックインアンプであってもよい。この場合には、他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて電磁波強度が小さくても周波数を測定できる。
【００３１】
電磁波の周波数を測定する手段が、制御・測定・演算部に設けたスペクトラムアナライザーであってもよい。この場合には、スペクトラムアナライザーが電磁波をフーリエ変換するので電磁波の周波数成分毎の強度を知ることができ、最大強度の周波数成分から電磁波の周波数を測定できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の方法及び装置によれば、被測定物体に音波を照射し、被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか又はこれらの複数の特性値の変化などを測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。従って、生体、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は、上記材料からなる構造物または機能デバイスにおけるこれらの特性値の変化が関連した現象の解明
に有用である。特に、脳の活動部位の特定に用いれば、極めて高い位置分解能で脳の活動部位を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】物体の部分に音波を照射して誘起される電磁波の様子を示す図である。
【図２】本発明の音波誘起電磁波による物体の荷電粒子の特性測定装置の構成を示す図である。
【図３】音波を集束する方法を示す図である。
【図４】音波を集束する他の方法を示す図である。
【図５】本発明の第１の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の荷電粒子の特性値の経時変化特性の測定方法を示す図である。
【図７】本発明の第２の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第４の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第５の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図で、（ａ）は装置の構成を、（ｂ）はパルス発生器が発生するゲートパルス及び音波発生用パルスの発生タイミング、音波発生器で発生する音波の発生タイミング及び物体中で誘起される電磁波の発生タイミングを示す。
【図１１】本発明の広帯域音波パルスを使用する場合の電磁波発生源の電荷極性の判定に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の広帯域音波パルスを使用する場合の電磁波発生源の電荷極性の判定に用いる他の制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。
【図１３】実施例１の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置の構成を模式的に示す図であり、それぞれ、（ａ）は特性測定装置の構成を、（ｂ）は超音波プローブの変形例を、（ｃ）は超音波の波形を示している。
【図１４】実施例３において、被測定物体である半導体のＧａＡｓ結晶からの音響誘起電磁波の検出波形図で、（ａ）は超音波波形、（ｂ）は実施例１の特性測定装置で得られた波形、（ｃ）は実施例２の特性測定装置で得られた波形を示している。
【図１５】被測定物体の音響誘起電磁波の検出波形図で、それぞれ、（ａ）はＳｉ結晶、（ｂ）及び（ｃ）は結晶配置の異なるＧａＡｓ結晶の波形を示している。
【図１６】音響誘起電磁波の検出波形図で、それぞれ、（ａ）は実施例４のブタの骨の硬組織、（ｂ）は実施例５の木材、（ｃ）は実施例６のポリプロピレン、（ｄ）は実施例７のアルミニウムからの信号である。
【図１７】実施例９のフェライト磁石からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
初めに、物体の音波を照射する部分に誘起される電磁波を説明する。
図１は、被測定物体の部分に音波を照射して誘起される電磁波の様子を示す図である。図１において、音波集束ビーム１は、被測定物体の部分２に集束している様子を示しており、○で囲んだ＋及び−はそれぞれ正の荷電粒子３及び負の荷電粒子４を示している。また、物体の部分２では、正の荷電粒子３と負の荷電粒子４の濃度のバランスが崩れ、正の荷電粒子３が多い電荷分布状態を示している。また、矢印５は音波集束ビーム１の音波振動方向を示しており、矢印６は、正の荷電粒子３及び負の荷電粒子４の音波による振動に伴って発生する、矢印５に垂直な方向に伝搬する電磁波を示している。
【００３５】
図１に示すように、音波集束ビーム１の照射によって、正の荷電粒子３及び負の荷電粒子４は、音波の振動方向５に音波の振動数で振動するが、正の荷電粒子３及び負の荷電粒子４の振動は電荷が振動することになるので、振動方向５に垂直な方向に伝搬する電磁波６が誘起される。ところで、正電荷と負電荷が同一の振動をすることによって発生する電磁波は互いに位相がπだけずれているので、打ち消し合い、電磁波は誘起されない。しかしながら、物体の部分２では、正の荷電粒子３が多い電荷分布状態であるので、完全に打
ち消し合うことができず、正味の電磁波６が誘起される。
従って、音波によって誘起される電磁波を観測し、電磁波の強度変化が観測されれば、電荷分布に変化が生じたこと、即ち、正の荷電粒子３又は負の荷電粒子４の濃度に変化が生じたか、或いはその両方の濃度が変化したことがわかる。即ち、音波によって誘起される電磁波の測定から、物体中の荷電粒子の特性値、この場合にはその濃度の変化を測定できる。
【００３６】
ところで、図１は、音波によって誘起される電磁波の測定から、荷電粒子の濃度変化を測定する例を示したが、測定できる荷電粒子の特性値の変化としては、濃度だけでなく、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化が可能であり、以下に説明する。
荷電粒子の位置座標をＸ、荷電粒子の質量をＭ、荷電粒子が周囲の媒体から音波振動に基づく力を受ける実効断面積をＳ、音波振動の圧力をｐ、音波振動の周波数をν、時間をｔとすると、荷電粒子の運動方程式は次式（１）で近似される。
【数１】
0005460669.tif 000002
この方程式の解は、次式（２）で表される。
【数２】
0005460669.tif 000003
荷電粒子の振動振幅Ａは、次式（３）で表される。
【数３】
0005460669.tif 000004
上記式（３）から、荷電粒子の振幅Ａは、荷電粒子の質量によって変化することがわかる。また、荷電粒子のサイズ、形状が変化すれば、荷電粒子が周囲の媒体から音波振動による力を受ける実効断面積Ｓが変化するので、サイズ、形状が変化しても、荷電粒子の振幅Ａが変化することがわかる。また、荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化は、近似的に質量Ｍの変化になるから、相互作用力が変化しても、荷電粒子の振幅Ａが変化することがわかる。
荷電粒子の電荷をｅとすると、荷電粒子の振動は、電荷ｅの調和振動Ｐ＝ｅＡｓｉｎ２πνｔで表され、振動Ｐから単位時間当たりに放射される電磁波の放射パワーＩ（ｔ）はε0 を真空誘電率、ｃを光速として、次式（４）で表される。
【数４】
0005460669.tif 000005
時間平均を取ると、次式（５）で表される。
【数５】
0005460669.tif 000006
上記式（５）から、振幅Ａが変化すれば電磁波の放射パワーが変化することがわかる。従って、音波によって誘起される電磁波の測定から、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化も測定できることがわかる。例えば、被測定物体の状態に関する他の知識や、或いは、他の何らかの手段による知識から、濃度、質量、サイズ、形状及び荷電数の変化が起こり得ない状態であれば、測定した電磁波の強度変化は、荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の変化に結びつけることができ、例えば、電子分極率或いは陽イオン分極率の変化に結びつけることができる。
【００３７】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の電気特性として、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配を測定することができる。
被測定物体２３の有する電荷密度をρとすると、ρと電場等の関係は下記（６）式のポワッソンの方程式（ガウスの法則）で表わされる。
【数６】
0005460669.tif 000007
ここで、Ｄ，ε及びＥはそれぞれ電束密度、誘電率、電場である。
音波誘起電磁波は電荷密度の時間変化（∂ρ／∂ｔ）によって引き起こされるので、電磁波の強度から、電荷密度、すなわち電束密度勾配の情報を取得することができる。さらに、電場が空間的に一定と推定される場合は、ρ＝∇ε・Ｅであるから誘電率の空間勾配を得ることができる。誘導率が一定と推定される場合は、同様に電場勾配の情報を取得できる。言い換えると、ミクロには被測定物体の有する電荷による電荷振動によって電磁波放射が発生するわけである。マクロに見ると、電束密度、あるいは、誘導率や電場が時間変化して電磁波が放射されると考えられる。このため、本発明の方法により、生体の機能、例えば脳機能を測定し、解析する場合に関しても、音波誘起電磁波は体内イオン分布の時間変化が根本原因であり、イオンスケールに比べてマクロな音波集束域を考えると、神経活動に起因した電束密度や電場勾配の変化を測定する方法と見なすことができる。
【００３８】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の磁気特性として、電子スピン又は核スピンに起因した磁化を次のようして測定することができる。電気分極と同様に、磁化が時間変化しても電磁波放射が生じる。Ｍａｘｗｅｌｌ方程式によると、放射電場は磁化の時間に対する２回微分に比例する（非特許文献８参照）。従って、電磁波強度や位相から、磁化の大きさや方向を測定することが可能である。
【００３９】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の磁気特性として、電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を、次のようして測定することができる。ある特定の共鳴周波数で、音波が効率よく吸収され、電子スピン又は核スピンの方向が変化することから、その周波数において電磁波強度や位相が大きく変化することが期待される。情報としては、共鳴周波数を確定することができる。あとは、通常のＥＳＲ（電子スピン共鳴）やＮＭＲ（核磁気共鳴）と同様に、音波の周波数を走査すれば、スペクトルが得られ、電子スピンや核スピンの情報を取得できる。また、電子スピンや核スピンの緩和時間が測定できる。
【００４０】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の電磁気・磁気特性として、圧電特性又は磁歪特性を次のようして測定することができる。反転対象性のないイオン結晶は原理的に歪によって、電気分極が生じる。従って、音波誘起電磁波の強度から分極の大きさを得ることができる。音波を走査すれば、被測定物体の圧電特性を画像化することができる。さらに、音波伝播方向と電磁波放射分布から、圧電テンソルを、被測定物体に電極を設けずに非接触で測定することができる。生体の骨や筋肉など多くの生体分子結晶は圧電特性をもっているので、非浸襲にこれらの特性を測定することができる。特に、骨に関しては、超音波を照射することにより骨折が早く直るという治療があり、骨の圧電特性に関する研究については関心が高く、本発明の方法及び装置によれば、生体試料の圧電特性に好適に使用することができる。
【００４１】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の電磁気・磁気特性として、磁歪特性を次のようして測定することができる。磁歪とは、結晶歪により電子軌道が変化し、軌道・スピン相互作用を通じて電子スピン磁化に変化が加わる現象をいう。または、結晶歪により、結晶場分裂に変化が生じ、これが電子状態を変化させ、電子スピン磁化の大きさを変化させることもある。これらの時間変化が電磁波を発生させると考えられる。従って、音波誘起電磁波の強度から磁化の大きさや軌道・スピン相互作用、結晶歪と電子軌道変化の敏感さ、あるいは、結晶場分裂と歪の敏感さ、又は結晶場分裂と電子スピン状態の関係を決定することができる。音波伝播方向と放射強度からは、被測定物体に電極を設けずに、非接触で磁歪テンソルを測定することができる。磁歪特性の画像化も圧電特性と同様に可能である。
【００４２】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法によれば、被測定物体に音波を照射し、この被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。従って、被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか又はこれらの複数の特性値の変化を測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。
【００４３】
次に、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置を説明する。
図２は、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置の構成を示す図である。この図を用いて、音波誘起電磁波による物体の有する荷電粒子に基づく特性測定装置の構成と動作を説明する。
本発明の測定装置２１は、電波暗室２２と、電波暗室２２内に配置された被測定物体２３を保持する保持台２４と、物体２３に近接又は接触して配置される音波発生器２５と、音波発生器２５の発生する音波２６が集束する部分２３ａから発生する電磁波２７を受信するアンテナ２８と、音波発生器２５を駆動・制御し、且つ、アンテナ２８の要素アンテナ２８ａの何れか又は複数が受信した電磁波信号２７を測定、演算する制御・測定・演算部２９とから構成される。
ここで、被測定物体２３から放射される電磁波は、その近接場（ｎｅａｒ  ｆｉｅｌｄ）又は近接場ではない非近接場、即ち遠接場（ｆａｒ  ｆｉｅｌｄ）の電磁波測定により測定することができる。後述するが、被測定物体２３から放射される電磁波の近接場などの磁場をＳＱＵＩＤで測定してもよい。アンテナ２８としては、電磁波を検出できるものであればその種類は問わない。例えば、ループ型アンテナやアレイ型アンテナなどの各種アンテナや、ループ型やアレイ型のコイルからなるアンテナを使用することができる。
【００４４】
本発明の測定装置２１を動作させるには、保持台２４に被測定物体２３を配置し、音波発生器２５から音波を発生させ、音波が集束する部分２３ａから放射される電磁波２７をアレイ型アンテナ又はアレイ型コイル２８の要素アンテナ２８ａの何れか又は複数で受信し、受信した電磁波２７を、制御・測定・演算部２９で測定する。また、音波が集束する部分２３ａを物体内で走査し、各走査位置毎に電磁波２７を測定し、物体の２次元面又は３次元体積に亘る電磁波の強度分布を測定する。
なお、図２において、アレイ型アンテナ２８を構成する要素アンテナ２８ａが円周上に配列して示されているが、この表示はアレイ型アンテナ２８の断面を示したものであり、要素アンテナ２８ａは物体２３を囲んで４πラジアン方向に均等な密度で配置されており、物体の任意の部分から誘起される電磁波、また、任意の方向から音波を集束した場合に誘起される電磁波を受信できるようにしている。
【００４５】
次に、被測定物体の所望の位置に音波を集束する方法及びこれに用いる装置について説明する。
図３は音波を集束する方法を示す図である。この方法はフェーズドアレイ法と呼ばれており、圧電素子２５を１列に配列したアレイの個々の圧電素子２５が発生する音波パルス２６同士を図に示すように中心の音波パルス２６を遅相し、周辺の音波パルス２６ほど進相することによって、平面上の所望の位置に音波パルスを集束できる。図においては圧電素子２５を１列に配列したアレイを示しているが、アレイを複数段積み重ねて、個々の圧電素子２５の発生する音波パルス２６の位相を適切にずらすことによって被測定物体の３次元体積に亘って、所望の位置に集束することができる。
【００４６】
図４は音波を集束する他の方法及びこれに用いる装置を示す図である。この方法は音響レンズ法と呼ばれており、曲面の各点の法線が一つの焦点に集束する曲面形状を有した凹曲面上に圧電素子２５を複数配列し、複数の圧電素子２５から同時に音波パルス２６を発生し、凹曲面が定める焦点に向けて個々の音波パルスを伝搬させることによって集束することができる。音波レンズを被測定物体の周りに機械的に走査することによって、被測定物体の３次元体積に亘る所望の位置に音波パルスを集束することができる。上記二つの方法を組み合わせることも可能である。
【００４７】
次に、本発明の測定方法及び装置を具体的に説明する。
初めに、本発明の第１の測定方法及び装置を説明する。
図５は、本発明の第１の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。図を用いて、制御・測定・演算部の構成と動作を説明する。図は、照射する音波が一定周波数の狭帯域パルスである場合の構成を示している。図５において、制御・測定・演算部３０は、ＲＦ発振器３１と、ＲＦ発振器３１から出力するＲＦ信号３１ａを所定のパルス信号３１ｂに整形するゲートスイッチ３２と、ゲートスイッチ３２の開閉を制御するパルス発生器３３と、ゲートスイッチ３２を出力したパルス信号３１ｂを増幅する増幅器３４を有し、増幅器３４を出力したパルス信号３１ｂは音波発生器２５に入力され、音波発生器２５は音波パルス２６を発生する。
また、アレイ型アンテナ２８に接続され、アレイ型アンテナ２８で受信した電磁波を増幅する小信号増幅器３５と、小信号増幅器３５で増幅した電磁波をＲＦ発振器３１の発信周波数νで位相検波するミキサー３６と、ＲＦ発振器３１の発信周波数信号νの位相を制御して供給しミキサー３６を制御する位相調整器３７と、ミキサー３６を通過した電磁波信号を増幅する増幅器３８と、増幅器３８で増幅された電磁波信号のうち、所定の周波数以下の成分のみを通過するローパスフィルター３９と、ローパスフィルター３９を通過した電磁波信号の強度をパルス発生器３３のパルス発生タイミングに同期して測定するデジタルオシロスコープ４０を有している。なお、３３ａはパルス発生器３３とデジタルオシロスコープ４０とを同期させるための信号線である。
また、パソコン４１を有し、パソコン４１には、ＲＦ発振器３１、パルス発生器３３、及びデジタルオシロスコープ４０が接続され、パソコン４１を介して、ＲＦ信号３１ａの制御、パルス信号３１ｂの制御及びデジタルオシロスコープ４０で測定した電磁波信号の取得とデジタルオシロスコープ４０の測定制御を行う。
【００４８】
なお、上記説明では、位相検波を音波の周波数で行う場合を示しているが、音波のパルス周波数で行っても良く、この場合には、位相調整器３７をパルス発生器３３に接続し、パルス発生器３３の発信周波数を参照信号とすることができる。
図には音波発生器一つだけを駆動する制御装置の構成を示しているが、上記に説明したように物体の所望の部分に音波パルスを集束し、集束位置を走査する場合には、図の音波発生器を複数有し、複数の音波発生器を制御して駆動するための図の駆動装置を複数有している。位相検波を用いると、他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除できるので、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。また、位相検波の場合には、位相調整器３７で参照信号の位相を変化させて測定し、電磁波の位相と参照信号の位相が揃ったときの測定値の正、負によって、測定している電磁波が、正の荷電粒子の振動に基づくものか、負の荷電粒子の振動に基づくものかを判定することができる。
【００４９】
また、音波発生器２５と物体２３の音波パルスが照射される部分との間の距離ｄを選択し、音波パルスが距離ｄを伝搬する時間を音波パルスの継続時間よりも長くなるように選択するか、又は、音波のパルスの継続時間を上記伝搬時間よりも短くすることにより、音波発生器２５が音波パルスを発生する際に生ずる電磁波ノイズから、音波によって誘起され物体から放射される電磁波信号を時間的に分離して測定することができる。この場合、図６に示すように、音波パルス２６の照射後に検出される電磁波強度４３の経時変化を測定することにより、物体に含まれる荷電粒子の特性値の変化の時間依存性を測定することができ、例えば荷電粒子の特性値の音波励起による緩和時間を測定することができる。
【００５０】
次に、本発明の第２の測定方法及び装置を説明する。
図７は、本発明の第２の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部５０は、図１の構成におけるローパスフィルター３９とデジタルオシロスコープ４０との間にロックインアンプ５１を有することのみが異なる。ロックインアンプ５１は、ローパスフィルター３９を通過した電磁波信号を、パルス発生器３３の発信周波数μを参照信号としてロックイン検出する。４２はパルス発生器３３の発信周波数μをロックインアンプ５１に供給する信号線である。
この方法によれば、音波の周波数νと音波パルスのパルス周期１／μの両方で位相検波するので、他の周波数成分をもつ外部ノイズをさらに排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
ここで、ロックインアンプは位相検波用のゲートスイッチと狭帯域増幅器とから成り、位相検波法と同じ測定原理に基づいて測定するものであるが、位相検波の参照周波数が低い場合、ゲートスイッチと狭帯域増幅器とからなるセットがロックインアンプとして市販されており、通常、参照周波数が低い位相検波をロックイン検出と言い慣らされているので、位相検波の参照周波数が低い場合にロックインアンプ及びロックイン検出なる言葉を用いる。
【００５１】
次に、本発明の第３の測定方法及び装置を説明する。
生体の脳や筋組織中においては、周波数の高い音波は早く減衰し、周波数の低い音波が深部まで到達する。従って、音波によって誘起される電磁波の周波数を測定すれば、その電磁波の発生源が深部なのか、浅部なのかがわかる。本発明の第３の方法は、上記現象を利用したものであり、測定する電磁波の周波数からその電磁波の発生源が深部なのか、浅部なのかを判定することにより、音波集束部分内の深さ方向の位置分解能を高めることができる。
図８は、本発明の第３の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部５２は、図１の構成におけるＲＦ発振器３１を有せず、パルス発生器３３から発生する単一パルス５３を音波発生器２５に印加する構成である。音波発生器２５は、例えば圧電素子であり、圧電素子に単一のパルス５３を印加すると、圧電素子が自由振動し、振動エネルギーが散逸して零になるまで振動する。この圧電素子の自由振動による音波パルス５４は、図１の狭帯域音波パルス３１ｂと較べると、周波数が広い範囲に亘って分布しており、広帯域音波パルスである。
また、図に示すように制御・測定・演算部５２の測定部分は、小信号増幅器３５で増幅した電磁波信号の特定の周波数成分を通過する第１のバンドパスフィルター５５と、第１のバンドパスフィルター５５を透過した周波数成分を増幅する狭帯域増幅器３８と、狭帯域増幅器３８で増幅した周波数成分の特定の周波数成分を通過する第２のバンドパスフィルター５７と、第２のバンドパスフィルター５７を通過した周波数成分を積算して電磁波強度を測定するデジタルオシロスコープ４０とからなる。
【００５２】
制御・測定・演算部５２を用いて測定するには、第１のバンドパスフィルター５５で通過する電磁波信号の周波数成分を大まかに選択し、第２のバンドパスフィルター５７で通過する電磁波信号の周波数成分を細かに選択し、選択した周波数成分の電磁波信号の強度を測定し、最大強度を示す周波数から電磁波の周波数を特定する。この特定した周波数から音波集束部分内の深さ方向の位置を特定する。
この方法によれば、生体の脳や筋組織中において、周波数の高い音波は早く減衰し、周波数の低い音波が深部まで到達するから、測定した電磁波の周波数から音波集束部分内の深さ方向の位置を知ることができる。
【００５３】
次に、本発明の第４の測定方法及び装置を説明する。
図９は、本発明の第４の測定方法に用いる制御・測定・演算部６０の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部６０は、図８の構成と較べて測定部が、第２のバンドパスフィルター５７とデジタルオシロスコープ４０との間に、パルス発生器３３のパルス発生タイミングを参照周波数とするロックインアンプ６１を有することのみが異なる。６２はパルス発生器３３のパルス発生タイミングを参照周波数としてロックインアンプ６１に供給する信号線である。
第３の方法においては、電磁波強度の測定を、デジタルオシロスコープによる電磁波信号の積算によって行うが、この方法は、ロックインアンプ６１によって外部ノイズを排除した電磁波信号の積算によって行うので、他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除でき、第３の方法に較べて、さらに小さい電磁波強度の変化も検出することができる。
【００５４】
次に、本発明の第５の測定方法及び装置を説明する。
図１０は、本発明の第５の測定方法に用いる制御・測定・演算部の構成を示すブロック図であり、（ａ）は装置の構成を、（ｂ）はパルス発生器３３が発生するゲートパルス６６及び音波発生用パルス６９の発生タイミング、音波発生器２５で発生する音波５４の発生タイミング及び物体中で誘起される電磁波２７の発生タイミングを示す。
図１０（ａ）に示すように、制御・測定・演算部６５の測定部は、受信した電磁波２７を増幅する小信号増幅器３５と、小信号増幅器３５で増幅した電磁波信号を、パルス発生器３３が発生するゲートパルス６６の継続時間の間だけ通過させるゲートスイッチ３２と、ゲートスイッチ３２を通過した電磁波信号を、周波数信号で表示するスペクトラムアナライザー６７とからなる。スペクトラムアナライザー６７は、周波数成分毎の強度を検出し、記憶する機能を有している。このスペクトラムアナライザー６７の機能は、制御・測定・演算部６５に備えた演算処理部において、フーリエ変換する演算処理により求めることができる。６８はゲートパルス６６をゲートスイッチ３２に供給するための信号線であり、３３ｂはパルス発生器とスペクトラムアナライザー６７を同期させるための信号線である。
図１０（ｂ）の上段のグラフに示すように、パルス発生器３３は、音波発生用のパルス６９と、音波発生用のパルス６９のパルス間隔Ｔの間にゲートパルス６６を発生させる。下段のグラフは、音波発生用のパルス６９により音波発生器２５から発生する音波パルス５４の発生タイミングと、音波パルス５４が物体２３に到達し誘起される電磁波２７の発生タイミングを示している。図に示すように、ゲートパルス６６と電磁波２７の発生タイミングは一致させており、スペクトラムアナライザー６７に取り込まれる信号は、電磁波２７が誘起されている時間帯の信号のみとなり、この時間帯以外の外部ノイズを排除でき、極めて小さい電磁波強度の変化でも検出することができる。
【００５５】
次に、広帯域音波パルスを使用する場合において、電磁波発生源の電荷極性を判定する方法及び装置を説明する。
図１１は、本発明の広帯域音波パルスを使用する場合の電磁波発生源の電荷極性の判定に用いる制御・測定・演算部７５の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部７５の測定部は、受信した電磁波を増幅する小信号増幅器３５と、小信号増幅器３５で増幅した電磁波をＲＦ発振器３１の発信周波数νで位相検波するミキサー３６と、ＲＦ発振器３１の発信周波数信号νの位相を制御して供給しミキサー３６の動作を制御する位相調整器３７と、ミキサー３６を通過した電磁波信号を増幅する増幅器３８と、増幅器３８で増幅された電磁波信号のうち、所定の周波数以下の成分のみを通過するローパスフィルター３９と、ローパスフィルター３９を通過した電磁波信号の強度を測定するデジタルオシロスコープ４０を有している。
これにより、位相調整器３７で参照信号の位相を変化させて測定し、電磁波の位相と参照信号の位相が揃ったときの測定値の正、負によって、測定している電磁波が、正の荷電粒子の振動に基づくものか、負の荷電粒子の振動に基づくものかを判定できる。
【００５６】
図１２は、本発明の広帯域音波パルスを使用する場合の電磁波発生源の電荷極性の判定に用いる他の制御・測定・演算部７６の構成を示すブロック図である。制御・測定・演算部７６の測定部は、図１１の構成と較べて、ローパスフィルター３９とデジタルオシロスコープ４０との間に、パルス発生器３３の発信周波数を参照信号とするロックインアンプ７７を有することのみ異なる。７８はパルス発生器３３の発信周波数をロックインアンプ７７に供給する信号線である。この方法によれば、図１１の構成と較べて、他の周波数成分をもつ外部ノイズを排除できるので、電磁波強度が極めて小さい場合であっても、電荷極性の判定ができる。
【００５７】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置においては、被測定物体２３からの電磁波の内、磁場の測定をＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）を用いて測定してもよい。ＳＱＵＩＤは、超伝導体からなるリング内に１つ又は２つのジョセフソン接合を有する素子である。ジョセフソン接合が１つの場合はｒｆ−ＳＱＵＩＤ、ジョセフソン接合が２つの場合はｄｃ−ＳＱＵＩＤと、それぞれ呼ばれている。ＳＱＵＩＤは、超伝導の量子化現象を応用した超高感度磁気センサであり、従来の磁気センサに比べて１００倍以上の感度を省しており地磁気の５，０００万分の１以下という微弱電場も検出することが可能である。
【００５８】
上記の制御・測定・演算部２９，３０，５０，５２，６０，６５，７５，７６は、コンピュータと、ディスプレイ装置と、記憶装置などを備えて構成することができる。コンピュータにより、音波誘起電磁波の時系列信号の所定の時間を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のアルゴリズムによりフーリエ変換すれば、計算時間の短縮ができる。このフーリエスペクトルを得る手段は、コンピュータによらない専用のＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）やＦＦＴ装置でも良い。また、電磁波の増幅や復調等の信号処理に関しては、個別の回路部品や電磁波の周波数を測定する手段を種々示したが、受信機用の集積回路やＤＳＰを使用して構成することができる。
【００５９】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法においては、被測定物体の電磁気・磁気特性として、磁歪特性を次のようして測定することができる。
磁歪とは、結晶歪により電子軌道が変化し、軌道・スピン相互作用を通じて電子スピン磁化に変化が加わる現象をいう。または、結晶歪により、結晶場分裂に変化が生じ、これが電子状態を変化させ、電子スピン磁化の大きさを変化させることもある。これらの時間変化が電磁波を発生させると考えられる。従って、音波誘起電磁波の強度から磁化の大きさや軌道・スピン相互作用、又は結晶歪と電子軌道変化の敏感さ、あるいは、結晶場分裂と歪の敏感さ、又は結晶場分裂と電子スピン状態の関係を決定することができる。音波伝播方向と放射強度からは、被測定物体に電極を設けずに、非接触で磁歪テンソルを測定することができる。磁歪特性の画像化も圧電特性と同様に可能である。
【００６０】
本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法によれば、被測定物体に音波を照射し、この被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。
従って、被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化を測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。
【００６１】
次に、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定方法及び装置を脳の活動部位の特定に使用する場合について、補足して説明する。
現在医療用に使用される圧電素子の周波数は、３．５ＭＨｚ、５ＭＨｚ、７．５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ及び３０ＭＨｚである。音波の人体内速度を１６００ｍ／秒とすると７．５ＭＨｚの音波の波長が２１３μｍとなり、この周波数の音波を人体に用いれば、人体の約２１３μｍの領域に音波を集束できることになる。従って、人間の脳の活動部位の特定に、周波数７．５ＭＨｚの音波を使用して本発明の方法を用いれば、２１３μｍの分解能で脳の活動部位の特定ができる。人体以外の目的で１００ＭＨｚ以上の高周波音波を用いれば１０μｍ以下の分解能も可能である。
音波の集束は図３及び図４に示した方法で実際に医療分野で用いられており、例えば、体外衝撃波胆石破砕法（非特許文献６参照）や癌治療に用いられる高濃度焦点式音波治療法（非特許文献７参照）といった切開手術を要しない最新の治療技術に用いられている。脳の場合には、音波が頭蓋骨を透過しにくいので、頭蓋骨用の音響整合層を介して頭蓋骨に音波を照射することが好ましい。上記の脳の活動部位の特定においては、本発明の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置を用いて測定し、脳に関する音波誘起電磁波を別途記録し、その記録された測定データの解析をコンピュータで行なうことができる。
【実施例１】
【００６２】
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
図１３は、実施例１の音波誘起電磁波による物体の特性測定装置の構成を模式的に示す図であり、それぞれ、（ａ）は特性測定装置の構成を、（ｂ）は超音波プローブの変形例を、（ｃ）は超音波の波形を示している。
図１３（ａ）に示すように、実施例の測定装置２１は、電波暗室２２と、電波暗室２２内に配置された被測定物体２３を保持する保持台と、被測定物体２３に近接又は接触して配置される音波発生器と、音波発生器２５の発生する音波２６が集束する部分２３ａから発生する電磁波を受信するループアンテナ２８と、音波発生器を駆動・制御し、且つ、ループアンテナ２８が受信した電磁波信号２７を測定、演算する図示しない制御・測定・演算部２９とから構成されている。音波発生器２５は、パルサー（Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ社、モデル５０７７ＰＲ）と、このパルサーにより駆動されるポリフッ化ビニリデンからなる超音波振動子により構成されている。パルサーは、パルス幅５０ｎｓの矩形波を、繰り返し周波数１００〜５００Ｈｚで発生した（図１３（ｃ）参照）。超音波振動子と被測定物体２３との距離は、５０〜７０ｍｍであり、媒体としては水を用いた。水中での音速は１５００ｍ／ｓであるので、上記距離の場合には、超音波により被測定物体２３から発生した電磁波は３３から４７μｓ毎に発生することになる。広帯域の水中マイクロフォン
による測定で、超音波は被測定物体２３の位置において、直径２ｍｍの領域に集束していることが分かった。
ループアンテナ２８の出力側には、同調用の２個の可変容量コンデンサが接続されており、同軸ケーブル等の線路を介して小信号増幅器に入力される。図示の場合には、小信号増幅器は、４６ｄＢの電圧利得を有する第１の小信号増幅器、ローパスフィルター、減衰器、４６ｄＢの電圧利得を有する第２の小信号増幅器、減衰器、ダイオードリミッター、５５ｄＢの電圧利得を有する第３の小信号増幅器の順に接続されている。第３の小信号増幅器の出力がデジタルオシロスコープに入力されている。
【実施例２】
【００６３】
第３の小信号増幅器の出力がヘテロダイン検波される以外は、実施例１と同様にして、実施例２の荷電粒子の特性測定装置を製作した。ミキサーとしては、ダブルバランスドミキサーを用いた。
【実施例３】
【００６４】
被測定物体２３として、半導体のＧａＡｓ結晶を用い、実施例１又は実施例２の荷電粒子の特性測定装置により音響誘起電磁波の検出を行なった。
図１４は、実施例３において、被測定物体２３である半導体のＧａＡｓ結晶からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図であり、（ａ）は超音波波形、（ｂ）は実施例１の特性測定装置で得られた波形、（ｃ）は実施例２の特性測定装置で得られた波形を示している。図１４において、横軸は時間（μｓ）を、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。用いたＧａＡｓは厚さが３５０μｍのノンドープ結晶であり、［１１０］軸を入射する超音波の波数ベクトルｋの向きに合わせた。ＧａＡｓは、圧電係数が下記式（７）で表わされる材料である。
【数７】
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従って、ＧａＡｓの縦波の音響モード（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｍｏｄｅ）の波数ベクトルが圧電軸＜１１０＞に平行な場合には、電磁波を発生すると予測される。
図１４（ａ）は通常の超音波エコー信号を示しており、約９．２５ＭＨｚの高周波パルの励起（０μｓ）に対して、８８μｓ遅れて超音波エコーが生じることが分かる。
図１４（ｂ）から明らかなように、ＧａＡｓから発生した電磁波の信号は、上記周期の半分の４４μｓにおいて、つまり、超音波がＧａＡｓに照射された瞬間に生じていることが分かる。この測定は、図１３に示した実施例１の荷電粒子の特性測定装置を用いて行ない、実施例１の小信号増幅器の増幅度を８２ｄＢとし、デジタルオシロスコープの積算は２００パルス（１秒）とした。ＧａＡｓから得られた電磁波のピーク間信号強度（Ｖｐ−ｐ）は６８μＶであった。
図１４（ｃ）から明らかなように、ＧａＡｓから発生した電磁波の信号は、上記周期の半分の４４μｓにおいて、超音波がＧａＡｓに照射された瞬間に生じていることが分かる。この測定は、図１３に示した実施例２のヘテロダイン検波を用いた特性測定装置により行なったもので、図１４（ｃ）で示した場合よりも明瞭な電磁波信号が得られた。
【００６５】
図１５は、被測定物体２３の音響誘起電磁波の検出波形を示す図で、それぞれ、（ａ）がＳｉ結晶、（ｂ）及び（ｃ）が結晶配置の異なるＧａＡｓ結晶の波形を示している。図１５（ａ）〜（ｃ）において、横軸は時間（μｓ）を示し、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。
図１５（ａ）は被測定物体がＳｉの場合であるが信号が検出されないことが分かる。これは、Ｓｉが単元素から半導体であるので、圧電特性を示さないことに起因している。
図１５（ｂ）及び１５（ｃ）は、それぞれ、超音波の波数ベクトルをＧａＡｓ結晶の（１００）面及び（１１０）面に平行となるように配置した場合であり、ＧａＡｓ結晶が超音波により励起されるように配置された場合において、高周波信号が検出できることが分かる（図１５（ｃ）参照）。
【００６６】
図１５の挿入図は、図１５（ｃ）のＧａＡｓ結晶から発生した電磁波信号を、時間軸領域から周波数領域の信号へ変換した波形であり、具体的にはスペクトラムアナライザーで検出した図である。図１５の挿入図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）を、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。
図１５の挿入図から明らかなように、７．６０ＭＨｚの高周波信号が観測された。この高周波信号は、ＧａＡｓの超音波の共振振動波形から発生しており、そのＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒ、電圧上昇比とも言う）は約１０であった。周波数７．６０ＭＨｚは、ＧａＡｓ中の音波の伝播速度である４７３０ｍ／ｓを考慮すると、ＧａＡｓの厚さ３５０μｍに対応する１／２波長の機械共振に基づくものと推定される。
【実施例４】
【００６７】
実施例４として、ブタの肋骨からの音響誘起電磁波の検出を行なった。骨は、主成分が７０％の水酸化アパタイトと２０％の配向したコラーゲンからなる繊維とから構成されている。この内、配向したコラーゲンからなる繊維の圧電係数は下記式（８）で表わされることが知られている。
【数８】
0005460669.tif 000009
被測定物体２３としての骨は２ｍｍ厚さの四角い板状に切り出し、骨の外側の硬い組織及び内側の軟組織を用意した。繊維の軸は板の表面と平行にした。これらの試料は、エタノール溶液で１時間の超音波洗浄を行なった。全ての試料に対して、超音波のベクトルは、繊維の軸に対して垂直方向とした。超音波パルスの繰り返し周波数は５００Ｈｚであり、骨の試料には、水を介して超音波を照射して、電磁波の検出を行なった。小信号増幅器の増幅度を９７ｄＢとし、デジタルオシロスコープで１０分間の信号検出を行なった。
図１６（ａ）は、実施例４のブタの骨の硬組織からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図である。図１６（ａ）において、横軸は時間（μｓ）、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。
図１６（ａ）から明らかなように、ブタの骨の硬組織からの電磁波が検出できることが分かる。同様の測定をブタの骨の軟硬組織について行ない、図１６（ａ）と同様に電磁波波形を検出することができた。従来、骨の圧電係数は、イオンスクリーニングにより水中では著しく減衰するということが報告されていた。しかしながら、実施例４に示すように、水中に配置した骨の試料からの電磁波が検出できることが判明した。これは、イオンスクリーニングがＭＨｚ帯よりも遅い現象であるので、本願発明のように、約１０ＭＨｚ台の高周波パルスを用いた場合には、無視できるからであると推定される。
【実施例５】
【００６８】
実施例５として、木材からの音響誘起電磁波の検出を行なった。木材は、超音波プローブとしてプラスティック管（図１３（ｂ）参照）を伝播させた超音波を木材に照射した。
図１６（ｂ）は、実施例５の木材からの音響誘起電磁波の検出波形を示す図である。図１６（ｂ）において、横軸は時間（μｓ）、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。図１６（ｂ）から明らかなように、木材からの電磁波が検出できることが分かる。この場合、木材の主成分であるセルロースにおいて、セルロース結晶が圧電性を示すので電磁波が生起するものと推定される。
【実施例６】
【００６９】
実施例６として、被測定物体２３をプラスティック材料であるポリプロピレンとした以外は、実施例５と同様にして、音響誘起電磁波の検出を行なった。
図１６（ｃ）は、実施例６のポリプロピレンからの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図１６（ｃ）において、横軸は時間（μｓ）、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。図１６（ｃ）から明らかなように、信号は極めて弱いものの、ポリプロピレンからの電磁波が検出できることが分かる。この場合、ポリプロピレンは圧電性であるが、信号が弱いので、結晶化した粒界（グレイン）から電磁波が発生していると推定される。
【実施例７】
【００７０】
実施例７として、被測定物体をアルミニウムとした以外は、実施例５と同様にして、音響誘起電磁波の検出を行なった。
図１６（ｄ）は、実施例７のアルミニウムからの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図１６（ｄ）において、横軸は時間（μｓ）、縦軸は信号強度（任意目盛）を示している。図１６（ｄ）から明らかなように、アルミニウムからは非常に強い電磁波が検出できることが分かる。アルミニウムの場合には、縦波の音響モードが、ポテンシャル変形の相互作用を介して価電子帯の底を変調し、この作用で伝導電子に変位を繰り返し与えることにより電磁波が発生すると推定される。
【実施例８】
【００７１】
実施例８として、被測定物体を銅とした以外は、実施例５と同様にして、音響誘起電磁波の検出を行なった。その結果、銅からは、アルミニウムと同様に、非常に強い電磁波が検出できることが分かった。
【実施例９】
【００７２】
実施例９として、ＳｒＯ及びＦｅ2 Ｏ3 からなるフェライト磁石からの音波誘起電磁波の検出を行なった。
図１７は、実施例９のフェライト磁石からの音響誘起電磁波の検出波形を示す。図１７において、横軸は時間（μｓ）を、左縦軸は検出された８ＭＨｚの高周波信号強度（任意目盛）を示し、右縦軸は検出された超音波のエコー信号強度（任意目盛）を示している。音波が試料に到達する前の時間領域においては、電磁波のノイズレベルは小さいが、音波が被測定物体に到達後、長時間に亘って電磁波の背景レベルが増大していることがわかる。これは、一度フェライト内部に侵入した音波が、被測定物体内部で反射を練り返していることを示唆している。その結果、音波パルスの照射よりもはるかに長時間に渡って電磁波を放射し続けていると推測される。このように実施例９からは、被測定物体が磁性材料の場合にも、音波誘起電磁波が検出できることが判明した。
【００７３】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
上記説明から理解されるように、本発明の方法及び装置を用いれば、被測定物体に音波を照射し、この被測定物体から発生する電磁波を測定し、電磁波の強度、位相及び周波数特性の何れか又はこれらの組み合わせから、被測定物体の電気特性、磁気特性又は電磁気・機械特性の何れかを測定することができる。
従って、被測定物体の電気特性としては、電場、誘電率、電場又は誘電率の空間勾配、被測定物体の有する荷電粒子における濃度、質量、寸法、形状、荷電数、荷電粒子を囲む媒体との相互作用の何れか、又はこれらの複数の特性値の変化を測定することができる。被測定物体の磁気特性としては、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した磁化、又は、被測定物体の電子スピン又は核スピンに起因した音響磁気共鳴を測定することができる。被測定物体の電磁気・機械特性としては、被測定物体の圧電特性又は磁歪特性を測定することができる。このため、物体中の荷電粒子の濃度、質量、サイズ、形状、荷電数又は荷電粒子を取り囲む媒体との相互作用力の何れか、或いはこれらの複数の特性値の変化を測定することができるので、生体、コロイド溶液、液晶、固体電解質、イオン結晶、半導体、誘電体、金属、磁性体、磁性流体の何れかまたはこれらの複合材料、又は、上記材料からなる構造物または機能デバイスにおけるこれらの特性値の変化が関連した現象の解明に役立てることができる。特に、脳の活動部位の特定に用いれば、極めて高い位置分解能で脳の活動部位を特定できるので、極めて有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１：音波集束ビーム
２：音波集束部分
３：正の荷電粒子
４：負の荷電粒子
５：音波の振動方向
６：音波によって誘起される電磁波
２１：音波誘起電磁波による物体の特性測定装置
２２：電波暗室
２３：被測定物体
２３ａ：音波集束部分
２４：保持台
２５：音波発生器
２６：音波
２７：電磁波
２８：アンテナ（アレイ型アンテナ又はアレイ型コイル）
２８ａ：要素アンテナ
２９，３０，５０，５２，６０，６５，７５，７６：制御・測定・演算部
３１：ＲＦ発振器
３１ａ：ＲＦ信号
３１ｂ：パルス信号
３２：ゲートスイッチ
３３：パルス発生器
３４：増幅器
３５：小信号増幅器
３６：ミキサー
３７：位相調整器
３８：増幅器
３９：ローパスフィルター
４０：デジタルオシロスコープ
４１：パソコン
４２，６２，６８，７８：信号線
４３：音波励起による電磁波の時間緩和波形
５１，６１，７７：ロックインアンプ
５４：広帯域音波パルス
５５，５７：バンドパスフィルター
６６：ゲートパルス
６７：スペクトラムアナライザー
６９：音波発生用パルス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005460669.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
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【図１６】
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【図１３】
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【図１４】
0005460669.tif 000024
【図１５】
0005460669.tif 000025
【図１７】
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