(57)【要約】【課題】生体を傷つけることなくまた無害な方法で、生体内部の正確な温度分布の計測を可能とし、また生体内部の組織の異常を精度高く検出する装置と方法を提供する。【解決手段】電子装置は、所定のパルス信号を発生しパルス信号を電磁波として計測部位１０７の方向に照射する送信部１０１と、計測部位１０７方向からのパルス信号の反射波を受信する受信部１０２と、計測部位１０７から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部１０４と、を含む。【選択図】図１
2012065748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパルス信号を発生し該パルス信号を電磁波として計測部位の方向に照射する送信部と、
前記計測部位方向からの前記パルス信号の反射波を受信する受信部と、
前記計測部位から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部と、
を含むことを特徴とする電子装置。
【請求項２】
前記反射波を受信する前記受信部と前記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
所定のパルス信号を発生し該パルス信号を電磁波として計測部位の方向に照射する送信部と、
前記計測部位方向からの前記パルス信号の反射波を受信する受信部と、
前記反射波から前記計測部位方向に介在する媒質の物理定数の空間分布を算出する空間分布算出部と、
前記計測部位から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部と、
前記信号受信部の帯域ごとの出力と前記空間分布算出部の算出した空間分布から前記計測部位の温度を算出する温度算出部と、
を含むことを特徴とする電子装置。
【請求項４】
前記反射波を受信する前記受信部と前記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することを特徴とする請求項３に記載の電子装置。
【請求項５】
前記所定のパルス信号は、ＵＷＢパルスであることを特徴とする請求項３に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人体内部等、計測部位が深部にある対象の温度を非侵襲的に計測する技術及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
新生児のハイポキシア・イスケミア（低酸素虚血症）に対するハイパーサーミア（温熱療法）では加熱が適正に行われていることを常に監視する必要がある。この場合、脳内に温度計を刺針することはできないので非侵襲的な体温計測（脳内温度計測）が必要となる。また、ハイパーサーミアはがん治療にも使われるが、この場合もがん細胞を狙った加熱が適正になされていることを検出する必要がある。従来はがん細胞近傍へ温度センサーを刺針する方法が一般的であった。この方法は当然ながら、患者に苦痛が伴うために非侵襲的に体内の温度を検出する技術が必要である。ラジオメトリーは万物から放射される微弱な電磁波を捕らえて対象物の温度を算出する技術で宇宙探査や地球資源探査の他に、上記の非侵襲測温のためにも応用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
ラジオメトリーはさらに、体内部の発熱分布の異常を非侵襲で検出し、乳がんなどのがん検診にも応用される（例えば、非特許文献１参照）。測温対象物に電磁波を照射してその透過及び反射波から対象物の誘電率と導電率を算出して、よりラジオメトリーによる測温の精度を高める技術が公開されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、乳がんなどのがん検診を非侵襲的に行う他の方法としてＵＷＢ（Ultra Wide Band）パルスレーダーによって体内の誘電率分布の異常を検出する技術も研究されている（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５１４９１９８号明細書
【特許文献２】米国特許第５９４９８４５号明細書
【特許文献３】特開２００３−２９４５３５号公報
【特許文献４】特開２００７−６１３５９号公報
【特許文献５】特開２０１０−６９１５８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「多周波マイクロ波ラジオメトリーによる生体内温度分布無侵襲計測法に関する研究」大庭弘行  静岡大博士論文  １９９６
【非特許文献２】“Использование микроволновой радиотермометрии в диагностике рака молочной железы” Вайсблат А．В．et al
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ラジオメトリーによる測温は測温対象物から放射される微弱な電磁波を検出して対象物の温度を算出するので測温が無侵襲で行える。しかしながら、微弱な電磁波を受信するために向けたアンテナの方向のすべての電磁波を受信してしまうので対象物周囲の温度分布の影響による計測誤差が避けられない。また深さ方向の温度分布を知ることも困難である。
【０００８】
特許文献３による方法では測温の精度が高められると書かれているが測温対象物の誘電率及び導電率を求める方法が当業者に理解できるようには開示されていない。もし、測温対象物の誘電率及び導電率を求めることができたとしても、導電率及び誘電率の空間分布まではわからないことは明らかである。なぜならば、電磁波照射によって得られる情報は反射波と透過波の強さの２つであるため、２より多い未知数では方程式による解を得ることができないためである。
【０００９】
一方、ＵＷＢパルスレーダーによる生体異常部の検出はＸ線などの放射線を使わないので人体に対してより安全であり、また装置も小さくてすむ、が周囲と誘電率などの電気的特性が異なっていることが検出できるだけでそれががん細胞によるものかということは別に検証する必要がある。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、生体を傷つけることなくまた無害な方法で、生体内部の正確な温度分布の計測を可能とし、また生体内部の組織の異常を精度高く検出する装置と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】
【００１１】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１２】
［適用例１］所定のパルス信号を発生し該パルス信号を電磁波として計測部位の方向に照射する送信部と、前記計測部位方向からの前記パルス信号の反射波を受信する受信部と、前記計測部位から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部と、を含むことを特徴とする電子装置。
【００１３】
これによれば、照射したパルス信号と受信した反射パルス信号の時間差から、対象物及びその前後又は周辺の電気的特性の不連続点を検出できる。生体でいえば誘電率や導電率の異なる皮下脂肪、筋肉、皮膚等の境界の位置（すなわち各々の厚さ）が特定できる。また、体内の深部から放射される放射（電磁波）エネルギーの減衰量も特定できるため信号受信部によって受信した放射エネルギーから減衰量を補正することができラジオメトリーによる測温の精度を高めることが可能となる。さらに信号受信部は複数の周波数帯によって信号を受信する。これによって、周波数帯による生体の減衰量の違いから深部方向の温度分布を計算することも可能となる。また、本発明の上記構成による電子装置をがん検診に応用すればパルス反射波を見ることによって誘電率や導電率の異常部位の発見ができ、さらに該部位からの放射エネルギーを高い精度で検出できるので、そこが活発に活動するがん細胞かどうかの判断をより正確に行うことができるようになる。
【００１４】
［適用例２］上記電子装置であって、前記反射波を受信する前記受信部と前記信号受信部とは、その機能の一部または全部を共用することを特徴とする電子装置。
【００１５】
これによれば、上記反射波を受信する受信部と上記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することができるので、電子装置はラジオメトリーの装置に簡単なパルス発生回路を付加するだけで作ることができ装置のコストを抑えるために非常に効果的である。
【００１６】
［適用例３］所定のパルス信号を発生し該パルス信号を電磁波として計測部位の方向に照射する送信部と、前記計測部位方向からの前記パルス信号の反射波を受信する受信部と、前記反射波から前記計測部位方向に介在する媒質の物理定数の空間分布を算出する空間分布算出部と、前記計測部位から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部と、前記信号受信部の帯域ごとの出力と前記空間分布算出部の算出した空間分布とから前記計測部位の温度を算出する温度算出部と、を含むことを特徴とする電子装置。
【００１７】
これによれば、照射したパルス信号と受信した反射パルス信号の時間差から、対象物及びその前後又は周辺の電気的特性の不連続点を検出できる。生体でいえば誘電率や導電率の異なる皮下脂肪、筋肉、皮膚等の境界の位置（すなわち各々の厚さ）が特定できる。また、体内の深部から放射される放射エネルギーの減衰量も特定できるため信号受信部によって受信した放射エネルギーから減衰量を補正することができラジオメトリーによる測温の精度を高めることが可能となる。さらに信号受信部は複数の周波数帯によって信号を受信する。これによって、周波数帯による生体の減衰量の違いから深部方向の温度分布を計算することも可能となる。また、本発明の上記構成による電子装置をがん検診に応用すればパルス反射波を見ることによって誘電率や導電率の異常部位の発見ができ、さらに該部位からの放射エネルギーを高い精度で検出できるので、そこが活発に活動するがん細胞かどうかの判断をより正確に行うことができるようになる。
【００１８】
［適用例４］上記電子装置であって、前記反射波を受信する前記受信部と前記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することを特徴とする電子装置。
【００１９】
これによれば、上記反射波を受信する受信部と上記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することができるので、電子装置はラジオメトリーの装置に簡単なパルス発生回路を付加するだけで作ることができ装置のコストを抑えるために非常に効果的である。
【００２０】
［適用例５］上記電子装置であって、前記所定のパルス信号は、ＵＷＢパルスであることを特徴とする電子装置。
【００２１】
これによれば、パルス信号はＵＷＢパルスであるため、発生が容易でかつ対象物及びその前後又は周辺の電気的特性の不連続点の検出は、空間分解能が高く正確に行うことができる。これによって測温対象物の温度及び対象物に至る経路又は対象物周辺の温度も特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係る深部体温計を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係る測温対象物を説明する図、及び動作を示すタイム図。
【図３】第１の実施形態に係る測温対象物を説明する図。
【図４】第１の実施形態に係る生体組織の電気的定数を示す図。
【図５】第２の実施形態に係る深部体温計を示すブロック図。
【図６】第２の実施形態に係る測温対象物を説明する図。
【図７】第３の実施形態に係る深部体温計のアンテナを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、電子装置としての深部体温計の具体的な実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る深部体温計を示すブロック図であり、人体内部の体温（深部体温）を計測する測定器のブロック図である。深部体温は通常の腋下や直腸内、口内などで測った体温と違いより正確に生体の情報を反映しているとして、その非侵襲的計測技術が期待されている。代謝率の高い内臓や筋肉の特定部位やがん細胞などの早期発見にも応用できる。
【００２４】
本実施形態に係る深部体温計２は、所定のパルス信号を発生しパルス信号を電磁波として測温対象物（計測部位）１０７の方向に照射する送信部１０１と、測温対象物１０７方向からのパルス信号の反射波を受信する受信部１０２と、反射波から測温対象物１０７方向に介在する媒質の物理定数の空間分布を算出する空間分布算出部１０３と、測温対象物１０７から放射される電磁波信号を複数の帯域に分けて受信する信号受信部１０４と、信号受信部１０４の帯域ごとの出力と空間分布算出部１０３の算出した空間分布とから測温対象物１０７の温度を算出する温度算出部１０８と、アンテナ１０５と、を備えている。
【００２５】
本実施形態に係る深部体温計２は以下のように動作する。まず、送信部１０１は高周波パルスを発生させる。このパルスはアンテナ１０５を通じて生体に向け放射される。図中１０６は生体の内部と外部の境界を示す。アンテナ１０５を通じて放射されたパルス信号は生体内の組織の電気的定数（導電率σ、誘電率ε）の違いにより主に皮膚と皮下脂肪との境界、皮下脂肪と内臓や筋肉との境界で反射される。生体の深部体温としては腹部や頭部が適当である。頭部の場合は脳内温度の計測が可能であり、パルス信号は頭骨での反射が大きい。アンテナ１０５は測温対象物１０７やそこに至るまで、及び測温対象物１０７後方の電気定数の不連続面から反射されたパルス信号を受信する。受信部１０２ではこの信号を後処理が可能なレベルまで増幅する。空間分布算出部１０３はパルスの反射信号の往復時間差や反射パルス信号の位相変化、振幅変化から生体内のσ、εの分布、すなわち空間的な分布情報を算出する。
【００２６】
次に測温対象物１０７からレイリージーンズの法則に従って放射された電磁波はアンテナ１０５を通して受信され受信部１０２によって増幅される。この信号はさらに信号受信部１０４によって複数の帯域に分けて増幅され、信号のエネルギーが取り出される。アンテナ１０５で受信できる電磁波には測温対象物１０７の周辺から放射される電磁波も含まれる。また、測温対象物１０７で放射された電磁波もアンテナ１０５に至るまでの経路で一部吸収されてしまうので、受信できる測温対象物１０７の信号はその一部でしかない。温度算出部１０８は空間分布算出部１０３の算出したσ、εの空間分布とアンテナ１０５で受信した電磁波の強さから測温対象物１０７の温度を算出する。σ、εの空間分布がわかっているので他部位からの信号混入や、目的信号の減衰があっても正しく測温対象物１０７の温度を算出することができる。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る測温対象物１０７を説明する図、及び動作を示すタイム図であり、送信部１０１と空間分布算出部１０３との動作をより詳細に説明する図である。図２（Ａ）は、アンテナ１０５から測温対象物１０７に至るまでの経路構造の例を模擬的に示す図である。アンテナ１０５から放射された電磁波は皮膚２０３、皮下脂肪２０２などから構成される皮下組織を経て、測温対象物１０７である内臓や筋肉に至る。測温対象物１０７はがん細胞等であってもよい。ボーラス２０４はアンテナ１０５と人体との間に置かれるインターフェースで人体表面での反射を少なくするように整合を図る。特に無くても計算は可能である。
【００２８】
図２（Ｂ）は、アンテナ１０５から測温対象物１０７に向けて照射する信号Ｔ、信号Ｔが反射されアンテナ１０５によって受信される信号Ｒ及び信号Ｔと信号Ｒとの相互相関関数Ｃが描かれたタイム図である。信号Ｔは皮膚２０３、皮下脂肪２０２、測温対象物１０７との境界で反射される。それらの境界面では放射方向、反射方向のどちらにも反射透過がおこるので、例えば皮下脂肪２０２と測温対象物１０７との境界と皮下脂肪２０２と皮膚２０３との境界の間で何回も反射が繰り返された後にアンテナ１０５で受信される信号もありえる。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る測温対象物１０７を説明する図である。図２（Ａ）のように一般に測温対象物１０７及びそこに至るまでの経路の構造は３次元的であるが、図３に示すように内部の構造を１次元的配置とすると計算は簡略化できる。ですなわち図２（Ａ）の測温対象物１０７、皮下脂肪２０２、皮膚２０３をそれぞれ平面的な測温対象物１０７、皮下脂肪３０２、皮膚３０３に置き換える。この近似は皮下組織が広い範囲で層状となる腹部などで、実際とモデルがよい一致を示す。腹部や頭部など測温対象物１０７を適当に選べばよい近似で測温が可能である。
【００３０】
信号Ｒと信号Ｔとの相互相関を計算すると図２（Ｂ）の信号Ｔのようにピークが現れる。これらのピークと信号Ｔとの時間差ｔ１、ｔ２、ｔ３はそれぞれ信号Ｔがアンテナ１０５と皮膚２０３、皮下脂肪２０２、測温対象物１０７までの距離を信号が進む時間の２倍となっているのでそれぞれの層の厚さを知ることができる。電磁波の進む速さは媒体の誘電率の平方根に反比例するが損失のある媒体ではさらに遅くなる。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る生体組織の電気的定数を示す図である。人体組織の誘電率や導電率はよく研究されており図４に示すような周波数依存性をもつ。周波数ωの電磁波が誘電率ε、透磁率μ、導電率σの媒体の中を電磁波が進むときその減衰定数αは、
α＝ω［（με／２）｛（１＋（σ／（εω））2）1/2−１｝］1/2  …（１）
また位相定数βは、
β＝ω［（με／２）｛（１＋（σ／（εω））2）1/2＋１｝］1/2  …（２）
媒質が周波数依存性を持つとき、媒質中を電磁波が進む速度は周波数によって変わるためＵＷＢパルスのような帯域の広いパルス信号を照射した場合は媒体を信号が進むにつれてその波形は分散によって広くなる。
媒質中を電磁波が進む位相速度ｖｐは、
ｖp＝ω／β＝２1/2ｃ0／｛εr（１＋（σ／（εω））2）1/2＋１｝1/2  …（３）
ここにεrは比誘電率である。また、誘電率や導電率は周波数依存性をもつので、媒体内を進む間電磁波は分散され、その群速度ｖgは、
ｖg＝ｄω／ｄβ  …（４）
より計算できる。
【００３２】
本実施形態が対象とするような電磁波の周波数帯（マイクロ波領域）においてσ／（εω）を計算すると脂肪層で０．１程度、筋肉や皮膚で０．３程度である。前者の場合、媒体中での波長をλとすると（λ0を真空中の波長としてλ＝λ0／εr1/2）１４λごとに、また後者では３．１λごとに１Ｎｐ（ネーパ）の減衰率となる。また位相速度はどちらもほぼｃ0／εr1/2としてよい（誤差１％以下）。ｃ0は真空中における光速（＝１／（ε0μ0）1/2）である。
以上の計算式と時間差ｔ１〜ｔ３から皮膚２０３の厚さ、皮下脂肪２０２の厚さ、及び測温対象物１０７までの距離を知ることができる。
【００３３】
続いて信号受信部１０４は測温対象物１０７からレイリージーンズの法則に従って放射される電磁波を受信する。アンテナ１０５が受信する信号は測温対象物１０７からの放射のうちアンテナ１０５に達した電磁波エネルギーと測温対象物１０７の周囲及び前後の組織から放射された電磁波エネルギーの合計である。
【００３４】
人体組織の構成を図３に示すような１次元分布、すなわち温度分布や人体組織の熱的、電気的定数はアンテナ１０５から測温対象物１０７に至る直線の方向（以下Ｚ方向という）のみに依存し、そのＺ方向と直角の方向では変わらないものとして近似する。主として内臓や筋肉で発生された熱は皮下脂肪２０２や皮膚２０３を伝わって放熱される。Ｚ軸の座標原点を皮膚２０３の表面に取ると、体内の温度分布はＺの関数としてＴ（Ｚ）と表わすことができる。このように温度分布関数Ｔ（Ｚ）を仮定すると、アンテナ１０５が受信する電磁波エネルギーＥは、
Ｅ＝ｋ0∫Ｗ（Ｚ）Ｔ（Ｚ）ｄＺ  …（５）
と表わすことができる。ここにｋ0はボルツマン定数、Ｗ（Ｚ）はｄＺで発する電磁波エネルギーのうちアンテナ１０５に到達するエネルギーの割合を表わす重み関数である。
【００３５】
アンテナ１０５及び信号受信部１０４はこのエネルギーをいくつかの周波数帯にわたって受信する。温度算出部１０８は各周波数帯の受信エネルギーの強さから温度分布関数Ｔ（Ｚ）を算出し温度分布関数Ｔ（Ｚo）から測温対象物１０７の温度を算出する。ここでＺoは皮膚２０３表面から測温対象物１０７に至るまでの距離である。
【００３６】
温度分布関数Ｔ（Ｚ）及び重み関数Ｗ（Ｚ）は電磁波エネルギーＥとして計測できるのはせいぜい数点の周波数帯であり、完全に決定することはできないので、以下のような近似と仮定によってあらかじめ未知数の少ないモデル関数を設定しておく。未知数の数が測定点数より少ない場合は最小２乗法によってより精度高く温度の計算ができる。
すなわち、Ｔ（Ｚ）は一次元熱流方程式によって、
【００３７】
Ｔ（Ｚ）＝Ｔ0＋ΔＴ1（１−ｅｘｐ（−Ｚ／ａ））  …（６）
又は、
Ｔ（Ｚ）＝Ｔ0＋ΔＴ1（１−ｅｘｐ（−Ｚ／ａ））＋ΔＴ2｛（ｂ／Ｚ）ｅｘｐ（−Ｚ／ｂ）｝  …（７）
あるいは、
Ｔ（Ｚ）＝Ｔ0＋ΔＴ1（１−ｅｘｐ（−Ｚ／ａ））＋ΔＴ2｛ｅｘｐ（−Ｚ／ｂ）−ｅｘｐ（−Ｚ／ｃ）｝  …（８）
のように仮定することができる。ここにＴ0は体表温度、ΔＴ1、ΔＴ2、ａ、ｂ、ｃは未知数である。
【００３８】
なお、図２及び図３のボーラス２０４はアンテナ１０５と皮膚２０３との間に挿入されたインターフェースで、アンテナ１０５と人体との伝送インピーダンスの整合を図り能率よく電磁波が受信できるようにする役割と、必要に応じて人体表面を加温又は冷却しＴ0を設定する役割を持つ。Ｔ0をうまく調節すればより誤差の少ない測定が可能である。
【００３９】
皮下脂肪２０２の厚さなどの人体構造は上記によってわかっているので、上記式（６）〜式（８）は高い精度で仮定することができる。上記３つの式のうちどれを採用するかは、計測の精度と計測にかかる時間の要求仕様による。当然仮定する未知数が多いほど計算時間は長くなるが計測の精度は高くなる。
【００４０】
重み関数Ｗ（Ｚ）は相反定理によりアンテナ１０５から放射された電磁波エネルギーのうちｄＺに到達するエネルギーの割合と同じである。１次元モデルの場合は比較的簡単に求めることができる。ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain：時間領域差分法）などによって計算してもよい。これも皮下脂肪２０２や皮膚２０３の厚さが上記によってわかっているので、より正確に算出が可能である。
【００４１】
本実施形態の上記構成によれば体内の測温に先立ち組織構造を検出するので重み関数Ｗ（Ｚ）や仮定する温度分布関数Ｔ（Ｚ）がより正確にモデル設定できる。これによって体内の温度をより正確に無侵襲で計測することができる。
【００４２】
また、照射したパルス信号と受信した反射パルス信号の時間差から、測温対象物１０７及びその前後又は周辺の電気的特性の不連続点を検出できる。生体でいえば誘電率や導電率の異なる皮下脂肪、筋肉、皮膚等の境界の位置（すなわち各々の厚さ）が特定できる。また、体内の深部から放射される放射エネルギーの減衰量も特定できるため信号受信部によって受信した放射エネルギーから減衰量を補正することができラジオメトリーによる測温の精度を高めることが可能となる。さらに信号受信部１０４は複数の周波数帯によって信号を受信する。これによって、周波数帯による生体の減衰量の違いから深部方向の温度分布を計算することも可能となる。また、本実施形態の上記構成による深部体温計２をがん検診に応用すればパルス反射波を見ることによって誘電率や導電率の異常部位の発見ができ、さらに該部位からの放射エネルギーを高い精度で検出できるので、そこが活発に活動するがん細胞かどうかの判断をより正確に行うことができるようになる。
【００４３】
（第２の実施形態）
図５は、本実施形態に係る深部体温計を示すブロック図である。本実施形態では第１の実施形態に比較し、より正確な側温を行う装置の実施形態を示す。なお、第１の実施形態で説明したものと同じで特に説明を要さない要素については以後同じ番号を付し説明を省略するものとする。
【００４４】
本実施形態に係る深部体温計４は、アンテナ１０５と、ダイクスイッチ４０２と、サーキュレーター４０３と、アイソレーター４０４と、参照雑音源４０６と、低雑音増幅回路４０７と、ミキサー４０８と、局部発振回路４０９と、中間周波増幅回路４１０と、ＡＤ変換回路４１２と、処理回路４１３と、パルス発生回路４１４と、制御部４１５と、パルステンプレート発生回路４１７と、スイッチ４１８と、を備えている。
【００４５】
先ずスイッチ４１８はパルス発生回路４１４とサーキュレーター４０３とを結びパルス発生回路４１４で発生したパルスをダイク（Dicke）スイッチ４０２を通してアンテナ１０５に送る。パルス発生回路４１４で発生したパルスはアンテナ１０５から測温対象物１０７に対して照射される。測温対象物１０７、及びそこに至る経路の電気的定数の不連続点から反射されたパルス信号はアンテナ１０５、ダイクスイッチ４０２、サーキュレーター４０３、アイソレーター４０４を通って低雑音増幅回路４０７に入力され増幅される。低雑音増幅回路４０７で増幅された反射パルス信号はＡＤ変換回路４１２によってＡＤ変換され空間分布算出部１０３にて体内の電磁的な定数の分布が算出される。ＡＤ変換回路４１２の変換速度と分解能は受信信号の波形が以下の計算に必要な精度を確保できなければならない。パルス発生回路４１４で発生するパルスはサブナノ、又はピコ秒程度の非常に幅の狭いパルスであり、このパルス波形を描写できるほどの分解能と変換速度をもつＡＤ変換回路は実現が困難であるが、パルス発生回路４１４に繰り返しパルスを発生させ、サンプリング点を少しずつずらしながら何回もＡＤ変換を行う、又はミキサー４０８によって周波数変換し中間周波増幅回路４１０により増幅及び帯域制限したのちＡＤ変換する等の方法によって必要精度を得ることができる。局部発振回路４０９の発振周波数を変更して、何回か計測すれば、反射パルスの周波数帯全域を複数に分けたデータを得ることができる。周波数ωの電磁波が誘電率ε、透磁率μ、導電率σの媒体の中を電磁波が進むときその減衰定数αは、及び位相定数β、位相速度ｖp、群速度ｖg、はそれぞれ式（１）〜式（４）によって計算できる。
【００４６】
ＦＤＴＤやＦＩＴ（Finite Integration Technique：有限積分法）ではガウシアンパルスのような幅広い帯域のインパルスを波源として差分法によりマックスウェルの方程式を解く。上記のパルス発生回路４１４で発生するパルスをＦＤＴＤやＦＩＴで用いるパルスとするとＦＤＴＤやＦＩＴの計算と全く同様のメカニズムで電磁波が伝播する。アンテナ１０５によって受信される反射波の時間領域の波形も得ることができる。この反射波の帯域ごとの応答、反射率の振幅及び位相によって体表皮までの距離、皮膚２０３のσ、ε、皮膚２０３の厚さｚ、皮下脂肪２０２の厚さｚとσ、ε及び測温対象物１０７のε及びσを求めることができる。μも未知数に入れてもよいが、人体組織の比透磁率が１から大きくずれることは少ないのでどの組織も真空の透磁率を用いることし、未知数を減らす。以下、皮膚ｓ、皮下脂肪ｆ、測温対象ｏの添え字を使って例えば皮膚の厚さはｚs、皮下脂肪のεはεfのように表すことにする。
【００４７】
上記の計算は得られる情報が反射パルス波の波形と受信時間だけであり解析的に上記の未知数を求めるのは困難であるが以下のような方法で未知数を決定することができる。
１．σs、εs、ｚs、σf、εf、ｚf、σo、εoとして、統計などによる経験的な値を代入する。
２．ＦＤＴＤ又はＦＩＴにて、受信パルスの波形ＲSを求める。
３．波形ＲSと受信したパルス波形ＲXを比較しσs、εs、ｚs、σf、εf、ｚf、σo、εoを補正する。
４．２．に戻り繰り返す。波形ＲSとパルス波形ＲXが必要精度で一致したら終わる。
【００４８】
２．においてｚs、ｚfは反射パルスが受信できるまでの時間から、σs、εs、σf、εf、σo、εoは受信した反射パルスの反射率の絶対値と位相から求めることができる。照射パルスの周波数帯域は広いので帯域毎に分割して計算することで上記６つの未知数を求めることができる。通常は未知数の数より方程式の数のほうが多いので最小２乗法などを使ってより正確に未知数を決定してもよいが上記計算は繰り返し行うので面倒な計算は不要である。多くの場合繰り返しは２〜３回で十分である。またε、σは統計的なデータから大きくずれることはない。
【００４９】
上記アルゴリズムに従って計算しても収束しない場合や、未知数が経験値から大きく離れる場合は仮定した一次元構造が間違っていることになる。すなわち癌などの異常組織が生体内に存在する可能性が大きい。このような場合でも、おおよその生体の（異常組織も含めた）構造を知ることができ、さらに続いて測温を行い異常発熱が発見できれば生体の異常である可能性が極めて大きくなる。すなわち癌などの検診に使うことができる。
【００５０】
上記のような方法によってアンテナ１０５から測温対象物１０７に至るまでの経路の電磁波伝播に影響を与える電気的定数の空間的分布を決定することができた。
【００５１】
上記の方法によって測温対象物１０７の構造がわかったので、続いて測温のための信号受信を行う。スイッチ４１８は切り替えられ参照雑音源４０６をサーキュレーター４０３に接続する。ダイクスイッチ４０２は制御部４１５によって制御され典型的には１ｋＨｚ程度の速度で切替えを行う。ダイクスイッチ４０２がアンテナ１０５に接続されたとき、アンテナ１０５で受信した測温対象物１０７及びその周辺からレイリージーンズの法則により発生した放射エネルギーはダイクスイッチ４０２、サーキュレーター４０３、アイソレーター４０４をとおり低雑音増幅回路４０７に入り増幅される。このとき同時に、参照雑音源４０６で発生した雑音はサーキュレーター４０３からダイクスイッチ４０２に入りアンテナ１０５から放射され、アンテナ１０５と生体との間で反射され再びアンテナ１０５に受信される。すなわち、低雑音増幅回路４０７への入力は測温対象物１０７及びその周辺からの放射エネルギーと、参照雑音が人体皮膚で反射された信号の合計である。この信号はミキサー４０８で周波数変換され中間周波増幅回路４１０でさらに増幅されまた帯域制限される。中間周波増幅回路４１０の出力はＡＤ変換回路４１２によってＡＤ変換されたのち処理回路４１３に入力される。
【００５２】
制御部４１５はダイクスイッチ４０２の切替えを行い、ダイクスイッチ４０２はサーキュレーター４０３の入力を接地、又は開放する。参照雑音源４０６で発生した参照雑音はサーキュレーター４０３からダイクスイッチ４０２に入りそこで全反射され、再びサーキュレーター４０３に戻り、アイソレーター４０４を通り低雑音増幅回路４０７に入り増幅される。該信号はミキサー４０８で周波数変換され中間周波増幅回路４１０でさらに増幅されまた帯域制限される。中間周波増幅回路４１０の出力はＡＤ変換回路４１２によってＡＤ変換されたのち処理回路４１３に入力される。
【００５３】
処理回路４１３は入力された信号振幅を自乗して積分を行うが、ダイクスイッチ４０２がアンテナ１０５に接続している間と接地している間で極性を反転させ、それぞれの信号積分値の差を計算するように動作する。
【００５４】
ダイクスイッチ４０２の切替えに同期してそれぞれの信号積分値の差を算出するので受信機の変動による誤差を排除し、また測温対象物１０７及びその周辺からの放射エネルギーがアンテナ１０５に入る際の生体とアンテナ１０５との間での反射の影響を取り除く。処理回路４１３はその出力が０になるように参照雑音源４０６の温度を制御する。この参照雑音源４０６の温度のｋ0倍が測温対象物１０７及びその周辺からの放射エネルギーＥである。放射エネルギーＥは式（５）と同様の式で計算できるが、第１の実施形態のように電磁波が生体内を平面波で進むという近似ではなく、アンテナ１０５の指向性を考慮してより精度の高い重み係数Ｗを計算することもできる。
【００５５】
図６は、本実施形態に係る測温対象物１０７を説明する図であり、重み係数Ｗの計算を説明する図である。同図（Ａ）では微小体積ｄＶ５０１で発生した放射エネルギーがアンテナ１０５に入る様子を示す。アンテナ１０５が受信するエネルギーは、
Ｅ＝ｋ0∫Ｗ（ｒ）Ｔ（ｒ）ｄＶ  …（９）
となる。ここでｒはｄＶの位置を表す位置ベクトルである。Ｗ（ｒ）は第１の実施形態の説明と同様に相反定理によって図６（Ｂ）に示すようにアンテナ１０５からＰactのエネルギーが放射されたとして微小体積ｄＶ５０１に入射するエネルギーの比として求めることができる。上記に説明したとおり、測温対象物１０７までの空間分布を調べるためにＦＤＴＤ又はＦＩＴにより電磁界の分布も計算しているのであわせてＷ（ｒ）も算出できる。
【００５６】
式（９）の受信エネルギーＥをｋ0で除した値がアンテナ１０５から見た生体の輝度温度Ｔiとなる。本実施形態の場合は参照雑音源４０６の温度が生体の輝度温度となるので受信エネルギーＥから計算をする必要はない。Ｔiは局部発振回路４０９の周波数を切り替えることにより異なる周波数帯で複数の値を得ることができる。（Ｔiのインデックスｉは周波数帯の番号を表す。）
【００５７】
Ｔiを用いて上記式（６）〜式（８）で仮定したＴ（ｒ）の未知数を決定しＴ（ｒ）を求めることができる。これによって測温対象物１０７のみでなくそこに至るまでの経路の温度分布を知ることができる。
【００５８】
本実施形態の上記構成によれば体内の測温に先立ち組織構造及びそれを構成する組織の電気的特性を検出するので重み関数Ｗ（ｒ）や仮定する温度分布関数Ｔ（ｒ）がより正確にモデル設定できる。これによって体内の温度をより正確に無侵襲で計測することができる。また、生体内の異常組織（癌など）の検診にも使うことができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
図７は、本実施形態に係る深部体温計のアンテナを示す図である。本実施形態では複数のアンテナ６０１〜６０３を用いる。各アンテナには図１又は図５に示した電子回路が接続されている。電子回路は各アンテナに１つずつ接続してもよいし、スイッチ等で切り替えて１つの電子回路を共用してもよい。図７では例として３つのアンテナを用いる場合を描いているが、３以外の複数のアンテナを使うこともできる。
【００６０】
空間分布算出部１０３において、送信部１０１又はパルス発生回路４１４で発生したパルスはアンテナ６０１〜６０３のうちのどれか１つから放射され測温対象物１０７に向けて照射される。その反射波はアンテナ６０１〜６０３のすべてによって同時に受信される。このようにすると反射パルスは複数のアンテナ間の経路に至る情報を含むので、この反射パルスを解析することにより測温対象物１０７に至る３次元的な構造及び電気的定数の分布を得ることができる。このアルゴリズムは第２の実施形態で説明したものと似た方法を取ればよい。
【００６１】
こうして得られた空間的情報を用いて、熱流方程式によるＴ（ｒ）のモデル関数や重み関数Ｗ（ｒ）をより正確にすることができる。
【００６２】
測温時の測温対象物１０７からの放射エネルギーを受信するのも複数のアンテナ６０１〜６０３によって行えばより正確に生体内の３次元的温度分布を得ることができる。これによってハイパーサーミアの時の非侵襲測温のみでなく、生体内の異常な組織（癌など）の早期発見も可能となる。この方法はＸ線などを使わないのでより安全である。
【００６３】
上記では複数のアンテナ６０１〜６０３それぞれに電子回路が付属するとして説明したが送信部１０１の繋がった１つのアンテナ６０１と信号受信部１０４の繋がったアンテナ６０２の２つとし、それぞれの位置関係が変わるようにアンテナ位置を変えながら測定してもよい。この場合、図５に示す回路においてパルス発生回路４１４はダイクスイッチ４０２、サーキュレーター４０３、スイッチ４１８は省略し直接アンテナ６０１に接続することができる。またアンテナ６０２に接続される電子回路では図５においてパルス発生回路４１４とスイッチ４１８とは省略することが可能である。
【００６４】
本実施形態の上記構成によれば安全かつ正確に生体内組織の温度分布を測定できまた生体内組織に異常があればそれを発見できる。
【００６５】
なお、上記実施形態で反射波を受信する受信部１０２と信号受信部１０４とは、その機能の一部又は全部を共用してもよい。これにより、上記反射波を受信する受信部と上記信号受信部とは、その機能の一部又は全部を共用することができるので、電子装置はラジオメトリーの装置に簡単なパルス発生回路を付加するだけで作ることができ装置のコストを抑えるために非常に効果的である。
【００６６】
また、所定のパルス信号は、ＵＷＢパルスであってもよい。これにより、パルス信号はＵＷＢパルスであるため、発生が容易でかつ対象物及びその前後又は周辺の電気的特性の不連続点の検出は、空間分解能が高く正確に行うことができる。これによって測温対象物の温度及び対象物に至る経路又は対象物周辺の温度も特定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上、本実施形態を生体内部の温度分布を非侵襲で計る場合や生体内の異常な組織の発見の場合を例に説明したが、本実施形態による電子装置は例えば、雪崩や地震による建物崩壊により生き埋めになった生存者の発見や、地下や水面下の資源探査、建築構造物内部の歪発見、材料の傷の発見などにも使うことができる。
【符号の説明】
【００６８】
２，４…深部体温計、１０１…送信部、１０２…受信部、１０３…空間分布算出部、１０４…信号受信部、１０５，６０１，６０２，６０３…アンテナ、１０６…境界、１０７…測温対象物（計測部位）、１０８…温度算出部、２０２…皮下脂肪、２０３…皮膚、２０４…ボーラス、４０２…ダイクスイッチ、４０３…サーキュレーター、４０４…アイソレーター、４０６…参照雑音源、４０７…低雑音増幅回路、４０８…ミキサー、４０９…局部発振回路、４１０…中間周波増幅回路、４１２…ＡＤ変換回路、４１３…処理回路、４１４…パルス発生回路、４１５…制御部、４１７…パルステンプレート発生回路、４１８…スイッチ、５０１…微小体積ｄＶ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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