JP2006132970A - 比吸収率測定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】SAR分布を正確、迅速に測定可能な比吸収率測定システム。
【解決手段】電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムで生体等価ファントムユニットを使用する。該ファントムユニットは、電磁波の吸収を受けるための生体等価ファントムで、内部の複数の被測定点にそれぞれ配置され、生体等価ファントムの誘電率に近い誘電率を有する複数の電気光学結晶と電気光学結晶の各々を外部へ結合するために前記生体等価ファントム内に敷設された複数の光ファイバ等から構成。又、該生体等価ファントムユニットを用いた電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムが提供され、光を出射する光源、光源から出射された光の偏光状態を調整する偏光調整器、偏光調整器から出射された光を各電気光学結晶に順次入射させる光路切替器及び 電気光学結晶から反射されてきた光を検出することにより比吸収率を測定する比吸収率測定ユニットから構成。
【選択図】図４

Description

本発明は、電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムに用いるための生体等価ファントムユニット、該ユニットを用いた比吸収率測定システム及び方法に関するものである。

近年、送信機器から出射される電磁波が人間等の生体に与える熱的作用を定量的に評価する必要が増しており、電磁波が生体に与える作用の指標である比吸収率（Specific Absorption Rate：以下SARと呼ぶ。）を正確かつ迅速に測定するシステムの開発が望まれている。

SARは、以下の式（１）で定義されるように、電界（｜E｜^２）に比例した値であり、人体近傍において例えば携帯電話を使用した際に吸収される電力の評価に主として用いられている。

ここで、σ及びρは生体等価ファントムのそれぞれ導電率［S／m」及び密度［kg/m^３］である。

通常SARを測定する際には、微小ダイポールにより媒質内に生じている電界を検出し、式（１）を用いてSARに変換する（電界測定法）方法が採用されている。

図１に、従来の比吸収率測定システム１００を示す。比吸収率測定システム１００は、液体により人体の電気定数を模擬した疑似人体（以下、ファントムと呼ぶ。）１０１、液体を入れる容器１０２、電界検出用プローブ１０３、プローブ走査装置１０４、信号ケーブル１０５、電界検出装置１０６、測定操作及びデータ解析用のプロセッサー装置１０７から構成される。

図１に示すように、比吸収率測定システム１００の近傍に、携帯電話等の被測定器１０８を配置することにより、ファントム内に発生する電界を測定するものである。プロープ走査装置１０４によって電界検出用プローブ１０３を３次元的に走査してSARを測定する。

図２に、従来の他の比吸収率測定システム２００を示す。比吸収率測定システム２００は、固体により人体の電気定数を模擬したファントム１２１、電界検出用プローブ１２２、信号伝送用ケーブル１２３、電界検出装置１２４、測定操作およびデータ解析用のプロセッサー装置１２５及び走査装置１２６から構成される。

図２に示すように、比吸収率測定システム２００の近傍に、携帯電話等の被測定器１２７を配置することにより、ファントム内に発生する電界を測定するものである。但し、図１の従来例とは異なり、携帯電話１２７を走査装置１２６にて走査してSARを測定する。

いずれの従来例においても、電界検出用プローブ１０３又は１２２を用いる。電界検出用プローブ１０３又は１２２の検出部１１０を図１に右側に詳細に示す。微小ダイポールエレメント１１１，１１２によって検出した電界が、ギャップに挿入されたショットキーダイオード１１３により検波され、高抵抗線１１４を経由して電界検出装置１０６、１２４に電気信号を伝える。２〜５mm程度の導体で形成された微小ダイポールエレメントにより発生する電圧をショットキーダイオードにより検出しているものである。

しかしながら、これらの電界測定法は、上述のように微小ダイポール及び高抵抗線を用いているために被測定電界中に導体が存在し、検出部周辺の電磁界分布が擾乱されるという問題点がある。また、ダイポール長をより小さくすることが困難であることから、周波数が高くなるにつれて擾乱がより大きくなることが予想される。

そこで、上述のような電界検出用プローブ自身による被測定電磁界への擾乱を低減するために、図３に示すような導波路型光変調器とレーザ光を利用した電界センサが開発されている。

図３に示す電界センサ３００は、レーザ光源１３１、電界プローブ１３２、導波路型光変調器１３３、金属からなる微小ダイポール１３４、受光部１３５から構成される。

電界センサ３００は、微小ダイポール１３４以外は全て誘電体材料で構成されているため、高抵抗線を有する上述の電界検出法に比べて高精度に電界を計測することが可能である。

上述の電界センサ３００のように導波路型光変調器及びレーザ光を用いた電界測定法は、微小ダイポールを用いているため、高抵抗線を用いた電界測定法に比べて擾乱は小さくなるが、検出部周辺の電磁界分布が擾乱を受けるという問題点がある。また、液体ファントム内のSAR測定においては電界検出用プローブ又は電界センサを３次元走査するために、ファントム溶剤が撹拌され、プローブの振動による雑音が生じる。この雑音を取り除くために溶剤が定常状態に落ち着くまでの時間を設けると測定に多大な時間を要してしまう。測定時間を短縮するために、ファントム内に複数の電界センサを２次元又は３次元に配置すると、複数の微小ダイポールの集合体が被測定電磁界にとって導体として振る舞い、大きな擾乱となってしまう。その結果、実際とは全く異なるSAR分布を計測する可能性があって問題である。

本発明は、上述した問題を解決するものであり、SAR分布を正確かつ迅速に測定することができる比吸収率測定システム及び方法を提供し、またそのために適した生体等価ファントムユニットを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一特徴に従った、電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムで用いるための生体等価ファントムユニットは、 電磁波の吸収を受けるための生体等価ファントム； 生体等価ファントム内の複数の被測定点にそれぞれ配置され、生体等価ファントムの誘電率に近い誘電率を有する複数の電気光学結晶； 電気光学結晶の各々を外部へ結合するために生体等価ファントム内に敷設された複数の光ファイバ； から構成される。

このような生体等価ファントムユニットにおいて、光ファイバの表面に高誘電率材料を適用しても良い。

本発明の他の特徴に従った、上記のような生体等価ファントムユニットを用いた電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムは、 光を出射する光源； 光源から出射された光の偏光状態を調整する偏光調整器； 偏光調整器から出射された光を各電気光学結晶に順次入射させる光路切替器；及び 電気光学結晶から反射されてきた光を検出することにより比吸収率を測定する比吸収率測定ユニット； から構成される。

本発明の他の特徴に従った、電磁波の照射を受ける生体等価ファントムを用いた電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定方法は： 生体等価ファントムに近い誘電率を有する複数の電気光学結晶を前記生体等価ファントム内の複数の被測定点に配置する段階； 光源から出射された光を、偏光状態を調整した後、光路切替器によって各電気光学結晶へ順次的に入射させる段階； 電気光学結晶内に入射した光を反射させる段階； 電気光学結晶から反射されてくる光を検光子へ導く段階； 検光子を通過した光を光検出器で電気信号に変換し、比吸収率を導出する段階； から構成される。

上記の比吸収率測定方法において、光学結晶内に入射した光を反射させる段階が、光学結晶において光が入射した面に対向する面に設けられた誘電体反射膜によって光が反射される段階から成っていてもよい。

上記の比吸収率測定方法において、光路切替器と各前記電気光学結晶とを光ファイバで接続し、光ファイバを光路切替器により選択することにより、光を各電気光学結晶へ順次入射させるようにしてもよい。

さらに、上記の比吸収率測定方法において、光ファイバの表面に高誘電率材料を適用することにより、光ファイバの等価誘電率を生体等価ファントムの誘電率に実質的に等しくするようにしてもよい。

本発明においては、電界検出部を非金属で構成しているため、従来技術において生じていたような擾乱を除去してSAR分布を測定することが可能である。また、センサヘッドとしてファントムに近い誘電率を有する電気光学結晶を用いることにより、誘電率の差による反射を低減し、より正確なSAR分布を測定することが可能である。さらに、測定における空間分解能は電気光学結晶を透過する光のビーム径に比例するため、原理的には空間分解能を光の波長（数μm）まで小さくすることが可能である。さらに、被測定点における電気光学結晶の屈折率変化は電磁波に追従する双極子（ダイポール）の偏りに起因するため、MHz帯からTHz帯まで広帯域なSAR測定が可能である。

本発明に従えば、ファントムに近い誘電率を有する電気光学結晶を用いることにより、界面反射による電気光学結晶内の電界の低下を低減するだけでなく、界面反射による電気光学結晶周辺の電磁界への影響を低減することが可能となる。従って、本発明の実施形態に従った比吸収率（SAR）測定システムを用いることにより、正確な比吸収率（SAR）分布を得ることが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。図面中、同一の機能を有する部材については同一の参照符号を付し、重複的な説明を省略した。

図４は、本発明の実施形態に従った比吸収率（SAR）測定システムのブロック図である。比吸収率測定システム４０の生体等価ファントムユニット４２は、液体、ゲル、固体等から構成した人体の電気定数を模擬した疑似人体（ファントム）１と、ファントム１に近い誘電率を有する電気光学結晶３と、ベアファイバ１０とから構成されている。

比吸収率測定システム４０はさらに、携帯電話等の被測定電磁波発生器２と、DFB−LD等の直線偏光光源４と、偏波保持ファイバ（PMF）５と、サーキュレータ６と、１／４波長板や１／２波長板から構成される偏光調整器７と、シングルモードファイバ（SMF）８と、MEMS技術やPLC技術により形成される光路切替器９と、比吸収率測定ユニット４４とから構成されている。

比吸収率測定ユニット４４は、検光子１１と、光検出器１２と、電気信号線１３と、信号処理部１４と、SAR分布画像表示器１５とから構成されている。

比吸収率測定システム４０は、図４に示すように、ファントム１の近傍に配置された被測定電磁波発生器２によりファントム１内に発生する電界を電気光学結晶３を用いて測定するためのシステムである。

直線偏光光源４から出射された直線偏光を偏波保持ファイバ（PMF）５によりサーキュレータ６を経由して偏光調整器７へ伝搬される。偏光調整器７は、入射してきた直線偏光を特定の偏光状態に調整して出射する。

その特定偏光状態は、ファントム１内に配置した電気光学結晶３の結晶軸と被測定電磁波発生器２から出射される電界の振動方向によって決定される。例えば、閃亜鉛鉱型結晶であるCdTeを用いてｙ軸に対して平行に振動する電界を検出する場合には、CdTeの結晶面である（００１）、（１００）、（０１０）面をそれぞれｙ、ｘ、ｚ軸に対して、又はｙ、ｚ、ｘ軸に対して垂直に配置し、直線偏光又は楕円偏光の偏光軸がｘ軸又はｚ軸に平行になるように、偏光調整器７を調整する。

偏光調整された光は、シングルモードファイバ（SMF）８により伝搬され、光路切替器９によって各電気光学結晶３へ順次入射される。

入射された光は電気光学結晶３の入射面と相対する面に設けられた誘電体反射膜により反射され、入射経路を逆行する。光が電気光学結晶内で入射経路を逆行するとき、印加されている電界強度の１乗に比例した屈折率変化（ポッケルス効果）により特定の偏光成分の間に位相差が生じ、偏光状態が変更（偏光変調）される。

上記の例のようにCdTeを配置した場合には、ｘ軸とｚ軸に平行な偏光成分間に、次式で表される位相差Γが生じる。

ここで、λ、ｎ_０、ｒ_４１、Ｅ及びｄはそれぞれ、入射光の波長［m］、電気光学結晶３の屈折率、ポッケルス定数［m／V］、電界強度［V／m］及び電界の振動方向の電気光学結晶３の長さ［m］である。

反射され偏光変調された光は光路切替器９、偏光調整器７を経由して、サーキュレータ６により検光子１１へ分岐される。分岐された光の変調成分を検光子１１で取り出し、光検出器１２により電気信号へ変換する。電気信号の振幅は被測定電磁波の電界強度に比例する。電気信号の振幅は、信号処理器１４によりSARへ変換され、位置情報を付帯してSAR分布画像表示器１５によりSAR分布を表示することができる。

比吸収率（SAR）は電界測定法によって式（１）で定義されているが、本実施形態に従った比吸収率測定システム４０を用いることにより式（１）、（２）からSARを次式で定義することができる。

ここで、Ｋは電気光学結晶３の結晶軸と被測定電磁波発生器２から出射される電界の振動方向によって決定される定数である。上述の例のようにCdTeを配置した場合には、Ｋを次式で表すことができる。

同様に、閃亜鉛鉱型結晶であるCdTeを用いてｘ（又はｚ）軸に対して平行に振動する電界を検出する場合には、CdTeの結晶面である（１１０）、（１（１バー）０）、（００１）面をそれぞれｘ（ｚ）、ｙ、ｚ（ｘ）軸に対して垂直に配置し、直線偏光又は楕円偏光の偏光軸がｘ（ｚ）軸に平行になるように偏光調整器７を調整する。この場合，ｘ軸とｚ軸に対して４５°傾いた偏光成分間に、次式で表される位相差（Γ）が生じる。

ここで、ｌは光が通過する方向の電気光学結晶３の長さ［m］である。また、ＳＡＲを式（３）で定義すると、係数Ｋは次式のように表すことができる。

本実施形態に従った比吸収率測定システム４０においては、電界検出部を誘電体材料で構成しているため、従来の電界測定法において問題となっていた微小ダイポールの集合体に起因する被測定電磁界への擾乱を取り除くことができる。ファントム１の比誘電率はARIBで規定されている。電気光学結晶３の種類によっては誘電率の差により界面において電磁波の反射（フレネル反射）が生じてしまうが、この反射は微小ダイポールの集合体による擾乱に比較すれば大変小さい。

図６は、電気光学結晶３において電磁波の吸収が存在しない場合の界面における反射を考慮した電気光学結晶３内の電界強度を示したグラフである。計算においては電磁波が半無限の電気光学結晶３へ垂直に入射するモデルを仮定し、ファントムの比誘電率としてはARIBで規定されている１４５０MHzにおける値（４０．５）を用いている。計算の結果，上述の例で用いたCdTeの場合には，約１０％の反射を考慮して測定された電界を補正することにより真値を得ることができることが分かった。また、反射による被測定電磁界への影響は電気光学結晶３の占有する面積比率に比例すると考えられる。SAR測定における最小空間分解能は１ｍｍであり、電気光学結晶３の最小加工寸法は１００μｍ以下であることから、１ｍｍ^２あたりの反射率を面積比率で換算すると１／１００の約１％となり、ほぽ無視できる大きさになる。ファントムの誘電率に近い値を有するLN、LT、KD＊P等の電気光学結晶を用いることにより、補正を行わずにSARを測定することも可能である。表１にLN、LT、KD＊Pの電気特性と反射による測定電界の誤差を示す。

同様の理由により、電気光学結晶３と光路切替器９を接続するベアファイバ１１においても約２８％の反射が発生し、被測定電磁界に対して擾乱となる可能性がある。通常のベアファイバの直径は被覆層を含めて２５０μmであり、１mm^２の測定断面あたりの反射率は１／１６（約１．８％）である。被覆層は低温における耐マイクロベンド特性を考慮して形成されているが、本実施形態のシステムにおけるベアファイバ１０はファントム１に覆われているため、被覆層の無い８０μm径のクラッドファイバを使用することが可能である。そのようなクラッドファイバを用いることにより、１mm^２あたりの反射率を０．２％以下とすることができる。

図５のようにｙ軸方向にＮ個の電気光学結晶３を配列した場合、光路切替器９側における１mm^２あたりのベアファイバ１０の本数はＮ本となり、１mm^２あたりの反射率は０．２×Ｎ％以下となる。許容する反射率を１０％以下に設定すると、ｙ軸方向に配列できる電気光学結晶３の個数は５０個となり、１mm間隔で配列すると電気光学結晶３をｙ軸方向に配列できる長さは５０mmである。頭部を模擬したファントムの大きさは３００mm角程度であるため、光路切替器９側の反射が大変大きくなる可能性がある。

これに対して、ベアファイバ１０の表面に誘電率の大きな材料を塗布し、等価誘電率をファントムと等しくすることにより、電磁波の反射を防ぐことが可能である。主軸方向や焼結温度により比誘電率を４０―１２０まで調整できるため、ガラスの軟化温度（約１５００℃）よりも低い焼結温度を有するTiO_２やBaTiO_３は塗布材料として適している。

従来の比吸収率測定システム１００の概略図である。 従来の他の比吸収率測定システム２００の概略図である。 従来の導波路型光変調器とレーザ光を利用した電界センサの概略図である。 本発明の実施形態に従った比吸収率（SAR）測定システムのブロック図である。 本発明の実施形態に従ったファントム近傍の斜視図である。 比誘電率差による電気光学結晶内の電界強度の誤差を示すグラフである。

符号の説明

１ 疑似人体（ファントム）
２ 被測定電磁波発生器
３ 電気光学結晶
４ 直線偏光光源
５ 偏波保持ファイバ（PMF）
６ サーキュレータ
７ 偏光調整器
８ シングルモードファイバ（SMF）
９ 光路切替器
１０ ベアファイバ
１１ 検光子
１２ 光検出器
１３ 電気信号線
１４ 信号処理部
１５ SAR分布画像表示器
４０ 比吸収率測定システム
４２ 生体等価ファントムユニット
４４ 比吸収率測定ユニット

Claims (7)

1. 電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムで用いるための生体等価ファントムユニットであって：
   電磁波の吸収を受けるための生体等価ファントム；
   該生体等価ファントム内の複数の被測定点にそれぞれ配置され、前記生体等価ファントムの誘電率に近い誘電率を有する複数の電気光学結晶；
   該電気光学結晶の各々を外部へ結合するために前記生体等価ファントム内に敷設された複数の光ファイバ；
   から構成される生体等価ファントムユニット。
2. 請求項１に記載の生体等価ファントムユニットであって：
   前記光ファイバの表面に高誘電率材料を適用したことを特徴とする生体等価ファントムユニット。
3. 請求項１に記載の生体等価ファントムユニットを用いて、電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定システムであって：
   光を出射する光源；
   該光源から出射された光の偏光状態を調整する偏光調整器；
   偏光調整器から出射された光を各前記電気光学結晶に順次入射させる光路切替器；及び
   前記電気光学結晶から反射されてきた光を検出することにより比吸収率を測定する比吸収率測定ユニット；
   から構成される比吸収率測定システム。
4. 電磁波の照射を受ける生体等価ファントムを用いて、電磁波エネルギーの吸収を評価する比吸収率測定方法であって：
   前記生体等価ファントムに近い誘電率を有する複数の電気光学結晶を前記生体等価ファントム内の複数の被測定点に配置する段階；
   光源から出射された光を、偏光状態を調整した後、光路切替器によって各前記電気光学結晶へ順次的に入射させる段階；
   前記電気光学結晶内に入射した光を反射させる段階；
   前記電気光学結晶から反射されてくる光を検光子へ導く段階；
   該検光子を通過した光を光検出器で電気信号に変換し、比吸収率を導出する段階；
   から構成される比吸収率測定方法。
5. 請求項４記載の比吸収率測定方法であって：
   前記光学結晶内に入射した光を反射させる段階が、前記光学結晶において光が入射した面に対向する面に設けられた誘電体反射膜によって光が反射される段階から成る；
   ことを特徴とする比吸収率測定方法。
6. 請求項５記載の比吸収率測定方法であって：
   前記光路切替器と各前記電気光学結晶とを光ファイバで接続し、該光ファイバを光路切替器により選択することにより、光を各前記電気光学結晶へ順次入射させることを特徴とする比吸収率測定方法。
7. 請求項６記載の比吸収率測定方法であって：
   前記光ファイバの表面に高誘電率材料を適用することにより、前記光ファイバの等価誘電率を前記生体等価ファントムの誘電率に実質的に等しくすることを特徴とする比吸収率測定方法。

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