JP7447990B2 - 誘電分光測定装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、微量な液体試料の複素誘電率を測定する誘電分光測定装置および方法に関する。
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は、血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。このため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。
非侵襲な成分濃度測定としては、マイクロ波-ミリ波帯の電磁波を用いた技術が提案されている。この技術は、近赤外光などの光学的な測定と比べ、生体内での散乱が少ない、1フォトンの持つエネルギーが低い、などの利点がある。マイクロ波-ミリ波帯の電磁波を用いた例として、例えば、非特許文献1に示される共振構造を用いた測定技術がある。この技術では、アンテナや共振器などのQ値の高い測定デバイスと測定試料を接触させ、共振周波数周辺の周波数特性を測定する。共振周波数は、測定デバイスの周囲の複素誘電率により決定されるため、共振周波数のシフト量と成分濃度との間の相関を予測することにより、共振周波数のシフト量から成分濃度を推定する。
マイクロ波-ミリ波帯の電磁波を用いた他の測定技術としては、特許文献1に示す誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象である血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅および位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅および位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。
誘電緩和スペクトルは、一般的には、Cole-Cole式に基づいて緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロールなどの血液成分の量に複素誘電率は相関があり、この変化に対応した電気信号(振幅、位相)として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを作成し、計測した誘電緩和スペクトルの変化と検量モデルとの比較から成分濃度の検量を行う。いずれの測定技術を用いる場合でも、対象となる成分と相関の強い周波数帯を選定することにより測定感度の向上が期待できるため、予め広帯域な誘電分光により誘電率の変化を測定しておくことが重要となる。
誘電分光法の中でも、非特許文献2に示すような同軸プローブ(Open-ended coaxial probe、または Open-ended coaxial line)を用いた技術は、測定器の校正に水などの入手が容易な試料を用いることができる。また、この測定技術では、材料の特殊な加工を必要とせず、プローブ端面に被測定試料を接触させることで測定試料の誘電率を測定することが可能である。これらのことにより、非特許文献2に示されている同軸プローブを用いた測定技術は、生体や土壌などの加工が困難な試料の測定に適している。
特開2013-032933号公報
M. Hofmann et al., "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 5, pp. 2195-2204, 2013. J.P. Grant, "A critical study of the openended coaxial line sensor technique for RF and microwave complex permittivity measurements", Journal of Physics E: Scientific Instruments, vol. 22, pp. 757-770, 1989.
しかしながら、従来の同軸プローブを用いた測定は、被測定物質が十分厚いという条件下において正確に誘電率を測定するものであり、測定対象が薄い場合、測定対象の厚さが既知でなければ誘電率が測定できない。また、測定対象が、多層となっている場合、測定対象の一部の誘電率などが既知でなければ、誘電率が測定できない。
例えば、果実の糖度分析や生体内グルコース濃度推定などの非侵襲な生体成分応用を考える場合、多くの場合、同軸プローブが接触する部位は、少なくとも、水分を保持するためのバリア層と水分を多く含む生体内部の層からなる2層構造であると考えられる。このような場合、バリア層の影響を抑制し、生体内部の誘電率や誘電率情報から推定される成分濃度が算出できることが望ましい。しかしながら、生体内部の材料誘電率やバリア層の厚さを予め計測しておくことは困難であり、従来の同軸プローブを用いた技術では、正確な測定ができないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、同軸プローブを用いた誘電分光法で、多層となっている測定対象の測定が正確に実施できるようにすることを目的とする。
本発明に係る誘電分光測定装置は、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とする第1プローブと、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とし、第1プローブより侵入長が長い第2プローブと、第1プローブを用いた測定対象物の測定結果、および第2プローブを用いた測定対象物の測定結果により、第1プローブの侵入長より薄い表層側の第1媒質と、第1媒質より深層側の第2媒質とが積層されている測定対象物の第2媒質の誘電率を求める測定器とを備える。
本発明に係る誘電分光測定方法は、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とする第1プローブと、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とし、第1プローブより侵入長が長い第2プローブとを用いた誘電分光法により、第1プローブの侵入長より薄い表層側の第1媒質と、第1媒質より深層側の第2媒質とが積層されている測定対象物の第2媒質の誘電率εsを求める誘電分光測定方法であって、第1プローブを用いた測定対象物の測定により第1媒質の誘電率実測値を求め、第2プローブを用いた測定対象物の測定により第2プローブの検出端におけるアドミタンスの実測値Ymeasuredを求める第1ステップと、第1媒質の誘電率ε1、誘電率εsを用いた第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデルを用い、誘電率ε1を誘電率実測値とし、誘電率εsを変数として、第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデル値Ymodelを求める第2ステップと、実測値Ymeasuredとモデル値Ymodelとが等しくなる誘電率εsを求める第3ステップとを備える。
以上説明したように、本発明によれば、第1プローブと、第1プローブより侵入長が長い第2プローブとを用いるので、同軸プローブを用いた誘電分光法で、多層となっている測定対象の測定が正確に実施できる。
図1は、本発明の実施の形態に係る誘電分光測定装置の構成を示す構成図である。 図2Aは、本発明の実施の形態に係る他の誘電分光測定装置の一部構成を示す側面図である。 図2Bは、本発明の実施の形態に係る他の誘電分光測定装置の一部構成を示す底面図である。 図3は、各プローブの測定対象物150の方向の電界強度の減衰率を示す特性図である。 図4は、測定対象物150のモデル構成を説明するための説明図である。 図5は、本発明の実施の形態に係る誘電分光測定方法を説明するフローチャートである。 図6は、本発明の実施の形態に係る誘電分光測定方法で測定した結果を示す特性図である。
以下、本発明の実施の形態に係る誘電分光測定装置について図1を参照して説明する。この誘電分光測定装置は、第1プローブ101、第2プローブ102、測定器103を備える。
第1プローブ101は、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端101aとしている。第2プローブ102は、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端102aとしている。また、第2プローブ102は、第1プローブ101より侵入長が長い。これらプローブにより、測定対象物150の誘電率を電気信号として測定する。
測定器103は、第1プローブ101を用いた測定対象物の測定結果、および第2プローブ102を用いた測定対象物の測定結果により、第1プローブ101の侵入長より薄い表層側の第1媒質151と、第1媒質151より深層側の第2媒質152とが積層されている測定対象物150の第2媒質152の誘電率を求める。
第1プローブ101は、外導体111と内導体112とを備える同軸線路から構成され、外導体111と内導体112との間は、フッ素樹脂などから構成された誘電体層113で充填されている。第1プローブ101により、検出端101aにおいて測定対象物150に接触する、外導体111と内導体112との間に生じる漏洩電磁界を利用することで、測定対象物150のインピーダンス、アドミタンスなどの電気的特性が測定できる。
また、第1プローブ101の検出端102aには、例えば、フリンジ114を形成することができる。円柱状の第1プローブ101の端部に、円板状のフリンジ114を設けることができる。フリンジ114は、外導体111に形成されている。フリンジ114の同軸線路の導波方向に垂直な方向の面は、例えば、検出端101aからの漏洩電界の電界強度が、最大値の1%以下となる領域より広くされている。
第2プローブ102は、外導体121と内導体122とを備える同軸線路から構成され、外導体121と内導体122との間は、フッ素樹脂などから構成された誘電体層123で充填されている。内導体122の外径は、内導体112の外径より大きいものとされている。第2プローブ102により、検出端102aにおいて測定対象物150に接触する、外導体121と内導体122との間に生じる漏洩電磁界を利用することで、測定対象物150のインピーダンス、アドミタンスなどの電気的特性が測定できる。
また、第2プローブ102の検出端102aには、例えば、フリンジ124を形成することができる。円柱状の第2プローブ102の端部に、円板状のフリンジ124を設けることができる。フリンジ124は、外導体121に形成されている。フリンジ124の同軸線路の導波方向に垂直な方向の面は、例えば、検出端102aからの漏洩電界の電界強度が、最大値の1%以下となる領域より広くされている。
また、図2A、図2Bに示すように、第1プローブ101,第2プローブ102は、共通のフリンジ104に集積することもできる。このように共通のフリンジ104に第1プローブ101と第2プローブ102とを集積することで、両者の測定領域(検出端101a,検出端102a)を近づけることができる。このように構成することで、不均質な材料や測定領域の狭い材料などの測定が可能となる。
測定器103は、第1処理部131、第2処理部132、第3処理部133、高周波測定部134、および表示部135を備える。高周波測定部134は、任意の範囲で周波数を掃引して電磁波を発生して、第1プローブ101、第2プローブ102に供給する。また、高周波測定部134は、第1プローブ101、第2プローブ102の各々において、測定対象物150に電磁波が吸収された状態において、電磁波の振幅および位相を測定(観測)する。
なお、高周波測定部134は、例えば、ベクトルネットワークアナライザである。また、高周波測定部134は、市販されているインピーダンスアナライザやLCRメータなどを用いることができる。
第1処理部131は、まず、測定対象物150の第1プローブ101を用いた測定により高周波測定部134で測定された測定結果より、第1媒質151の誘電率実測値を求める。また、第1処理部131は、第2プローブ102を用いた測定対象物150の測定により高周波測定部134で測定された測定結果より、第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスの実測値Ymeasuredを求める。
第2処理部132は、第1媒質151の誘電率ε1、第2媒質152の誘電率εsを用いた第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスのモデルを用い、誘電率ε1を誘電率実測値とし、誘電率εsを変数として、第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスのモデル値Ymodelを求める。
第3処理部133は、実測値Ymeasuredとモデル値Ymodelとが等しくなる誘電率εsを求める。表示部135は、第3処理部133で求められた結果を表示する。
次に、実施の形態に係る誘電分光測定装置について、より詳細に説明する。
同軸線路の特性インピーダンスは、以下の式(1)で示される。式(1)において、Z0は同軸線路の特性インピーダンス(Ω)、εrは同軸線路における誘電体層の比誘電率を示すパラメータ、aは内導体の外径の半径、bは外導体の内径の半径である。また、同軸線路のカットオフ周波数は、以下の式(2)で示される。式(2)において、fcはカットオフ周波数、vは光速である。
Figure 0007447990000001
例えば、測定器103の高周波測定部は、一般的に特性インピーダンスが50Ω、あるいは75Ωとなるよう設計されている。このため、測定周波数の上限がカットオフ周波数fc以下とならず、かつ特性インピーダンスが上記を満たすように、パラメータa、b、εrを設計する。例えば、測定周波数の上限が50GHz、特性インピーダンス50Ω、外導体と内導体との間の誘電体層がフッ素樹脂(εr≒2.2)の場合、aは0.175mmとし、bは0.8mm、とする。
第1プローブ101および第2プローブ102の特性インピーダンスは、同値となるように設計する一方で、内導体122の外径は、内導体112の外径より大きいものとなるように設計する。すなわち、第1プローブ101および第2プローブ102は、式(3)を満たす構造となる。なお、式(3)において、各変数の数字は第1プローブ101、第2プローブ102を意味する。
Figure 0007447990000002
例えば、測定周波数の上限が50GHz、特性インピーダンス50Ω、誘電体層の材料がフッ素樹脂(εr≒2.2)の場合、a1、b1、a2、b2はそれぞれ0.175mm、0.8mm、0.33mm、1.5mmとする。なお、実施の形態においては、a1<a2、b1<b2であり、第2プローブ102の方が開口は広く、カットオフ周波数は低いものであるとする。このとき、各プローブの測定対象物150の方向の電界強度の減衰率は、図3の通りである。図3において、点線が第1プローブ101の特性を示し、破線が第2プローブ102の特性を示す。図3に示すように、第2プローブ102の方がより深くまで侵入する。
ここで、第1処理部131は、高周波測定部134により測定されたインピーダンス、アドミタンス、反射係数などから、測定対象物150の誘電率を計算する。例えば、予め誘電率が分かっている3つの第1基準物質,第2基準物質,第3基準物質を用い、以下の式(3)および式(4)などを用い、測定対象物150の誘電率を算出する。
Figure 0007447990000003
ここで、ρ1は、第1基準物質を測定した結果得られる反射係数、ρ2は、第2基準物質を測定した結果得られる反射係数、ρ3は、第3基準物質を測定した結果得られる反射係数である。また、ρ4は、対象物質を測定した結果得られる反射係数である。
また、y1は誘電率がε1である第1基準物質を測定した結果得られるアドミタンスの線形写像、y2は誘電率がε2である第1基準物質を測定した結果得られるアドミタンスの線形写像、y3は誘電率がε3である第1基準物質を測定した結果得られるアドミタンスの線形写像である。また、y4は誘電率がε4である測定対象物150を測定した結果得られるアドミタンスの線形写像である。G0は、各プローブの中で、検出端より外部に出ている部分の特性インピーダンスを指す。
誘電率が既知な第1基準物質、第2基準物質、第3基準物質を校正標準として用いることにより,測定対象物150の誘電率を算出する。校正標準としては,空気、固体、液体金属、水、また、アルコールなどの有機溶媒などを用いる。
ここで、実施の形態に係る誘電分光測定装置(第2処理部132)は、測定対象物150の測定により求める実効誘電率を、図4に示すように、2種の誘電体151a,誘電体152aからなる材料としてモデルを構成する。図4において、dp1は第1プローブ101の侵入深さ,dp2は第2プローブ102の侵入深さである。この侵入深さは、図3における電界強度が一定の値、例えば10%~30%のいずれかの値まで減衰するまでの距離である。ε1は、第1プローブ101の測定による実測値である。また、εsは、図1における第2媒質152の誘電率である。なお、一般的な同軸プローブ法では、測定対象物150の実効誘電率は、測定された誘電率で一様な材料の誘電体であるとみなす。
上述した2種の誘電体からなる2層媒質を測定する場合のアドミタンスのモデルは、例えば、以下の式(6)で示すことができる(参考文献1参照)。
Figure 0007447990000004
式(6)において、εcは同軸線路の絶縁体の誘電率、k0は測定周波数における波数、ε1、γ1は、表層側の誘電体の誘電率および伝搬定数、εs、γsは、深層側の誘電体の誘電率および伝搬定数,J0(x)は0次ベッセル関数、ζは、ハンケル変換に伴う変数である。また、第1プローブ101の侵入深さdp1は第1媒質151の厚さよりも厚くなるように設計する。これにより、表層である第1媒質151の誘電率および厚さの影響は、第1プローブ101の測定による誘電率ε1に包含されるため、図4Aに示す実効誘電率モデルにおける誘電体152aは、第2媒質152の誘電率と等しものとして扱うことできる。
なお、上述した2種の誘電体からなる2層媒質を測定する場合のアドミタンスのモデルは、例えば、以下の式(7)で示すこともできる(参考文献1参照)。なお、式(7)において、Mは、同軸プローブの強度の減衰率である。また,評価関数は(8)式を用いる。εmeasは、測定される実効誘電率である。
Figure 0007447990000005
次に、本発明の実施の形態に係る誘電分光測定方法について、図5を参照して説明する。この測定方法は、第1プローブ101と、第2プローブ102とを用いた誘電分光法により、第1プローブ101の侵入長より薄い表層側の第1媒質151と、第1媒質151より深層側の第2媒質152とが積層されている測定対象物の第2媒質152の誘電率εsを求める方法である。
まず、ステップS101で、測定面となる測定対象物150(第1媒質151)の表面を、プローブと測定対象との境界面とするために較正を実施する。誘電率が既知な材料として、空気、金属、純水を標準試料として用いて校正用データを取得する。標準試料に金属を用いない場合には、アルコールなどの有機溶媒2種類を代わりに用いてもよい。
次に、ステップS102で、第1プローブ101を用いた測定、および第2プローブを用いた測定を実施する。
次に、ステップS103で、第1処理部131が、測定対象物150の第1プローブ101を用いた測定により高周波測定部134で測定された測定結果より、第1媒質151の誘電率実測値を求める。また、第1処理部131が、第2プローブ102を用いた測定対象物150の測定により高周波測定部134で測定された測定結果より、第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスの実測値Ymeasuredを求める(第1ステップ)。
次に、ステップS104で、第2処理部132が、第1媒質151の誘電率ε1、第2媒質152の誘電率εsを用いた第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスのモデルを用い、誘電率ε1を誘電率実測値とし、誘電率εsを変数として、第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスのモデル値Ymodelを求める(第2ステップ)。アドミタンスのモデルは、例えば、式(6)で示されるモデルとすることができる。
次に、ステップS105で、実測値Ymeasuredとモデル値Ymodelとが等しくなるという逆問題解析により、第2媒質152の誘電率εsを求める(第3ステップ)。
上述したステップS101~ステップS105を、所定の周波数ポイント分、繰り返して実施することにより誘電分光スペクトルを取得することができる。
図6に、上述した測定方法を用いた実際の測定結果について示す。測定対象物150は、第1媒質151をポリエチレンシートとし、第2媒質152を生理食塩水とした。図5において、実線が実際の測定により求めた実測値Ymeasuredであり、点線が、式(6)をモデルとしたモデル値Ymodelである。式(6)をモデルとしたモデル値Ymodelにより、第2プローブ102の検出端102aにおけるアドミタンスが、精度よく表現できていることがわかる。
なお、上述した実施の形態に係る誘電分光測定装置の測定器は、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)と主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置に展開されたプログラムによりCPUが動作する(プログラムを実行する)ことで、上述した各機能(誘電分光測定方法)が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した誘電分光測定方法をコンピュータが実行するためのプログラムである。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。
また、上述した実施の形態に係る誘電分光測定装置の測定器は、FPGA(field-programmable gate array)などのプログラマブルロジックデバイス(PLD:Programmable Logic Device)により構成することも可能である。例えば、FPGAのロジックエレメントに、第1処理部、第2処理部、第3処理部、第4処理部の各々を回路として備えることで、測定器として機能させることができる。第1処理部、第2処理部、第3処理部、第4処理部の各々は、所定の書き込み装置を接続してFPGAに書き込むことができる。また、FPGAに書き込まれた上記の各回路は、FPGAに接続した書き込み装置により確認することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、第1プローブと、第1プローブより侵入長が長い第2プローブとを用いるので、同軸プローブを用いた誘電分光法で、多層となっている測定対象の測定が正確に実施できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
[参考文献1]Kok Yeow You, "RF Coaxial Slot Radiators: Modeling, Measurements, and Applications", ISBN: 9781608078226.
101…第1プローブ、101a…検出端、102…第2プローブ、102a…検出端、103…測定器、111…外導体、112…内導体、113…誘電体層、114…フリンジ、121…外導体、122…内導体、123…誘電体層、124…フリンジ、131…第1処理部、132…第2処理部、133…第3処理部、134…高周波測定部、135…表示部、150…測定対象物、151…第1媒質、152…第2媒質。

Claims (6)

  1. 同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とする第1プローブと、
    同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とし、前記第1プローブより侵入長が長い第2プローブと、
    前記第1プローブを用いた測定対象物の測定結果、および前記第2プローブを用いた前記測定対象物の測定結果により、前記第1プローブの侵入長より薄い表層側の第1媒質と、前記第1媒質より深層側の第2媒質とが積層されている前記測定対象物の前記第2媒質の誘電率を求める測定器と
    を備え
    前記測定器は、
    前記第1プローブの侵入長より薄い表層側の前記第1媒質と、前記第1媒質より深層側の前記第2媒質とが積層されている前記測定対象物の、前記第1プローブを用いた測定により前記第1媒質の誘電率実測値を求め、前記第2プローブを用いた前記測定対象物の測定により前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスの実測値Y measured を求める第1処理部と、
    前記第1媒質の誘電率ε 1 、前記第2媒質の誘電率ε s を用いた前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデルを用い、前記誘電率ε 1 を前記誘電率実測値とし、前記誘電率ε s を変数として、前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデル値Y model を求める第2処理部と、
    前記実測値Y measured と前記モデル値Y model とが等しくなる誘電率ε s を求める第3処理部と
    を備える誘電分光測定装置。
  2. 請求項1記載の誘電分光測定装置において、
    前記第1プローブおよび前記第2プローブの各々は、検出端にフリンジが形成されていることを特徴とする誘電分光測定装置。
  3. 請求項2記載の誘電分光測定装置において、
    前記フリンジの前記同軸線路の導波方向に垂直な方向の面は、検出端からの漏洩電界の電界強度が、最大値の1%以下となる領域より広くされている
    ことを特徴とする誘電分光測定装置。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の誘電分光測定装置において、
    前記第2処理部は、式(A)で示されるアドミタンスモデルを用いることを特徴とする誘電分光測定装置。
  5. 同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とする第1プローブと、同軸線路から構成され、開放端とされた一端を検出端とし、前記第1プローブより侵入長が長い第2プローブとを用いた誘電分光法により、前記第1プローブの侵入長より薄い表層側の第1媒質と、前記第1媒質より深層側の第2媒質とが積層されている測定対象物の前記第2媒質の誘電率εsを求める誘電分光測定方法であって、
    前記第1プローブを用いた前記測定対象物の測定により前記第1媒質の誘電率実測値を求め、前記第2プローブを用いた前記測定対象物の測定により前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスの実測値Ymeasuredを求める第1ステップと、
    前記第1媒質の誘電率ε1、前記誘電率εsを用いた前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデルを用い、前記誘電率ε1を前記誘電率実測値とし、前記誘電率εsを変数として、前記第2プローブの検出端におけるアドミタンスのモデル値Ymodelを求める第2ステップと、
    前記実測値Ymeasuredと前記モデル値Ymodelとが等しくなる誘電率εsを求める第3ステップと
    を備えることを特徴とする誘電分光測定方法。
  6. 請求項記載の誘電分光測定方法において、
    前記第2ステップは、式(A)で示されるアドミタンスモデルを用いることを特徴とする誘電分光測定方法。
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