JP2022537642A - アレイアンテナを利用したバイオセンサ - Google Patents

Abstract

一実施形態によると、アレイアンテナを利用したバイオセンサは、客体の側周面に沿って互いに離隔して配置され、客体の内部に向かう指向性を持つ電磁波を放射し、散乱された電磁場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）を受信する少なくとも２つのアンテナ素子、周波数掃引（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ）によるフィード信号（ｆｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ）を生成する信号生成器（ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、フィード信号の位相を調節して少なくとも２つのアンテナ素子に伝達する位相シフタ（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）、およびフィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された散乱された電磁場に基づいて、客体内部の対象部位（ｔａｒｇｅｔ ｐａｒｔ）の位置を検出する制御器を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、アレイアンテナを利用したバイオセンサに関する。

欧米化した現代人の食生活は、糖尿病、高脂血症、血栓患者などのような成人病を引き起こす原因となっている。このような成人病の進行状況を知るための簡単な方法として血液内の生体成分測定が存在する。生体成分測定では、血糖、貧血、血液凝固などのように血液中に含まれた様々な成分量を知ることができ、特定の成分の数値が正常領域であるか非正常領域であるかを、一般人であっても病院に行かずに簡単に判断できるという長所がある。

生体成分測定の簡単な方法の１つとして、指先から採血した血液をテストストリップに注入した後、電気化学的あるいは光度法によって出力信号を定量分析する方法がある。このような方法は、測定器に該当の成分量が表示されるため、専門知識のない一般人に適した方法である。

バイオセンサは、スマート機器と結合させて使用することもできる。このようなバイオセンサには、生体情報の迅速かつ正確な測定が求められている。

一実施形態に係るバイオセンサは、配列モードで電磁波を放射して散乱された電磁場をセンシングすることにより、生体と関連するパラメータを取得することができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、指向性が改善されたビームパターンで血管に向かって電磁波を放射することができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、単一モードおよび配列モードでそれぞれ異なる特性を有するパラメータおよび生体情報を得ることができる。

一実施形態によると、アレイアンテナを利用したバイオセンサは、客体の側周面に沿って互いに離隔して配置され、前記客体の内部に向かう指向性を持つ電磁波を放射し、散乱された電磁場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）を受信する少なくとも２つのアンテナ素子、周波数掃引（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ）によるフィード信号（ｆｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ）を生成する信号生成器（ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、前記フィード信号の位相を調節して前記少なくとも２つのアンテナ素子に伝達する位相シフタ（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）、および前記フィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された前記散乱された電磁場に基づいて、前記客体内部の対象部位（ｔａｒｇｅｔ ｐａｒｔ）の位置を検出する制御器を含んでよい。

前記制御器は、前記対象部位の位置が検出される場合に応答して、前記対象部位に対する生体情報の測定を開始してよい。

前記制御器は、前記散乱された電磁場に対する周波数応答特性を取得し、前記周波数応答特性から時間遅延プロフィールを算出し、前記時間遅延プロフィールに基づいて前記対象部位の位置を決定してよい。

前記制御器は、前記時間遅延プロフィールから対象ピークを検出し、前記時間遅延プロフィールの前記対象ピークに基づいて前記対象部位の位置を決定してよい。

前記制御器は、前記対象ピークとして２番目のピークが予め決定された遅延時間範囲（ｄｅｌａｙ ｒａｎｇｅ）内で予め決定された変動範囲（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒａｎｇｅ）を有する場合に応答して、前記時間遅延プロフィールに対応する位相差を前記少なくとも２つのアンテナ素子に対して維持してよい。

前記制御器は、前記位相シフタによって選択可能な位相差ごとに前記フィード信号の周波数を掃引することにより、位相差それぞれの周波数応答特性を取得してよい。

前記制御器は、前記バイオセンサを基準として前記対象部位が位置する方向を決定してよい。

前記少なくとも２つのアンテナ素子は、単一モードで動作する場合に応答して、１つ以上のアンテナ素子は電磁波を放射し、残りのアンテナ素子は前記電磁波による漏れ磁場（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）を受信し、配列モードで動作する場合に応答して、前記少なくとも２つのアンテナ素子すべてが電磁波を放射して前記散乱された電磁場を受信してよい。

前記単一モードの動作時間は、前記配列モードの動作時間よりも長くてよい。

前記単一モードの動作時間と前記配列モードの動作時間は、互いに重ならなくてよい。

前記制御器は、前記単一モードで動作する間に血糖値データを決定し、前記配列モードで動作する間に前記血糖値データの時間遅延関連情報を決定してよい。

前記少なくとも２つのアンテナ素子が放射する電磁波のビームパターンは、前記位相シフタによって調節された位相差に基づいて決定されてよい。

前記少なくとも２つのアンテナ素子は、前記客体内部に配置された内部センサが放射する信号を受信し、前記制御器は、前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相を比較して、前記内部センサと前記バイオセンサの整列状態を判断してよい。

バイオセンサは、前記内部センサと前記バイオセンサが非整列状態（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｔａｔｅ）である場合に応答して、前記バイオセンサの着用位置変更のためのガイド情報を利用者に出力する出力部をさらに含み、前記制御器は、前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が同位相である場合は整列状態であると判断し、前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が異なる場合は前記非整列状態であると判断してよい。

前記少なくとも２つのアンテナ素子は、前記客体の表面の曲率に対応する曲面に沿って配置されてよい。

一実施形態に係るバイオセンサが実行する対象部位検出方法は、客体の側周面に沿って互いに離隔して配置される少なくとも２つのアンテナ素子のためのフィード信号を周波数掃引によって生成する段階、前記フィード信号の位相を調節して前記少なくとも２つのアンテナ素子に伝達する段階、前記フィード信号に応答して、前記少なくとも２つのアンテナ素子が前記客体の内部に向かう指向性を持つ電磁波を放射して散乱された電磁場を受信する段階、および前記フィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された前記散乱された電磁場に基づいて、前記客体内部の対象部位（ｔａｒｇｅｔ ｐａｒｔ）の位置を検出する段階を含んでよい。

一実施形態に係るバイオセンサは、配列モードで検出される散乱された電磁場を利用することにより、血管が位置する方向を正確に推定することができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、指向性が改善されたビームパターンで血管に向かって電磁波を放射することにより、目標とする血管が位置する深さまで最小限の電力で電磁波を浸透させることができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、単一モードおよび配列モードそれぞれで異なる特性を有するパラメータおよび生体情報を取得することにより、データの多様性を確保することができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、単一モードの生体情報と配列モードの生体情報を利用することにより、時間遅延の最小化と改善された正確度を実現した血糖数値を推定することができる。

一実施形態における、アレイアンテナを利用したバイオセンサを示した図である。 一実施形態における、バイオセンサの構成を示したブロック図である。 一実施形態における、バイオセンサのビームステアリング角度の調整を説明するための図である。 一実施形態における、複数のアンテナ素子に供給されるフィード信号の位相差とアレイアンテナのビームステアリング角度の関係を説明するための図である。 一実施形態における、配列モードで動作するバイオセンサの回路図である。 一実施形態における、位相シフタの構成を説明するための例示図である。 一実施形態における、バイオセンサによる対象部位検出方法を説明するための図である。 一実施形態における、バイオセンサによる対象部位検出方法を説明するための図である。 一実施形態における、単一モードで動作するバイオセンサを示した図である。 一実施形態における、単一モードで動作するバイオセンサを示した図である。 一実施形態における、バイオセンサと内部センサの位置整列ガイド提供方法を説明するための図である。 一実施形態における、バイオセンサと内部センサの位置整列ガイド提供方法を説明するための図である。 一実施形態における、バイオセンサがセンシング可能な深さ結果とセンシング結果を示した図である。 一実施形態における、バイオセンサがセンシング可能な深さ結果とセンシング結果を示した図である。

以下、添付の図面を参照しながら、実施形態について詳しく説明する。しかし、実施形態には多様な変更が加えられてよく、特許出願の権利範囲がこのような実施形態によって制限されたり限定されたりしてはならない。実施形態に対するすべての変更、均等物、あるいは代替物は、権利範囲に含まれるものと理解されなければならない。

実施形態で使用する用語は、説明を目的に使用するものに過ぎず、限定しようとする意図として解釈されてはならない。単数の表現は、文脈上で明らかに異なるように意味しない限り複数の表現も含む。本明細書において「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためのものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

異なるように定義されない限り、技術的や科学的な用語を含んでここで使用されるすべての用語は、実施形態が属する技術分野において通常の知識を有する者が一般的に理解しているものと同じ意味を含んでいる。一般的に使用される事前に定義されているような用語は、関連技術の文脈上の意味と一致する意味を含んでいると解釈されなければならず、本出願で明らかに定義しない限り、理想的あるいは過度に形式的な意味として解釈されてはならない。

また、添付の図面を参照した説明は、図面符号にかかわらず、同一する構成要素には同一する参照符号を付与したし、これに対する重複する説明は省略することにする。実施形態を説明するにあたり、関連する公知技術に関する具体的な説明が実施形態の要旨を不必要に不明瞭にし得ると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。

また、実施例の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することもあるが、このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、このような用語によって該当の構成要素の本質や順番、または順序などが限定されてはならない。ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、または「接続」されると記載される場合、その構成要素とその他の構成要素が直接連結したり接続したりする場合もあるが、各構成要素の間に他の構成要素が「連結」、「結合」、または「接続」される場合もあると理解されなければならない。

いずれか１つの実施例に含まれた構成要素と共通する機能を含む構成要素は、他の実施例でも同じ名称を使用して説明する。反対となる記載がない限り、いずれか１つの実施例に記載された説明が他の実施例にも適用されてよく、重複する範囲で具体的な説明は省略する。

図１は、一実施形態における、アレイアンテナを利用したバイオセンサを示した図である。

一実施形態に係るバイオセンシングシステムは、バイオセンサ１００および内部センサ１５０を含んでよい。

アレイアンテナを利用したバイオセンサ１００は、電磁波を利用して対象被分析物（ｔａｒｇｅｔ ａｎａｌｙｔｅ）１０９をセンシングするセンサであってよい。対象被分析物１０９は、生体（ｌｉｖｉｎｇ ｂｏｄｙ）と関連する物質（ｍａｔｅｒｉａｌ）であって、生体物質（ａｎａｌｙｔｅ）と表現されてもよい。参考までに、本明細書では、対象被分析物１０９として主に血糖を例に挙げて説明するが、これに限定されてはならない。

バイオセンサ１００は、配列モードおよび単一モードのうちの１つのモードで動作してよい。バイオセンサ１００のアレイアンテナは、少なくとも２つ以上のアンテナ素子を含んでよい。バイオセンサ１００が配列モードで動作する間に、アレイアンテナを構成する各アンテナ素子は、互いに同じタイミングで、アレイファクタ（ａｒｒａｙ ｆａｃｔｏｒ）による放射パターン（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ）で電磁波を放射してよい。このとき、アンテナ素子は、反射したり散乱したりする電磁波を受信してよい。例えば、第１アンテナ素子１１１および第２アンテナ素子１１２は、客体の皮下層１２０に向かって電磁波を放射し、対象被分析物１０９などによって散乱された電磁場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）を受信してよい。本実施形態では、主にバイオセンサ１００の配列モード動作について説明し、バイオセンサ１００の単一モード動作については図９を参照しながら説明する。参考までに、アレイアンテナの距離分解能を極大化するためには、広帯域での動作が可能なアンテナ素子が使用されてよい。

一実施形態によると、バイオセンサ１００は、配列モードで動作する間に、アレイアンテナから電磁波を放射し、放射した電磁波が反射して散乱された電磁場を受信することによって対象部位の位置を検出してよい。対象部位の検出については図７を参照しながら説明する。また、バイオセンサ１００は、配列モードで動作する間に、対象部位に向かって電磁波を放射し、対象部位によって散乱された電磁場に基づいて対象被分析物１０９と関連するパラメータを決定してよい。

本明細書において、パラメータは、バイオセンサおよび／またはバイオセンシングシステムを解釈するために使用される回路網パラメータ（ｃｉｒｃｕｉｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を示してよい。以下では、説明の便宜のために、主に散乱パラメータを例に挙げながら説明するが、これに限定されてはならない。パラメータとして、例えば、アドミタンスパラメータ、インピーダンスパラメータ、ハイブリッドパラメータ、および送信パラメータなどが使用されてもよい。散乱パラメータの場合、透過係数や反射係数が使用されてよい。参考までに、上述したパラメータから算出されるアレイアンテナの共振周波数は、対象被分析物１０９の濃度と関連してよく、バイオセンサは、透過係数および／または反射係数の変化を感知することによって血糖を予測してよい。

アレイアンテナの共振周波数は、以下で説明するように、アレイアンテナの周辺に存在する対象被分析物１０９の濃度によって異なってよい。例えば、共振周波数は、以下の数式（１）のように、キャパシタンス成分およびインダクタンス成分で表現されてよい。

したがって、一実施形態に係るバイオセンサ１００は、アレイアンテナの共振周波数に基づいて、血管１９０内の対象被分析物１０９に対する生体情報を直接決定することができる。例えば、バイオセンサ１００は、共振周波数それぞれに対応する対象被分析物の濃度値（例えば、血糖数値）がマッピングされたマッピングテーブル（例えば、ルックアップテイブル（ＬＵＴ：ｌｏｏｋ ｕｐ ｔａｂｌｅ））から、測定時点に測定された共振周波数に基づいて指示される濃度値を決定してよい。ただし、生体情報の決定がこれに限定されてはならず、設計によって変更可能である。

本明細書において、生体情報は、対象者の生体成分と関連する情報として、例えば、被分析物の濃度、数値、および間質液の血糖変化と血管の血糖変化の時間遅延関連情報などを含んでよい。被分析物が血糖である場合、生体情報は、血糖数値を含んでよい。

内部センサ１５０は、肌１９１下の皮下層に挿入および／または移植（ｉｍｐｌａｎｔｅｄ）されてよい。バイオセンサ１００は、内部センサ１５０との通信を無線で樹立してよい。皮下に移植された内部センサ１５０は、血管１９０および皮下層１２０に存在する対象被分析物１０９をモニタリングしてよい。例えば、内部センサ１５０は、周辺の対象被分析物１０９の濃度変化によって共振周波数が変化する共振器アセンブリを含んでよく、共振器アセンブリの共振周波数をモニタリングすることにより、対象被分析物１０９と関連する追加の生体データ（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｂｉｏ－ｍｅｔｒｉｃｄａｔａ）を決定してよい。内部センサ１５０は、対象被分析物１０９の濃度に対応する追加の生体データを体内から取得および収集してよく、追加の生体データを体外のバイオセンサ１００に送信してよい。追加の生体データは、対象被分析物１０９の濃度および／または量と関連するデータであって、例えば、上述したように、被分析物の濃度に対応する比誘電率と関連するパラメータであってよい。ただし、これに限定されてはならず、生体データは、被分析物の濃度に対応する共振周波数、共振周波数を算出するための散乱パラメータ、および散乱パラメータに対応する周波数応答特性などを含んでもよい。内部センサ１５０は、無線通信によってバイオセンサ１００に追加の生体データを送信してよい。さらに、バイオセンサ１００は、内部センサ１５０に電力を無線で供給してよい。内部センサ１５０は、無線送信された電力を利用して生体データをモニタリングしてよい。

図２は、一実施形態における、バイオセンサの構成を示したブロック図である。

一実施形態に係るバイオセンサ２００は、アレイアンテナ２１０、位相シフタ２２０、信号生成器２３０、および制御器２４０を含んでよい。バイオセンサ２００は、客体の表面（例えば、肌）への付着が可能であってよい。

アレイアンテナ２１０は、少なくとも２つのアンテナ素子を含んでよく、配列モードおよび単一モードのうちの１つで動作してよい。配列モードでは、アンテナ素子それぞれが電磁波を同時に放射してよい。単一モードでは、少なくとも１つのアンテナ素子は電磁波を放射し、残りのアンテナ素子のうちの少なくとも１つは、放射された電磁波を受信してよい。

一実施形態によると、少なくとも２つのアンテナ素子は、客体の側周面に沿って互いに離隔して配置されてよい。客体は、生体および／または生体の一部（例えば、身体部位（ｂｏｄｙ ｐａｒｔ））であってよい。例えば、客体は、ヒトの上腕および／または下腕であってよく、アンテナ素子は、ヒトの腕の側周面に沿って離隔して配置されてよい。バイオセンサは、腕の中でも二頭筋および／または三頭筋に対応する部分上に配置されてよい。言い換えれば、アンテナ素子は、対象部位（例えば、血管）の長さ方向に対して交差する軸（例えば、直交する軸）に沿って互いに離隔して配置されてよい。アンテナ素子は、客体の内部に向かう指向性を持つ電磁波を放射し、散乱された電磁場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）を受信してよい。

位相シフタ２２０（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）は、フィード信号の位相を調節して少なくとも２つのアンテナ素子に伝達してよい。位相シフタ２２０は、それぞれのアンテナ素子に供給される信号の位相差を調節してよい。位相シフタ２２０の例示的な構成については、図６を参照しながら説明する。

信号生成器２３０（ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、周波数掃引（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ）によるフィード信号（ｆｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ）を生成してよい。信号生成器２３０は、例えば、注入同期発振器（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌｏｃｋｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を含んでよい。

信号生成器２３０は、予め定義された周波数範囲内の周波数を掃引しながらフィード信号を生成してよい。例えば、フィード信号のキャリア周波数は、漸進的に変化してよい。周波数範囲は、第１周波数以上第２周波数以下の周波数を含んでよく、信号生成器２３０は、第１周波数から第２周波数まで周波数を順に増加させながらフィード信号を生成してよい。ただし、これに限定されてはならず、信号生成器２３０は、第２周波数から第１周波数まで周波数を順に減少させながらフィード信号を生成してもよい。

制御器２４０は、フィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された散乱された電磁場に基づいて、客体内部の対象部位（ｔａｒｇｅｔ ｐａｒｔ）の位置を検出してよい。

図３は、一実施形態における、バイオセンサのビームステアリング角度の調整を説明するための図である。

一実施形態に係るバイオセンサは、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４から客体内部に電磁波を放射しながら、電磁波のビームステアリング角度を変更してよい。例えば、バイオセンサは、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４のフィード信号の強度および位相をアレイファクタによって調節することにより、アレイアンテナによる放射パターンを変更してよい。例えば、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４それぞれの放射パターンがアレイファクタによって重なることで、電磁波の放射が特定の方向に集中することがある。このような配列モードでは、バイオセンサは、単一モードに比べて比較的少ない電力で電磁波をより深く透過させることができる。また、ビームステアリングによる方向に電磁波の放射が集中するため、生体への影響も最小化することができる。参考までに、図３では、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４として４つのアンテナ素子を示したが、これに限定されてはならない。

バイオセンサは、ビームステアリング角度を変更するたびに、バイオセンサを基準として該当のビームステアリング角度に対応する方向から対象部位を探知しようとしてよい。対象部位は、例えば、血管３９０であってよい。対象部位の比誘電率は、例えば８０以上であり、皮下層３２０の比誘電率は約５であってよい。対象部位の比誘電率が皮下層３２０の比誘電率よりも大きいため、対象部位に向かって電磁波が放射される場合、強い反射波による散乱が発生するようになる。例えば、第１ステアリング角度３８１に対して電磁波が放射された場合、散乱される電磁場の強度は小さくなる。第２ステアリング角度３８２に対して電磁波が放射された場合、対象部位３９０と皮下層３２０の間の急激な比誘電率差によって散乱される電磁場の強度が高まる。したがって、バイオセンサは、個別のビームステアリング角度ごとに散乱される電磁場をモニタリングすることにより、該当のビームステアリング角度に対応する位置に対象部位が存在するかどうかを決定することができる。対象部位の探知については、図７を参照しながら詳しく説明する。

一実施形態によると、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４が配置される面は曲率を有してよい。複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４は、客体の表面の曲率に対応する面（例えば、曲面）に沿って配置されてよい。例えば、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４は、客体の長さ方向に直交する外周（ｏｕｔｅｒ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅ）の曲面にフィットする面に沿って配置されてよい。例えば、図３は、客体の長さ方向軸に垂直の断面図であって、複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４が客体の表面に密着して配置された図である。複数のアンテナ素子３１１、３１２、３１３、３１４は、個別的におよび／または統合的にハウジング内に収容されてもよく、この場合、ハウジングが客体に隣接する面も曲律を有してよい。同様に、ハウジングが客体に隣接する面は、客体の長さ方向に直交する外周の曲面と同一または類似の曲率を有してよい。図１でも、アンテナ素子が配置される面が曲面を有する形状が示されている。したがって、アンテナ素子およびアンテナ素子を収容するハウジングは、客体の表面（例えば、肌）と密着するため、エアギャップを最小化することができ、放射損失を最小化することができる。

図４は、一実施形態における、複数のアンテナ素子に供給されるフィード信号の位相差とアレイアンテナのビームステアリング角度の関係を説明するための図である。

図５は、一実施形態における、配列モードで動作するバイオセンサの回路図である。

バイオセンサ５００は、アレイアンテナ５１０、位相シフタ５２０、信号統合部５４０、および信号生成器５３０を含んでよい。アレイアンテナ５１０は、例えば、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子を含んでよい。上述したように、信号生成器５３０は、フィード信号を生成してよい。位相シフタ５２０は、第１アンテナ素子に対してｗ_１に対応する位相だけ、第２アンテナ素子に対してｗ_２に対応する位相だけ、フィード信号を遅延させて各アンテナ素子に提供してよい。各位相は、以下の数式（４）のような関係にある。

図６は、一実施形態における、位相シフタの構成を説明するための例示図である。

位相シフタ６２０は、信号生成器６３０によって生成されたフィード信号を遅延させることにより、第１アンテナ素子６１１と第２アンテナ素子６１２の位相差を提供してよい。例えば、位相シフタ６２０は、制御器の位相制御信号によって選択可能な複数の信号経路６２１、６２２、６２３を含んでよい。信号生成器６３０から各アンテナ素子までの選択された信号経路の長さによって、該当のアンテナ素子に供給されるフィード信号の位相が異なってよい。したがって、制御器は、位相制御信号によって各アンテナ素子に対する位相シフタ６２０の信号経路を選択することにより、該当のアンテナ素子に対する位相遅延を調節することができる。

参考までに、バイオセンサが配列モードで動作する間に、経路選択部６４０は、配列モードでは、図６に示すように、信号生成器６３０から各アンテナ素子までの経路を形成してよい。したがって、配列モードでは、経路選択部６４０が、図５で説明した信号統合部として動作してよい。バイオセンサが単一モードで動作する間に、経路選択部６４０は、送信アンテナ（例えば、第１アンテナ素子）と信号生成器６３０を連結し、受信アンテナ（例えば、第２アンテナ素子）と信号生成器６３０を分離してよい。ただし、経路選択部６４０の構成がこれに限定されてはならず、設計によって変更可能である。

図７および図８は、一実施形態における、バイオセンサによる対象部位検出方法を説明するための図である。

先ず、段階７１０で、バイオセンサは、位相ごとに周波数応答特性８１０をスキャンしてよい。一実施形態によると、制御器は、位相シフタによって選択可能なそれぞれの位相差ごとにフィード信号の周波数を掃引することにより、位相差それぞれの周波数応答特性８１０を取得してよい。

次に、段階７２０で、バイオセンサは、時間遅延プロフィール８２０を算出してよい。例えば、制御器は、周波数応答特性８１０から時間遅延プロフィール８２０を算出してよい。制御器は、周波数応答特性８１０を時間ドメインに変換（例えば、ＦＦＴ（ｆａｓｔ ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）の逆変換）することにより、時間遅延プロフィール８２０を算出してよい。周波数応答特性８１０は、図８に示すように、散乱パラメータのうちの反射係数Ｓ_１１であってよい。

次に、段階７３０で、バイオセンサは、対象ピークを検出してよい。制御器は、時間遅延プロフィール８２０に基づいて対象部位の位置を決定してよい。例えば、制御器は、時間遅延プロフィール８２０から対象ピークを検出し、時間遅延プロフィール８２０の対象ピークに基づいて対象部位の位置を決定してよい。制御器は、対象ピークとして２番目のピーク８９２を検出してよい。２番目のピーク８９２は、時間遅延プロフィール８２０から検出されるピークのうちで降順に２番目に大きい強度のピークを示してよい。１番目のピーク８９１（例えば、最大強度のピーク）は、アンテナ素子の自体反射によって発生することがある。２番目のピーク８９２は、散乱された電磁場によって発生するものであって、アンテナ素子から対象部位（例えば、血管）に電磁波が到着してから反射して受信されるまでの遅延が発生するため、１番目のピーク８９１よりも遅い時点となってよい。

例えば、段階７３１で、制御器は、閾値８２１以上の対象ピークが検出されたかどうかを判断してよい。例えば、制御器は、時間遅延プロフィール８２０から１番目のピーク８９１を除き、閾値８２１を超過する地点を検索してよい。１番目のピーク８９１を除いて閾値８２１未満の値だけしか検出されなかった場合、段階７３２で、制御器は、閾値８２１を調整してよい。例えば、制御器は、閾値を減少させてから段階７３１の動作を実行してよい。したがって、制御器は、２番目のピーク８９２が検出されるまで、閾値を漸進的に減少させてよい。

段階７４０で、バイオセンサは、対象ピークに基づいて対象部位の位置を決定してよい。制御器は、対象ピークとして２番目のピーク８９２が予め決定された遅延時間範囲（ｄｅｌａｙ ｒａｎｇｅ）８２２内で予め決定された変動範囲（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒａｎｇｅ）を有する場合に応答して、該当の対象ピークが検出された時間遅延プロフィール８２０に対応するビームステアリング角度に対象部位が存在すると判断してよい。肌から血管までの深さを考慮するとき、血管に対する２番目のピーク８９２は、遅延時間範囲内および変動範囲内で発生するようになる。したがって、制御器は、遅延時間範囲８２２または変動範囲を脱するピークは、対象部位の決定から排除してよい。制御器は、バイオセンサを基準として対象部位が位置する方向を決定してよい。

一実施形態に係る制御器は、対象部位が位置する方向が決定された場合に応答して、対象部位が検出された時間遅延プロフィール８２０に対応する位相差を少なくとも２つのアンテナ素子に対して維持してよい。上述したように、少なくとも２つのアンテナ素子が放射する電磁波のビームパターンは、位相シフタによって調節された位相差に基づいて決定されてよい。したがって、バイオセンサは、対象部位がある方向にアレイアンテナのビームパターンを形成して維持してよい。

制御器は、対象部位の位置が検出される場合に応答して、対象部位に対する生体情報の測定を開始してよい。例えば、制御器は、生体情報として、血管内の血糖数値および／または間質液と血管との血糖変化の時間遅延関連情報を測定してよい。血管内の血糖数値測定については、図１を参照しながら説明したとおりであり、時間遅延関連情報については、図１４を参照しながら説明する。

参考までに、図７において、制御器は、一ステアリング角度に対する周波数応答特性８１０を取得して残りの動作を実行し、対象部位の位置が検出されない場合はビームステアリング角度を変更して段階７１０から再度開始する例について説明した。ただし、これに限定されてはならず、制御器は、ビームステアリング角度を順に変更しながらすべてのビームステアリング角度に対する周波数応答特性８１０を取得した後に、残りの動作（例えば、７２０～７４０）を実行してもよい。

図９および図１０は、一実施形態における、単一モードで動作するバイオセンサを示した図である。

バイオセンサ９００の少なくとも２つのアンテナ素子９１１、９１２は、配列モードまたは単一モードで動作してよい。上述したように、少なくとも２つのアンテナ素子９１１、９１２は、配列モードで動作する場合に応答して、少なくとも２つのアンテナ素子９１１、９１２のすべてが電磁波を放射して散乱された電磁場を受信してよい。図９および図１０では、単一モードの動作について説明する。

少なくとも２つのアンテナ素子９１１、９１２は、単一モードで動作する場合に応答して、１つ以上のアンテナ素子は電磁波を放射し、残りのアンテナ素子は電磁波による漏れ磁場９５０（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）を受信してよい。例えば、第１アンテナ素子９１１が電磁波を放射し、第２アンテナ素子９１２が漏れ磁場９５０を受信してよい。バイオセンサ９００は、第１アンテナ素子９１１が放射した信号強度と第２アンテナ素子９１２で受信した強度の対比に基づいて、散乱パラメータとして透過係数Ｓ_２１を測定してよい。バイオセンサ９００の透過係数Ｓ_２１は、特定の周波数範囲内で共振周波数に対して最も高い値を示してよい。アレイモードと同様に、単一モードで動作するバイオセンサ９００の共振周波数は、対象被分析物９０９の濃度に対応する比誘電率によって変化してよい。参考までに、共振周波数を探索する範囲として、図９では１３．５６ＭＨｚを含む範囲が示されているが、これに限定されてはならず、設計によって変更可能である。

単一モードで動作するアレイアンテナ１０１０では、図１０に示すように、第１アンテナ素子９１１と第２アンテナ素子９１２の電気的経路が分離されてよい。第１アンテナ素子９１１は、信号生成器１０３０によって生成されたフィード信号に応答して電磁波を放射してよい。第２アンテナ素子９１２は、漏れ磁場９５０を受信してよい。

一実施形態によると、単一モードの動作時間は、配列モードの動作時間よりも長くてよい。単一モードの動作時間および配列モードの動作時間は、互いに重ならなくてもよい。バイオセンサ９００は、単一モードの間に第１生体情報を取得し、配列モードの間に第２生体情報を取得してよい。第１生体情報および第２生体情報は、同じ対象被分析物に関するものであってよく、互いに異なる特性を示すデータを含んでよい。例えば、第１生体情報は、皮下層の間質液に存在する対象被分析物（例えば、血糖）の濃度数値に関するデータを含んでよく、第２生体情報は、血管内に存在する対象被分析物の濃度数値に関するデータを含んでよい。血管内の濃度の変化が皮下層に影響を与えるのに多少の時間遅延が発生するため、第２生体情報は第１生体情報に比べて濃度変化に敏感な特性を示すようになる。第１生体情報は、第２生体情報に比べて高い血糖測定正確度を示してよい。したがって、バイオセンサ９００は、第１生体情報と第２生体情報を融合（ｆｕｓｅ）することで、精密かつ正確に生体測定結果を決定することができる。第１生体情報と第２生体情報の融合は、ベイジアン（Ｂａｙｅｓｉａｎ）フィルタ基盤のアルゴリズム演算によって実行されてよいが、これに限定されてはならない。第１生体情報および第２生体情報の特性については、図１４を参照しながら説明する。

図１１および図１２は、一実施形態における、バイオセンサと内部センサの位置整列ガイド提供方法を説明するための図である。

先ず、段階１１１０で、バイオセンサ１２１０は、アレイアンテナの各アンテナ素子によって内部センサ１２３０から放射された信号を受信してよい。内部センサ１２３０は、客体内部に配置されてよく、位置整列のための電磁波信号を放射してよい。

次に、段階１１２０で、バイオセンサ１２１０は、受信した信号の位相を比較してよい。例えば、制御器は、少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相を比較して、内部センサ１２３０とバイオセンサ１２１０の整列状況を判断してよい。

次に、段階１１３０で、制御器は、受信した信号の位相が同位相であるかどうかを判断してよい。例えば、図１２において、バイオセンサ１２１０のアレイアンテナが第１アンテナ素子１２１１および第２アンテナ素子１２１２を含み、内部センサ１２３０が第３アンテナ素子を含むと仮定する。第１アンテナ素子１２１１および第２アンテナ素子１２１２はそれぞれ、第３アンテナ素子から放射された位置整列用の電磁波信号を受信してよい。整列状態では、内部センサ１２３０から第１アンテナ素子１２１１までの距離と内部センサ１２３０から第２アンテナ素子１２１２までの距離が等しいため、位相は同じであってよい。非整列状態では、内部センサ１２３０からバイオセンサ１２１０のそれぞれのアンテナ素子までの距離が異なるため、受信した信号の位相は異なってよい。例えば、位相グラフ１２９０に示したように、整列状態の位相と非整列状態の位相は異なるため、測定の正確度に劣化が生じるようになる。バイオセンサ１２１０は、第３アンテナ素子から放射されて第１アンテナ素子１２１１で受信した信号に関する透過係数Ｓ_１３の位相と、第３アンテナ素子から放射されて第２アンテナ素子１２１２で受信した信号に関する透過係数Ｓ_２３の位相を比較して、同一であるかを判断してよい。制御器は、少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が同位相である場合は整列状態であると判断し、位置整列プロセスを終えてよい。

段階１１４０で、制御器は、少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が異なる場合は、非整列状態であると判断してよい。一実施形態に係るバイオセンサ１２１０は、位置整列に関する情報を出力するための出力部をさらに含んでよい。例えば、出力部は、内部センサ１２３０およびバイオセンサ１２１０が非整列状態（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｔａｔｅ）の場合に応答して、バイオセンサ１２１０の着用位置変更のためのガイド情報を利用者に出力してよい。ガイド情報は、バイオセンサ１２１０の整列のために要求される客体表面上の位置変更方向に関する情報を含んでよい。したがって、バイオセンサ１２１０は、内部センサ１２３０に対する位置整列のためのガイド情報を提供することにより、非整列による性能劣化を最小化することができる。

図１３および図１４は、一実施形態における、バイオセンサによってセンシングが可能な深さ結果とセンシング結果を示した図である。

図１３は、単一モードで動作するバイオセンサ１３１０および配列モードで動作するバイオセンサ１３２０の電磁波浸透の深さを説明するための図である。配列モードで動作するバイオセンサ１３２０のアレイアンテナは、対象部位（例えば、体内血管）に向かうビームステアリング角度に集中するビームパターンの電磁波を放射することにより、単一モードに比べて深い浸透を示した。配列モードの電磁波は、単一モードの電磁波に比べて指向性が改善された。配列モードのバイオセンサ１３２０では、最小限の電力で電磁波透過の深さが改善されるため、肌層の固有電率による電磁波損失を最小化することができ、体内電磁波の適合性テストも満たすことができる。

腕の断面を形状化したマルチレイヤモデリングにおいて、配列モードのバイオセンサ１３２０は、単一モードで動作するバイオセンサ１３１０に比べて血管までの電磁波透過を提供することができる。配列モードのバイオセンサ１３２０から放射された電磁波の到達可能な地点と血管との距離は、単一モードで到達可能な地点と血管との距離よりも短いため、配列モードのバイオセンサ１３２０は血糖の急激な変化を感知することができる。例えば、図１３を参照すると、配列モードのバイオセンサ１３２０によってセンシングされた生体情報に基づく血糖変化推移１４２０は、単一モードの血糖変化推移１４１０よりも、血糖の実際の変化推移１４９０に合わせて敏感に動いているのが分かる。

したがって、バイオセンサは、単一モードでは間質液基盤の生体情報を決定し、配列モードでは血管基盤の生体情報を決定しながら、互いに異なる特性の生体情報を複合的に融合することにより、血糖測定で発生する時間遅延を最小化しつつ、血糖測定の正確度も維持することができる。例えば、バイオセンサの制御器は、単一モードで動作する間には第１生体情報として血糖値データを決定し、配列モードで動作する間には第２生体情報として上述した血糖値データの時間遅延関連情報を決定してよい。制御器は、単一モードで推定された間質液基盤の血糖数値の変化開始時点と配列モードで推定された血管基盤の血糖数値の変化開始時点との差（例えば、時間遅延関連情報）を算出してよい。この後、制御器は、配列モードで推定された血管基盤の血糖数値の変化が任意の時点で感知される場合、以前に記録された間質液基盤の血糖数値の変化および時間遅延関連情報を利用して、該当の時点の血糖数値を正確かつ迅速に推定することができる。

一実施形態に係るバイオセンサは、外部環境による性能変化を遮断して正確度の持続性を確保することができる。また、バイオセンサは、間質液基盤の特性および血管基盤の特性の生体情報などを収集し、内部センサの情報も収集することにより、データ多様性を確保することができる。例えば、バイオセンサは、マルチモード（例えば、単一モードおよび配列モード）で取得した生体情報、および体外環境（例えば、温度、湿度、圧力、慣性など）と関連する測定データにベイジアン（Ｂａｙｅｓｉａｎ）フィルタ基盤のアルゴリズムを適用することにより、正確な血糖数値をリアルタイムでモニタリングすることができる。

以上のように、実施形態を、限定された実施形態および図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能であろう。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、かつ／あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物によって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。

したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。

Claims (16)

1. アレイアンテナを利用したバイオセンサであって、
   客体の側周面に沿って互いに離隔して配置され、前記客体の内部に向かう指向性（ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）を持つ電磁波を放射し、散乱された電磁場（ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｆｉｅｌｄ）を受信する少なくとも２つのアンテナ素子、
   周波数掃引（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ）によるフィード信号（ｆｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ）を生成する信号生成器（ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、
   前記フィード信号の位相を調節して前記少なくとも２つのアンテナ素子に伝達する位相シフタ（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）、および
   前記フィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された前記散乱された電磁場に基づいて、前記客体内部の対象部位（ｔａｒｇｅｔ ｐａｒｔ）の位置を検出する制御器
   を含む、バイオセンサ。
2. 前記制御器は、
   前記対象部位の位置が検出される場合に応答して、前記対象部位に対する生体情報の測定を開始する、
   請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 前記制御器は、
   前記散乱された電磁場に対する周波数応答特性を取得し、前記周波数応答特性から時間遅延プロフィールを算出し、前記時間遅延プロフィールに基づいて前記対象部位の位置を決定する、
   請求項１に記載のバイオセンサ。
4. 前記制御器は、
   前記時間遅延プロフィールから対象ピークを検出し、前記時間遅延プロフィールの前記対象ピークに基づいて前記対象部位の位置を決定する、
   請求項３に記載のバイオセンサ。
5. 前記制御器は、
   前記対象ピークとして２番目のピークが予め決定された遅延時間範囲（ｄｅｌａｙ ｒａｎｇｅ）内で予め決定された変動範囲（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒａｎｇｅ）を有する場合に応答して、前記時間遅延プロフィールに対応する位相差を前記少なくとも２つのアンテナ素子に対して維持する、
   請求項４に記載のバイオセンサ。
6. 前記制御器は、
   前記位相シフタによって選択可能なそれぞれの位相差ごとに前記フィード信号の周波数を掃引することにより、位相差ごとに周波数応答特性を取得する、
   請求項３に記載のバイオセンサ。
7. 前記制御器は、
   前記バイオセンサを基準として前記対象部位が位置する方向を決定する、
   請求項１に記載のバイオセンサ。
8. 前記少なくとも２つのアンテナ素子は、
   単一モードで動作する場合に応答して、１つ以上のアンテナ素子が電磁波を放射し、残りのアンテナ素子が前記電磁波による漏れ磁場（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）を受信し、
   配列モードで動作する場合に応答して、前記少なくとも２つのアンテナ素子すべてが電磁波を放射し、前記散乱された電磁場を受信する、
   請求項１に記載のバイオセンサ。
9. 前記単一モードの動作時間は、前記配列モードの動作時間よりも長い、
   請求項８に記載のバイオセンサ。
10. 前記単一モードの動作時間と前記配列モードの動作時間は、互いに重ならない、
    請求項８に記載のバイオセンサ。
11. 前記制御器は、
    前記単一モードで動作する間に血糖値データを決定し、前記配列モードで動作する間に前記血糖値データの時間遅延関連情報を決定する、
    請求項８に記載のバイオセンサ。
12. 前記少なくとも２つのアンテナ素子から放射される電磁波のビームパターンは、
    前記位相シフタによって調節された位相差に基づいて決定される、
    請求項１に記載のバイオセンサ。
13. 前記少なくとも２つのアンテナ素子は、
    前記客体内部に配置された内部センサから放射される信号を受信し、
    前記制御器は、
    前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相を比較して、前記内部センサと前記バイオセンサの整列状況を判断する、
    請求項１に記載のバイオセンサ。
14. 前記内部センサと前記バイオセンサが非整列状態（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｔａｔｅ）である場合に応答して、前記バイオセンサの着用位置変更のためのガイド情報を利用者に出力する出力部
    をさらに含み、
    前記制御器は、
    前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が同位上である場合には整列状態であると判断し、
    前記少なくとも２つのアンテナ素子が受信した信号の位相が異なる場合には前記非整列状態であると判断する、
    請求項１３に記載のバイオセンサ。
15. 前記少なくとも２つのアンテナ素子は、前記客体の表面の曲率に対応する曲面に沿って配置される、
    請求項１に記載のバイオセンサ。
16. バイオセンサが実行する対象部位検出方法であって、
    客体の側周面に沿って互いに離隔して配置される少なくとも２つのアンテナ素子のためのフィード信号を周波数掃引によって生成する段階、
    前記フィード信号の位相を調節して前記少なくとも２つのアンテナ素子に伝達する段階、
    前記フィード信号に応答して、前記少なくとも２つのアンテナ素子が前記客体の内部に向かう指向性を持つ電磁波を放射し、散乱された電磁場を受信する段階、および
    前記フィード信号の周波数および位相を掃引することによって放射された電磁波に対応して受信された前記散乱された電磁場に基づいて、前記客体内部の対象部位の位置を検出する段階
    を含む、対象部位検出方法。

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