(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体物質の外部から内部へ、または内部から外部へ電磁放射線を結合させるためのデバイスであって、
第１メタマテリアルを備え、
前記第１メタマテリアルは、
厚さが前記電磁放射線の第１波長以下である基材と、
前記基材によって支持される複数の要素と、を備え、
前記要素の各々は、前記電磁放射線の第１波長以下である第１寸法を有し、複数の前記要素のうち少なくとも２つは同一でなく、
前記デバイスは、前記電磁放射線の第１波長における前記生体物質のための反射防止材であることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記第１寸法は、前記電磁放射線が伝搬する方向の長さである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記複数の要素のうち少なくとも１つは不規則な形状を有する、または、前記複数の要素のうち複数が不規則な形状を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記生体物質は容器に固定されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記要素の少なくとも一部は不規則なアレイ状に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記要素のうち複数が不規則なアレイ状に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記基材は誘電体で、前記要素の各々は導電体である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記基材は導電体で、前記要素の各々は誘電体である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記要素の各々は金属である請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記基材は金属である請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記複数の要素は、共鳴が電磁放射線の第１波長で発生するように、集合的に配置される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１メタマテリアルと結合する第２メタマテリアルをさらに備え、
前記第２メタマテリアルは、
厚さが電磁放射線の第２波長以下である基材と、
前記厚さが電磁放射線の第２波長以下である基材によって支持される複数の要素と、を備え、
前記厚さが電磁放射線の第２波長以下である基材によって支持される複数の要素の各々は、前記電磁放射線の第２波長以下である第１寸法を有し、複数の前記要素のうち少なくとも２つは同一でないことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第２メタマテリアルは、前記第１メタマテリアルと共同し、前記電磁放射線の第２波長で共鳴するように構成される、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１波長と前記第２波長とは異なる、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
複数の金属含有層、かつ／または、複数の誘電体含有層を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記電磁放射線は、１０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
生体物質の外部から内部へ、または内部から外部へ電磁放射線を結合させるための方法であって、
生体物質の外部から内部へ、または内部から外部へ電磁放射線を結合させる結合媒体として、請求項１に記載のデバイスを利用するステップを備える方法。
【請求項１８】
前記生体物質は容器に固定されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
送信部と受信部とを備えるセンサであって、
前記送信部は、
第１アンテナと、第１デバイスと、を備え、
前記第１デバイスは、前記第１アンテナから放射された電磁放射線を生体物質に結合させるように構成され、
前記受信部は、
第２アンテナと、第２デバイスと、を備え、
前記第２デバイスは、前記生体物質を透過した電磁放射線を前記第２アンテナに結合させるように構成され、
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスは、
第１メタマテリアルを備え、
前記第１メタマテリアルは、
厚さが前記電磁放射線の第１波長以下である基材と、
前記基材によって支持される複数の要素と、を備え、
前記要素の各々は、前記電磁放射線の第１波長以下である第１寸法を有し、複数の前記要素のうち少なくとも２つは同一でなく、
前記デバイスは、前記電磁放射線の第１波長における前記生体物質のための反射防止材であることを特徴とするセンサ。
【請求項２０】
前記送信部は、前記生体物質で反射された電磁放射線を検出するよう構成された検出器をさらに備える、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記送信部と前記受信部との間の距離を決定するように構成される、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記生体物質のインピーダンスを決定するように構成される、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２３】
加速度計をさらに備える、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２４】
可変抵抗器、かつ／または、アンテナと組み合わされた可変キャパシタ、かつ／または、調整可能なメタマテリアルをさらに備える、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記生体物質は人間または動物の組織であり、容器は皮膚を含む、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記人間または動物の組織は血液であり、前記センサは、ブドウ糖、かつ／または、血糖値を測定するように構成された、請求項２５に記載のセンサ。
【請求項２７】
ウェアラブルな、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記センサは、手、足、耳、または唇に装着されるよう構成され、前記センサは手で持たれる、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２９】
請求項１９に記載のセンサを備えるシステムであって、
前記生体物質に関するデータを前記センサから受信するための無線受信部と、
前記センサから離れたデバイス上で動作し、前記データを処理するためのソフトウェアアプリケーションと、
前記データ、かつ／または、前記データに関係する情報を表示するためのインタフェースと、をさらに備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、デバイス、構造、媒体、コーティング、または層であって、生体物質の外部から内部へ、または内部から外部へ電磁放射線を結合させるもの、もしくは、生体物質試料の外部から内部への、または内部から外部への電磁放射線の結合を促進するもの、もしくは、生体物質試料の外部から内部への、または内部から外部への電磁放射線の結合を増加させるものに関する。具体的には、反射を抑制するためのデバイス、構造、媒体、コーティング、または層に関する。さらに具体的には、反射防止構造、反射防止層、または反射防止コーティングに関する。さらに具体的にはメタ表面に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体物質を分析するための最も一般的な方法は、酸性度分析、過酸化水素指数分析、紫外分光法、薄層クロマトグラフィ、ガスクロマトグラフィ、高性能液体クロマトグラフィ、ラマン分光法および紫外分光法を含む。これらは対象試料の分離や組成分析等の処理を必要とするため、手間と時間が掛かるという欠点がある。試料の処理をほとんど行わないか、全く行わない新しい技術で、既存の方法による場合と同等の、またはより優れた結果を生むものが導入されれば有利だろう。さらに上に挙げた方法は、動物体内の血流成分など、生体物質の内部層を分析するときには有効でない。皮膚、脂肪層および筋肉層は、外部信号から血液を遮蔽する。その結果、内部層の分析は非常に困難となり、誤差を生じやすい。同様の問題は、生体物質が人工容器（瓶や不透明なプラスティックの箱など）の中にあるときにも発生する。光に基づく上記の方法では、信号が容器内部に侵入できないためである。
【０００３】
物質（生体物質に限らない）を分析するためのその他の方法として、誘電体分光法がある。これは、試料分析のためにマイクロ波またはラジオ波を利用する。この方法では、試験中の試料（Ｓａｍｐｌｅ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ：ＳＵＴ）に向けてラジオ波信号（通常はアンテナで生成される）が放射され、その反射信号および透過信号が記録される。これらの信号により、試料の電磁特性（例えば誘電率と透磁率）が評価される。結果は、試料の物質特性（例えば、水中の糖や塩のパーセンテージ、あるいは、乳内のバクテリア濃度など）に変換することができる。
【０００４】
ある種の生体物質、すなわち人間（糖尿病患者）の血中ブドウ糖濃度の分析ができると非常に有利である。
【０００５】
糖尿病は、高い血中ブドウ糖値で特徴付けられる病気である（高血糖症）。これは、世界的にみて死亡原因の第５位を占める。全世界での罹患率は８．３％、患者数は３億７千万人であるが、その数は２０３０年までに５億５千万人に達すると予想されている。糖尿病および関連する合併症に掛かるコストは莫大で、ＥＵでは年間１３００億ドル、米国では２０１２年に２４５０億ドル（２００７年の１７４０億ドルから増加）と見積もられている。血管損傷、循環器疾患、腎臓障害、神経障害（神経損傷）および糖尿病性網膜症を含む多くの二次合併症に至る可能性があるため、管理不良の糖尿病に掛かる長期的な負担は非常に大きい。これらの二次合併症が進行するにつれ、治療費も漸進的に増加する。
【０００６】
糖尿病の治療法は未だ見つかっておらず、患者は病状を管理することしかできない。糖尿病管理は、血糖測定器による血中ブドウ糖値の正確な測定が基本である。これにより、血中ブドウ糖値のより厳格なコントロール、すなわち注射による的確なインスリン投与（Ｉ型患者）と、糖尿病薬の経口投与（ＩＩ型患者）とが可能になる。従って、血中ブドウ糖値を適時かつ正確に監視することは非常に重要である。
【０００７】
糖尿病の管理と監視に掛かるコストは莫大であり、ＥＵの場合、全保険医療予算の１０％を占める。ここから、糖尿病のような慢性状態の管理には、非常に高いコストが掛かることが分かる。診断の早期段階で糖尿病を適切に管理することは、より高費用を要する後の合併症を予防することにつながる。より適切な血中ブドウ糖コントロールと管理は、政府が進める、管理不良糖尿病患者の入院数低減に向けた取り組みの一つである。監視の頻度と測定の精度とを改善することにより、糖尿病に掛かる経済的負担増加を抑制できれば、医療機関にとってコスト面の大きな恩恵となる。
【０００８】
非侵襲型の血中ブドウ糖値測定システムがあれば、健康面での効果は大きいだろう。第１に、ブドウ糖値測定のための患者からの採血が不要となる。これにより、採血針で指を刺すときの痛み、高価なストリップ、衛生および感染症の問題、致命的な誤測定につながりかねない血糖測定器汚染のリスクなどがなくなる。第２に、現時点では医療制度による完全な支援を受けていない患者、すなわちＩＩ型糖尿病患者および糖尿病前症患者にとって、定期的な血糖値監視が可能となる。最後に、投薬制御をインスリンポンプに頼る患者にとって、組み込み型フィードバック機能によりポンプの自動調整を可能とするこのシステムは理想的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非侵襲型の生物医学アプリケーションの多くは、人体を含む生体物質を貫く電磁放射線の相互作用、または伝搬に基づく。しかしながら、マイクロ波の特性自体、およびその生体組織との相互作用に起因する基本的な課題があることが分かっている。皮膚は、入射ラジオ波を遮蔽し反射する。これは、組織の比誘電率と伝導率が、空気の場合より高いことによる。すなわち、電磁気学用語でいうインピーダンス不整合が発生する。これにより透過エネルギーが減少し、適用技術の精度が低下する。これはおそらく、ラジオ波伝搬を医療に応用したときの最大の課題だろう。他の主要な医療応用では、これは別の欠点につながる。例えば、マイクロ波画像技術を用いた血中ブドウ糖値測定では、解像度と精度が劣化するが、これに対し温熱療法では、有害となり得るより高いエネルギーが必要となってしまう。
【００１０】
このインピーダンス不整合の問題が解決されていれば、より正確なデバイスであって、よりエネルギー消費が少なく、よりコンパクトなものが実現でき、ラジオ波の医療応用に非常に大きな影響を与えただろう。
【００１１】
最近この分野は進歩している。発明者自身による以前の特許出願（英国特許出願公開第２５００７１９号）は、メタマテリアルを用いることにより、ターゲット内部への電磁放射線の結合を強化したデバイスを開示している。
【００１２】
メタマテリアルは人工的に生成された物質で、負の屈折率や電磁クローキングなど、自然物質にはない電磁特性を持つことができる。メタマテリアルは、１９６０年代に初めて理論的特性が公表され、最近１０年ないし１５年の間に、デザイン、技術、および製造の面で著しい発展があった。メタマテリアルは典型的には、多数のユニットセル、すなわち複数の個別要素（しばしば「メタアトム」と呼ばれる）から構成される。これらの要素のサイズは、動作時の波長より小さく、典型的にははるかに小さい。各要素は、少なくとも一つの方向に「サブ波長」の寸法を有するといってもよい。このユニットセルは、金属、プラスティック、または誘電体のような通常の物質から微視的に形成される。しかしながら、その正確な形状、幾何学的特徴、サイズ、方向、および配置は、放射線に対し、通常にはない仕方で巨視的に影響し得る。例えば共鳴の生成や、巨視的誘電率および透磁率の異常値の発生などである。
【００１３】
入手可能なメタマテリアルの例として、負屈折率メタマテリアル、カイラルメタマテリアル、プラズモンメタマテリアル、フォトニックメタマテリアルなどがある。サブ波長という特性から、マイクロ波周波数で機能するメタマテリアルの場合、典型的なユニットセルのサイズは数ミリメートルである。一方、スペクトルの可視光領域で機能するメタマテリアルの場合、典型的なユニットセルのサイズは数ナノメートルである。メタマテリアルは、ある狭い周波数領域において、放射線を強く吸収することができる。
【００１４】
通常の物質では、透磁率や誘電率などの電磁パラメータは、その物質を構成する原子または分子を電磁波が貫いたときの反応によって決まる。一方メタマテリアルの場合、これらの電磁特性は、原子または分子レベルでは決まらない。代わりに電磁特性は、メタマテリアルを形成する導電材料や要素など、より小さい物体を集合するときの選択と配置によって決まる。この小物体の集合と構造は、通常の物質のような原子レベルにあるようには「見られない」。しかしメタマテリアルは、通常の物質の場合と同様、電磁波が自身を貫くようにデザインすることができる。さらにこの小物体の組成と構成を用いて、メタマテリアルの特性を決めることができる。これにより、透磁率や誘電率などの電磁特性を微小なスケールで正確に調整することができる。
【００１５】
英国特許出願公開第２５００７１９号明細書は、ユニットセルの周期的なアレイを備えるメタマテリアルの利用について開示する。特にこの開示では、ユニットセルとアレイはいずれも規則的であった。一方本明細書では、本発明者によるさらなる改良について述べる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の態様は、添付の独立請求項で規定される。
【００１７】
要約すると、生体物質の外部から内部へ、または内部から外部へ電磁放射線を結合させるためのデバイスが与えられる。このデバイスは、メタマテリアルを備え、そのメタアトム要素のうち少なくとも２つは異なる。特に、メタマテリアル要素のサイズ、かつ／または、形状は異なる。選択的には、メタマテリアル要素の少なくともいくつかは、非対称であるか、対称軸を一つだけ持つ。選択的には、メタマテリアル要素のアレイは不規則である。構成要素の寸法は、適用先に合わせて最適化される。また、２つの結合デバイスを備えるセンサが与えられる。
【００１８】
メタマテリアル要素は、電磁放射線の強度、かつ／または、位相に影響を与えるように構成される。本開示に係るメタマテリアル要素は、大きなエネルギーが貯蔵できるようには設計されない。構成要素のサイズ、形状、寸法、および位置を調整することにより、反射を低減することができる。反射性は、皮膚や瓶などの容器に起因するといってよい。波の集束など別の効果を、電磁放射線に与えることもできる。
【００１９】
本開示の実施形態を、以下の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】周期的パターンを持つメタ表面を示す図である。
【図２】非周期的パターンを持つメタ表面を示す図である。
【図３】周期的配置における、複数のメタ表面の層を示す図である。
【図４】非周期的配置における、複数のメタ表面の層を示す図である。
【図５】正常入射する電磁波を４５度屈折させるシートインピーダンスの、実数部分と虚数部分を示すグラフである。
【図６】図５のシートインピーダンスから導出される、反射係数と透過係数を示すグラフである。
【図７】メタ表面要素のデザインの一例を、様々な方向から示す図である。
【図８】デザイン例において、上部のメタ表面要素の平行な銅バーの長さを変えたときのＳ−パラメータをプロットしたグラフである。
【図９】デザイン例において、底部のメタ表面要素の金属リングの隙間を変えたときのＳ−パラメータをプロットしたグラフである。
【図１０】メタマテリアル要素の寸法に関する最適化の進行を示すグラフである。
【図１１ａ】６０ＧＨｚにおけるメタ表面要素の、最適化した幾何学的特徴を示す図である。
【図１１ｂ】実施形態に係るメタ表面構造を示す図である。
【図１１ｃ−１１ｅ】実施形態に係るメタ表面構造を示す、さらなる図である。
【図１１ｆ−１１ｈ】近接領域焦点合わせ部品の例を示す平面図である。
【図１１ｉ】本開示に係るメタ表面が人間の皮膚に対向して置かれた場合の、パワー侵入のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２ａ−１２ｍ】いくつかのデザイン形状を示す図である。
【図１３】システムの概観図である。
【図１４ａ】実施形態に係るセンサ計測デバイスのシステム構成を示す図である。
【図１４ｂ】実施形態に係る別のセンサ計測デバイスのシステム構成を示す図である。
【図１５ａ−１５ｄ】シングルおよびデュアルセンサのいくつかの例を示す図である。
【図１６】インピーダンスアナライザを備えるチューニングアンテナを示す図である。
【図１７ａ−１７ｃ】使用中のセンサを示す図である。
【図１８ａ−１８ｂ】人間の手を貫く計測システムを同寸で示す図である。
【図１９ａ−１９ｂ】周期的パターン（ａ）と非周期的パターン（ｂ）のアンテナ配置を備えるメタ表面を示す分解図である。
【図２０】アンテナと３つのメタ表面の層とを示す側面分解図である。
【図２１】水とブドウ糖を含む試料において、出力信号をブドウ糖濃度の関数でプロットしたグラフである。
【図２２】水とブドウ糖、水とブドウ糖と塩、水と塩を含む試料において、出力信号を濃度の関数でプロットしたグラフである。
【図２３】水と非常に少量のブドウ糖を含む試料において、出力信号をブドウ糖濃度の関数でプロットしたグラフである。
【図２４】パーム核油と菜種油との混合油において、出力信号をパーム核油濃度の関数でプロットしたグラフである。
【図２５】異なる油種に関し、コール−コールモデルの緩和周波数を示すグラフである。
【００２１】
図面において、同じ要素は同じ番号を用いて参照する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施形態では「生体物質」に言及するが、これは典型的には、植物性物質、動物性物質、あるいはその他の生命体内にある物質である。これは、人間の組織（手、皮膚、筋肉、耳など）、動物の組織（マウス、牛、豚などに由来する）、水、血液、乳、唾液、涙、尿、炭酸飲料、果汁、ワイン、油などを例として含む。しかしながら本開示は、あらゆる生体物質試料に等しく適用できると理解してよい。
【００２３】
実施形態では「不規則な」形状に言及するが、これは対称軸を持たないか、対称軸を１つだけ持つ形状を含む。
【００２４】
メタマテリアルは、厚さが電磁放射線の第１波長以下の基材と、基材によって支持される複数の要素とを備える。ここで各要素は、電磁放射線の第１波長以下である第１寸法を有する。実施例では「メタ表面」に言及するが、これは特定のタイプのメタマテリアルであると考えてよい。特にメタ表面は、複数の要素のうち少なくとも２つが同一でない、あるいは互いに異なるメタマテリアルである。ここで同一でないとは、要素のサイズ、形状、方向、または組成のうちのいずれか１つ、もしくは複数が同一でないことをいう。メタ表面は必ず二次元である。
【００２５】
（電磁放射線を結合するためのデバイス）
概要として本開示は、皮膚を貫くラジオ波の侵入を促進するために、すなわち不整合問題を解決するために、ある種のメタマテリアルを利用することについて述べる。これは、一部のメタマテリアルが持つ、新しく特別な電磁特性を利用することによって達成される。
【００２６】
通常メタマテリアルは、周期的パターンで配置されたユニットセルを備える。しかし本発明者は、しばしば「メタ表面」と呼ばれる特定のタイプのメタマテリアルが、生体物質試料、特に容器中の生体物質試料に電磁放射線を結合させるために、非常に有効であることを見出した。
【００２７】
メタ表面は製造が容易な上、損失の少ない構造をもたらす可能性を与える。メタ表面の特性は、周期性と構成要素のデザインとによって決まる。同一の要素を規則的に配置した他のメタマテリアルと異なり、一般にメタ表面は異なる要素を備えることに注意されたい。同様に、メタ表面要素の配置は、必ずしも周期的ではない。本開示は、メタマテリアルであって、複数のサブ波長要素のうちの少なくとも２つが、形状、かつ／または、サイズ、かつ／または、組成、かつ／または、方向の点で異なるものに関する。
【００２８】
図１は、本開示に係るメタ表面１００で、基材１０１と複数の要素１０３とを備えるものを示す。図１に示されるように、要素１０３の各々はサイズと形状の点で異なる。しかしこの実施形態では、要素１０３は、ほぼ規則的なアレイ状に配置されている。すなわち、隣接する要素の中心間距離は、２つの直交する方向でほぼ一定である。
【００２９】
従って、電磁放射線を結合するためのデバイスであって、第１メタマテリアルを備え、この第1マテリアルは、厚さが電磁放射線の第１波長以下である基材と、基材に支持される複数の要素とを備えるものが提供される。ここで各要素は、電磁放射線の第１波長以下である第１寸法を有し、複数の要素のうち少なくとも２つは同一でない。
【００３０】
有利なことに本発明者は、メタ表面を使うことにより、通常のメタマテリアルで発生する、共鳴に係る損失を著しく低減できることを発見した。実際、複数の要素のうち少なくとも２つが同一でないメタマテリアルを使うことにより、ほとんど損失のないシステムを実現できる。さらに有利なことには、この種のメタマテリアルは非常に薄く、製造が容易である。従ってこのメタマテリアルは、生体物質、特に容器中の生体物質に用いるセンサとして、より好適なものとなる。特にこのデバイスは、反射防止コーティングのような反射防止材として非常に好適である。これらの利点が達成されるのは、サイズ、かつ／または、形状が異なる要素を使うことにより、インピーダンス整合、かつ／または、電磁放射線の整形が可能となることによる。
【００３１】
ある実施形態では、第１寸法は、電磁放射線が伝搬する方向の長さである。ある実施形態では、第１寸法は各要素の厚さである。従って各要素は、より大きな容積を必要とする、実質的なエネルギー貯蔵機能を提供するようには設計されてはいない。ある実施形態では、各要素のすべての方向の長さが、電磁放射線の波長より短い。ある実施形態では、第１波長は、第１波長を含む波長の帯域を含む。
【００３２】
図１に示される要素１０３のいくつかは、不規則、かつ／または、非対称と考えてよい。すなわちある実施形態では、要素のうち少なくとも１つは不規則な形状を有する。ある実施形態では、複数の要素のすべてが不規則な形状を有する。有利なことに、これによりメタ表面の性能を調整するときの自由度が増すため、メタ表面特性のより精密な調整が可能となる。
【００３３】
ある実施形態では、生体物質は容器に固定されている。ある実施形態では、生体物質は容器の中に閉じ込められている。ある実施形態では、生体物質は血液であり、容器は皮膚を含む。ある実施形態では、生体物質は食料品であり、容器はプラステッィクボトルである。以下、さらなる例が与えられる。
【００３４】
図２は、各要素が非周期的なパターンで配置された実施形態を示す。図２は、メタ表面２００が、基材２０１と、不規則に配置された複数の要素２０３とを備えることを示す。要素２０３はまた、サイズと形状が不規則である。必ずしもアレイの要素のすべてが不規則に配置されている必要はない。ある実施形態では、要素の少なくとも一部が不規則なアレイ状に配置されている。さらなる実施形態では、すべての要素が不規則なアレイ状に配置されている。有利なことに、要素を不規則に配置することにより、メタ表面特性のより精密な調整が可能となる。
【００３５】
図２および図３に示すメタ表面は実質的に平面状である。すなわちある実施形態では、基材は平面状である。メタ表面は、電磁放射線がメタ表面平面に垂直な方向に通過するようにデザインされている。別の実施形態では、メタ表面は平面状でないか、球面状あるいは円柱状にカーブしている。ある実施形態では、メタ表面は柔軟性を持つ。電磁放射線がより小さいサイズのメタマテリアルを通過することにより、メタ表面を貫く透過に伴う損失が低減する。
【００３６】
ある実施形態では、基材は誘電体で、各要素は導電体である。ある実施形態では、各要素は、金属、複合素材、またはブラッグ反射器を含むナノ複合素材などの均質な材料を備える任意の導電体から形成される。各要素は、例えば、銀、金、銅、かつ／または、アルミニウム、もしくは他の任意の金属で、対象波長の波を反射するものから形成されてもよい。
【００３７】
当業者は、誘電体支持構造上の導電体材料を作成するために、いかなる適切な技術を用いてもよいことを理解するだろう。ある実施形態では、エッチング、フォトレジストエッチング、ｅ−プリンティング、またはリソグラフィ技術が使われる。別の実施形態では、自己組織化ケミカルプロセスが使われる。
【００３８】
代替的な実施形態では、基材は導電体で、各要素は誘電体である。
【００３９】
各要素の厚さは、数マイクロメートルから数センチメートルでよい。各要素の少なくとも１つの方向の長さは、サブ波長である。
【００４０】
金属および誘電体の要素を「サブ波長で」周期的に配置すると、この周期的な導電体材料は特定の共鳴周波数（または波長）で共鳴することができる。少なくとも部分的に共鳴が発生する共鳴周波数を中心とする、狭い周波数帯域が存在し得ることを、当業者は理解するだろう。共鳴周波数では、放射線は少なくともその一部がメタマテリアルに「キャプチャ」される。その後、例えば強め合う干渉により増幅が発生する。メタマテリアルはある種の導波路を形成する。この「導波路」内部の場は、導波路と結合して閉じ込められ、増幅が可能となる。以上のように、放射線のターゲット内への侵入を促進するデバイスが提供される。
【００４１】
ある実施形態では、デバイスは、ソースとターゲットの媒体に合わせて調整される。入射波は、メタマテリアルの導電体材料を、電気抵抗が最小となる経路に沿って進むことが分かっている。例えばソースが平面波を放射する場合は、対称的な導電体要素が好ましいだろう。導電体の形状と配置はまた、入射放射線の偏光と整合するものが選ばれる。例えば、水平偏光および垂直偏光の放射線に対しては、水平および垂直の特性を持つ導電体要素が好ましいだろう。
【００４２】
導電体要素の特性として、対象波長に合わせて最適化された長さを持っていてもよい。ある実施形態では、長さに関する主要な特性は、入射放射線波長の約半分である。例えば螺旋や通常の蛇行線など、長い要素を持つ導電体材料は、比較的長い共鳴波長を持つ。共鳴波長を長くするためには、例えば螺旋や蛇行線の巻数を増やしてもよい。例えば、円偏光や楕円偏光した放射線に合わせて最適化するために、導電体要素は、左巻きや右巻きなどの回転感受性を備えてもよい。各要素の形状とサイズは、実験または数値計算により最適化してもよい。
【００４３】
ある実施形態では、要素の形状の最適化は、デバイスがある波長の波の侵入長を延長するときの、数値シミュレーションによって達成される。また、出力波がある特性を持つこと、例えば透過が最大となる、位相面が集束波となる、あるいは特定の偏光状態（例えば、直線偏光や右円偏光）にあるといった特性を持つことを目的に、入射波の強度と位相に変化を与える形状となるように、要素の最適化を行うこともできる。ある実施形態では、システムのモデルは、電磁シミュレータを使ってデザインされる。このモデルは、システムのあらゆる構成要素、すなわち、ソース媒体、デバイスの１つ以上の部品、ターゲット媒体、および画像化が必要なターゲット媒体内のその他のあらゆる特徴などを含む。続けて、誘電率、透磁率、伝導率または損失などの電磁特性が、各構成要素の周波数の関数として特定される。続けて、システムのＳ−パラメータ（反射と透過）が、周波数の関数として評価される。透過が最大になるときの周波数帯域が、最適なシステム動作領域を表すといってよい。別の実施形態では、透過が最大になることを目的とせず、各メタ表面要素背後の各位置に、特定の位相と強度とを持つ透過波を作ることを目的とする。例えば、入射波に対して特定の角度をなして伝搬する出力波を形成するように、位相がメタ表面要素に沿って線形に変化してもよい。各要素の幾何学的特徴が変化すると、それに応じて透過のピークも変化する。従って、１つまたは複数の対象周波数（例えば、入射波を生成するアンテナシステムの放射周波数）に対応する動作周波数を調整するために、形状（または周期）を変えることができる。
【００４４】
メタマテリアルの動作原理は、メタマテリアルが特定の周波数の周辺で強く共鳴することにある。この周波数において、アレイを通過する波の透過度は数倍にまで拡大し、これによりターゲットを貫く波の侵入が増加する。すなわち複数の要素は、電磁放射線の第１波長で共鳴するように、集合的に配置される。その共鳴条件はアレイ要素の幾何学的配置によって決まり、特定のターゲットの上に置いたときに透過が最大となるよう最適化される。すなわちデバイスの構成要素は、ターゲットごとに調整される。
【００４５】
複数の要素の各々は、ソース、容器、および生体物質に合わせて個別に調整してもよい。本開示に係るメタ表面を設計するために、これを透過線要素でモデル化してもよい。例えば、メタ表面は２つの媒体間の整合スタブとして機能することができ、そのインピーダンスは、一方の媒体から他方の媒体への理想透過が最大となるよう設計することができる。透過係数は、解析モデルを使ったときのシートインピーダンスに関係する。メタ表面のインピーダンスは、ユニット要素のカスタムデザインを決定する（例えば、シミュレーションソフトによるテストを受ける）。これが１つのパターンに結合されると、対象周波数において必要な反応をして、入射放射線の強い侵入と弱い反射をもたらすメタ表面となる。
【００４６】
ある実施形態では、メタ表面は、透過側で特に人間の組織と相互作用するようにデザインされ、使われる。具体的にはメタ表面は、（１）組織又は生体細胞試料を貫く透過が最大となる、かつ／または、（２）入射エネルギーが受信試料内部の特定のスポットに焦点を結ぶようにデザインされる。これは、入射波に与えるべき理想的な位相に基づき、メタ表面要素の形状を最適化することにより達成される。
【００４７】
透過線の考え方は、メタ表面が、空気と皮膚組織との間の整合スタブとして機能できることを示す。空気と皮膚との特性が分かれば、透過係数と反射係数とを導出し、これらの係数をメタ表面のシートインピーダンスと関係付けることができる。このインピーダンス特性は、サブ波長のユニット要素のカスタムデザインを決定する。このカスタムデザインは、入射波を微視的に「操作」し、インピーダンス整合に必要なリアクタンスを提供する。このカスタムデザインは、計算機を用いた数値計算により得ることができる。このモデリングの実施後、算出された構造は、電磁評価ソフトを用いて評価および最適化される。
【００４８】
基材は、成形された要素の支持構造として機能する。ある実施形態では、成形された要素は基材の表面に塗布される。別の実施形態では成形された要素は基材内に組み込まれる。成形された要素のアレイは様々な方法で基材上に支持できることを、当業者は理解するだろう。ある実施形態では、基材は柔軟性を持つ。別の実施形態では、デバイスは、複数の金属層、かつ／または、複数の誘電体層を備える複数層デバイスである。
【００４９】
（メタ表面のデザイン例）
以下は、メタ表面アレイのデザインの仕方の例である。
【００５０】
メタ表面の目的は、入射波の方向に沿って、特定の位相と強度とを変化させることにある。メタ表面の特性は、求められる電場と磁場とについての、メタ表面の前後における値の比によって決まる。
【００５１】
メタ表面デザインにおける最初のステップは、動作周波数における必要なシートインピーダンスの決定である。
【数１】
0006768514.tif 000002
【数２】
0006768514.tif 000003
ここで、ＹｅｓとＺｍｓとは、メタ表面のシートアドミタンスとシートインピーダンスである（これらは周波数と場所の関数である）。ＨとＥとはそれぞれ、メタ表面周辺の電場と磁場である。上付き添字（ｙまたはｚ）は、ベクトル場の成分を示す。下付き添字はメタ表面の場所、すなわち前（数字＝１）または後（数字＝２）を示す。本例では、波はｘ方向に伝搬し、メタ表面はｙ−ｚ平面に位置する。
【００５２】
本例は、空中から４５度の角度をなして入射する平面波を、周波数６０ＧＨｚで屈折させるメタ表面のデザインに関する。これに代えてメタ表面のデザインを、透過側のターゲット媒体（例えば、生体物質）内部の特定の場所に波の焦点を結ばせるために、あるいはインピーダンスを正確に整合させる（透過を最大にする）ために行うこともできる。重要な因子は、求められる電場と磁場とについての、メタ表面の直前と直後における値の比である。図５に、メタ表面の長さ方向（伝搬方向と垂直方向）に沿った場を計算した後に得られた結果を示す。
【００５３】
図５には周期性が現れている。この周期性はメタ表面の周期性となり、さらに個々のユニットセルに分割される。典型的には５個から２０個の要素が、それぞれｙ軸に沿った周期性を持つ。解像度を高めるために、より多くの（より小さい）要素を用いてもよい。
【００５４】
シートインピーダンスが分かると、式１．３と式１．４とを用いて、反射係数と透過係数とを算出することができる。
【数３】
0006768514.tif 000004
【数４】
0006768514.tif 000005
ここでηは背景媒体の波インピーダンスである。図６は、図５のシートインピーダンスから算出した反射係数と透過係数とを示す。
【００５５】
本開示に係るメタ表面は異なる複数のユニットセルから形成されるが、検討はその中の一つのデザインに集中されるだろう。ある実施形態では、デザインの開始時に、ユニットセルの一つが慎重に「徹底調整」される。本例では、各メタ表面要素は、誘電体基材（例えば、テフロン（登録商標））の片方の面上に、２つのサブ要素を具備する。
【００５６】
図７は、本例に係るメタ表面要素を様々な方向から示す。
【００５７】
目標は、このブロックに求められる性能を達成するために、式１．５に従うＳ−パラメータを得ることである。
【数５】
0006768514.tif 000006
【００５８】
図８は、上部要素のロッド長と、底部要素のリングの隙間とを変化させるシミュレーションにより得られた、メタ表面要素のＳ−パラメータを示す。
【００５９】
図９は、底部メタ表面要素の金属リングの隙間を変化させて得られたＳ−パラメータを示す。
【００６０】
これにより、第１近似解を得ることができる。しかし最も正確な値を得るためには、最適化を行う必要がある。この最適化は、例えばシミュレーションソフトを用いて行ってもよい。
【００６１】
図１０は、メタ表面要素の寸法に関する最適化の進行を示す。
【００６２】
最適化後に得られるＳ−パラメータは以下の通りである。
【数６】
0006768514.tif 000007
【００６３】
図１１ａは、最適化されたメタ表面要素を示す。最適化されたＳ−パラメータは、図８および図９で垂直線により示される。ある実施形態では、各メタ表面要素は一般に、または実質的に十字架状である。
【００６４】
各メタ表面要素は、同様の方法でデザインできる。
【００６５】
ある実施形態では、誘電体基材によって分離された金属製の、十字架およびいわゆるエルサレム十字架の組み合わせを備えるメタ表面が与えられる。ある実施形態では、誘電体基材は液晶ポリマーである。図１１ｂは、１つの誘電体層で分離され、２つの誘電体の間に挟まれ、パターンの刻まれた、２つの金属層を備える実施形態の分解図である（層の総数は５）。図１１ｃは、剥き出しのメタ表面構造の概観図である（誘電体の両面に２つの金属パターンを備える）。ある実施形態では、金属パーツは誘電体に組み込まれている。別の実施形態では、金属パーツが誘電体から突出している。図１１ｄと図１１ｅとは、金属層の上面図と下面図である。
【００６６】
ある実施形態では、メタ表面要素は、近接領域に集束を形成するために最適化される。この「近接領域焦点合わせ構造」は、回折限界より小さい微小なサイズの焦点合わせを実行することにつながる。従って、メタ表面は、試料、例えば容器内の生体試料の内部に焦点を結ぶことができるようにデザインされることもある。通常の物質では、焦点合わせは一般に、均質材料（例えばガラスなど）を適切に成形し、レンズ状の構造を作成することによって行う。本開示に係るメタ表面は、構造が平面形状を保つこともあるが、それは最早均質ではなく、異なる金属製および誘電体製の要素から構成される。
【００６７】
（追加層）
デバイスは複数のメタ表面を備え、メタ表面ごとに異なる調整をされてもよい。例えば、各メタ表面は、異なる波長で共鳴するように構成されてもよい。ある実施形態では、複数のメタ表面の共鳴波長が少なくとも部分的に重なり合うことにより、準広帯域デバイスが形成される。準広帯域デバイスでは、隣接する層の共鳴周波数は、例えば半波長の整数倍異なっていてよい。
【００６８】
ある実施形態では、デバイスは、第１メタマテリアルと結合する第２メタマテリアルをさらに備える。ここで、第２メタマテリアルは、厚さが電磁放射線の第２波長以下である基材と、基材に支持される複数の要素とを備える。ここで各要素は、電磁放射線の第２波長以下である第１寸法を有し、複数の要素のうち少なくとも２つは同一でない。
【００６９】
ある実施形態では、第２マテリアルは第１マテリアルと共同し、電磁放射線の第２波長で共鳴するように構成される。ある実施形態では、第１波長と第２波長とは異なる。別の実施形態では、第２波長もまた、第２波長を含む波長の帯域を備える。
【００７０】
ある実施形態では、上記の近接領域焦点合わせを行うために、近接領域焦点合わせ部品が追加的に与えられる。ある実施形態では、近接領域焦点合わせ部品は、本開示に係るＥＭ放射線結合デバイスに直接隣接して置かれる。ある実施形態では、接領域焦点合わせ部品は、２２ｍｍ×２２ｍｍ×０．３６８ｍｍの構造を持つ。これは、２ｍｍ周期で並ぶ、より小型の正方形ユニットセルで形成される。このユニットセルは、誘電体層により分離される３層の金属要素を備える。レンズには、広い領域の透過（Ｓ２１）フェーズを持つユニットセルが必要である。適切なデザインを得るために、Ｓ２１フェーズと強度とに影響を与えるパラメータを変化させて、数値シミュレーションを行ってもよい。本発明者は、単一の要素だけでは、より広いフェーズの領域は得られないことを見出した。従ってある実施形態では、近接領域焦点合わせ部品は、複数層の要素を備える。本発明者は、ある実施形態では、３層のデザインを使うことにより、選択したすべてのセルが０．８より高いＳ２１強度を有しつつ、総透過量を高く保つことができることを見出した。３層の要素を備えるユニットセルにより、３６０°のＳ２１フェーズ領域が生成できた。ある実施形態では、外側の２つの要素は長方形のバー状であり、内側の要素は分裂したリング整流子状である。ターゲットの焦点距離は１８ｍｍである。
【００７１】
近接領域焦点合わせ部品の一例を、図１１ｆ（斜視図）、図１１ｇ（前面）、および図１１ｈ（後面）に示す。
【００７２】
ある実施形態では、アンテナとＥＭ放射線結合デバイスとの間に、アンテナが放射する電磁波を整形するための追加層が与えられる。この追加層は、ビーム整形層であると考えてよい。ビーム整形層は、放射線パターンの強度、かつ／または、位相を整形する。ある実施形態では、ビーム整形層は、放射線パターンの形を本開示に係るＥＭ放射線結合デバイスに合わせて最適化する。ある実施形態では、この層は適切に整形された誘電体または非金属物質である。別の実施形態では、この層自体が、誘電体基材上の金属部品の周期的組み合わせのようなメタマテリアルまたはメタ表面である。ある実施形態では、ビーム整形層は、テフロン、液晶ポリマー、Ｒｏｇｅｒｓ３０００またはＲｏｇｅｒｓ４００シリーズの材料、もしくはその他の誘電体材料で衝突波に位相を与えるものを備える。ある実施形態では、ビーム整形層は、銅、アルミナ、またはその他の高い電気伝導度を持つ物質をさらに備える。
【００７３】
ある実施形態では、デバイスをターゲットに結合するための、使い捨て可能な生体適合層が与えられる。ある実施形態では、使い捨て可能な生体適合層は衛生のために与えられる。別の実施形態では、使い捨て可能な生体適合層は、誘電体部品、選択的には導電体要素の平面アレイを支持するための誘電体部品を備える。使い捨て可能な生体適合層は、デバイスのその他の部分に合わせて「調整」されてもよい。使い捨て可能な生体適合層は、変形可能、かつ／または、人体の一部に装着可能な形状であってよい。使い捨て可能な生体適合層は、ポリマーに基づく材料でできていてよい。
【００７４】
従ってある実施形態では、デバイスは、複数の金属含有層、かつ／または、複数の誘電体含有層を含む、複数層のデバイスであると理解してよい。有利なことに複数層の構造は、高い透過性を維持しつつ、好適な広いフェーズ領域をカバーするよう構成することができる。ある実施形態では、本構造は少なくとも３つのメタ表面層を備える。ある実施形態では、各層の厚さは、λ／２００からλ／３、選択的にはλ／１５０からλ／５０、さらに選択的にはλ／１２０からλ／８０である。有利なことに本発明者は、この各層の厚さの制限により、伝搬（ビームの広がり）に起因して、対象とする波がターゲットに到達する前に（またはデバイスを完全に透過する前に）大きく減衰する現象を確実に防げることを見出した。この各層の厚さの制限はまた、デバイスのサイズを最小化することにも貢献する。
【００７５】
（生体物質のためのセンサ）
ある実施形態では、耳たぶ、手、またはその他の血液の多い人体部分にクリップ止めされる、ウェアラブルなデバイスが与えられる。このデバイスは血中ブドウ糖値変化を、非侵襲的な方法で、即時的または継続的にリアルタイム監視する。このラジオ波センサは、数千の個々には低パワーのラジオ波信号を生体組織との間で送受信する。その後これらのラジオ波信号は統合され、アルゴリズムを用いて正確な血中ブドウ糖値が読み取られる。ブドウ糖値は選択的に、数秒以内にデバイス上に表示するか、ブルートゥース（登録商標）を経由してモバイルアプリケーションに送信することができる。これにより患者はデータを管理し、警告を受けることができるようになる。さらに選択的には、データはその後、暗号化されたクラウドベースの履歴記録システムに安全にアップロードされ、患者や医師が利用できる。
【００７６】
ある実施形態では、人間の血液を通過する非イオンミリ波の透過と反射による、非侵襲型ブドウ糖測定デバイスが与えられる。本開示に係るデバイスは、１０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数帯域で適用可能である。しかしある実施形態では、この周波数帯域は４０ＧＨｚから１００ＧＨｚである。この帯域は、医療および通信応用のために開放され、利用可能なスペクトル領域である。歴史的にはこの周波数帯域は、ブドウ糖値測定の分野ではまだ十分検討されていない。
【００７７】
電磁波を用いた非侵襲型ブドウ糖監視には主に２つの方法がある。第１の方法は、低周波数帯、典型的にはＭＨｚ帯または数ＧＨｚ（最大５ＧＨｚ）帯のラジオ波を使う。第２の方法は、それよりはるかに高い周波数、すなわちスペクトルの光領域を使う。いずれの方法でも、基本的な制約要因は常に皮膚層回避に関係する問題であった。皮膚層を回避するためサンプリングは間質液層に限られ、これが有効な測定精度と測定速度を制限していた。静脈内と比べて、間質液内のブドウ糖感受性には最大３０分の遅延があることが報告されている。間質液は、皮膚の直下で、動脈と毛細血管の外側の部分にある。
【００７８】
本帯域を用いた測定には、他の非侵襲型測定法より優れる２つの際立った利点がある。第１は、この波の波長（空気中で約５ｍｍ）は、耳たぶのような人間の組織に侵入するのに十分長いと同時に、組織内部の血液領域で求められる分解能を与えるのに十分短い。第２は、短波長の波を生成するために必要なアンテナは、その波と同程度に小さい。すなわち、必要な電子部品とブドウ糖値測定に必要な処理能力とを備え、耳たぶなどの人体に継続的に装着可能な、移動可能の小型無線センサが実現できる。
【００７９】
４０−１００ＧＨｚ帯は、生物試料の内部まで十分深く浸透可能な波長の波を生成するため、それよりはるかに短い（数ミクロン領域の）波長を使う光学的方法に比べ、さらなる利点を持つ。一般に水を基本とする試料または組織試料は、損失が非常に大きく、著しいインピーダンス不整合を発生する。その結果、より短い波長の波は、侵入する際に長い電気的構造を感じ、進行とともに著しく減衰する。本発明者は、周波数の最大値は１０００ＧＨｚであることを確認した。これより高周波では短波長となりすぎるため、著しい減衰を伴わずに、波が生体物質試料に深く侵入することができない。
【００８０】
マイクロ波やラジオ波を使う他の誘電体分光法では、上記よりはるかに低周波（長波長）の、典型的には１０ＧＨｚ以下の周波数の、すなわち波長３ｃｍ以上の波を利用する。この波長は、大きな減衰を伴うことなく、電気的に小さい試料を感知する目的に対しては十分長い。一方いくつかの試料に対しては、試料内部の詳細を分析するには十分短くないため、平均的で巨視的な情報しか与えない。さらに、例えば試料が３ｍｍ以下（耳たぶなど）のように薄い場合、それより１０倍以上の波長の長い波は、試料から高精度の情報を感知することができない。従ってある実施形態では、周波数の最小値は４０ＧＨｚである。これより低周波では、長波長となりすぎるため、再現可能な高精度で試料内の微細な詳細や含有物を感知することができない。
【００８１】
結論として本発明者は、波の減衰を伴わずに正確な感知測定を実現する最適な周波数帯域は、１０ＧＨｚ−３００ＧＨｚ、選択的には４０ＧＨｚ−１００ＧＨｚであることを見出した。さらに具体的には、５９ＧＨｚ−６４ＧＨｚおよび６８ＧＨｚ−７２ＧＨｚの２つの周波数帯域が、生体物質試料に特に好適であることを見出した。さらにある実施形態では、４ＧＨｚ−６ＧＨｚの周波数帯域で、よりよい結果が得られることを見出した。
【００８２】
共鳴法を用いてブドウ糖値を評価することについては、過去にも多くの試みがなされてきた。これらは非常に正確で、物質の特性を解明する目的で何年にもわたり使われてきた。他のすべての要因が一定であれば、これらの方法を使ってブドウ糖値を正確に測定できる点に疑いはない。しかしこれらの方法の最大の利点は、最大の弱点でもある。すなわち、別の人間、あるいは生理学的に変化した皮膚（加齢、妊娠中、発汗／湿潤、または乾燥など）に対してこれらを用いると、測定結果は誤ったものとなる。皮膚には毛穴があり、これは体温を一定に保つために使われる。簡単な例では、高温の部屋に移動すると汗腺は発汗を生じるが、これは正確な測定を阻害する。本開示に係る構造は、この皮膚効果を軽減し、かつ／または、電磁放射線が皮膚内部に十分侵入することを可能とする。一方他の方法では、この電磁放射線は、皮膚で反射されてしまうであろう。
【００８３】
ある実施形態では、本開示に係るデバイスは、皮膚および他の生体組織での反射を最小化するように構成される。ある実施形態では、対象とする生体物質は血液であり、デバイスは皮膚での反射を最小化するように構成される。これに基づき、ある実施形態では、皮膚用の反射防止コーティングが与えられる。これらの実施形態では皮膚は、対象とする生体物質の容器と考えてよい。
【００８４】
図１１ｉは、本開示に係るメタ表面を使ったときの、人間の皮膚へのパワー侵入のシミュレーション結果を示す。具体的には図１１ｉは、厚さ０．５８ｍｍの皮膚に接する構造に関し、反射パワー、透過パワー、および散逸パワーを周波数に対して示す。実線は、メタ表面と皮膚とがある場合に相当する。点線はメタ表面がなく、皮膚のみがある場合に相当する。
【００８５】
メタ表面構造全体の厚さは１５０μｍである。メタ表面を追加したことにより、６０ＧＨｚにおいて、反射パワーは３９％から０．１６％に減少し、散逸パワーは５６％から９４％に増加した。また透過パワーは、４．５％から６．３％に増加した。完全な透過が達成できない主な原因は、構造に損失が存在することにある。
【００８６】
（センサの構成）
図１２ａから図１２ｍに、センサの概略を示す。センサは、体のうち、血液が多く、他の障害物（骨など）が多くないところに付けることができる。ある実施形態では、装着場所は、耳たぶ、手（親指と人差し指との間）、足指の間、唇などであるが、他の場所に使うこともできる。センサは、装着箇所で一時的に手で持ってもよく、継続的に取り付けてもよい。
【００８７】
（食料品のためのセンサ）
別の実施形態では、本開示に係るデバイスは、食料品の品質を調べるために使われる。すなわち、ある実施形態では、生体物質は食料品である。別の実施形態では、生体物質はパック詰めされた食料品で、本開示に係るデバイスは、パックの反射を最小化するために構成され、かつ／または、使用される。従ってある実施形態では、食料品パックの反射防止コーティングが与えられる。ある実施形態では、食料品はオリーブオイル、またはオリーブオイルを含む混合油である。
【００８８】
（システム概要）
ある実施形態では、試験中の試料（Ｓｕｍｐｌｅ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ：ＳＵＴ）の透過を計測するセンサ１３０３と、ソフトウェアプリケーション（モバイル機器、タブレット、コンピュータなど）と、オンラインストレージ１３０１およびデータベースと、データをユーザまたは第三者に対して表示するクライアントアプリケーション／インタフェースとを備えるセンサシステムが与えられる。上記のソフトウェアアプリケーションは、リアルタイムに、あるいは接続が確立したときはいつでも、無線経由でデータを受信できる。以上を図１３に示す。
【００８９】
センサは、送信部と受信部とを備える。ある実施形態では、送信部は、放射線を生成するための１つまたは２つ以上のアンテナと、試料への侵入を促進するためのメタマテリアル（典型的には、アンテナと試料との間に配置される）とを備える。
【００９０】
従って、センサであって、第１アンテナと第１デバイス（上記のように、電磁放射線を結合させるための）とを備える送信部と、第２アンテナと第２デバイス（上記のように、電磁放射線を結合させるための）とを備える受信部とを備え、前記第１デバイスは、前記第１アンテナから放射された電磁放射線を生体物質に結合させるように構成され、前記第２デバイスは、前記生体物質を透過した電磁放射線を第２アンテナに結合させるように構成される、センサが与えられる。
【００９１】
図１４ａに、ある実施形態に係るセンサの構成品のブロック図を示す。以下のいくつかの、またはすべての部品は本図に含まれるだろう。バッテリー１４０７はパワーを供給する。スクリーン１４０８はデータを表示する。ＬＥＤ１４０９は映像フィードバックを与える。バイブレーションシステム１４１１もまた、ユーザにフィードバックを与える。電気キャリパー部品１４１０は、アンテナ間の距離を計測することができる。プリント回路基板１４０１は電子部品を実装する。ブルートゥースその他の通信部品１４０２は、情報を受信部に送信する。インピーダンスアナライザ１４０３は、試験中の試料のインピーダンスを直接評価する。加速度計１４０４は動きを感知する。アンテナシステム１４０５はラジオ波信号を生成する。メタマテリアル部品１４０６は、試験中の試料内部への放射線の侵入を促進する。図１４ｂは、追加したビーム整形要素１４５０を備える別の実施形態に係るセンサの部品を示す。ここに開示した実施形態では、ビーム整形要素は位相修正器であるが、これは一例にすぎない。
【００９２】
ある実施形態では送信部は、生体物質で反射された電磁放射線を検出するための検出器をさらに備える。有利なことに、これにより、より正確な生体物質の測定が可能となる。
【００９３】
さらなる実施形態では、センサはさらに、送信部と受信部との間の距離を決定するように構成される。別の実施形態では、センサはさらに、生体物質のインピーダンスを決定するように構成される。有利なことに、この構成によりデバイスは、別人のような異なる生体物質に対しても機能することができる。ある実施形態では、センサはさらに加速度計を備える。
【００９４】
アンテナ、メタマテリアル、またはその両方は、能動的で調整可能な部品とすることもできる。これにより、試験中試料の電磁特性（誘電率、透磁率、インピーダンス）に合わせて、その動作を調整することができる。例えば、以前の試料とインピーダンスが少し異なる試料を試験したとき、インピーダンスアナライザはその違いを感知する。これを受けて、アンテナとメタマテリアルは、試料への侵入が最大になるよう調整される。これは、複数の調整可能な電子部品、例えば、可変キャパシタ（バラクタ）、可変インダクタ、可変抵抗器などを統合することによって達成できる。
【００９５】
すなわち、ある実施形態では、センサは、可変抵抗器、かつ／または、アンテナと組み合わされた可変キャパシタ、かつ／または、調整可能なメタマテリアルをさらに備える。
【００９６】
試験中の試料は、格納器または容器の内部に置かれてもよく、置かれなくてもよい。皮膚は、動物または人間の組織のための容器と考えてよい。ある実施形態では、生体物質は、人間または動物の組織である。ある実施形態では、センサはウェアラブルである。さらなる実施形態では、センサは、手、足、耳、または唇、もしくは、センサを手で支えることができる場所に装着される。
【００９７】
ある実施形態では、生体物質は食料品である。ある実施形態では、食料品は少なくとも、油、乳、ワイン、コーヒーおよび果汁を含むグループから選択されたものを含み、かつ／または、食料品は容器、選択的には瓶またはカートンに詰められている。ある実施形態では、容器はガラス、かつ／または、プラスティックを含む。
【００９８】
さらに、上記のセンサを備えるシステムであって、生体物質に関するデータを該センサから受信するための無線受信部と、該センサから離れたデバイス上で動作し、該データを処理するためのソフトウェアアプリケーションと、該データ、かつ／または、該データに関係する情報を表示するためのインタフェースとをさらに備えるシステムが与えられる。従って、有利なことに、試料の遠隔監視が可能となる。例えば医療専門家が、患者の血糖値を遠隔測定することができる。
【００９９】
図１５ａから図１５ｄは、試験中の試料１５０１、１５０４、１５０５、および１５０６、シングルおよびデュアルアンテナ１５０３、並びにメタマテリアル１５０２の配置の例を示す。図１６は、インピーダンスアナライザ１６０３を含む調整アンテナ１６０２と、試験中試料１６０４を調べるためのメタ表面１６０１とを示す。
【０１００】
図１７ａから図１７ｃおよび図１８は、動作中のデバイスの例を示す。図１８ａは、２つのアンテナ１８０と、人間の手１８０３の外部から内部への、および内部から外部への電磁放射線の結合を促進するための２つのメタ表面１８０２とを備えるセンサを示す。図１８ｂは、位相修正器１８０５を追加的に備えるセンサを示す。
【０１０１】
図１９はメタ表面の分解図であり、周期的パターン（上図）と非周期的パターン（下図）のアンテナ配置を取るものを示す。
【０１０２】
図２０は実施形態に係る層状デバイスであって、３つのメタ表面層２００１−２００３と、アンテナ層２００４とを備えるものを示す。
【０１０３】
有利なことに、本開示の実施形態に係るデバイスは受動的である。すなわち、このデバイスは電力供給を必要としない。従ってこのデバイスは、エネルギー効率全体を向上することができる。
【０１０４】
ブドウ糖センサのための反射防止媒体であって、メタ表面を備えるものが与えられる。また食料品容器のための反射防止コーティングであって、メタ表面を備えるものが与えられる。
【０１０５】
以上、実施形態様と実施形態について述べたが、ここで開示した発明概念を逸脱しない様々な変形が可能である。
【０１０６】
（実験結果の例）
ここで示す２つの例は、水を基本とする較正試料においてブドウ糖を測定したものと、混合油において油を測定したものである。測定は５０−７５ＧＨｚの帯域で行った。ここに示す数値は、ノイズ除去その他のアルゴリズム的信号処理を行った後の、生の透過および反射信号から算出された。
【０１０７】
（例１：ブドウ糖測定）
図２１は、ブドウ糖濃度と処理後の信号との相関関係を示す。この実験は、別個に用意した２つの試料溶液を用いて、約６０ＧＨｚにおいて繰り返して実施した。結果は、適用した方法とアルゴリズムが再現性を持つことを示す。
【０１０８】
図２２は、以下の異なる３種類の試料の測定値を比較した結果を示す。すなわち、水と可変量のブドウ糖からなる溶液、水と塩（ＮａＣｌ）と可変量のブドウ糖とからなる溶液、ならびに、水と可変量の塩およびブドウ糖とからなる溶液である。結果は、３つの異なる溶液とそれに対応する濃度に関して、それぞれが互いに完全に区別可能であることを示す。塩を用いたのは、試料を人間の血液により近いものとするためである。
【０１０９】
図２３は、非常に低濃度（成人の正常範囲にあたる４および８ｍＭｏｌ／Ｌ）のブドウ糖濃度の関数として、６８ＧＨｚの周波数における処理後の信号を示す。結果は、非常に低濃度のブドウ糖も測定可能であることを示す。
【０１１０】
（例２：油測定）
本例では、パーム核油と菜種油との混合油において、パーム核油の未知の濃度が、２つの異なる実験により測定された。混合油中の各油種の濃度を正確に決定するために、処理後のデータは一次方程式に当てはめた。
【０１１１】
図２４は、パーム核油と菜種油との混合油において、出力信号をパーム核油濃度の関数で示す。
【０１１２】
図２５は、ラジオ波反射測定で得た処理後の信号を、分析的コール−コールモデルに当てはめ、モデルの緩和周波数を評価した様子を示す。各油種は特徴的な緩和周波数を示す。これを利用して、試料中の未知の油種を同定することができる。本例では、試料に対して単一のセンサを用いた。
【０１１３】
以上、実施形態に係るセンサは、混合油中の油の濃度を測定する際に非常に有効であることが分かる。
【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】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１１ｆ】
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【図１１ｇ】
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【図１１ｈ】
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【図１１ｉ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１２ｅ】
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【図１２ｆ】
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【図１２ｇ】
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【図１２ｈ】
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【図１２ｉ】
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【図１２ｊ】
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【図１２ｋ】
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【図１２ｌ】
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【図１２ｍ】
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【図１３】
0006768514.tif 000040
【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
0006768514.tif 000049
【図１７ｃ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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