(57)【要約】  本公開は、医療測定設備技術の分野に関し、特に非侵襲血糖測定器及び血糖測定方法に関する。本公開に係る非侵襲血糖測定器は、光源、分光計、及び測定対象が挿入する測定空間を含み、測定空間は光源及び分光計にそれぞれ接続され、光源から発せられたスペクトルが測定対象を通過した後、分光計中に入る入射光を生成できる。当該分光計は、変調後のスペクトルを得るように、入射光を光変調するための光変調層と、光変調層の下に位置し、変調後のスペクトルを受信し、変調後のスペクトルに差分応答を提供するための光電検出層と、光電検出層の下に位置し、元のスペクトルを得るように、差分応答を再構築するための信号処理回路層とを含む。当該非侵襲血糖測定器は、非接触性非侵襲血糖測定を実現し、分光計の体積を縮小するとともに、分光分析の精密性を向上させることができ、非侵襲血糖測定器は、高い測定精度、優れた携帯性などの利点を有する。 【選択図】図1
2022502627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、及び分光計を含み、前記光源から発せられたスペクトルは測定対象を通過した後、前記分光計中に入る入射光を生成することができ、
前記分光計は、
変調後のスペクトルを得るように、前記入射光を光変調するための光変調層と、
前記光変調層の下に位置し、前記変調後のスペクトルを受信して、前記変調後のスペクトルに差分応答を提供するための光電検出層と、
前記光電検出層の下に位置し、元のスペクトルを得るように、前記差分応答を再構築するための信号処理回路層とを含むことを特徴とする非侵襲血糖測定器。
【請求項２】
前記光変調層は、底板、及び少なくとも１つの変調ユニットを含み、前記底板は前記光電検出層に設けられ、各前記変調ユニットは前記底板に位置し、各前記変調ユニット内にはいくつかの変調孔が設けられ、各前記変調ユニット内における各前記変調孔は、２次元パターン構造に配列されることを特徴とする請求項１に記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項３】
前記２次元パターン構造は、
各前記２次元パターン構造内のすべての前記変調孔は、同じ断面形状を同時に有し、各前記変調孔は構造パラメーターの大きさの漸次変化順序に従ってアレイ状に配列されること、及び／又は
各前記２次元パターン構造内の各前記変調孔は、各々の断面形状をそれぞれ有し、各前記変調孔は、特定の断面形状に従って組み合わせて配列されることを含むことを特徴とする請求項２に記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項４】
各前記変調孔は、各々の断面形状に従って組み合わせて配列される場合、前記配列の順序は、予定の周期順序で行ごと又は列ごとに配列されることを特徴とする請求項３に記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項５】
前記変調孔の底部は前記底板を貫通し、又は前記底板を貫通していないことを特徴とする請求項２に記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項６】
前記光電検出層は、少なくとも１つの検出ユニットを含み、前記光変調層の各微光変調ユニットの下には少なくとも１つの前記検出ユニットがそれぞれ対応して設置され、すべての前記検出ユニット同士は、前記信号処理回路層を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項７】
前記分光計は、
前記光変調層と光電検出層との間に位置する光透過媒体層を更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項８】
前記光源と分光計は、前記測定対象の両側にそれぞれ設置され、又は
前記光源と分光計は、いずれも前記測定対象の一方の側に設置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項９】
前記非侵襲血糖測定器は、
前記信号処理回路層に接続され、血糖パラメータを得るように、前記元のスペクトルを分析して算出するためのデータ処理モジュールと、
前記データ処理モジュールに接続され、前記血糖パラメータを表示するためのデータ表示モジュールとを更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の非侵襲血糖測定器。
【請求項１０】
測定対象を光源及び分光計にそれぞれ接続される測定空間内に移動させ、前記光源から発せられたスペクトルを前記測定対象を通過させることにより、前記分光計中に入ることができる入射光を生成すること、
変調後のスペクトルを得るように、前記入射光を光変調すること、
前記変調後のスペクトルを受信し、前記変調後のスペクトルに差分応答を提供すること、
元のスペクトルを得るように、前記差分応答を再構築すること、を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の非侵襲血糖測定器に基づく血糖測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、2019年7月31日に提出された、出願番号が2019107003821、発明の名称が「非侵襲血糖測定器及び血糖測定方法」である中国特許出願の優先権を主張し、その全体が参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
本公開は、医療測定設備技術の分野に関し、特に、非侵襲血糖測定器、及び血糖測定方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
糖尿病（Ｄｉａｂｅｔｅｓ  Ｍｅｌｌｉｔｕｓ、ＤＭと略称）は、不十分なインスリン分泌又はインスリンの利用障害によって引き起こされる多因子性の代謝疾患であり、慢性高血糖を主な特徴とし、炭水化物、脂肪、タンパク質代謝の障害を伴い、一連の深刻な合併症を引き起こす可能性がある。糖尿病は、人間の健康を脅かす重大な病気の1つである。糖尿病は患者の生活の質を大幅に低下させるだけでなく、世界的な経済的負担も増大させるため、糖尿病の予防と治療に関する研究が急務である。
【０００４】
血糖濃度は、糖尿病の状態を反映する重要な指標であり、頻繁に血糖値の測定を行うことは、状態を監視し、早速血糖濃度を通常のレベルに維持することに役に立つ。血糖測定方法は、侵襲式、低侵襲式、および非侵襲式の３つのタイプに分類される。侵襲式および低侵襲式の方法は、精度が高いため臨床で使用されているが、これらの方法では、採血を必要とするために患者に痛みや不快感を与えることが多く、感染のリスクがあり、さらに、一回あたりの測定のコストが高いため、非侵襲式の血糖測定技術は、あらゆる分野の人々から幅広く注目されている。
【０００５】
しかし、既存の非侵襲血糖測定器は、測定精度が不十分であるという重大な問題を抱えている。非侵襲血糖測定器の測定精度は、環境および個人差によって大きく影響され、そして、操作が複雑で、携帯性が悪く、リアルタイムで継続的に検出できないなどの欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本公開の実施例は、既存の非侵襲血糖測定器に存在する、測定精度が低いという問題を解決するように、非侵襲血糖測定器及び血糖測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本公開は、上記技術課題を解決するために、非侵襲血糖測定器を提供し、当該非侵襲血糖測定器は、光源、及び分光計を含み、前記光源から発せられたスペクトルは測定対象を通過した後、前記分光計中に入る入射光を生成することができ、
前記分光計は、
変調後のスペクトルを得るように、前記入射光を光変調するための光変調層と、
前記光変調層の下に位置し、前記変調後のスペクトルを受信して、前記変調後のスペクトルに差分応答を提供するための光電検出層と、
前記光電検出層の下に位置し、元のスペクトルを得るように、前記差分応答を再構築するための信号処理回路層とを含む。
【０００８】
一部の実施例において、前記光変調層は、底板、及び少なくとも１つの変調ユニットを含み、前記底板は前記光電検出層に設けられ、各前記変調ユニットは前記底板に位置し、各前記変調ユニット内にはいくつかの変調孔が設けられ、各前記変調ユニット内における各前記変調孔は、２次元パターン構造に配列される。
【０００９】
一部の実施例において、前記２次元パターン構造は、
各前記２次元パターン構造内のすべての前記変調孔は、同じ断面形状を同時に有し、各前記変調孔は構造パラメーターの大きさの漸次変化順序に従ってアレイ状に配列されること、及び／又は
各前記２次元パターン構造内の各前記変調孔は、各々の断面形状をそれぞれ有し、各前記変調孔は、特定の断面形状に従って組み合わせて配列されることを含む。
【００１０】
一部の実施例において、各前記変調孔は、各々の断面形状に従って組み合わせて配列される場合、前記配列の順序は、予定の周期順序で行ごと又は列ごとに配列される。
【００１１】
一部の実施例において、前記変調孔の底部は前記底板を貫通し、又は前記底板を貫通していない。
【００１２】
一部の実施例において、前記光電検出層は、少なくとも１つの検出ユニットを含み、前記光変調層の各微光変調ユニットの下には少なくとも１つの前記検出ユニットがそれぞれ対応して設置され、すべての前記検出ユニット同士は、前記信号処理回路層を介して電気的に接続される。
【００１３】
一部の実施例において、前記分光計は、
前記光変調層と光電検出層との間に位置する光透過媒体層を更に含む。
【００１４】
一部の実施例において、前記光源と分光計は、前記測定対象の両側にそれぞれ設置され、又は
前記光源と分光計は、いずれも前記測定対象の一方の側に設置される。
【００１５】
一部の実施例において、前記非侵襲血糖測定器は、
前記信号処理回路層に接続され、血糖パラメータを得るように、前記元のスペクトルを分析して算出するためのデータ処理モジュールと、
前記データ処理モジュールに接続され、前記血糖パラメータを表示するためのデータ表示モジュールとを更に含む。
【００１６】
本公開は、上記の非侵襲血糖測定器に基づく血糖測定方法を提供し、当該血糖測定方法は、
測定対象を光源及び分光計にそれぞれ接続される測定空間内に移動させ、前記光源から発せられたスペクトルを前記測定対象を通過させることにより、前記分光計中に入ることができる入射光を生成すること、
変調後のスペクトルを得るように、前記入射光を光変調すること、
前記変調後のスペクトルを受信し、前記変調後のスペクトルに差分応答を提供すること、
元のスペクトルを得るように、前記差分応答を再構築すること、を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本公開の上記技術方案は以下の有益効果を有する。
【００１８】
１、本公開に係る非侵襲血糖測定器は、光源、分光計、及び測定対象が挿入する測定空間を含み、測定空間は、光源及び分光計にそれぞれ接続され、光源から発せられたスペクトルが測定対象を通過した後、分光計中に入る入射光を生成でき、当該入射光は測定対象を通過して測定対象の影響を受けたため、分光計により当該入射光を分光分析して再構築すると、血糖パラメータを含むスペクトルデータを取得することができ、これにより、近赤外分光分析の原理により生体測定対象に対する非接触性非侵襲血糖測定を実現する。
【００１９】
２、当該非侵襲血糖測定器における分光計は、変調後のスペクトルを得るように、入射光を光変調するための光変調層と、光変調層の下に位置し、変調後のスペクトルを受信し、変調後のスペクトルに差分応答を提供するための光電検出層と、光電検出層の下に位置し、元のスペクトルを得るように、差分応答を再構築するための信号処理回路層とを含む。当該非侵襲血糖測定器の分光計は、既存の分光計における様々な精密光学部品に取って代わって光変調層を採用するため、マイクロナノ構造の分野への分光計の応用性が実現され、マイクロ統合分光計は、格子、プリズム、ミラー、又は他の類似する空間分光素子を必要とせずに作動することができ、分光計の体積を大幅に縮小するとともに、分光分析の精度を向上させることができ、これにより、非侵襲血糖測定器は、高い測定精度、優れた携帯性、リアルタイムのオンライン測定、簡単な操作、安定したパフォーマンス、低い製造コストなどの利点を有し、糖尿病患者の生活の質を大幅に改善でき、幅広い市場の見通しがある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の実施例又は従来技術における技術案をより明確に説明するために、以下、実施例又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に説明する。勿論、以下に説明する図面は、本発明のいくつかの実施例であり、当業者にとって、創造的な労働を要しない前提で、更にこれら図面に基づいてその他の図面を得ることができる。
【００２１】
【図１】本公開の実施例に係る非侵襲血糖測定器の構造模式図である。
【図２】本公開の実施例に係る非侵襲血糖測定器の使用状態図（一）である。
【図３】本公開の実施例１に係る分光計の構造模式図である。
【図４】本公開の実施例１に係る分光計の断面図である。
【図５】本公開の実施例１に係る光変調層の模式図である。
【図６】本公開の実施例１に係る光電検出層の構造模式図である。
【図７】本公開の実施例１に係るスペクトル検出の効果図である。
【図８】本公開の実施例２に係る光変調層の構造模式図である。
【図９】本公開の実施例３の分光計の構造模式図である。
【図１０】本公開の実施例３の分光計の断面図である。
【図１１】本公開の実施例３の分光計の構造模式図である。
【図１２】本公開の実施例３に係るスペクトル検出の波長強度関係の模式図である。
【図１３】本公開の実施例３に係るスペクトル検出の効果図である。
【図１４】本公開の実施例４に係る分光計の断面図である。
【図１５】本公開の実施例６に係る分光計の断面図である。
【図１６】本公開の実施例７に係る分光計の断面図である。
【図１７】本公開の実施例７に係る分光計の模式図である。
【図１８】及び
【図１９】は、それぞれ本公開の実施例１〜実施例７の分光計の変調孔の加工製造方法のプロセス模式図である。
【図２０】本公開の実施例に係る非侵襲血糖測定器の使用状態図（二）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面及び実施例を参照しながら、本公開の具体的な実施形態を詳細に説明する。以下の実施例は、本公開を説明するためのものに過ぎず、本公開の範囲を制限するためのものではない。特に明記しない限り、本公開に言及された血糖測定器はいずれも非侵襲血糖測定器の略語である。
【００２３】
既存の非侵襲血糖測定器の測定原理は、主にラマン分光技術、偏光測定法、光干渉断層撮影技術、音響光学技術、生体電気インピーダンス分光法、蛍光検出技術、中赤外分光技術、及び近赤外分光技術等がある。各測定技術の原理は、いずれも、それぞれの長所と短所がある。そのうち、近赤外分光技術は、高い精度、低いコスト、高い効率、リアルタイム監視などの利点を持つため、最も有望な非侵襲的血糖測定技術の１つになった。
【００２４】
本公開の各実施例は、上記の近赤外分光技術に基づいて、非侵襲血糖測定器を提供し、当該血糖測定器は、近赤外分光分析原理により生体測定対象に対する非接触性の非侵襲血糖測定を実現することができ、高い測定精度、優れた携帯性、リアルタイムのオンライン測定、簡単な操作、安定したパフォーマンス、低い製造コストなどの利点を有し、糖尿病患者の生活の質を大幅に改善でき、幅広い市場の見通しがある。
【００２５】
具体的には、図１に示すように、当該非侵襲血糖測定器は、光源１００、及び分光計３００を含む。光源１００は近赤外光源であり、近赤外分光分析の原理に基づいて、光源１００から発せられたスペクトルは測定対象２００を通過した後、分光計３００中に入る入射光を生成することができる。当該分光計３００は、分光計３００における精密光学部品に取って代わり、入射光に対する精密な変調を実現することができる。そして、当該分光計３００によれば、異なる波長の光に対する変調作用を柔軟に実現することができ、当該変調作用は、光の散乱、吸収、投射、反射、干渉、表面プラズモン、及び共鳴などの作用を含むが、これらに限定されなく、異なる領域間のスペクトル応答の相違性を向上させ、それにより分光計３００の分析精度を向上させることができる。
【００２６】
具体的に、図３〜図１９に示すように、分光計３００は、光変調層１、光電検出層２、及び信号処理回路層３を含む。光変調層１のスペクトル受信表面は測定対象２００に面し、光変調層１は、変調後のスペクトルを得るように、入射光を光変調するためのものである。光電検出層２は光変調層１の下に位置し、変調後のスペクトルを受信し、変調後のスペクトルに差分応答を提供するためのものである。信号処理回路層３は、光電検出層２の下に接続され、元のスペクトルを得るように、差分応答を再構築するためのものである。当該分光計３００は、既存の分光計における様々な精密光学部品に取って代わって光変調層１を採用するため、マイクロナノ構造の分野への分光計３００の応用性が実現され、これにより、分光計３００は、格子、プリズム、ミラー、又は他の類似する空間分光素子を必要とせずに作動することができ、分光計３００の体積を大幅に縮小するとともに、分光分析の精密性を向上させることができる。
【００２７】
本実施例に係る非侵襲血糖測定器では、測定対象２００の影響を受けた入射光は測定対象２００の内部の成分スペクトルを持ち、当該スペクトルは血糖パラメータを含む。当該血糖測定器は、分光計３００により入射光に対して分光分析と再構築を行うと、血糖パラメータを含む測定対象２００の内部の元のスペクトルデータ取得することができ、取得された元のスペクトルの波長、強度等の情報は血糖などの成分の濃度を反映できる。
【００２８】
さらに、非侵襲血糖測定器は、データ処理モジュール４００及びデータ表示モジュール５００を含む。データ処理モジュール４００は分光計３００に接続され、データ処理モジュール４００により、再構築して得られた元のスペクトルのデータ情報に基づいて、更に血糖濃度等を含む関連する血糖パラメータを算出して得ることができる。データ処理モジュール４００は、スペクトルデータ前処理、及び血糖濃度予測モデルを含む。そのうち、スペクトルデータ前処理は、微型分光計３００によって測定された血糖濃度のスペクトルデータに存在するノイズを前処理することであり、当該スペクトルデータ前処理に採用される処理方法は、フーリエ変換、微分、及びウェーブレット変換等を含むが、これらに限定されない。血糖濃度予測モデルには、スペクトルデータ情報から、血糖濃度等を含む関連する血糖パラメータに対する予測を得ることを含み、使用されるアルゴリズムは、最小二乗法、主成分分析、及び人工ニューラルネットワークを含むが、これらに限定されない。データ処理モジュール４００はデータ表示モジュール５００に接続され、データ表示モジュール５００はデータ処理モジュール４００によって算出された血糖パラメータを表示する。
光源１００のスペクトルが測定対象２００を通過しやすくするために、好ましくは、光源１００及び分光計３００はそれぞれ上記の測定空間の両側に対向して設置されればよく、このように、測定空間は光源１００と分光計３００との間に位置する。図２に示すものを例とし、光源１００及び分光計３００はそれぞれ上記測定空間の上下両側に対向して設置され、測定する場合、測定対象２００が測定空間内に水平に進入するだけで、光源１００によって生じた近赤外スペクトルは測定対象２００を通過することができ、測定対象２００を通過して生じた入射光は分光計３００内に直接入射することができる。当該構造の設置により、近赤外スペクトルは、測定対象２００をまっすぐ通過することができ、スペクトル情報取得の正確度が向上する。
【００２９】
又は、光源１００及び分光計３００は、測定空間と同じ側に設置されてもよく、図２０に示すように、測定空間は光源１００及び分光計３００の同じ側に位置する。図２０に示すものを例とし、光源１００及び分光計３００は測定空間の下側に同時に設置されるため、光源１００と分光計３００の上方は測定空間である。光の反射原理により、光源１００によって生じされた近赤外スペクトルは、測定対象２００内に入ることができ、反射の作用下で、一部又は全部のスペクトルは入射光を形成し分光計３００中に入射する。当該構造の設置により、測定空間を拡張し、血糖測定器の使用利便性を向上させることができる。
【００３０】
ただし、上記の２種の分光計３００及び光源１００の位置設置構造は、いずれも本公開の各実施例に係る分光計３００に適用可能である。
【００３１】
さらに、当該光変調層１上の同一の変調ユニット５内における各変調孔６は、特定の配列規則を有する２次元パターン構造に配列され、異なる２次元パターン構造により、異なる波長の光に対する変調作用を実現し、２次元パターン構造の区別により、異なる領域間のスペクトル応答の相違性をも向上させ、それによって分光計３００の分析精度を向上させることができる。
【００３２】
以下、具体的には、いくつかの実施例により、本公開の分光計３００を詳細に説明する。
【実施例】
【００３３】
実施例１
図３及び図４に示すように、本実施例１に係る分光計３００では、光変調層１は、１つの変調ユニット５を含む。当該変調ユニット５内におけるすべての変調孔６はいずれも底板を貫通している。当該変調ユニット５内におけるすべての変調孔６はいずれも同じ特定の断面形状を有し、本実施例１は、図１に示す楕円形を例とする。すべての変調孔６は、構造パラメーターの大きさの漸次変化順序に従って、２次元パターン構造を形成するようにアレイ状に配列される。当該２次元パターン構造では、すべての変調孔６はアレイ状に配列され、かつすべての変調孔６は、長軸の長さ、短軸の長さ、及び回転角度の小さい順に昇順に行ごと、列ごとに配列されているため、すべての変調孔６は光変調層１の底板に全体として１つの変調ユニット５を構成する。
【００３４】
理解できるように、図５に示すように、本実施例のすべての変調孔６は、いずれも同じ配列規則に従って配列されており、即ち、長軸の長さ、短軸の長さ、及び回転角度の構造パラメーターの小さい順に昇順に、行ごと、列ごとに漸次変化して配列されているため、当該光変調層１におけるすべての変調孔６は、全体として変調ユニット５とみなされてもよく、任意に複数の変調ユニット５に分割されてもよい。任意に分割された変調ユニット５は、スペクトルに対して、いずれも異なる変調作用を持っており、理論的には、無数組の変調後のスペクトルサンプルを取得でき、これにより、元のスペクトルを再構築するためのデータの量が大幅に増加して、広帯域スペクトルのスペクトルパターンの復元に役立つ。そうすると、各変調ユニット５内における変調孔６の構造パラメータ特性に従って、異なる波長の光に対する当該変調ユニット５の変調作用の効果を決定すればよい。
【００３５】
理解できるように、上記の変調孔６の特定の断面形状は、円形、楕円形、十字形、正多角形、星形、又は矩形等を含み、上記各形状の任意の組み合わせであってもよい。それに応じて、上記の変調孔６の構造パラメーターは、内径、長軸の長さ、短軸の長さ、回転角度、角の数、又は辺の長さ等を含む。
【００３６】
本実施例１に係る光変調層１の底板の厚さは６０ｎｍ〜１２００ｎｍであり、光変調層１と光電検出層２は、直接接続され、又は光透過媒体層４を介して接続される。光電検出層２と信号処理回路層３は電気的に接続される。そのうち、図３に示すように、光検出層におけるすべての変調孔６はいずれも楕円形であり、すべての楕円形変調孔６の長軸の長さ及び短軸の長さはそれぞれ行ごと、列ごとに増大し、かつ図３における水平方向を横軸とし、垂直方向を縦軸とすると、すべての楕円形変調孔６は、行ごと、列ごとに縦軸から横軸へ回転し、その回転角度が徐々に増大する。すべての変調孔６は全体としての２次元パターン構造を構成し、当該２次元パターン構造は全体としてマトリックス構造であり、当該マトリックス構造の面積範囲は５μｍ２〜４ｃｍ２である。
【００３７】
本実施例に係る分光計３００を製造する際には、製造プロセスの加工上で優れた適合性が得られるように、シリコンベースの材料を同時に光変調層１及び光電検出層２の材料に採用する。光変調層１を製造する際には、光検出層２上に光変調層１を直接生成してもよいし、製造された光変調層１を光検出層２に転移してもよい。
【００３８】
具体的には、光変調層１の直接生成方法は、具体的に、光検出層２上に、図３に示すような構造に従って配列された光変調層１を直接堆積生成すること、或いは、まず光電検出層２上にシリコンベースの材料で製造された基板を装着し、次に基板に、図３に示すような構造に従ってマイクロナノ加工して開孔して、光変調層１を得ることを含む。
【００３９】
上記の直接堆積生成の過程は、以下の通りである。第１のステップでは、スパッタリング、化学気相堆積等の方法によって厚さ１００ｎｍ〜４００ｎｍ（ナノメートル）のシリコン平板を光電検出層２に堆積する。第２のステップでは、フォトリソグラフィ、電子ビーム露光等のパターン転写方法によってその上に必要な２次元パターン構造を作成する。構造は図５に示される。当該２次元パターン構造は、具体的に、楕円形の変調孔６の短軸及び回転角度のみを漸次変化調整し、楕円の長軸は２００ｎｍ〜１０００ｎｍにおける固定値、例えば５００ｎｍを取り、短軸の長さは、１２０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内に変化し、楕円の回転角度は０°〜９０°の範囲内に変化し、楕円の配列周期は、２００ｎｍ〜１０００ｎｍにおける固定値、例えば５００ｎｍである。当該２次元パターン構造のパターン全体の範囲は、長さが約１１５μｍ、幅が約１１０μｍの矩形アレイ構造である。第３ステップでは、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング、及びイオンビームエッチング等の方法によりシリコン平板をエッチングして、所望の光変調層１を取得できる。最後に、光変調層１及び光検出層２を、全体として信号処理回路層３に電気的に接続すればよい。
【００４０】
上記の光変調層１の転移製造方式は、具体的には、まず、製造された光変調層１を得るために、図３に示される構造に従ってマイクロナノ加工によって基板に開孔し、次に、当該製造された光変調層１を光電検出層２上に転移することである。具体的には、光変調層１の転移方法の過程は、まず、上記のパラメータに従ってシリコンシート又はＳＯＩ（シリコン-絶縁体-シリコンシートの構造を指す）上に光変調層１を製造して取得し、次に、転移の方法によって光電検出層２上に転移し、最後に、光変調層１及び光検出層２を、全体として信号処理回路層３に電気的に接続すればよい。
【００４１】
図１８及び図１９に示すように、本実施例は他の分光計３００の製造過程を更に提供し、具体的には、光電検出層２内には、ＩＩＩ−Ｖ族検出器、具体的にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの量子井戸検出器が取り付けられる。図１８に示すように、検出器が逆さまにして置いてＣＭＯＳ回路に結合され、検出器は、ＧａＡｓ基板1’、及びＩｎＧａＡｓ量子井戸光電検出層２を含む。図１９に示すように、直接、基板１’を薄くした後、さらに基板１’にマイクロナノ加工を行い、２次元パターン構造を持たせるように光変調層１を形成すればよい。当該製造過程と上記のマイクロナノ加工開孔との区別は、検出器からなる光電検出層２の上表面を直接マイクロナノ加工の基板１’とすることのみであり、これにより、加工製造された光変調層１と光電検出層２との間の緊密な接続が保証され、ギャップが形成されて光の変調作用の効果に影響を与えることを回避する。
【００４２】
理解できるように、本実施例に係る、光に対する変調を実現可能な分光計３００は、１次元、２次元フォトニック結晶、表面プラズモン、メタマテリアル、及びメタサーフェスを含むが、これらに限定されない。具体的な材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム材料、シリコンの化合物、ゲルマニウムの化合物、金属、及びＩＩＩ−Ｖ族材料等を含んでもよい。そのうち、シリコンの化合物は、窒化ケイ素、シリカ、及び炭化ケイ素等を含むが、これらに限定さない。光透過層の材料は、シリカ及び高分子ポリマー等の低屈折率の材料を含んでもよい。光電検出器は、シリコン検出器（検出範囲は７８０ｎｍ〜１１００ｎｍ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）検出器（検出範囲は１０００ｎｍ〜２６００ｎｍ）、アンチモン化物（例えばＩｎＳｂ）検出器（検出範囲は１μｍ〜６．５μｍ）、及びＨｇＣｄＴｅ検出器（検出範囲は０．７〜２５μｍ）等を選択してもよい。
【００４３】
図４及び図６に示すように、本実施例に係る分光計３００では、光電検出層２は、いくつかの検出ユニット７を含み、光電検出層２内の各検出ユニット７にはいずれも少なくとも１つの光電検出器が取り付けられ、光電検出器の検出範囲は変調孔６の構造範囲よりわずかに大きい。いくつかの検出ユニット７からなるアレイ構造の光電検出層２は検出された信号を電気的接触を介して信号処理回路層３に送信することができる。本実施例に係る信号処理回路層３は、アルゴリズム処理システムを備え、元のスペクトルを再構築して得るように、当該アルゴリズム処理システムのアルゴリズムにより、差分応答をアルゴリズムに基づいて処理する。当該差分応答は、各変調ユニット５により各々変調して得られた応答スペクトルの信号同士に対して差値を求めることである。当該再構築過程は、上記のデータ処理モジュール４００によって完成される。
【００４４】
本実施例では、いくつかの変調孔６は、同時に１つの検出ユニット７に対応してもよく、各変調孔６はそれぞれ１つ又は複数の検出ユニット７に対応してもよく、つまり、各変調ユニット５は１つ又は複数の検出ユニット７に垂直方向に対応すればよく、このように、同一の変調ユニット５には少なくとも１つの変調孔６が少なくとも１つの検出ユニット７に対応することを満たしていればよい。当該構造の設置により、当該変調ユニット５が少なくとも１種の波長の入射光を常に変調できることを保証し、変調された光が検出ユニット７によって受信できることを保証する。検出ユニット７が作動時に互いに干渉することを防止するために、好ましくは、隣接する２つの検出ユニット７の間に隙間８を置く。
【００４５】
本実施例に係る分光計３００の、スペクトルに対する検出の完全なフローは、以下の通りである。まず、スペクトルが光変調層１の上方から分光計３００中に入射すると、光変調層１による変調を経て、異なる変調ユニット５内において異なる応答スペクトルを得る。変調された各応答スペクトルはそれぞれ光電検出層２に照射され、対応して設置された検出ユニット７が受信した応答スペクトルは互いに異なり、これにより、差分応答が得られ、最後に、信号処理回路層３は、アルゴリズム処理システムにより差分応答を処理し、それにより、再構築で元のスペクトルを得る。
【００４６】
図５は、以上の実施例により実際に製造して得られた分光計３００が分光分析する場合の分光分析の効果を示す。図７から分かるように、当該分光計３００は、スペクトル範囲が５５０ｎｍ〜７５０ｎｍ、スペクトル幅が２００ｎｍのスペクトルに対する検出を実現でき、また、スペクトルに対する測定の正確率が９４．５％を超える効果を達成した。
【００４７】
実施例２
本実施例２に係る分光計３００の構造、原理、スペクトル変調方法、及び製造方法は、いずれも実施例１と基本的に同じであり、同じ点についてここで説明しない、相違点は次の通りである。
【００４８】
図８に示すように、本実施例に係る分光計３００では、光変調層１には全体としての変調ユニット５が設けられている。当該変調ユニット５に設けた２次元パターン構造における各変調孔６は、各々の特定の断面形状をそれぞれ有しており、各変調孔６は、特定の断面形状に従って自由に組み合わせて配列される。具体的には、当該２次元パターン構造内において、一部の変調孔６の特定の断面形状は同じであり、同じ特定の断面形状を有する各変調孔６は複数の変調孔６の群を構成し、各変調孔６の群の特定の断面形状は互いに異なり、且つすべての変調孔６は自由に組み合わされている。
【００４９】
理解できるように、当該変調ユニット５は、全体として、１種の特定の波長のスペクトルを変調するものと見なされてもよく、複数種の異なる波長のスペクトルを変調できるように、いくつかの変調孔６の変調ユニットに自由に分割されてもよく、光変調の柔軟性と多様性を高める。
【００５０】
実施例３
本実施例３に係る分光計３００の構造、原理、スペクトル変調方法、及び製造方法は、いずれも実施例２と基本的に同じであり、同じ点についてここで説明しない。相違点は次の通りである。
【００５１】
図９及び図１０に示すように、本実施例に係る分光計３００の光変調層１には、２つ又は２つ以上の変調ユニット５が配列されている。各変調ユニット５において、各変調孔６が特定の断面形状に従って組み合わせて配列される場合、その配列の順序は、予定の周期順序で行ごと又は列ごとに配列される。
【００５２】
本実施例では、全ての変調孔６は、特定の断面形状に従っていくつかの変調ユニット５に分割されており、各変調ユニット５内における変調孔６の特定の断面形状は互いに異なる。同一の変調ユニット５内における変調孔６は、同じ特定の断面形状を有するが、各変調孔６の配列順序は、構造パラメータの大きさの漸次変化順序に従ってアレイ状に配列される。これにより、各変調ユニット５は、いずれも異なる変調作用を有し、異なる波長のスペクトルを変調することができる。変調の必要に応じて、変調ユニット５内における変調孔６の構造パラメーターの漸次変化順序、及び／又は変調孔６の特定の断面形状を変更すると、現在の変調ユニット５の変調作用、及び／又は変調対象を変更することができる。
【００５３】
具体的には、図１１に示すように、光変調層１の底板には、３つの変調ユニット５が分布し、それぞれ、第１の変調ユニット１１、第２の変調ユニット１２、及び第３の変調ユニット１３である。そのうち、第１の変調ユニット１１内における変調孔６はいずれも円形であり、かつ各変調孔６の構造パラメーターはいずれも同じであり、当該第１の変調ユニット１１は入力スペクトルに対して第１種の変調方式を有し、第２の変調ユニット１２内における変調孔６はいずれも楕円形であり、各変調孔６は、構造パラメーターの大きさに応じて行ごとに周期的に配列され、即ち、横置きの楕円形変調孔６と縦置きの楕円形変調孔６は行ごとに交互に配列され、当該第２の変調ユニット１２は入力スペクトルに対して第２種の変調方式を有し、第３の変調ユニット１３内における変調孔６はいずれもひし形であり、各変調孔６は構造パラメーターの大きさに応じて行ごと、列ごとに周期的に配列され、即ち、横置きのひし形変調孔６と縦置きのひし形変調孔６は行ごとに交互に配列されると共に、横置きのひし形変調孔６と縦置きのひし形変調孔６は列ごとに交互に配列され、当該第３の変調ユニット１３は入力スペクトルに対して第３種の変調方式を有する。
【００５４】
理解できるように、本実施例に記載される「異なる波長の光に対してある種類の変調方式を有する」ことは、散乱、吸収、透射、反射、干渉、表面プラズモン、共鳴等の作用を含むが、これらに限定されない。第１種、第２種、及び第３種の光変調方式は互いに異なる。変調ユニット５内における変調孔６の構造に対する設置により、異なるユニット間のスペクトル応答の相違を向上させることができ、ユニットの数を増やすことにより、異なるスペクトル間の相違に対する感度を向上させることができる。
【００５５】
理解できるように、異なる入射スペクトルを測定する場合、各変調ユニット５内における変調孔６の構造パラメーターを変更することにより変調作用を変更することができ、構造パラメーターの変更は、２次元パターン構造の変調孔の配列周期、変調孔の半径、及び変調ユニットの辺の長さ、デューティ比、及び厚さ等の各パラメータのうちの１種及びこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない。そのうち、デューティ比とは、光変調層１の総面積に対する変調孔６の面積の比をいう。
【００５６】
理解できるように、本実施例に係るマイクロ統合分光計３００には、例えば実施例１に係る変調ユニット５、又は実施例２に係る変調ユニット５、又は実施例１及び実施例２に係る変調ユニット５の組み合わせを使用することができる。
【００５７】
本実施例では、光変調層１は、厚さが２００ｎｍ〜５００ｎｍの窒化ケイ素平板からなるものである。光変調層１には、合計で１００〜２００個の変調ユニット５が設けられ、各変調ユニット５は、長さが４μｍ〜６０μｍ、幅が４μｍ〜６０μｍである。各変調ユニット５の内部では、変調孔６の特定の断面形状として、様々な幾何学的形状が採用され、各変調ユニット５内では、同一の形状で周期に配列され、そのデューティ比が１０％〜９０％である。その他の構造は、実施例１又は実施例２と同じである。
【００５８】
図１２及び図１３は、いずれも、以上の実施例により実際に製造して得られた分光計３００が分光分析する場合の分光分析の効果を示す。本実施例に係る光変調層１は、主に単一波長スペクトルを検出し、その波長強度関係の効果は図１２に示すように、測定スペクトルと実際のスペクトルの中心波長との誤差が０．４ｎｍ未満であり、その検出効果は図１３に示すように、光強度の正確率は９９．８９％を超えている。
【００５９】
実施例４
本実施例４は、上記のいずれかの実施例に係る分光計３００の構造、原理、スペクトル変調方法、及び製造方法に基づいて、分光計３００及びスペクトル変調方法を提供する。本実施例４と前述の各実施例との同じ点についてここで説明しなく、相違点は次の通りである。
【００６０】
図１４に示すように、本実施例４に係る分光計３００は、光変調層１と光電検出層２との間に位置する光透過媒体層４を更に含む。具体的には、当該光透過媒体層４は、厚さが５０ｎｍ〜１μｍ、材料がシリカであってもよい。
【００６１】
本実施例に係るマイクロ統合分光計３００では、光変調層１を製造する際には直接堆積成長プロセスを採用すると、化学気相堆積、スパッタリング、及びスピンコーティング等の方式により当該光透過媒体層４をスペクトル検出層に被覆してから、光変調層１の一部をその上に堆積及びエッチングすればよい。転移プロセスの方式を採用すると、シリカを光変調層１の製造基板とし、基板の上半分に対する直接マイクロナノ開孔加工で光変調層１を製造してから、シリカ基板の下半分を直接光透過媒体層４とし、製造された光変調層１と光透過媒体層４の２つの部分を全体として光検出層上に転移すればよい。
【００６２】
理解できるように、本実施例に係る光透過媒体層４は、光電検出層２の上方の光変調層１を全体として、光電検出層２に対してぶら下がり状態になるように、外部の支持構造により支持するように設置されてもよく、こうすると、光変調層１と光電検出層２との間の空気部分は光透過媒体層４である。
【００６３】
実施例５
本実施例５は、実施例２に基づいて、分光計３００及びスペクトル変調方法を更に提供する。本実施例５と実施例２と同じ点についてここで説明しなく、相違点は次の通りである。
【００６４】
本実施例５に係る光変調層１は、厚さが１５０〜３００ｎｍの炭化ケイ素の水平底板からなる。光変調層１には、合計で１５０〜３００個のユニットを有し、各ユニットは、長さが１５〜２０μｍ、幅が１５〜２０μｍである。同一の変調ユニット５における各変調孔６の特定の断面形状はいずれも円形であり、各ユニット５同士の円孔配列周期、孔の半径、及びデューティ比等のパラメータは互いに異なる。具体的なパラメータ範囲は、周期の範囲が１８０ｎｍ〜８５０ｎｍ、孔の半径の範囲が２０ｎｍ〜７８０ｎｍ、デューティ比の範囲が１０％〜９２％である。光電検出層２において少なくもとも１つにはＩｎＧａＡｓ検出器が取り付けられている。
【００６５】
本実施例に係る分光計３００の製造プロセスは、まず光変調層１を製造してから、光電検出層２上に転移する転移プロセスの方式を採用する。
【００６６】
実施例６
本実施例６は、上記のいずれかの実施例に係る分光計３００の構造、原理、スペクトル変調方法、及び製造方法に基づいて、分光計３００及びスペクトル変調方法を提供する。本実施例６と前述の各実施例との同じ点についてここで説明しなく、相違点は次の通りである。
【００６７】
図１５に示すように、本実施例６に係る分光計３００では、各変調孔６はいずれも底板を貫通していない。理解できるように、変調孔６が底板を貫通しているかどうかにかかわらず、光変調層１の変調作用に悪影響を与えない。これは、光変調層１に用いられるシリコンベース材料又は他の材料がいずれも透光材料であり、スペクトルが光変調層１に入射すると、各変調ユニット５の構造に影響されて変調作用が生じるが、変調孔６の底部がスペクトル変調に悪影響を与えないからである。
【００６８】
本実施例に係る分光計３００では、光変調層１の変調孔６の底部から底板の底部まで厚さは６０ｎｍ〜１２００ｎｍ、底板全体の厚さは１２０ｎｍ〜２０００ｎｍである。
【００６９】
実施例７
本実施例７は、上記の各実施例の組み合わせに基づいて、分光計３００及びスペクトル変調方法を提供する。本実施例７と上記の各実施例との同じ点についてここで説明しなく、相違点は次の通りである。
【００７０】
図１６及び図１７に示すように、本実施例７に係る分光計３００では、光変調層１の底板には、５つの変調ユニット５が分布し、それぞれ第１の変調ユニット１１、第2の変調ユニット１２、第３の変調ユニット１３、第４の変調ユニット１４、及び第５の変調ユニット１５であり、そのうち、第５の変調ユニット１５は、範囲が最も大きく、その面積が前の４つの変調ユニットの合計以上である。
【００７１】
具体的には、第１の変調ユニット１１、第２の変調ユニット１２、第３の変調ユニット１３、第４の変調ユニット１４は全体としてアレイに配列され、そのうち、前の３つの変調ユニット１１、１２、１３内における変調孔６の配列方式は実施例３に係る変調孔６の配列方式と同じ、第４の変調ユニット１４は第１の変調ユニット１１の変調孔６の特定の断面形状と同じ、いずれも円形であるが、第４の変調ユニット１４の変調孔６の構造パラメーターは第１の変調ユニット１１の変調孔６の構造パラメーターと異なり、具体的には、第４の変調ユニット１４の変調孔６の内径は第１の変調ユニット１１の変調孔６の内径より小さいため、第４の変調ユニット１４は入力スペクトルに対して第４種の変調方式を有する。第５の変調ユニット１５における各変調孔６が形成する２次元パターン構造は、実施例１に係る２次元パターン構造と同じであると、第５の変調ユニット１５は入力スペクトルに対して第５種の変調方式を有する。
【００７２】
これで分かるように、本実施例７に係る光変調層１は、異なるユニット同士における異なる変調孔６の特定の断面形状の区別、及び同一のユニット内における特定の変調孔６の配列方式により、変調孔６の特定の断面形状、変調孔６の構造パラメーター、及び変調孔６の配列周期を変更することで異なる波長のスペクトルに対して異なる変調作用を実行することを実現する。
【００７３】
理解できるように、実施例１と実施例２の漸次変化式アレイの変調ユニット５の構造に対して、その任意に分割された変調ユニット５は、スペクトルに対して、いずれも異なる変調効果を持っており、理論的には、無数組の変調後のスペクトルサンプルを取得でき、これにより、元のスペクトルを再構築するためのデータの量が大幅に増加して、広帯域スペクトルのスペクトルパターンの復元に役立つ。
【００７４】
実施例３の周期式変調ユニット５の構造に対して、その周期構造は２次元周期の分散、共鳴作用を生じさせることができ、共鳴作用は、フォトニック結晶のエネルギーバンド制御、及び２次元格子の共鳴等の原理を含むが、これらに限定されない。共鳴作用により、特定の波長に対する検出の精度を高めることができる。
【００７５】
上記の実施例１、実施例２、及び実施例３における変調ユニット５をチップに同時に応用する場合、上記２種の利点を組み合わせることができる。かつ、光変調層のサイズ範囲をアッパーカットする場合、上記の３つの実施例に係る分光計３００は、いずれもミクロンオーダー又はそれより小さい構造に製造されることができ、これは、マイクロ統合分光計３００の小型化・微型化生産及び使用にとって重要な意義を有する。上記の光変調層１は、異なる光電検出器からなる光電検出層と組み合わせて、原則として、全帯域のスペクトル検出を実現することができ、それにより分光計３００の広域スペクトルの検出性能を更に向上させる。
【００７６】
以上のように、本実施例に係る非侵襲血糖測定器は、光源１００、分光計３００、及び測定対象が挿入する測定空間を含み、測定空間は、光源及び分光計３００にそれぞれ接続され、光源から発せられたスペクトルが測定対象を通過した後、分光計３００中に入る入射光を生成でき、当該入射光は測定対象を通過して測定対象の影響を受けたため、分光計３００により当該入射光を分光分析して再構築すると、血糖パラメータを含むスペクトルデータを取得することができ、これにより、近赤外分光分析の原理により生体測定対象に対する非接触性非侵襲血糖測定を実現する。
【００７７】
２、当該非侵襲血糖測定器における分光計３００は、変調後のスペクトルを得るように、入射光を光変調するための光変調層と、光変調層の下に位置し、変調後のスペクトルを受信し、変調後のスペクトルに差分応答を提供するための光電検出層と、光電検出層の下に位置し、元のスペクトルを得るように、差分応答を再構築するための信号処理回路層とを含む。当該非侵襲血糖測定器の分光計３００は、既存の分光計３００における様々な精密光学部品に取って代わって光変調層を採用するため、マイクロナノ構造の分野内への分光計３００の応用性が実現され、これにより、マイクロ統合分光計３００は、格子、プリズム、ミラー、又は他の類似する空間分光素子を必要とせずに作動することができ、分光計３００の体積を大幅に縮小するとともに、分光分析の精度を向上させることができ、これにより、非侵襲血糖測定器は、高い測定精度、優れた携帯性、リアルタイムのオンライン測定、簡単な操作、安定したパフォーマンス、低い製造コストなどの利点を有し、糖尿病患者の生活の質を大幅に改善でき、幅広い市場の見通しがある。
【００７８】
本公開の実施例は、例示、説明するためのものであり、網羅的なものではなく、又は本公開を開示された形態に限定するものではない。多くの修正及び変更は当業者にとって明らかである。実施例は、本公開の原理及び実際の応用をよりよく説明し、当業者が本公開を理解して特定の用途に適した様々な修正を与えた様々な実施例を設計できるようにするために選択して説明された。
【００７９】
本公開の説明において、特に明記しない限り、「複数」及び「いくつか」とはいずれも二つ又は二つ以上を意味し、特に明記しない限り、「ノッチ状」とは平らな断面以外の形状を意味する。「上」、「下」、「左」、「右」、「内」、「外」、「前端」、「後端」、「ヘッド」、「テール」等の用語で示す方位又は位置関係は、図示に基づく方位又は位置関係であり、本公開を便利に又は簡単に説明するためのものだけであり、示された装置又は素子が必ず特定の方位にあり、特定の方位で構造され、操作されると指示又は暗示するものではないため、本公開に対する限定と理解されるべきではない。また、「第１」、「第２」、「第３」等の用語は、説明するためのものに過ぎず、比較的な重要性を指示又は暗示すると理解されるべきではない。
本公開の説明において、明確な規定と限定がない限り、「取り付け」、「互いに接続」、「接続」等の用語の意味は広く理解されるべきであり、例えば、固定接続や、着脱可能な接続や、あるいは一体的な接続でも可能であり、機械的な接続や、電気的な接続でも可能であり、直接互いに接続することや、中間媒体を介して間接に互いに接続することも可能である。当業者にとって、具体的な状況に応じて上記用語の本公開での具体的な意味を理解することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１００  光源、２００  測定対象、３００  分光計、４００  データ処理モジュール、５００  データ表示モジュール、１’  基板、１  光変調層、２  光電検出層、３  信号処理回路層、４  光透過媒体層、５  変調ユニット、６  マイクロナノ孔、７  検出ユニット、８  隙間、１１  第１の変調ユニット、１２  第２の変調ユニット、１３  第３の変調ユニット、１４  第４の変調ユニット、１５  第５の変調ユニット
【図１】
2022502627.tif 000003
【図２】
2022502627.tif 000004
【図３】
2022502627.tif 000005
【図４】
2022502627.tif 000006
【図５】
2022502627.tif 000007
【図６】
2022502627.tif 000008
【図７】
2022502627.tif 000009
【図８】
2022502627.tif 000010
【図９】
2022502627.tif 000011
【図１０】
2022502627.tif 000012
【図１１】
2022502627.tif 000013
【図１２】
2022502627.tif 000014
【図１３】
2022502627.tif 000015
【図１４】
2022502627.tif 000016
【図１５】
2022502627.tif 000017
【図１６】
2022502627.tif 000018
【図１７】
2022502627.tif 000019
【図１８】
2022502627.tif 000020
【図１９】
2022502627.tif 000021
【図２０】
2022502627.tif 000022
【国際調査報告】
2022502627.tif 000023
2022502627.tif 000024
2022502627.tif 000025
2022502627.tif 000026