2022 Fiscal Year Research-status Report

生体信号の非接触パターン計測を実現する電磁反射位相検出アレイの確立

Research Project

Project/Area Number	21K18307
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	門内靖明東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (90726770)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords	テラヘルツ波 / レーダー / 生体計測 / アンテナ / 導波路
Outline of Annual Research Achievements	反射位相をパターン計測するための漏れ波構造を試作した。導体板間に構成される導波構造中において実効屈折率分布に基づくレンズを実装し、入力ポートから励振される波動を2次元ビームに変換する構造を実現した。そして、反射波と参照波との非線形検波を行って位相を計測できるようにし、試験物体として配置した振動子の振動位相を読み取れることを原理実証した。しかし取得された信号強度が低いため、今後は適切な漏れ量を達成する導波構造の作製が必要となる。また、並行してパターン計測の高度化に向けて、直線偏波の方向を電子的に制御する方法、ならびにテラヘルツ波と同程度の波長を有する超音波のパルスパワーを増幅する方法を提案・実証した。具体的には、マジックティを介して結合する２台の発振器の結合位相をバラクタダイオードへの印加電圧によって制御することで、マジックティの２つの出力ポートに接続された直交偏波アンテナペアへのパワー分配率を連続的に制御し、直線偏波方向を任意に変えられることを実証した。また、テラヘルツ波と同程度の波長を有する超音波のパルス増幅を可能にする方法についても提案・実証した。音響共振器に対して回転型のシャッターで開口部を開閉して内部に蓄積された音響エネルギーを瞬時開放することで、高い瞬時パワーを放出できることを実証した。その際、導波管フランジのチョーク構造と同様の音響チョーク構造を導入することで、音響共振器のQ値を向上させられることを示した。さらに、テラヘルツ波を水槽内の水に照射する際に光音響効果によって発生される超音波の音圧の定量評価ならびに生体内情報伝送への応用の原理実証を行い、計測プローブおよび情報キャリアとしての有用性を示した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 試作された導波構造から十分な信号強度、すなわち漏れ量を得るには、大面積性と導波構造作製精度とのトレードオフを考慮して導波構造を改善する必要があることが分かった。一方で、テラヘルツ波の偏波方向の電子制御を可能にする方法や、テラヘルツ波と同程度の波長を有する超音波のパルス増幅を可能にする方法など、要素技術上の進展があった。また、光音響効果を介してテラヘルツ波を超音波に非接触変換する手法を実装・評価し、生体内情報伝送への応用を原理実証した。よって、本研究計画は概ね順調に進展していると言える。
Strategy for Future Research Activity	今後は、まず漏れ波を生成する導波構造を改善する。具体的には、導波構造中に組み込まれた導体メッシュ層部分の極板間距離を設計値に近づける。また、サーキュレータの漏洩を利用する新たなミキシング構造の実装を検討する。使用する周波数については、達成可能な出力の下で透過性の高さと分解能の高さの間のトレードオフを考慮して決定する。また、光音響効果を介して生成される超音波による生体内情報伝送についても、伝送容量の向上に取り組む。以上を通して、身体動作の推定や健康状態のモニタリングなどのアプリケーションの原理実証を試みる。