JP2021520109A

JP2021520109A - 連続波励振を伴うセンサ応答の読取りに固有周波数のシフトメカニズムを使用する方法

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Publication number: JP2021520109A
Application number: JP2020553456A
Authority: JP
Inventors: コーヘン、アミル; ベッカー、ユヴァル; エス．タマム、エリック
Original assignee: マイクロテックメディカルテクノロジーズリミテッド
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2021-08-12
Also published as: EP3784124A2; IL279401A; WO2019207358A2; CN112004467A; US20190320997A1; WO2019207358A3

Abstract

本発明に係る方法及びシステムは、主として、非圧縮性流体を有するシステムにおける周囲圧力の測定に関し、より具体的には、身体内腔内の圧力の監視に関する。周囲圧力の測定は、受動センサに送信された周波数間において不均一な間隔を有する周波数コムを送信し、受動センサの周波数応答を測定することで行うことができる。一実施形態において、センサの高次調波が励振され、これを測定することで周囲圧力を判定する。別の実施形態において、送信周波数の間の周波数の周波数応答を測定することで、周囲圧力を判定する。

Description

本願は、２０１８年４月２４日に出願された米国仮出願第６２／６６１，９２５号の優先権の利益を主張する。

本発明は、主として、非圧縮性流体を含むシステム内の周囲圧力を測定する方法及びシステムに関し、より具体的には、身体内腔内の圧力を監視する方法及びシステムに関連する。

従来の圧力測定システムは、受動的機械式共振器（すなわちセンサ）の共振周波数の測定に基づいている。標準動作モードにおいて、このようなセンサは、外部に配置された超音波トランスデューサが、所定の周波数範囲に亘る超音波信号の組合せを放出することによって提供される駆動力によって励振される。この駆動力の結果として、センサは、そのスペクトル応答を反映する振幅及び位相で振動し、最大振幅応答が共振周波数となる。圧力センサの場合、センサの共振周波数は圧力の関数として変化するため、共振周波数を検出することにより、センサが受ける周囲圧力を判定することができる。但し、センサの励振のために送信されるエネルギーは、センサによって生成される信号のエネルギーよりもはるかに大きいため、送信されるエネルギーは、送信される周波数でセンサの応答を「マスク」してしまう。

そのような「マスキング」を回避しつつ、医師が身体内腔の圧力を非侵襲的に監視できるようにしながら、身体内腔の正確な圧力測定を提供できる圧力監視システムに対する強い臨床的必要性が存在する。

従来の装置は、最低共振周波数又はその周辺の周波数で受動的圧力センサの反応測定をすることによって圧力を検出する。しかしながら、特定の状況（非線形システム等）では、システムの１次高調波を励振して得られる情報では、周囲圧力を正確に計算するのに十分な情報が得られない場合がある。従って、受動的圧力センサの周波数応答を使用して周囲圧力を計算する、よりロバストな方法が必要である。

本発明は、身体内腔内の圧力を測定する方法及び装置に関する。本発明に係る装置は受動的機械式共振器を有し、いくつかの実施形態では、門脈圧について非侵襲的且つ頻繁なモニタリングを可能にする、小型、受動的、埋込み型且つ無線式のセンサデバイスとすることができる。センサデバイスは小型で、標的となる管への安全な埋込みを可能にする。一実施形態において、センサデバイス構造は、少なくとも１ミクロンを超える厚さのセンサ膜を含み、センサデバイス全体のサイズ範囲が、幅（ｗ）０．１ｍｍ〜１ｍｍ、奥行き（ｄ）０．１ｍｍ〜１ｍｍ及び高さ（ｈ）０．１〜０．７５ｍｍである単一のセンサユニットを含む。センサデバイスの全体積は、０．３立方ミリメートルを超えないことが好ましい。センサデバイスの体積範囲（ｍｍ^３）の他の例は、例えば、０．００５〜０．００８、若しくは０．０１〜０．０９又は０．１〜０．３である。本装置は受動的であり、治療を行う医師が必要に応じて何度でも患者を監視可能である。本発明は、特に門脈圧及び／又は肝圧を測定する際に非圧縮性流体を含むシステムの周囲条件を調べるのに有用である。

本発明の目的は、身体内腔内に埋め込まれ且つ固定されたセンサデバイスを用いて、身体内腔圧を測定する方法であって、
音波の周波数コムをセンサに供給するステップと、
前記周波数コムによりセンサで誘発された周波数を受信するステップと、
受信した前記周波数のうち、前記供給された周波数の高調波を音響データとして処理し、振動可能な前記センサの周波数応答（例えば共振周波数）を判定して、前記センサが配置された環境における周囲流体圧を判定するステップと
を有する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、対象システムに配置されたセンサデバイスから、前記対象システム内の周囲流体圧を測定する方法であって、
前記センサデバイスは、周囲圧力条件に応じた共振周波数応答及び２次高調波等の高次周波数応答を有するセンサ膜を備え、付与された圧力毎の周波数応答を行う振動センサを含み、
音波の周波数コムを前記センサに付与して、前記センサにおいて音響共振又は振動を誘発させるステップと、
前記センサからの反射信号として前記音響共振を検出するステップと、
検出した前記音響共振を処理して周囲流体圧を判定するステップと
を有する方法を提供することである。

門脈圧を測定する本発明に係る装置を示す図である。門脈圧を測定、解析及び表示する本発明に係るシステムを示す図である。圧力の関数としての線形スペクトル応答の例を示すと共に、異なる曲線はそれぞれ異なる周波数を表す図である。圧力の関数としての２次高調波での線形スペクトル圧力応答の例を示す図である。特別な周波数コムを使用することによって補正された圧力の関数としての２次高調波のスペクトル圧力応答の例を示す図である。図６Ａ〜図６Ｃは、周波数毎の応答の減算の前後の信号を示す図である。

本発明に係る方法及び装置は、主として、非圧縮性流体を含むシステム内の周囲圧力の測定に関する。この用途の目的に関し、「非圧縮性流体」は、主に、液体、スラリー及びゲル等の非蒸気、非圧縮性及び流動性の媒体を指す。周囲流体圧力を測定する従来の装置と比較して小型の装置サイズ並びに装置及び方法の低侵襲性は、以下の測定を含む医学的及び生理学的用途に特に適しているが、これらに限定されない。ｉ）門脈圧亢進症等における血管／動脈／静脈の圧力、ｉｉ）脳室内の髄液圧、ｉｉｉ）尿路、膀胱、腎臓、胆管等の腹腔内圧等。周囲圧力は、受動センサにおいて、送信される周波数間に不均一な間隔を有する周波数コムを送信し、受動センサの周波数応答を測定することによって測定することができる。一実施形態において、センサの高次調波を励振させ、これを測定することで周囲圧力を判定する。別の実施形態において、送信された複数の周波数の中間周波数の周波数応答を測定して、周囲圧力を判定する。この方法は、流体、すなわち非圧縮性流体（例えば液体）が流れる身体システムを含む任意の疾患又は条件に適用可能であり得る。

本発明の目的の１つは、いくつかの実施形態ではセンサデバイスとすることができ、且つ非圧縮性流体（例えば液体）を含むシステム内の周囲流体圧を測定する受動的機械式共振器を提供することである。センサデバイスは、むき出しの振動可能なセンサ、又は空洞内に収容され、筐体をシールする底部フィルムを有する又は有さない振動可能なセンサとすることができる。一実施形態において、センサデバイスは、周囲流体圧の環境に応答する共振周波数を有するセンサ膜を備える振動可能なセンサを含む。センサ膜は、１ミクロンから２００ミクロンの範囲の厚さであり、チャンバの一側面を形成する。チャンバは、センサ膜と、センサ膜に対して実質的に垂直な複数の壁とによって形成される。チャンバは、所定圧力の圧縮性ガスを伴って密閉してもよい。チャンバは、陽極接合処理を使用した接合層を伴ってシールされる。接合層は、振動可能なセンサを固定装置に取り付ける手段を提供し得る。従って、むき出しの振動可能なセンサを含むセンサデバイスは、実質的又は部分的に非固体の構成要素とすることができ、この非固体の構成要素は、センサ膜及びチャンバを有する任意の形状である。或いは、振動可能なセンサは、音響的に活性な固体、すなわち、チャンバのないセンサ膜とすることができる。いずれの態様であっても、振動可能なセンサは生体適合性がある、すなわち、人体内で実質的に拒絶反応がない。

別の実施形態において、振動可能なセンサは、筐体によって形成された空洞内に配置してもよい。この実施形態では、カバープレートは、接合層がカバープレートに面するように筐体の空洞を覆う。ベースプレートは、筐体の基礎を形成する。ベースプレートは、振動可能なセンサのセンサ膜を、測定対象の身体環境に露出させるオリフィスを含んでもよい。この実施形態の一態様において、筐体は、底部フィルムをさらに含む。底部フィルムは、外部流体及び／又は組織に対して半透過性又は非透過性とすることができると共に、非圧縮性流体を封入してもよい。

一実施形態において、センサデバイスは、門脈に埋め込んで、それによって止血圧と腹腔内圧の組み合わせを提供してもよい。別の実施形態において、センサデバイスは、肝静脈系及び門脈系のそれぞれに埋め込んでもよい。門脈への埋込みは、肋骨内アプローチ又は剣状突起下アプローチのいずれかを使用して経肝穿刺（transhepatic puncture）を介して実施することができる一方、肝静脈への埋込みは、経頸静脈アプローチを介して実施することができる。このようにして、システムは、肝静脈系間の圧力勾配に関する情報を提供することができる。この後者の実施形態では、システムは、同じ期間で門脈圧勾配と門脈圧の両方を提供する。また、センサの埋込みステップは、センサを身体組織又は器官に固定するステップ、又はセンサを土台に固定して土台を埋め込むステップを含んでもよい。

本発明は、添付の図面を参照して以下で検討及び説明される。図面は、本発明の例示的な理解を提供するものであり、本発明の特定の実施形態及び詳細を概略的に示す。当業者は、本発明の範囲内における他の同様の例を容易に認識するであろう。図面は、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

図１は、本発明に係るセンサデバイスシステムを示す。センサデバイス１００は、埋め込まれたセンサデバイスの周囲圧力を測定する。センサデバイス１００には、周波数送信機１０３によって生成される音波１０１の周波数コムが照射される。この用途で使用されるように、周波数コムは、所定の周波数範囲に調整されて全てが同じ方向に送信される音波の集まりを意味する。特定の実施形態において、周波数コムは、異なる周波数の３から１６の波を含むことができる。周波数送信機１０３は、当技術分野で知られているように、音響エネルギービーム（例えば音波ビーム又は超音波ビームであるが、これらに限定されない。）を制御可能に生成するのに適した任意のトランスデューサ（変換器）を含んでもよい。通常、このようなトランスデューサは触覚トランスデューサと呼ばれ、電気信号を、例えば、感じたり作業に使用したりできる振動に変換することができる。トランスデューサは、例えば、４〜１６ｃｍの侵入深さと３ｃｍのビームスポット直径とを含み、測定楕円体を生成する視野を提供する。トランスデューサは、適切な圧電トランスデューサを使用して実装することができるが、当技術分野で知られている、異なる周波数及び／又はビーム形状を得るために構成された他のトランスデューサ（例えば、静電容量型トランスデューサ、広帯域静電容量型トランスデューサ、複合圧電トランスデューサ、電磁トランスデューサ及び様々なトランスデューサアレイタイプ並びにこれらトランスデューサの様々な適切な組合せであるが、これに限定されない。）を使用することができる。例えば、Vemco社、PCB Piezoelectronics社及びHardy Instruments社製の音響送信機を使用することができる。音波１０１の周波数コムは、センサデバイス１００に向けられ、変調された音波１０５を生成する。変調された音波１０５は、超音波受信機１０６によって検出される。変調された音波１０５をその後に処理することで、デバイス１００内の周囲圧力の計算が可能となる。また、本発明は、任意の圧力センサ又は任意の非線形センサと共に使用することができる。そのような他のセンサには、ＲＦＩＤセンサや、コイル、コンデンサ及び抵抗器を備えた電気センサが含まれる。実際の電気部品は、完全に線形の周波数応答を生成することがない。この非直線性は、高信号レベルで動作すると高くなる。ダイオードやトランジスタ等の能動部品を使用すると、固有の非線形効果がある。そのような非線形効果は、本発明で使用可能な高調波の生成をもたらす。

本発明の一態様は、周囲流体圧力を測定する小型センサデバイスを含む埋込み型センサデバイスに関する。センサデバイスは、周囲圧力条件に対する周波数応答を有するセンサ膜を備える振動可能なセンサを含む。振動可能なセンサのセンサ膜は、事前設定された圧力の圧縮性ガスが存在するチャンバの一側面を形成する。チャンバは、好ましくはセンサ膜に実質的に垂直である少なくとも１つの壁によってさらに形成される。一実施形態において、振動可能なセンサはシリコン製であるが、他の適切な材料（例えば、金属、Pyrex（登録商標）又は他のガラス、窒化ホウ素等）を使用することができる。金属の非限定的な例には、例えば、チタン、金、ステンレス鋼、白金若しくはタンタル、又は任意の適切な金属、合金若しくはニチノール等の形状記憶合金が含まれる。チャンバは、センサ膜とは反対側のチャンバの側面を形成する接合層でシールすることができる。振動可能なセンサがチャンバをシールする接合層を含む場合、接合層は、固定手段への取付けのために使用されてもよい。一実施形態において、接合層は、振動可能なセンサに配置されたチャンバに気密シールを提供する。接合層は、Pyrex（登録商標）、ガラス、シリコン、又は他の適切な材料を含んでもよい。

一般に、振動可能なセンサは、材料からなるより大きなパネルから適切な形状をエッチングすることによって製造される。例えば、複数の所望の振動可能なセンサの形状を規定するマスクで、材料からなるより大きなパネルを覆い、次いで、このパネルにエッチング（例えば、化学的エッチング又は物理的エッチング）を行うことができる。マスクは、エッチング処理中に除去してはならないパネルの領域を保護することで、所望の形状を生成させる。例えば、複数の振動可能なセンサの形成は、正確に測定された複数の切抜きを有するマスクが、エッチング処理中に、材料からなるより大きなパネルを覆い、マスクの切抜きに実質的に等しい奥行きの所望形状のチャンバが生成されることで行われる。チャンバの奥行きは、様々な因子（例えば化学エッチングを使用する場合、揮発性、期間及び化学処理の数等）によって制御することができる。次に、より大きなパネルからの各振動可能センサの切取りは、連続するチャンバ間をスライスすることにより行うことができ、その際、チャンバの各側面に残っている材料の量が振動可能センサのチャンバを形成する壁の厚さになるようにする。チャンバの底面と大きなパネルの底面の間に残っている材料の量は、センサ膜の厚さになる。接合が必要な材料は、例えばろう付けや溶接等で接続できる。

上記のように、振動可能なセンサは、振動可能センサを密閉するために、例えば、Pyrex（登録商標）又は他の適切な材料の結合層を追加的に含むことが可能であり、そのような結合層は、結合層とセンサ膜が実質的に平行となるように、チャンバの壁に接合することが好ましい。一実施形態において、結合層及びセンサ膜は、振動可能なセンサのチャンバにおける対向する壁を形成する。結合層は、固定部又は他の部位に取り付ける表面を提供し得る。

本発明の別の態様は、任意の身体内腔内の圧力を判定する方法に関する。センサデバイス１００（図１）が配置されると、図１に示される送信機１０３／受信機１０６の配列を使用してデータが収集される。音響ビームの周波数コム１０１は、周波数送信機１０３によって生成され、受動センサデバイス１００に供給される（すなわち、送信される）。一般に、周波数コム１０１は、周波数送信機１０３をセンサデバイス１００の外部且つ近接する位置に配置することによって開始される。ここで、「近接」は、本発明に係るデバイス及び方法に従って周波数コム１０１をセンサデバイス１００に供給するのに十分な距離である。周波数コム１０１によって励振されると、振動可能なセンサが振動し、変調された音波１０５（すなわち、周波数応答）を生成する。変調された音波１０５は、同じくセンサデバイス１００に近接して配置された超音波受信機１０６によって受信される。

図２は、本発明に係るシステムの処理・表示システム３００の一実施形態を示すと共に、システム内のセンサデバイスの動作を示している。図２は、本発明に係るシステムの一般的なセンサデバイス１００を示す図１を参照する。

図２において、超音波受信機１０６は、データ３０５を処理ユニット３０１に送信する。データ３０５は、電波、電気信号、デジタル信号若しくは波形信号、又は超音波受信機１０６によって受信される変調音波１０５の音響特性を伝達するのに十分な他の任意の手段を含むことができる。処理ユニット３０１は、変調音波１０５の特性を使用してデータ３０５を解析して、センサデバイス１００の周波数応答を判定する。本明細書において、センサの周波数応答は、所与の周囲圧力で、周波数送信機１０３からの超音波振動の伝達に応答してセンサから放出される、少なくとも１つの共振周波数を含む振動周波数として定義される。例えば、センサデバイス１００が「正常な」状態、すなわち、病気の症状がない生理学的状態に適用されている場合のセンサデバイス１００の周波数応答が既知である。センサデバイス１００の内圧、すなわち、空洞内の圧力は既知であり、実質的に一定である。例えば、門脈系では、センサデバイス１００の周波数応答は、静脈圧の変化に応じて変化する。低周波音波１０２（例えば５０ｋＨｚ）は、振動可能なセンサ２の振動を励振することによって、所与の圧力で、センサデバイス１００の振動の少なくとも１つの周波数応答を生じさせる。高周波音波（例えば７５０ｋＨｚ）を使用して、励振された振動可能なセンサの反応測定をすることができる。これにより、超音波受信機１０６により検出可能な変調音波１０５を生じる。

本発明に従って測定可能な周波数応答の１タイプは、共振周波数である。最も低いエネルギーの共振周波数は、一般に基本周波数として知られている。多くの物体は複数の共振周波数を持ち、共振周波数の整数倍（例えば、２ｘ、３ｘ、４ｘ、５ｘ等）で振動し得る。例えば、センサデバイス１００の基本周波数及び１つ又は複数の高次の調波周波数は、センサデバイス１００から返されるピーク振動振幅又は相対最大振幅を示す周波数として特定することができる。

一実施形態において、Ｎ個の周波数（ｆ_ｉｉ＝１...Ｎ）からなる周波数コム内の複数の周波数は初期周波数の整数倍である。上記のシナリオでは、送信された周波数の構造的な干渉（constructive interference）の結果として、センサは、周波数コムの全ての周波数で励振された応答を示す。このような応答の結果、高次調波でのセンサのスペクトル応答のゆがみ又は歪みが発生し、システムパフォーマンスが大幅に低下する可能性がある。この応答を回避するために、周波数コムは、不均一な間隔があり、共振器の共振周波数の倍数ではない複数の周波数を使用して設計されている。図３は、センサの共振周波数を励振するように調整された標準的な周波数コムに対するセンサの例示的なスペクトル応答を示しており、図４は、センサの２次調波周波数を励振するように調整された標準的な周波数コムに対するセンサの例示的なスペクトル応答を示している。具体的には、図３は、圧力（水銀柱ミリメートル）の関数としての信号パワー（デシベル）の例を示しており、異なる曲線はそれぞれ異なる周波数を表している。各ピークは、異なる圧力での共振周波数である。図４は、圧力（水銀柱ミリメートル）の関数としての信号パワー（デシベル）の例を示しており、各曲線は、固有の周波数での応答を特定している。図４からわかるように、応答曲線には絶対最大値がない。代わりに、複数の高調波（図４に示すようなもの等）を伴って使用される線形システムでは、極大値が含まれ、又は極端な場合には疑似最大値のピークが含まれる。これらは、送信周波数の構造的な干渉により誤った結果をもたらし、周囲圧力を判定する際、誤った結果を生じさせる可能性がある。

標準的な周波数コムは、等間隔の周波数のセットで構成されている。すなわち、ｆ＝ｆ_１＋ｄｆ＊（ｎ−１）である。これは、センサデバイスの高調波（例えば、２次調波）で励振されたセンサの検出には効果的ではない。多くの物体は、１次調波周波数の倍数であり歪みにつながる複数の調波周波数を有しているためである。すなわち、受信機は、センサによって反射された周波数と、トランスデューサによって送信された周波数を取得する。加算されたトランスデューサからの２つの周波数がセンサの高調波周波数に等しい場合、応答の原因が不明になるため、データが歪んでしまう。例えば、３８ｋＨｚ、３９ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、４１ｋＨｚ、４２ｋＨｚの従来の周波数コムを使用して、受信機が８０ｋＨｚで大きな応答を検出した場合、共振周波数が４０ｋＨｚのセンサが、２次調波で応答している可能性があるが、３８ｋＨｚ波と４２ｋＨｚ波の間、又は３９ｋＨｚ波と４１ｋＨｚ波の間の構造的な干渉の結果である可能性もある。これによりデータが歪んで使用できなくなる。歪みを克服するために、周波数ペアのいずれもその和が第３周波数の値の２倍とならないようにされた不均一な間隔の周波数コム、つまり完全な周波数コムは、方程式ｆ_ｍ＋ｆ_ｎ≠２ｆ_ｌを満たす。ここで、ｆ_ｍ、ｆ_ｎ、ｆ_ｌは、周波数コムに含まれる互いに異なる周波数である。不均一な間隔の周波数コムの例は次の通りである。
ｆ［ｋＨｚ］＝５０．１、５０．５、５１、５１．６、５２．１、５２．５、５３、５３．６、５４．３、５４．６、５５．４、５５．８、５６．６、５６．９、５７．５、５７．９

不均一な間隔の周波数コムは、センサの周波数応答（共振周波数を含む場合と含まない場合がある。）を検出するために、周波数範囲に沿ってスイープすることができる。センサの検量線は、様々な圧力に対応する周波数範囲を提供する。周波数コムで使用される周波数は、検量線に従って、所望の圧力範囲に対応するように選択できる。周波数コムは不均一な間隔であり、方程式ｆ_ｍ＋ｆ_ｎ≠２ｆ_ｌを満たすため、任意の応答は、１つの考えられる原因に起因することとなる。この要件に適合するより多くの可能な周波数コムを見つける１つの方法は、上記のように、このシステムに要求される特性を維持する一定の周波数だけ非線形の周波数コムをシフトすることである。非線形の周波数コムの各周波数に定数を乗算すると、周波数コムに必要な特性も維持される。これにより、様々なセンサや圧力範囲に合わせて非線形の周波数コムを調整できる。

また、本発明は、３次調波の周波数と共に使用することもできる。この実施形態において、周波数コムは、方程式３ｆ_ｉ≠ｆ_ｉ＋ｆ_ｊ＋ｆ_ｋを満たす必要があり、ここで、ｆ_ｉ、ｆ_ｊ、ｆ_ｋは、互いに異なる周波数である。このようなコムの例は次の通りである。
ｆ［ｋＨｚ］＝５０．１、５０．５、５１、５１．６、５２．１、５２．５、５３、５３．６

２次調波に使用されるコムと同様に、この要件に適合するより多くの可能な周波数コムを見つける１つの方法は、上記のようにこのシステムに必要な特性を維持する一定の周波数で非線形の周波数コムをシフトすることである。非線形の周波数コムの各周波数に定数を乗算すると、周波数コムに必要な特性も維持される。これにより、様々なセンサや圧力範囲に合わせて非線形の周波数コムを調整できる。

図５には、上述した本発明に係る不均一周波数コムを使用して測定された例示的な周波数応答が示されている。図５は、周波数範囲に沿って不均一な間隔の周波数コムをスイープすることによって補正された圧力の関数としてのスペクトル圧力応答の例を示している。各曲線には最大値が１つある。上記した本発明に係る周波数コムの性質を考えると、最大値が、圧力センサの調波周波数であるか、若しくはトランスデューサ自体によって生成された波の反射であるか、又は構造的な干渉の後であるかを簡単に判定できる。各最大値は、１つの特定の構造的干渉、又は初期周波数の高調波からのみ発生し得るため、この判定は明確である。判定後は、関連する曲線を使用してセンサの圧力を判定可能である。

別の実施形態において、応答周波数の相対的な最大値及び最小値を参照点として使用する代わりに、本発明は、相対的な最大値及び最小値の間の周波数応答を処理する。相対的な最大値と最小値の間の信号の振幅は、センサの相対的な変化率に比例する。センサの相対的な変化率は、圧力変化率、センサの相対感度、及びセンサの品質係数、つまり中心周波数を帯域幅で割った値によって判定される。一実施形態において、周波数コムは、不等式ｄｆ_comb＞ｄｆ_{system resolution}を満たさなければならず、ここで、ｄｆは、周波数の変化を指す。この不等式を満たすことで、コム周波数間のギャップで発生する周波数の測定が可能になる。ギャップ周波数の測定値を取得するために、コム周波数は測定されない。図６Ａは、標準的な線形周波数コムの全体的な信号応答を示している。図６Ｂは、図６Ａのグラフを示すが、グラフのピーク間の応答を拡大して表示する。図６Ｃは、送信周波数の値を除去した後の信号を示している。これらのグラフは、直接送信によって引き起こされた応答によって中間応答がどのようにマスクされるかを示している。この技術では中間応答が使用されるため、周波数分解能は、周波数コム内の周波数間のスペースよりも高くする必要がある。送信周波数の間の周波数のみを測定することによって、図６Ｃに示されるようにセンサ応答を示す有用な応答が達成可能である。これにより、センサの既知の比例性に基づいてセンサの共振周波数を計算可能となる。いくつかの実施形態において、この技術は、線形周波数コムで使用することができる。別の実施形態において、非線形周波数コムで使用することもできる。

センサデバイス１００で励振された実際の共振周波数及び高次調波周波数と、通常状態でのセンサデバイスの共振周波数及び高次調波周波数との差は、通常状態と実際の圧力との間の圧力差と相関している。従って、実際の圧力は、センサデバイス１００の測定された共振周波数に基づいて算出可能である。

本発明の一実施形態において、送信機は、例えば、要求精度に応じて、０〜１００ｋＨｚ、３０〜１００ｋＨｚ又は５０〜１００ｋＨｚの動作範囲を有する環状低周波圧電トランスデューサである。しかしながら、本発明を実施するために、当技術分野で知られている他の任意の適切な周波数トランスデューサを使用できることに留意されたい。別の実施形態において、周波数コムは、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内の周波数でできている。さらに別の実施形態において、周波数コムは、ある範囲の周波数に亘って変動する。

本発明の別の実施形態において、周波数送信機１０３は、環状周波数送信トランスデューサであり、同トランスデューサは、音波１０１の周波数コム（例えば７５０ｋＨｚ）を生成するように設計された低ノイズ（すなわち、低範囲又は低帯域幅）周波数発生ユニットとして実装される。しかしながら、本発明を実施する際、音波の他の異なる値も使用可能であることに留意されたい。

本発明の一実施形態において、例えば図２に示されるように、超音波受信機１０６は、ディスク状の高周波受信圧電トランスデューサとすることができる。周波数送信機１０３及び超音波受信機１０６は、例えば、Capistrano Labs, Inc.（米国カリフォルニア州サンクレメンテ）から入手可能な汎用超音波プローブ（型式ＣＬＩ７９００）である。音波１０１の周波数コムを含む音波がセンサデバイス１００に向けられると、超音波受信機１０６は、センサデバイス１００で励振された変調音波１０５、及び他のノイズ、例えば、測定環境に存在する他の物質から反射された信号又は干渉信号を受信する。超音波受信機１０６は、自身が受信した戻り音響信号を表す電気信号を生成する。超音波受信機１０６によって生成された電気信号は、例えば、図２に示されるような、本明細書に記載したシステムによって処理される。

別の実施形態において、周波数送信機１０３は、３０〜９０ｋＨｚの動作範囲を有し、例えば、５０ｋＨｚで音響周波数を送信する。周波数送信機１０３は、例えば、狭帯域幅（範囲）を伴って約７５０ｋＨｚで送信する。超音波受信機１０６は、例えば、７５０（高）±５０（低）ｋＨｚの範囲で動作することができる。或いは、周波数送信機１０３及び超音波受信機１０６は、本明細書に開示されるデバイス及び方法での使用に適した任意の範囲、及び特定の環境で流体圧力を測定するために特に必要とされる範囲で動作することが可能である。いくつかの実施形態において、受信機は、基本周波数の少なくとも１００％である帯域幅を有する広帯域受信機である。

超音波受信機１０６は、センサが音波１０１の周波数コムによって反応測定されたときにセンサから戻る信号を受信するために使用されるトランスデューサである。例えば、トランスデューサは、適切な圧電トランスデューサを使用して実装することができる。当技術分野で知られている、異なる周波数及び／又はビーム形状を得るために構成された他のタイプのトランスデューサも実装のために使用可能であり、そのようなトランスデューサとしては、静電容量型トランスデューサ、広帯域静電容量型トランスデューサ、複合圧電トランスデューサ、電磁トランスデューサ及び様々なトランスデューサアレイタイプ、ｃＭＵＴ、シンバル型トランスデューサ並びにこれらトランスデューサの様々な適切な組合せが含まれるが、これらに限定されない。例えば、Vemco社、PCB Piezoelectronics社及びHardy Instruments社製の音響送信機を使用することができる。

変調音波１０５は、所望の周波数、波長及び／又は振幅を有する波形を達成するために、可逆的な方法で音波１０１を組み合わせた結果である。従って、例えば、センサデバイス１００の環境内の物質からの音波の反射によって引き起こされる変調されていないノイズは、センサデバイス１００によって励振される変調音波１０５とは区別される。受信信号の振幅（ｄＢ単位）が周波数（ＭＨｚ単位）に従って分析されるとき、振幅は、センサデバイス１００の共振周波数でピークに達する。超音波受信機１０６は、分析及び利用のため、図２で示される処理・表示システムに変調音波１０５を通信する。

一実施形態において、センサデバイス１００で励振された振動は、圧力測定値を心拍数又はパルス測定値と相関させることによってノイズと区別される。この実施形態では、複数の圧力測定値が、反応測定期間中に、例えば、心臓の少なくとも１サイクルの拡張及び収縮（パルスサイクル）で取得される。パルスサイクルの間、心臓が血液を引き込み、排出するのに合わせて、血管系全体の圧力が継続的に変化する。従って、パルスサイクルに相関して一致した態様で変化する音響信号は、センサの励振によるものであることが証明される。例えば、反応測定環境で周囲の組織から反射されたノイズは、パルスサイクルに相関するように連続的に変化する信号を生成しない。上記の特徴は、単一の実施形態に限定されない。むしろ、これらの特徴及び機能は、本明細書の他の実施形態及び概念の代わりに、又はそれらと組み合わせて適用することができる。パルスサイクル及び波形は、例えば、パルスオキシメータ、心拍数モニタ、ＥＣＧ等を使用して、外部デバイスによって測定することができる。そのような機器を本発明に係る圧力監視システムに接続して、パルス又はパルス波形をシステムに入力し、センサから取得した圧力波形と相関させて、取得した信号の有効性を判定してもよい。

本発明の一態様によれば、埋め込まれたセンサデバイス１００には、音波１０１の周波数コムが照射され、後者は、センサデバイス１００内の振動を励振し、反射された音波は、変調された音波１０５として現れる。超音波受信機１０６は、分析及び利用のため、図２で示される処理・表示システムに変調音波１０５の特性を伝達する。

本発明に係る処理・表示システム３００の一実施形態を示す図２に戻り、超音波受信機１０６からのデータ３０５は、センサデバイス１００を取り巻く環境の圧力を判定する処理ユニット３０１に送信される。データ３０５は、有線接続部３０８又は無線接続部３０９を介して超音波受信機１０６と処理ユニット３０１の間で通信される。有線接続部３０８は、例えば、電気ケーブル、一体型接続等である。無線接続部３０９は、例えば、電波、音波、又はデータを遠隔通信するための他の既知の媒体を送信することによって動作する。

処理ユニット３０１は、本明細書に記載のデータ変換及び／又はデータ表示を実行するように、及び使用方法の必要に応じてプログラムされたコンピュータ、ワークステーション、又は他の電気的又は機械的デバイスを備えてもよい。非限定的な例として、本発明は、標準的なワークステーションパーソナルコンピュータで実行することが可能であり、そのようなコンピュータとしては、例えば、DELL、IBM、Hewlett-Packard製のものがあり、典型的には、少なくとも１つのプロセッサ（例えば、Intel、AMD、Texas Instruments製）を含む。また、処理ユニット３０１は、専用のハードウェア及び／又はソフトウェアを含み、そのようなものとして、例えば、National InstrumentsのPCI-6115データキャプチャボード、又はその目的のためにカスタム設計されたデバイスからなるデータキャプチャシステムがある。

処理ユニット３０１の出力は、処理ユニット３０１又は表示ユニット３０２、或いはそれらの組み合わせのいずれかによって、使用可能且つ表示可能な測定値に変換された圧力測定値である。例えば、圧力測定値はmmHg又はTorrの数値単位で報告されるか、又は事前定義された任意のスケールに関連して表示されてもよい。表示ユニット３０２は、モニタ、数値ディスプレイ、ＬＤＣ、又は数値測定値を表示することができる他のオーディオ又はビジュアルデバイスを備えてもよい。図２の実施形態に示すように、表示ユニット３０２は、接続部３０６によって処理ユニット３０１に接続又は統合される。処理ユニット及び表示ユニットを備えるコンピュータの場合、処理ユニット３０１及び／又は表示ユニット３０２に対する遠隔要素、個別の有線要素、又は統合要素、インタフェース３０３及び入出力要素３０４（キーボード、マウス、ディスクドライブ、光学ペン等）を、ユーザがデータを収集、操作、追跡及び記録するために設けてもよい。接続部３０６は、電波、音波、又は他の既知の遠隔送信方法の送信によって動作する遠隔接続部３０７であってもよい。

当業者であれば、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、実施形態として本明細書に具体的に示され、説明されたものに対して、種々の変形、追加、修正、及び他の応用が可能であることが理解されるであろう。従って、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲は、全ての予見可能な変形、追加、修正、又は応用を含むことが意図されている。

Claims

共振周波数を検出するシステムであって、
受動的機械式共振器と、
超音波トランスデューサと、
処理装置に接続された受信機と
を有し、
前記超音波トランスデューサは、不均一な間隔の複数の周波数を有する周波数コムを含む信号を生成するように構成され、
前記受信機は、変調された音響信号を受信し、
前記処理装置は、前記変調された音響信号を処理して共振周波数を判定する
ことを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記周波数コムは、周波数範囲に亘って変動する
ことを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記不均一な間隔の複数の周波数は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内にある
ことを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記不均一な間隔の複数の周波数の合計は、前記共振器の共振周波数の整数倍から外れている
ことを特徴とするシステム。
請求項３に記載のシステムにおいて、
前記受信機は、基本周波数の少なくとも１００％である帯域幅を有する広帯域受信機である
ことを特徴とするシステム。
受動的機械式共振器を用いて共振周波数を判定する方法であって、
不均一な間隔の複数の周波数を有する周波数コムを含む音響信号を生成するステップと、
変調された音響信号を受信するステップと、
前記変調された音響信号を処理して共振周波数を判定するステップと
を有することを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法において、
前記周波数コムの周波数範囲をシフトするステップをさらに有することを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法において、
前記不均一な間隔の複数の周波数は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内にある
ことを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法において、
前記不均一な間隔の複数の周波数は、前記共振器の共振周波数の整数倍から外れている
ことを特徴とする方法。
受動的機械式共振器を用いて共振周波数を判定する方法であって、
複数の周波数を有する周波数コムを含む音響信号を生成するステップと、
変調された音響信号を受信するステップと、
前記戻って来た音響信号から前記周波数コムを差し引くステップと、
前記変調された音響信号を処理して共振周波数を判定するステップと
を有することを特徴とする方法。
請求項１６に記載の方法において、
前記周波数コムの周波数範囲をシフトするステップをさらに有することを特徴とする方法。
請求項１６に記載の方法において、
前記複数の周波数は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内にある
ことを特徴とする方法。