JP3619464B2

JP3619464B2 - 共振型圧力トランスジューサ・システム

Info

Publication number: JP3619464B2
Application number: JP2001077742A
Authority: JP
Inventors: レイフ・スミス
Original assignee: ラディ・メディカル・システムズ・アクチェボラーグ
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP2001286447A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生理的圧力を測定する装置に関し、特に、情報伝送のための媒介物として共振を用いる装置およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冠状血管における生理的圧力を測定し記録することの必要は、非常に細い冠状血管へのアクセスを可能にする微小な装置の開発のきっかけとなった。典型的には、非常に小さなサイズのセンサが、例えば大腿動脈内へ挿入されて所望の測定点、例えば冠状血管へ案内されるガイド・ワイヤに取付けられる。先に述べた種類の測定に適するガイド・ワイヤと圧力センサとの一体化に関連する幾つかの問題がある。第１の最たる問題は、センサを充分に小さくすることである。また、容易に冠状血管を介して所望の位置へ案内され得且つ充分に可撓性に富むガイド・ワイヤを得るためには、電気的接続およびリード線の数を最小限に抑えねばならない。電気的なリード線および接続を除去する１つの方法は、センサが配置される環境にありがちな圧力に相関し得る共振周波数を放射することにより、例えば超音波エネルギの形態の外的刺激に反応する共振センサを用いることである。このような装置は、係属中の弊米国特許出願第０９／２１９，７９８号に開示されている。
【０００３】
別の事例は、（カプランの）米国特許第５，６１９，９９７号に開示されている。同特許は、超音波エネルギを用い、検出が可能な選択された物理的変数の変化に従って変動する共振を放射することにより超音波に応答し得る植込み可能なセンサを含む受動型センサ・システムに関係する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらシステムにおける短所は、測定場所の近傍において体外に配置される外部超音波エネルギ源を必要とすることである。このことは、システムを嵩ばらせ、また体内の共振センサの位置を正確に知ることを難しくし、これにより信号品質が最適値以下となり得る。
【０００５】
従って、本発明の目的は、先に述べた短所を克服するシステムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載するような共振型圧力トランスジューサ・システムによって達成される。これにより、共振センサは、超音波エネルギ源、例えば１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲の振動を生成することができる圧電水晶に接近して、または望ましくは超音波エネルギ源上に配置される。当該システムは、患者の体内への挿入を容易にするワイヤ、例えばガイド・ワイヤ上に設けられることが望ましい。
【０００７】
本発明の更なる特質においては、ＡＣ電源と、共振型圧力トランスジューサ・システムと、前記ＡＣ電源の給電モードを制御し且つ前記共振型圧力トランスジューサ・システムから発される共振信号を分析する制御装置とを含む圧力測定システムが提供される。このようなシステムは、請求項１５に記載されている。
本発明については、次に図面に関して詳細に記述する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願においては、表現「機械的な結合」または「機械的に結合された」とは、１つの要素から別の要素へ、特に超音波範囲内の振動の伝達を許容する２つの要素間の任意の接続を包含するものと見なされるべきである。
【０００９】
図１は、本発明の概念、すなわち、選択された周波数で共振することにより超音波エネルギに応答し、センサが圧力差を受けるときに共振周波数が周波数シフトを生じる共振センサ２の設置を概略的に示している。また、本発明概念は、前記センサに接近して配置される超音波エネルギ源４をも含む。共振器により蓄えられるエネルギ量は非常に小さい。従って、妥当な検出レベルを許容するためには、エネルギ源と共振器との間の距離が非常に小さいことが必須である。これら両者間の距離が大きくなるほど、共振を検出することが困難となる。図示した実施の形態においては、センサとエネルギ源は、患者の体内への容易な挿入および測定部位への操作を可能にするため、長さが１．５メートル程度であることが望ましいガイド・ワイヤ内部に伸びる芯ワイヤ６の遠端部に取付けられる。ガイド・ワイヤは、基部チューブ９と可撓性を与えるコイル１１と遠端部において芯ワイヤ６に取付けられたセンサ組立体２、４とを備える。センサ組立体は、周囲の媒体が共振センサ２へ接するように、開口１３を持つ保護チューブ・セグメント１２内に収められることが望ましい。保護チューブ・セグメント１２の遠端部には、第２のコイル１５が取付けられている。超音波エネルギ源４は、例えば１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚで１〜１００Ｖの高周波ＡＣ電圧源によって電気的に作動される。この電気的エネルギはリード線８、１０を介して供給される。必要によっては、芯ワイヤ６をリード線として用いてリード線を１本にすることも可能である。
【００１０】
超音波エネルギ源４は、ガイド・ワイヤの平坦面へ接着される圧電材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の板４からなることが望ましい。板４は、該板の少なくとも２つの面へ取付けられ且つリード線８、１０に接続された電極２１、２２を備えている。これらの電極間にＡＣ電圧を印加すると、印加されたＡＣ周波数と同期した機械的振動が板４に生じる。この振動は、ガイド・ワイヤを介して共振センサ２へ伝播する。
【００１１】
先に述べたようにガイド・ワイヤの芯ワイヤ６からなるワイヤ６は、共振センサ２とＰＺＴの板４とを収容する長形の部材でもよい。例えば、ワイヤ６は、ＰＺＴの板４と外部の電子装置間の無線通信のためのアンテナとして機能する薄いワイヤからなるものでもよい。
【００１２】
図２において、簡単にするため、リード線と保護チューブのない別の実施の形態が示されている。同図においては、共振センサ２は圧電発振器４の頂部に取付けられる。このようにして、超音波エネルギ源と共振構造体との間に密な接触が生じ、これによって極めて効率のよいエネルギ伝達が得られる。
【００１３】
別の変更例もまた考えられ、センサ２とエネルギ源４とは、図３に示されるように、相互に端部どおしで接続されている。
望ましい実施の形態は図２に示されるものであり、図４には、センサとエネルギ源との組立体の望ましい構造が、概略的ではあるが或る程度詳細に図示されている。図示のように、圧電素子（すなわち、水晶）４が設けられ、その表面上に圧電素子４と密に接触して共振センサ２が載置される。この共振センサは、無減衰機械的結合により取付けられる。すなわち、この圧電素子により生じたエネルギは接続領域において顕著には吸収されることがない。一般的な意味での結合、接着あるいはハンダ付けなどの幾つかの取付け方法が可能である。
【００１４】
共振センサは、底部および側部の壁面を持ち且つ箱状の構造をなす筺体１４を含む。筺体１４の開口部は、薄い膜１８により閉じられる。筺体の内部には、デザインを変更できる薄い膜のような形などの種々の異なる形状を取り得る共振梁構造１６がある。この梁構造１６の一端部は筺体壁面に取付けられ、他端部は、膜１８に取付けられた懸架要素２０に取付けられる。梁構造１６は固有の共振周波数を持ち、その値は梁構造を構成する材料の歪みに応じて変化する。膜１８の両面間の圧力差の変化を生じる、センサ２を囲む環境の圧力変化に応答して、膜１８は内方または外方へ反ることになり、これにより梁構造１６も反らされる。これは、梁構造１６が懸架要素２０を介して膜１８に取付けられているからである。このような形式の適切なセンサが、本願と同じ譲受人による米国特許出願第０９／２１９，７９４号に開示され特許請求されている。
【００１５】
梁構造１６を収容する室すなわち空洞２３は、共振センサ２の共振振動の粘性減衰を最小化するために抜気されることが望ましい。振動の反作用エネルギと散逸エネルギとの間の比として定義される共振の品質係数Ｑは、充分な測定精度を生じるよう、できるだけ高くなければならない。シリコン・マイクロ加工技術を用いる共振センサ２の最適化された設計および構造は、典型的には、１０以上、望ましくは５０以上、最も望ましくは１００以上の品質係数Ｑを生じる。
【００１６】
望ましい実施の形態においては、超音波エネルギ源４は、一般にアモルファスあるいは多結晶質であるＰＺＴから作られた装置である。この超音波エネルギ源は「励振」および「聴取」の両用に用いられる。すなわち、共振器に共振を生じさせるエネルギを送出し、またセンサにおける共振梁構造から「箱型」構造を介して共振周波数のエネルギを受取って、検出される出力信号を生じる。これは、結晶が共振器の共振周波数と一致する周波数で動作することを要求する。
【００１７】
本発明に係る装置の動作モードは幾つかあり得る（この点に関しては、未公開の弊国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ９９／０２４６７号を参考のため援用する）。
図５ａおよび図５ｂには、励振および検出のための典型的な波形がそれぞれ示される。励振波形は正弦波のバーストである。音響的／機械的システムにおいては、望ましい励振周波数は１ＭＨｚであり、バーストは共振器の品質係数Ｑに応じて１０〜１０００周期からなる。品質係数Ｑが高いときには、より大きな振動振幅が生じるので、より多くの周期が更に望ましい。図５ｂは、このような振動の形成を示している。励振を生じる外部電源が遮断されると、エネルギが共振器から放出され、品質係数Ｑにより定まる割合で減衰する。自由振動の周波数ｆ_０は、共振器の共振周波数に等しい。図５ａによる正弦波のバーストの後に、次のバーストまで、緩和周期が続く。この緩和周期は、バーストの持続時間より長いことが望ましい。
【００１８】
このように、第１の望ましいモードは、ＰＺＴユニットを印加電圧の短パルスで励振する。このような励振は、励振周波数の非常に広いスペクトル（理想的には、共振センサ２の共振周波数に対応する期間を越えない持続時間を持つ短いパルス）を含む。このため、パルスに利用可能なエネルギが常に存在し、これが共振器をその共振周波数で振動させる。
【００１９】
パルス間には、無励振期間がある。この期間中、共振センサはその共振周波数で減衰する振動を生じる。ＰＺＴユニットは共振センサからの共振エネルギによって影響され、ＰＺＴユニットに電圧が生成される。公称圧力における応答と比較される、圧力差に曝されたときに振動水晶により生じる電圧応答の変化が測定され、圧力値へ変換される。標準的な状態（例えば、温度２５℃および圧力１バール）における共振センサの実際の公称共振周波数は、製造中に決定される。
【００２０】
あるいはまた、連続する正弦波の励振を用いることができる。正弦波が共振センサ２の共振周波数を含む周波数範囲内で連続的に掃引されるならば、共振はＰＺＴの板４の機械的負荷の急峻なピークとして現われる。これは、接続リード線８、１０により遠隔測定されるＰＺＴの板４の電気的インピーダンスに影響を及ぼすことになる。
【００２１】
図５ａ及び図５ｂに概略的に示される圧力測定の完全システムは、制御される方法で出力電圧を供給することができるＡＣ電源を含む。この制御は、多数の励振の仕方に対してプログラムされたコンピュータなどの適切な制御装置によって行われる。このように、励振モードは、特定の測定に適するように手元で選定することができる。
【００２２】
実際の手順は、下記のように行われる。圧電装置が１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の適切な周波数のＡＣ電圧で付勢される。圧電装置がセンサ箱体構造内の共振センサに当たる超音波を生じると、箱体構造はその共振周波数で振動し始める。センサ構造内の膜が周囲とは異なる圧力を受けると、この膜は湾曲され、これにより共振センサに歪みを生じさせ、これが共振周波数を変化させる。励振電圧が遮断されると、圧電装置は共振センサからの減衰共振出力に曝され、これにより、振動する共振センサと同じ周波数のピエゾ電圧を生じる。
【００２３】
圧電素子は、例えば１気圧±５００ｍｍＨｇの圧力変化に起因してセンサの共振梁構造が生成する全ダイナミック周波数範囲を検出できなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシステムの第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係るシステムの第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明に係るシステムの第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明に係るセンサ／エネルギ源組立体の望ましい実施の形態を示す図である。
【図５】ａは、励振のための典型的な波形を示すグラフであり、ｂは、検出のための典型的な波形を示すグラフである。
【図６】本発明を包含するシステムを示す概略図である。
【符号の説明】
２：共振センサ、４：超音波エネルギ源、６：芯ワイヤ、８、１０：リード線、９：基部チューブ、１１：コイル、１２：保護チューブ・セグメント、１３：開口、１４：筐体、１５：第２のコイル、１６：共振梁構造、１８：膜、２０：懸架要素、２１、２２：電極、２３：空洞

Claims

圧力の生体内測定のため生体内へ植込み可能である共振型圧力トランスジューサ・システムであって、
共振周波数が圧力に依存する機械的共振器１６を有する共振センサ２と、
超音波エネルギ源４と、
を含む共振圧力トランスジューサ・システムにおいて、
前記センサ２が前記超音波エネルギ源４に機械的に結合され、
前記センサと前記超音波エネルギ源とが、共通の長形部材６の遠端部に設けられる
ことを特徴とする圧力トランスジューサ・システム。
前記センサ２が前記超音波エネルギ源４に載置される、請求項１記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記共通の長形部材がワイヤ６である、請求項１または２に記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記超音波エネルギ源４が前記ワイヤ６に取付けられる、請求項３記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記センサ２と前記超音波エネルギ源４とがワイヤ６に取付けられ且つ相互に隣接して載置される、請求項１記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記超音波エネルギ源４が、１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数の振動を生成することが可能な圧電素子である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記圧電素子に対する電圧印加を可能にする電気的接続１０を更に備える、請求項６記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記共振センサ２が膜１８を備え、梁１６が前記膜１８に懸架要素２０により取付けられ、前記梁が抜気された室２３内に収容される、請求項１〜７のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記共振センサ２の共振周波数が１０以上の品質係数（Ｑ）を持つ、請求項１〜８のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記超音波エネルギ源４の励振が、前記共振センサ２の共振周波数に対応する周期を越えない持続時間を持つパルスからなる、請求項１〜９のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記超音波エネルギ源４の励振が、前記共振センサ２の共振周波数を包含する周波数範囲で掃引された正弦波からなる、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記共振センサ２が、箱状の構造をなし且つ底部と側壁部とを有する筺体１４を含む、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記筺体１４の開口部が薄い膜１８により閉鎖され、これにより、前記機械的共振器１６が内部に設けられる真空空洞を形成する、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
前記梁１６が固有の共振周波数を持ち、その大きさが前記梁を作る材料の歪みに応じて変更可能である、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の圧力トランスジューサ・システム。
１０ＫＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲内のＡＣ電力を供給することが可能なＡＣ電源と、
請求項１に記載の共振型圧力トランスジューサ・システムと、
前記ＡＣ電力の供給モードを制御して、前記共振型圧力トランスジューサ・システムから放出される共振信号を分析する制御装置と、
を備える圧力測定システム。