JP2006017711A - 非侵襲光学圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 非侵襲な圧力検知のシステム及び方法を提供する。
【解決手段】 互いに対して固定的に配置された複数のコヒーレント光源１２と、イメージセンサ３０と、圧力チャンバー２０内の圧力変化に応じて曲がるように構成され、且つコヒーレント光源１２の各々が発した光線をイメージセンサ３０へ反射するように動作可能な弾性ダイアフラム１８を有する圧力チャンバー２０で、非侵襲圧力検知装置１０を構成する。圧力検知装置１０は、コヒーレント光源１２及びイメージセンサ３０に対して動作可能に接続されるプロッセッサ１００と、プロセッサ１００に対して動作可能に接続され、本発明に係る圧力検知方法をプロセッサ１００に実行させる動作命令を有するメモリ１０５を有してもよい。その検知方法は、ダイアフラム１８に所定の入射角で入射したコヒーレント光線の光スポットパターン２２、２４の像から圧力チャンバー２０内の圧力を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に圧力センサに関するものである。より詳しくは、本発明は光学技術を用いて圧力を計測する非侵襲圧力センサに関するものである。さらに詳しくは、本発明は眼科手術システムにおいて使用可能な非侵襲光学圧力センサに関するものである。

様々な媒体及び広範囲な用途において、圧力を計測する圧力センサを使用することが知られている。そのような応用には、工業用途、商業用途、消費者用途のものがあるが、特に外科手術用途が含まれる。様々な装置が、流体のボリューム中の圧力を計測し、検知するために開発されてきた。これらの装置の多くは、計測される流体に物理的に接触しなければならないプローブまたは他の検知器具を含む荷重計を備えている。多くの機械的用途（例えば、内燃機関で使用されるオイル圧力センサ）では、プローブと流体との物理的な接触は特に懸念されるものでないが、ウイルスまたは細菌汚染された生体液の可能性がある流体に使用する医学的用途では、そのような接触は望ましくない。このような条件下において、プローブが生体液と接触することを許容すると、そのプローブは再使用する前に殺菌消毒されるか、廃棄されなければならない。そのため、医学的な圧力センサの用途では、特に外科手術用途では、計測される流体に接触しない非侵襲の圧力センサを使用することが重要である。

これまでに幾つかの非侵襲圧力センサが、米国特許第１７１８４９４号、同第２２６０８３７号、同２５１００７３号、同２５８３９４１号、及び同３８０５６１７号において、開示されている。これらは、参照として本願に組み込まれる。これらの装置は、圧力変化を検知する、電圧印加されたコイルの電磁場内において金属ディスクを使用する。鉄のディスクがコイルに近づいたり、離れたりするにつれて、コイルを流れる電流は変化し、この電流変動を圧力変化の算出に使用することができる。これらの装置は相対的に大きな圧力変化を計測するためには十分であるが、非常に微小な圧力変化は、圧力変動の正確で信頼性の高い指針を提供するほど十分な程度の電流変動を生じさせない。

非侵襲圧力センサに関する別の基本的な技術では、たわみ変形可能なダイアフラムを使用する。そのような圧力センサでは、直接または絶縁体を通じて圧力がそのダイアフラムに加えられ、そのダイアフラムの変位が計測される。その計測のために、様々な変位計測技術を使用することができる。例えば、ダイアフラムに取り付けられた歪みゲージは、変位の指針を提供してくれる。これらのタイプの圧力センサは、弾性ダイアフラムによって二つの部分に分けられたテスト用チャンバーを用いることにより、テストする流体と接触することを避ける。一般的に、計測される流体はチャンバーの第１の側に保持され、チャンバーの第２の側と連通して圧力センサがある。流体の圧力の増加、若しくは減少が、ダイアフラムをチャンバーの第２の側へ拡げるか、チャンバーの流体側の方へ引っ張るかして、チャンバーの第１の側における流体の圧力変化に相当する量によってチャンバーの第２の側の圧力を増加または減少させる。これらのダイアフラムタイプの圧力センサはテスト用の流体を侵襲せず、且つ相対的に小さな圧力変化を検出するのに使用することができる一方で、そのようなセンサの正確性は、ダイアフラムの適合性及び伸縮性に大きく依存し、その性質は、製造工程中で制御することが困難な場合もあり、またダイアフラムが繰り返し伸び縮みするにつれて変化することもある。

上述の変位ダイアフラムを使用する非侵襲圧力センサの一つのタイプが、米国特許出願公開第１０／６１００８７号明細書（２００３年６月３０日出願、”非侵襲圧力検知装置”）に開示されている。その内容はここに参照として組み込まれる。その第１０／６１００８７号明細書で開示された発明では、ダイアフラムの変位を計測し、圧力の計測に変位を関連付ける光学手段を使用する。その開示されたセンサは、発光ダイオードまたは通常の室内照明などの光源を含み、その光源は膜表面で光を反射するように配置される。その膜は、流体と接触しており、その流体は、流体の圧力変化が膜の移動を生じさせるため、圧力が計測される。チャージカップルドデバイス（ＣＣＤ）カメラが膜で反射された光を捕捉し、膜の相対的な移動を求めるために、反射光のパターン変化に基づいてその反射光が解析される。また、溝及び／またはパターンが、膜の変位を検知する手段として膜にプリントされることもある。しかし、このタイプの非侵襲光学圧力センサは、膜から反射された複数の光線のフォーカス及び処理だけでなく、膜から反射された格子及び／またはプリントパターンの生成及び比較も必要とする。このような比較は不正確さの原因となり得、またさらなるコンピュータパワーを要求し、計測された反射光に対する許容範囲が非常に狭くなる。特に、このタイプの光学式圧力センサは、熱または機械ストレスで格子／パターンとＣＣＤ間の方向が不注意に変えられると過度の信号ノイズに支配される可能性がある。

別のタイプの非侵襲圧力センサが、国際公開ＷＯ９３／２４８１７号パンフレット（米国特許第５３９２６５３号に対応）において開示され、その非侵襲圧力センサは磁石で取り付けられた弾性ダイアフラムを使用する。ダイアフラムに鉄のディスクを取り付けることにより、ダイアフラムは機械的にトランスデューサに結合される。トランスデューサが正確に圧力を計測するために、ダイアフラムは極めてフレキシブルに作られる。それでもなお、ダイアフラムのフレキシビリティの変動が圧力計測の正確さに影響する。この装置はマグネットとトランスデューサの安定した接触に依存し、その変動も圧力計測の精度に影響を与える。また別の非侵襲圧力センサが国際公開ＷＯ９９／２３４６３号パンフレットに開示されている。この圧力センサは、弾性薄膜によって圧力トランスデューサから隔てられた圧力チャンバーを含んでいる。しかし、この装置は、大きくて比較的高価な、荷重計及びダイアフラムに対して荷重計を配置させるステッピングモータを使用する必要がある。

そのため、とりわけ、流体の相対的に小さな圧力変化を非侵襲で検出する必要性のある圧力検知の用途において、従来技術の非侵襲センサの抱える問題である、低い精度、低い信頼性及び高コストを軽減または解決可能な非侵襲光学圧力センサについてのニーズがある。

米国特許出願公開第１０／６１００８７号明細書 国際公開ＷＯ９３／２４８１７号パンフレット 国際公開ＷＯ９９／２３４６３号パンフレット

本発明の一つの目的は非侵襲光学圧力センサを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、相対的に安価な圧力センサを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、環境気圧よりも小さな圧力を計測可能な圧力センサを提供することにある。

本発明の実施形態による非侵襲光学圧力センサは、実質的に上述したニーズ他に適合する。本発明は、従来技術の圧力センサを改良し、小さな圧力変化を正確に計測する能力を有する非侵襲光学圧力センサを提供する。特に、本発明の圧力検出の非侵襲な方法は、製造及び採用することが安価でロバストなセンサを通じて流体の圧力の実時間表示を可能とする。本発明の実施形態による圧力センサは、眼科手術システムのような、流体モジュールを必要とする如何なるシステムにおいても使用可能である。

本発明による圧力センサの一実施形態では、非侵襲圧力検知装置は、互いに対して固定的な関係で配置される複数のコヒーレント光源と、イメージセンサと、弾性ダイアフラムを有する圧力チャンバーとを有し、ここでその弾性ダイアフラムは圧力チャンバー内の圧力変化に応答して曲がり、イメージセンサ上へ各複数のコヒーレント光源から発する光線を反射するように動作可能に構成される。さらに圧力検知装置は、複数のコヒーレント光源及びイメージセンサに対して動作可能に接続される処理モジュールと、処理モジュールに対して動作可能に接続されるメモリを有し、そのメモリは、本発明の非侵襲圧力検知方法の実施形態のステップを処理モジュールに実行させる動作命令を有する。そのような方法は、ダイアフラムに光スポットのパターンを形成する複数のコヒーレント光を、所定の入射角で弾性ダイアフラム上へ入射させるステップと、ダイアフラムで反射された圧力チャンバー内の圧力を表す光スポットパターンを、イメージセンサで捕捉するステップと、捕捉された光スポットパターンイメージから圧力チャンバー内の圧力を求めるステップと、を有する。

好ましい実施形態では、複数のコヒーレント光源は、第１の光線を供給する第１のコヒーレント光源と第２の光線を供給する第２のコヒーレント光源を有してもよい。さらに圧力検知装置は、圧力チャンバーに対して結合される流体系において流体の流れを制御するプロセッサからの指示を受け取るプロセッサに対して動作可能に接続される、流体インターフェースを有してもよい。そのような流体インターフェースは、例えば、本発明の実施形態に係る圧力センサを含む、眼科手術システムのような手術システムの一部であってもよい。また、圧力センサは、プロセッサに対して較正入力を提供するキャリブレーションインターフェースを有してもよい。本発明の様々な実施形態では、複数の光源から発する光線をダイアフラム上へフォーカスするための光源光学系と、ダイアフラムで反射された光線をイメージセンサ上へフォーカスするための結像光学系を含むこともある。

非侵襲圧力センサを必要とする如何なる流体系においても、圧力を計測するために本発明の実施形態に係る圧力センサを使用し得る。例えば、手術システムは、患者との接触からウイルスまたは細菌感染された可能性のある流体からの汚染を避けるためにそのような非侵襲圧力センサを必要とすることがある。アルコン・ラボラトリーによって製造されるインフィニティ・ビジョン・サージカル・システムもそのようなシステムの一つである。そのような使用の他にも、本技術と親しむものがあることは明白であろう。

なお、本発明の目的、及び利点は、以下の詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

本発明及びその利点のより完全に理解するために、添付の図面とともに以下の説明を参照するとよい。その添付図面においては、同一の番号は、同一の特徴を示す。

本発明の好ましい実施形態が図に示され、種々の図の同一及び対応する部分を参照するために同一の番号が使用される。

本発明の様々な実施形態は、圧力計測を必要とする如何なるシステムにおいても使用可能な非侵襲光学圧力センサを提供し、特に、圧力を計測することが必要な流体系において使用可能な非侵襲光学圧力センサを提供する。本発明の実施形態は、特に、汚染された可能性のある流体の圧力を計測することが望まれる、眼科手術システムのような手術器具または手術システムでの使用に好適である。

図１に、本発明の第１の実施形態による非侵襲光学圧力センサの概略構成図を示す。一般に、その圧力センサは、複数の光源１２、光源レンズ１４、ミラー１６、圧力チャンバー２０、弾性膜（ダイアフラム）１８、結像レンズ２６、及びイメージセンサ３０を有する。また、他の実施形態では単一の光源１２を有することもある。単一の光源１２若しくは複数の光源１２を直接的にダイアフラム１８上へフォーカスしてもよい。当業者にとって明らかなように、他の光学素子は光源１２からダイアフラム１８上へ光をフォーカスする、光源１２とダイアフラム１８間の光路を形成するために使用される。

圧力チャンバー２０は、圧力を計測される流体を収容するものであり、金属、ガラス、若しくはプラスチックなどの適当な材質で、適当な大きさ及び形状に作られる。また圧力チャンバー２０は、チャンバー２０内の圧力を変動させるポート（図示せず）を有することができる。ダイアフラム１８は、ステンレススチールのような、良好な寸法安定性を備える適当な弾性材質で作られた弾性体である。さらに、ダイアフラム１８は平板状のダイアフラムであってもよく、所定の曲線状（凸型または凹型）ダイアフラム若しくは波型ダイアフラムであってもよい。ダイアフラム１８は、光源１２から入射する光を受光する面の部分の（存在する）全域で一貫したテクスチャを備える。光源１２は、商業利用可能な様々な光源、レーザ、レーザダイオード、若しくはＬＥＤとすることが可能であり、当該技術で既知のレーザダイオードとすることが好ましい。

光源１２は光線１３を提供し、そして光線１３はフォーカシングレンズ１４を透過してミラー１６へと向かう。ミラー１６はダイアフラム１８へ光線１３を反射する。ダイアフラム１８では、光線１３はスポット２２及び２４としてダイアフラム１８上にフォーカスされ、そしてダイアフラム１８からのスポット２４及び２２の反射イメージに対応する、光線２８として反射される。そして、光線２８はレンズ２６を透過する。レンズ２６は光線２８をイメージセンサ３０にフォーカスする。イメージセンサ３０はスポット２４及び２２の反射イメージを捕捉し、特に、スポット２４と２２の空間間隔を捕捉する。イメージセンサ３０は商業利用可能な様々なデバイス、例えば、ＣＣＤ（チャージカップルドデバイス）若しくはＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサ、またはスポット２４と２２の反射イメージを区別し、捕捉可能なＰＤ（フォトダイオード）とすることができる。

図１に示すように、光線１３は光源レンズ１４でミラー１６上にフォーカスされ、そのミラー１６はダイアフラム１８上へと光線１３の向きを変え、スポット２４及び２２を形成する。光線１３は、ミラー１６でセットされた入射角でダイアフラム１８へと向かう。スポット２４及び２２はダイアフラム１８で光線２８として反射され、そして結像レンズ２６を通ってイメージセンサ３０で再度フォーカスされる。チャンバー２０内の圧力が基準圧力若しくはその近傍の値（例えば、環境気圧）である場合、図１に示すように、ダイアフラム１８は所定の基準位置（例えば、図示のようにフラットな位置）にあることになろう。図１では、説明のため、ダイアフラム１８の基準位置はフラットとして示されている。しかし、ダイアフラム１８の基準位置は、圧力センサが環境気圧などの基準圧力で較正された任意の所定の基準位置とすることができる。

光源１２の互いに対して相対的な位置関係（既知または固定の関係）及びミラー１６で与えられる光線１３の入射角に基づいて、反射された光線１３で形成されたスポット２４及び２２は、予め決められた量で分離する（すなわち、ダイアフラムの基準位置で固定された初期間隔を有する）。スポット２４及び２２の間隔はイメージセンサ３０において再現され、検出される（図示の実施形態では、これはスポット２２及び２４の反射をイメージセンサ３０上にフォーカスする結像レンズ２６を通じて行われる）。チャンバー２０内の圧力がセットされた基準圧力（例えば、環境気圧）を下回る場合、図２に示すように、ダイアフラム１８は内側へ曲がり（凹状になる）、ダイアフラム上のスポット２２及び２４の位置及びスポット２２及び２４の相対的な位置関係を変化させる。スポット２２及び２４のダイアフラムでの位置の変化と、スポット２２及び２４の相対的な空間間隔の変化は、上述したようにイメージセンサ３０で再現され、検出される。同様の手法により、チャンバー２０内の圧力が基準圧力を上回るように変化すると、ダイアフラム１８は凸状（図示せず）になり、スポット２２及び２４の位置移動を圧力が基準圧力以下に下がった場合のそれとは逆方向に生じ、スポット２２及び２４の間隔についても対応する変化をすることを、当業者は認識できるであろう。また、スポット２２及び２４の位置変化は、同様にイメージセンサ３０で再現され、検出される。

このように、圧力変化に従って、スポット２２及び２４の相対的な間隔の変化及びダイアフラム上の位置変化がイメージセンサ３０によって検出され、捕捉される。そして、その変化を、ダイアフラム１８の変位を算出する周知のソフトウェアを用いて解析することができる。それから、ダイアフラム１８の変位を、対応する圧力変化と関連付けることができる。スポット２２及び２４の位置変化によって表されるように、ダイアフラム１８の変位は、チャンバー２０内の圧力及び圧力変化に直接的に関連する。

本発明の別の実施形態に係る圧力センサでは、ダイアフラム１８上に単一のスポットを照らすように単一の光源１２を使用することができる。チャンバー２０内の圧力が変化するにつれて、上述したようにダイアフラム１８はたわみ、そしてダイアフラム１８上の単一スポットの相対的な位置変化をチャンバー２０内の圧力変化に関連付けることができる。また別の実施形態では、単一または複数の光源１２を、レンズ１４及びミラー１６によって形成される光学部品（光路）なしに、直接ダイアフラム１８へ向けるようにしてもよい。例えば、レンズ若しくはピンホールのようなフォーカス部は、各光源１２に組み込むことができる。光源１２からの光をダイアフラム１８上へ（又は／及びダイアフラム１８からイメージセンサ３０上へ）向ける、他のフォーカス手段が当業者に知られており、それらも本発明の範囲内であると意図している。ダイアフラム１８上への光線１３の入射角を求めること及び本発明に係る圧力センサを較正すること（すなわち、基準位置及び基準値の決定）に関する、より詳細な説明を以下に行う。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る圧力センサにおいて、基準位置からのダイアフラム１８またはチャンバー２０の向きの変化を如何に補償するかを示す図である。そのような向きの変化は、例えば、眼科手術システムにおける流体モジュールの交換における取り付け具合の変動によって生じることがある。そのようなシステムは、図１のチャンバー２０及びダイアフラム１８に対応するダイアフラムを備えた圧力チャンバーを有する、交換可能な流体カセッテを使用することができる。図３（ａ）に示すように、ダイアフラム１８（チャンバー２０）が基準位置にある場合（ここでは、基準位置に置かれたフラットなダイアフラム１８及びチャンバー２０として示される）、ダイアフラム１８上のスポット２２及び２４は、線４０で示される第１の間隔で隔てられる。以前に圧力計測値が求められている基準位置からチャンバー２０及びダイアフラム１８の初期位置が変化する場合（例えば、新しい交換可能なチャンバーを挿入した場合の基準位置からの傾きによる）、図３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１８上のスポット２２及び２４の新しい位置が計測され、そして、基準位置からのチャンバー２０／ダイアフラム１８の傾きを、以前に求めた圧力計測値で補償することができる。これは、例えば、較正ルーチンの一部として行うことができる。

通常動作中、圧力変化を検出する場合において、上述した傾きによりスポット２２及び２４間の直線間隔の変化を検出し、その傾きに対して補償する処理系にこの情報を提供するように、イメージセンサ３０を使用することができる。そのような処理系は、プロセッサ、メモリ、及びメモリに記憶され、そのプロセッサで実行可能なコンピュータ実行可能なソフトウェア命令を有する。本発明の教示するところによる処理系について、以下に詳しく説明する。チャンバー２０内の圧力変化若しくは交換可能なチャンバー間の差異による基準位置の変化に対して、スポット２４及び２２の間隔変化を関連付けるソフトウェアは、当業者にとって既知である。そのようなソフトウェアを本発明の実施形態に係る圧力センサとともに使用することができる。

図４に、（スポット２２及び２４を形成する）ダイアフラム１８上への光線１３の入射角を較正する方法の概略図を示す。ダイアフラム１８上のスポット２２及び２４の間隔は光線１３の入射角に依存するため、ダイアフラム１８上への光線１３の入射角を知ることが必要である。入射角を求めるために、図１のスポット２２のようなスポットの位置を既に上述したような基準ダイアフラム上で計測する。それからダイアフラム１８は基準位置からテスト位置へ変位し、スポット位置の変化が計測される。周知の数式を用いて、入射角が算出され、そしてその処理が必要に応じて各光源１２に対して繰り返される。この方法で、ダイアフラム１８上への光線１３の入射角を得る。

上述してきたように、本発明の一例に係る圧力センサにおいては、手術システムのサージカルカセッテ（ｓｕｒｇｉｃａｌ ｃａｓｓｅｔｔｅ）内の圧力を計測するように実装される。そのようなカセッテは、対応する手術システムの流体部の吸入ラインと接続されるダイアフラム１８を境界とするチャンバー２０を有してもよい。ダイアフラム１８の一方のサイドを周囲の空気圧にさらしてもよい。上述したように、ダイアフラム１８は吸入ラインの圧力と環境気圧間の圧力の相違に応答して変形する。

本発明の各実施形態において、ダイアフラム１８の変形と圧力変動との関係は単調である（若しくはそれに非常に近い）。そのため、ダイアフラム１８の変形の計測値を、較正関係式若しくは較正表に基づいてチャンバー２０の圧力を推定することに使用できる。ダイアフラム１８の変形は、その中心の変位で一意に定量化することができる。これは、好ましくはレーザ光源で生成される、細い光線１３を斜入射でダイアフラム１８の表面へ投影し、その結果得られる散乱光スポット２２及び２４をイメージセンサ３０（例えば、ＣＣＤ若しくはＣＭＯＳイメージセンサチップ）上に結像することによって求めることができる。

数ある技術の一つを用いて、イメージデータ若しくはピクセルデータの１または数ラインといったイメージのサブセットから、スポットのイメージ上の位置を定量的に求めることができる。そのピークの位置を定量化するオプションでは、スポットのマスの中心を求め、そのイメージを参照形状と関連付け、その結果としてピークを見つけ、若しくはデータに対してカーブをフィッティングして、そのフィッティング誤差を最小化するシフト量を求めることを含む。異なる光線形状（非対称光線を含む）と連動させることができるため、相関技術が好ましく、そしてそれはノイズを抑制し平均化するという点で効果的であり、デジタル信号プロセッサに効率的に実装することができる。

最初にレーザスポット２２及び２４の位置を基準圧力（環境気圧若しくは正味の圧力差のない圧力等）で計測する。圧力の計測値は、その圧力条件におけるイメージセンサ３０上のレーザスポット２２及び２４の位置を基準圧力におけるそれらの位置と比較することにより得られる（または、イメージセンサ３０及び／又はダイアフラム１８上の既知のランドマークと比較される、イメージセンサ３０上に結像するスポット２２及び２４の絶対位置の使用を通じて直接的に得られる）。時間が重要な用途に対しては、スポット２２及び２４の相対的な動きを、以下に記述するような予め計算されたルックアップテーブルを用いて直接的に圧力へ変換することもできる。

本発明に係る圧力センサを高精度且つロバストにするために、多くの要素について考慮しなければならない。第１に、光線１３がダイアフラム１８に入射する角度（若しくは平均角度）を知ることが重要である。幾つかのアプリケーションでは、約１°の精度で入射角を知ることが望まれる。同時に、実装される可能性のある流体工学的機構に関するチャンバー２０の位置、及びチャンバー２０に関するダイアフラム１８の向きが、特にチャンバー２０及びダイアフラム１８が交換可能なユニットとして実装される場合には、この条件を保つことを保証するのに十分再現可能であることを保証するのは困難である。そのため、本発明の実施形態に係る圧力センサを実装するシステムを組み立てる時に、基準ダイアフラム１８に関して光線１３の入射角を正確に計測することが必要であり、そして、新しいチャンバー２０／ダイアフラム１８のユニットが手術の手順若しくは手術のセッションにおけるシステムに挿入された時毎にこれらの角度を計測することが必要である。

組み立て時においては、フラットな（若しくは他の基準位置にある）ダイアフラム１８の法線に関する光線１３の入射角は、幾つかの異なる方法で計測できる。第１の方法では、ダイアフラム１８又はテストターゲットを、イメージセンサ３０の方へ若しくはイメージセンサ３０から離れるように、実際の圧力計測中にダイアフラム１８が位置する可能性のある範囲にほぼ亘って正確に計測された増分でもって移動させる。図５に示すように、レーザ／光線がダイアフラムに入射する角（θ）を正確に計算するために、スポット２２又は２４のようなレーザスポットの高さ（ｙ）をターゲットの場所（ｚ）の位置の関数として使用することができる。よく知られた最小二乗法的アプローチを用いて、ターゲット上の光学スポットの場所に対するダイアフラム座標でスポットの高さを再帰させることでこれを実現できる。ターゲット間隔に対する光線高と関連する線の傾きのアークタンジェントが入射角を与える。

代わりとして、一連の既知の圧力をダイアフラム１８へ加え、その結果として得られるダイアフラム１８上のスポットの位置を記録していくこともできる。ダイアフラム１８の応答（圧力の関数としての変位）は前もって既知でなければならない。各圧力について計測されたダイアフラム１８上のスポットの場所を、光線１３の入射角に対するダイアフラム１８上のスポットの場所と関連するモデル（以下に記述する）の予測値と比較することにより、入射角を求めることができる。データに対して最も一致するモデルの角度について、数値的に解くことで入射角を決定する。

上記の手順の一方又は両方を、本発明の実施形態に係る圧力センサの製造中に、システム内の光源１２についての入射基準角を設定するのに使用することができる。しかし、正確な圧力計測（例えば、１０ｍｍＨｇまたは１０％超の精度）には、計測セッション毎に入射角を更新することが必要となる。これは２以上の光源を使用することで行える。製造時において、ある基準圧力（例えば何も加えない圧力）で二つのスポット２２及び２４の場所を計測することにより、各スポットに対して装置の基準位置が求められる。本発明に係る圧力センサを実装するシステムが現場で使用される場合、各レーザスポットの位置を既知の圧力（Ｐ＝０ｍｍＨｇ又は環境気圧のような）について再度求めてもよい。これらのセッションでの基準位置は、元の基準位置と比較される。２（又はそれ以上）のスポットは、追加の情報を提供し、その追加の情報を、光源１２からの光線入射角（より正確には、２本の光線１３を包含する平面に関する入射角）及びダイアフラム１８とその装置自体との距離の両方の変化を求めるために用いることができる。

入射角の変化を算出するために、座標系を定義することが有用である。図６に示すように、圧力／ダイアフラム１８の位置の変化で光線の動く方向に対して平行にｙ軸を設定し、ダイアフラム１８の平面内でｙ軸に対して直交する方向にｘ軸を設定することで座標系を定義できる。光源１２が二つの場合においては、装置の基準スポット位置のｙ成分をｙ１０及びｙ２０として表すことができる。セッションの基準におけるスポット位置の対応する成分は、ｙ１１及びｙ２１として表す。装置内のチャンバー２０のポジショニングの製造公差及びばらつきによって、２本のレーザ光線間の角度は変化しない（すなわち、発生する変化がダイアフラムに関する入射角の通常の変化と比較して小さい）と仮定すると、装置の基準に対するセッションの配置における入射角の変化δθは、以下の式で与えられる。

ここでθ_１及びθ_２は、それぞれ（二つの光源１２からの）光線１及び２の入射角である。

一旦、（特定のセッションにおいて実装された）チャンバー２０を保持する特定のユニットについて入射角が計測されると、レーザスポットの相対的な位置と圧力を直接関連付けるようにルックアップテーブルを生成することができる。スポットの位置と圧力との直接的な関係を計算することは難しい。しかし、ダイアフラム１８の頂点の変位と関連付けてスポットの位置と圧力を直ちに求めることは可能である。そのため、ルックアップテーブルを作成する便利な方法は、何か任意で、本発明の実施形態に係る圧力センサを実装するシステムがサポートすることが示されている最小の変位から最大の変位までに亘るダイアフラム１８のｚ平面の変位値（Δｚ）の密度の高いアレイで始めることである。例えば、着目する条件下において、ダイアフラム１８の頂点が−０．３ｍｍから０．７ｍｍまで移動する場合、１００以上の点のオーダを有することが好ましく、Δｚのアレイは、位置について１０μｍステップに対応し、−０．３ｍｍ，−０．２９ｍｍ，−０．２８ｍｍ，．．．，０．６９ｍｍ，０．７ｍｍの１０１点を含む。

ダイアフラム１８に対する一連の較正された圧力を適用し、機械的なプローブ又はここに記述したプロセスのような光学技術（入射角が既知の場合、レーザスポット位置を等価なダイアフラム１８の変位に容易に変換できる技術）を用いて、ダイアフラム１８の中心の変位を計測することにより、異なる頂点変位と関連する圧力を計測することができる。計測されたダイアフラム１８のデータ点間を圧力応答曲線で補間することにより、上述したΔｚ値のアレイに対応する圧力を計算できる。

同時に、ダイアフラム１８の変位Δｚの各々に対する光線１３がダイアフラムに当たる位置は、周知の精密な光線追跡理論を用いて計算することができる。なお、そのような理論は、例えば、ウォレン スミス、”モダン オプティカル システム デザイン”第３版、Ｐ．３０９に述べられている。この光線解析を使用するために、ダイアフラム１８は加えられた圧力に応答してほぼ球面形状とみなすことを仮定する。ダイアフラム１８の曲率ｃを次式で近似する。

ここで“Δｚ”はダイアフラム１８の頂点の変位であり、“ａ”はダイアフラム１８の半径である。分子の係数３．３３３は、ここでは２の代わりに使用されるものであり、ダイアフラム１８の固定端がダイアフラム１８の中心部分しか動けないようにするために、ダイアフラム１８の有効半径がその物理的なサイズよりも小さいという事実を考慮したものである。そして、光線追跡手順は、光線１３がダイアフラム１８に当たるであろう位置を示す。この位置は、直接的に使用することも、その位置を基準位置に関する位置と比較したことによる相対的な位置（Δｙ）に変換して使用することも可能である。ここで、基準位置とは、例えば圧力チャンバー２０のゼロ気圧での位置である。

図７に示すように、上述した手順を用いて、レーザスポット２２及び２４の位置（Δｙ）と、Δｚのアレイの初期値の各々と関連する圧力の両方を計算することができる。Δｙ値と圧力が算出されると、それらは相対的なレーザスポット２２及び２４の位置を圧力に関連付けるルックアップテーブルを形成する。参照する値の各々に対して、均一な間隔でΔｙ値を配置するように補間を使用することができる。そして、レーザスポット２２及び２４の位置を求め、この位置又は相対的な位置を圧力に変換するルックアップテーブルを用いて、圧力の計測値を得ることができる。このプロセスはイメージセンサ３０に対して動作可能に接続されるプロセッサで実行することができる。

本発明の実施形態に係る圧力計測システムは、光線１３を生成し、ダイアフラム１８の表面で光線１３の散乱場所を結像し、結像されたスポット２２及び２４の位置を求め、上述したように情報を処理して、較正データを保存する。図８に、本発明の別の実施形態に係る圧力検知装置について、上述した機能を果たす様々な要素で形成されるブロック図を示す。

図８に示すように、プロセッサ１００は、本発明に係るシステムの様々な機能を協調させる中央演算ユニットである。プロセッサ１００は、例えば較正手順中に、光源ドライバ１１０に対する入力を提供し、同様に光源ドライバ１１０から入力情報を受信することができる。プロセッサ１００はイメージセンサ１５０（図１のイメージセンサ３０に対応する）から受信した光スポット２２及び２４の位置情報を処理し、上述した手法でチャンバー２０内の圧力を求めることができる。プロセッサ１００は、導出された圧力情報を流体インターフェース（fluidics interface）１７０を通じて、例えば、眼科手術システムなどの流体系に提供することができる。手術システムは、吸入フローのような流体系内のフローの変動を制御するためにそのような情報を使用することができる。キャリブレーションインターフェース１６０は、上述したように圧力センサを較正するために使用される。

メモリ１０５は、プロセッサ１００に対して動作可能に接続され、本発明の実施形態に係る方法の各種ステップを実行するためのコンピュータ実行可能なソフトウェア命令を保存するように動作可能である。結像光学系１４０は、光源光学系（例えば光源レンズ１４）を有するように、所定の実装形態で必要とされる光学系（例えば結像レンズ２６）を有する。図１の光源１２に対応する光源１２０もここに述べたような光源を有する。

プロセッサ１００は、単一のプロセッシングデバイスでも、複数のプロセッシングデバイスでもよい。そのようなプロセッシングデバイスは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、中央演算ユニット、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、状態マシン、論理回路、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は動作命令に基づいて信号（アナログ及び／又はデジタル）を扱うデバイスであってもよい。メモリ１０５は単一のメモリデバイスでも、複数のメモリデバイスでもよい。そのようなメモリデバイスは、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、スタティックメモリ、ダイナミックメモリ、フラッシュメモリ、及び／又はデジタル情報を保存するデバイスであってもよい。プロセッサ１００が、状態マシン、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は論理回路を通じて１以上の機能を実装する場合、対応する動作命令を保存するメモリはその状態マシン、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は論理回路に組み込まれることに留意されたい。図１から図９に示された、少なくとも幾つかのステップ及び／又は機能に対応する動作命令を、メモリ１０５は保存し、プロセッサ１００は実行する。

特定の実施形態では、メモリ１０５は、プロセッサ１００に対して動作可能に接続され、プロセッサ１００が（例えば光源ドライバ１１０を通じて）、複数のコヒーレント光線を既知の入射角で圧力チャンバーの一部を形成する弾性ダイアフラム上へ向けさせ（なお複数のコヒーレント光線はダイアフラム上に光スポットのパターンを形成し、光スポットのパターンは圧力チャンバー内の圧力を示す）、ダイアフラムで反射された光スポットのパターンのイメージをイメージセンサで捕捉させ、そして捕捉された光スポットパターンイメージから圧力チャンバー内の圧力を求めさせる動作命令を含む。メモリ１０５は、さらに、基準の光スポットパターンを基準圧力に対応する基準のダイアフラムの位置に関連付けることにより、プロセッサ１００に基準圧力でそれ自身を較正させる動作命令を含む。

図１に戻ると、本発明の実施形態に係る圧力センサのオプトメカニカル部分が示されている。ダイアフラム１８の取り得る位置の範囲において、ダイアフラム１８をシャープなフォーカスで結像することができる。ダイアフラム１８はチャンバー２０内の圧力変化でたわむため、イメージセンサ３０上のスポット２２及び２４のイメージがぼける可能性があり、スポット２２及び２４の正確な位置を求めることがより難しくなる。これは、入射光線１３と同じ空間を占める仮想的な拡張された物体がイメージセンサ３０でフォーカスされるように、イメージセンサ３０を傾けることによっていくぶん補償される。この様子を概略的に図９に示す。イメージセンサ３０の傾きは、所定量とするか、又は圧力センサの特定の用途に基づいて調整可能とすることができる。

図１０に、ダイアフラム１８上のスポットの移動（ｍｍ単位）に対する圧力（ｍｍＨｓ）のある較正曲線のグラフを示す。この場合において、スポットの移動はスポット２４及び２２間の直線間隔の変化である。図１０に示されるような曲線は、スポット２４及び２２の間隔変化をチャンバー２０内の対応する圧力変化と関連付けるために適当なソフトウェアを使用できるように生成される。これらの生成された曲線は、本発明に関して実装された異なる圧力センサに対して異ならせることができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサは、約１５０ｍｍＨｇから約７００ｍｍＨｇまでの範囲で圧力を計測することができる。本発明の実施形態に係る圧力センサは、この測定範囲に対して、およそ測定値の範囲の＋／−１０％超の範囲若しくは１０ｍｍＨｇの精度を提供できる。さらに、本発明の実施形態に係る圧力センサのピーク検出能力は、低い圧力では５０ｍｍまで、高い圧力では７０ｍｍまで含める。これは、イメージセンサ３０での信号（受光強度）が最も高いところのピクセルの直接的な位置で達成できる。

そのため、本発明に係る圧力検知装置１０は、光学手段によりチャンバー２０内の圧力の非侵襲な計測が可能である。当業者は、ダイアフラム１８の厚み、レンズ１４、２６又はミラー１６の光学特性、及び／又はこれら部品の相対的な位置を変化させることにより、非侵襲圧力センサ１０で検出可能な圧力範囲を特定の実装形態に合わせて調整できることを認識できるであろう。

本発明は、図示された実施形態を参照しつつ、ここに詳細を記述してきたが、その説明は単なる例としてのみ用いるものであり、発明の限界を構成するものではないことを理解されたい。そのため、本発明の実施形態の詳細における数値的な変更や、本発明の実施形態の追加が、この説明を参照した当業者によってなされ得ることが明白であることも理解されたい。そのような全ての追加的な実施形態での変更も、特許請求の範囲に記載される、本発明の目的及び範囲内に含まれると考える。そのため、本発明は流体の手術システムの一般的な領域に対して特に参照して説明されているが、ここに含まれる教示内容は、例えば汚染された流体に接触することを避けるために非侵襲の圧力検知を提供することが望まれる分野で等しく適用できる。

本発明の一例に係る非侵襲光学圧力センサの概略構成図である。 低圧力下における、図１に示す非侵襲光学圧力センサの様子を示す概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一例における、参照ダイアフラムのずれを補償する能力を示す概略図である。 本発明の一例における、ダイアフラム上への光線の入射角を較正する方法を示す概略図である。 本発明の一例における、ダイアフラムへのレーザ／光線の入射する角を正確に算出する方法を示す概略図である。 本発明の一例のおける、ダイアフラムへ入射する光線の入射角変化を算出するように定義した座標系の簡易図である。 ダイアフラムの変位から圧力チャンバーの圧力を求めるルックアップテーブルを生成する方法を示す図である。 本発明の一例に係る圧力センサの、様々な要素を示す機能ブロック図である。 本発明の一例のおける、ダイアフラムが圧力変化とともに変位するにつれてスポットのフォーカスを保持するためにイメージセンサを傾ける能力を示す図である。 本発明にしたがって実装された圧力センサについての較正曲線を示すグラフである。

符号の説明

１０ 非侵襲圧力センサ
１２ 光源
１４ 光源レンズ
１６ ミラー
１８ ダイアフラム
２０ 圧力チャンバー
２２、２４ 光スポット
２６ 結像レンズ
３０ イメージセンサ
１００ プロセッサ
１０５ メモリ
１１０ レーザドライバ
１２０ レーザ
１３０ レーザ光学系
１４０ 結像光学系
１５０ イメージセンサ
１６０ キャリブレーションインターフェース
１７０ 流体インターフェース

Claims (45)

1. 互いに対して固定された関係で配置された複数のコヒーレント光源と、
   イメージセンサと、
   弾性ダイアフラムを有する圧力チャンバーと、を有し、
   該弾性ダイアフラムは、該圧力チャンバー内の圧力変化に応答して曲がるように構成され、且つ該複数のコヒーレント光源の各々から発した光線を該イメージセンサ上へ反射するように動作可能である、非侵襲圧力検知装置。
2. 前記光線が、前記圧力チャンバー内の圧力を表すパターンで前記ダイアフラムによって反射され、且つ前記イメージセンサは該反射光線のパターンを捕捉するように動作可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記反射光線のパターンは、前記ダイアフラム上へ入射した前記光線間の空間的関係を表す、請求項２に記載の装置。
4. 前記複数のコヒーレント光源は、第１の光線を供給する第１のコヒーレント光源と第２の光線を供給する第２のコヒーレント光源を含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記反射光線の捕捉されたパターンを受信し、且つそれらから前記圧力チャンバー内の圧力を求めるように動作可能なプロセッサをさらに有する、請求項２に記載の装置。
6. 前記反射光線のパターンから前記圧力チャンバー内の圧力を求めるように前記プロセッサを動作させるコンピュータ実行可能なソフトウェア命令をさらに有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記圧力チャンバーに接続される流体系において流体のフローを制御するプロセッサから命令を受信する前記プロセッサに対して、動作可能に接続される流体インターフェースをさらに有する、請求項５に記載の装置。
8. 前記プロセッサに対して較正入力を提供するキャリブレーションインターフェースをさらに有する、請求項５に記載の装置。
9. 前記ダイアフラムで反射された光線を前記イメージセンサ上へフォーカスする結像光学系をさらに有する、請求項１に記載の装置。
10. 前記結像光学系はレンズを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記複数の光源から発した光線を前記ダイアフラム上へフォーカスする光源光学系をさらに有する、請求項１に記載の装置。
12. 前記光源光学系はレンズ及びミラーを含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記ミラーは、前記複数の光源からの光線を前記ダイアフラム上へ所定の入射角で反射する、請求項１２に記載の装置。
14. ダイアフラムの基準位置及び前記所定の入射角に対して較正される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記光線は、前記ダイアフラムへ所定の入射角で入射する、請求項１に記載の装置。
16. ダイアフラムの基準位置及び前記所定の入射角に対して較正される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記ダイアフラムの基準位置は、前記圧力チャンバー内の基準圧力に対応する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記複数の光源はレーザダイオードである、請求項１に記載の装置。
19. 前記複数の光源はレーザ光源である、請求項１に記載の装置。
20. 前記イメージセンサはＣＭＯＳイメージセンサである、請求項１に記載の装置。
21. 前記イメージセンサはチャージカップルドデバイスである、請求項１に記載の装置。
22. 前記ダイアフラムはステンレススチールで形成される、請求項１に記載の装置。
23. 前記複数のコヒーレント光源は、第１の光線を供給する第１のコヒーレント光源と第２の光線を供給する第２のコヒーレント光源を含む、請求項１に記載の装置。
24. 前記圧力チャンバー及びダイアフラムは、交換可能なカセッテとして形成される、請求項１に記載の装置。
25. 眼科手術システムの流体系に対して動作可能に接続される、請求項１に記載の装置。
26. 圧力チャンバーの一部を形成し且つ該圧力チャンバー内の圧力変化に応答して曲がるように構成された弾性ダイアフラムへ、該弾性ダイアフラム上で光スポットを形成する複数のコヒーレント光線を所定の入射角で向けるステップと、
    該ダイアフラムで反射され、且つ該圧力チャンバー内の圧力を表す光スポットパターンのイメージをイメージセンサで捕捉するステップと、
    該イメージセンサからイメージデータを受信するように接続されたプロセッサで、該捕捉された光スポットパターンのイメージから該圧力チャンバー内の圧力を求めるステップと、を含む非侵襲圧力検知方法。
27. 前記光スポットパターンは、基準圧力に対応する前記ダイアフラムの基準位置での基準光スポットパターンと比較して前記圧力チャンバー内の圧力を表す、請求項２６に記載の方法。
28. 前記基準光スポットパターンを前記基準圧力に対応する前記ダイアフラムの基準位置に関連付けることにより、前記基準圧力において前記プロセッサを較正するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記複数のコヒーレント光線は、複数のコヒーレント光源から供給される、請求項２６に記載の方法。
30. 前記複数のコヒーレント光源はレーザ光源である、請求項２９に記載の方法。
31. 前記複数の光線は２本の光線である、請求項２６に記載の方法。
32. 前記圧力を求めるステップは、前記光スポットパターンのイメージから前記圧力チャンバー内の圧力を求めるように前記プロセッサを動作させるコンピュータ実行可能なソフトウェア命令によって実行される、請求項２６に記載の方法。
33. 前記圧力チャンバーに接続される流体系において流体のフローを制御するプロセッサに対して動作可能に接続される流体インターフェースへ、前記プロセッサから命令を与えるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
34. 前記プロセッサは、較正入力を前記プロセッサに対して供給するキャリブレーションインターフェースをさらに有する、請求項２６に記載の方法。
35. 前記反射された光スポットパターンを、結像光学系を通して前記イメージセンサ上にフォーカスするステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
36. 前記結像光学系はレンズを含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記複数のコヒーレント光線を、光源光学系を通して前記ダイアフラム上へフォーカスさせるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
38. 前記光源光学系はレンズ及びミラーを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記ミラーは、所定の入射角で前記複数の光線を前記ダイアフラム上へ向ける、請求項３８に記載の方法。
40. 前記イメージセンサはＣＭＯＳイメージセンサである、請求項２６に記載の方法。
41. 前記イメージセンサはチャージカップルドデバイスである、請求項２６に記載の方法。
42. 前記ダイアフラムはステンレススチールで形成される、請求項２６に記載の方法。
43. 前記圧力チャンバー及びダイアフラムは、交換可能なカセッテとして形成される、請求項２６に記載の方法。
44. 眼科手術システムにおいて圧力を検知するために実行される、請求項４３に記載の方法。
45. 互いに対して固定された関係で配置された複数のコヒーレント光源と、
    イメージセンサと、
    圧力チャンバーであって、該圧力チャンバー内の圧力変化に応答して曲がるように構成され、且つ該複数のコヒーレント光源の各々から発した光線を該イメージセンサ上へ反射するように動作可能な弾性ダイアフラムを有する圧力チャンバーと、
    該複数のコヒーレント光源及び該イメージセンサに対して動作可能に接続されるプロセッシングモジュールと、
    該プロセッシングモジュールに対して動作可能に接続されるメモリと、を有し、
    該メモリは、
    該弾性ダイアフラムへ、該弾性ダイアフラム上で光スポットを形成する前記複数のコヒーレント光線を所定の入射角で向けさせ、
    該イメージセンサで、該ダイアフラムで反射され、且つ該圧力チャンバー内の圧力を表す光スポットパターンのイメージを捕捉させ、
    該捕捉された光スポットパターンイメージから該圧力チャンバー内の圧力を求めさせる、該プロセッシングモジュールに対する動作命令を含む、非侵襲圧力検知装置。

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