JP2007508549A - 電界の１つまたは複数のベクトル成分の測定を行うためのセンサシステム - Google Patents

Abstract

センサシステム（２０、２００、３００、４００、５００）は、高い感度レベルで、複数の比較的固定されたセンサ（３０、３１；２３０、２３１；３３０、３３１；４３０、４３１；５３０、５３１）を使用して、小さな電界の１つまたは複数のベクトル成分を測定し、そのうちの少なくとも１つは、弱結合静電容量センサ（３１、２３１、３３１、４３１、５３１）を構成する。このセンサシステム（２０、２００、３００、４００、５００）を使用すると、表面の法線方向または複数の直交軸に沿って電界を決定することができる。電界ベクトルの測定により、分解能を改善し、また例えば、人体（１０）内の器官により発生する電気信号を特徴付けることができる。

Description

本出願は、２００３年１０月７日に出願した「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎｓｏｒ」という表題の米国仮特許出願第６０／５０９，４２３号の利益を主張するものである。

本発明は、小さな電界を測定することに関するものであり、より具体的には、物体の表面から間隔をあけて並べられ、他のセンサから所定の距離のところに取り付けられた、少なくとも１つの静電容量電気センサを利用して、非導電または導電性の劣る媒体内の物体により発生する電界の１つまたは複数のベクトル成分を測定するためのセンサシステムに関するものである。

電界は、多数の異なる源から発生することが広く知られている。例えば、心臓および脳を含む、人体の器官は、小さな電界を発生する。さらに、電界が小さい範囲の地球物理学および電力線など、他の領域で発生するより大きな電界を測定する必要がある。さまざまな理由から、それらの電界を測定することが望ましい場合がある。従来技術では、これまで、地球の表面の地球物理学的測定の場合には金属棒を地面に埋設するか、または他の何らかの方法で地面に挿入し、医療活動で測定を行う場合には患者の皮膚に直接置かれたゲルコーティング電極を使用することにより導電面の電位の分布を測定する方法を重視してきた。いずれの場合も、計測装置、例えば、金属棒または電極は、表面と直接接触している。表面から距離を置いた位置で電位を測定することは、条件が厳しい。さらに問題が生じるのは、導電面に対し法線方向にある電界を測定する場合、または電界の複数の直交成分を測定する場合であり、特にそれらの成分の１つが局所的導電面と平行でないときである。米国特許第６，２４２，９１１号など、電界の複数の成分を測定することにより最大電界を決定することに関連していくつかの従来技術が存在しているが、これらの配置では、発電機器に関連する電界など大きな電界を取り扱う。実際、このような配置は、低い感度を持つように特に設計され、小さな電界を測定するのには適しない。

空間内のある地点の電界および電位という用語は、ときには、同義語であるかのように使われると理解されるべきである。これは、たいてい実際に測定されるのは他の何らかの電圧に関する電位であるという意味で便宜上の技術的誤りを表している。これらの用語は、この測定されたポテンシャルは、電界が存在していない場合に比較される電圧と異ならないであろうという意味で同等である。その結果、電位および電界という用語は、文献中では入れ換えて使用されることもあり、多くの場合不正確である。実際、電界は測定されるという言い方をされることがあるが、これは、実際には、測定されるポテンシャルの時間変動としてよい。たいていの場合、電位は、明確に定義されていない物理位置の共通ポテンシャル（「接地」と呼ばれることが多い）に関して単純に測定され、共通基準に関する特定の測定位置におけるポテンシャル値をグラフにすることにより記録されたそれらのポテンシャルの単純な地図が作られる。

心臓鼓動波形を測定することに関するいくつかの研究が実施されており、電気回路基板により発生するポテンシャルを画像処理することに関するいくつかの同等の研究が行われている。電界の複数の成分の測定により著しく改善することが可能な、科学的および商業的にかなり重要度の高い分野は、人体の電気的活動の特徴付けである。現在の実用では、一連の電位の測定は、導電接点、またはセンサが直接皮膚に取り付けられたときに生じる高い静電容量値を持つ静電結合を介して皮膚の所望の地点で行われる。前者の接点は、皮膚に接触する電極を誘導することにより作られ、信頼性の高い抵抗性接点を確実に得るために相当な努力が行われる。後者は、高い値の相互キャパシタンスを確実に得るために、皮膚にも接触している絶縁された電極により行われる。その結果得られる皮膚表面ポテンシャルの時間変動分布は、心臓疾患の診断および脳機能の地図作りに実際に利用されている。

しかし、表面ポテンシャルの解釈は、与えられた表面ポテンシャル分布に複数の発生源がありうるため、込み入ったものになる可能性がある。つまり、基礎をなす発生源に関する意味は一通りでない。体表面に関する現在の測定を高める１つの方法は、人体の法線方向で電界（Ｅ_ｎ）を測定することであろう。皮膚に接触する必要があるため、皮膚に接触する従来の電極では、人体から離して電位を測定することはできず、したがって、電界Ｅ_ｎを測定することはできない。

一意性の欠如という問題を解決するために、測定された表面電位分布から基礎になる電気発生源を推定するために物理的仮定および数学的演算が使用された。具体的な実用的実施例は、頭皮の外面で直接得られた測定結果から脳表面での電気的活動の分布を推定する高分解能脳電図（ＥＥＧ）である。表面電極の高密度配列、例えば、６４または１３１チャネルＥＥＧが使用される場合、表面ラプラス関数を推定して、ＥＥＧ空間分解能を改善することができる。例えば、表面ラプラス法を１３１チャネルＥＥＧ信号に適用することで、２ｃｍ範囲内の空間分解能が得られた。

表面から離れた地点で電位の同時記録結果を収集するために、静電容量電位センサも使用されていることに留意されたい。しかし、これら以前の測定はすべて、導電面、例えば人体までの等しい距離のところで行われており、その表面の法線方向で電界の成分を測定していなかった。かなりの距離のところから電位センサで人間の心臓鼓動を検出するために人体のいずれかの側（胸部から約３５ｃｍ、背中から約３５ｃｍ）で静電容量センサも使用された。しかし、それでもまだ、ポテンシャル測定結果から電界を求めたり、または体表面の法線方向の電界のベクトル成分を測定する試みはなされていなかった。

物体から離れた位置で物体の電界の法線ベクトルを測定する作業全体を考察するときに、センサシステムのコンパクトであるという特質が確かに問題になり、特に医療分野では、さらにコンパクトな配置が非常に有利である。いずれにせよ、問題となる電界は小さく、一般に１ボルト／メートルよりもかなり小さく、物体から離れた感知測定結果からの信頼できる情報は、高いレベルの感度を必要とすることは理解されるであろう。上記の内容に基づき、高いレベルの感度を使用し物体から間隔をあけて配置されている少なくとも１つの静電容量電気センサを利用する医療目的などでは、物体に関連付けられた小さな電界の１つまたは複数のベクトル成分を効果的に、また都合よく、測定するために採用できるコンパクトなセンサシステムに対する必要性が存在する。

本発明は、抵抗型センサまたは他の静電容量センサのいずれかと静電容量センサを併用して電界の大きさおよび方向（ベクトル）情報を決定することにより、物体に関連付けられた小さな電界の１つまたは複数の成分を決定するセンサシステムを対象とする。センサシステムは、物体の表面の法線方向の単一電界成分または電界の複数の直交成分を決定するために使用することができる。いずれの場合も、ベクトル情報の決定に使用される第１および第２の電位信号を発生するために一定距離だけ離れたところに２つのセンサが保持される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、電位は、５ｃｍ以下離れている２つの定義された地点にある静電容量および他のセンサにより測定されるが、好ましくは、電界を決定するために、入力に関する感度は１Ｈｚで約１ｍＶ／Ｈｚ^１／２の範囲内である。静電容量センサは、ポテンシャルを感知するために使用される、局所的電位に静電結合する平坦な導電面を含むのが好ましく、実電流の流れを防ぐために平坦な導電面は電気的に絶縁される。

本発明の最も好ましい実施形態によれば、電位を測定するために複数のセンサが使用され、それら複数のセンサは、堅く接続されまとめられるのが好ましい。一実施形態では、これらのセンサは、物体の法線方向の電界のベクトル成分を決定するように配列される。他の実施形態では、センサは、電界の複数のベクトル成分を決定するために、少なくとも２本の直交軸に沿って配列される。他の実施形態では、センサは、電界の直交成分が容易に決定できる所定の軸に沿って特に配列される。いずれの場合も、小さな電界の時間変動という性質は、高いレベルの感度で測定することができるが、大きさと方向に関する両方のデータを処理するのは、診断および他の評価目的に必要な情報を著しく増す。

本発明の追加の目的、特徴、および利点は、複数の図面内で類似の参照番号は対応する部品を指している図面と共に読むと好ましい実施形態の以下の詳細な説明からますます易すく理解できるであろう。

最初に、電界内に置かれた物体は少なくともその幾何学的中心において電界に関連するポテンシャルにまで高まることに留意されたい。図１は、人体１０の心臓（図に示されていない）などの人体１０の外側に発生する電界を測定することに関して使用される発明を例示している。本発明により電界を感知するために、一般に２０で示される、センサシステムは、人体１０の近くに配置される。図に示されているように、センサシステム２０は、複数のセンサを含み、そのうち２つは３０および３１のところに示されている。センサ３０および３１は、所定距離だけ離して固定され、人体１０に関連する電位を測定するために使用される。本発明は、少なくとも一部は、物体の静電容量が近接する物体に対する相互静電容量に支配され、物体が隔離されると、自由空間静電容量に戻るという事実に基づいて述べられている。最大サイズが約１ｃｍの物体の場合、自由空間静電容量は、１ｐＦのオーダーである。物体が他の導電物体に非常に近い位置に置かれ、高い誘電率を持つ絶縁体によりさらに分離される場合、近接しているその表面の単位面積当たりの物体の静電容量は、１ｎＦ／ｃｍ^２のオーダーとすることができる。

本発明によれば、物体は、その静電容量が１０ｐＦ未満の場合に、局所電位に弱結合されていると考えられる。１０μＶのオーダーの感度レベルの弱結合静電容量方式で測定を行うことが最近可能になった。これは、参照により両方とも本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６８０，８００号および米国特許出願公開第２００４／００７４４６号で説明されているような半導体電子デバイスおよび回路設計の進歩により可能になった。本発明では、さらに、非常に高い感度で電界の１つまたは複数のベクトル成分を測定することができるコンパクトなセンサシステム２０を確立することに関連する進歩も実現する。電界を測定するためには、２地点のポテンシャルを測定し、以下のように一方の結果を他方の結果から差し引き、２地点の間の物理的距離ｄで除算するだけでよく、ｋは、知られている電界内のセンサをテストすることにより容易に決定可能である。

以下でさらに詳しく説明するが、完全に異なるセンサにより、または２つの別々のポテンシャルセンサを差動入力を持つ適切な増幅器に接続することにより、それら２つの測定を行うことができる。上記の式により、一方のセンサの電圧を対毎に複数の他のセンサから差し引き、測定点を結ぶベクトルの方向に電界を与えることができる。ある点の、またはある表面上の電位は、共通接地に関する、または地点の間の電界ベクトルを構成することなく、時間変動ポテンシャル地図として記録することができる。

「コンパクトな」感知システムという言い方で、電界が測定される領域が注目する電界内の空間変動に関して小さく、および／または電界の複数の成分を測定するシステムが都合のよいサイズ、つまり、７５ｃｍ未満の最大サイズを有する十分なコンパクトさであることを意味する。前者の基準の実施例は、人体により発生する電界の測定であり、これは、３ｃｍのオーダーの距離にわたって変動することが予想され、したがって等しいかまたはそれよりも小さいセンサにより測定されなければならない。さらに、このような電界は、通常、約１Ｈｚで１ボルト／メートル未満から１マイクロボルト／メートルまでと小さい。実際、本発明のセンサシステムは、約１Ｈｚで１メートル当たり０．１、０．０１、０．００１、および０．０００１ボルトのオーダーであっても、小さな電界を測定する際に使用するために高感度で設計される。医学分野における本発明の具体的応用では、Ｅ_ｎを測定するために、人体から一定距離のところの電界の静電容量ポテンシャル測定結果を人体に対する同じ法線ベクトルに沿った、ただし、異なる距離のところの第２の同時電位測定結果（または、同じ法線ベクトルに沿った信号寄与が十分であり、知られているような他の（複数の）同時測定結果）と併用する。

図１では、Ｅｎの測定は、弱結合センサ３０および３１を備えるセンサシステム２０を使用して行われる。図に示されているように、センサ３０および３１は両方とも、人体１０と接触しないように、人体１０から間隔をあけてある。この配置が好ましいけれども、図２は、センサ３０が人体１０と接触するように配置されている潜在的構成を例示している。この配置では、センサ３０は、本質的に静電容量センサを構成する必要はないが、むしろ、静電容量型または抵抗型のいずれかのセンサとすることが可能である。いずれの場合も、少なくともセンサ３１は静電容量センサを構成する。それにもかかわらず、人体表面の法線方向の人体１０に関連する電界に関する情報を使用して、測定された接線方向電界から得られる情報を増すことができる。追加センサ、好ましくは静電容量センサを、さらにセンサシステム２０内に備え、以下でさらに説明するように、追加の軸に沿って電界情報を測定することができる。

上で示されているように、本発明は、電界の１つまたは複数の成分を測定し、その際に少なくとも１つのベクトル成分が弱結合静電容量センサにより測定されるセンサシステムに関する。センサシステムは、コンパクトであり、人間の心臓または脳などから出る小さな電気信号を記録するのに必要な感度レベルで電界の弱結合静電容量測定を実行するために使用される。このセンサシステムでは、導電面に対し導電または高静電容量結合することなく、自由空間内で電界を測定できなければならない。このセンサシステムのコンパクトであるという特質は、自由空間電位に結合するセンサシステムの一部は、約０．１ｐＦから２ｐＦの範囲の静電容量を有することを意味する。

次に、図３および４を参照すると、センサ３１のコンパクトな特質を示している。この実施例では、以下でさらに説明される、第１段電子回路がセンサ３１の筐体４０内に封入されている。図に示されているように、センサ３１は、実質的に平坦な円板の形をとる電極４１を備える。電極４１は、絶縁体４３により筐体４０から分離される。さらに、電極４１は、高い電気抵抗を有する材料および、一部のシステムを実施形態では、ガード面により、内部構成要素（図に示されていない）から絶縁される。センサ３１のサイズがどのようなものか理解できるように、硬貨（米国の１セント銅貨）が図４のセンサ３１に関して示されている。

図５は、人体１０の法線方向の電界を測定するように特に設計された他のコンパクトな単一軸電界静電容量センサシステム２００を例示している。図に示されているように、２つのセンサ２３０および２３１は、約１ｃｍ離された平行な平面内に配置された回路基板により確立される。センサシステム２００の第３の層２３５は、ハイインピーダンスバッファリングおよびアナログ差分のため２４０に示されているような電子コンポーネントを搭載する。センサシステム２００は、上記のものに対応する方法で従来の皮膚接触抵抗または静電容量センサ、または電界の複数の直交成分の測定を行うように同様に構成された、弱結合静電容量センサと組み合わせることができる。この目的のために、センサ２２３０および２３１は、上述のセンサ３０および３１と類似しており、高い感度レベルで、好ましくは人体１０と接続して、小さな電界のベクトル成分を感知するために組み合わせて使用される。

電界の（複数の）成分を測定するために、静電容量センサシステム２００のセンサ２３０および２３１は、所定の方法で互いに関して配向される。センサ２３０および２３１は、一定距離のところで頑丈に接続され一体化されるのが最も好ましい。さらに、センサシステム２０にも適用される方法において、センサシステム２００は、任意の方向の空間広さが約５ｃｍ以下、より好ましくは、３．５ｃｍ未満であるという点でコンパクトである。ここでもまた、センサ２００のサイズがどのようなものか理解できるように、紙ばさみ２５０がセンサ２００に関して示されている。例えば、本発明で採用することが可能ないくつかの個別センサは、参照により本明細書に組み込まれる、２００３年６月１１日に出願した「Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｂｉｏｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ」という表題の米国特許出願第１０／４５９，２６７号で開示されている。

本発明の他の実施形態により製作された多軸電界センサシステム３００の実施例は、図６に示されている。このシステムでは、電界の３本の直交軸は、直交する向きの方向で対として配列されたさまざまな静電容量センサ３３０〜３３５により測定される。図に示されているように、６個のセンサ３３０〜３３５はそれぞれ、導電板の形をとることが好ましいが、その幾何学的中心においてそれぞれの電圧Ｖ_１〜Ｖ_６の形で電位を測定する機能を有する。より具体的には、センサ３３０〜３３５は、リンクされ、支持アーム３４０について３５２に示されているような、絶縁体を通る本体または筐体３５０へのそれぞれの支持アーム３４０〜３４５を通じて固定された相対位置に保持される。本発明の最も好ましい形態では、筐体３５０は、３つの個別のセンサモジュール３５５〜３５７を取り付けることから形成され、センサ３３０および３３１は、モジュール３５５に搭載され、センサ３３２および３３３はモジュール３５６に搭載され、センサ３３４および３３５はモジュール３５７に搭載される。支持アーム３４０および３４１は、第１の軸に沿って同軸上に揃えられるのが好ましいが、支持アーム３４２および３４３は、第２の軸に沿って同軸上に延び、支持アーム３４４および３４５は、第３の軸に沿って同軸上に延びる。図に示されているように、支持アーム３４２および３４３に関連付けられている第２の軸は、第１および第３の軸に実質的に垂直に配列される。

筐体３５０は、さらに、第１および第２のエンドキャップを備え、そのうちの１つが３７０に示されている。筐体３５０内には、以下で詳述するように、第１段ハイインピーダンス増幅器を備えるセンサシステム３００に関連する電子回路（図に示されていない）がある。また、それぞれのモジュール３５５〜３５７からは、モジュール３５５について３８０〜３８２で示されているような、それぞれの電気コネクタが突き出ている。電気コネクタ３８０〜３８２は、筐体３５０のそれぞれのモジュール３５５〜３５７を、センサシステム３００から受信された信号を読み取り、評価する際に使用される電気コンポーネントにリンクするために用意されている。さらに、それぞれのモジュール３５５〜３５７は、それぞれモジュール３５５および３５６の電源スイッチ３８５および３８６などの関連する電源スイッチを備える。この時点では、筐体３５０は、一体形成可能であるが、一組の電気コネクタ３８０〜３８２および１つの電源スイッチ３８５、３８６のみを使用していることは理解されるであろう。

この配置では、電界は、Ｅ_Ｘ＝ｋ_ｘ（Ｖ_１−Ｖ_２＋Ｖ_５−Ｖ_６）／２、Ｅ_Ｙ＝ｋ_Ｙ（Ｖ_３−Ｖ_４）、Ｅ_Ｚ＝ｋ_Ｚ（Ｖ_１＋Ｖ_２−Ｖ_５−Ｖ_６）／２となるように構成され、ただし、板電圧Ｖｉおよび定数ｋ_ｉはセンサシステム３００を実際に使用するのに先立って知られている電界における較正により決定される。図６で表されている静電容量型多構成要素電界センサシステム３００の設計のおかげで、３つの測定された電界成分Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚは、筐体３５０のモジュール３５５〜３５７内の中心で交差する。しかし、センサ３３０〜３３５により確立される個別の感知アレイは、互いに関して垂直に配列される必要はないが、むしろ、直交方向で電界を推定するために直交方向の十分な突き出しがあればよいことに留意されたい。本発明の複数のセンサは、さらに、例えば、個人の頭部の周りの複数の地点で脳により発生する小さな電界のベクトル成分を測定するため、グループにまとめることもできる。さらに、複数の独立したユニットを使用して、２軸測定結果の集まりから電界のすべての３つの成分を決定することができる。

図７は、本発明の他の実施形態により構成された静電容量型多構成要素電界センサシステム４００を示している。センサシステム４００は、基本的に、純粋に直交する軸に沿って電界測定を行う必要はないことを例示するために用意されている。その代わりに、必要ならば、当業でよく知られている方法により、単純な幾何を用いて直交方向の電界成分を計算することができる。この目的のために、センサシステム４００は、センサ４３０〜４３３、筐体４５０、支持アーム４４０〜４４３、および絶縁体４５２〜４５５を備えることに留意されたい。この配列により、電界のさまざまな成分を、センサ４３０〜４３２により感知し、そこから出る信号を処理し、センサ４３０〜４３３の間の幾何学的関係を単に知ることにより直交する電界測定結果を確立することができる。したがって、センサシステム４００は、センサシステム３００に対応する方法で動作可能であり、しかも、対応する支持アームおよびセンサは少なくてよいが、電界データに到達するためにセンサ４３０〜４３３から出る信号の何らかの数学的操作を行う必要がある。

図８は、センサシステム５００がそれぞれの支持アーム５４０〜５４４を通じて一般に平円盤型の筐体５００から支持される複数のセンサ５３０〜５３４を備える本発明のさらに他の実施形態を示している。それぞれの支持アーム５４０〜５４４は、それぞれの絶縁対応に関連付けられ、その１つは、支持アーム５４０に関して５５２で示されている。そこで、電位センサは、以前には筐体３５０内に配置されていた第１段高入力インピーダンスの電子回路は、今は筐体３５０と共に配置されているという意味で自給自足型である。これらのセンサの出力の差は、上述の式１の場合のように組み合わされることができ、それらの間の電界の値が得られる。

センサシステム５００は、全部で５つの電位センサ５３０〜５３４を示している。この実施形態では、センサの縦軸に沿っている電界は、センサ５３１〜５３４の出力の平均からセンサ５３０の出力を差し引くことにより計算される。必要ならば、６番目のセンサ（図に示されていない）を、磁気センサ５５２の筐体５５０上に、または筐体５５０の下に突き出る延長部上に配置し、縦軸に沿った第２のポテンシャル測定の単一測定点を用意することができる。図３に示されている５センサ実施形態５００の利点は、システムの下側部分にセンサを持たないことにより、代わりに取付手段をそこに配置できるという点である。

開示されている他の実施形態と同様に、センサシステム５００は、電池式であるのが好ましい。それぞれのセンサ５３０〜５３４により記録される信号は、センサシステム５００に電力を供給する電池電圧に関するものである。任意の２つのセンサの電池の共通地点が接続され１つになっている場合、センサ出力の差から、電界に直接比例する読み取り値が得られる。多軸システムの好ましい変更形態では、１つの電池ユニット（図に示されていない）が、センサ５３０〜５３４に対し使用され、それにより、必ずすべての測定は共通基準に関するものとなる。いずれにせよ、図８のアプローチを使用すると、電位センサ５３０〜５３４は人体１０の表面の所望の任意の位置に配置することができて都合がよい。

上記の説明から容易に理解されるであろうが、本発明は、自由空間静電容量電位センサと電位の他の静電容量または抵抗センサの測定結果とを統合し、電界の１つまたは複数のベクトル成分を決定することに関する。本発明は、電界を発生する物体に関して一致して移動するように固定され明確に定義された空間関係で取り付けられているセンサの単一の対を使用し、物体の法線方向の電界の単一成分を感知することができるか、または多数の追加センサを使用して、電界の複数の直交成分を決定することができる。直交成分は、センサのさまざまな対の位置決めに基づいて直接感知できるか、またはセンサは、非垂直軸に沿って配列することができ、その場合、直交成分は、確立されている幾何学に基づいて数学的に決定できる。もちろん、１つの共通センサを所望の軸に沿った２つ以上の他のセンサと組み合わせて使用することができる。いずれにせよ、ポテンシャル信号を使用して、電界のベクトル成分（大きさおよび方向）を決定することができ、その場合、感知システム全体は物体から離れた位置で電位を感知するために使用される少なくとも１つの静電容量型電気センサを採用する。きわめてコンパクトなセンサシステムを実現することにより、医療分野などの特定の環境において本発明が使用される可能性が高くなる。静電容量型電気センサを使用すると、人体などの物体により発生する電界の１つまたは複数の成分を非侵襲的で控えめな方法により感知することができて都合がよい。

センサシステムに関連して使用される特定の回路は本発明の一部ではないので、ここでは詳細に説明しないが、むしろ、ここでもまた、上で述べた、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許および特許公開が参照される。しかし、図９は、一般に、本発明の基本態様を例示しており、第１の静電容量型センサ３１、２３１、３３１、４３１、５３１は、第２のセンサ３０、２３０、３３０、４３０、および５３３と共に、ポテンシャル信号をコントローラ５７５に送信し、信号を処理して電界の大きさ５８０および電界の方向５８５により表されるような電界の１つまたは複数の成分を決定することができる。一般的な注意事項では、ハイインピーダンス増幅器はそれぞれのセンサに接続される。増幅器は、センサのポテンシャルをバッファリングし、そのポテンシャルを表す信号をその後のローインピーダンス回路に送るように構成される。静電容量センサのハイインピーダンス増幅器は、注目する信号の周波数で１００ＭΩを超える、すべての回路成分を含むインピーダンスを有するのが好ましい。いずれにせよ、それぞれのセンサの結合、その感度を高めるために時間で変調されるのが好ましい。

図１０は、頭皮表面ポテンシャルと比較した、法線方向の電界対、標準ＥＥＧ双極源の人間の頭皮から異なる法線方向距離｛０，０．５，１ｃｍ｝のところの横方向表面位置の計算を示している。わかりやすくするため、それぞれの尺度は、双極の真上の位置での個別の最大値に関して正規化されている。この図は、頭皮から０．５ｃｍのところに配置されたセンサに関して、信号が１／２に低減される地点が頭皮ポテンシャルの従来の表面測定と比較して２倍短い放射方向距離のところで出現することを示している。頭皮に近い位置で電界を測定できるようにセンサがコンパクトになるにつれ、法線方向電界の有利性はさらに高まる。したがって、１ｃｍ以下の好ましいスケールで電界の測定を行えるようにすることにより、本発明は、平行電界の事前表面接触測定結果よりも本質的に高い空間分解能を有する脳からの情報の物理チャネルを使用可能にする。

０ｃｍ、０．５ｃｍ、および１ｃｍでのＥｎ測定結果を使用して源を局在化できることは、頭皮ポテンシャルに対する改善を表すが、横方向距離を有するＥｎの変動は、頭皮上の表面ポテンシャル分布の表面ラプラス解により理論的に達成可能なのと比べて電界の発生源の軸に関してあまり集中しない。しかし、電極数の多さ（＞４０）、セットアップ時間のかなりの長さ、事前配置の補助データ収集機器に関するコストは、潜在的利点を曇らせる。本発明のセンサシステムの精度は、厚さの局所的変動および導電性の悪影響を受けず、また当業と比べて元のデータ内の雑音に対しても敏感ではない。特に、法線方向の電界は、これらの実用的な効果の影響をあまり受けないように測定の直接出力であり、非常に敏感である。さらに、既存の表面ポテンシャル測定に法線方向の電界の測定結果を加えると、従来の表面測定で使用される基準電極の位置に関係する不自然な結果が低減する。基準の不自然な結果は、従来のＥＥＧでは、（ａ）脳の発生源位置は、一般に、知られておらず、すべての発生源から電気的に「遠い」基準電極を信頼できる形で配置できず、（ｂ）ＥＥＧの発生源は、通常、新皮質の広い領域船体にわたって分布し、遠位の発生源は、抵抗の低い経路により分流された結果として電気的に近い場合に局所ポテンシャルに大きな寄与をする可能性があるため生じる。人体の外部の直交または他の軸に沿って明確に定義された離れた位置に配列された２つの電極の間の差を取ることで、基準の不自然な結果が大幅に減少し、脳電源の解釈が改善される。

ＥＥＧのこれらの利点は、さらに、心臓の撮像または人体内の複数の電源の局在化および判別など、他の医療用途にも適用可能であることは理解されるであろう。さらに、多軸電界測定の利点は、監視および地球物理学などの他の用途に影響を及ぼすと予想できる。この目的のために、本発明のセンサシステムは、さらに、磁界データを同時にまたは個別に感知する１つまたは複数の磁気センサを組み込むこともできる。特に、地面に対し垂直な方向の電界の測定からは、人体における応用の類似の方法で地面の下の発生源に関する情報を得ることができる。

本発明の好ましい実施形態を参照しつつ説明されているが、本発明の精神から逸脱することなく本発明にさまざまな変更および／または修正を加えられることは容易に理解されるであろう。一実施例は、人体の法線方向の電界を測定し、このデータを皮膚の表面で行った測定と組み合わせて、心臓、脳、およびその他の器官の電気的活性および電気的特性に関する追加情報が得られる。一般に、本発明は、請求項の範囲によってのみ制限されることを意図されている。

センサのそれぞれが人体から間隔をあけて配置されている、本発明により構成される静電容量センサを使用する人体の法線方向の電界の測定結果を示す概略図である。 １つのセンサが人体と接触している、人体の法線方向の電界の測定結果を例示する、図１に類似の概略図である。 図１および２の静電容量センサ要素のうちの１つの側面図である。 硬貨のサイズと対比して示されている図３の静電容量センサ要素の正面図である。 本発明の好ましい実施形態により製作された静電容量センサの内部構成要素の斜視図である。 電界の複数の直交成分を測定する本発明の他の実施形態により構成された静電容量センサの斜視図である。 電界の複数の非直交成分を測定する本発明のさらに他の実施形態により構成された静電容量センサの斜視図である。 電界の複数の直交成分を測定する本発明のさらに他の実施形態により構成された静電容量センサの斜視図である。 本発明を例示するブロック図である。 頭皮からの異なる法線方向距離に対し頭皮を横切る横方向距離の関数として脳の内側の双極子源に対する人間の頭の外の法線方向電界の変更形態を示すグラフである。

Claims (24)

1. 物体により発生する小さな電界の少なくとも１つの成分を測定するためのコンパクトなセンサシステムであって、
   前記物体から離れた第１の位置で前記電界に関係する第１の電位信号を発生するように適合された第１の静電容量型電気センサと、
   前記第１の位置から所定の固定された距離だけ離れた第２の位置に配置され、前記電界に関係する第２の電位信号を発生するように適合された第２の電気センサと、
   前記第１および第２の電位信号を処理して、前記電界の第１のベクトル成分を決定するコントローラとを備えるコンパクトなセンサシステム。
2. 前記第２の電気センサは、前記第２の電位信号を発生するときに前記人体と接触する請求項１に記載のセンサシステム。
3. 前記第１のベクトル成分は、人体に対し法線方向である請求項１に記載のセンサシステム。
4. 前記小さな電界は、１Ｈｚで１メートル当たり１ボルト未満である請求項１に記載のセンサシステム。
5. 前記小さな電界は、１Ｈｚで１メートル当たり０．１ボルト未満である請求項１に記載のセンサシステム。
6. 前記小さな電界は、１Ｈｚで１メートル当たり０．０１ボルト未満である請求項１に記載のセンサシステム。
7. 前記小さな電界は、１Ｈｚで１メートル当たり０．００１ボルト未満である請求項１に記載のセンサシステム。
8. 前記小さな電界は、１Ｈｚで１メートル当たり０．０００１ボルト未満である請求項１に記載のセンサシステム。
9. さらに、
   前記第１および第２の電気センサを支持する筐体と、
   前記第１と第２の電気センサとの間に配置された絶縁体とを備える請求項１に記載のセンサシステム。
10. 前記センサシステムは、約５ｃｍ以下の任意の方向の空間広さを持つ請求項１に記載のセンサシステム。
11. 前記第２の電気センサは、皮膚接触抵抗型センサを構成する請求項１に記載のセンサシステム。
12. さらに、
    前記物体から離れた位置で前記電界に関係する第３の電位信号を発生するように適合された第３の静電容量型電気センサと、
    前記物体から離れた位置で前記電界に関係する第４の電位信号を発生するように適合された第４の静電容量型電気センサとを備え、前記コントローラは前記第３および第４の電位信号を処理して、前記電界の第２のベクトル成分を決定するための前記第３および第４の電気センサに結合される請求項１に記載のセンサシステム。
13. 前記第１および第２のベクトル成分は、互いに直交する請求項１２に記載のセンサシステム。
14. さらに、
    前記物体から離れた位置で前記電界に関係する第５の電位信号を発生するように適合された第５の静電容量型電気センサと、
    前記物体から離れた位置で前記電界に関係する第６の電位信号を発生するように適合された第６の静電容量型電気センサとを備え、前記コントローラは前記第５および第６の電位信号を処理して、前記電界の第３のベクトル成分を決定するための前記第５および第６の電気センサに結合される請求項１２に記載のセンサシステム。
15. 前記第１、第２、第３、および第４の電気センサは、強固に相互接続される請求項１２に記載のセンサシステム。
16. さらに、
    筐体と、
    前記筐体から突き出ている複数のアームとを備え、前記複数のアームはそれぞれ前記第１、第２、第３、および第４の電気センサのうちのそれぞれ１つを支持する請求項１５に記載のセンサシステム。
17. 前記筐体は、相互接続され１つにまとめられる複数のモジュールから形成される請求項１６に記載のセンサシステム。
18. 前記複数のモジュールは、出ている前記第１および第２の電気センサの接続元の第１のモジュールと出ている前記第３および第４の電気センサの接続元の第２のモジュールを含む請求項１７に記載のセンサシステム。
19. さらに、
    前記第１と第２の電気センサの間で、前記複数のアームのうちの１つに沿って配置される第１の絶縁体と、
    前記第３と第４の電気センサの間で、前記複数のアームのうちの他の１つに沿って配置される第２の絶縁体とを備える請求項１８に記載のセンサシステム。
20. 前記複数のアームは、第１の組および第２の組のアームを含み、前記第１の組および第２の組のアームは異なる直交する方向に延びる請求項１６に記載のセンサシステム。
21. 前記複数のアームは、第１の組および第２の組のアームを含み、前記第１の組および第２の組のアームは９０度未満の角度で交差する請求項１６に記載のセンサシステム。
22. 物体により発生する小さな電界の少なくとも１つの成分を測定するための方法であって、
    前記物体から離れた第１の位置に第１の静電容量型電気センサを配置するステップと、
    前記第１の位置から所定の固定された距離だけ離れた第２の位置に第２の電気センサを配置するステップと、
    前記電界に関係する前記第１の電気センサから第１の電位信号を発生するステップと、
    前記電界に関係する前記第２の電気センサから第２の電位信号を発生するステップと、
    前記第１および第２の電位信号を処理して、前記電界の第１のベクトル成分を決定するステップとを含む方法。
23. 前記第１のベクトル成分は、前記物体に対し法線方向である請求項２２に記載の方法。
24. さらに、
    前記物体から離れたそれぞれの位置に少なくとも第３および第４の静電容量型電気センサを配置するステップと、
    前記電界に関係する前記第３および第４の電気センサから少なくとも第３および第４の電位信号を発生するステップと、
    前記第１および第２の電位信号と共に前記第３および第４の前記ポテンシャル信号を処理して、前記電界の複数の直交成分を決定するステップとを含む請求項２２に記載の方法。

Images