JP2009501040A - インピーダンス測定を可能にする装置、システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、外部物質のインピーダンス測定のための装置（１）であって、前記装置は、それぞれのコイル要素（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）及びそれぞれの容量要素（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を有する複数の共鳴回路を有し、前記共鳴回路は異なる共鳴周波数で動作する。共鳴回路からの信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）は電流計（６）により検出される。導体との電磁気学的相互作用のために共鳴回路によりもたらされる電力損失はそれぞれの信号の大きさの変動において反映される。信号（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３又はＳ４）を検出することにより、共鳴回路による電力損失が決定される。共鳴回路は、好適には、絶縁性繊維担体（２）に一体化されている。本発明は更に、バイタルサイン測定システム及びインピーダンス測定を可能にする方法に関する。

Description

本発明は、外部物質のインピーダンス測定を可能にするためのセンサ要素を有する電磁気学的インピーダンス測定装置に関する。

本発明は更に、個人のバイタルサインの信号表現を測定するように備えられているバイタルサイン測定システムに関する。

本発明は更に、外部物質のインピーダンス測定を可能にする方法に関する。

冒頭の段落において記載されている装置の実施形態については、米国特許出願公開第２００３／００５５３５８Ａ１号明細書に開示されている。その既知の装置は、生体組織における電磁気学的生体インピーダンス測定を可能にするように備えられている。このために、その既知の装置は、外部から印加される交番磁界に応じて組織において伝搬する渦電流を表す信号を検出するように備えられている単独のセンサ要素を有する。その既知の装置は、センサ要素の断面に対応する体の部位の生体インピーダンスを検出することができる。

その既知の装置の不利点は、生体インピーダンス値のマップを得るために、センサ要素は、組織の表面に対して移動される必要があることである。この手法は、時間を要し、移動エラーのために実質的に不正確になる可能性がある。
米国特許出願公開第２００３／００５５３５８Ａ１号明細書

本発明の目的は、インピーダンス測定のための装置を提供することであり、それにより、正確な空間的に分解された測定が可能である。

このために、本発明にしたがった装置は、前記物質の空間的に分解されたインピーダンス測定を可能にするための更なるセンサ要素を有し、前記要素及び前記更なるセンサ要素は、異なる共鳴周波数において動作するそれぞれの共鳴回路の一部として備えられている。

本発明にしたがった技術手段は、互いに近接する、複数の、例えば、２つ又はそれ以上のセンサ要素を備えることが空間的に分解されたインピーダンス測定を可能にするという洞察に基づいている。それらのセンサ要素のインピーダンスの読み出しを可能にするように、各々のセンサはそれぞれの共鳴回路の一部として備えられ、各々の共鳴回路は異なる共鳴周波数に設定されている。好適には、それぞれの共鳴周波数間の差は１０％のオーダーにある。この原理は実験的に確認されていて、その結果については、図１を参照して説明する。それ故、本発明による装置にしたがって、測定の設定は、ある空間分解能と共に対象の領域における高信頼性のインピーダンス測定を可能にするように与えられる。このことは、例えば、呼吸の活動及び深さ、心拍、心臓ボリュームの変化、血糖値等のようなバイタルサインの非侵襲的な位置依存性測定が空間分解能の高い精度で可能である医療用アプリケーションのために、特に重要である。

本発明にしたがった装置の実施形態においては、センサ要素及び更なるセンサ要素は、それらのセンサ要素のマトリクス又はアレイを構成するように考えられている。

アレイ又はマトリクスの形にセンサ要素をデザインすることは特に有利であることが判明している。好ましい空間分解能は、センサ要素のそれぞれの大きさを適切に選択することにより達成されることが可能である。この特定の実施形態は、図２ａ及び図２ｂを参照して詳細に説明する。

本発明の更なる実施形態においては、センサ要素及び更なるセンサ要素は、それぞれの容量要素と協働するそれぞれのセンサコイルを有し、それぞれの共鳴周波数は、それぞれの容量要素の予め選択された値により決定される。

予め選択された接続トラックの長さを有する標準コイル要素及び種々の容量要素の組み合わせを用い、それ故、異なるそれぞれの共鳴周波数を有する複数の共鳴回路のデザインを可能にすることは、特に有利であることが判明している。好適には、それ自体既知である表面実装デバイス（ＳＭＤ）のコンデンサが容量要素のために用いられる。この構成については、図３を参照して更に詳細に説明する。代替として、所定の値を有する標準容量要素を選択すること、及び誘導コイルの接続トラックのそれぞれの長さを変えることにより共鳴回路の共鳴周波数を変えることが可能である。

本発明にしたがった装置の更なる実施形態においては、センサ要素及び更なるセンサ要素は固定要素において備えられている。

本発明にしたがった装置の一部のアプリケーションにおいては、個人が、適切な固定ユニット、例えば、椅子、ベッド等において位置付けられている環境下で、前記個人のインピーダンス測定を可能にすることは好ましい。本発明にしたがった装置は、固定ユニットにおいて位置付けられている間に個人がタスクを実行するときにもまさに用いられることが可能であることに留意する必要がある。例えば、そのようなタスクは、オフィス等において腰掛けているときに静止したまま仕事を実行する、自動車を操作するようなタスクであることが可能である。それらの実施例においては、本発明にしたがった装置は、隔離されたインピーダンス測定を実行するために、又は直列のインピーダンス測定における何れかの変化をモニタするために、適切である。

本発明にしたがった装置の更なる実施形態においては、センサ要素及び更なるセンサ要素が着用可能要素において備えられている。

Ｔシャツ、下着、アームバンド等の着用可能な要素において、本発明にしたがった装置を備えることが特に有利であることが判明している。この実施形態は、例えば、スポーツコーチング又はリハビリの患者のモニタリングについて、動いている個人の繰り返しのインピーダンス測定を可能にするために特に有利である。

本発明にしたがったバイタルサイン測定システムは、上記に関連して説明している装置を有する。

生体インピーダンスの測定は、人間の体の種々のバイタルパラメータを、好適には非接触の方式で測定するように用いられる。本発明にしたがった装置をバイタルサイン測定システムに組み込むことにより、交番磁界が人体の一部に生成される。この交番磁界は、体の組織における渦電流をもたらす。組織の種類に応じて、それらの渦電流はより強く又はよし小さくなる。渦電流は、組織における損失をもたらし、その損失は、例えば、インダクタループの品質係数の減少として測定される。それらの損失はまた、二次磁界をもたらし、その二次磁界は、インダクタループの誘電性変化として、又は、代替として、第２インダクタループにおける誘起電圧として測定されることが可能である。異なる共鳴周波数において動作する複数のセンサ要素を用いることにより、呼吸活動及び深さ、心拍、心臓ボリュームの変化、血糖値、組織の脂肪又は水含有量、肺水腫、末梢組織の水腫等のバイタルサインの空間分解測定を与えることができる測定システムを提供することが可能である。

本発明にしたがった方法は：
− 前記物質の空間分解インピーダンス測定を可能にするためのセンサ要素及び更なるセンサ要素を有する装置を備える段階であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は異なる共鳴周波数において動作するそれぞれの共鳴回路の一部として備えられている、段階；
− 前記物質に近接して前記装置を位置付ける段階；
− 前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素に交番電磁フィールドを印加する段階；
− 前記共鳴回路のそれぞれの品質係数の変動を表す信号を検出する段階；
を有する。

本発明にしたがった方法は、特定のバイタルサインのマッピングを実行するために特に適切であり、そのバイタルサインは、空間分解生体インピーダンス測定により検出されることができる。

本発明の上記の及び他の特徴について、以下、図を参照して説明する。

図１は、直列に接続されたセンサアレイの測定されたインピーダンススペクトルの結果を模式的に示している。この図は、外部ＲＦフィールドのそれぞれの関数として位相（曲線ａ）及び振幅（曲線ｂ）を示し、曲線ｂは指数スケールで表されている。この実施例においては、センサアレイは、ポリイミド（“Ｆｌｅｘｆｏｉｌ”）基板に備えられている螺旋状銅製トラックを有する。それらのトラックは、４つのセンサ要素に対応する異なる共鳴周波数を有する４つのそれぞれの共鳴回路を有する。一般に、それぞれの共鳴周波数間の周波数差を表すように、共鳴ピークの品質係数を用いることができる。一般に、品質係数が小さければ小さい程、ピークはより広くなり、それらのピーク間で選択される距離はより大きくなる。好適には、周波数差は、ｄｆ値（−３ｄＢにおけるピークの幅を表す）の少なくとも３倍の値において選択される。このｄｆ値は、品質係数Ｑにより共鳴周波数ｆ_ｒｅｓを除算することにより得られる。即ち、ｄｆ＝ｆ_ｒｅｓ／Ｑである。典型的なアプリケーションについては、これは、約１０％のオーダーにある周波数差をもたらす。共鳴回路は、それらの接続トラックの異なる長さを有するコイルを選択することにより構成される。図１に示しているインピーダンススペクトルは、一定電流で測定されたアレイにおける電流を示している。図１は、４つの共鳴回路の各々に対応する４つの共鳴ピーク（曲線“ｂ”）を明確に示している。図１における曲線“ａ”は、対応する位相データ測定を示している。導体が近接して位置付けられている場合、共鳴の１つのみ、即ち、特定のコイルに関連する１つが、品質係数及び共鳴周波数を実質的に変えることが実験的に確立されている。隣り合う共鳴ピークはかなり小さい範囲まで影響される。それ故、インピーダンス測定の空間分解能を達成するようにその周波数が用いられることができることが示されている。

図２ａは、本発明にしたがったセンサアレイの実施形態を模式的に示している。図２は、それぞれのコイル要素３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ及びそれぞれの容量要素５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを有する複数の共鳴回路を有する、本発明にしたがった装置１の実施形態を模式的に示している。電源手段８は、振動磁場（図示せず）が生成されるように、共鳴回路に電力供給する。共鳴回路からの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は電流計６により検出される。導体（図示せず）との電磁気学的干渉のために共鳴回路によりもたらされる電力損失は、それぞれの信号の大きさの変化において反映される。信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３又はＳ４を検出することにより、共鳴回路による電力損失が決定される。電力損失の絶対値と信号Ｓとの間の関係が既知の場合、調べられているボリュームの導電性特性を決定することができる。一定の電力負荷を確実にするように、共鳴回路は、フィードバックループ１０により好適に可能にされる。フィードバックループは、共鳴回路の振幅を制御する電圧が共鳴回路によりもたらされるＲＦ電力に比例するように、好適に備えられる。共鳴回路は、絶縁性繊維担体に好適に一体化されている。好適には、コイル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを構成する導体は、繊維２のスレッドと織り合わされている。更に好適には、センサ要素及び更なるセンサ要素はフレキシブルな材料を有する。適切なフレキシブルな材料の例はポリイミド（“Ｆｌｅｘｆｏｉｌ”）基板である。フレキシブル材料の多様な有効な実施形態が考えられることに留意する必要があり、それ故、本発明の実施例は、本発明の範囲を限定するとみなされるべきではない。アレイ構成の有利点は、そのアレイ構成が容易に拡張されることが可能であることである。

図２ｂは、本発明にしたがったセンサ要素のマトリクスアレイの実施形態を模式的に示している。この特定の実施例においては、そのマトリクス２０は正方形配列を有するが、Ｘ掛けるＹのマトリクス構成を有することがまた可能である、又は何れかの不規則なセンサ要素２２の配列が可能である。好適には、タイプ２２のコイルを有するセンサ要素が、ＳＭＤ（表面実装デバイス）平行コンデンサ２４に接続されている。好適には、ＳＭＤコンデンサ２４の各々は僅かに異なり、そのことは、図２ｂにおける各々のシンボルのサイズを変えることにより表されている。上記のように、異なる共鳴周波数は、単独の手段として、又は可変ＳＭＤコンデンサに付加して、コイル２２について異なる接続トラックを用いることにより達成される。

図３は、センサ手段が衣類に一体化された、本発明にしたがった装置４０のシステムの実施形態を模式的に示している。最も単純な実施形態においては、Ｔシャツが、共鳴回路３２と一体化された絶縁性繊維担体として用いられる。ここで、共鳴回路３２は、図１を参照して説明している全てのユニットを有する。代替の実施形態においては、デザインされた測定システムは、インピーダンス測定のための複数の構成を有することが可能である。

図４は、本発明にしたがった装置の更なる実施形態を模式的に示し、前記装置は、センサ手段４２が実装されている固定ユニット４１を有する。この実施形態においては、ベッド４１が人間（図示せず）を収容するように用いられている。ベッドシート４３は、図２ａを参照して説明しているような複数の検知手段４２を備えている。

図５は、本発明にしたがったバイタルサイン測定システムの実施形態を模式的に示している。バイタルサイン側的システム５０は、図２ａを参照して説明している、インピーダンス測定を実行することによりユーザの生理的状態をモニタするように備えられているセンサ手段５１を有する。センサ手段５１は、例えば、呼吸活動、呼吸の深さ、心拍、心臓ボリュームの変化、血糖値、肺水腫、末梢組織における水腫、組織の脂肪又は水含有量等の目的の生理的状態の信号特性を取り上げるようにユーザの体に近接して備えられる、適切な複数の共鳴回路５１を有する。更に、センサ手段５１は、例えば、同じユーザの健全な組織からの参照信号をモニタするように備えられている更なるセンサ手段５２を有することが可能である。センサ手段５１は、好適には、ユーザの生理的状態の連続的モニタリングを実行するように備えられ、システム５０の前端エレクトロニクス６０に対応する信号を供給するように、更に備えられている。センサ手段５１及び前端エレクトロニクス６０は、ユーザの体に、好適には、胸部領域に身につけられる。代替として、センサ手段５１は、家具、ベッドシート、安全ベルト、自動車のシート等に一体化されることが可能である。装着可能な装置のための適切な繊維担体の実施例自体は、当該技術分野において認識されている。前端エレクトロニクス６０は、共鳴回路５１ａからの信号を解析するように備えられている。そのために、前端エレクトロニクス６０は、プリアンプ６１、アナログ処理回路６２、ＡＤＣユニット６３、検出手段６５及びマイクロプロセッサ６４を有する。前端エレクトロニクス６０は、適切な警告手段６６及び送信手段６７を更に有することが可能である。信号検出手段６５は、センサ信号解釈ユニット６５ａ及び特徴抽出手段６５ｂを有する。システム６０は、次のように動作する、即ち、センサ手段５１は生データを取得し、その生データは前端エレクトロニクス６０に供給される。前端エレクトロニクス６０は、センサ手段からの信号を受け入れるための手段を備え、アナログ処理回路６２により適切なアナログ処理を実行する。処理された生データは、ＡＤＣ６３によりディジタルフォーマットに変換され、検出手段６５にマイクロプロセッサ６４により転送され、その検出手段において、ユーザの状態が解析される。検出手段６５は、信号特性における特徴、例えば、ユーザの異常な生理的状態を示す特徴を導き出すように備えられているセンサ信号解釈ユニット６５ａを有する。心臓のアプリケーションについては、例えば、前記特徴は、信号の振幅であることが可能である。検出手段６５が異常な状態を検出する場合、信号は、警告を発するように警告手段６６に送られ、その信号は、例えば、ユーザ、又は傍観者、又は特別の医療関係者に警告するように、送信手段６７により、例えば、ＲＦリンクにより送信される。

直列に接続されたセンサアレイの測定されたインピーダンススペクトルの結果を模式的に示す図である。 本発明にしたがったセンサアレイの実施形態を模式的に示す図である。 本発明にしたがったセンサ要素のマトリクスアレイの実施形態を模式的に示す図である。 共鳴回路がＳＭＤコンデンサを用いてデザインされている、本発明にしたがった装置の実施形態を模式的に示す図である。 磁気手段が衣類に一体化されている、本発明にしたがったモニタリングのためのシステムの実施形態を模式的に示す図である。 前記システムが更なる検知手段を有する、本発明にしたがったモニタリングのためのシステムの実施形態を模式的に示す図である。

Claims (9)

1. 外部物質のインピーダンス測定を可能にするためのセンサ要素を有する電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記電磁気学的インピーダンス測定装置は前記物質の空間分解インピーダンス測定を可能にするための更なるセンサ要素を更に有し、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は異なる共鳴周波数において動作するそれぞれの共鳴回路の一部として備えられている、電磁気学的インピーダンス測定装置。
2. 請求項１に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は、センサ要素のアレイ又はマトリクスを構成している、電磁気学的インピーダンス測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は、それぞれの容量要素と協働するそれぞれのセンサコイルを有し、前記それぞれの共鳴周波数は前記それぞれの容量要素の所定値により決定される、電磁気学的インピーダンス測定装置。
4. 請求項１又は２に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は、それぞれの容量要素と協働するそれぞれのセンサコイルを有し、前記それぞれの共鳴周波数は前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素の接続トラックのそれぞれの長さにより決定される、電磁気学的インピーダンス測定装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は固定ユニットに備えられている、電磁気学的インピーダンス測定装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は着用可能な要素に備えられている、電磁気学的インピーダンス測定装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素はフレキシブルな物質を有する、電磁気学的インピーダンス測定装置。
8. 個人のバイタルサインを表す信号を測定するように備えられているバイタルサイン測定システムであって、請求項１乃至７の何れか一項に記載の電磁気学的インピーダンス測定装置を有する、バイタルサイン測定システム。
9. 外部物質のインピーダンス測定を可能にする方法であって：
   前記外部物質の空間分解インピーダンス測定を可能にするためのセンサ要素及び前記更なるセンサ要素を有する装置を備える段階であって、前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素は異なる共鳴周波数において動作するそれぞれの共鳴回路の一部として備えられている、段階；
   前記外部物質に近接して前記装置を位置付ける段階；
   前記センサ要素及び前記更なるセンサ要素に交番電磁フィールドを印加する段階；並びに
   前記共鳴回路のそれぞれの品質係数の変動を表す信号を検出する段階；
   を有する方法。

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