JP2013544108A - ネットワーク化装着可能医用センサーのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

医用センサーシステムには、広帯域受信器と狭帯域送信器を含むゲートウェイが含まれ、各ゲートウェイは、１つまたはそれ以上の装着可能センサーから、広帯域受信器を用いて、広帯域位置調整フレームを受信するため、および位置調整フレームの送信のためのタイミングを確立するために、センサーによる利用のためのタイミングおよび制御データを含む狭帯域送信器を用いて、確認応答フレームを送信するために配置され、少なくとも１つの装着可能センサーは、広帯域送信器と狭帯域受信器を含み、前記センサーは、広帯域送信器を用いてゲートウェイにセンサーデータを送信するため、および狭帯域受信器を用いて、ゲートウェイから確認応答フレームを受信し、フレームからタイミングおよび制御情報を抽出し、およびタイミングおよび制御情報を用いて、タイミングと広帯域送信器の同期を調節するために配置される。
【選択図】図５

Description

本明細書で記述する実施形態は、ワイヤレス通信、とりわけ、多数の生体兆候を関知し、体内でイメージングを提供可能である医用センサーのためのシステムおよび方法に関する。

健康および医用適用におけるリモートモニタリングがよりいっそう一般的になってきており、米国および他の諸国における保健医療費曲線を逆進させるための鍵を握っている可能性がある。リモートモニタリング、ｍ−ヘルス、ワイヤレスヘルスなどの適用がまた、治療の改善およびよりよい予防治療を導きうる。適正なリモートモニタリングが、保障されない病院、緊急処置室、医師のオフィスなどへの訪問を防止し、患者に病院へ滞在する代わりに、自宅に留まることを許容する多数の状態、事象、状況などが存在する。

たとえば、胎児モニタリングシステムによって、幼児の心拍数と母体の陣痛が特定の状態でモニタされる間、本当は必要でない時に、そのようなモニタリングのために病院に行かなければならないのではなく、妊娠母体が家に残ることが可能である。患者を、手術後の退院、または狭心症、脳障害または脳卒中のような外傷性事象の後よりよくモニタ可能である。したがって、必要でない病院への再入院または訪問を防止すること、およびまた病院または医師のオフィスへの訪問が必要である状態または性状を同定する。

マイクロパワーインパルスレーダー（Ｍｉｃｏｒｐｏｗｅｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ）システムがまた、低出力、低コストセンサーおよびイメージングデバイスを可能にするように開発されてきた。従来のレーダーは、マイクロ波周波数帯域での単一周波数（狭帯域）電磁気エネルギーの短いバーストを放射する。他のレーダーは、シーンに関するさらなる情報を得るために、多重（広帯域）周波数をステップスルーする。ＭＩＲのようなインパルス、または超広帯域レーダーは、非常に広い帯域の周波数にわたるエネルギーを含む個々のパルスを送信する。パルスが短ければ短いほど、帯域は広くなり、それによって反射対象に関するより多くの情報さえ産出される。パルスが非常に短いので、信号を産出するために、非常にわずかな出力しか必要とされない。ＭＩＲは、それほど高額でなく産出され、非常に速い（ナノ秒以下）パルスを検出するので、比類ないものである。短く、低出力のパルスを使用する欠点は、ほとんどのエネルギーがレーダー返信において測定できないことである。この問題は、多くのパルスを迅速に送信し、すべての返信を平均化することによって解決可能である。

非常に短いレーダーインパルスを産出し、検出する利点は注目に値する。
・対象エコーが多くの情報を返信する。短いパルスにて、システムが、広域の周波数にわたり動作し、高い解析度と精度を提供する。システムはまた、他のレーダーからの干渉を受けにくい。
・バッテリー電流が、システムがパルスされた短時間の間のみ流れ、したがって出力要求が非常に低い（マイクロアンペア）。ＭＩＲの従来のユニットの１つの型は、２ＡＡバッテリーにて数年間動作する。
・パルス送信に関連したマイクロ波出力が非常に低く（平均１０マイクロワット）、医学的に安全である。ＭＩＲは携帯電話の出力の１００万分の１以下の放射である。

図１は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓによって開発された、代表的な、従来のＭＩＲ回路を図解しているダイアグラムである。図１の回路は、ＭＩＲモーションセンサー中で使用可能である。ＭＩＲモーションセンサー内で、送信アンテナが、約０．２ナノ秒の長さであるパルスを放射する。標的からの反射が、受信アンテナへの複雑な連続エコーを返送する。返送信号を、平均化回路および増幅器と一緒に、電圧サンプラーを含むインパルス受信器によって、一帯域ゲート時間にてサンプリングする。検出器は、エコーに対して適切な時間で聞き入れる。ＭＩＲから約３ｍの対象に対して、送信後２０ナノ秒にてサンプリングしたゲートがただ捕獲する。

空気中での従来のシステムにおけるＭＩＲ信号の波長が現在約１５ｃｍであるので、約１５ｃｍまたはそれより大きな距離にて、おおよそその大きさまたはそれより大きなものを簡単に検出可能である。送信パルスの変形した、低振幅反射が、光がＭＩＲから対象への移動または元に戻るためのかかる時間で、受信アンテナによって受信される。

図１にて図解したＭＩＲモーションセンサーの操作原理は、帯域ゲーティングの比較的直接的な原理に基づく。反射信号を探すことにおいて、ＭＩＲが、帯域ゲートと呼ばれる、各送信パルスの後に、狭い時間ウインドウにて発生している信号のみをサンプリングする。本発明者らが、空間中の帯域に相当する各送信パルスの後の遅延時間を選択する場合、ついで本発明者らは、その遅延後に受信「ゲート」を開き、一瞬の後に、それを閉じることが可能である。この方法で、本発明者らは望まない信号を受信することを回避する。

ＭＩＲ受信機は、図２Ａにて示したように、送信パルスあたり、１つの遅延時間または帯域ゲートのみを測定する非常に速いサンプラーを持つ。事実、回路を、本発明者らのデバイスの他の固有の特徴である、この帯域ゲート測定のための、送信パルス発生器と同様に使用可能である。デバイスから標的への固定された距離に相当する、小さな帯域ゲート内のそれらの反射パルスのみが測定される。ゲート幅（サンプリング時間）はいつも、パルスの長さに基づいて固定されるが、検出感度であるので、遅延時間（帯域）は調整可能である。平均数千のパルスが、単一の測定のための、信号対ノイズ比を改善し、すなわちノイズが減少し、感度を増加させる」。平均化信号上の選択された閾値が、任意のモーションを感知し、アラームのようなスイッチを作動させることができる。

パルス間の時間量が、無作為に２ＭＨｚ周辺で変化するように、ノイズ源を意図的に、図１中の回路のタイミングに加える。パルス反復率を無作為化すること、およびそのような無作為時間にて、数千の試料を平均化するために３つの理由がある。第一に、ラジオおよびＴＶ局調和からの干渉が、偽りのアラームを引き起こしうるが、無作為化によって、干渉が効果的にゼロに平均化される。第二に、多重ＭＩＲユニットが、各ユニットの操作が無作為にコード化され、固有である場合、互いに干渉することなしに、周辺で活性化可能である。各ユニットは、発信ＭＩＲによってのみ、認識可能なパターンを作成する。第三に、無作為化は、センサーの放射スペクトルを広げ、それによってＭＩＲが、他のセンサーにとって検出が難しい、バックグラウンドノイズに似た信号を出す。ＭＩＲセンサーからの放射は、従来のラジオ周波数受信機およびたった３ｍ離れたアンテナによって、実質的に検出不可能である。言い換えれば、無作為化は、ＭＩＲを密か（ｓｔｅａｌｔｈｙ）する。

本発明者らのＭＩＲ Ｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒのようなより高機能なＭＩＲセンサーは、多くの帯域ゲートを通して繰り返す。図２Ｂにて示したように、遅延時間は、レーザー情報の連続トレースにて、検出バブル中で効果的に充たすために、各受信されたパルス（約４０掃引／秒）でゆっくりと掃引されるか、変化する。本質的には、本発明者らは、異なる時間、したがってデバイスから離れた、異なる距離にてサンプリングする。結果は、対象距離に関連づけ可能なすべての返信パルスの「等価時間」記録である。等価時間エコーパターンは、１０６まで遅延した時間スケール上で発生する場合を除いて、本来の「リアルタイム」パターンに正確に一致する。

図２Ａを参照して、ＭＩＲによって送信されたインパルスに続いて、帯域ゲートが、試料に対して、固定した遅延時間直後に開き、受信したレーダーが反響する。図３Ｂにおいて、より高機能な適用に対して、より完全な返信記録を得るために、本発明者らは異なる距離での標的情報を得るために、種々の遅延時間にわたって、帯域遅延を掃引することを見ることが可能である。レーダー信号がついで、対象距離に関連可能なレーダー返信の「等価時間」記録を得るために、約１００万の因子まで減速した。

従来のＭＩＲ技術が発展したので、特徴の固有の組み合わせとなった。特定の仕様−信号強度、操作帯域、および方向性が、システムの型と、その意図する目的に依存して変化可能であるが、以下の特徴が、ほとんどの従来のユニットに対して共通である。
・既製ユニットを用いることで、低コスト
・非常に小さなサイズ（回路版は約４ｃｍ２）
・非常に低伝導度物質を通る優秀な信号浸透、したがって壁、コンクリートおよびヒト組織を含む他のバリア「を通して見る」ことが可能
・はっきりと定義され、調節可能な操作範囲で、誤りのアラームを減少させる
・マイクロパワー操作のために、バッテリー長寿命、典型的には数年
・干渉なしの、多くのユニットの同時操作
・無作為化放射、センサーが検出するのを難しくする

ＬＬＮＬでの現在のＭＩＲプロトタイプユニットは、低コストの、別々の成分で作られている。計画において、ステージは、ほとんどの別々の部分を置換し、結果としてより低コストでより小さな大きさとなる、単一のチップ−特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）である。１つの制限は、物質を通したＭＩＲ信号の浸透が、物質の電気伝導度が増加するので、減少することである。したがって、ＭＩＲ技術は、モーション検出または近接、距離測定、マイクロ波イメージ形成、または通信のための、多くの可能性のある低コストセンサーシステムを開拓する。例えば、いくつかの場合、パッシブ赤外線方式（熱センサー）、アクティブ光線遮断赤外線方式、超音波、地震探索およびマイクロ波ドップラーデバイスのような、多くの種類の従来の近位およびモーションセンサーに対して利点を持つ。

多くのこれらのセンサーは、温度、天気および他の環境状態によって悪影響を受け、誤りのアラームを産出する傾向にある。パッシブ赤外線方式センサーは、光および熱によって指導可能であり、それらの検出帯域は、よく定義されていない。薄い紙シートでさえ、赤外線および超音波信号両方をブロックする。同様に、超音波モーションおよびドップラーマイクロ波センサーは、いくつかのユニットが共配置される場合、互いに干渉する。帯域ゲートなしに、これらのセンサーは、近くの昆虫と同様に簡単に距離対象上で指導可能である。また、限定された物質浸透度、検出可能放射および高額な成分を持ちうる。ＭＩＲ技術は、これらのデバイスに対して、魅力的な代案を提供する。

さらに、従来のＭＩＲの平均放射レベルは、マイクロ波に対する連続ヒト曝露に関するもっとも国際的な標準よりも、約マイクロワット〜約３桁の程度低い。したがって、ＭＩＲは、医学的に安全性に問題のない診断ツールである。このことは、コンピュータ、デジタル時計、ＦＭラジオ、またはテレビと干渉することなしに、ヒト生体兆候を、センサーが遠隔測定することを可能にする。

例えば、ＭＩＲ心臓モニタは、心電図（ＥＫＧ）で測定した電気的インパルス（刺激）よりも、筋収縮（心臓の応答）を測定可能である。図３は、標準ＥＫＧから得たものと比較した、プロトタイプ心臓モニタの出力波形を示している。ＭＩＲ出力は複雑であり、詳細情報が豊富である。医療モニタのように、単一チップ内に構築された非常に小さなＭＩＲユニットが、聴診器の代用となりうる。

ポータブルデバイスがついで、衣類内で身につけられるように提供可能であり、それによって個々の生体兆候が、離れた場所から、医療オフィスまたは病院に中継可能である。

ＭＩＲに基づく呼吸モニタもまた開発可能であり、患者の体に接触する必要がない、図４での出力波形を参照のこと。むしろ、そのようなモニタは、マットレス、壁または他のバリアを通して動作可能である。呼吸モーションの検出は、病院および自宅で価値のあるものであり、乳幼児突然死症候群に対して保護可能であり、煩っている個体が時折呼吸を停止する、睡眠時無呼吸のような呼吸障害を煩っている人々によって使用されうる。

ＭＩＲ技術の利点を利用可能なさらなる可能性のある医療デバイスには、発話検出デバイスおよびポリグラフセンサーが含まれる。盲目に対するデバイスは、障害物および地形の変化を警告し、杖を用いることにおいて個々の訓練を助ける。

従来のＭＩＲ技術の１つの問題は、まだ高出力すぎて、広範囲の遠隔医用モニタリング適用を実際可能にしないことである。多くの例において、遠隔センサーは非常に小さく、非常に軽く、非常に低コストで、おそらく投げ捨てデバイスでありうる。さらに、現在、ＭＩＲ医用およびイメージングセンサーデータを、温度のような他の生体信号データと統合するシステムは存在しない。

低出力、低コスト、投げ捨て、統合医用センサーシステムが本明細書で記述される。

１つの様態にしたがって、医用センサーシステムには、広帯域受信機と狭帯域送信機を含むゲートウェイが含まれ、各ゲートウェイは、１つまたはそれ以上の装着可能センサーから広帯域受信器を用いて広帯域位置フレームを受信するため、および位置フレームの送信のためのタイミングを確立するために、センサーによる利用のための、タイミングおよび制御データを含む狭帯域送信機を用いて、確認応答フレームを送信するために配置され、少なくとも１つの装着可能センサーが広帯域送信機および狭帯域受信機を含み、センサーが、広帯域発信器を用いて、ゲートウェイにセンサーデータフレームを送信するため、および狭帯域受信機を用いてゲートウェイより確認応答フレームを受信し、フレームからタイミングおよび制御情報を抽出し、タイミングと制御情報を用いて広帯域発信器の同期を調節するために配置される。

これらの、そして他の特徴、様態および実施形態が、以下「発明を実施するための形態」の項目にて記述される。

特徴、様態および実施形態が、添付される図面に関連して記述される。

従来のＭＩＲ回路を図解しているダイアグラムである。 図１のシステム中の、代表的送信パルスと、受信されたエコーを図解しているダイアグラムである。 図１のシステム中で実行される代表的掃引帯域遅延を図解しているダイアグラムである。 ＭＩＲ熱モニタとＥＫＧの波形間の比較を図解しているダイアグラムである。 ＭＩＲ呼吸モニタの波形を図解しているダイアグラムである。 １つの実施形態にしたがった、代表的ワイヤレスセンサーシステムを図解しているダイアグラムである。 １つの実施形態にしたがった、図５のシステム中に含まれうる代表的ゲートウェイを図解しているブロックダイアグラムである。 図５のシステム中に含まれうる代表的装着可能センサーを図解しているブロックダイアグラムである。 代表的装着可能センサーを図解しているダイアグラムである。 代表的装着可能センサーを図解しているダイアグラムである。 図５のシステム中に含まれうる代表的装着可能センサーを図解しているブロックダイアグラムである。 図５のシステム中に含まれうる代表的ゲートウェイを図解しているブロックダイアグラムである。 ＵＷＢ、狭帯および拡散スペクトルシステムの帯域幅および周波数を示しているダイアグラムである。 どのようにＵＷＢ物理的層がスペクトルを分離するかを図解しているダイアグラムである。 ＵＷＢシステムの代表的スーパーフレームを図解しているダイアグラムである。 図５のシステム中に含まれうる代表的装着可能ＵＷＢ ＭＩＲデバイスを図解している。 図５のシステム中に含まれうる代表的装着可能ＵＷＢ ＭＩＲデバイスを図解している。 図５のシステム中に含まれうる代表的装着可能ＵＷＢ ＭＩＲデバイスを図解している。 図１５Ａ〜Ｃのデバイスを用いて体内に送信された信号の伝搬およびエコーを図解しているダイアグラムである。 １つの実施形態にしたがった、代表的ＵＷＢ ＭＩＲデバイスを図解しているブロックダイアグラムである。 胎児モニタリングを実施するための、図１５Ｃのデバイスの利用を図解しているダイアグラムである。

本明細書で記述した実施形態は、小さく、安価、使い捨て、長持ちする装着可能医用センサーを含むワイヤレスシステムセンサーアーキテクチャーと、また小さく、安価、使い捨て、長持ちするＭＩＲ型イメージングセンサーに関する。

図５は、１つの実施形態にしたがった、代表的ワイヤレスセンサーシステム５００を図解しているダイアグラムである。システム５００には、ボディエリアネットワークを含みうる多数の装着可能センサー５０４と通信するように配置されるセンサーゲートウェイが含まれる。システム５００にはまた、本体ハブ５０６が含まれ、これは、センサー５０４からの情報を統合し、ついでゲートウェイ５０２へ情報を通信するように配置可能である。ゲートウェイ５０２は、１つまたはそれ以上の臨床オフィス５１２、データセンター５１４、またはゲートウェイ５１８へ、直接、またはモバイルデバイス５０８のような通信デバイスを通してのいずれかで情報を通信するように配置可能である。特定の実施形態において、ハブ５０６はまた、モバイルデバイス５０８と情報を通信可能である。

モバイルデバイス５０８には、ＰＤＡ、タブレット、スマートフォン、ラップトップなどが含まれる。また、示してはいないが、センサー５０４からの情報はまた、医者、病院、介護士、家族、支払人などと通信可能である。また、示してはいないが、システム５００には、以下で記述したような、ＭＩＲ型イメージングデバイスが含まれうる。

センサー５０４は、長期間バッテリー寿命を持つ、低コスト、計量、装着可能センサーであってよい。したがって、そのようなセンサーの一群は、個人が装着可能であり、データが、例えばハブ５０６、ゲートウェイ５０２または両方によって集められ、ついで必要に応じて通信される。通信、データ抽出、および他の技術を使用することによって、デバイスを非常に小さく作製することが可能である。これらの技術のいくつかが、以下でより詳細に記述される。

図６は、１つの実施形態にしたがった、代表的センサーゲートウェイ５０２を図解しているブロックダイアグラムである。ゲートウェイ５０２には、アプリケーション次元６０２と、通信システム次元６０４が含まれうる。通信システム次元６０４には、通信コントローラー６０６、アプリケーション次元６０２との通信のためのＩ／Ｏ６１６、特定の実施形態においてディスプレイ出力６０８、および通信インターフェース６１０〜６１２を含む、基礎コア６０５が含まれうる。

通信インターフェース６１０〜６１２によって、ゲートウェイ５０２が、センサー５０４、ハブ５０６、モバイルデバイス５０８、およびネットワーク５１６と通信可能である。したがって、例えば、通信インターフェース６１０には、センサー５０４と、特定の実施形態において、ハブ５０６との通信のための、ワイヤレスボディエリアネットワーク（ＷＢＡＮ）通信インターフェース６１０、モバイルデバイス５０８、および特定の実施形態においてハブ５０６との通信のための、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）通信インターフェース６１２、およびネットワーク５１６との通信のための、ワイヤレスワイドエリアネットワーク（ＷＷＡＮ）通信インターフェース６１４が含まれうる。

通信インターフェース６１０〜６１４は、トランシーバー回路およびアンテナデバイスおよび、これらの通信インターフェースを介して、種々のデバイスと通信するために必要な回路を意味して良く、そのいくつかを以下で記述する。

特定の実施形態において、ＷＢＡＮ通信インターフェースには実際に、広帯域受信機と狭帯域送信機が含まれて良く、通常ＷＬＡＮ通信インターフェースと関連する。他の実施形態において、ＷＢＡＮ通信インターフェース６１０には、広帯域受信機が含まれて良く、また狭帯域送信機の利用が、ＷＬＡＮ通信インターフェース６１２中に含めることが可能である。

図７は、１つの実施形態にしたがった、代表的装着可能センサー５０４を図解しているブロックダイアグラムである。見ることができるように、センサー５０４は実際に、１つまたはそれ以上のセンサー７０６を含んでよい。典型的に、これらのセンサーは、感知された、例えば心拍数、呼吸数、体温、パルス酸素濃度、血圧、心電図、羊水レベルなどのような生体兆候に関連したアナログ出力を産出するいくつかの型の変換器でありうる。アナログ−デジタル変換器７０８がついで、アナログ信号を、通信コントローラー７１２の制御のもと、ＷＢＡＮ通信インターフェース７１０を介してゲートウェイ５０２またはハブ５０６に送信されうるデジタル信号に変換する。

図８および９は、代表的な装着可能センサー５０４を図解しているダイアグラムである。図８において、装着可能センサーは、温度センサーであり、通常の絆創膏の形状である。センサーには、ガーゼ層８０４、アンテナ回路層８０６、薄バッテリー層８０８、および温度センサー層８１０が含まれる。特定の実施形態において、アンテナ層８０６およびバッテリー層８０８がプリントされた層であってよく、すなわちアンテナとバッテリーは両方プリント可能である。センサーにはまた、より低品質水晶圧電素子が含まれて良く、そのすべてがコストと大きさを下げる。しかしながら、以下に記述する技術を用いて、相対的に大きなバッテリー寿命を達成可能である。

特定の実施形態において、アンテナ層８０６、薄バッテリー層８０８、およびセンサー層８１０、またはそれらの組み合わせが、同一の層内にすべて含めることが可能である。

図９において、小さな、装着可能温度センサーに、基層９０３上のマイクロセンサー９０２、バッテリー９０４、電子機器９０６、アンテナ９０８および接着層９１０が含まれる。再び、アンテナ９０８と、いくつかのまたはすべての電子機器９０６がプリント可能である。

非常に小さく、プリント可能でさえあるバッテリーが、図８および９の代表的温度センサー中で使用されていることを見ることが可能であるが、しかし、センサーを連続モニタリングのために配置可能であるけれども、長期バッテリー寿命が達成可能である。これを達成する１つの方法は、例えばデータをゲートウェイ５０２に、またはおそらくハブ５０６に通信するために、ＷＢＡＮ通信インターフェース７１０中の広帯域ＵＷＢ送信機を使用することである。事実、通信インターフェース７１０は非常に低出力、すなわち−１０ｄｂ以下であるので、送信距離は短い。このことは、ハブ５０６の利用を必要とする。

理解されるであろうように、スーパーフレームが一般的に、低品質水晶圧電素子では提供が難しい、相対的に正確なタイミングを要求するＵＷＢ通信のために使用されるが、しかしゲートウェイ５０２またはハブ５０６は、センサー５０４へのタイミングおよび他の制御情報を送信するために、狭帯域送信機を使用可能である。これは、ＷＢＡＮインターフェース７１０がまた、狭帯域制御信号を受信するために、狭帯域受信機を含む必要もあることを意味する。

ゲートウェイ５０２が、例えば建物または部屋内で固定可能であるので、電力は一般的に問題にはならず、したがって、ゲートウェイは、非常に高い出力、例えば１Ｗまでを送信可能である。さらに、受信機には、センサー５０４からの広帯域送信を受信するために配置された広帯域受信機である、ＷＢＡＮインターフェース６１０が含まれ、センサー５０４から送信された非常に低い出力信号をより簡単に検出し、デコード可能であるように、高い出力を提供することが可能である。

ゲートウェイ５０２中の高い出力、狭帯域送信機を、センサーそれら自身が、高い正確な水晶圧電素子を必要としないように、センサー５０４へタイミングおよび同期情報を送信するために使用可能である。したがって、バッテリーまたはセンサー５０４を置き換える必要なしに、長持ちする、非常に低出力、低コスト、小デバイスでありうる。事実、言及したように、プリントバッテリーさえも、特定の実施にて使用可能である。

図１０は、より詳細に、他の実施形態にしたがった、代表的センサー５０４を図解しているブロッキングダイアグラムである。センサー５０４には、広帯域信号を送信し、狭帯域信号を受信するために配置されたアンテナ３０２が含まれてよい。特定の実施形態において、センサー５０４は２つのアンテナを含んで良く、１つは受信のため、１つは送信のためである。しかしながら、非常に正確なタイミングを使用可能であるので、センサー５０４は、同時に送信および受信する必要は無い。したがって、単一のアンテナを使用可能であり、複雑さ、大きさ、コストなどが減少する。

アンテナ３０２がついで、広帯域送信機３０４と狭帯域受信機３０６と連動する。送信機３０４が、送信のために必要な電子回路を含んでよいことが理解されるであろう。例えば、送信機３０４には、特定の送信デザインのために必要な、フィルター、パルス成形機、調節器、増幅器、デジタル−アナログ変換器などが含まれてよい。もちろん、送信機３０４は、非常に低出力の送信機であり、したがって、高出力増幅器は必要ない。さらに、低出力、総デジタル超広帯域送信機デザインが存在する。同様に、受信機３０６には、ゲートウェイ５０２からの狭帯域通信を受信するために必要なすべての回路が含まれてよい。

送信機３０４と受信機３０６は、センサー５０４の操作を制御し、受信機３０６によって受信された信号上に含まれる情報をデコードし、送信機３０４を用いて送信されるべき情報を産出するために配置可能である、プロセッサーまたはマイクロコントローラー３０８と連動可能である。プロセッサー３０８は、プロセッサー３０８に対する命令、および識別子、センサーデータなどのようなデータを保存可能なメモリ３１０と連動する。多くの適用において、非常に限られた量のデータが通信され、したがってメモリの必要性が限定される。

水晶圧電素子３１４がまた、プロセッサー３０８のタイミングを制御するために含まれてよい。以上で言及したように、本明細書で記述したシステムおよび方法の結果として、水晶圧電素子３１４は非常に安価で、低出力水晶圧電素子でありうる。

ゲートウェイ５０２が非常に高出力で送信可能であり、それによってセンサー５０４の、受信し、受信した狭帯域信号を効果的にデコードする能力を補助可能であるので、センサー５０４が、受信機にて多くの出力を必要としないことも留意されるべきである。

さらに、動力源３１２が含まれて良く、センサー５０４中に含まれる成分に動力を供給するように配置可能である。動力源３１２はしばしばバッテリーであるが、センサー５０４が送信のために非常に低い出力を使用するので、動力源３１２は、比較的長い寿命を提供するために、大きな容量を持つ必要はない。事実、特定の実施形態において、動力源３１２は、プリントバッテリーでありうる。

アンテナ３０２がまたプリント可能であることも留意されるべきである。一般に、センサー５０４は、図８および９で図解したように、ステッカーまたは絆創膏として構築可能であり、それらに含まれてよい。たしかに、プリントバッテリーを使用することが可能であることによって、センサー５０４のポテンシャル層と総サイズの減少が可能となる。

図１１０は、他の実施形態にしたがった代表的ゲートウェイ５０２を図解しているブロックダイアグラムである。見ることができるように、ゲートウェイ５０２のダイアグラムは、センサー５０４のものと非常に似ているが、しかしゲートウェイ５０２には、センサー５０４内に含まれる狭帯域受信機３０６と通信するように配置される狭帯域送信機４０４と、センサー５０４を含む無広帯域送信機３０４から信号を受信するように配置された広帯域受信機４０６が含まれる。再び、ゲートウェイ５０２には、単一アンテナ４０２または二重アンテナが含まれてよい。事実、ゲートウェイ５０２は資源に制約がないので、別々の送信および受信アンテナを含むことが実施可能であり、好ましい可能性がある。

プロセッサー４０８とメモリ４１０両方が、センサー５０４中に含まれる相当するプロセッサー３０８とメモリ３１０よりも大きく、より強力でありうる。

ゲートウェイ５０２にはまた、建物または筐体出力システムのような、外部供給源から動力を提供可能な、電源入力が含まれうる。電源入力ブロック４１４には、出力変換、調節、過剰電圧保護などのような、いくつかの、またはすべての必要な出力回路が含まれてよい。出力がゲートウェイ５０１に対する懸念ではないので、電源入力４１４を、送信機４０４および受信機４０６両方に、高出力レベルを提供するように配置可能である。このことによって、非常に低出力受信機を持つにもかかわらず、低出力センサー５０４がまだ効果的に送信信号を受信するように、送信機４０４が、明らかに高出力で送信することを可能にする。同様に、受信機４０６は、非常に高い出力で提供可能であり、低出力送信機３０４から受信した非常に低い出力信号中に含まれる情報を受信し、検出することが可能となる。

当業者等は、記述したようなセンサーおよびゲートウェイを実施するために必要な基礎的技術およびデザイン、そしてとりわけ、必要な受信機および送信機回路を理解するであろう。とはいえ、最適な性能のために必要な特定のコードおよびデコードアルゴリズム、調節技術などは必ずしも容易ではない。

したがって、システムは、デュアルバンドシステム、すなわち下り回線で、より高出力な狭帯域システム、上り回線で低出力広帯域システムでありうる。したがって、例えば２．４ＧＨｚ 産業科学医療用（ＩＳＭ）バンドにて、狭帯域通信システム／プロトコールを下り回線部分のために選択可能である。超広帯域（ＵＷＢ）を上り回線のために選択可能である。図１２は、ＵＷＢ、狭帯域および拡散スペクトルシステムの帯域幅と周波数帯域を示しているダイアグラムである。見ることができるように、ＵＷＢ信号には、例えば狭帯域信号と比較して、非常に広い帯域と非常に低出力が含まれる。

したがって、特定の実施形態において、センサー５０４には、ＵＷＢ送信機３０４と狭帯域ＩＳＭ受信機３０６を含む、低出力低コストデバイスが含まれて良く、ゲートウェイ５０２には、ＵＷＢ受信機４０６と、狭帯域ＩＳＭ送信機４０４が含まれてよい。ＵＷＢ周波数バンドは、非常に広帯域であり、センサーデーターを提供するために使用され、一方で狭帯域スペクトルは、制御およびデータ通信のために使用される。ゲートウェイ１０２は、バックボーンネットワークに連結し、非常に同期する。これにより、ゲートウェイ１０２が、センサー５０４にタイミングを提供可能であり、それによってセンサー５０４は、高コストの正確な水晶圧電素子を必要としない。

ＵＷＢ技術の種々の実施は、周波数バンドおよび信号特徴が異なる。ほとんどの共通のＵＷＢ技術は、ＷｉＭｅｄｉａ Ａｌｌｉａｎｃｅ推奨に基づいている。ＷｉＭｅｄｉａのＵＷＢ技術は、高速ワイヤレス接続のためのＩＳＯ−発行ラジオ標準である。ＵＷＢは、米国および多くの他の国々で、３．１〜１０．６ＧＨｚの周波数帯域内のバンドを用いる、高データスループットおよび低エネルギー消費の比類なき組み合わせを提案する。

物理的層上で、スペクトルが、１４バンドと６バンド群に分けられ、それぞれのバンド群は、図１３にて図解したように３バンドからなる。ＷｉＭｅｄｉａ標準はまた、１１０サブキャリア／チャネル、すなわち４．１２５ＭＨｚ帯域幅／サブキャリア、５２８ＭＨｚのチャネル帯域幅と、同一のチャネルが、８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎラジオのような、より狭い帯域デバイスと共存可能とする非常に低いブロードキャスト出力での、多帯域直交周波数分割多重化を詳細に述べている。ＵＷＢの非常に広い帯域幅は結果として、より高いデータスループットとなり、非常に低いＲＦ出力に連結する。ＵＷＢは典型的に、３０フィートまでの通信範囲を提案する。

ネットワークに対する基礎ＵＷＢタイミングはスーパーフレームである。スーパーフレームは、図１４中で図解したような、固定化期間時間スロットを含む、「ビーコン−期間」および「データ期間」からなる。ビーコンフレームは、すべてのセンサーの間の協業動作を確証するために、各ＵＷＢセンサー５０４によって送信される。ビーコンフレームは、メディアアクセスのための、スーパーフレーム開始時間のような基礎タイミング情報、ならびに、運搬予約およびスケジューリング情報を提供する。

特定の実施形態において、データ期間中のタイムスロットの間、センサー５０４が、ＵＷＢスペクトル中のセンサーデータフレームを送信可能である。例えば、センサー５０４は、そのセンサーデータフレームを放送可能であり、ゲートウェイ５０２によって傍受される。センサーデータフレームには、フレームが送られた時を示唆する時間スタンプが含まれうる。

言及したように、センサー５０４には、低コスト、低精度水晶圧電素子が含まれうる。したがって、水晶圧電素子はドリフトし、センサー５０４上のタイミングがオフとなる。しかしゲートウェイは、センサー５０４に対してスーパーフレームタイミング情報を送信可能であり、センサー５０４が、それらのタイミングをリセットし、任意のそのようなタイミング斜面またはドリフトを除外することを可能にする。

基礎プロトコールには、ＵＷＢスペクトルを用いる、それらのセンサーデータフレームを送信しているセンサー５０４と、狭帯域スペクトルを用いる、返信にて確認応答フレームを送信しているゲートウェイ１０２を含めることができる。確認応答フレームは、タイミングと、センサー５０４がそれらのタイミングをリセットすることを許容する、タイミングおよび他の情報を含むことが可能である。

センサーデータフレームには、少なくとも１つの予告とヘッダー、および実行に依存する任意のデータ部分が含まれてよい。フレームを、先に決定したＰＲＦ（パルス頻度周波数）にて、三変数調節、すなわち＋１、０および−１を用いて調節可能である。ヘッダーには、デバイスＩＤフィールド、おそらく時間スタンプが含まれてよく、ＣＲＣにてエンコードおよび保護可能である。予告には、同時発生フィールドと、開始フレームデリミターフィールドが含まれてよい。これらの２つのフィールドそれぞれには、共通の拡散配列を用いて拡散したデータが含まれてよい。共通の拡散配列は、ＩｐａｔｏｖおよびＪｕｓｔｅｓｅｎ三変数配列のような、良好な相関特性を持つ三変数配列からなり得る。異なるセンサー５０４が、共通の三変数配列、または実行に依存して異なる三変数配列を使用可能である。

出力のさらなる減少を、センサー５０４がセンサーデーターを送ろうと試みており、フレーム送信が終了した後に、送信機３０４をシャットダウンしているタイムスロットの間のみ、ＵＷＢ送信機３０４をオンにすることによって、センサー５０４にて達成可能である。ゲートウェイ５０２は、非常により大きな複雑さを持ち、典型的に異なる時間スロットの間、多重センサー５０４から送られたフレームを受信し、復調することができなければいけない。より発達したゲートウェイ５０２は、同タイムスロットにて送られたフレームをまた復調することが可能である。

特定の実施形態において、センサーデータフレームを送った後、センサー５０４は、先に決められた期間を待ち、その狭帯域受信機３０６のスイッチを入れ、１つまたはそれ以上のゲートウェイ１０２からの確認応答フレームを待つ。首尾よくフレームの受信を確認した後、確認応答フレームは、ゲートウェイ１０２によって送られた制御データおよび情報データを含んでよい。

センサー５０４が、当該タイムアウト期間内に確認応答を確認しない場合、センサー５０４は、無作為時間を待ち、異なるタイムスロットにて位置調整パケットの再送信を試みることが可能である。タイムスロット数は、例えば、指数バックオフを含む穴付きアロハプロトコールに基づいてよい。

言及したように、タイミングは、狭帯域スペクトル中のゲートウェイ５０２によって確立されたスーパーフレーム構造を用いて確立することが可能である。スーパーフレームは、２つの部分、ビーコン期間とタイムスロット期間に分けられる。ビーコン期間は、等しい大きさのタイムスロットに分けることが可能である。ビーコンタイムスロットの間、ゲートウェイ５０２は、スーパーフレームタイミングと、スーパーフレームの構造に関する情報を含むビーコンフレームを送信可能である。１つ以上のゲートウェイが存在する場合、異なるゲートウェイが、ビーコンの異なるタイムスロットを使用可能であり、互いに重複はしない。ビーコンフレームには、同様に、ＵＷＢスペクトル中のタイムスロット境界を設定する、ＵＷＢ時間軸の時間０を含んでよい。したがって、この情報を用いて、センサー５０４が正確なタイミングを維持可能である。さらに、位置調節フレームに対する応答にて、ゲートウェイ５０２によって送信された確認応答フレームが、タイムスロット狭帯域スーパーフレーム中のタイムスロットの境界と同調しているべきである。

特定の実施形態において、超広帯域（ＵＷＢ）ＭＩＲイメージングセンサーをまた、システム５００内に含めることが可能である。以下で記述する技術を用いて、これらのセンサーを、従来のＭＩＲセンサーと比べて、より小さく、より長持ちし、コストが少なく作製することが出来る。図１５Ａ〜Ｃは、本明細書で記述したような、ＵＷＢ ＭＩＲイメージングセンサーの種々の実施形態を図解している。図１５Ａにて、センサー１５０２が、およそ従来のアクセスカードの大きさであるデバイス内に含まれる。図１５Ｂにて、デバイス１５０４は、より大きなデバイス１５０２であるが、ディスプレイ１５０６とコントロール１５０８を含む。図１５Ｃにおいて、デバイス１５１０は、多くの寸法で、センサー１５０２よりも小さい。センサー１５０２、１５０４および１５１０は、服の上に身につけるように、そして心拍数、呼吸などのような種々の様態を感知するために配置される。

以上で説明したように、ＭＩＲデバイスは、非常に狭いパルスを、この場合体内に送信し、ついでエコーを検出することによって働き、種々の臓器、骨格構造などの形状および動きを決定するために使用可能である。

図１６は、胸部でのＵＷＢパルス−エコー遅延時間を図解しているダイアグラムである。

図１７は、１つの実施形態にしたがった、代表的なＵＷＢ ＭＩＲイメージングセンサー１７００を図解しているブロックダイアグラムである。見ることが出来るように、センサー１７００には、狭いパルス信号を送信し、エコーを受信するためのアンテナ１７０２が含まれ、ついで送信機１７０４がパルス発生器、パルス検出器を備える受信機１７０６、タイミングを制御するためのタイミング回路１７１０、受信したエコーを処理するための信号プロセッサー１７０８、命令およびデータを保存するためのメモリ１７１２、および例えばゲートウェイ５０２に感知したデータを通信するためのトランシーバー１７１４を含むことが可能である。

特定の実施形態において、非常に狭いパルスが、タイミング回路１７１０によって制御された非常に正確なタイミングと一緒に、送信機１７０４にて使用され、しかしながら、他の実施形態において、拡散信号を使用可能である。距離が短いので、非常に低出力信号、例えば−１０ｄｂ以下を使用可能である。しかし、これは、データを受信するために、信号プロセッサー１７０８での特定の処理が必要である。

特定の実施形態において、Ｇｏｌａｙコードを使用可能である。適合したフィルターと、閾値化をついで、ピークを決定するために使用可能であり、またはエコー内の関係ある情報および関係データを、データに差違があるかどうかを決定するために、先のデータと比較可能である。ついで差違のみが保存され、通信される。この方法において、より低い処理とメモリ要求が必要である。

特定の実施形態において、データを保存可能であり、ついでタイミングをデジタルデータから抽出可能である。

トランシーバー１７１４が、非常に低出力操作を提供するために、以上で記述した技術を使用可能である。本明細書で記述した技術の結果として、センサー５０４と１７００が、低出力ラジオおよびプリント可能アンテナ、バッテリー、他の回路またはそれらの組み合わせを使用する、低出力システムオンチップ（ＳＯＣ）デザインで実行することが可能である。

送信機１７０４と受信機１７０６がまた、６０ＭＨｚ送信機および受信機、もしくは９０ＧＨｚ送信機および受信機でありうることも留意されるべきである。

本明細書で記述したイメージングセンサーを使用して、心拍数、心容量、呼吸数、羊膜液レベル、気胸、肺水腫、頭および他の内出血検出、および血圧測定を感知することが可能である。このデータを、心臓生体力学査定、閉塞性睡眠時無呼吸モニタリング、軟組織生体力学研究、頭蓋骨イメージング、心臓イメージング、胸イメージングなどを実施するために使用可能である。さらに、ＳＯＣｓの相アレイを、トモグラフィーイメージ認識を実施するために使用可能である。

図１８は、母体の心拍数と呼吸数をモニタし、胎児の羊水容量と心拍数を感知するための、センサー１５０の利用を図解しているダイアグラムである。そのように小さく使用が簡単なセンサーによって、母胎が家に滞在可能であり、病院または医師オフィスへの不必要な訪問またはそこでの時間を避けることが可能であり、また病院または医師オフィスへ母胎が向かわなければいけない時に関して情報を提供可能である。

特定の実施形態が以上で記述されてきた一方で、記述された実施形態が例示の方法のみによってであることが理解されるであろう。したがって、本明細書で記述したシステムおよび方法は、記述された実施形態に基づいて制限されるべきではない。むしろ、本明細書で記述したシステムおよび方法は、以上の記述と付随する図面と併用した時に続く請求項を踏まえて制限されるだけであるべきである。

Claims (13)

1. 医用センサーシステムであって、
   広帯域受信器と狭帯域送信器を含むゲートウェイで、各ゲートウェイは、１つまたはそれ以上の装着可能センサーから、広帯域受信器を用いて、広域帯位置調整フレームを受信するため、および位置調整フレームの送信のためのタイミングを確立するために、センサーによる利用のためのタイミングおよび制御データを含む、狭帯域送信器を用いる確認応答フレームを送信するために配置される、および
   広帯域送信器と狭帯域受信器を含む少なくとも１つの装着可能センサーであって、前記センサーは、センサーデータフレームを、広帯域送信機を用いてゲートウェイに送信するため、および狭帯域受信器を用いて、ゲートウェイから確認応答フレームを受信し、フレームからタイミングおよび制御情報を抽出し、および前記タイミングおよび制御情報を用いて、タイミングと広帯域送信器の同期を調節するために配置される、
   を含む医用センサーシステム。
2. 前記狭帯域送信器と狭帯域受信器が、産業科学医療用（ＩＳＭ）バンドにて動作するように配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記狭帯域送信器と狭帯域受信器が、約２．４５ＧＨｚにて動作するように配置される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記広帯域受信器と広帯域送信器が、超広帯域（ＵＷＢ）スペクトルにて動作するように配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ゲートウェイが、狭帯域送信器を用いて、広帯域送信器操作のために、タイミングおよび制御情報を送信するように配置される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサーが、タイミングおよび制御情報を受信し、広帯域送信器を同期し、位置フレームを送信するように配置される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ゲートウェイが、センサーデータフレームを受信し、遠隔地にセンサーデータフレームを含む情報をおくるように配置される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記センサーが、広帯域送信器を介してゲートウェイと通史するために、スーパーフレームを使用し、前記タイミングおよび制御情報が前記スーパーフレームの開始時間を含むスーパーフレーム情報を含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記センサーが、位置フレームを送信し、ついで送信器の電源を切るために、短期間、広帯域送信器の電源を入れるように配置される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記センサーが、ゲートウェイから確認応答フレームを受信し、ついで受信器の電源を切るために、短期間、狭帯域受信器の電源を入れるようにさらに配置される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記センサーが、特定の時間間隔で、確認応答を受信しない時に、位置フレームの再送信を試みるように配置される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記装着可能センサーが、温度センサーである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記装着可能センサーが、ＵＷＢ ＭＩＲイメージングセンサーである、請求項１に記載のシステム。

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