JP2014509894A

JP2014509894A - 血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ

Info

Publication number: JP2014509894A
Application number: JP2013555729A
Authority: JP
Inventors: 呂松涛; 周会林; 湯偉昌; 王林雁
Original assignee: 上海道生医療科技有限公司
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2014-04-24
Also published as: WO2012116575A1; KR101504047B1; KR20130051487A; CN102151127A

Abstract

血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサを開示する。これらは、筺体とセンサ・プローブ、回路基板、及びリード線を含み、センサ・プローブは複数のプローブを有する双梁弾性構造体である。各プローブは、プローブに対応する二本の梁を持ち、各プローブには歪みゲージが備えられ、各プローブに対応した複数の歪みゲージによって、ホイートストーンブリッジ回路が構成される。このブリッジ回路の電圧変化を検出して血圧を測定できる。当該センサは、マルチ・プローブ圧力センサであり、血圧脈波の強度と血管幅を計測するために、高感度かつ高性能の特徴を有し、高負荷に耐えられ、自己保護機能を有する。

Description

本発明は圧力センサ、特に、血圧脈波の強度と、血管の幅とを計測するためのセンサに関する。

ピエゾ・フィルムの原理に基づく既存の脈検査センサは、脈拍数計測だけが可能であるが、セラミック・ピエゾ抵抗の原理に基づくものは、脈拍数及び血圧波形の計測が可能なものもあることが、広く一般に知られている。

一方、関連する同様の発明製品の全てにおいて、既存の脈センサに適用されている計測方法は、シングルプローブ・シングルコンタクト法であるが、血圧脈波の強度と血管幅を同時に計測することができず、センサへの損傷を最小限にするために、センサ自体に対する自己保護機能を有しない。

さらに、脈波信号の計測センサは、精密機器であることが普通であり、計測精度も重要因子となるが、既存製品には検出位置に狂いが生じる恐れがある。これによって、脈拍と血圧波の良好な線形特性を損ない、ひいては過荷重による損傷を容易に引き起こす恐れがある。このようなことから、新しい製品を設計することが望まれる。

本発明が解決すべき技術的課題は、血圧脈波の強度と血管の幅を計測するセンサを提供することにある。血圧脈波の強度と血管の幅を計測するための圧力センサは、高感度かつ高精密であるから、高負荷に耐え、自己保護機能を備えることが望ましい。

上記の技術的課題を解決するため、本発明では、筺体、センサ・プローブ、回路基板、リード線含む血圧脈波の強度と血管幅計測のためのセンサを開示している。前記センサ・プローブの構造は、二本の梁を有する弾性材を用いた構造体（以下、双梁弾性構造体）である。なお、この二本の梁は対称に構成される。

前記センサ・プローブは、複数のプローブを有する（以下、マルチ・プローブ）双梁弾性構造体であることが好ましい。

さらに、前記マルチ・プローブ双梁弾性構造体上の各プローブは、二本の梁に対応し、シリコン・ピエゾ抵抗を備えた歪みゲージが二つ対称に備えられている。前記プローブに対応する歪みゲージによって、ホイートストーン・ブリッジ回路が構成されており、前記ブリッジ回路の電圧変化をモニタリングすることで血圧測定できる。

さらに、前記の各プローブに対応する二本の梁には、扇状部と帯状部を含む。

さらに、前記の各プローブに対応する二本の梁には、補強部が対称的に設けられる。

さらに、プローブ数は７、プローブ幅は0.5から1.0mmが好ましい。
隣接するプローブ間の距離は、0.5から1.0mmが好ましい。

さらに、筺体とプローブが結合して機能する場所で、プローブに横圧力による過荷重がかかることを防ぐために、台構造が提供されている。

好ましくは、プローブに圧力による過荷重がかかることを防ぐために、押圧停止横梁を前記双梁弾性構造体の下部に設け、前記押圧停止横梁と前記双梁弾性構造体の間には変形隙間を設ける。

好ましくは、台構造は前記センサ・プローブと前記筺体とが結合して張力による過荷重を防げる場所に設置する。

好ましくは、前記回路基板は、温度補償を行う温度補償回路基板と、前記温度補償回路基板とセンサ・プローブのシリコン・ピエゾ抵抗を接続するための二つの抵抗接続板と、増幅器板に対して補償された信号を伝達するためのプラグボードと、前記リードに信号を増幅かつ伝達するための増幅器板と、を含む。

本発明による血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサは、血圧脈波を受けると、双梁弾性体が力を受けて変形することにより変位し、シリコン・ピエゾ抵抗が線形に変化する。従って、血圧脈波の強度を線形に測定できる。
上述の構造によって、以下のような優れた効果がある。

１．二本の梁の対称構造により、多数のプローブの端部が同一平面上に配置されることが保証される。各プローブは、血圧脈波を独立かつ正確に測定できる。これに基づいて、各プローブの測定値から、血管の中央と幅が決定できる。

２．筺体構造は、７つのプローブを備えた双梁弾性構造体と結合する。これにより、張力による過荷重と側方からの過荷重に対する保護機能として働く。

３．操作ミスによりプローブが受ける圧力が過大になったとき、双梁弾性構造体の梁は、押圧停止横梁により、シリコン・ピエゾ抵抗の過荷重変化の許容範囲内で停止し、過荷重から保護される。

４．力を受けた梁の変形量を調整するための補強部が、各プローブの各梁に設けられている。各梁に設けた補強部の長さを調節することで、同じ力が加わった時、同じ変形量となるようにプローブを調整している。従って、複数のプローブは、同じ力を受けた後は同一平面上に存在し、変形量も等しくなることが保証される。これらの構造により、弾性体を加工する時、弾性体の梁が長くなり過ぎたことにより生じた変形を避けることができる。

５．シリコン・ピエゾ抵抗を備えた歪みゲージの複数の対を、複数のプローブを有する双梁弾性体に貼り付け、二つの中心軸に対して対称な二対の抵抗を、各プローブに対応する二本の梁に設けた。この二重対称構造は、ホイートストーン・ブリッジを用いることで、中心から逸脱した応力点によって生じる位置の変形量と、プローブ平面上の各応力点の不均衡による測定誤差とを、補償することができる。

本発明による血圧脈波強度と血管幅計測のためのセンサの立体斜視図。図１に示した図例の正面図。図１に示した図例の上面図。図１に示した図例の側面図。図１に示した図例の立体分解斜視図。図３に示した図例の拡大図。図６に示した図例の中心縦断面図。図６に示した図例の中心横断面図。双梁弾性体構造体のセンサ・プローブの立体斜視図。双梁弾性体構造体のセンサ・プローブに押圧停止横梁を組み付けた組立図。図１０に示した図例の部分拡大図。図９に示した図例の平面図。図１２に示したデバイス構造の図例の中心横断面図。双梁弾性体構造体のセンサ・プローブにシリコン・ピエゾ抵抗を備えた歪みゲージを組み付けた組立図。シリコン・ピエゾ抵抗を備えた歪みゲージの回路図。

図１から図４に示すように、本発明の血圧脈波強度と血管幅計測のためのセンサは、筺体３１、３２、センサ・プローブ２０、回路基板（図中表示せず）、リード線１００からなる。図５には本発明のセンサの立体分解斜視図を示すが、センサ・プローブ２０は二本の梁を備えた弾性体で、対称の構造をしている。

図５に示されるように、回路基板部の好ましい構成は、温度補償回路基板７０とセンサ・プローブ２０のシリコン・ピエゾ抵抗を接続するための二つの抵抗接続板６１、６２と、増幅器板８０に補われた信号を伝達するためのプラグボード９０と、前記リード線に信号を増幅して伝達するための増幅器板を備える。

図６に示されるように、センサ・プローブ２０は、マルチ・プローブ双梁弾性構造体である。ここでは、２１１〜２１７の符合が付けられた７個のプローブを有する例を示す。次の図では、７プローブによる本出願の構成を詳細に説明する。
なお、本願発明のマルチ・プローブの構成は、もちろん７プローブに限定されるものではなく、本願発明の制約というより、単に好ましい例を示しただけに過ぎない。

図１２、図１４、及び図１５に示されるように、マルチ・プローブ２０を有する双梁弾性体構造体上の各プローブ２１１〜２１７は、梁２４１Ａ〜２４７Ａ、及び、梁２４１Ｂ〜２４７Ｂの複数の梁に対応している。前記の各梁には、シリコン・ピエゾ抵抗（４４１Ａ〜４４７Ａ、４４１Ａ〜４４７Ｂ、４４１Ａ〜４４７Ｃ、及び、４４１Ａ〜４４７Ｄ）を有する歪ゲージが備えられている。各プローブと対応する前記歪ゲージ（例えば、４４１Ａ、４４１Ｂ、４４１Ｃ、４４１Ｄ）によって、ホイートストーン・ブリッジ回路が構成されており、前記ブリッジ回路の電圧変化をモニタリングすることで、血圧が測定できる。

図１２、図１４、及び図１５に示されるように、本発明の双梁弾性構造体の各プローブと対応する二本の梁は、扇状部と帯状部を含む。各プローブの総面積が非常に小さいため（例えば、６×６ｍｍ）、仮に７分割する場合、各プローブの幅は僅か0.6〜0.8ｍｍとなる。従って、細帯形状が採用されると、幅の制約から、弾性幅が制限される。従って、本発明では、扇形状と帯形状の組合形状を採用し、梁の面積を増加させている。従って、弾性体が支えられる力の範囲を増加させられる。

図９、図１２、及び図１３に示されるように、扇帯状構造の各梁の長さと面積は異なるため、同じ圧力を受けた時の変形度も異なる。そこで本発明では、さらに、異なる面積と長さの二本の梁が同じ力を受けた時、各７つのプローブの変形量が異なる問題を克服するため、各プローブに対する各梁に、補強部２３１Ａ〜２３７Ａと２３１Ｂ〜２３７Ｂを対称に設けている。各補強部の長さは、長さを調整して変形量が等しくなるように作る。７個のプローブは、同じ力を受けた時、同一平面上に存在することが確かになる。さらに、プローブと梁は加工精度の要求が高く、その一方で、サイズは比較的小さい（例えば、好ましいプローブ数７の場合、各プローブの幅は0.5-1.0ｍｍ、隣接するプローブとの間隔は0.1-0.5ｍｍとなる）。梁の厚さも非常に薄くなる（通常2ｍｍ以下）。切口の加工に際して容易にずれが生じるが、この局所的な補強部により、上述の弾性体の梁が長すぎることによって生じる変形問題をも克服できる。梁は比較的薄いので、使用する間に変形し、段差が生じて捻じられるようになることもある。この構造は、プローブや梁によって引き起こされる捻りや位置のずれを防ぐ働きもある。これは、既存の技術に向けての明らかな改良である。

図２、図４、及び図７に示されるように、筺体３１、３２上の台構造３１１、３２１は、７プローブを有する双梁弾性体のプローブ２１１〜２１７と結合しているので、プローブに横向過荷重圧が掛かることを防ぐ。

図５、図１０、及び図１１に示されるように、押圧停止横梁５０は前記双梁弾性構造体の下部に設置され、前記押圧停止横梁と前記双梁弾性構造体の間に変形隙間５１を設けてある。操作ミスによって、プローブ２１１〜２１７の受ける圧力が大きすぎる時、前記双梁弾性構造体の梁２３１Ａ〜２３７Ａ、２３１Ａ〜２３７Ｂは、横向過荷重圧に対して保護するために、歪抵抗（シリコン・ピエゾ抵抗）に対する荷重変化が許容された制限の、すなわち、押圧停止横梁５０によって設けられた変形隙間５１の範囲内に、押圧停止横梁５０によって、変位が収められる。

図８に示されるように、応力過荷重を避け、これらから各プローブを保護するために、筺体３１、３２の構造３１２、３２２は、７プローブ双梁弾性構造体の台構造２２１Ａ〜２２７Ａと結合する。

本願発明は、以下の効果を有する。

１．二本の梁の対称構造により、多数のプローブの端部が同一平面上の配置されることが保証される。各プローブは、血圧脈波を独立かつ正確に測定できる。これに基づいて、各プローブの測定値から、血管の中央と幅が決定できる。

３．操作ミスなどでプローブが受ける圧力が過大になった時、双梁弾性構造体の梁は、押圧停止横梁により、シリコン・ピエゾ抵抗の過荷重変化の許容範囲内で停止し、過荷重から保護される。

４．梁の強制変形の偏移量を調整するための補強部を、各プローブの各梁に設ける。各梁に設けた補強部の長さを調節することで、同じ力が加わった時、同じ変形量となるようにプローブを調整している。従って、複数のプローブは、同じ力を受けた後は同一平面上に存在し、変形量も等しくなることが保証される。これらの構造により、弾性体を加工する時、弾性体の梁が長くなり過ぎたことにより生じたような変形を避けることができる。

５．シリコン・ピエゾ抵抗を備えた歪みゲージの複数の対を複数のプローブを有する双梁弾性体に貼り付け、二つの中心軸に対して対称な二対の抵抗を各プローブに対応する二本の梁に設けた。この二重対称構造は、ホイートストーン・ブリッジを用いることで、中心から逸脱した応力点によって生じる位置の変形量と、プローブ平面上の各応力点の不均衡による測定誤差とを、補償することができる。

１０血圧脈波強度と血管幅計測のためのセンサ
２０センサ・プローブ
３１，３２筺体
５０押圧停止横梁
５１，５２変形隙間
６１，６２抵抗接続板
７０温度補償回路基板
８０増幅器板
９０リード接続板
１００リード線
２２１〜２２７プローブ
２２１Ａ〜２２７Ａ台構造
２２１Ｂ〜２２７Ｂ台構造
２３１Ａ〜２３７Ａ補強部
２３１Ｂ〜２３７Ｂ補強部
２４１Ａ〜２４７Ａ梁
２４１Ｂ〜２４７Ｂ梁
３１１，３１２構造
３１１，３１２構造
４１１Ａ〜４１７Ａシリコン・ピエゾ抵抗
４１１Ｂ〜４１７Ｂシリコン・ピエゾ抵抗
４１１Ｃ〜４１７Ｃシリコン・ピエゾ抵抗
４１１Ｄ〜４１７Ｄシリコン・ピエゾ抵抗

Claims

筺体、センサ・プローブ、回路基板、及び、リード線を含む、血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサであって、
前記センサ・プローブは、二本の梁を有する弾性体を含む構造体（以下、双梁弾性構造体）であり、前記二本の梁が対称に配置されていることを特徴とする、血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
前記センサ・プローブが複数のプローブを有する構造（以下、マルチ・プローブ）である、請求項１記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
前記マルチ・プローブ双梁弾性構造体の各プローブが二本の梁と対応し、この二本の梁には、シリコンピエゾ抵抗を備えた歪ゲージが各々備えられ、前記プローブに対応する複数の歪ゲージによりホイートストーンブリッジ回路が構成され、前記ブリッジ回路の電圧変化をモニタリングすることで、血管の圧力を計測することを特徴とする、請求項２記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
前記プローブの各々と対応する二本の梁が、扇状部と帯状部とから構成されている、請求項３記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
前記プローブの各々と対応する二本の梁に、補強部が対称に設けられている、請求項３または４記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
前記プローブ数が７であり、プローブの幅が0.5〜1.0ｍｍであり、隣接するプローブ間の距離が0.5〜1.0ｍｍである、請求項３記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
横向過荷重圧をプローブが受けることを避けるため、プローブと筺体が結合して作用できる場所に台構造を設けた、請求項１〜３の何れか一項に記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
プローブが過荷重圧を受けることを避けるため、前記双梁弾性構造体の下部に押圧停止横梁を設けた、請求項１〜３の何れか一項に記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。
応力過荷重を避けるため、センタプローブと筺体が結合して作用できる場所に台構造を設けた、請求項１〜３の何れか一項に記載の血圧脈波強度と血管幅計測のためのセンサ。
前記回路基板が、温度補償回路基板と、センサ・プローブのピエゾ抵抗とを接続するための二つの抵抗接続板と、増幅器板に信号を伝達するためのプラグボードと、前記リード線に信号を伝達、増幅するための増幅器板と、を含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の血圧脈波の強度と血管幅の計測のためのセンサ。