JP2015077409A - 人体センサ及びこれを含むセンシングシステム - Google Patents
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Abstract
Description
医療分野では患者の医療情報を収集するために収集装置が、体の外部に着用する形態、又は順次に体内に挿入する形態などで発展している。
例えば、収集装置は、人体センサ、検出装置、及びモニタリング装置などに言及される。
しかしながら、収集装置のアンテナから放射される信号が人体で吸収される減衰するという問題があった。
前記メインボードと前記接地層とを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することが好ましい。
前記アンテナと前記接地層とを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することが好ましい。
前記生体信号を前記メインボードに送信するための電極インタフェースをさらに有することが好ましい。
前記電極インタフェースと前記メインボードとを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することが好ましい。
前記少なくとも1つの電気的な素子は、貫通型ビアで実現されることが好ましい。
前記メインボードは、少なくとも1つ以上の分節構造で実現されることが好ましい。
前記アンテナは、前記アンテナ層を支持するためのアンテナ担体をさらに含むことが好ましい。
前記アンテナパターンは、前記RF信号を水平方向に放射することが好ましい。
前記アンテナは、前記アンテナパターンの各接地パターン間を電気的に接続するためのエアーブリッジをさらに含むことが好ましい。
前記アンテナ層は、前記アンテナパターンと接続される接地面を含むことが好ましい。
前記接地面は少なくとも1つの人工磁気導体(Artificial Magnetic Conductor:AMC)基本セルで実現されることが好ましい。
前記アンテナパターンのアンテナフィーダは、同軸ジャック、Cクリップ(C−clip)、又は、ポゴピン(pogo−pin)によって前記メインボードと接続されることが好ましい。
前記人体センサは、前記人体の心電図、筋電図、体温、心拍数、電気伝導度、及び血圧の内の少なくとも1つを測定することが好ましい。
前記センシングシステムは、ゲートウェイをさらに有し、前記ホスト装置は、前記ゲートウェイによって前記人体センサを制御することが好ましい。
前記ゲートウェイは、携帯用電子装置であることが好ましい。
図1を参照すると、システム10は、人体センサ100、及びホスト装置300を含む。
システム10は、健康モニタリングシステムであってもよい。
人体センサ100は、人体センサ100を付着させたユーザをモニタリングする。
生体信号(biosignal:BS)は、心電図、筋電図、温度、脈拍数、呼吸率、生命兆候、湿度、気圧、及び運動量などであってもよい。
ホスト装置300は、携帯用の電子装置で実現してもよい。
ホスト装置300と人体センサ100は互いに通信を行う。
ホスト装置300は、人体センサ100を介して人体センサ100を装着(付着)したユーザの状態を持続的にモニタリングする。
例えば、ホスト装置300は、人体センサ100から出力される生体信号に基づいたRF信号を受信し、生体信号に基づくユーザの状態をホスト装置300のディスプレイに表示する。
例えば、ホスト装置300は、ユーザに直接的/間接的に生体信号に対応する治療療法を提供してもよい。
図1及び図2を参照すると、人体センサ100は、上位カバー110、中間ケース120、メインボード130、アンテナ140、接地層150、電極インタフェース160、下位カバー170、及び伝導性電極180を含む。
人体センサ100のコンポーネントは、メインボード130上に付着又は実装したり、挿入又は埋め込むことが可能である。
例えば、コンポーネントは、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphic Processing Unit)、メモリ、USB(Universal Serial Bus)、PCI(Peripheral Component Interconnect)、デジタル信号プロセッサ(Digital Signal Processor;DSP)、ワイアードインタフェース(wired interface)、無線インタフェース、コントローラ、埋め込みソフトウェア、コーデック(codec)、ビデオモジュール(例えば、カメラインタフェース)、JPEG(Joint Photographic Experts Group)プロセッサ、ビデオプロセッサ、ミキサ、オーディオシステム、又は、ドライバなどであり得る。
アンテナ140は、メインボード130の上部に実現される。
一実施形態によれば、アンテナ140は、メインボード130上にアンテナ140を支持するためのアンテナ担体(antenna carrier)をさらに含んでもよい。
中間ケース120の高さは、メインボード130上に実現される人体センサ100のコンポーネントの高さを考慮して決定される。
また、アンテナ140がアンテナ担体を含む場合、中間ケース120の高さはアンテナ担体の高さも考慮して決定される。
例えば、接地層150はメインボード130の下部に配置され、電極インタフェース160及び伝導性電極180の上部に配置される。
接地層150は、アンテナ140から人体の方向に放射されるRF信号を反射(又は、遮蔽)する。
例えば、接地層150は、鏡効果を用いてRF信号を全反射してもよい。
一実施形態によれば、接地層150は、PCB(Printed Circuit Board)で実現してもよい。また、例えば、接地層150は銅で実現してもよい。
一実施形態に係る電極インタフェース160はPCBで実現してもよい。また、例えば、電極インタフェース160は銅で実現してもよい。
伝導性電極180は、受信した生体信号を電極インタフェース160を介してメインボード130に送信する。
伝導性電極180は、下位カバー170の下部に配置される。
一実施形態に係る伝導性電極180は、着脱式に実現されてもよい。
一実施形態によれば、上位カバー110、中間ケース120、及び下位カバー170は、金属及び/又は合成樹脂を含んで実現してもよい。
図1〜図3を参照すると、人体センサ100は、制御回路131、信号処理回路132、デジタル信号プロセッサ133、RF通信回路134、電源供給装置135、PMIC(Power Management Integrated Circuit)136、及びアンテナ140を含む。
一実施形態によれば、人体センサ100はメモリ137をさらに含んでもよい。
各構成要素(131〜137)は、メインボード130の上に付着又は実装したり、挿入又は埋め込んでもよい。
一実施形態に係るPCBは、rigid PCB、及びFPCB(flexible PCB)などを含んでもよい。
例えば、制御回路131は、各構成要素(132〜137)の動作を制御する。
制御回路131は、デジタル信号プロセッサ133から送信された検出信号(P_DS)を処理する。
一実施形態によれば、検出信号(P_DS)に対応するRF信号(RF_S)がアンテナ140を介してホスト装置300に送信されるように、制御回路131は検出信号(P_DS)をRF通信回路134に送信する。
検出信号(P_DS)に対応するRF信号(RF_S)がアンテナ140を介してホスト装置300に送信されるよう、制御回路131は、メモリ137に格納された検出信号(P_DS)を読み込み、RF通信回路134に送信する。
例えば、信号処理回路132は、生体信号(BS)に含まれた雑音を除去することもできる。信号処理回路132は、また、雑音が除去された生体信号(BS)を増幅することもできる。
信号処理回路132は、AFE(Analog Front−End)を意味する。
信号処理回路132は、デジタル信号(DS)をDSP133に送信する。
デジタル信号プロセッサ133は、デジタル信号(DS)から生体信号(BS)に相応する病理学的イベントを検出し、検出結果に応じて検出信号(P_DS)を生成する。
一実施形態に係る検出信号(P_DS)は、生体信号(BS)を含んでもよい。デジタル信号プロセッサ133は、検出信号(P_DS)を制御回路131に送信する。
例えば、電源供給装置135は、メインボード130に電力を供給してもよい。
一実施形態に係る電源供給装置135は、バッテリであってもよい。他の実施形態によれば、電源供給装置135は、無線電力伝送技術によって無線充電してもよい。
例えば、PMIC136は、人体センサ100のパワー状態を制御する。パワー状態は、パワーアップ(power−up)状態(又は、パワー−オン状態)、又はパワーダウン(power−down)状態(又は、パワー−オフ状態)を意味する。
パワーアップ状態は、人体センサ100のパワー(又は、電圧)が完全にパワーアップされた状態を意味する。パワーダウン状態は、人体センサ100のパワーがオフされた状態、又は低電力モードに進入した状態を意味する。
メモリ137は、揮発性メモリ装置又は非揮発性メモリ装置で実現され得る。
また、一実施形態に係るメモリ137は、制御回路131の内部に実現されてもよい。
アンテナ140は、WBAN(Wireless Body Area Network)によりRF信号(RF_S)を放射してもよい。
例えば、アンテナ140は、RF信号(RF_S)を2.4GHz帯域でWBANによりRF信号(RF_S)を放射してもよい。WBANは、medical WBAN又はnon−medical WBANであってもよいが、必ずこれに限定されることはない。
人体センサ100は、複数のレイヤを含む積層構造を含み得る。
図4では説明の便宜のために、メインボード130上には制御回路131とRF通信回路134のみを積層したものを例として示す。
下位カバー170は、電極インタフェース160と接地層150をその内側に内包する
メインボード130は下位カバー170、例えば、接地層150の上部に積層される。
例えば、アンテナ140は、バーチカルフィーディング(vertical feeding)構造を用いてRF通信回路134の上段に積層される。
例えば、空間は、アンテナ140とメインボード130上に位置するRF通信回路134によって定義される空間であってもよいが、必ずしもこれに限定されることはない。
空間は、メインボード130上に配置される各構成要素(131〜137)の配列形態に応じてアンテナ140の下部に定義される空間をすべて含んでもよい。
空間は、例えば、空気で満たされている。
例えば、媒質141は、誘電率が適切であり、誘電損失率が低い物質であるのが好ましい。
例えば、媒質141は、空気(air)、ポリエチレン(polyethylene)、テフロン(登録商標)(Teflon)、ポリスチレン(polystyrene)、ナイロン(nylon)、及びパイレックス(登録商標)ガラス(pyrex(登録商標) glass)などを含み得る。
図1〜図5を参照すると、伝導性電極180は、第1層(L1)及び第2層(L2)を含む。
一実施形態に係る伝導性電極180は、伝導性テープ(conductive tape;CT)をさらに含んでもよい。
第1層(L1)と第2層(L2)は図5に示すように積層され得る。伝導性電極180は積層構造であってもよい。
伝導性テープ(CT)は、エンボシング(embossing)効果を用いて伝導性電極180と下位カバー170との結合力を高めることができる。
また、伝導性テープ(CT)は、生体信号(BS)を下位カバー170に含まれた電極インタフェース160に伝達(又は、送信)する。
図1〜図6を参照すると、第1層(L1)は複数のドメイン(DM1及びDM2)を含み得る。
第1ドメイン(DM1)は、ヒドロゲル(hydrogel)で充填され得る。例えば、ヒドロゲルは人体から発生する電気的信号の生体信号(BS)を伝導する。
第2ドメイン(DM2)は、ポリエチレンフォーム(polyethylene form)で実現してもよい。
図1〜図7を参照すると、第2層(L2)は、複数のドメイン(DM3及びDM4)と電極パターン(PAT)を含み得る。
一実施形態に係る電極パターン(PAT)は、塩化銀(silver chloride(AgCl))で実現してもよい。
第4ドメイン(DM4)に形成された電極パターン(PAT)は、第2層(L2)の中に位置する伝導性テープ(CT)に接続される。
第3ドメイン(DM3)は、ポリエチレンテレフタレートフィルム(polyethylene terephthalate film)で実現してもよい。
図1〜図6及び図8を参照すると、第2層(L2)は、複数のドメイン(DM3及びDM4)と電極パターンPATを含み得る。
一実施形態に係る電極パターン(PAT)は、塩化銀(AgCl)で実現してもよい。
伝導性テープ(CT)が第4ドメイン(DM4)に形成された電極パターン(PAT)上に位置することで、伝導性電極180の生体信号(BA)を送信するための電極が散らばっている形で形成される。
第3ドメイン(DM3)は、ポリエチレンテレフタレートフィルム(polyethylene terephthalate film)で実現してもよい。
図1〜図9Bを参照すると、図7及び図8を参照して説明したように、伝導性電極180の電極は集まっている形態又は散らばっている形態に実現してもよい。
伝導性電極180の第2層(L2)が図7に示す第2層(L2)で具現されて伝導性電極180の電極が集まっている形態のとき、伝導性電極180と接地層150との関係における接地層150の周波数対反射係数の関係は、図9Aに示すグラフのとおりである。
例えば、周波数が2.4GHz帯域で接地層150の反射係数は実質的に同一である。
図1〜図10を参照すると、メインボード130は、少なくとも1つ以上の分節構造で実現し得る。
例えば、メインボード130は、第1メインボード(130−1)、第2メインボード(130−2)、及び第3メインボード(130−3)を含み得る。
一実施形態に係る上記PCBは、rigid PCB、及びFPCB(flexible PCB)などを含み得る。
制御回路131、信号処理回路132、及びデジタル信号プロセッサ133は、第2メインボード(130−2)上に付着又は実装するか、挿入又は埋め込んでもよい。
RF通信回路134は、第3メインボード(130−3)上に付着又は実装するか、挿入又は埋め込んでもよい。
例えば、アンテナ140は、RF通信回路134の上部に積層される。
図1〜図11を参照すると、電極インタフェース160は、伝導性電極180の上部に積層される。
電極インタフェース160は、少なくとも1つの電気的な素子によって伝導性電極180から送信(又は、伝送)される生体信号(BS)をメインボード130の信号処理回路132に送信する。
例えば、少なくとも1つの電気的な素子は、貫通型ビア(Through−hole via)で実現し得る。
メインボード130は、接地層150の上部に積層される。
例えば、接地層150は、伝導性電極180とメインボード130との間に積層される。
メインボード130は、少なくとも1つの電気的な素子によって接地層150に接地される。
例えば、少なくとも1つの電気的な素子は、貫通型ビア(Through−hole via)で実現し得る。
例えば、アンテナ140は、バーチカルフィーディング構造を用いてRF通信回路134の上部に積層される。
アンテナ140は、アンテナ層143、アンテナ担体145、及びアンテナフィーダ(antenna feeder)147を含み得る。
例えば、アンテナパターンは、RF信号(RF_S)を放射するための信号パターンと接地するための接地パターンを含む。
アンテナ層143がアンテナ担体145を用いて人体センサ100の最も上部に位置することでアンテナ層143は人体から最大に隔離される。
したがって、人体センサ100は、アンテナ層143から送信されるRF信号(RF_S)が人体で吸収される現象を防止し、アンテナ140の放射効率(又は、送信効率)を高めることができる。
アンテナ140がRF通信回路134の上部にバーチカルフィーディング構造で積層されるため、人体センサ100は、RF通信回路134から送信されるRF信号(RF_S)の損失を防止することができる。
アンテナ140は、少なくとも1つの電気的な素子によって接地層150に接地される。
例えば、アンテナ140は、アンテナパターンのアンテナフィーダ147と少なくとも1つの電気的な素子によって接地層150に接地される。
例えば、少なくとも1つの電気的な素子は、貫通型ビアで実現し得る。
図1〜図12を参照すると、図12に示すアンテナ(140−1)は、図11に示すアンテナ140の一実施形態である。
アンテナ層143は、アンテナパターン(143−1、143−3、143−5)、及びアンテナフィーダ147を含む。
例えば、アンテナパターン(143−1、143−3、143−5)は、RF信号(RF_S)を水平方向に放射してもよい。
例えば、アンテナ(140−1)は、共振アンテナ(Zeroth Order Resonator(ZOR) antenna)であってもよい。
一実施形態に係るアンテナパターン(143−1、143−3、143−5)は、金、銀、又は、銅で実現し得る。
各接地パターン(143−3、143−5)は、接地層150と接地するための接地パターンである。
信号パターン(143−1)は、信号フィーダ(147−1)によってRF通信回路134から送信されるRF信号(RF_S)を受信し、受信されたRF信号(RF_S)を放射する。
例えば、接地パターン(143−3)は、対応する接地フィーダ(147−3)を介して接地層150と接地され、接地パターン(143−5)は、対応する接地フィーダ(147−5)を介して接地層150と接地される。
図1〜図13Bを参照すると、アンテナ(140−1)は、RF信号(RF_S)を水平方向に放射(又は、送信)する。
第1点線191は、アンテナ(140−1)のアンテナフィーダ147の構造を反映しないものであり、第1実線192はアンテナ(140−1)のアンテナフィーダ147の構造を反映したものである。
人体センサ100が人体に着用されない状態のとき、周波数が2.4GHzの帯域でアンテナ(140−1)の放射効率は、図13Aに示すグラフに対応する。
第2点線193は、アンテナ(140−1)のアンテナフィーダ147の構造を反映しないものであり、第2実線194はアンテナ(140−1)のアンテナフィーダ147の構造を反映したものである。
人体センサ100が人体に着用された状態のとき、周波数が2.4GHzの帯域でアンテナ(140−1)の放射効率は、図13Bに示すグラフに対応する。
図1〜図14を参照すると、アンテナ(140−1)は、エアーブリッジ(air bridge)144をさらに含む。
接地パターン(143−3)と接地パターン(143−5)は、エアーブリッジ144を用いて接続される。
各接地パターン(143−3、143−5)が互いにエアーブリッジ144を用いて接続されることで、アンテナ(140−1)は、RF信号(RF_S)の動作周波数(又は、共振周波数)とメインボード130の長さが近似することにより発生する共振現象を防止することができる。
また、アンテナ(140−1)は、オッドモード(odd mode)によって動作することができないことがある。
図1〜図11及び図15を参照すると、図15に示すアンテナ(140−2)は、図11に示すアンテナ140の他の実施形態である。
例えば、アンテナ(140−2)は、AMC(Artificial Magnetic Conductor)アンテナである。
アンテナパターン(PAT2)は、信号パターンと接地パターンを含み得る。
例えば、アンテナパターン(PAT2)は、PIFA(Planar Inverted F Antenna)又はパッチアンテナ(Patch Antenna)であってもよい。
接地面149は、接地パターン(PAT3)を含む。
一実施形態による、接地パターン(PAT3)は、少なくとも1つのAMC基本セルで実現され得る。
パターン(PAT2、PAT3)は金、銀、又は、銅で実現してもよい。
図1〜図11、図15、及び図16を参照すると、図16に示すグラフのx軸は周波数を示し、y軸はアンテナ(140−2)の全体放射効率を示す。
アンテナ(140−2)の接地面149がある状態のとき、周波数が2.4GHz帯域でアンテナ(140−2)の放射効率は、第3点線195のとおりである。
アンテナ(140−2)の接地面149は、少なくとも1つのAMC基本セルで具現され得る。
アンテナ(140−2)の接地面149がない状態のとき、周波数が2.4GHz帯域でアンテナ(140−2)の放射効率は、第3実線196のとおりである。
図17を参照すると、システム20は、人体センサ100、ゲートウェイ(gateway)400、及びホスト装置300を含む。
システム20は、健康モニタリングシステム(health monitoring system)であってもよい。
ゲートウェイ400は、携帯用電子装置で実現してもよい。
コンピュータ読取可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などの内の1つ又はその組み合わせを含み得る。
媒体に記録されるプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり、使用可能なものであってもよい。
プログラム命令の例には、コンパイラによって作られるような機械語コードだけでなく、インタープリタなどを用いてコンピュータによって実行できる高級言語コードが含まれる。上記したハードウェア装置は、本発明の動作を行うために1つ以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成されてもよく、その逆も同様である。
100 人体センサ
120 中間ケース
130 メインボード
130−1〜130−3 (第1〜第3)メインボード
131 制御回路
132 信号処理回路
133 デジタル信号プロセッサ
134 RF通信回路
135 電源供給装置
136 PMIC
137 メモリ
140、140−1、140−2 アンテナ
141 媒質
143 アンテナ層
143−1〜143−5 アンテナパターン
(143−1 信号パターン、143−3、143−5 接地パターン)
144 エアーブリッジ
145 アンテナ担体
147 アンテナフィーダ
(147−1 信号フィーダ、147−3、147−5 接地フィーダ)
149 接地面
150 接地層
160 電極インタフェース
170 下位カバー
180 伝導性電極
300 ホスト装置
400 ゲートウェイ
Claims (20)
- ウェアラブルな人体センサであって、
人体から生体信号を伝導する伝導性電極と、
前記生体信号に基づいたRF信号を生成するRF通信回路を含むメインボードと、
前記メインボードのRF通信回路の上部に積層され、前記RF信号を放射するアンテナとを有することを特徴とする人体センサ。 - 前記メインボードと前記伝導性電極との間に積層され、前記アンテナから前記人体に放射される前記RF信号を反射する接地層をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の人体センサ。
- 前記メインボードと前記接地層とを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の人体センサ。
- 前記アンテナと前記接地層とを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の人体センサ。
- 前記生体信号を前記メインボードに送信するための電極インタフェースをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の人体センサ。
- 前記電極インタフェースと前記メインボードとを電気的に接続するための少なくとも1つの電気的な素子をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の人体センサ。
- 前記少なくとも1つの電気的な素子は、貫通型ビアで実現されることを特徴とする請求項3、4、6のいずれか一項に記載の人体センサ。
- 前記メインボードは、少なくとも1つ以上の分節構造で実現されることを特徴とする請求項1に記載の人体センサ。
- 前記アンテナは、前記RF信号を放射するためのアンテナパターンを含むアンテナ層を含み、バーチカルフィーディング構造を用いて前記RF通信回路の上部に積層されることを特徴とする請求項1に記載の人体センサ。
- 前記アンテナは、前記アンテナ層を支持するためのアンテナ担体をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の人体センサ。
- 前記アンテナパターンは、前記RF信号を水平方向に放射することを特徴とする請求項9に記載の人体センサ。
- 前記アンテナは、前記アンテナパターンの各接地パターン間を電気的に接続するためのエアーブリッジをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の人体センサ。
- 前記アンテナ層は、前記アンテナパターンと接続される接地面を含むことを特徴とする請求項9に記載の人体センサセンサ。
- 前記接地面は少なくとも1つの人工磁気導体(Artificial Magnetic Conductor:AMC)基本セルで実現されることを特徴とする請求項13に記載の人体センサ。
- 前記アンテナパターンのアンテナフィーダは、同軸ジャック、Cクリップ(C−clip)、又は、ポゴピン(pogo−pin)によって前記メインボードと接続されることを特徴とする請求項9に記載の人体センサ。
- 前記人体センサは、前記人体の心電図、筋電図、体温、心拍数、電気伝導度、及び血圧の内の少なくとも1つを測定することを特徴とする請求項1に記載の人体センサ。
- センシングシステムであって、
人体にウェアラブルな人体センサと、
前記人体センサを制御するホスト装置とを有し、
前記人体センサは、前記人体から生体信号を伝導する伝導性電極と、
前記生体信号に基づいたRF信号を生成するRF通信回路を含むメインボードと、
前記RF通信回路の上段に積層し、前記RF信号を放射するアンテナとを含むことを特徴とするセンシングシステム。 - 前記人体センサは、前記メインボードと前記伝導性電極との間に積層され、前記アンテナから前記人体に放射される前記RF信号を反射する接地層をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載のセンシングシステム。
- 前記センシングシステムは、ゲートウェイをさらに有し、
前記ホスト装置は、前記ゲートウェイによって前記人体センサを制御することを特徴とする請求項17に記載のセンシングシステム。 - 前記ゲートウェイは、携帯用電子装置であることを特徴とする請求項19に記載のセンシングシステム。
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