JP2015231543A - インターフェースユニット及び測定システム - Google Patents

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Abstract

【課題】低いノイズ特性を有するセンサインターフェース回路を備える、インターフェースユニットを提供する。
【解決手段】インターフェースユニット8は、生体内に挿入されるように構成され、その遠位領域に一つ又は複数のセンサ素子を設けたセンサワイヤとインターフェース接続するように構成されたセンサインターフェース回路6を備える。センサインターフェース回路6は、変数の測定データをセンサ信号として生成するように構成された測定ユニット9を備える。インターフェースユニット8は、インターフェースユニット8の異なる複数の機能を制御し管理するように構成された制御ユニット1を備える。この異なる複数の機能は、同一の時間を有する複数の連続する制御期間CPの間に所定のタスク(T1,T2,・・・TN)によって実行される。
【選択図】図1

Description

本発明は、独立請求項の前提部分による、インターフェースユニット、及びインターフェースユニットを備える測定システムに関するものである。
多くの医療処置では、体腔内の様々な生理学的状態を監視する必要がある。これら生理学的状態とは、通常は圧力、温度、流体流速など一般に本質的に身体的なものであり、医師又は医療技術者に患者の容体の状況に関する重要な情報を提供する。
容体を監視するために広く用いられる装置の1つに、血圧センサがある。血圧センサは患者の血圧の高さを検知し、それを示す電気信号に変換して患者の体外へと送信する。
従来技術において、圧力又は温度等の身体的パラメータを検出するために、いわゆるセンサワイヤの遠位部分にセンサを取り付けて、生体内の血管内にセンサワイヤを用いてセンサを配置させることが、知られている。センサは、パラメータを直接又は間接的に感知する複数の素子を含む。
1つの既知のセンサワイヤは、典型的には1.5〜2メートルの長さを有し、ワイヤの大部分に沿って延び、0.25〜0.5mmの範囲で、典型的には約0.35mmの外径を有する中空管を備える。心線は管内に配置され、管に沿って延び、しばしば管の遠位部の開口ユニットから外部に延出する。1つのセンサ又は複数のセンサは、好ましくは心線の遠位部分、例えばセンサワイヤの末端部分と接続されて配置される。
本発明は、例えば上述のタイプのセンサワイヤに関して適用可能である。
一応用として、上述のタイプのセンサワイヤは、血管内の圧力、特に心臓の冠血管内で圧力を測定するために用いられ、例えば、血管に関していわゆる血流予備量比(Fractional Flow Reserve)を決定することにより、例えば心臓冠血管における狭窄を識別するために用いられる。センサワイヤは、典型的には挿入カテーテルを用いて挿入され、順次大腿静脈又は冠動脈を通って挿入され、挿入されたカテーテルにより測定ユニットへ導かれる。
センサに電力を供給し、外部の生理モニタに測定された生理学的変数を表す信号を通信するために、しばしばマイクロケーブルと表記される、信号送信用の一つ以上のケーブル又はリードがセンサに接続され、物理的ケーブル又は無線を介して、血管から外部の生理モニタに至るセンサワイヤに沿って配置される。
センサ素子は、さらに電気回路を備え、電気回路は、一般に、薄膜上に設けられた1つ又は複数のピエゾ抵抗素子にホイートストン・ブリッジ型で接続されている。当分野で周知のように、周囲の媒質から膜に作用する圧力は、膜の伸縮又はたわみに対応し、その上に取り付けられたピエゾ抵抗素子の抵抗値に対応して、センサ素子からの出力に対応する。
その全体が本明細書に組み込まれ、本譲受人に譲渡された米国特許出願公開第2006/0009817 A1において、かかるセンサとガイドワイヤ・アセンブリの一例が開示されている。このシステムは、制御ユニットからセンサに電源電圧を提供し、制御ユニットとセンサの間で信号を通信するために、体内に配置されるように構成されたセンサと、体外に配置されるように構成された制御ユニットと、センサと制御ユニットとの間の有線接続を備える。制御ユニットは、受信したセンサ信号を変調するための変調器と、変調信号の無線通信用の通信インターフェースをさらに有する。
その全体が本明細書に組み込まれ、本譲受人に譲渡された米国特許第7724148 B2において、かかる圧力測定システムの他の例が開示されている。圧力センサワイヤは、外部装置と接続するように配置された通信ユニットと通信信号を介して無線通信するように構成された送受信ユニットと、その近位端で接続されるように構成される。
その全体が本明細書に組み込まれ、本譲受人に譲渡された米国特許第6112598 A、及び、米国特許第7207227 B2において、かかる圧力センサ及びガイドワイヤ・アセンブリの他の例が開示されている。
このように、本発明に係るインターフェースユニット及びシステムは、上記で参照した特許及び特許出願に開示されるような複数のセンサワイヤ・アセンブリに適用可能である。
米国特許出願公開第2006/0009817 A1 米国特許第7724148 B2 米国特許第6112598 A 米国特許第7207227 B2
従って、本発明の目的は、より低いノイズ特性を有するセンサインターフェース回路を備える、改良されたインターフェースユニットを提供することである。
本発明の他の目的は、高信号出力を維持しつつ、センサの電力消費を低減し、自己発熱を低減した、センサインターフェース回路を備える、改良されたインターフェースユニットを提供することである。
上記の目的は独立請求項に係る本発明により達成される。
好ましい実施の形態は独立請求項において下記のように記載される。
第1の特徴によれば、本発明は、生体内の少なくとも1つの生理学的又はその他の変数を測定し、変数に応じてセンサ信号を生成するように構成された血管内測定システム用の体外インターフェースユニットに関するものである。インターフェースユニットは、生体内に挿入されるように構成され、その遠位領域に一つ又は複数のセンサ素子を設けたセンサワイヤとインターフェース接続するように構成されたセンサインターフェース回路を備える。センサインターフェース回路は、変数の測定データをデジタルセンサ信号として生成するように構成された測定ユニットを備える。インターフェースユニットは、インターフェースユニットの異なる複数の機能を制御し管理するように構成された制御ユニットを更に備え、異なる複数の機能は、同一の時間を有する複数の連続する制御期間の間に所定の複数のタスクによって実行される。各タスクの間にインターフェースユニットの所定の機能が実行される。各所定のタスクは割り当てられたタスク時間長さを有し、そのうちのただ1つのタスクが同じ時間に実行され、制御期間における各タスクは前記制御期間内に所定のタスク時間スロットを有する。制御期間内の複数のタスクは特定のタスク分離期間により分離される。
本発明は、測定のための複数の時間スロットを無線伝送又は他の電気的活動から時間的に分離することにより、測定に悪影響を与える可能性がある雑音のレベルを低減するという、知見に基づくものである。
他の特徴によれば、本発明は、異なる複数の機能が実行される際に電源が短時間だけスイッチオンされ、それ以外の場合にスイッチオフされれば、平均センサ電力消費がそれにより低減されるという、知見に基づくものである。
したがって、本発明は、測定を行う際に、切り替え電流源の使用、あるいは、整合した複数の抵抗の使用に適用可能である。
第2の特徴によれば、本発明は、体外インターフェースユニット等を備える測定システムに関するものである。
図1は、本発明の一実施形態に係るインターフェースユニットを示すブロック図である。 図2は、インターフェースユニットの連続する3つの制御期間を示すサンプリング方式を示す。 図3は、本発明の一実施形態に係るインターフェースユニット内に配置されるように構成され、切り替えられた複数の電流源ユニットを備えるセンサインターフェース回路を示す。 図4は、本発明の一実施形態に係る切り替えられた複数の電流源ユニットを備えるインターフェースユニットを示すブロック図である。 図5は、インターフェースユニットに切り替えされた複数の電流源ユニットを使用するときの6つの連続する制御期間を示すサンプリング方式を示す。 図6は、本発明による、送受信ユニット内に配置されたインターフェースユニットを備える測定システムを示す。 図7は、本発明による、コネクタユニットに配置されたインターフェースユニットを備える測定システムを示す。
本発明は、例えば送受信ユニット、例えばPressureWire(登録商標)、Aeris(登録商標)(出願人が所有する商標)送信機内に配置されるように構成されたインターフェースユニット8、又は、生体内で変数を測定するためのセンサを遠位端に設けたセンサワイヤの近位端に接続されるように構成されたコネクタユニットに関するものである。センサのセンサ素子が体腔内と流体連通するように配置されるとき、周囲の媒質からセンサ素子の薄膜に作用する圧力は、薄膜の伸縮やたわみに対応し、薄膜上に搭載されたピエゾ抵抗素子の抵抗値に対応し、ひいては、インターフェースユニットに伝達されるセンサ素子からの出力に対応するであろう。
図1は、本発明の1つの実施形態による、生体内の少なくとも1つの生理学的又は他の変数を測定し、変数に応じてセンサ信号を生成するように構成された、血管内測定システムのための体外のインターフェースユニット8を示すブロック図である。図1に示すように、インターフェースユニット8は、生体内に挿入され、その遠位領域に一つ又は複数のセンサ素子を設けるように構成されたセンサワイヤ(図示せず)とインターフェース接続するように構成されたセンサインターフェース回路6を備え、センサインターフェース回路6は、変数の測定データをセンサ信号として生成するように構成された測定ユニット9を備えている。インターフェースユニット8は、インターフェースユニット8の異なる複数の機能を制御し管理するように構成された制御ユニット1を備えている。
図2に示すように、異なる複数の機能は、同一の継続時間tcpを有する連続した複数の制御期間CPの間に所定の複数のタスクT,T,・・・Tによって実行される。各タスクT,T,・・・Tの間に、インターフェースユニット8の所定の機能が実行される。各所定のタスクT,T,・・・Tは割り当てられたタスク時間長さt,t,t,・・・tを有し、そのうち1つのタスクT,T,・・・Tのみが同じ時間で実行され、制御期間CPにおける各タスクT,T,・・・Tは制御期間CP内に所定のタスク時間スロットを有し、制御期間CP内の複数のタスクT,T,・・・Tは特定のタスク分離期間tにより分離されている。
一実施形態によれば、異なる複数の機能は、少なくとも1つの変数の測定、測定データの処理、外部装置との無線通信、組織への電気的刺激、又は、組織の切除の実行のうち1つまたは複数を含む。
図2において、第1の制御期間CPは、4つの異なる所定のタスクT,T,T,Tを含む。所定の各タスクT,T,T,Tは、インターフェースユニット8の機能の実行に対応する。第2の制御期間CPは、3つの異なる所定のタスクT,T,T等を含んでいる。従って、この異なる複数の機能は、制御期間CPの全ての回に実行される必要はない。場合によっては、特定のタスク、例えば、測定又は他の機能を実行するのは、複数の制御期間CPの2回に1回、3回に1回、又は4回に1回、又は、特定のタスクが実行される間のより長い期間であっても十分である。これは当然、測定される変数又は他に実行される機能の性質に依存する。例えば、温度が測定される場合には、温度は圧力よりも通常はるかに遅く変化するため、圧力が測定される場合に比べて少ない回数で温度を測定すれば十分なことが多い。
一実施形態では、所定のタスクT,T,・・・Tは、割り当てられた実行周波数50〜500Hzを有する。割り当てられた実行周波数は、所定のタスクT,T,・・・Tが、複数の制御期間CPの毎回で、制御期間CPの2回に1回の割合で、制御期間CPの3回に1回の割合で、又は、制御期間CPの4回に1回の割合等で実行されるか否かを示す。
一実施形態では、変数を測定する機能は、約50〜500Hzのレートで実行される。一実施形態では、測定データの処理は、400Hzのレートで実行される。外部装置との無線通信は、約400Hzのレートで実行してもよい。組織の電気刺激は、約1〜200Hzのレートで実行してもよい。組織の切除は、10〜500Hzのレートで実行してもよい。
センサインターフェース回路6は、少なくとも1つの電源11によって電力供給されるように構成される。一実施形態によれば、電源11は、タスク分離期間tの間だけスイッチオフされる。電源11が、関係する所定のタスクT,T,・・・Tが実行されるとき短時間だけスイッチオンされ、それ以外はスイッチオフされるように、タスク分離期間tの間スイッチオフされるとすれば、平均センサ電力消費は低減され、それにより、高い信号出力を提供しつつセンサ素子の自己発熱を低減する。
平均センサ電力Paverageは、以下のように削減することができる。
Figure 2015231543
ここで、Psensorはセンサに供給される瞬間電力であり、tは電源がオンされる時間であり、tcpは制御期間CPの継続時間である。タスク分離期間tは、約10〜1000μsである。
本発明の一実施形態では、センサインターフェース回路6は、変数を測定するときは、定電圧源から励起されたホイートストン・ブリッジ型の回路において高精度に抵抗値が整合した抵抗器対(R,R)を使用する。ホイートストン・ブリッジ型の回路は、アクティブ抵抗Rとパッシブ抵抗Rを備える。ホイートストン・ブリッジ型の回路は、センサワイヤのセンサ素子の薄膜上に搭載されたピエゾ素子に接続されるように構成される。
他の実施形態によれば、図3に示すように、センサインターフェース回路6は、2つの電流I,Iを生成し、センサワイヤ7のセンサ素子(図示せず)に通電するように構成された、2つの電流源ユニットを使用する。したがって、センサインターフェース回路6は、少なくとも二つの接続点CP1、CP2を介して、生体内の生理学的又は他の変数を測定するためのセンサを遠位端に設けたセンサワイヤ7の近位端に接続されるように構成される。センサインターフェース回路6は、複数の接続点CP1,CP2の2つの間(図3では点線で示される)で接続が交互に切り替えられる、第1及び第2の電流I,Iを生成する2つの電流源ユニットCSU1,CSU2を備える。少なくとも一つの変数を測定する際に、連続する切り替え状態の間の平均測定値Vdiffを測定することで、温度ドリフトによるオフセット電流の影響がキャンセルされるという効果がある。
図4に示す実施形態によれば、2つの電流源ユニットCSU1、CSU2を備える体外のインターフェースユニット8が、概略的に示される。体外のインターフェースユニット8は、変数に応じてデジタルセンサ信号を生成するように構成される。インターフェースユニット8は、生体内に挿入されるように構成され、その遠位領域に一つ又は複数のセンサ素子を設けたセンサワイヤ(図示せず)にインターフェース接続するように構成されたセンサインターフェース回路6を備える。インターフェースユニット8は、インターフェースユニット8の異なる複数の機能を制御し管理するように構成された制御ユニット1を備える。センサインターフェース回路6は、更に、変数の測定データをデジタルセンサ信号として生成するように構成された測定ユニット9を備える。電流源ユニットCSU1,CSU2は、少なくとも2つの接続点CP1,CP2,・・・CPnを介して1つ又は複数のセンサ素子に電力供給するように構成される。センサインターフェース回路6は、さらに、1つの制御期間CPから次の制御期間CPまで、複数の電流源ユニットCSU1,CSU2との複数の接続点CP1,CP2,・・・CPnのうち少なくとも2つとの間で交互に接続を切り替えるように構成されたスイッチングユニット10を備える。各接続は、タスク時間長さ(task time period length)t,t,・・・tを有する所定の複数のタスクT,T,・・・Tのうちの1つの間で維持される。
さらに、図4において、測定される変数により、複数の接続点CP1,CP2,・・・Cpnを切り替えるように構成されている測定切替ユニット15が示されている。
一実施形態では、タスク時間長さt,t,・・・tは、各接続に対して略同じであり、測定ユニット9は、複数の接続点CP1,CP2,・・・CPnのうち2点間での変数に関するセンサ変数値Vdiffを決定するように構成される。センサ信号は、少なくとも2つのタスク時間長さt,t,・・・tから得られるセンサ変数値の平均値Vdiffに関するものである。
このように、切り替えられた電流源ユニットCSU1,CSU2は、少なくとも1つの変数を測定することに関して好適に使用される。電源11は、さらに、測定データの処理、外部装置と無線通信、組織の電気刺激、又は組織の切除を行なうことを含む複数の機能のうち1つ又は複数に電力供給するように構成されている。
一実施形態によれば、上記と同様の方法で、2つの電流源ユニットCSU1,CSU2は、目的の信号を測定するときに短時間だけスイッチオンされ、それ以外のタスク分離期間tの間はスイッチオフされるように、時間によって切り替えられる。
複数の制御期間CPの継続時間は、0.5〜20msの間であってもよい。一実施形態では、複数の制御期間CPの継続時間は、約2.5msである。
図5において、インターフェースユニット8について、6つの連続する制御期間CP1,CP2,・・・CP6を示すサンプリング方式が示されている。複数の制御期間CPは、異なる複数の機能を実行するための多数の期間に分割され、各期間には、タスク時間長さt,t,・・・tを有する所定のタスクT,T,・・・Tが割り当てられる。例えば、複数のセンサが使用されている場合には、各センサに異なる期間を割り当てることができる。図5において、第1の制御期間CPは、4つの異なる所定のタスクT,T,T,Tを含む。アスタリスク(*)は、複数の電流源が切り替えられることを示す。従って、タスクTの間の第1の制御期間CP1において、変数の測定が実行され、タスクT の第2の制御期間CP2において、同じ変数の測定が再度実行されるが、その間に複数の電流源の切り替えが行われる。図5は、さらに、制御期間CP毎に測定及び他の機能を実行する必要がないことを示している。従って、いくつかの場合では、特定のタスク、例えば、測定又は他の機能を実行するのは、複数の制御期間CPの2回に1回、3回に1回、又は4回に1回で十分である。したがって、測定が制御期間CPの4回に1回の割合で、例えば、CP1とCP5間のタスクT2で実行される場合は、切り替えも制御期間CPの4回に1回の割合で実行される。
図6において、生体内の少なくとも1つの生理学的又はその他の変数の血管内測定のための測定システム12が概略的に示されている。測定システム12は、体内に挿入されるように構成され、先端領域にセンサ素子(図示せず)を設けたセンサワイヤ7と、測定データを受信するように構成された外部装置13を備える。測定システム12は、センサワイヤ7の近位端14に接続されるように構成された体外インターフェースユニット8を備える。図6に示すように、インターフェースユニット8は、変数に応じてセンサ信号を生成するように構成され、その測定データは外部装置13に伝送される。インターフェースユニット8は、無線接続を介して外部装置13にセンサ信号を伝送するように構成された送受信ユニット16内に配置される。
他の実施形態では、図7に示すように、インターフェースユニット8は、ケーブル接続を介して外部装置13にセンサ信号を伝送するように構成されたコネクタユニット17内に配置されている。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。様々な代替、修正及び均等物を用いることができる。従って、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

  1. 生体内の少なくとも1つの生理学的又はその他の変数を測定し、前記変数に応じてセンサ信号を生成するように構成された血管内の測定システム用の体外のインターフェースユニットであって、
    前記変数に関するセンサ変数値に基づいてセンサ信号として生成するように構成された測定ユニットを備え、生体内に挿入され、遠位領域に1又はそれ以上のセンサ素子を設けたセンサワイヤのインターフェース接続に適合したセンサインターフェース回路と、
    前記インターフェースユニットの異なる複数の機能を制御及び管理するように構成された制御ユニットと、
    前記センサインターフェース回路に電力供給する電源と、を備え、
    前記異なる複数の機能は同一の時間を有する複数の連続する制御期間の間に所定の複数のタスクにより実行され、各タスクの間に前記インターフェースユニットの所定の機能が実行され、
    前記制御ユニットは、割り当てられたタスク時間長さを有する各所定の複数のタスクのうちのただ1つのタスクを同じ時間に実行し、制御期間が有するタスク時間スロットに、1つの制御期間における各タスクを割り当て、1つの制御期間内の前記複数のタスクを特定のタスク分離期間により分離するように構成され、
    前記電源は、前記タスク分離期間の間は前記センサインターフェース回路に電力供給しないことを特徴とするインターフェースユニット。
  2. 前記異なる複数の機能は、前記少なくとも1つの変数の測定、測定データの処理、外部装置との無線通信、組織への電気的刺激、又は、組織の切除の実行の一つ又は複数を含むものである請求項1に記載のインターフェースユニット。
  3. 前記所定のタスクは、50〜500Hzの所定の実行周波数を有する請求項1又は2に記載のインターフェースユニット。
  4. 前記所定のタスクは、所定の実行周波数を有し、
    前記所定の実行周波数は、前記所定のタスクの実行(制御期間の2回に一回の割合で、制御期間の3回に一回の割合で、又は、制御期間4回に1回の割合)により決定される請求項1又は2に記載のインターフェースユニット。
  5. 前記タスク分離期間は、10〜1000μsの範囲である請求項1〜4のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  6. 前記センサインターフェース回路は、少なくとも2つの接続点を介して前記センサ素子に電源供給するように構成された2つの電流源ユニット、及びスイッチングユニットを備え、
    前記スイッチングユニットは、第1の制御期間の開始から次の第2の制御期間の開始までの間に、前記2つの電流源ユニットと前記少なくとも2つの接続点との間で交互に接続を切り替えるように構成される請求項1〜5のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  7. 前記タスク時間長さは、前記電流源ユニットと前記少なくとも2つの接続点の間の各接続について略同一であり、
    前記センサ変数値は前記少なくとも2つの接続点から測定される請求項6に記載のインターフェースユニット。
  8. 前記センサ信号は、前記電流源ユニットと前記少なくとも2つの接続点との間の第1の接続状態の際の少なくとも1つのタスク期間、及び前記電流源ユニットと前記少なくとも2つの接続点との間の前記第1の接続状態と異なる第2の接続状態の際の少なくとも1つのタスク期間から算出されるセンサ変数値に基づいて求められる、請求項6に記載のインターフェースユニット。
  9. 前記複数の制御期間の前記期間が0.5〜20msである請求項1〜8のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  10. 前記複数の制御期間の前記期間が2.5msである請求項1〜8のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  11. 前記電源は、測定データの処理、外部装置との無線通信、組織への電気的刺激、組織の切除の実行を含む前記複数の機能の1つ又は複数に電力を供給するように構成される請求項1〜10のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  12. 前記インターフェースユニットは、無線接続を介して外部装置に前記センサ信号を伝送するように構成された送受信ユニット内に配置される請求項1〜11のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  13. 前記インターフェースユニットは、ケーブル接続を介して外部装置に前記センサ信号を伝送するように構成されたコネクタユニット内に配置されている請求項1〜11のいずれか1項に記載のインターフェースユニット。
  14. 生体内の少なくとも1つの生理学的又はその他の変数の血管内測定用の測定システムにおいて、
    生体内に挿入されるように構成され、遠位領域に配置されたセンサ素子を備えたセンサワイヤと、
    測定データを受信するように構成された外部装置を備え、
    前記センサワイヤの近位端に接続されるように構成された請求項1〜13のいずれか1項に記載の体外のインターフェースユニットを備えることを特徴とする測定システム。
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