JP2018532987A - 光ファイバーセンサ及び微動の監視方法 - Google Patents

Abstract

微動を検知するためのセンサがここに提供される。各実施形態において、センサは、環状構造を含み、一本の連続的なマルチモード光ファイバーが実質的に平面内に位置された複数のループに配列されることによって形成される。環状構造における各ループは、隣接したループと部分的に重なり且つ横ずれする。センサは、該環状構造の第１の端部に結合された光源と、該環状構造の第２の端部に結合された受信機と、一つ又は複数の制御及び処理モジュールとを更に含む。関連する製造方法及び使用方法も開示される。

Description

本明細書中で言及された開示及び特許出願のすべては、単独の開示又は特許出願毎に、具体的かつ個別にその全体が援用の方式によって組み込まれるよう指示されたかのように、引用によりその全体が本発明に組み込まれている。

本発明は、一般に、ファイバーオプティックスの領域に関し、具体的には、改良した光ファイバーセンサの構成及びそれに関連する製造及び使用方法に関する。

インターネット接続ディバイスとディジタル医療産業の出現に伴い、健康と健康監視は、既にますます注目する領域になった。ヘルスケア施設の内外のいずれにおいても、生命徴候、例えば、心拍数、心弾動信号（ballistocardiogram signals）及び呼吸率を監視することが望ましい。医療の場において、生命徴候の追跡は、医療ケアの提供者がベッドサイドにいない場合の患者安全の保障、健康状態の診断、患者の経過の監視、患者看護の計画にとって必要不可欠であり得る。医療の場の外において、生命徴候及び姿勢の追跡により個人にその健康状況を定量化し概念化させることができ、これにより、個人がその健康への気配りや健康ニーズを維持し、経過を可視化させ、健康とフィットネスの目標を達成するために必要な動機を保持することに助力する

現在の消費者市場における生命徴候追跡装置は、相当に押し付けがましく、例えば、現在の心拍数監視装置は、しばしば、個人に対して監視装置を患者の胸腔周囲に括り付けるよう要求する。多くの生命徴候追跡装置は、一つのタイプの生命徴候、例えば、心拍数を検知するよう構成された一つのタイプのセンサのみを含む。なお、消費者市場における生命徴候追跡装置は、あまり正確でない。医療の場においては、ずっと正確な装置が利用可能であるが、これらは、しばしば、患者のベッドサイドに設置可能なかなり大きい装置であり差込口への接続と患者につけたリード線とを必要とする。これらの床頭装置の付属品は、患者の不安を引き起こす恐れがあり、且つ、これらの装置は高価で、携帯不能で、さらに、容易に電磁妨害が生じやすい。

現在の生命徴候追跡装置に取り替わるものとして、光ファイバーセンサは研究の場でますます注目されてきた。光ファイバーセンサは、化学的不活性でＥＭＩに強い。更に、それらは、携帯可能で、据え付け品例えば、マットレスパッドやクッションに集積可能である。据え付け品に集積された装置は、ベッドサイドの装置やウェアラブルな装置を凌駕する多数の利点を有する。例えば、据え付け品に集積された装置は、センサ、電子、電源との間のルーズ接続線又は無線データ送信機を低減することを許容する。これらの低減は、より高い信頼性、データ質量及び安全性を取得する。

しかしながら、今日までに開発された光ファイバーセンサ従来の監視システムに対して好適な代替となったことを証明していない。例えば、「医療監視用の医療用織物内に埋め込まれた光ファイバーセンサ」（“Optical Fibre Sensors Embedded into Medical Textiles for Healthcare Monitoring”）「ＩＥＥＥセンサ」、２００８年８（７）、第１２１５−１２２２ページ、において、グリレット（Grillet）らは、単一モードマクロ屈曲光ファイバーセンサ（single mode macro-bending fiber sensor）を、呼吸数（respiratory rate）を計測するベルト（belt）に集積させることを提案した。光ファイバー軸の直線から巨視的にずれるために、マクロ屈曲センサには、通常に顕著な光損失があり、結果として感度が低くなる。このようなセンサでは、精確に計測必要な心拍数又は心弾動信号を正確に測定するために必要な胸壁の微細な動きは検知されそうにない。

感度を向上させるための努力において、光ファイバーセンサのための代替的方法を提出した者たちもいる。例えば、米国の特許第６，４９８，６５２号において、ワサ二ヤ（Varshaneya）らは、光学位相干渉法を利用して患者の生命徴候を監視するフィバーセンサ監視装置を開示した。光学位相干渉法には、いくつかの制限がある。例えば、高価な位相変調器とコヒーレント（coherent）光源を必要とし、顕著なコストと複雑性とを付加し、このことで広範な商業的応用が非現実的となっている。他の提案した設計は、感度、度及びコストのバランスに努めた設計も提案された。このように、新規で有用な光ファイバーセンサが必要とされている。

本発明は、新型で有用な光ファイバーセンサ及び、姿勢と生命徴候とを監視する関連するシステムと方法とを提供する。ここで提供される様々な実施形態は、これまでに設計されたファイバーオプティックス生命徴候監視システムの一つ又は複数の欠陥を克服する。

本発明の一側面は、例えば、生理学的微動を検知するためのセンサに関する。様々な実施形態において、前記センサは、実質的に一つの平面上に配置された複数のループ（loop）によって構成さるた連続するマルチモード光ファイバー（multi-mode optical fiber）で形成された環状構造を含む。若干又は全てのループのサイズは、同じである。環状構造中の各ループは、部分的に重なり且つ隣接するループに横ずれする。前記センサは、更に、環状構造の第１の端部に結合される光源と、環状構造の第２の端部に結合される受信機とを含む。受信機は、環状構造を通過した光の強度変化を検知するように構成される。いくつかの実施形態における前記センサは、更に、光源を駆動するドライバーと、受信機によって受信した光を処理する一つ又は複数の構造とを含む。例えば、いくつかの実施形態において、前記センサは、信号増幅器とアナログディジタル（ＡＤ）変換器とを含む。いくつかの実施形態において、前記センサは、信号フイルタを含む。様々な実施形態において、前記センサはまた、制御及び処理モジュールを含む。

いくつかの実施形態において、前記センサは、圧力センサ、力センサ、又は振動センサである。いくつかの実施形態において、連続するマルチモード光ファイバーのコアの直径は、連続するマルチモード光ファイバーの総直径の４９％より大きい。

いくつかの実施形態において、各ループは、正方形、他の矩形、又は他の平行四辺形を形成する。他の実施形態において、各ループは、円形又は他の楕円形を形成する。また、他の実施形態において、各ループは、一つの不規則なマッチング形状を形成する。

いくつかの実施形態において、連続するマルチモード光ファイバーは、ガラス、プラスチック、又は他の好ましい材料によって製造される。

いくつかの実施形態において、前記センサは、複数の環状構造を含む。これらの実施形態において、前記複数の環状構造は、１本の連続するマルチモード光ファイバーによって形成され、これにより、前記センサ内の各環状構造は、直接に他の一つの環状構造に接続される。他の実施形態において、複数の環状構造は、複数のマルチモード光ファイバーを含み、該マルチモード光ファイバーのそれぞれが別々の環状構造を形成する。複数の環状構造は、同一の平面に互いに隣接するよう配置してもよい。また、他の実施形態において、複数の環状構造は、部分的に又は完全に相互に重なってもよい。

様々な実施形態において、前記センサは、マットレス、クッション、又は他の固定物又は構造の中に設置される。これらの実施形態において、前記センサは、トップカバーの下方に配置され、付加的に又は代替的に、いくつかの実施形態において、前記センサは、ボトムカバーの上方に配置される。いくつかの実施形態において、前記センサは、更に、網状構造を含む。このような実施形態において、前記網状構造は、光ファイバー環状構造の上方に又は下方に分布した単層メッシュである。他の実施形態において、前記網状構造は、二層メッシュによって構成され、当該二層メッシュは、光ファイバー環状構造を間に挟める。

本発明の他の側面は、微動を検知するためのセンサの製造方法に関し、例えば、上記又はここで記載されるセンサの何れかの実施形態である。各様々な実施形態において、前記方法は、一つの軸を提供するステップと、該軸を回転するステップと、一本の連続するマルチモード光ファイバーを、回転する軸の周りに巻き付けるステップと、該マルチモード光ファイバーを前記軸から平面上に移転するステップを含む。

いくつかの実施形態において、前記軸は、自身に結合された複数の結合素子を備え、前記複数の結合素子は、前記軸の回転に伴って回転する。このような実施形態において、マルチモード光ファイバーは、前記軸の結合素子と係合され、一方で連続するマルチモード光ファイバーは、回転軸の周囲に巻回される。いくつかの実施形態において、軸からマルチモード光ファイバーを移転することは、軸から複数の結合素子を分離することを伴う。他の実施形態において、前記軸からマルチモード光ファイバーを移すことは、結合素子からマルチモード光ファイバーを外すことを伴う。いくつかの実施形態において、前記複数の結合素子は、軸の横方向に相等し又はほぼ相等に間隔を開ける。いくつかの実施形態において、前記複数の結合素子は、一つ又は複数のテープ、グルー、樹脂、他の接着剤化合物、フック、ラッチ、又は他の物理的結合素子を含む。

さらに他の実施形態において、前記軸は、軸方向に軸表面に沿って延伸した溝又は他の表面構造を含み、また、楔、ロッド又は他のツールは、前記軸からの前記ファイバーの除去を容易にするために、巻き付けられたマルチモード光ファイバーの下方で、溝へ挿入されることができ、かつ、溝から除去されることができる。

いくつかの実施形態において、マルチモード光ファイバーは、前記軸が回転する際に、アームを前記軸に対して第１の位置から前記軸と平行する第２の位置へ軸方向に移動させることにより、前記軸に巻き付けられる。このような実施形態において、前記アームは、マルチモード光ファイバーを前記軸上に分配するように構成される。

本発明のさらに他の側面は、患者の健康及び/又は活動情報を検知する方法に関する。様々な実施形態の方法は、微動を検知するためのセンサを患者の身体下方に配置するステップを含み、例えば、上記又は本明細書中の他の箇所で記載されるセンサの何れかの実施形態である。様々な実施形態において、前記方法は、更に、受信機を用いて前記環状構造を通過する光の強度の変化を検知するステップと、光の強度の変化によって患者の生命徴候を測定するステップとを含む。様々な実施形態において、光の強度の変化は、人体の一つ又は複数の微動によって引き起こされるファイバーの変形と対応する。いくつかの実施形態において、患者の健康及び/又は活動情報は、心弾動図波形、心拍動、呼吸、他の生命徴候、体重、姿勢、又は体重もしくは姿勢の変化の一つ又は複数を含む。

従来の光ファイバーセンサの実施例を示す概略図である。 本発明に係る、の微動を検知するセンサの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサの他の一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサの他の一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサの他の一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサを含む支持構造の一実施形態を示す分解図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサ内に配置するための光ファイバー構造の一実施形態を示す配置図である。 本発明に係る、光ファイバーセンサに含まれる計算装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明に係る、微動を検知するセンサの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明に係る、微動を検知するセンサを製造する過程における、軸と巻き付けられた光ファイバーの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る、光ファイバーセンサを用いて患者の健康と活動情報を検知する方法の一実施形態を示すフローチャートである。

本発明の、提供された図面及び以下の実施形態の説明は、本発明をこれらの実施形態に限定するために企図されたものではなく、当業者がして本発明を製造し使用することを可能にするために提供されたものである。ここに、新しい光ファイバーセンサ、及び該光ファイバーセンサを製造し使用するための関連する方法を掲示する。さらに、該光ファイバーセンサを用いて姿勢及び生命徴候を監視する方法の実施形態を掲示する。

前書き
過去に、光ファイバーセンサシステムは、加えられた圧力又は力を検知するために開発された。例えば、胡（Hu）が出願した米国出願第１４/７３８，９１８号において、図１に示すように、光ファイバーセンサは、光ファイバー１００を含み、光ファイバー１００の第１の端部が、光源（例えば、レーザー、ＬＥＤ、ＯＬＥＤなど）１０４に結合され、第２の端部が光信号受信機（例えば、光検出器）１０６に結合される。光ファイバーはまた、その第１の端部で光源ドライバー（例えば、ＬＥＤドライバー）１０５に結合され、かつ、第２の端部で信号処理コンポーネントに結合されることもでき、信号処理コンポーネントは、例えば、一つ又は複数の増幅器１０７、アナログディジタル（ＡＤ）変換器１０８、及びフイルタである。光源１０４は、光ファイバー１００へ光波を放射するように構成される。光ファイバーセンサは、表面に加えられた力により光ファイバー１００が変形し、クリンプ（crimp）し、又はマイクロ屈曲（micro-bend）し、これによって次に、光ファイバー１００中の光波の伝搬に影響を及ぼすように配置される。光ファイバー１００のマイクロ変形でも、光ファイバー１００内の光強度における検知可能な変化をもたらし得る。光信号受信機１０６は、光波伝搬の変化を検知するように構成される。光波伝搬における変化は、計算装置１０９によって処理して分析され、監視中の光強度における検知可能な変化と関連付けられる。例えば、理論的に、仮に前記センサシステムが十分に鋭敏で正確としたら、計算装置は、光波伝搬中の検知された変化を招いた、加えられた圧力、力、圧力もしくは力の変化を定量化でき、且つ加えられた圧力又は力がそれと関連付けられることができ、したがって、患者の位置及び/又は生命徴候を検知することに用いられる。

光ファイバー圧力センサ又は力センサを広範な医療監視用に商業的に実行可能にさせる取り組みにおいて、最近、マルチモード光ファイバーを利用する光ファイバーセンサシステムが開発された。マルチモード光ファイバーは、光源からの光の、軸方向モードと少なくとも一つのより高次のモードとを含む複数モードのスペクトルを受信する。有利なことに、マルチモード光ファイバーセンサシステムに使用される装置は、単一モード光ファイバーセンサシステムに使用される装置よりも、かなり安価で簡単である。

マルチモード光ファイバーのコアの直径は、単一モード光ファイバーよりも大きく、典型的には、コア直径の値が５０と６２.５μｍである。１００μｍ、１０５μｍ、２００μｍ、又は他の好適な寸法の直径も使用できる。マルチモード光ファイバーを使用して、透明な光ファイバーは、反射被覆層によって取り囲まれた一つのコアを形成する。ある角度で光ファイバーに入射する光線は、ある角度で被覆層に照射する。仮に照射角度が限界角より大きいと、光線は、被覆層によって光ファイバー内に反射され、且つ光ファイバーの長さに導かれ、繰り返し被覆層から照射角度でバウンドする。光線が限界角より小さい急峻な角度で入射すると、光線は、被覆層を通過して消失する。類似して、仮に光ファイバー経路中に、どのような光伝搬も限界角より小さい角度で被覆層に照射するようなマクロ屈曲が存在すると、光は光ファイバー中で消失する。例えば、マクロ屈曲からの意図しない光損失は、信号減衰とセンサの感度及び精度の低下を招く。顕著な光損失を防止するために、各光ファイバーは、列挙された屈曲極限を有し、これは、その以下では光ファイバーが屈曲されることがないような最小半径として与えられる。

したがって、図１に示すような、また例えば陳などによる米国特許出願公開第２０１２/０２０３１１７号のような先行技術文献において、これまでに提案された光ファイバーセンサ構造は、屈曲度が最小半径よりわずかに大きい蛇状のファイバー構造を使用する。通常、３cm、５cm又はより大きい半径が使用される。このような構造は、比較的大きな屈曲度の需要と、表面上の光ファイバーの表面積被覆率（密度）を最大にしたいとの要求とのバランスを目指す。密度が大きいほど、対応して、検知した表面の圧力又は力の位置が多くなる。しかしながら、図１に示すように、蛇状構造に必要な比較的大きな屈曲が、平行な光ファイバーの各断面の間に、比較的大きな隙間が生じることを招く。したがって、表面には、圧力と力とを検知できない多数の箇所が有る。したがって、本開示の著者は、大幅な光損失の増大を招くことなく光ファイバーの密度の向上を可能にする改善されたマルチモード光ファイバー構造が必要とされていることを発見した。以下、このような構造を詳細に説明する。

光ファイバーセンサシステム
センサの感度及びマルチモード光ファイバーの検知被覆率/密度を向上させる、新型な光ファイバーセンサ構造の各種の実施形態を開示する。本発明が提供する改善された光ファイバーセンサシステムは、十分に鋭敏で正確に個人の心拍、心弾動信号、呼吸及び/又は体重の変化を検知する。改善された光ファイバーセンサ構造を備える光ファイバーシステムが個人の下方に配置される場合に、上記の生理学的パラメータ又は活動が微動を引き起こし、該微動が、光ファイバーに加えられる圧力の変化を招く。これらの印加された力は、光ファイバーをマイクロ屈曲させ、いくらかの光損失を招く。光信号受信機は、光ファイバー内を伝搬する残りの光を受信して、光損失量を特定することができる。光残量及び/又は光損失量を処理することによって、加えられた圧力又は力の変化を特定し、これにより、患者の対応する心拍、呼吸、及び/又は身体運動を特定する。

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図２に示すように、前記改善された光ファイバーセンサ構造は、一本又は多本の環状又は螺旋状構造のマルチモード光ファイバー２０２を含む。様々な実施形態において、環状光ファイバー構造は、一本の連続する光ファイバー２０２によって形成された複数のループを含む。環状構造における各ループは、部分的に重なり且つ隣接するループからずれている。

蛇状構造と比べて、前記環状構造は、光ファイバーの被覆密度を増大させるとともに、光ファイバー２０２の屈曲半径を増大させる。光ファイバーの緊密な屈曲を最小化することによって、前記改善した光ファイバーセンサ構造は、光損失を低減し、これにより、センサの感度を向上させるとともに、光ファイバー２０２の摩損を低減させ又は緩めさせ、且つ構造が損傷した光ファイバーによって引き起こされる光ファイバー信号のアーチファクト（artifact）を低減させる。全ての図に示すように、様々な実施形態において、前記環状構造は、蛇状構造と比べて、光ファイバーを比較的多くの表面に被覆させることができる。例えば、蛇状構造において、一般的に、平行な各光ファイバーセグメントの間の距離は、少なくとも３cm〜５cmを需要する。本明細書で提供された各種の実施形態において、平行な各光ファイバーセグメントの間の距離は、１mm〜１０mmであり、好ましくは、２mm〜５mmである。

いくつかの実施形態において、例えば、図２に示すように、各光ファイバーループ２０２は、円形辺縁を有するほぼ平行四辺形の構造（例えば長方形、正方形など）を形成する。急激な屈曲は存在しない。他の実施形態において、例えば、図３-６に示すように、環状光ファイバー構造は、円形又は楕円形の構造を含んでもよい。いくつかの実施形態において、前記環状構造は、急激な屈曲を有しない不規則な形状を形成してもよい。光ファイバーは、ガラス、プラスチック又は何れかの適切な材料によって制作できる。構造の集積度と感度とを向上するために、各種の実施形態における光ファイバーセンサは、比較的大きなコア直径を有する光ファイバーを使用する。いくつかの実施形態において、コア直径は、前記連続するマルチモード光ファイバーの総直径の４９％より大きい。いくつかの実施形態において、総直径に対するコア直径の比率は、０.５より大きい。総直径は、コア光ファイバーの直径と外の被覆層の直径とを含む。いくつかの実施形態において、コア直径は、マルチモード光ファイバーの総直径の４９％〜８８％である。いくつかの実施形態において、光ファイバーの総直径は、１２５μｍである。このような実施形態において、コア光ファイバーの直径は、６２.５μｍ〜１１０μｍであり、好ましくは、９０μｍ〜１１０μｍである。他の実施形態において、採用された光ファイバーの総直径は、２５０μｍである。このような実施形態において、コア光ファイバーの直径は、１８０μｍ〜２２０μｍである。他の実施形態において、何れかの適切な寸法のマルチモード光ファイバーが、使用されてよい。

各種の実施形態における環状光ファイバー構造２０２は、光源２０４、例えばレーザー、ＬＥＤ、ＯＬＥＤに結合された第１の端部を有する。ＬＥＤを用いる実施形態において、ＬＥＤドライバー２０６も設けられてよい。ＬＥＤドライバーは、ＬＥＤに流れる電流を制御するように機能する。環状光ファイバー構造２０２の第２の端部は、光信号受信機（例えば、光検出器）２０８及び一つ又は複数の信号処理コンポーネント２１０、例えば増幅器及びＡＤ変換器に結合される。フイルタ、例えば帯域フイルタ（band-pass filter）又は低域フイルタ（low-pass filter）を採用してもよい。制御及び処理モジュール２１２もまた、光ファイバーセンサ２００の一部分を構成する。いくつかの実施形態において、単一の制御及び処理モジュール２１２が設けられ、制御及び処理モジュール２１２は、光ファイバーの光生成端部と光受信端部とに電気的に接続される。これらの実施形態において、制御及び処理モジュール２１２は、光源２０４及び/又は光源ドライバー２０６に直接に結合されてもよく、さらに、信号受信機２０８及び/又は一つ又は複数の信号処理コンポーネント２１０に直接に結合されてもよい。他の実施形態において、例えば、図３に示すように、単独の制御モジュール３０８及び単独の処理モジュール３１４が設けられる。少なくともこれらの実施形態一部において、光生成コンポーネントに結合された制御モジュール３０８と、光受信コンポーネントに結合された処理モジュール３１４とは相互に電気通信する。いくつかの実施形態において、光源ドライバー及び/又は信号処理コンポーネントは、別々の部品としては設けられず、むしろ、光源及び/又は信号処理への電流制御機能が、制御及び処理モジュールによって実行される。以下、更に前記制御及び処理モジュールの詳細を説明する。

図２に戻り、いくつかの実施形態において、光ファイバー２０２は、第１の方向（例えば、時計回り方向）に複数回巻回され、次いで反転され、第２の方向（例えば、反時計回り方向）に巻回され、第２の組のループは、少なくとも部分的に第１の組のループに重なる。このような構造により、光ファイバー２０２の第１の端部と光ファイバー２０２の第２の端部とは相互に実質的に平行になることが可能になり、これにより、全部の電子部品は、共有領域又はケースに含まれることができる。他の実施形態において、例えば、図３に示すように、光ファイバー３０２は、環状構造の全体に亘って第１の方向（例えば、時計回り又は反時計回り方向）に巻回され、これにより、光ファイバー３０２の第１の端部と光ファイバー３０２の第２の端部とは、それぞれ環状構造の対向する側辺に位置することになる。

いくつかの実施形態において、前記光ファイバーセンサは、複数の環状構造を含む。前記センサは、２、３、４又はより多くの光ファイバー環状構造を含んでよい。十分な数量の環状構造は、望まれる検知領域ほぼ全てを覆うように設けられてよい。例えば、仮に前記光ファイバーセンサが、シートクッション（seat−cushion）内に配置されたら、２個、３個、４個の環状構造が、シートクッションの表面積を実質的に十分に覆うことができる。仮に前記光ファイバーセンサが、マットレス（mattress）に配置されたら、マットレスの表面積を実質的に覆うには、８個、１０個、１２個又はより多くの環状構造が必要となることもある。

図４に示すように、複数の環状構造は何れも、一つの独立した非連続の光ファイバー４０２a、４０２bで構成されることができる。少なくともこのような実施形態一部において、各環状構造は、電子部品の少し又は自らの組の全部が設けられる。例えば、図４に示すように、第１の環状構造４０２aは、第１の光源４０４aと、第１の光源ドライバー４０６aと、第１の信号受信機４０８aと、第１の組の処理コンポーネント４１０aと、第１の制御及び処理モジュール４１２aとに電気的に接続される。第２の環状構造４０２bは、第２の光源４０４bと、第２の光源ドライバー４０６bと、第２の信号受信機４０８bと、第２の組の処理コンポーネント４１０bと、第２の制御及び処理モジュール４１２bとに電気的に接続される。他の一実施形態において、図５に示すように、第１の環状構造５０２aは、第１の光源５０４aと、第１の光源ドライバー５０６aと、第１の信号受信機５０８aと、第１の組の処理コンポーネント５１０aとに電気的に接続される。第２の環状構造５０２bは、第２の光源５０４bと、第２の光源ドライバー５０６bと、第２の信号受信機５０８bと、第２の組の処理コンポーネント５１０bとに電気的に接続される。単一の制御及び処理モジュール５１２は、第１の環状構造５０２aと第２の環状構造５０２bの両方に結合され、且つ両方の光源を制御するとともに、両方の信号受信機を介して受信される信号を処理するように構成される。このような実施形態において、環状構造５０２a、５０２b以外の全部のコンポーネントは、単一の電子回路板に配置される。このようなシステムは、単一の処理装置を使用することによってコストを節約してもよいし、様々な環状構造の間の圧力分布における変化をより協調的に分析できるようにしてもよい。

他の実施形態において、例えば図６に示すように、複数の光ファイバー環状構造は、単一の光ファイバー６２２によって併せて形成してもよく、これにより、前記センサにおける各環状構造が他方の環状構造に接続される。このような実施形態において、単一の組の電子部品を提供できる。図６に示す実施形態において、制御及び処理コンポーネント、光源及び信号受信機の全ては、ハウジングコンポーネント６２４に収容される。

いくつかの実施形態において、前記環状構造は、例えば、図４、５、６に示すように、一つの共通の平面上で相互に隣接して配置される。他の実施形態において、第１の環状構造７０１は、例えば、図７に示すように、部分的に又は完全に第２の環状構造７０２に重なってセンサシステム７００を形成するように構成される。いくつかの実施形態において、二つ以上の環状構造の複数が相互に重なっている。

光ファイバーセンサの様々な実施形態において、図６に示すように、一つ又は複数の環状光ファイバー構造６２２を含むセンサ層６２０が上蓋６１０と下蓋６４０との間に配置される。いくつかの実施形態において、環状光ファイバー構造６２２は、更に２つのメッシュ層の間に挟まれる（通常では、現在の蛇状構造で行われる）。このような実施形態において、メッシュ層は、織布繊維、例えばポリエステル繊維によって形成される。メッシュ層は、光ファイバーに対して保護を提供する。更に、前記メッシュ層は、人体により加えられた圧力を受信して光ファイバーに分配し、光ファイバーのマイクロ屈曲効果を生成し又は増大する機械構造をなす。また、センサ６００の他の実施形態において、光ファイバー環状構造６２２は、一層のメッシュ層６３０のみが必要な、又はメッシュ層が不要な十分な構造集積度と感度とを提供する。一方で、図６のセンサは、単一の連続する光ファイバーによって形成された四つの環状構造を含む特定の環状構造の実施形態を示す。十分に検討された環状光ファイバー構造はどれでも、センサ層６２０内に配置されてよいことを理解されたい。

上述した光ファイバーセンサの様々な実施形態は、いずれも、一つ又は複数の制御及び処理モジュールを含む。前記制御及び処理モジュールは、一つ又は複数の計算装置を含んでも、また、該計算装置から構成されてもよい。制御及び処理モジュールは、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを含んでもよく、そのような組み合わせは、周波数、密度及び/又は光源から発生られる光の起動を制御するように構成され、且つ、更に信号受信機によって受信された信号を有意なデータに転換するように構成される。当業者は、多くの異なる構造素子と構造とを利用して制御及び処理モジュールの機能を達成することができることを理解する。したがって、これらのモジュールを機能性術語によって説明する。

図８は、制御及び処理モジュール８００の一実施形態の機能図を提供する。個別に説明するが、計算システムの各種の機能ブロックは、個別の構造素子が不要である点を理解されたい。例えば、様々な実施形態において、制御及び処理モジュール８００は、少なくとも、メモリ８２０及びインタフェース８３０とでデータ通信を行う処理装置８１０を含み、そして、これらのコンポーネントは、単一のチップ又は複数のチップ内に組み込まれることができる。

処理装置８１０は、汎用的なマイクロプロセッサーでも、ディジタル信号プロセッサー（DSP）でも、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）でも、特定用途向けIC（ASIC）でも、又は他のプログラマブルロジック素子、又は他の、本明細書で説明した機能を実行するように設計されたコンピューターによって実行可能なディスクリート部品でもよい。処理装置８１０は、計算装置の組合せれ、例えば、一つのDSPと一つのマイクロプロセッサーや、複数のマイクロプロセッサー、一つ又は複数のマイクロプロセッサーと一つのDSPコアとの組合せ、又は他の何れかの好適な構造で形成されてもよい。

様々な実施形態において、処理装置８１０は、メモリ８２０から情報を読み取り又はメモリ８２０に情報を書き込むため、一つ又は複数のバス（buses）を介してメモリに結合される。処理装置８１０は、メモリ８２０を付加的に又は選択的に含んでもよい。メモリ８２０は、例えば処理装置のキャッシュを含むことができる。メモリ８２０は、コンピューターによって実行可能な部品によって実行するためのコンピューター読み取り可能な命令を記憶するための何れかの好適なコンピューター読み取り可能な記録媒体でよい。例えば、コンピューター読み取り可能な命令は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＥＰＲＯＭ、ハードディスクドライブ、固体ドライブ、又は他の何れかの好適なディバイスの一つ又は一つの組合せに記憶されてよい。様々な実施形態において、コンピューター読み取り可能な命令は、非一時的なフォーマット（non-transitory format）で記憶されたソフトウェアを含む。処理装置８１０は、メモリ８２０に記憶されたソフトウェアと併せて、オペレーティングシステム及び、記憶されたソフトウェアアプリケーションを実行する。本明細書の他の箇所で説明する様々な方法は、メモリ８２０に記憶されたソフトウェア命令（software instructions）としてプログラムされてもよい。

いくつかの実施形態のインタフェース８３０は、無線ネットワークインタフェースであり、受信機、送信機、又は双方向通信用の受信機及び送信機を含む。受信機は、通信ネットワークによって受信されたデータを受信して復調する。送信機は、一つ又は複数のネットワーク標準によってデータを準備し、且つ通信ネットワークによってデータを送信する。いくつかの実施形態において、送受信アンテナは、受信機及び送信機の両方として動作する。付加的に又代替的に、いくつかの実施形態において、インタフェース８３０は、有線接続を介して一つ又は複数の離隔したコンポーネントにデータを送信し及び/又は受信するためのデータバスである。インタフェース８３０は、ユーザインタフェースを付加的に又は代替的に含む。ユーザインタフェースは、ユーザ入力ディバイス、例えばボタン、トグル、スイッチ、タッチスクリーン、又はキーボードを含み、及び/又は出力ディバイス、例えば表示スクリーン、光表示部、音声出力部又は触覚出力部を含む。ユーザ入力ディバイスは、ユーザの命令を受信してセンサをオン・オフするように構成されるてもよい。いくつかの実施形態において、ユーザに関するデータもまた、ユーザ入力ディバイスを介して入力されてもよい。

いくつかの実施形態において、制御及び処理モジュール８００は、光ファイバーセンサから受信された信号を処理して伝搬された光強度の変化を特定するように構成される。このような実施形態において、伝搬された光の強度変化に関するデータは、印加された力を決定し、及び更に処理するために、有線又は無線接続を介して、離隔した計算装置８５０に伝送される。いくつかの実施形態において、制御及び処理モジュール８００は、伝搬された光の強度変化から、印加された力を計算するように構成される。このような実施形態において、印加された力に関するデータは、更なる分析のため、有線又は無線接続を介して離隔した計算装置８５０に伝送される。他の実施形態において、制御及び処理モジュール８００は、印加された力のデータからユーザの姿勢と生命徴候中の一つ又は複数を計算するように構成される。このような実施形態において、生命徴候又は姿勢のデータは、記録または表示のために、有線又は無線の接続を介して、出力ディバイス又は離隔した計算装置８５０に伝送されるとよい。

製造方法
図９は、本明細書に記載された光ファイバーセンサの様々な実施形態の製造方法を提供する。ステップＳ９１０に示すように、いくつかの実施形態において、一つの軸が提供される。該軸はステップＳ９２０において回転され、ステップＳ９３０において、一本のマルチモード光ファイバーが回転する軸の回りにコイルとして巻回される。次いで、ステップＳ９４０において、光ファイバーが前記軸から移され、ステップＳ９５０において、一つの平面に配置され、そこで平坦な環状配列となる。

いくつかの実施形態において、前記軸は、軸に結合された複数の結合素子を有し、当該結合素子は、前記軸の回転に伴って回転する。このような実施形態において、連続するマルチモード光ファイバーが回転軸に巻回される間に、マルチモード光ファイバーは、前記軸の結合素子と係合する。いくつかの実施形態において、前記軸から前記マルチモード光ファイバーを移すステップは、前記軸から複数の結合素子を外すステップを含む。他の実施形態において、前記軸からマルチモード光ファイバーを移すステップは、結合素子からマルチモード光ファイバーを外すステップを含む。いくつかの実施形態において、複数の結合素子は、前記軸に等距離又はほぼ等距離で横方向に間隔をあける。いくつかの実施形態において、前記複数の結合素子は、一つ又は複数のテープ、グルー、樹脂、他の接着剤化合物、フック、ラッチ、又は他の物理的結合素子を含む。

他の実施形態において、図１０に示すように、軸１０００は、一つ又は複数の軸方向に前記軸の表面長さに沿って延伸した溝又は他の表面構造１０１０を含む。このような実施形態において、楔、ロッド又は他のツール１０２０は、溝１０１０に挿入することができる。いくつかの実施形態において、ツール１０２０は、巻回されたマルチモード光ファイバー１０３０の下方に係止され、且つ、巻回された光ファイバー１０３０が平坦な表面で平面環状構造となることができるように、巻回された光ファイバーを軸１０００から押すことに用いられる。他の実施形態において、一つ又は複数のロッド又は他のツール１０２０は、光ファイバー１０３０が巻回される前に、溝１０１０内に配置される。このような実施形態において、光ファイバー１０３０が前記軸１０００に完全に巻回された後に、ツール１０２０を摺動して溝１０１０から外してもよい。これにより、隙間又は弛みが生じてコイル１０００から光ファイバー１０３０を容易に取り除くことができる。

いくつかの実施形態において、前記軸が回転するときに、機械アームを前記軸に対して第１の位置から第２の位置に軸方向に移動することにより、機械アームを軸方向に移動してマルチモード光ファイバーが前記軸の周りに巻回される。このような実施形態のアームは、マルチモード光ファイバーが前記軸上に分配するように構成され、且つ、前記軸がそれぞれ軸周りに完全に回転することに伴って、一単位を軸方向で前に移動するように更に構成される。いくつかの実施形態において、前記一単位のサイズは、各ループの間で望ましいオフセットにマッチするよう設定可能である。

前記軸の形状とサイズは、異なる形状とサイズの環状構造を生成するため、結果として生ずるループの形状とサイズを決定する。いくつかの実施形態において、異なる形状とサイズの環状構造を生成するため前記軸は、交換可能である。

使用方法
本明細書で説明する光ファイバーセンサは、高い光ファイバー密度／検知被覆率と高感度とを必要とする様々な応用に用いられることができる。例えば、当該光ファイバーセンサは、人体の心弾動波形、心拍数、呼吸、姿勢及び/又は他の生理学的パラメータを表わす体重の僅かなシフトを検知するために用いられることができる。様々な実施形態において、生理学的パラメータは、人体の微動によって引き起こされた光ファイバー変形の変化を検知することによって決定される。

図１１に提供される実施形態は、光ファイバーセンサを用いて微動及び関連した生理学的パラメータを検知する方法１１００である。図に示すように、各実施形態において、ステップＳ１１０２で、光ファイバーセンサは、個体の下方に配置される。前記光ファイバーセンサは、クッションに埋め込まれ又はこれを形成してもよい。いくつかの実施形態において、前記クッションは、（例えば、オフィス、家庭などにおける）椅子、観覧席、車両用シート、飛行機用シート及び/又は他の従来のシート構造の上に載置される携帯式シートクッション（seat cushion）である。他の実施形態において、前記クッションは、オフィスチェア、アームレスト、ソファー、車両用シート、飛行機用シート、睡眠ポッド、マットレス（mattress）、又は他の構造内に集積される。いくつかの実施形態において、前記システムは、マルチクッションを含み、例えば、二つ又は二つ以上の背もたれ、ひじかけ、シート及び足かけ（例えば、足のせ台、リクライニングチェアなど）を含む。他の実施形態において、前記センサは、他の構造例えば、カーペット又はじゅうたんに集積され又はこれらを構成する。これら又は他の実施形態の何れかも、個体の下に載置されることができる。

上記のように、様々な実施形態において、光ファイバーセンサは、一本の光ファイバーと、光ファイバーの第１の端部に結合された一つの光源と、光ファイバーの第２の端部に結合された一つの受信機と、一つ又は複数の制御及び処理コンポーネントとを含む。光ファイバーは、ほぼ一つの平面に配置した複数の同じサイズのループに配設されて一つの環状構造を形成し、且つ該環状構造における各ループが部分的に重なり、且つ隣接するループから横方向にずれる。前記方法の様々な種実施形態において、ステップＳ１１０４で、光信号が信号受信機で受信され、受信機と処理モジュール両者又はその一つが、前記環状構造を通過した光の強度の変化を検知する。検知された光強度の変化は、時間的なものでも空間的なものでもよい。即ち、いくつかの実施形態において、検知された光強度の変化は、時間に亘る強度の変化でよい。前記システムは、受信機が多少強い光を受信する時に認識するように構成されてもよい。他の実施形態において、処理モジュールは、光源及び信号受信機と通信可能に結合され、検知された光強度の変化は、光源から出射する光の強度と信号受信機で受信される光の強度との間の変化である。様々な実施形態において、光強度の変化は、人体の一つ又は複数の微動のため引き起こした光ファイバーの変形と対応する。例えば、胡が出願した米国特許出願第１４/７３８,９１８号においてより詳細に説明されているように、光強度の変化を検知すると、様々な種実施形態における処理モジュールは、ステップＳ１１０６において、患者の一つ又は複数の生命徴候又は他の生理学的パラメータを決定する。米国特許出願第１４/７３８,９１８号は、引用によってその全体が本明細書に組み込まれる。複数の環状構造からなるセンサにおいて、検知された患者の生理学的パラメータは、体重又は圧力の分布を含んでよい。例えば、複数の環状構造に接続された処理モジュールは、光ファイバーの変形及びそれに対応する加えられた圧力が様々な環状構造の間でどのように変化するかを検知することができる。

いくつかの実施形態において、平均、最小、最大、健康及び/又は不健康な生命徴候、姿勢又は他の生理学的パラメータは、システムが時間に亘って個体を監視する時に決定される。例えば、前記システムは、所定期間（例えば、時間、日、周など）に亘る個体の監視によって個体に対して校正してもよく、個体の心臓及び呼吸の波形並びに姿勢における正常変化を決定する。次いで、当該システムは、正常変化との変動を検知することができる。代替的に又は付加的に、前記システムは、ある個人の姿勢並びに心臓及び呼吸の波形を、同一の年齢集団、性別集団、民族群、社会階層、作業環境、位置及び/又は他のいずれかの比較可能な集団の他の個人と比較して正常又は健康な数値からの変動を特定してもよい。代替的に又は付加的に、前記センサは、生命徴候及び/又は姿勢を実時間に亘って追跡し又は最小の遅延にて追跡するために使用されてもよい。

本明細書及び請求の範囲で言及される単数形式「一つ（a又はan）」、「前記（the）」は、文脈上明確に異なるように規定されていなければ、単複数の両種の場合を含む。例えば、用語「一つのセンサ」は、複数のセンサを含むことができ、且つ含むことを意図されている。同時に、請求の範囲及び明細書において、例えば「複数」、「一つ又は複数」、又は「少なくとも一つ」のような用語を含むことが可能である。しかしながら、これらの術語を使用しない場合に、複数を含まないと意味するように意図されるものではなく、且つ、そのように解釈されるべきではない。

表示した近似は、
用語「略（about）」又は「ほぼ（approximately）」は、（例えば、長さ又は圧力を規定する）数字の指示又は範囲の前に用いられる場合、（＋）又は（-）５％、１％、又は０．１％だけ変化可能な近似を指示する。本願で提供された全部の数値範囲は、記述された開始と最後の数字を含む。用語「実質的に（substantially）」は、装置、物質、又は組成の殆ど全て（即ち５０％より大きい）又は実質的に全部を指示する。

ここで使用されるように、術語「備える（「comprising」又は「comprises）」は、装置、システム、及び方法が、引用された要素を含み、また他の何れかの要素も追加的に含むことができることを意味する意図である。「本質的に・・・からなる（Consisting essentially of）は、装置、システム、及び方法が、引用された要素を含み、しかし、記述された目的の組み合わせに対して重要な意義を有する他の要素を含まないことを意味するべきである。従って、本質的に本願で規定される要素からなるシステム又は方法は、請求項に規定された発明の基本的で新規な特徴にあまり影響を及ぼさない他の物質、特徴、又はステップを排除しない。「からなる（Consisting of）」は、装置、システム、及び方法が、引用された要素を含み、且つ、何れか一つ以上の些細な、又は取るに足らない要素又はステップ以上のものを排除することを意味する。これらの過渡的な用語のそれぞれで規定される実施形態は、全て本発明の範囲内に属する。

本明細書に含まれる例と図面は、例として、かつ非限定的に、主題を実施可能な具体的な実施形態を示す。他の実施形態も利用可能で引き出し可能であり、これにより、本開示の範囲を逸脱することなく構造的論理的な置換及び変更が可能である。本発明の進歩性ある主題のこのような実施形態は、複数開示された場合、単なる便宜のためであって本願の範囲を単一の発明または発明概念に自発的な限定の意図なく、用語「発明」により本願において個別にまたは集合的に言及されることができる。従って、本明細書で具体的な実施形態が掲示され説明されたが、同じ目的を達成するように計算されたいかなる配置も、掲示された具体的な実施形態の代替となり得る。本明細書は、何れかのまたは全ての改造又は変形をカバーすることを意図している。上記明細書を検討すれば、上記実施形態の組み合わせ、及び、本明細書で具体的に説明されなかった他の実施形態は、当業者にとって明らかとなる。

Claims (20)

1. 微動を検知するセンサであって、
   実質的に一つの平面上に配置され、かつ、サイズが同じである複数のループに配設された連続するマルチモードの光ファイバーにより形成された環状構造と、
   前記環状構造の第１の端部に結合された光源と、
   前記環状構造の第２の端部に結合された受信機と、を含み、
   前記環状構造における各ループは、部分的に重なり且つ隣接するループから横方向にずれ、
   前記受信機は、前記環状構造内を通過する光の強度の変化を検知するように構成される、
   ことを特徴とする微動を検知するセンサ。
2. 前記センサは、圧力センサ、力センサ又は振動センサである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記連続するマルチモードの光ファイバーは、連続するマルチモードの光ファイバーの総直径の４９％よりも大きいコア直径を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 各ループは、円形辺縁を有する、正方形、他の矩形、又は他の平行四辺形をなす、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 各ループは、円又は楕円をなす、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
6. 各ループは、マッチングする不規則な形状をなす、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
7. 前記連続するマルチモード光ファイバーは、ガラス、プラスチック又は他の好適な材料によって形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
8. 前記センサは、複数の環状構造を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
9. 前記複数の環状構造は、単一の連続するマルチモード光ファイバーによって形成され、これにより、前記センサにおいて、各前記環状構造は、直接に他の環状構造に接続される、
   ことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
10. 前記複数の環状構造は、複数のマルチモード光ファイバーを備え、各マルチモード光ファイバーは、独立の環状構造をなす、
    ことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
11. 前記複数の環状構造は、一平面上で相互に隣接して配置される、
    ことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
12. 前記複数の環状構造は、部分的に又は完全に相互に重なっている、
    ことを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
13. 前単一の網状構造をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
14. 前記環状構造は、２つのメッシュ層の間に挟まれる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
15. 請求項１に記載の前記センサの製造方法であって、
    複数の結合素子に結合された軸を提供するステップと、
    前記軸及び前記結合素子を回転するステップと、
    回転する前記軸の回りに、前記軸の結合素子と係合する連続するマルチモード光ファイバーを巻回するステップと、
    前記軸から前記複数の結合素子を外すにより、前記軸から前記マルチモード光ファイバーを移すステップと、を含む、
    方法。
16. 前記マルチモード光ファイバーが前記軸に分配されるように構成されるアームを前記軸に対して第１の位置から第２の位置に前記軸に平行に移動することによって、前記マルチモード光ファイバーを、回転する前記軸に巻回する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数の結合素子は、前記軸の横方向に等距離に又はほぼ等距離に間隔をあけられる、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記複数の結合素子は、一つ又は複数のテープ、グルー、樹脂、他の接着剤化合物、フック、ラッチ、又は他の物理的結合素子を含む、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 生理学的パラメータの検知方法であって、
    微動を検知するセンサを患者の下方に配置するステップと、
    受信機によって環状構造を通る光の強度の変化を検知するステップと、及び
    光の強度の変化から生理学的パラメータを決定するステップと、を含み、
    前記微動を検知するセンサは、
    実質的に一つの平面上に配置され、かつ、サイズが同じである複数のループに配設された連続するマルチモードの光ファイバーにより形成された環状構造と、
    前記環状構造の第１の端部に結合された光源と、
    前記環状構造の第２の端部に結合された受信機と、を含み、
    前記環状構造における各ループは、部分的に重なり且つ隣接するループから横方向にずれ、
    前記光の強度の変化は、人体の一つ又は複数の微動によって生じた光ファイバーの変形と対応する、
    ことを特徴とする生理学的パラメータの検知方法。
20. 前記生理学的パラメータは、心弾動波形、心拍数、呼吸、体重、表面における体重分布又は体重のシフト又は姿勢の変化の一つ又は複数を含む、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。