JP2020515847A - 生体温度の継続的かつワイヤレスなモニタリングおよび分析のためのセンサシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
生体と熱的に接続される第1の層(104)と、
第1の層(104)の上に配置された断熱材料である第2の層(122)と、
第2の層(122)を介して第1の層(104)と熱的に接続された第1の温度センサ(110)と、
生体から断熱された第2の温度センサ(120)と、を備え、第1および第2の温度センサが第2の層(122)よりも上に配置されていることを特徴とする。
第1の温度センサから温度を測定するステップと、
第2の温度センサから温度を測定するステップと、
第1および第2の温度センサからの測定値を使用した熱流束計算により深部温度を計算するステップと、を含む。
従来技術との技術的差異は、センサシステムを違和感なく継続的に装着することが可能であり、センサの統合度および測定精度が高いことである。他の技術的差異は、センサが環境発電およびエネルギー貯蔵のための手段を備えていることである。また、センサのリフレクト層は、放射素子を皮膚の電気吸収から効果的に遮蔽し、アンテナシステムを改善する。
基本的な原理は、後方散乱無線およびアンテナを備えたセンサを、バッテリなしの低コストのセンサシステムに統合し、生体の表面に付着させるための接着剤付きのパッケージに入れることで、継続的なモニタリングにウェアラブル(装着型)センサを使用できる、ということである。同じ後方散乱無線技術を利用するリーダは、センサシステムに電力を誘導し、センサから利用可能なデータを読み取る。使用中、センサはリーダによって繰り返し読み取られることが可能であるため、実用的な低コストと継続使用が実現され、広範囲の使用と、これまで大規模な継続データが利用できなかった領域からのより大量のセンサデータが有効になる。このシステムは、従来のプリント回路基板のような、簡単にアクセスできる製造プロセスを使用して製造し易い、1つまたは複数の温度センサを備える。好ましい温度センサは、2つのサーミスタの配置を含む。生体の表面に最も近いのは、1つのサーミスタが熱的に接続された金属層である。既知の、好ましくは一定お熱係数を有する材料の層がある。第3の層は、第2の金属層であり、第2のサーミスタが第3の層に熱的に接続されている。適切なアナログ/デジタル変換器でサーミスタ値を測定することにより、熱流束を推定し、適切なアルゴリズムを適用して深部温度を計算することができる。第1および第3の層における金属層は、任意の形状を有することができる。好ましくは、第1および第3の層における金属層は、互いに対応する形状を有している。好ましくは、2つの金属層は、可能な限り重なり合う。第1のサーミスタが第1の層と第3の層との間に埋設されている面倒な技術を使用する代わりに、PCTビアの新規な使用が適用される。このビアは、ヒートパイプとして使用されるため、両方のサーミスタを同じPCBレベルに配置することができる。温度センサは、サイズが特にコンパクトであり、製造が簡単であり、少数のコンポーネントを使用した低コストなものである。
図1に示される本発明による装置の実施形態は、柔軟なセンサ実装100と、無線リーダ200と、エコシステム300と、ユーザデバイス400と、を含む。無線リーダ200は、センサデータを読み取ってそれをエコシステム300に格納する。エコシステム300は、データ処理およびプレゼンテーションフォーマットを含み、そのデータを、ユーザデバイス400を介してユーザに提示する。ユーザデバイス400は、携帯電話のアプリケーションとすることができる。記載されているこのようなシステムは、温度センサの実装100とすることができ、このシステムは、例えば子どもなどの人間の額の表面温度を測定し、エコシステムを使用してその人の深部温度を計算し、これを、例えば両親や代わりの世話人に継続的に表示するように設計されており、継続的な発熱モニタリング装置として機能して、そのような発熱の発生、傾向、および重症度に関連する継続的な情報を提供する。発熱反応を引き起こす病気のために医師に連絡する場合、そのようなデータを提示および分析することにより、医師の診断プロセスを支援することができる。そのようなシステムは、消費者が発熱モニタリング機器を見つけることが期待される、例えばオンラインストア、薬局、または地元のスーパーマーケットを通じて消費者が利用できるようになる。利用可能な製品バンドルは、複数のセンサを備えたリーダ、および例えば異なる印刷の複数のセンサのバンドルであり得る。このような装置は、発熱のモニタリングおよび病気の子どものケアを改善するだけでなく、子どもと親の両方に安心感をもたらす。また、発熱の進展に関するそのような規模のデータは現在存在しないので、発熱反応を引き起こす病気の研究のための新たな未開拓領域である可能性がある。現在入手可能な継続的な発熱データのほとんどは、病気の患者を病院でモニタリングして得たものである。社会における病気の拡散をモニタリングすることは、病気の大規模な流行を初期段階で低減または防止することにより、大きな社会経済的価値を有し得る。
Tc:深部温度
TA:センサA106の温度
TB:センサB114の温度
φqCA:コアと皮膚との間の熱流束515
φqAB:センサA106とセンサB114との間の熱流束
hA:組織/皮膚の熱伝達係数510
hB:断熱材122の熱伝達係数123
生体、例えば人体の皮膚/組織の熱伝達係数に関する既知のデータと、シングルセンサモードでの皮膚とセンサ110および120および110との間の最適化された既知の熱伝導率と、断熱材料122の既知の熱伝達係数124と、検知環境の周囲条件に対する既知の熱伝導率を利用し、アルゴリズムを適用して、生体の深部温度を高精度で予測することができる。アンテナ設計と、シングルセンサ手法で無線チップを接続する形状と、熱流束手法での折り畳みと、センサへの熱接続性と、周囲条件に対する断熱性と、の組み合わせにより、生体の表面温度および深部温度を推定する長距離の継続的かつ受動的RFIDのためのアンテナおよびセンサパフォーマンスの最適な組み合わせが維持される。
上記の実施形態には多くのバリエーションが考えられる。例えば、ワイヤレスセンサ実装のアンテナ130を使用する場合、アンテナは、空気中ではなく、生体の表面上、例えば人間の皮膚の上で動作するように当業者によって設計される。
本出願にしたがう発明は、生体の深部温度の連続的なモニタリングに用途を見出している。その例としては、病気を減らし、受精のタイミングを改善することで、家畜の病気および繁殖をモニタリングして、生産および収量を最大化することができる。
101:ボンディングワイヤ
102:RF整流器に接続されたボンディングワイヤ
103:周囲への熱伝導体である銅(CU)製の最上層
104:接触面に接続された露出金属
105:ヒートパイプ/導体として動作するPCBビア
106:金属層
107:ヒートパイプ/導体としてではなく電気接続としてのみ動作するPCBビア
110:無線チップに接続された温度センサ
114:熱伝導体
120:無線チップに接続された温度センサ
122:断熱材,基板
124:2つのサーミスタ間の熱流束
125:センサ実装のアンテナ部の下における伝導体と金属の裏当ておよび接着剤との間のスペース/隙間
130:センサ実装のアンテナ部
132:最上層の専用アンテナ領域
133:最下層のサーミスタへの遷移および接続
135:センサ実装の無線、プロトコル、コントローラ部
137:第2のセンサへの接続がルーティングされる設計上のアンテナ領域の切り抜き
138:アンテナの金属製リフレクタ部
139:熱伝導体への接続に適合する金属製リフレクタの切り抜き
140:センサ実装の環境発電部
142:最上層の専用環境発電領域
144:センサ実装の印刷層
150:センサ実装のエネルギー貯蔵部
152:センサ実装を測定面に固定する接着剤
155:皮膚への熱伝導体接触位置における接着剤の切り抜き
170:センサ実装および形状のバリエーション例
180:センサチップおよびアンテナが埋設されているメイン基板
182:2つのセンサ間の接続配線
200:アンテナ、無線リーダチップ、処理チップ、インタフェース、データストレージ、センサおよび気流設計を有するリーダ
210:無線リーダチップ
220:無線リーダアンテナ
230:処理およびインタフェースチップ
240:リーダのデータストレージ
250:リーダの無線インタフェース
260:リーダのワイヤレスインタフェース用アンテナ
270:リーダの周囲センサ
280:リーダの周囲センサ用気流設計
290:ワイヤレスインタフェース用の無線
300:インタフェース、信号処理アルゴリズム、処理およびストレージシステムを有するエコシステム
310:エコシステムのユーザストレージ
320:エコシステムのセンサデータストレージ
330:エコシステムの製品データベース
340:ビッグデータアクセス用のエコシステムインタフェース
350:エンドユーザアクセス用のエコシステムインテフェース
360:エコシステムの処理ユニット
370:エコシステムの信号処理アルゴリズム
400:エンドユーザデバイス
420:アプリケーションまたはウェブブラウザを有するエンドユーザデバイス、およびそのストレージユニット
422:アプリケーションまたはブラウザを有するエンドユーザデバイス
424:エンドユーザデバイス内のストレージユニット
500:温度熱流束測定のセットアップ
510:組織/皮膚の熱伝達係数
515:コアと組織/皮膚との間の熱流束
520:コア温度Tc
610:測定環境の空気
615:センサ100と環境との間の熱流束
Claims (13)
- 生体の温度を測定するためのセンサ(100)であって、
前記生体と熱的に接続される第1の層(104)と、
前記第1の層(104)の上に配置された断熱材料である第2の層(122)と、
前記第2の層(122)を介して前記第1の層(104)と熱的に接続される第1の温度センサ(110)と、
前記生体から断熱された第2の温度センサ(120)と、を備え、前記第1および第2の温度センサが前記第2の層(122)よりも上に配置されていることを特徴とする、センサ。 - 前記第2の層よりも上に第3の層をさらに備え、好ましくは前記第3および第1の層が金属材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載のセンサ(100)。
- 環境発電手段(142)と、少なくとも1つのエネルギーストレージユニットと、をさらに備え、環境発電されたエネルギーが前記エネルギーストレージユニットに貯蔵されることを特徴とする、請求項2に記載のセンサ。
- 前記第1および第2の温度センサをサンプリングするための処理手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記エネルギーストレージユニットが、前記センサ(100)の少なくとも2つの金属層(104,106)と少なくとも1つの断熱層(122)とで形成された、少なくとも1つの容量性ストレージであることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記センサが放射素子をさらに備え、前記第1の層が前記放射素子のリフレクタであり、前記アンテナ放射素子と前記リフレクタとの間に、断熱材料によって距離が設けられていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記放射素子、前記断熱材料、および前記リフレクタが、環境発電されたエネルギーを貯蔵するためのエネルギーストレージユニットを形成していることを特徴とする、請求項6に記載のセンサ。
- 前記リフレクタが、前記環境発電手段からの環境発電されたエネルギーを貯蔵するための、容量性ストレージデバイスを備えることを特徴とする、請求項6または7に記載のセンサ。
- 前記放射素子が、環境発電用の受信要素として機能することを特徴とする、請求項6〜8のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記処理手段が、前記環境発電手段、エネルギーストレージユニット、および少なくとも1つのセンサ(110,120)からのデータをサンプリングするために前記処理手段に電力を供給する容量性ストレージデバイスを含む群から選択される少なくとも1つに連結されており、かつ前記処理手段が、前記少なくとも1つのサンプリングされたセンサデータを送信するために前記放射素子に連結されていることを特徴とする、請求項6〜9のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記処理手段に連結されたインジケータをさらに備え、該インジケータが好ましくは色付きライトであることを特徴とする、請求項10に記載のセンサ。
- 生体の表面に配置される請求項1に記載のセンサを使用して、当該生体の深部温度を推定する方法であって、
前記第1の温度センサから温度を測定するステップと、
前記第2の温度センサから温度を測定するステップと、
前記第1および前記第2の温度センサからの前記測定値を使用した熱流束計算により前記深部温度を計算するステップと、を含む方法。 - 生体の表面温度を測定するための請求項1に記載のセンサの使用。
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