JP2021525616A - ウェアラブルデバイス - Google Patents

Abstract

被験者の皮膚に取り付けるためのウェアラブルシステムである。システムは、最上層と基層との間に挟まれた（例えば、積層された）フレキシブル回路基板を含む。フレキシブル回路基板は、エンドパッド間に蛇行部を有する。基層及び最上層は、蛇行部の周りに蛇行開口部を有する接合層によって互いに接合される。これは、蛇行部の伸縮性が積層プロセスによって抑制されないことを意味する。

Description

本発明は、アクチュエータ又はセンサなどのウェアラブルデバイスに関する。例えば、本発明は、被験者の１つ又は複数の生理学的パラメータを測定するためのセンサを対象とし、センサは、被験者が着用することができる。例えば、本発明は、フォトプレチスモグラフ（ＰＰＧ）センサ、心電図（ＥＧＣ）センサ、脳波センサ（ＥＥＧ）、ウェアラブル超音波センサ（ＵＳ）、ウェアラブル心拍数センサ、ウェアラブルガルバニック皮膚応答センサ（ＧＳＲ）、又は運動センサを実装できるウェアラブルパッチに関する。

生理学的パラメータのモニタリングは、より良い診断及び患者モニタリングを可能にするためにますます関心が高まっている。例えば、被験者が一般病棟や家庭などの低緊急度の環境で着用できる、パッチなどのウェアラブルモニタリングデバイスを提供することが知られている。死亡率を低下させるためには、一般病棟でのより良いモニタリングが必要である。また、アカウンタブルケア（accountable care）によって、患者を自宅へと退院させて、一定期間、典型的には最大３０日間、自宅でのあるレベルのモニタリングを継続することが必要になる。

一般に、パッチの快適さは、自宅でのモニタリングのコンテキストにおいて非常に重要であり、特に患者の順守に影響を及ぼす。快適さに加えて、自宅でのモニタリングの望ましい期間（例えば３０日）に到達するには、ウェアラブルセンサの信頼性が重要である。

ウェアラブルデバイスは、生理学的パラメータがモニタリングされている間のユーザの移動の自由度を増加するので、使用が便利である。このように、様々な状況において、例えば、被験者の身体活動の異なるレベルにおいて、生理学的パラメータを測定することが可能である。

生理学的パラメータセンサは、様々な用途において、ユーザに様々に取り付けられ得る。被験者に対する取り付けられた生理学的パラメータセンサの位置は、生理学的パラメータセンサのタイプ、及び／又は生理学的感知が行われる状況に依存する。一般に、生理学的パラメータセンサは、皮膚と接触すべきであるが、生理学的パラメータセンサを被験者の身体から離すべき他の場合もある。

例えば、ＰＰＧモニタリングでは、センサ信号の最適な安定性のために、光センサと皮膚との間の一定の距離が望まれる。超音波トランスデューサパッチでは、皮膚との良好な接触が、高品質画像に不可欠である。同様に、ＥＣＧモニタリングデバイス又はＧＳＲセンサの電極は、皮膚と接触しているべきである。

多くのセンサデザインは、皮膚の複数の感知位置を利用することで、例えば、それらの点間で電気伝導率を測定したり、異なる位置における異なる信号タイミングを決定したりすることができる。また、複数の異なる感知モダリティを使用するセンサシステムが、複数の感知位置を有してもよい。

本発明は、特に、感知又は作動のために接触位置を利用するウェアラブルシステムに関する。複数の位置は、例えば、単一の生理学的パラメータ又は複数のパラメータのモニタリングに関連し得る。これらの複数のセンサ又は作動位置が互いに対して移動することを可能にし、これにより、それらが取り付けられている身体を、例えば、呼吸、心臓パルス、又はセンサシステムを装着している被験者の単なる一般的な身体の動きで動かすことができるようにする必要がある。

一般に、これらの異なる位置は、例えば、単一の処理拠点が複数の領域から感知データを収集することができるように、互いに電気的に通信できる必要がある。これには、接触位置間に導電性トラックを接続する必要がある。これらの接続導電性トラックを蛇行路として設けて、ある程度の伸縮性を提供することが知られている。柔軟性及び伸縮性は、快適さ及び良好な皮膚接触のために重要である。

例えば、蛇行相互接続部を含むフレキシブルプリント回路基板（ＰＣＢ）が設けられる。特定の蛇行形状を使用して、３Ｄに伸ばすのに必要な力を最小限に抑え、その一方で、臨界点の応力を最小限に抑え、したがって、ひび割れや破損の機会が最小限に抑えられる。

ＰＣＢは、例えば、センサ回路と共に外部ハウジング内に封入されて、センサパッチを形成する。

例えば、ＰＣＢを封入することが知られている。しかしながら、好ましい製造プロセスは、積層プロセスである。積層型センサパッチは、例えば、主にリール・ツー・リール・プロセスによって製造された層から構成される。

しかしながら、蛇行ＰＣＢによって提供される相互接続の信頼性は、蛇行が積層によってより制約される場合に減少する。特に、蛇行部によって提供される伸縮性は限られている。したがって、例えばウェアラブルセンサパッチとして使用するためのウェアラブルデバイスの改良されたデザインが必要とされている。

本発明は、請求項によって規定される。

本発明の一態様による例によれば、被験者の皮膚に取り付けるためのウェアラブルシステムが提供される。システムは、
基層と、
フレキシブル回路基板と、
最上層とを含み、
フレキシブル回路基板は、基層に面する第１の接触領域を有する第１のエンドパッド、
基層に面する第２の接触領域を有する第２のエンドパッド、及び、
第１のエンドパッドと第２のエンドパッドとの間のフレキシブル蛇行部を含み、
フレキシブル回路基板は、基層と最上層との間に挟まれ、
基層及び最上層は、フレキシブル蛇行部の周囲に蛇行開口部を有する接合層によって接合されている。

このシステムは、被験者の皮膚に接触するか、又は被験者の皮膚に近接して配置されて、例えば、１つ以上の生理学的パラメータの測定値をとるための、特に（個別に又は一緒に）２つ以上の接触点を必要とする２つ（又はそれ以上）のパッドを有する。システムは、代わりに、皮膚に信号を提供するためのものであってもよい。２つのパッドは、システムに伸縮性を与え、被験者が動くにつれて変化する蛇行部によって接続され、これにより、被験者の形状に適応することができる。蛇行部は、非接合領域内にあるので、蛇行部の面外屈曲は、最上層及び／又は基層への結合によって抑制されない。したがって、上部層及び／又は基層によって変形が強制されず、及び／又は制約されない。

この配置は、蛇行部の変形の自由度を増加させ、また、これは、相互接続部の信頼度を大幅に増加させる。完全に独立した相互接続部は、使い勝手の問題をもたらす。例えば、相互接続部は、何か、例えば衣類の後ろに引っ掛かることによって損傷され得る。したがって、本発明は、蛇行部の領域での接着を伴わない、上部層と基部層との間の封入化（例えば、積層による）を提供する。

基層は、第１の接触領域の下に、第１の基層開口部を、第２の接触領域の下に第２の基層開口部を含む。これらは、パッド接触領域への直接アクセスを可能にする。これは、皮膚との直接ガルバニック接触が望まれる場合に興味深い。これは、センサ又はアクチュエータのタイプによる。例えば、容量性センサ又は運動センサには間接的な接触が十分であるが、皮膚抵抗センサ又はＥＣＧセンサには直接的な接触が所望される。

この場合、システムは、第１の開口部内に、第１の接触領域と接続する第１の皮膚接触電極と、第２の開口部内に、第２の接触領域と接続する第２の皮膚接触電極とを含む。これらは、基層の平面から突出して、突出接触電極を提供する。第１及び第２の皮膚接触電極は、例えばゲル電極を含む。

接合層はまた、第１の基層開口部に対応する第１の接合層開口部、及び、第２の基層開口部に対応する第２の接合層開口部を含む。接合層がフレキシブル回路基板の下（すなわち、回路基板と基層との間）にあるとき、これらの開口部も、エンドパッドの接触領域との直接接触を可能にする。しかしながら、接合層は、回路基板の上方（すなわち、回路基板と最上層との間）であってもよく、これは、開口部が不要である場合である。

接合層は、蛇行開口部内に接触アンカーを含む。これらは、例えば、蛇行空間での接続をもたらし、これにより、システムの全体的な構造的一体性を増加するが、蛇行部の動きを制約することはない。

第１のエンドパッドは、第１の接触領域の反対側に第１の回路領域を有し、第２のエンドパッドは、第２の接触領域の反対側に第２の回路領域を有する。

第１の回路領域にバッテリが設けられ、第２の回路領域に信号処理回路が設けられる。第１の回路領域及び／又は第２の回路領域のうちの１つは、例えば、無線通信回路を含む。したがって、必要な回路部品は、利用可能な領域間で共有される。電気的機能には、例えば、ローカルバッテリ電力、ローカルメモリ記憶、無線信号送信（及びオプションとして、例えば、感知を実行するか、記憶されたセンサデータをダウンロードするためのコマンドを受信するための信号受信）、及びオプションとして、センサ信号処理が含まれる。第１の回路領域及び第２の回路領域のうちの１つはまた、センサ情報が外部デバイスに記憶される及び／又は通信される代わりに、又はそれらと同時に、直接読み出されることを可能にする表示デバイスを含む。

蛇行部は、好ましくは相互接続トラックのみを担持する。特に、フレキシブル蛇行部は、好ましくは第１のエンドパッドと第２のエンドパッドとの間に電気接続部を含む。

接合層は、ホットメルト層、感圧接着剤、ＵＶ硬化性接着剤、又は両面接着テープを含み得る。これは、例えば、熱積層プロセスの一部として、最上層と基層とを接続するために使用される。

デバイスは、好ましくはウェアラブルセンサパッチを含む。２つ以上のフレキシブル蛇行部によって相互接続された３つ以上のエンドパッドがあってもよい。

センサシステムは、例えば、ＥＣＧセンサ、ＰＰＧセンサ、ＥＥＧセンサ、ＧＳＲセンサ、サーミスタ温度センサ、加速度計からなるリストからの１つ（又は複数）を含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかになり、これらを参照して説明される。

本発明をより深く理解し、本発明をどのように実施することができるかをより明確に示すために、ここで、単なる例として、添付の図面を参照する。

図１は、既知のセンサパッチを示す。 図２は、本発明の一例によるセンサパッチに使用される接合層のデザインを簡略形式で示す。 図３は、センサシステムの一例を分解図で示す。 図４は、接合層のデザインの変形形態を示す。 図５は、図４の接合層のデザインの変更形態を示す。

本発明は、図面を参照して説明される。

詳細な説明及び具体例は、装置、システム、及び方法の例示的な実施形態を示しているが、例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム、及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより深く理解されるであろう。図面は単に概略的なものであり、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。また、同じ参照符号は、同じ又は類似の部分を示すために、図面全体にわたって使用されることを理解されたい。

本発明は、被験者の皮膚に取り付けるためのセンサシステムなどのウェアラブルシステムを提供する。ウェアラブルシステムは、最上層と基層との間に挟まれた（例えば、積層された）フレキシブル回路基板を含む。フレキシブル回路基板は、エンドパッド間に蛇行部を有する。基層及び最上層は、蛇行部の周りに蛇行開口部を有する接合層によって互いに接合される。これは、蛇行部の伸縮性が積層プロセスによって抑制されないことを意味する。

図１は、基層１２と、フレキシブル回路基板２０と、最上層３０とを含む既知ののセンサパッチ１０を示す。フレキシブル回路基板２０は、蛇行部２６によって相互接続された２つのエンドパッド２２、２４を有する。

図示される３層は、一緒に積層されて、密封パッチが形成される。

図２は、本発明の一例によるセンサシステムの積層プロセスに使用される接合層のデザインを簡略形式で示す。この例では、接合層４０が、フレキシブル回路基板上に設けられる。接合層４０は、蛇行部２６の上に開口部４２を有し、これにより、蛇行部は、積層プロセスによって制約されない。図２は、明確にするために、開口部４２を通して見た、接合層の下の蛇行部２６を示す。

図３は、ウェアラブルシステムの一例を分解図で示す。

ウェアラブルシステムは、基層１２と、フレキシブル回路基板２０と、最上層３０と、蛇行開口部４２を有する接合層４０とを含む。この例では、接合層は、フレキシブル回路基板の下、すなわち、フレキシブル回路基板と基層との間にある。接合は、追加的に又は代替的に、やはり蛇行部を除いて、最上層とフレキシブル回路基板との間に提供される。したがって、接合は、フレキシブル回路基板の上及び／又は下に提供される。

フレキシブル回路基板２０は、基層に面する（したがって、図３では見られない）第１の接触領域を有する第１のエンドパッド２２を含む。第１の接触領域の反対側は、一例では、例えば、バッテリ２３への接続を提供する第１の回路領域を含む。

第２のエンドパッド２４は、基層に面する第２の接触領域（ここでも図３では見られない）を有する。第２の接触領域の反対側は、一例では、例えば、センサ処理回路及び無線送信回路２５への接続を提供する第２の回路領域を含む。

このフレキシブル回路基板は、従来のポリイミドフレキシブルＰＣＢを含むが、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの曲げ可能なポリマー基板上にスクリーン印刷又はインクジェット印刷された回路を含んでもよい。

蛇行部２６は、第１のエンドパッドと第２のエンドパッドとの間にあり、エンドパッドによって担持された回路間の電気的接続を提供するとともに、エンドパッドの接触領域への接続を提供する。蛇行部は、好ましくは相互接続トラックのみを担持する。特に、蛇行部は、好ましくは第１のエンドパッドと第２のエンドパッドとの間の電気接続を含む。

フレキシブル回路基板は、例えば、両面基板であり、基層に面する接触領域はセンサ入力パッド又はアクチュエータ出力パッドとして機能し、最上層に面する電気トラックは、回路部品用の接続線及び接触パッドとして機能する。

図３に示される例では、エンドパッドの下側の接触領域が、皮膚と直接ガルバニック接触させるためのものである。基層１２は、接触領域と整列した開口部１４を有し、接合層４０も、対応する開口部４４を有する。

皮膚と接触領域との間の界面を提供するために、ゲル接触電極５０が提供される。これらは、皮膚接触パッドが基層１２の平面を越えて延在するように、開口部１４及び４４に嵌合する。

最も基本的なデザインは、被験者の皮膚に接触するための２つのパッドを有するが、蛇行部によって互いに相互接続された３つ以上のパッドがあってもよい。蛇行部は非接合領域内にあるので、蛇行部の伸縮性は、上部層又は基部層への結合によって抑制されない。このようにして、蛇行部の変形の自由度が増加する。

蛇行部は、好ましくは平面であり、その平面内に波状のトラック、例えば、図示されるような一連の交互のＵ字型の曲がりを画定する。しかしながら、例えば、全体として直線経路又は湾曲経路をたどる別の蛇行経路が形成されてもよい。

接合層は、単に、ウェアラブルシステム全体の外側ハウジングの外縁の周りにあってもよいので、開口部４２、４４が単一の開口部として形成される。

しかしながら、接合層は、好ましくは各エンドパッドがそれ自体の囲いに形成されるように、エンドパッドを（上方又は下方から）取り囲むか、又は覆う。したがって、図３の例では、各開口部４４の全周囲に接合層の領域があり、図２の例では、接合層が各エンドパッドを完全に覆っている。これにより、回路部品のシール性が向上する。

蛇行開口部は、蛇行部の外囲形状に対応する長方形である。しかしながら、他の形状が使用されてもよい。蛇行開口部は、蛇行部２６を完全に取り囲むが、蛇行部の端部のように、接合層によって覆われた部分があってもよい。

図４は、接合層４０のデザインの変形形態を示す。エンドパッドは、それぞれ二重円として形成され、接触面積が増加している。回路は、例えば、全てフレキシブル回路基板の、下方を向いている片面にある。中央領域６０が、非フレックスプリント回路基板への接続を提供する。

蛇行開口部４２は、中央領域６０の各側に１つずつで、２つの部分４２ａ、４２ｂとして形成されている。

図５は、図４の接合層のデザインの変更形態を示す。接合層４０は、蛇行開口部４２ａ、４２ｂ内に、接触アンカー７０を有する。これらは、回路基板の蛇行経路間の空間において、最上層と基層との間の接続を行う。システムの全体的な構造的単一性は向上されるが、蛇行部の動きが制約されることはない。

接合層は、積層中に熱硬化するための、ポリウレタンフィルムなどのホットメルト層であるか、又は、例えば、シリコーン接着剤、ポリウレタン接着剤、もしくはアクリル接着剤を使用する別の接着剤であってもよい。接着発泡体も使用することができる。

最上層３０は、例えば、熱成形発泡構造体などの発泡構造体である。これは、回路部品用のハウジング領域を提供する形状を有する。

フレキシブル回路基板２０は、例えば、銅導体層（例えば、厚さが数ミクロン又は数十ミクロン）を有するポリイミドフレキシブルフォイル（例えば、厚さが数十ミクロン）である。

基層１２は、シリコーン又は熱可塑性ポリウレタンのライナーを含む。

接触電極５０は、例えば、（フレキシブル回路基板の底面にある）接触領域に設けられたスクリーン印刷された塩化銀を含む。あるいは、接触電極は、導電性接着剤を使用して設けられてもよい。

ウェアラブルシステムは、例えば、ＥＣＧセンサ、ＰＰＧセンサ、ＥＥＧセンサ、ＧＳＲセンサ、サーミスタ温度センサ、加速度計からなるリストからの１つ（又は複数）のセンサタイプを含む。

したがって、ウェアラブルシステムを使用して、心拍数、呼吸数、心拍変動、皮膚温度、体位、転倒検知、及び活動レベル（歩数など）などの様々なパラメータのうちの１つ又は複数が決定される。

上述したように、ウェアラブルシステムは好ましくはバッテリ作動式であり、バッテリは、回路領域のうちの１つに設けられる。信号調整又は処理回路及び無線通信回路も回路領域上に設けられる。また、メモリストレージ、表示デバイスがあってもよい。

本発明は、ウェアラブルセンサ又はアクチュエータに適用され、パッチ又は織物の形態をとり得る。

本発明は、生理学的感覚器システムに限定されない。これは、例えば、体動感知のために使用することもできる。この場合、ウェアラブルセンサは、生理学的身体パラメータを測定するのではなく、体動を決定するジャイロスコープ又は加速度計の形態である。別の選択肢は、ライト、伸縮可能なディスプレイ、太陽電池、加熱、又は特定の治療選択肢などの、シャツ内の非感覚電子機器である。蛇行デザインは、これらの伸縮自在な電子的な事例のすべてに使用することができる。

開示された実施形態に対する変形は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。特許請求の範囲において、「有する」という単語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は、複数を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲に記載されるいくつかのアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に、又はその一部として供給される光記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な媒体上に記憶／配布することができるが、インターネット又は他の有線もしくは無線電気通信システムなどを介して、他の形態で配布することもできる。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 被験者の皮膚に取り付けるためのウェアラブルシステムであって、
   基層と、
   フレキシブル回路基板と、
   最上層と、
   を含み、
   前記フレキシブル回路基板は、
   前記基層に面する第１の接触領域を有する第１のエンドパッド、
   前記基層に面する第２の接触領域を有する第２のエンドパッド、及び、
   前記第１のエンドパッドと前記第２のエンドパッドとの間のフレキシブル蛇行部を含み、
   前記フレキシブル回路基板は、前記基層と前記最上層との間に挟まれ、
   前記基層及び前記最上層は、前記フレキシブル蛇行部の周囲に蛇行開口部を有する接合層によって接合されている、ウェアラブルシステム。
2. 前記基層は、前記第１の接触領域の下の第１の基層開口部、及び、前記第２の接触領域の下の第２の基層開口部を含む、請求項１に記載のウェアラブルシステム。
3. 前記第１の基層開口部内に、前記第１の接触領域と接続する第１の皮膚接触電極と、前記第２の基層開口部内に、前記第２の接触領域と接続する第２の皮膚接触電極とをさらに含む、請求項２に記載のウェアラブルシステム。
4. 前記第１の皮膚接触電極及び前記第２の皮膚接触電極は、ゲル電極を含む、請求項３に記載のウェアラブルシステム。
5. 前記接合層は、前記第１の基層開口部に対応する第１の接合層開口部、及び、前記第２の基層開口部に対応する第２の結合層開口部を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
6. 前記接合層は、前記蛇行開口部内に接触アンカーを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
7. 前記第１エンドパッドは、前記第１接触領域の反対側に第１の回路領域を有し、前記第２エンドパッドは、前記第２接触領域の反対側に第２の回路領域を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
8. 前記第１の回路領域にバッテリを含む、請求項７に記載のウェアラブルシステム。
9. 前記第２の回路領域に信号処理回路を含む、請求項７又は８に記載のウェアラブルシステム。
10. 前記第１の回路領域及び前記第２の回路領域のうちの１つが、無線通信回路及び／又は表示デバイスを含む、請求項７から９のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
11. 前記接合層は、ホットメルト層、感圧接着剤、ＵＶ硬化性接着剤、又は両面接着テープを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
12. 前記フレキシブル蛇行部は、前記第１のエンドパッドと前記第２のエンドパッドとの間の電気接続部を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
13. ウェアラブルセンサパッチを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
14. ２つ以上のフレキシブル蛇行部によって相互接続された３つ以上のエンドパッドのセットを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。
15. ＥＣＧセンサ、
    ＰＰＧセンサ、
    ＥＥＧセンサ、
    ＧＳＲセンサ、
    サーミスタ温度センサ、
    加速度計のうちの１つ又は複数を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のウェアラブルシステム。

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