JP2022504329A - 生体の呼吸音、心拍数及び深部温度を継続的に無線で監視及び分析するセンサシステム及び方法 - Google Patents
生体の呼吸音、心拍数及び深部温度を継続的に無線で監視及び分析するセンサシステム及び方法 Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1
Description
基本的な原理は、後方散乱無線とアンテナを有するセンサを、バッテリなしの低コストのセンサシステムに統合し、生体の表面に取り付ける接着剤付きのパッケージに入れることで、ウェアラブル(装着型)センサを使用して継続監視することができる、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。使用時には、センサシステムがリーダによって反復可能に読み取られることができるため、実用的な低コストと継続使用が実現され、広範囲に使用すること、及び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より大量のセンサデータを得ることができる。このシステムは、呼吸音センサと、心拍数センサと、1つ以上の温度センサと、を備え、従来のプリント回路基板のようなアクセスしやすい製造工程を使用して容易に製造することができる。好ましい呼吸音センサは、音感知コンデンサを備える。好ましくは、皮膚に直接接触する第1の層上の導電性振動板として、及び空気空洞よって分離される第3の層上の金属層として組み立てられる。好ましくは、第3の層上の金属層は小さな穴によって穿孔されて、振動板が動くときに空気流を出入りさせる。好ましい心拍数センサは、皮膚と電気的に接触する第1の層上に2つ以上の電極を備える。好ましくは、これらの電極は、機器増幅器に続いて、アナログ-デジタル変換器であるECGに接続される。好ましい温度センサは、2つのサーミスタの配列を含む。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る金属層である。次いで、既知の、好ましくは一定の熱係数を有する材料の層がある。第3の層として、第2の金属層があり、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の層及び第3の層の金属層は、任意の形状を有することができる。好ましくは、第1の層及び第3の層の金属層は、互いに対応する形状を有する。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の層との間に埋め込まれている面倒な技術を使用する代わりに、PCBビアを新規に使用する。ビアは熱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。温度センサは特に小型であり、製造が容易であり、使用する部品が少ない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、可撓性センサ実装100と、無線リーダ200と、エコシステム300と、ユーザ装置400と、を備える。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、データ処理及び表示フォーマットを備え、そのデータを、ユーザ装置400を通してユーザに提示する。ユーザ装置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、呼吸音、心拍数及び温度センサ実装100とすることができ、このシステムは、呼吸音、心拍数を記録し、例えば子供などの人間の胸部上の表面温度を測定し、病気に関連する可能性のある呼吸異常を検出し、呼吸数、心拍数を計算し、エコシステムを使用して人間の深部温度を計算し、これを、例えば両親又は代わりの世話人に継続的に提示し、病気の間に継続的なバイタルサイン監視の装置として機能し、呼吸音、心拍数及び発熱の監視に焦点を当てて、このような発生、傾向及び重症度に関する継続的な情報を提供するように設計される。呼吸器、心拍数又は発熱反応を引き起こす病気により医師に連絡するとき、このようなデータを提示し及び分析して、医師の診断プロセスを支援することができる。このようなシステムは、消費者が発熱体温計等の他の監視機器を見つけることを期待する、例えばオンラインストア、薬局又は地元のスーパーマーケットを通じて消費者に利用可能であろう。市販品束は、リーダと複数のセンサ、及び例えば印刷の異なる複数のセンサの束であり得る。このような装置は、病気の間の監視を改善して病気の子供をケアするだけでなく、子供と親の双方に安心感をもたらす。また、病気の発症に関するこのような規模のデータが現在存在しないため、呼吸反応、心拍数の変化、発熱反応を引き起こす病気に関する研究に対する新たな未開拓分野となる可能性もある。現在入手可能な継続的な呼吸、心拍数及び発熱の監視データのほとんどは、病気の患者を病院で監視して得たものである。社会における病気の拡大を監視することは、大規模な流行を早期の段階で低減又は予防することにより、大きな社会経済的価値を有し得る。
ここで、
Tc:深部温度
TA:センサA106の温度
TB:センサB114の温度
φqCA:深部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
上記には多くの変形例を想定することができる。例えば、無線センサ実装においてアンテナ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、例えば人間の皮膚上で動作するように当業者によって設計される。
101:接合ワイヤ
102:RF整流器に接続された接合ワイヤ
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:熱パイプ/導体として動作するPCBビア
106:金属層
107:熱パイプ/導体ではなく電気接続としてのみ動作するPCBビア
108:空気空洞
109:キャップバックプレート
110:無線チップに接続された温度センサ
111:振動板
112:通気穿孔
113:円錐形状空洞
114:熱伝導体
115:力センサ
117:ECG電圧センサ
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分の下にある熱伝導体と金属裏打ち及び接着剤との間の空間/隙間
126:電極
128:加速度計
129:音センサ
130:センサ実装のアンテナ部分
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及び接続
135:センサ実装の無線、プロトコル及びコントローラ部分
137:第2のセンサへの接続が配線される設計上のアンテナ領域の切り抜き
138:アンテナの金属反射体部分
139:熱伝導体への接続に適合する金属反射体の切り抜き
140:センサ実装の環境発電部分
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分
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続位置における接着剤の切り抜き
170:センサ実装及び形状変化のいくつかの例
180:センサチップ及びアンテナが埋め込まれたメイン基板
182:2つのセンサ間の接続配線
200:アンテナと、無線リーダチップと、処理チップと、インタフェースと、データストレージと、センサと、気流設計と、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:処理及びインタフェースチップ
240:リーダ内のデータストレージ
250:リーダの有線インタフェース
260:リーダ無線インタフェースのアンテナ
270:リーダ内の周囲センサ
280:リーダ周囲センサの気流設計
290:無線インタフェースの無線
300:インタフェースと、信号処理アルゴリズムと、処理及びストレージシステムと、を有するエコシステム
310:エコシステムユーザストレージ
320:エコシステムセンサデータストレージ
330:エコシステム製品データベース
340:ビッグデータアクセス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のエコシステムインタフェース
360:エコシステム処理ユニット
370:エコシステム信号処理アルゴリズム
400:エンドユーザ装置
420:アプリケーション又はwebブラウザを有するエンドユーザ装置及びそのストレージユニット
422:アプリケーション又はwebブラウザを有するエンドユーザ装置
424:エンドユーザ装置内のストレージユニット
500:温度熱流束測定設定
510:組織/皮膚熱伝達係数
515:深部と組織/皮膚との間の熱流束
520:深部温度Tc
530:人体の胸部
610:測定環境の空気
615:センサ100と環境との間の熱流束
Claims (26)
- 生体の呼吸音、心拍数及び温度を測定するセンサ(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)の上に配置される、断熱材料である第2の層(122)と、
前記第2の層(122)を通して熱伝導体(105)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る第2の温度センサ(120)と、を備え、
前記第1の温度センサ及び第2の温度センサが前記第2の層(122)よりも上に位置し、
第1の層及び第2の層の切り抜きの底部の第3の層上に位置する音センサ(129)が、音を前記音センサまでより最適に伝える空洞を形成することを特徴とする、センサ。 - 前記切り抜きが円錐形状を有する、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサシステムが、温度、圧力、流体流、熱流、レベル、近接性、変位、生体インピーダンス、画像、光、ガス、化学物質、加速度、方位、湿度、水分、インピーダンス、静電容量、力、電気、磁気、質量及び音声を含む群から第2の物理的特性を測定する少なくとも1つの追加のセンサを備える、請求項1に記載のセンサ。
- 前記第3の層が前記第2の層よりも上に設けられ、前記第3の層及び第1の層の少なくとも一方が金属材料を含む、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサ(100)が、前記生体と前記空洞とを分離し、前記音センサ(129)によって拾われる音響圧力波を生成する振動板(111)を更に備える、請求項1に記載のセンサ。
- 前記音センサ(129)が加速度計である、請求項1に記載のセンサ。
- 前記音センサ(129)が圧電素子である、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサ(100)が前記生体の表面に接続する振動板(111)を更に備え、
振動板の動きが電気信号に直接変換される、請求項1に記載のセンサ。 - 前記センサ(100)が導電性材料の振動板(111)を更に備え、多層構造内に容量センサとして構築され、
前記第3の層がコンデンサを形成する前記振動板(111)の真上の導電性形状を含む、請求項1に記載のセンサ。 - 前記振動板(111)と第3の層の導電形状との間の前記第2の層(122)が除去され、
前記振動板が動く空気充填空洞を生成する、請求項9に記載のセンサ。 - 前記第1の層(104)が前記生体と電気的に接触しており、
前記センサ(129)が心電図ECGである、請求項1に記載のセンサ。 - ECGセンサには、前記第1の層(104)において分離されて前記生体と接触するように配置される2つ以上の電極が設けられる、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサが、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、を更に備え、
前記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、
前記エネルギーが、光起電、熱電、圧電、電磁気、磁気、電気、酸化、静電気、生体エネルギーを電気エネルギーに変換する手段を使用して、周囲から環境発電する、請求項1に記載のセンサ。 - 圧電素子である振動板センサ(128)からエネルギーを環境発電する手段(142)を更に備える、請求項1に記載のセンサ。
- 前記センサが、前記第1の温度センサ及び第2の温度センサ及び前記音センサ(129)からのデータをサンプリングする手段を更に備える、請求項1に記載のセンサ。
- エネルギーストレージユニットが少なくとも1つの容量性ストレージを備え、
好ましくは、前記センサ(100)の少なくとも2つの金属層(104,106)及び少なくとも1つの絶縁層(122)を備える、請求項1に記載のセンサ。 - 前記センサが放射素子を更に含み、
前記第1の層が前記放射元素に対する反射体であり、
前記放射素子と前記反射体との間に断熱材料によって距離が形成されている、請求項1に記載のセンサ。 - 前記放射素子、前記断熱材料及び前記反射体が、環境発電されたエネルギーを貯蔵するエネルギーストレージユニットを形成する、請求項17に記載のセンサ。
- 前記反射体が、前記環境発電手段から環境発電されたエネルギーを貯蔵する容量性ストレージ装置の一部を備える、請求項17又は18に記載のセンサ。
- 前記放射素子が環境発電に対する受信要素として機能する、請求項17~19のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記センサが、環境発電手段、エネルギーストレージユニット、及び処理手段に電力を供給して少なくとも1つのセンサ(110,120,115,128,129)からデータをサンプリングする容量性ストレージ装置、を含む群から選択される少なくとも1つに連結される処理手段を更に備え、
前記処理手段は、少なくとも1つのサンプリングされたデータを送信する放射素子に連結される、請求項1に記載のセンサ。 - 処理手段に連結されるインジケータを更に備える、請求項1に記載のセンサ。
- 通知及び警報に使用されるボタンを更に備える、請求項1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、呼吸音、心拍数を監視し、前記生体の深部温度を推定する方法であって、
音データをサンプリングして記録し、呼吸データ及び心拍数を計算するステップと、
第1の温度センサで温度を測定するステップと、
第2の温度センサで温度を測定するステップと、
前記第1の温度センサ及び前記第2の温度センサからの前記測定値を使用して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。 - 体温、RR、HRを使用して甲状腺反応及び食事摂取量に対する特徴的な身体変化を推定する方法であって、
請求項3に記載のセンサからBTを測定するステップと、
請求項3に記載のセンサからHRを測定するステップと、
請求項3に記載のセンサからRRを測定するステップと、
請求項3に記載のセンサからユーザ通知を測定するステップと、
体温、RR、HR及び前記ユーザ通知の前記測定からの測定値を使用して、前記甲状腺反応及び食事摂取量に対する身体変化を計算するステップと、を更に含む、請求項24に記載の方法。 - 生体の表面温度を測定する、請求項1~23のいずれか一項に記載のセンサを使用する方法。
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