JP4977020B2 - 歪モニタリングシステム及び装置 - Google Patents
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Description
先ず、図1を参照するに、本発明にしたがった歪測定/モニタリングシステム10について模式的に示している。図示している実施形態においては、システムは、センササブシステム12と、高周波(RF)送信器サブシステム14及び関連アンテナ16と、誘導電力サブシステム18と、受信器サブシステム20及び関連アンテナ22とを有する。
好適な実施形態においては、RF送信器サブシステム14は、検知サブシステム12から信号を受信し、アンテナ16を介して出力信号を送信するようにキャリア信号の周波数(FM)を変調するようにその信号を用いる構成要素を有する。図2をまた、参照するに、図示している実施形態においては、RF送信器サブシステムは、電圧制御発振器(VCO)24と、アンテナ16に結合した電力増幅器26とを有する。このサブシステムを駆動する電力は誘導電力サブシステム18により供給される。
RF送信器サブシステムの全体的なデザインにおける要素は、キャリア信号が送信される周波数である。動作周波数は、アンテナ16のようなRF送信器サブシステムにおける構成要素の寸法に直接、影響する。人間又は動物の体内にインプラントされるシステムとして用いるデザインを目的として、100GHzの周波数を選択することができるが、他の周波数を用いることも可能である。高い周波数は、低い周波数に比べて、より良好な伝搬特性及びより広い利用可能帯域幅を有する傾向にあり、小さいアンテナを用いることを可能にする。しかしながら、人間の体内でそのような高い周波数を用いる安全限界は、約61.4V/mに電場強度を、約0.163A/mに磁場強度を、約50W/m2に電力密度をそして約6分以下に曝射持続時間を制限する傾向にあることに留意されたい。
他の可能性がある安全性についての関心は、用いられるRF信号変調スキームの種類に関するものである。信号変調には、一般に3つの種類、即ち、周波数変調(FM)、振幅変調(AM)及びパルス変調(PM)がある。PMは、短い時間の期間における大きいエネルギー放出のために、生物学的組織に対する最大損傷の原因になる傾向にある。他方、AMはノイズに非常に感応する一方、生物学的組織を透過し、それ故、誤ったデータ読み出しに繋がる可能性がある。それ故、振幅は、周波数に比べて、より大きく影響する。したがって、周波数変調(FM)は、振幅が送信されるデータに関連せず、PMより安全であるために、好ましい。更なるFMの有利点は、広い帯域幅において耐ノイズ性に優れた性能にある。要約すると、広帯域スキームで送信される周波数変調信号は好適である。
送信器選択はまた、幾つかの要素に基づいている。例えば、送信器は、選択された変調フォーマットに適切であり、そして受信器サブシステムを有する高信頼性リンクを備えるように必要な送信電力を生成するために適切である必要がある。図1及び図2に示されている実施形態においては、送信器は、電力増幅器26により後続される電圧制御発振器24を有する。この構成における変調器は、センササブシステム12からの変調信号により駆動されるVCO24である。
電圧制御発振器は、RF送信器サブシステムの重要な構成要素であることが理解できる。GHz領域のVCOは、典型的には、標準的なIC技術を用いて製造され、容易に集積可能である。VCOの目的は、VCOの信号又はキャリア信号を変調するようにセンササブシステム12からのAC信号を用いることである。VCOへのゼロ入力により、VCOは、固定振幅及び周波数を有する高純度正弦波形を生成する。VCOが入力を受け入れるとき、VCOはそれ自体を、変調センサ信号に関連して変調された信号を生成するように位相同期ループ(PLL)にロックする。
e(t)=A*Sin(ωc*t)+D*Sin(ωm*t) (1)
ここで、D=(2*π*f)/ωmは偏差比又は変調指数、ωmは最大センサ周波数、ωcはキャリアの中心周波数、そしてAは信号の振幅である。上記式は、ωmの振幅における変化がキャリアの周波数を変えることを示している。図3は、入力信号が与えられるときに予測されるVCOの応答を示す。信号の振幅は一定である一方、変調信号の周波数は、ゼロ入力を有するVCOの高純度正弦波と異なっている。この種類の発振器の応答は、媒体からの最小ノイズ量を伴う情報を有効に送信することが求められる。
アンテナは、システムの内側のエレクトロニクスと外界との間を接続するため、何れの無線通信システムにおける重要な構成要素であることが理解できる。周波数が高くなるにつれて、アンテナのサイズは、一般に小さくなることが知られている。マイクロストリップ技術は、非常に容易に本発明に統合することができるアンテナのクラスを与え、関与する簡単な製造プロセス及び許容可能な性能により好ましいものである。また、マイクロストリップアンテナの形状は、必要な放射パターンに基づいて変えられる。正方形のアンテナは良好な放射特性をもたらし、広く用いられている。そのようなアンテナの更なる有利点は、平面的又は非平面的に拘わらず、何れの金属表面に位置付けることができる等角構成であり、それは脊椎プレートを有する。
基板の高さ 0.003λ<h<0.05λ (2)
アンテナパッチの幅 W=(C/2f0)((εr+1)/2)−1/2 (3)
アンテナパッチの長さ L=C/2f0√εe−2ΔL (4)
εe=(εr+1)/2+((εr−1)/2)((1+12h)/W)−1/2 (5)
ΔL=0.412h(εe+0.3)*(W/h+0.264)/((εe+0.258)(W/h+0.8)) (6)
ここで、Cは光速であり、εrは基板の誘電率であり、εeは等価誘電率であり、そしてΔLは端部における漏れ磁場のための長さの変化である。
インデックスI:
マイクロストリップアンテナ寸法についてのMatlabスクリプト:
*********************************
% 長方形マイクロストリップアンテナについての寸法を計算するためのプログラム
% 既知の厚さを用いる
% 全ての寸法はメートル又はSI単位で表される
% 文献:RF MEMS&the Humberto article on TTL microstrip antennaからの仮定を用いる
*********************************
c=3e8;% 光速
f0=input(‘frequency of operation= ’);% 演算の周波数
h=input(‘height of dielectric substrate= ’);% 誘電体基板の厚さ
ebs_r=input(‘Dielectric of material= ’);% 誘電率
W=c/(2*f0)*(((ebs_r+1)/2)^-.5);% パッチの幅
ebs_e=(ebs_r+1)/2+(ebs_r-1)/2*((((1+12*h)/w)^-.5);% 実効誘電率
Num=(ebs_e+0.3)*(w/h+0.264);% deltaLの分子、ダミー変数
Den=(ebs_e-0.258)*(w/h+0.8);% deltaLの分母、ダミー変数
ΔL=0.412*h*(Num/Den);
I=(c/(2*f0*(sqrt(ebs_e)))-2*deltaL);% パッチの長さ
W_mm=w*1000 % 寸法(mm)
I_mm=I*1000 % 寸法(mm)
h_mm=h*1000 % 寸法(mm)
*********************************
好適な寸法の集合は行3における寸法、即ち、0.15mmx0.588mmx0.463mmである。アンテナのパッチの厚さは性能に対して重要ではなく、この実施形態については、10μmの厚さが選択されている。
εr,eff=(εcavity/(L+2ΔL))(L+2ΔLεfringe/εcavity) (7)
ここで、漏れ磁場領域及び混合基板キャビティ領域についての誘電率は次式で与えられ、
εfringe/εcavity=(εair+(εsub−εair)xair)/(εair+(εsub−εair)xfringe) (8)
εcavity=εairεsub/(εair+(εsub−εair)xair) (9)
ここで、xair及びxfringeは、混合基板キャビティ領域及び漏れ磁場領域における基板の厚さに対する空気の厚さの比である。このキャビティの再デザインにより、アンテナの寸法は、混合基板領域の誘電率の新しい値に基づいて変わる。
人間のレシピエントにおいて短期間又は長期間モニタリングするためのセンサに電力供給することは課題であることがまた、理解できる。一般に許容されない電力供給方法は、電力及びデータ収集のために外界にマイクロシステムを接続するように患者の皮膚にリベットで留めた電極を備える段階を有する。“フランケンシュタインのような”解決方法が機能する可能性があるが、患者への感染及び損傷のリスクは、このような装置に電力を供給する方法を決してアピールするものではない。更に、靱帯の内側の厳しい環境のために、センサは、パッケージングが失敗するような場合には、生物学的ホストの汚染又はマイクロセンサシステム自体への損傷が生じるために、何れの有害物質を含むことができない。このような制約は、比較的短い寿命と共に、システムに化学的バッテリを組み込む可能性を排除している。
脊椎融合を測定するために考慮された2つの検知方法は、(1)半導体ベースの抵抗歪形及び(2)容量センサである。抵抗歪ゲージを用いる場合、抵抗の微小変化が検出可能である。しかしながら、抵抗歪ゲージは、脊椎融合の検知におけるそれらの使用を一般に好ましくないようにする幾つかの短所を有する。第1に、抵抗歪ゲージの消費電力の観点からは、抵抗によるかなりの量の電力損失(例えば、損失電力=I2*R)がある。第2に、抵抗歪ゲージは温度依存性の装置であり、信頼性の低い測定を与える可能性がある。
C=C[ε0εr*A*(n−1)]/d=[ε0εr*W*l*(n−1)]/d
(10)
ここで、ε0=8.85x10−12F/mは自由空間の封電率であり、εr=1は空気の誘電率であり、“A”はプレートの面積であり、“d”はプレート間のギャップであり、“W”はプレートの幅であり、“l”はプレートの長さであり、“n”は櫛歯型フィンガーの数である。
C=[ε0εr*W*(l−x)*(n−1)]/d] (11)
ここで、“x”は歪による変位量(25μm)である。
CNoStrain=3.34x10−14F (12)
最大歪が25μmである間、容量は次式のようである。
CNoStrain=2.60x10−14F (13)
それらの寸法を注意深く選択することにより、本実施形態のセンサの容量を最大化することが期待できる。
3つの脊椎融合が生じ、それ故、歪がないとき、Vsense−における電圧出力に等しいようにVsense+における電圧出力を推測し、次式のようになる。
Vsense+=(Cref1 *(2Vm)/(Cref1+Cref3)−Vm
=(Cref1 *(2Vm)/(Cref1+Cref3)−((Cref1+Cref3)*Vm)/(Cref1+Cref3)
=((Cref1−Cref3)*Vm)/(Cref1+Cref3) (15)
Vsense−=(Cref2 *(2Vm)/(Cref2+CT)−Vm
=(Cref2 *(2Vm)/(Cref2+CT)−((Cref2+CT)*Vm)/(Cref2+CT)
=(Cref2−CT)*Vm)/(Cref2+CT) (16)
しかしながら、脊椎融合が生じる前に、歪が椎骨の曲がりのためにもたらされる。この時間の間、出力電圧Vsense+及びVsense−の間の差分を認識するようになっている。その電圧差分を測定するように、図11に示すシングルエンド出力を有する差動増幅器64を用いることができる。差動増幅器は、2つの信号間の差分を処理する種類の増幅器である。本実施形態のデザインは、他のエレクトロニクスからのノードを分離するように、電圧出力Vsense+及びVsense−の各々にゲイン1のバッファを有する。その場合、信号は、2つの信号間の差分を順に処理する差動増幅器に各々、接続されている。最終的に、トランスジューサの出力電圧Voは次式を用いて計算され、
Vo=acm*(Vsense++Vsense−)/2−adm*(Vsense+−Vsense−)/2
(17)
ここで、acm及びadmは増幅されたゲインである。
Claims (40)
- 歪を検知する装置であって:
センサであって、櫛歯型コンデンサを有する、センサ;
送信器であって、前記センサに結合されている、送信器;及び
アンテナであって、前記送信器に結合されている、アンテナ;
を有する装置であり、
前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて;
前記櫛歯型コンデンサは複数の櫛歯型フィンガーを有し;
前記櫛歯型コンデンサは、前記センサにより検出される容量の変化が前記櫛歯型コンデンサの櫛歯型フィンガーの横方向移動に依存するように、備えられている;
装置。 - 請求項1に記載の装置であって、前記センサはハウジングに内包され、密閉されて環境から隔てられている、装置。
- 請求項2に記載の装置であって、前記送信器及び前記アンテナは、前記センサを内包するための前記ハウジングを構成する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、生物学的ホストにおける恒久的インプラントのために適合されている、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサは櫛歯型面積変化コンデンサセンサを有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサは10−14Fオーダーの感度を有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記送信器は高周波送信器を有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記送信器は:
電圧制御発振器;及び
RF電力増幅器;
を有する、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、前記送信器は100GHzオーダーの動作周波数を有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記送信器は周波数変調送信器を有する、装置。
- 請求項8に記載の装置であって、前記電圧制御発振器はリング発振器を有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記アンテナはマイクロストリップアンテナを有する、装置。
- 請求項12に記載の装置であって、前記マイクロストリップアンテナは:
導電性グランドプレーン;
前記導電性グランドプレーンにおいて位置付けられている低損失誘電体基板;及び
前記低損失誘電体基板において位置付けられている薄い金属パッチ;
を有する、装置。 - 請求項13に記載の装置であって:
前記低損失誘電体基板はある誘電率を有し;
前記低損失誘電体基板はキャビティを有し;
前記キャビティは前記基板の前記誘電率を減少させる;
装置。 - 請求項1に記載の装置であって:
電力供給部;
を更に有する装置であり、
前記電力供給部は電源への誘導結合のために構成され;
前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合されている;
装置であり、
前記電力供給部は、生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されている;
装置。 - 請求項15に記載の装置であって、前記電力供給部は:
誘導コイル;
前記誘導コイルに結合された整流器;及び
前記整流器に結合されたレギュレータ;
を有する、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、前記センサを較正する手段を更に有する、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは脊椎融合をモニタリングするために適合されている、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナはグルコースレベルをモニタリングするために適合されている、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは脊椎負荷を測定するために適合されている、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは心拍をモニタリングするために適合されている、装置。
- 請求項1に記載の装置であって、前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、血液の化学物質、因子及び無機物、グルコース、電解質、ナトリウム、水和レベル、pH、有害化学物質又は重金属の測定を本質的に有する群から選択された生物学的状態を検出する、
装置。 - 請求項18に記載の装置であって:
前記センサは、脊椎プレートに備えられるために適合され、前記脊椎プレートにおける歪を表す信号を生成し;
前記送信器は、前記の歪を表す信号を送信する;
装置。 - 請求項23に記載の装置であって:
前記脊椎プレートは中央領域を有し;
前記脊椎プレートは前記中央領域の近くの幅が減少していて;
前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、前記脊椎プレートの幅が減少したところの近くに前記脊椎プレートが添えられている;
装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記櫛歯型フィンガーは、前記横方向移動を可能にするように自立している;
装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記櫛歯型コンデンサと櫛歯型フィンガーの横方向移動は線形関係にある;
装置。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項1乃至26の何れか一項に記載の装置;及び
歪を表す前記送信器からの信号を受信する受信器;
を有するシステムであり、
前記受信器は、非インプラント遠隔操作受信器を有する;
システム。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項1に記載の装置;
歪を表す送信器からの信号を受信する受信器であって、該受信器は非インプラント遠隔操作受信器を有する、受信器;
電力供給部であって、該電力供給部は前記送信器及びセンサに結合され、前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されている、電力供給部;
を有するシステムであり、
前記電力供給部は:
誘導コイル;
前記誘導コイルに結合された整流器;
前記整流器に結合されたレギュレータ;
を有する、システム。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項1乃至14及び17乃至26の何れか一項に記載の装置;並びに
電力供給部;
を有するシステムであり、
前記電力供給部は電源への誘導結合のために構成され;
前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合され、
前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて;
受信器は、歪を表す前記送信器からの信号を受信し;
前記受信器は非インプラント遠隔操作受信器を有する;
システム。 - 請求項1に記載の装置;
電力供給部であって、該電力供給部は電源への誘導結合のために構成されている、電力供給部;及び
歪を表す前記送信器からの信号を受信する受信器;
を有するシステムであって、
前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合され;
前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて;
前記電力供給部は:
誘導コイル;
前記誘導コイルに結合された整流器;及び
前記整流器に結合されたレギュレータ;
を有する、システム。 - 請求項30に記載のシステムであって、前記受信器は前記電源を有する、システム。
- 請求項2乃至17の何れか一項に記載の装置であって:
前記センサは、前記脊椎プレートに備えられるように適合され、前記脊椎プレートにおける歪を表す信号を生成し;
前記送信器は、歪を示す前記信号を送信する;
装置。 - 請求項32に記載の装置であって:
前記脊椎プレートは中央領域を有し;
前記脊椎プレートは前記中央領域の近くの幅が減少していて;
前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、前記脊椎プレートの幅が減少したところの近くに前記脊椎プレートが添えられている;
装置。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項1乃至4及び6乃至17の何れか一項に記載の装置であって、センサは、脊椎プレートに備えられるように適合され、前記脊椎プレートにおける歪を表す信号を生成し、前記送信器は、前記の歪を表す信号を送信する、装置;並びに
歪を表す前記送信器からの信号を受信する受信器であって、該受信器は非インプラント遠隔操作受信器を有する、受信器;
を有するシステム。 - 請求項34に記載のシステムであって:
前記脊椎プレートは中央領域を有し;
前記脊椎プレートは前記中央領域の近くの幅が減少していて;
前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、前記脊椎プレートの幅が減少したところの近くに前記脊椎プレートが添えられている;
システム。 - 請求項27に記載のシステムであって:
歪を表す前記送信器からの信号を受信する受信器であって、該受信器は、非インプラント遠隔操作受信器を有する、受信器;及び
電力供給部であって、該電力供給部は電源への誘導結合のために構成されている、電源供給部;
を有するシステムであり、
前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合され;
前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて;
前記受信器は前記電源を有する;
システム。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項1乃至14及び17の何れか一項に記載の装置;
電力供給部であって、該電力供給部は電源への誘導結合のために構成されていて、前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合されていて、前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて、前記センサは、前記脊椎プレートに備えられるように適合されていて、前記脊椎プレートにおける歪を表す信号を生成し、前記送信器は、歪を表す前記信号を送信する、電力供給部;並びに
歪を表す前記送信器からの信号を受信する受信器であって、前記受信器は、非インプラント遠隔操作受信器を有する、受信器;
を有するシステム。 - 請求項37に記載のシステムであって:
前記脊椎プレートは中央領域を有し;
前記脊椎プレートは前記中央領域の近くの幅が減少していて;
前記センサ、前記送信器及び前記アンテナは、前記脊椎プレートが幅を減少したところの近くに前記脊椎プレートが添えられている;
システム。 - 歪を検知するシステムであって:
請求項27に記載の装置; 並びに
電力供給部であって、該電力供給部は電源への誘導結合のために構成されていて、前記電力供給部は前記センサ及び前記送信器に結合されていて、前記電力供給部は生物学的ホストにおけるインプラントのために適合されていて、前記センサは、前記脊椎プレートに備えられるように適合されていて、前記脊椎プレートにおける歪を表す信号を生成し、前記送信器は、歪を表す前記信号を送信する、電力供給部;
を有するシステムであり、
前記電力供給部は、誘導コイルと、前記誘導コイルに結合された結合された整流器と、前記整流器に結合されたレギュレータとを有し;
前記受信器は、非インプラント遠隔操作受信器を有する;
システム。 - 請求項37に記載のシステムであって、前記受信器は前記電源を有する、システム。
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