JP5841951B2 - データ収集システム - Google Patents

Description

一部の電磁通信、例えばＥＫＧ信号、コンダクタンス通信、ＲＦ信号等は、不便なデータ収集システム又は扱いにくいデータ収集システムを除き、検出して収集するのが非常に困難である。一般的な環境条件が、調査されるＥＭスペクトルのどの部分においても雑音の一因になり得る。所望のＥＭ信号の源（例えば、生きている対象内のデバイス）が、対象で自然に発生する信号によって隠されるか又はほとんど隠される場合がある。データ収集システムは、マイクロコントローラと、データ収集のために信号を送って信号対雑音比を更に低下させる他の電子機器とを備えていることが多い。

場合によっては僅かではあるが、非常に重要なことに、絶対的には小さい寄生容量が対象の周波数帯域で電磁エネルギーを吸収し得る。寄生容量源として、相対的に位置付けられた複数対の検出電極があり、一方の検出電極が接地面を有する回路基板に対して相対的に位置付けられており、他方の検出電極がバッテリ又は動力電池のような大きな金属性又は伝導性の本体に対して相対的に位置付けられている。

対象の信号を送信することができる、生きている対象内のデバイスの一例が摂取可能事象マーカ（「ｉｎｇｅｓｔｉｂｌｅ ｅｖｅｎｔ ｍａｒｋｅｒ：ＩＥＭ」）である。ＩＥＭは、発明の名称が「摂取可能事象マーカシステム」（ｉｎｇｅｓｔｉｂｌｅ ｅｖｅｎｔ ｍａｒｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ）である米国特許出願公開第２０１０／０１８５０５５号明細書、発明の名称が「部分電源を備えた通信システム」（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐａｒｔｉａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）である米国特許出願公開第２０１０／００８１８９４号明細書、発明の名称が「多方向送信器を備えた体内デバイス」（ｉｎ−ｂｏｄｙ ｄｅｖｉｃｅ ｈａｖｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）である米国特許出願公開第２０１０／００２２８３６号明細書、発明の名称が「マルチモード通信を行う摂取可能事象マーカ，システム及びこれらを用いた方法」（ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｇｅｓｔｉｂｌｅ ｅｖｅｎｔ ｍａｒｋｅｒｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓａｍｅ）である米国特許出願公開第２００９／０２５６７０２号明細書、発明の名称が「通信チャネルを用いたトランスボディ通信システム」（ｔｒａｎｓｂｏｄｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｃｈａｎｎｅｌｓ）である米国特許出願公開第２００９／０１３５８８６号明細書、発明の名称が「仮想的な双極子信号の増幅を用いた体内デバイス」（ｉｎ−ｂｏｄｙ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｖｉｒｔｕａｌ ｄｉｐｏｌｅ ｓｉｇｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）である米国特許出願公開第２００９／００８２６４５号明細書、及び、発明の名称が「身体に関連付けられた受信器及び方法」（ｂｏｄｙ−ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ）である米国特許出願公開第２０１０／０３１２１８８号明細書に述べられており、これらの明細書は夫々、参照して本明細書に組み込まれる。

米国特許出願公開第２０１０／０１８５０５５号明細書

このようなＩＥＭでは、利用可能な電力の量と、送信器を近傍の送信媒体に結合させるために利用可能なアンテナのサイズとが必然的に極度に制限される。このため、送られた信号が、一般的な周囲雑音源より十分強力であるわけではない。今まで、このようなＩＥＭ信号を検出するためにパッチを使用することが必要であり、パッチは、大きな粘着性包帯と同様の形状を有しており、ＩＥＭが信号を送るときにＩＥＭの近傍にあるように対象の腹部に貼付される。パッチには潜在的な欠点があり、その中でも接着により表皮に炎症を起こす危険性、運動の自由度の制約、及び場合によっては一部の人にとっての審美的に不快な見栄えがある。

従来のデータ収集システムの一例が図２に示されている。このようなデータ収集システム２０１では、（ａ）対象の組織のような表面１０２と、（ｂ）（組織及び検出システムを除く、図２の他のどこにでもある）「空気」又は一般的な周囲領域との間で検出可能な信号を取得することが目的である。表面１０２に結合される電極２０３と「空気」に結合される電極２０４とによって信号が取得される。回路基板２０８が、回路２０７を支持しており、バッテリ又は電池（「バッテリ」）２０９と接続されている。回路２０７は、電極２０３、２０４に接続されている。電子機器である回路２０７内の差動増幅器が、２つの電極２０３、２０４の各々を入力として用い、それによって対象の信号を検出することが望まれている。データ収集システム２０１は、（説明された粘着性のパッチと区別されるように）組織に乾式結合されてもよく、且つ、このような状況下においてデータ収集システム２０１が対象の信号を十分検出することが可能であると判明した場合にのみ、腹部以外の他の箇所、例えば腕輪又はリストバンドに簡単に置かれてもよい。

しかしながら、経験上、このようなデータ収集システム２０１に存在する寄生容量が、対象の周波数（場合によっては、数十キロヘルツ）で、検出された信号のうちの大部分を損失させる。寄生容量は簡単に生じて、電極２０４と回路基板２０８の接地面との間、電極２０４とバッテリ２０９との間、電極２０３と回路基板２０８の接地面との間、及び電極２０３とバッテリ２０９との間に存在し得る。一部の寄生容量は、電極２０３と電極２０４との間にも生じることが多い。

経験上、ＲＦＩ（無線周波数干渉）が、電子機器２０７によって引き起こされ、電極２０３、２０４によって取得されることが多い。データ収集システム２０１の望ましくは小さな形状が、ＲＦＩに関する結合経路のうちの一部を遮断するために使用され得る従来のフェライトチョークなどの使用を除去する。更に、小さな形状により、電極とＲＦＩ源とが物理的に僅かに分離して並置される。

ＲＦＩを低減すべく時には採用される一手法が、ＲＦＩ源を「密封する」（can ）ことである。データ収集システム２０１では、密封は、適切に選択された金属又は合金の金属覆いを回路２０７の周りに置くことによってなされてもよい。この手法は、ＲＦＩを確かに低減する一方で、電極２０３と電極２０４との間により大きな寄生容量を導入するという欠点を有する。

先行技術の手法より、対象に更に持続的に許容可能である方法で、このような微弱な電気信号を確実に検出する方法が見出され得る場合、非常に望ましい。方法が見出され得る場合、該方法は、表皮に炎症をあまり起こさせず、運動の自由度をあまり制約しないか又は全く制約せず、一部の人にとって更に審美的に見栄えがよくなる。

データを収集するためのデバイスは第１の電極及び第２の電極を備えている。第１の電極は対象の表面に結合されており、第２の電極は「その他の全ての箇所」又は「空気」に結合されている。第１の電極は、シールドによって第２の電極と寄生容量の大部分の源とから遮蔽されており、シールドは、第１の電極の瞬間の電位を追跡し、理想的には一致させるべくシールドを駆動する能動型のドライバによって駆動される。第２の電極は、寄生容量の大部分の源から同様の方法で同様に遮蔽されている。これらのシールドは、デバイスの電子機器からのＲＦＩが第１及び第２の電極のうちのいずれかと結合する範囲を制限するのに同様に有用である。このように、デバイスは対象の周波数帯域での信号対雑音比を著しく改善する。

本発明に係る検出デバイスを示す断面図である。 先行技術に係る可能な検出デバイスを示す断面図である。 図１の検出デバイスを示す機能ブロック図である。

図１は、本発明に係る検出デバイス１０１を示す断面図である。検出デバイス１０１は、第１の電極１０３及び第２の電極１０４を備えている。第１の電極１０３は、生きている対象の組織であってもよい対象の表面１０２に結合されており、第２の電極１０４は、「その他の全ての箇所」又は「空気」に結合されている。主として意味論の事柄ではあるが、第２の電極１０４を「接地」又は「空間接地」に結合する電極として特徴付けることを選択してもよい。

第１の電極１０３は、シールド１０５によって第２の電極１０４と寄生容量の大部分の源とから遮蔽されており、シールド１０５は、第１の電極１０３の瞬間の電位を追跡し、理想的には一致させるべくシールド１０５を駆動する（図１では明瞭化のために省略されている）能動型のドライバによって駆動される。第２の電極１０４は、寄生容量の大部分の源からシールド１０６によって、同様の方法で同様に遮蔽されている。これらのシールド１０５、１０６は、検出デバイス１０１の電子機器である回路１０７からのＲＦＩが第１の電極１０３及び第２の電極１０４のうちのいずれかと結合する範囲を同様に制限するのに有用である。このように、検出デバイス１０１は、先行技術の検出デバイスと比較して対象の周波数帯域での信号対雑音比を著しく改善する。

シールド１０５、１０６の遮蔽効果が無ければ、第１の電極１０３及び第２の電極１０４は、バッテリ１０９と回路基板１０８の接地面と互いとに寄生して容量性結合する。

図３は、図１の検出デバイス１０１を示す機能ブロック図である。第２の電極／シールド組立体１０４／１０６が、コネクタ３０１を介して回路基板１０８に接続されている。第１の電極／シールド組立体１０３／１０５が、コネクタ３０２を介して回路基板１０８に同様に接続されている。第２の電極１０４で検出される信号が、シールド１０６を駆動する増幅器３０４により増幅される。第１の電極１０３で検出される信号が、シールド１０５を駆動する増幅器３０６により増幅される。第２の電極１０４で検出される信号は、増幅器３０３により更に増幅され、増幅器３０３は２つの入力のうちの１つを差動増幅器３０７に与える。その後、得られた信号（２つの第１及び第２の電極における瞬間の電位間の差）が、帯域フィルタ３０８によってフィルタされ、アナログ／デジタル変換器３０９によってデジタル信号に変換され得る。

増幅器３０４は、対象の周波数帯域で、好ましくは多少更に高い周波数でシールド１０６を駆動するために十分な周波数応答を有するように選択される必要があることが理解される。増幅器３０４は更に、物理的なサイズ及びインピーダンスを考慮して、十分な電荷をシールド１０６に出し入れするために十分な電力を有するように選択される必要がある。同じことが、シールド１０５に対する増幅器３０６に関して言える。

例示的な態様では、対象の周波数帯域は、５４キロヘルツに対してプラスマイナス５キロヘルツの範囲内である。このため、帯域フィルタ３０８は、この帯域を通過させるように選択される。しかしながら、メガヘルツ以上で信号を送るＩＥＭが開発され得ることが想定され、この場合、データ収集デバイスである検出デバイス１０１は、このような周波数帯域で機能を実行することが望ましい。他のデータ収集デバイス１０１は、約２０キロヘルツの周波数帯域を使用し得る。

増幅器３０３、３０５、３０７、帯域フィルタ３０８及びアナログ／デジタル変換器３０９は夫々、対象の周波数帯域に関して十分な周波数応答を有する必要があることが理解される。図３の回路は、個々の演算増幅器３０３、３０４、３０５、３０６、３０７のような別個の構成要素、及び別個の構成要素である能動型の帯域フィルタ３０８を用いて図示されているが、本発明の利点は、本発明から決して逸脱することなく、図３に示されている構成要素のうちの一部又は大部分の代わりに、十分な周波数応答のデジタル信号処理プロセッサを用いることによって同様に得られることが更に理解される。増幅器３０４、３０６は、対象の周波数で高利得を有し、且つ低雑音である必要がある。

本概念立証の態様において、（図３では明瞭化のために省略されている）マイクロコントローラが信号を受信し、信号はマイクロコントローラ（又はマイクロコントローラに取り付けられているメモリ）にデータとして記憶され、その後、データは、受信した信号を分析するために検出デバイス１０１の外部に、例えば適切なソフトウェアを実行する汎用コンピュータに通信され得る。回路１０７は、小さな「ボタン」電池又はバッテリによって動力が供給される。別の手法は、データを無線で、例えばブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，登録商標）を介して検出デバイス１０１の外部の機器に通信することである。このような機器は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈを介してデータを受信し、ＧＰＲＳ又は他の携帯電話データプロトコルを介して遠隔ホストにデータを更に送信すべく、適切なアプリケーションを実行するスマート携帯電話であってもよい。

本概念立証の態様において、検出デバイス１０１は、３センチメートル四方の平坦な正方形のデバイスである。検出デバイス１０１に動力を供給するために使用されるボタン電池より僅かに大きい、着用可能な腕時計の形状を有することができる。

手首のような単一の遠位点から対象の信号を取得することが望ましい結果である。結合は、身体と容量性結合する、又は場合によっては身体と導電性結合する非粘着性の乾燥した電極によりなされる。ユーザの視点から、これは、腰若しくは胸の周りの弾性ベルト、弾性の腕輪バンド又はネックレスの形状であってもよい。

第１の電極１０３は、金、白金又はステンレス鋼であってもよい。

ドライバである３０４によって駆動されるシールド１０６、及びドライバである増幅器３０６によって駆動されるシールド１０５を用いて達成される能動的な遮蔽により、先行技術の粘着性包帯タイプのパッチよりＩＥＭから更に遠いにも関わらず、且つ非粘着性であるにも関わらず、検出デバイス１０１がＩＥＭ信号のような信号を取得することが可能になる。このため、検出デバイス及びＩＥＭのシステムがユーザに更に受け入れられ得る。

更なる遮蔽が、例えば回路基板１０８内の接地面に接続されるか、又は例えばバッテリによって画定されるレール間にあるように定義されるポテンシャルに接続される回路１０７の周りに設けられてもよい。

検出デバイス１０１は複数対で使用されることができ、各々が異なる箇所で身体に接触することが理解される。２つの検出デバイス１０１は夫々、「空間接地」に結合され、このため第２の電極１０４を介してある程度相互に結合される。その後、対をなす検出デバイスは、多少「双極子」の受信器構成で身体からデータを収集する。

本発明の回路１０７の例示的な態様の概略図が更に添付されている。

当業者は、本発明から決して逸脱することなく、本明細書に記載されている態様の無数の明白な変更及び改良を困難なく考案し、このような明白な変更及び改良の全ては、以下の特許請求の範囲に包含されていることが意図する。

本出願は、米国特許法第１１９条に基づいて、２０１０年２月１日に出願され「２つの手首のためのデータ収集システム」（Ｔｗｏ−ｗｒｉｓｔ ｄａｔａ−ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を発明の名称とする米国特許出願第６１／３００，４３５号明細書、及び２０１０年８月３１日に出願され「データ収集システム」（Ｄａｔａ Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を発明の名称とする米国特許出願第６１／３７８，８７８号明細書の優先権を主張する。これらの明細書は夫々、その全体が参照して本明細書に組み込まれる。

Claims (11)

1. データを収集するためのデバイスであって、
   非粘着性であり、表面と容量性結合又は導電性結合を行うために配置されている第１の電極と、
   非粘着性であり、前記表面に対向する領域と容量性結合又は導電性結合を行うために配置されている第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている電子回路と
   を備えており、
   前記第１の電極は、前記第１の電極と前記電子回路との間に置かれた第１のシールドによって遮蔽されており、
   前記第２の電極は、前記第２の電極と前記電子回路との間に置かれた第２のシールドによって遮蔽されており、
   前記電子回路は、前記第１の電極に与えられた信号を入力として受信する第１のドライバ及び第１の増幅器を備えており、該第１のドライバは、前記第１の電極のための前記第１のシールドと結合される出力を有しており、
   前記電子回路は、前記第２の電極に与えられた信号を入力として受信する第２のドライバ及び第２の増幅器を備えており、該第２のドライバは、前記第２の電極のための前記第２のシールドと結合される出力を有しており、
   前記電子回路は、第１及び第２の入力を有する差動増幅器を更に備えており、該差動増幅器の第１及び第２の入力は、前記第１の増幅器の出力及び前記第２の増幅器の出力に夫々接続されており、
   前記差動増幅器は出力を有しており、
   前記電子回路は、前記デバイスの外部の機器に前記差動増幅器の前記出力が示しているデータを通信するための手段を更に備えており、
   前記デバイスは前記電子回路を囲む第３のシールドを更に備えており、該第３のシールドは、前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に物理的に配置されており、前記第１のシールド及び前記第２のシールドから電気的に絶縁されていることを特徴とするデバイス。
2. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、略平面であり、且つ互いに平行であり、
   前記電子回路は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に置かれており、且つ前記第１の電極及び前記第２の電極に平行であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記デバイスの外部の機器に前記差動増幅器の前記出力が示しているデータを通信するための手段は、シリアルデータ経路を有するコネクタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記デバイスの外部の機器に前記差動増幅器の前記出力が示しているデータを通信するための手段は、ブルートゥース（登録商標）のリンクを備えていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
5. 前記差動増幅器の出力が、５４キロヘルツを含む帯域フィルタによりフィルタ処理されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記デバイスの外側から動力が供給されないことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 信号の検出に使用するための方法であって、
   非粘着性であり、表面と容量性結合又は導電性結合を行う第１の電極を用意するステップと、
   非粘着性であり、前記表面に対向する領域と容量性結合又は導電性結合を行う第２の電極を用意するステップと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に、電子回路を用意するステップと、
   前記第１の電極と前記電子回路との間に、第１のシールドを用意するステップと、
   前記第２の電極と前記電子回路との間に、第２のシールドを用意するステップと、
   前記電子回路を囲む第３のシールドであって、前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に物理的に配置されて前記第１のシールド及び前記第２のシールドから電気的に絶縁されている前記第３のシールドを用意するステップと、
   前記第１のシールドを駆動して、前記第１の電極に与えられた信号を送るステップと、
   前記第２のシールドを駆動して、前記第２の電極に与えられた信号を送るステップと、
   前記第１の電極に与えられた信号と前記第２の電極に与えられた信号との差を導き出すステップと、
   デバイスの外部の機器に前記差を示しているデータを通信するステップと
   を有し、
   前記電子回路は、前記第１の電極に与えられた信号を入力として受信する第１のドライバ及び第１の増幅器を備えており、該第１のドライバは、前記第１の電極のための前記第１のシールドと結合される出力を有しており、
   前記電子回路は、前記第２の電極に与えられた信号を入力として受信する第２のドライバ及び第２の増幅器を備えており、該第２のドライバは、前記第２の電極のための前記第２のシールドと結合される出力を有しており、
   前記電子回路は、第１及び第２の入力を有する差動増幅器を更に備えており、該差動増幅器の第１及び第２の入力は、前記第１の増幅器の出力及び前記第２の増幅器の出力に夫々接続されており、前記差動増幅器の出力が前記差を示すことを特徴とする方法。
8. 前記デバイスの外部の機器に前記差を示しているデータを通信するステップは、シリアルデータ経路を有するコネクタを介したシリアルデータの送信を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記デバイスの外部の機器に前記差を示しているデータを通信するステップは、ブルートゥース（登録商標）のリンクを介したデータの送信を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記表面は、皮膚であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記皮膚は、手首の皮膚であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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