JP6038963B2 - 遠隔測定インプラントと交信するシステム - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年９月６日に出願した米国仮出願第６０／９７０，４６０号の優先権を主張するものである。この先行出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は一般に遠隔測定システムに関し、より詳細には、遠隔測定システムの電磁場を調整するデバイスに関する。
ページャおよび手持形計器などのデバイスにおける無線技術は、ずっと以前から健康管理の分野で利用されてきた。しかし、無線電力および無線通信システムに関連するリスクへの疑念が、特に整形外科用途において、広範囲の採用を阻んできた。今日、マイクロエレクトロニクスおよび性能における顕著な進歩により、無線技術が高信頼性医療システム分野の実績ある競争者であるというところまで、これらの認知されたリスクの多くが取り除かれた。今日の医療用デバイスは、ますます要求が厳しく競争が激しくなる市場に直面している。この分野内の性能目標が高まり続けるにつれて、効率、生産性および有用性を高める新しい方法が、模索されている。無線技術は、インプラント可能な電子デバイスと外部リーダデバイスとの間の双方向通信または遠隔測定を可能にし、医療製品に対して触知できる認知された利益を提供する、ほぼすべての製造者が無視することのない重要な技術である。
遠隔測定システムは、通常、電磁信号を送信するための単コイル送信機と、送信機から電磁信号を受信するための受信機とを含む。これらのコイルは、一般に、並列配置で配列される。遠隔測定データは、インプラントの負荷、インプラントの微細挙動、アルカリ度、温度、圧力など、任意の身体測定値であってよく、測定値は、離れた遠隔測定ユニットで検出される。
現在、無線周波数（ＲＦ）遠隔測定および誘導結合システムは、インプラントと相手のリーダの間で電力と電子データを伝送するための、最も一般的に使用される方法である。無線遠隔測定システムは、複数のセンサによって生成された情報を、センサから離れたユーザの位置に送信するために、いくつかの異なる変調方法のうちの１つと、いくつかの異なる多重化技術のうちの１つとを使用する。情報を伝達するために搬送周波数を変調する方法は、振幅変調、周波数変調、位相変調、およびパルス変調を含む。
従来の遠隔測定デバイスの短い距離が、医療用途の遠隔測定インプラントの潜在的な限界である。医療モニタリング分野において、より長い距離にわたって連続的にアクセス可能な遠隔測定が、模索されてきた。しかし、読み取り距離の増大は、電力、大きさ、およびコストに関して、リーダシステムに密接に関わる。図１で最も良く分かるように、有効読み取り距離は、通常、電力消費と対数関係にある。図１で示すグラフにおいて、約１１インチの読み取り距離は、約１００ワットの電力を必要とする。
特許文献１は、上述の一般的な種類の遠隔測定受信機のコイル配列を開示している。特許文献１の特許は、心臓ペースメーカとの無侵襲通信用の電子装置を開示している。反対方向に接続された２つのコイルを有するアンテナ構成が、電子装置の中に設けられる。２つのコイルが反対位相で直列に接続されるこのアンテナ構成は、インプラントから受信された近接場信号に対する、いわゆる遠距離場干渉信号の影響を抑制することに寄与する。
特許文献２は、遠隔測定データ送信デバイスにおいて、カップ状支持体の上に、受信機コイルと、直径が異なる補償コイルとを配置し、それにより不均質な信号、すなわちインプラントにより放出された信号が受信機コイルでのみ観測され、均質な信号、すなわち干渉信号が補償コイルの中でも測定されるようにすることを教示している。
特許文献３は、特に心臓インプラントからデータ信号を受信するための遠隔測定コイル配列に関し、受信方向に交互に配置された一対のコイルを含む。
米国特許第５，６３０，８３５号 米国特許第５，７４１，３１５号 米国特許第６，４０５，０８８号
当技術分野において、改良された遠隔測定システムの必要性、特に遠隔測定システムの電磁場を調整するためのデバイスの必要性が依然として存在する。
上記の問題を考慮して、本発明が開発された。本発明のいくつかの態様によれば、遠隔測定システムが提供される。遠隔測定システムは、遠隔測定インプラントと、遠隔測定インプラントからの信号を読み取るようになされたリーダユニットと、リーダユニットに接続され、遠隔測定インプラントからの信号を受信するようになされたアンテナとを含む。アンテナは、第１のコイルと、第２のコイルと、コネクタとを含む。第１のコイルは第２のコイルと電気的に接続され、コネクタは、第１のコイルと第２のコイルが互いに対して動くことを可能にする。
本発明の一実施形態において、第１のコイルまたは第２のコイルは、前記コイルにより生成される磁界を成形するように動かされる。
本発明の他の実施形態において、第１のコイルまたは第２のコイルは、アンテナをほ乳類の組織の表面に整合させるように動かされる。
本発明の他の実施形態において、アンテナは、斜角から遠隔測定インプラントを給電し、読み取るために使用される。
本発明の他の実施形態において、第１のコイルと第２のコイルは、可撓性のポリマーの中に収容される。
本発明の一実施形態において、第１のコイルと第２のコイルは、ポーチの中に収容される。
本発明の他の実施形態において、システムは、演算デバイスと、信号発生器と、電源と、可聴フィードバックシステムと、可視インジケータとからなる群から選択された構成部品をさらに含む。
本発明の他の実施形態において、システムは、少なくとも１つの追加のアンテナコイルをさらに含む。
本発明の他の実施形態において、アンテナは、少なくとも１つのフェライト構成部品をさらに含む。
本発明の一実施形態において、リーダユニットは、マイクロコントローラと、コイルドライバおよびコイルリーダと、周波数カウンタと、増幅器とを含み、遠隔測定インプラントは、電源回路と、発振器回路と、負荷変調器回路とを含む。
本発明の他の実施形態において、アンテナは、無線周波数電力を遠隔測定インプラントに送り、遠隔測定インプラントからデータを受信する。
本発明は、いくつかの特徴および利点を有する。例えば、リーダデバイスの設計を注意深く考慮することにより、インプラントへの電力伝達を改善し、インプラントの向きが単コイルリーダにとって最適でない場合に、インプラントを給電するのに必要な有効リーダ距離を増加させるように、送信機コイルによって生成される磁界を成形することができる。本明細書に記載される無線式の可撓性のデュアルコイルリーダシステムは、据え付けと使用が簡単であり、「プラグ・アンド・プレイ」性能を提供し、平行位置または直交位置のいずれからでも、インプラントを給電し、インプラントからデータを読み取ることができる。
他の例として、デュアルコイルリーダシステムは、斜角から遠隔測定インプラントを給電し、読み取る能力を有する。例えば、内部受信機コイルが配置されている（腰部において最も顕著な）遠隔測定脊椎インプラントは、インプラントとリーダの間の距離により、並列配置で配列される従来の単一送信機コイルと結合することは困難である。デュアルコイルリーダが、２セットのコイルが直交して配列されるインプラントに隣接して患者の背中に置かれると、結合距離は著しく短縮される。
本発明が適用できるさらなる領域は、以下の明細書の中で提供する詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明と具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示してはいるが、例示の目的だけを企図しており、本発明の範囲を限定することを企図するものではないことを理解されたい。
本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、記載された説明と共に、本発明の原理、特性、および特徴を説明することに寄与する。
読み取り距離対電源電力の典型的な場合を示すグラフである。 遠隔測定システムの第１の実施形態を示す概略図である。 アンテナコイルを示す図である。 アンテナコイルを示す図である。 第１の実施形態におけるアンテナの図である。 アンテナの第２の実施形態を示す図である。 アンテナの第２の実施形態を示す図である。 遠隔測定システムの構成部品を示すブロック線図である。 電力接続を示すブロック線図である。 遠隔測定インプラントの回路図である。 搬送波およびデータ波を示す図である。 単コイルの電磁場シミュレーションを示す図である。 ２つのコイルを有するアンテナの電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 アンテナの代替実施形態を示す上面図である。 アンテナの代替実施形態を示す側面図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 所与のアンテナ構成の電磁場シミュレーションを示す図である。 第２の実施形態における遠隔測定システムを示す図である。 信号発生器駆動電圧を示すグラフである。 信号発生器駆動電圧を示すグラフである。 遠隔測定インプラントの第３の実施形態を示す図である。
図示された実施形態の以下の説明は、単なる例示的な性格のものであり、本発明、その用途、またはその使用を限定することを企図するものではない。
図２は、遠隔測定システム１０を示す。システム１０は、アンテナ１２と、リーダユニット２０と、遠隔測定インプラント５００とを含む。図示された実施形態において、遠隔測定インプラント５００は髄内くぎであるが、他の種類および様式のインプラントが同様に使用されてよい。例として、インプラント５００は、髄内くぎまたは骨プレートなど、外傷整形外科インプラント、あるいは臀部、膝、または肩のインプラントなど、人工装具インプラントであってよい。図２に示す実施形態において、アンテナ１２は、アンテナ１２とインプラント５００を分離する組織５１０の上に載置されている。一般に、組織５１０は、約０．５センチメートルから約１０センチメートルの厚さを有する。
遠隔測定インプラント５００は、１つまたは複数のインプラントコイルを含むことができる。あるいは、インプラントコイルは、インダクタと呼ばれうる。図示された実施形態において、遠隔測定インプラント５００は、１つのインプラントコイル５２２を有する。図２において、インプラントコイル５２２は、約０．１ｍｍの直径を有する６００ターンのエナメル線で形成される。当然のことながら、これらの寸法は単なる例であり、他の寸法が使用されてよいことは、当業者には理解されよう。
アンテナ１２は、第１のコイル１４と、第２のコイル１６と、コネクタ１８とを含む。コネクタ１８は、ヒンジとも呼ばれる。第１のコイル１４は、第１のコイル１４と第２のコイル１６によって生成される磁界が逆位相になるように、直列に第２のコイル１６に電気的に接続される。第１のコイル１４と第２のコイル１６によって合成される、結果として生じる磁界は、磁力線が、インプラントコイル５２２の領域において、インプラント５００に沿って軸方向に通過するようなものである。コネクタ１８は、第１のコイルを第２のコイルに物理的に接続する。図示された実施形態において、コネクタ１８は可撓性であり、コイル１４、１６は互いに対して動くことができ、それにより、アンテナは、給電およびデータ取得の間に組織５１０の表面に整合することができる。さらに、コネクタ１８の可撓性は、得られた磁界の形状の調節または修正を可能にすることができる。
コイル１４、１６は同じ大きさと形状であってよく、またはコイル１４、１６は異なる大きさであってよい。図３Ａおよび図３Ｂは、コイル１４、１６の特定の一実施形態を示す。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、各コイル１４、１６は、導線３２が巻かれた樹脂円筒３０で形成される。図示された実施形態において、約０．４ｍｍの直径を有する少なくとも６０ターンの銅線が樹脂円筒の上に巻かれ、樹脂円筒は１００ｍｍの内径と、１４０ｍｍの外形と、８ｍｍの厚みを有し、半自動巻線機を使用する。しかし、これらの寸法は単なる例であり、他の寸法が使用できることは、当業者には理解されよう。
図４は、アンテナ１２の第１の実施形態を示す。コイル１４、１６は、可撓性のポリマーの中に収容され、ヒンジ１８を使用して中央で共に接合される。アンテナ１２は、ハンドル４０が装着され、デバイスはユーザにより把持されうる。
図５Ａおよび図５Ｂは、アンテナ１２の第２の実施形態を示す。コイル１４、１６は、患者の腰に巻かれたベルト５２に取り付けられたポーチ５０の中に収容される。ポーチ５０およびベルト５２は、インプラント５００を給電中、およびインプラント５００からデータを記録中、患者がより動きやすくする。
図６は、遠隔測定システム１０のブロック線図を示す。システム構成は、手持形デュアルコイルアンテナ１２と、リーダユニット２０と、演算デバイス６０と、信号発生器７０と、電源８０とを含む。任意選択で、システム１０は、インプラントが連動し、信頼できるデータが取得されているときをユーザに知らせる、可聴フィードバックシステムを含むことができる。アンテナ１２はリーダヘッドとも呼ばれ、１つまたは複数の「ＯＫ」信号の発光ダイオード（ＬＥＤ）２４を装着され、インプラント５００に対してリーダの位置を最適化する際に、ユーザにフィードバックをもたらすことができる。例示的な事例において、「ＯＫ」信号のＬＥＤ２４は、インプラントの周波数が５．３ｋＨｚと６．３ｋＨｚの間にあり、信号が適切に受信されているときに点灯される。
リーダユニット２０は、マイクロコントローラ２６と、コイルのドライバおよびリーダ２８と、ＬＣＤ周波数カウンタ３４と、増幅器３６と、ポート４２とを含む。図６に示す実施形態において、ポート４２はＰＣ接続点へのＲＳ２３２Ｃであるが、他の種類の接続ポートが、同様に使用されうる。いくつかの実施形態において、信号発生器７０および電源８０は、卓上用ユニットなどの単一ユニットで形成される髄内くぎリーダユニット２０の中に一体化される。特定の一実施形態において、リーダユニット２０は、発振器回路３８を含み、遠隔測定インプラント５００との電力結合を最大化するためにアンテナ１２の駆動周波数を最適化する。図示された実施形態において、駆動周波数は、フェーズド・ループ（ｐｈａｓｅｄ ｌｏｏｐ）技術を使用して最適化されるが、他の技術が同様に使用されうる。図８で示すように、遠隔測定インプラント５００が発振器回路に電気的に接続されたひずみゲージを有する髄内くぎであるときに、これらの技術が特に有用でありうる。
図７は、システム１０に対する電力接続の概略図である。システム１０は、信号発生器７０と、増幅器３６と、マイクロコントローラ２６と、演算デバイス６０と、リーダユニット２０と、アンテナ１２と、遠隔測定インプラント５００とを含む。アンテナ１２は、ＲＦ電力を遠隔測定インプラント５００に送り、遠隔測定インプラント５００からデータを受信する。
図８は、インプラント５００のオンボード電子機器５２０の例示的な概略図を示す。図示された実施形態において、オンボード電子機器５２０は、電源回路５２８と、発振器回路５２６と、負荷変調器回路５３２とを含む。電源回路５２８は、とりわけ、インダクタすなわちインプラントコイル５２２と、電圧レギュレータ５３０とを含む。発振器回路５２６は、とりわけ、ひずみゲージ５２４を含む。図示された実施形態において、ひずみゲージは、所在地が〒１８２−８５２０日本国東京都調布市調布ヶ丘３−５−１である株式会社共和電業の、製品番号ＫＳＰ−２−１Ｋ−Ｅ４の微小ひずみ測定ゲージである。しかし、他のひずみゲージが使用されてよい。センサを発振器回路の中に一体化することは、計測用電子機器を簡素化する利点を有する。例えば、プリント配線板は、個別部品を装着可能であり、マイクロコントローラインターフェースを簡素化し、周波数測定値が電圧測定値と関連づけられ、ひいてはひずみゲージ測定値と関連づけられることを可能にする。内部発振器回路は、遠隔測定インプラント５００と結合する電力を最大化するために、アンテナ１２の駆動周波数を最適化することを目的とする。図示された実施形態において、駆動周波数は、フェーズド・ループ技術を使用して最適化されるが、他の技術が、同様に使用されうる。オンボード電子機器５２０は、シングルチップの形を取ることができ、システム１０における外部信号発生器の必要性をなくすことができる。
アンテナ１２はオンボード電子機器５２０に電力を送り、アンテナ１２はオンボード電子機器５２０からデータを受信する。インダクタ５２２は、アンテナ１２から搬送波信号５５０を受信し、電源回路５２８を誘導的に給電する。図９に示す実施形態において、搬送波信号５５０は、約１２５ｋＨｚの周波数を有する。誘導性電力の使用は、遠隔測定インプラントにおけるバッテリの必要性をなくす。図示された実施形態において、オンボード電子機器５２０は、アンテナ１２から誘導的に給電されたときだけ動作する。他の実施形態において、誘導的に給電されないときに、バッテリ（図示せず）または他の電源が、オンボード電子機器５２０を給電するために使用されてよい。オンボード電子機器５２０は、生のデータをアンテナ１２に送信するのではなく、負荷変調器回路５３２を介して負荷信号５６０を変調する。負荷信号５６０は、ひずみゲージ５２４で測定される抵抗の量と関連づけられる。図示された実施形態において、負荷信号５６０は、５ｋＨｚと６ｋＨｚの間の周波数で変調されるが、他の周波数帯域が使用されてよいことは、当業者には理解されよう。遠隔測定インプラント５００上の負荷の変化は、アンテナ１２により送信され、リーダ２０により受信される。
図１０は、所与の離隔距離に対して最大電力を結合させるために、骨１５０の中にインプラントされた遠隔測定インプラント１２０の内部受信機コイル１１２と平行かつ同軸上に配列された、単一送信機コイル１１０を有するシステム１００を示す。図示された実施形態において、遠隔測定インプラント１２０は髄内くぎであり、骨１５０は大腿骨である。送信機コイル１１０は、受信機コイルと送信機コイルの間の方向に鋭く向けられた磁界を生成する。結合効率は、コイルが１０ｃｍより離れて配置されると、著しく低下する。さらに、この特定のコイル配列から生成される磁界は、送信機コイル１１０が内部受信機コイル１１２と直角に配置されると弱くなる。言い換えれば、結合は、磁力線が受信機コイルの軸にうまくそろえられないと低下する。
システム１００とは対照的に、複数の送信機コイルが逆位相で接続されて直列に配列され、それにより複数の送信機コイルが互いに接近し、それらのコイルをインプラントコイルすなわちインダクタ５２２と直角に配置することにより患者の表面に整合させることが可能であれば、磁界の強さは、単コイル配列と比較して相対的に強くなる。増加された磁界の強さは、遠隔測定インプラントが組織の外側面から給電され、読み取られることを可能にする。このことは意義深い。というのは、組織を通して遠隔測定インプラント信号を受信するという必要性は、古くから気づかれながら未解決であったからである。
図１１は、アンテナ１２と、遠隔測定インプラント５００と、骨１５０とを示す。上述のとおり、アンテナ１２はコイル１４、１６を含み、遠隔測定インプラント５００はインダクタ５２２を含む。コイル１４、１６の構成または配列は、磁界の方向および強さ、ならびにアンテナ１２とインダクタ５２２の間の結合効率の両方に影響する。コイル１４、１６間の角度を変えることにより、デュアルコイル配列で生成される磁界を集束させることができる。
図１２Ａ〜図１２Ｆは、コイルの角度が磁界の強さに与える影響を示す。図１２Ａ、図１２Ｃ、および図１２Ｅは、合成された磁力線および磁界の強さを示し、図１２Ｂ、図１２Ｄ、および図１２Ｆは、磁界の強さだけを示す。図１２において、「Ｘ」は、インプラントコイルすなわちインダクタ５２２の全体的な位置を示す。第１のコイル１４と第２のコイル１６の間の角度を変えることにより、磁界が操作されうる。図１２Ａおよび図１２Ｂは、コイル１４、１６が互いに全体的に平らであるときの、合成された磁界の強さを示す。図１２Ｃおよび図１２Ｄで最も良く分かるように、コイルの角度が１８０度から約１６０度まで減少すると、磁界は、インプラントコイルすなわちインダクタ５２２の領域の中に、より良好に抑制されるように見える。図１２Ｅおよび図１２Ｆにおいて、コイルの角度が１６０度から１２０度まで減少すると、磁界はより集束するようになる。さらに、磁力線および磁界の強さは、ほんのわずかに変化するだけであり、依然としてインプラントに対する好ましい結合方位に整合している。これらのシミュレーションが、生体組織を通過する磁界の影響を何も考慮していないことは、注目に値する。
特定の一実施形態において、約１６０度のコイルの角度が、羊の臀部付近における後肢の身体形状に、より良く追従するように選択され、遠隔測定の髄内くぎのインプラントの領域内で、「より平らな」磁界の強さを生成する。このコイル配列は、結合効率を改善するために、示されている。特定のコイルの角度は、他の要因に基づいて選択することができ、特別なコイルの角度または特別な用途に限定されないことは、当業者には理解されよう。
いくつかの実施形態において、アンテナは、ハンドルの横に取り付けられたフェライトを有する１つまたは複数の構成部品をさらに含む。例として、フェライトを有する構成部品は、合金の低損失磁性材料または複合構造の形を取ることができる。フェライトの構成部品は、遠隔測定インプラントで使用されない磁界を、しっかりと抑制する。フェライトを有する構成部品の選択肢は、アンテナコイル間に装着された単一のフェライトのロッドまたはプレート、アンテナコイル間に装着された一連の平行なフェライトのロッドまたはプレート、あるいはアンテナコイル間に装着された一連の平行なフェライトのロッドまたはプレートであるがコイルとフェライトの間に空隙を有するもの、を含むことができる。個々のロッドおよびプレートの種類および長さは、コイル間で結合される磁界を最適化するように選択されうる。フェライトとコイルの間の空隙を使用すると、コイルの角度の範囲を広げることが可能になる。図示された実施形態において、フェライトは、樹脂ブロックに装着された鉄のロッドまたはプレートの形を取る。フェライトを有する構成部品はまた、フェライトフォーマと呼ばれてよい。
図１３および図１４は、第１のコイル２１４および第２のコイル２１６を有するアンテナ２１２を示す。アンテナ２１２は、少なくとも１つのフェライト構成部品をさらに含む。図１３および図１４で示す実施形態において、アンテナ２１２は、第１のフェライトフォーマ２４４および第２のフェライトフォーマ２４６を含む。しかし、より多い数またはより少ない数のフェライト構成部品が使用されてよいことは、当業者には理解されよう。図１３および図１４で示す実施形態において、アンテナ２１２は、ハンドル２４０と、装着ブロック２４８と、１つまたは複数の装着プレート２５０とをさらに含む。図１３および図１４において、装着ブロック２４８は樹脂であるが、他の材料が使用されてよい。装着プレート２５０は、何らかの付加的な構造上の安定性をもたらすのみであり、いくつかの実施形態においては省略されてよい。図１３および図１４で示す実施形態において、装着プレート２５０は、透明な樹脂で作られるが、他の材料が、同様に使用されうる。
第１のフェライトフォーマ２４４および第２のフェライトフォーマ２４６の寸法は、図示された実施形態において、およそ７５ｍｍ×２８ｍｍ×６ｍｍであるが、他の寸法および他の形状が使用されてよいことは、当業者には理解されよう。第１のフェライトフォーマ２４４および第２のフェライトフォーマ２４６は、コイル１４、１６間で中心線上に等距離で配置されうるが、飽和を避けるため、結合距離を最大化するため、コイルの所要電力を減少させるため、かつ／または電力結合効率を改良するために、フェライトフォーマ２４４、２４６の位置および／または寸法が最適化されうることは、当業者には理解されよう。図１３および図１４で示す実施形態において、第１のフェライトフォーマ２４４、第２のフェライトフォーマ２４６、およびハンドル２４０は、装着ブロック２４８に装着される。
図１５Ａ〜図１５Ｄは、遠隔測定インプラントのために企図されない領域内の磁界をしっかりと抑制するために、コイル１４、１６の近くでフェライト構成部品を使用する効果を示す。図１５Ａ〜図１５Ｄで示す実施形態において、アンテナ２１２は１６０度のコイルの角度を有し、２つのフェライト構成部品が存在する。低損失のフェライト材料の使用は、コイル１４、１６の後ろの磁界を抑制し、一方でコイルのインプラント側の磁界が伸び、結合距離の増加が可能になることは明らかである。図１５Ａ〜図１５Ｄで示す実施形態において、フェライト構成部品を付加することにより、約１ｃｍだけ結合距離が増加し、それにより、コイル１４、１６に供給される電力を変えることなく、最大結合距離を、約６ｃｍから約７ｃｍにならしめた。
図１６は、遠隔測定システム３００を示す。システム３００は、アンテナ３１２と、リーダユニット３２０と、遠隔測定インプラント４００とを含む。アンテナ３１２は、第１のコイル３１４と、第２のコイル３１６と、コネクタ３１８とを含む。遠隔測定インプラント４００は、インダクタすなわち受信機コイル４１４を含む。図１６で示す実施形態において、アンテナ３１２は、アンテナ３１２とインプラント４００を分離する組織５１０の上に載っている。
リーダユニット３２０は、可視、可聴のインジケータを装着されている。図１６で示す実施形態において、可視インジケータは発光ダイオードであるが、他のデバイスが、同様に使用されてよい。可視、可聴のインジケータは、ユーザが、遠隔測定インプラント４００を給電し、読み取るのに最適な位置を探しあてることを可能にする。組織５１０の外側面におけるアンテナ３１２と遠隔測定インプラント４００の間の横断距離は、Ｔｘとして定義される。Ｔｙは、アンテナ３１２の中心およびインダクタ４１４の中心に位置する「スイートスポット」の間の長手方向の距離として定義される。いわゆる「スイートスポット」の中では、発振器回路の周波数は一定であるが、振幅は可変である。「スイートスポット」の外側では周波数が変化し、ユーザによる有効な測定値を取得することは推奨されない。このことは、オンボードのマイクロコントローラを使用して電子的に制御可能であり、ヒューマンエラーの問題が取り除かれる。
いくつかの実施形態において、リーダユニット３２０は、アンテナ３１２が最適な位置にあるかどうかを示すために、色分けされた信号を装着されうる。例えば、リーダユニット３２０は、３色に色分けされた光インジケータを装着されうる。図示された実施形態において、リーダユニット３２０は、赤色ＬＥＤと、橙色ＬＥＤと、緑色ＬＥＤとを含む。赤色ＬＥＤの点灯は、アンテナ３１２が圏外にあることを示す。橙色ＬＥＤの点灯は、アンテナ３１２が、インダクタ４１４から少なくとも何らかの信号を受信していることを示す。緑色ＬＥＤの点灯は、アンテナ３１２が、インダクタ４１４に電力を送り、遠隔測定インプラント４００から信号を受信するのに最適な位置にあることを示す。いくつかの実施形態において、ハイピッチの可聴音はまた、インプラント４００が給電され、データが患者から読み取り可能であることを、ユーザに知らせる。
図１７Ａで最も良く分かるように、組織の深さに合わせるために、Ｔｘは、適切な信号発生器駆動電圧（約１Ｖから約３Ｖ）で内部で補正される。「負荷オン」周波数および「負荷オフ」周波数が、１Ｖから３Ｖの間の駆動電圧に対する組織距離の関数として応答し、図１７Ｂにおいて、それぞれ５．８ｋＨｚおよび６ｋＨｚとみなされる。図示された実施形態において、約２．５ボルトの駆動電圧に対して、Ｔｘは約５ｃｍから約６ｃｍに最適化される。Ｔｙ「スイートスポット」の直径は、約４ｃｍである。
図１８は、遠隔測定システム６００の他の代替実施形態を示す。システム６００は、とりわけ、遠隔測定インプラント６１０およびアンテナ６１２を含む。図示された実施形態において、遠隔測定インプラント６１０は、腰部に配置された脊椎インプラントである。アンテナ６１２は、第１のコイル６１４および第２のコイル６１６を含む。その構成により、アンテナ６１２は、斜角から、遠隔測定インプラント６１０を給電し、読み取ることができる。
磁界の強さを増強し、それにより内部と外部のリーダコイル間の結合距離を増加させることは、コイルの直径およびリーダの電力出力を増加させることにより達成されうる。電力結合距離はまた、インプラントが、Ｔｉ６４などの導電性材料から製作されるときに、インプラント内に誘導される渦電流を減少させる手段を講じることにより、減少させうる。このことは、インプラント上に巻かれた受信機コイルの下に、切り欠き、または溝を挿入し、エポキシ樹脂などの高分子絶縁性材料で切り欠きを埋めることにより、達成されうる。
システムの有効読み取り距離を増加させることは、また、内蔵回路をパルス方式または不連続方式で駆動することにより達成されうる。この実施形態は、ひずみゲージ発振器回路５２６および負荷変調器回路５３２への通電をオンオフさせる、追加の回路を必要とする。ひずみゲージ回路内のキャパシタンスを増加させるかまたは追加すると、信号を読み取るのに足りる動作を得るのに十分なエネルギー貯蔵が可能になる。リーダによって少なくとも１回だけ読み取られるのに十分な時間の間、信号を提供するのに十分に回路が活性化されるならば、インプラント５００上の内蔵発振器回路５２６および内蔵負荷変調器回路５３２は、連続的に駆動されることに優先して、パルス駆動されうる。この選択肢は、（ａ）リーダ回路の所要電力を減少させ、（ｂ）リーダコイルが加熱または短絡する可能性を減少させ、（ｃ）読み取り距離を増加させる。
さらに、システムの有効読み取り距離を増加させることは、また、内蔵回路の駆動と読み取りを独立に行うことにより達成されうる。ひずみゲージ回路内のキャパシタンスを増加させるかまたは追加することは、信号を読み取るのに足りる動作を得るのに十分なエネルギー貯蔵を可能にする。リーダにより少なくとも１回だけ読み取られるのに十分な時間の間、信号を提供するのに十分に回路が活性化されるならば、リーダ駆動は、連続的に駆動されることに優先して、パルス駆動されうる。この選択肢は、（ａ）リーダ回路の所要電力を減少させ、（ｂ） リーダコイルが加熱または短絡する可能性を減少させ、（ｃ）読み取られた信号をリーダ信号から即座に分離することを可能にして、リーダ内のフィルタリングネットワークのうちのいくつかを排除し、（ｄ）送信と受信のために異なるコイルを使用することを可能にし、送信された特定の周波数を読み取るための、コイルのより良いチューニングをもたらし、（ｅ）リーダ信号が内蔵回路に悪影響を与える問題を排除する。
本発明は、電磁気による通信、および／または外部の可撓性のデュアルコイルリーダデバイスから生成される、医療用デバイスの無線式給電を使用して、患者の内部で健康をモニタリングする方法をさらに含む。リーダシステムのユニークな設計により、特に整形外科インプラントにおけるデータ信号を受信するための、遠隔測定コイルの配列の受信特性が改良される。その方法は、遠隔測定インプラントから受信された遠隔測定データの分析を介して、効果的なモニタリングと管理、ならびに患者の治療への特別対応を実施するために使用されうる。可撓性のデュアルコイルリーダのヘッドは、斜位、すなわち平行から直角までの範囲の位置にある遠隔測定インプラントを給電する能力を有する磁界を生成する。一対のコイル間の角度を変えることにより電磁場を集束させる能力は、インプラントが、従来のリーダシステムで給電することが困難な方位にある状況において有用である。
電力を保存するために、ＲＦ遠隔測定システムは、リーダがインプラントのごく近傍にもたらされたときに周期的に活性化されるだけであり、活性の期間は、通信セッションの間に外部デバイスによる要求に対して合理的に迅速なインプラントの応答が可能であるような、十分な短さである。リーダおよび／または送信機コイルの上に、オンボードの可聴の「ＯＫ」信号と可視の「ＯＫ」信号の両方を持つ発光ダイオード（ＬＥＤ）インジケータを付加することにより、内部の遠隔測定インプラントの位置を突き止めて給電するプロセスと、受信機コイルと送信機コイルの間の結合の強さを表示するプロセスと、インプラントが連動するときにセンサに関する信頼性のある測定値を取得していることをユーザに知らせるプロセスとが簡素化される。
本明細書に記載の手持形で可撓性のデュアルコイルリーダシステムは、遠隔測定インプラントに対するシステム位置を最適化するために、「ＯＫ」信号のＬＥＤフィードバックシステムを装着される。リーダはまた、外部の一対のリーダ（送信機）コイルからインプラント上に収容された内部電力受信機コイルまでエネルギーを誘導的に結合させることにより、無線方式で、インプラント可能な遠隔測定インプラントの給電と読み取りを同時に行うことが可能である。誘導性電力供給は、計測用機器を備えたインプラントにとって有利である。というのは、測定時間が限定されず、バッテリ内で使用される毒性の高い材料が回避されるからである。電磁近接場結合は、内部受信機コイルに電力を伝達するために利用されうる。外部送信機コイルは、１１９ｋＨｚと１３５ｋＨｚの間の交流電流で駆動され、交流磁界を生成する。受信機コイルがこの交流磁界の中に置かれると、受信機コイル上に交流電圧が生成される。遠隔測定インプラントがリーダの交信領域の範囲内にあるときだけ、遠隔測定インプラントが活性化される。インプラントが読み取られないときは、インプラントは「スリープ」モードにある。
本明細書に記載のリーダは、遠隔測定インプラントの給電と読み取りを、独立に、または同時に行うことができる。インプラント受信機コイルが独立に給電される場合は、蓄積された電荷は、遠隔測定インプラント上に位置するキャパシタの中に貯蔵されうる。この状況において、インプラントは「フラッシュガン」のように動作し、データをユーザに遠隔計器で伝える。
遠隔測定インプラントは、髄内くぎまたは骨プレートの上の負荷など、インプラントの物理的特性を測定するために、アナログ技術またはディジタル技術を使用することができる。さらに、遠隔測定システムの特定の構造は、インプラント負荷以外の変数の測定に応用できる。例として、本明細書に記載のデバイスは、インプラントの微細挙動、アルカリ度、温度、圧力などの測定に十分に適する。
本発明の範囲を逸脱することなく、対応する図面を参照して上に記載したような例示的な実施形態に対して、種々の改変が行われうるため、上記の説明に含まれ、添付の図面に示されるすべての事柄は、限定的ではなく例示的であるものと解釈されるべきであることが意図されている。したがって、本発明の幅と範囲は、上記の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、本明細書に添付される以下の特許請求の範囲、およびそれらの同等物にしたがってのみ、画定されるべきである。
１０ 遠隔測定システム
１２ アンテナ
１４ 第１のコイル
１６ 第２のコイル
１８ コネクタ
２０ リーダユニット
２４ 発光ダイオード
２６ マイクロコントローラ
２８ リーダ
３０ 樹脂円筒
３２ 導電線
３４ ＬＣＤ周波数カウンタ
３６ 増幅器
３８ 発振器回路
４０ ハンドル
４２ ポート
５０ ポーチ
５２ ベルト
６０ 演算デバイス
７０ 信号発生器
８０ 電源
１００ システム
１１０ 単一送信機コイル
１１２ 内部受信機コイル
１２０ 遠隔測定インプラント
１５０ 骨
２１２ アンテナ
２１４ 第１のコイル
２１６ 第２のコイル
２４０ ハンドル
２４４ 第１のフェライトフォーマ
２４６ 第２のフェライトフォーマ
２４８ 装着ブロック
２５０ 装着プレート
３００ 遠隔測定システム
３１２ アンテナ
３１４ 第１のコイル
３１６ 第２のコイル
３１８ コネクタ
３２０ リーダユニット
４００ 遠隔測定インプラント
４１４ インダクタ、受信機コイル
５００ 遠隔測定インプラント
５１０ 組織
５２０ 搭載電子機器
５２２ インプラントコイル、インダクタ
５２４ ひずみゲージ
５２６ 発振器回路
５２８ 電源回路
５３０ 電圧レギュレータ
５３２ 負荷変調器回路
５５０ 搬送波信号
５６０ 負荷信号
６００ 遠隔測定システム
６１０ 遠隔測定インプラント
６１２ アンテナ
６１４ 第１のコイル
６１６ 第２のコイル

Claims (20)

  1. ａ）遠隔測定インプラントと、
    ｂ）該遠隔測定インプラントからの信号を読み取るリーダユニットと、
    ｃ）該リーダユニットに接続するように形成され且つ前記遠隔測定インプラントからの信号を受信するように形成されたアンテナであって、該アンテナは、第１のコイルと、第２のコイルと、コネクタと、を備え、前記第１のコイルは前記第２のコイルに電気的に接続され、前記コネクタは前記第１のコイルおよび第２のコイルの互いに対する相対移動可能にしたアンテナと、
    ｄ）第１の部分および第２の部分を備えた組付けアセンブリであって、前記第１のコイルは前記第１の部分に組み付けられ、前記第２のコイルは前記第２の部分に組み付けられ、前記コネクタは前記第１の部分の前記第２の部分に対する移動を可能にしている組付けアセンブリと、を具備している、遠隔測定システム。
  2. 前記アンテナは、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルの移動が、前記コイルにより生成される磁界の形状を変形させるように構成されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  3. 前記アンテナは、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルの移動が、前記アンテナをほ乳類の組織の表面に整合させるように構成されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  4. 前記アンテナは、前記遠隔測定インプラントに対する斜角から前記遠隔測定インプラントを給電し、且つ前記遠隔測定インプラントからのデータを読み取るように構成されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  5. 前記第１のコイルと前記第２のコイルは可撓性のポリマーの中に収容されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  6. 前記第１のコイルと前記第２のコイルはポーチの中に収容されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  7. 演算デバイスと、信号発生器と、電源と、可聴フィードバックシステムと、可視インジケータとからなる群から選択された構成部品をさらに具備している、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  8. 少なくとも１つの追加のアンテナコイルをさらに具備している、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  9. 前記アンテナは少なくとも１つのフェライト構成部品をさらに具備している、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  10. 前記リーダユニットは、マイクロコントローラと、コイルドライバおよびコイルリーダと、周波数カウンタと、増幅器と、を具備し、前記遠隔測定インプラントが、電源回路と、発振器回路と、負荷変調器回路と、を具備している、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  11. 前記アンテナは、無線周波数電力を前記遠隔測定インプラントに送り、前記遠隔測定インプラントからデータを受信するように構成されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  12. 前記コネクタはヒンジを具備している、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  13. 少なくとも１つのフェライト構成部品が前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に配置されている、請求項９に記載の遠隔測定システム。
  14. 前記コネクタは、前記アンテナが前記遠隔測定インプラントをカバーした組織の表面に整合するように、前記第１のコイルを前記第２のコイルに対して配向させるように構成されている、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  15. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、（ｉ）前記遠隔測定インプラントに対して平行な配向から、または（ｉｉ）前記遠隔測定インプラントに対して直交した配向から、前記遠隔測定インプラントと通信するように移動される、請求項１に記載の遠隔測定システム。
  16. 電源回路と、発振器回路と、負荷変調器回路と、を具備した遠隔測定インプラントと、
    該遠隔測定インプラントからの信号を読み取るように形成されたリーダユニットであって、マイクロコントローラと、コイルドライバおよびコイルリーダと、周波数カウンタと、増幅器と、を具備したリーダユニットと、
    該リーダユニット接続され且つ前記遠隔測定インプラントからの信号を受信するように形成されたアンテナであって、第１のコイルと、第２のコイルと、コネクタと、を備え、前記第１のコイルは前記第２のコイルに電気的に接続されており、前記コネクタは前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの互いに対する相対移動を可能にしたアンテナと、を具備している、遠隔測定システム。
  17. 遠隔測定インプラントと、
    該遠隔測定インプラントからの信号を読み取るように形成されたリーダユニットと、
    該リーダユニット接続され且つ前記遠隔測定インプラントからの信号を受信するように形成されたアンテナであって、第１のコイルと、第２のコイルと、コネクタと、を備え、前記第１のコイルは前記第２のコイルに電気的に接続されており、前記コネクタは前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの互いに対する相対移動を可能にしたアンテナと、を具備し、
    前記アンテナは、無線周波数電力を前記遠隔測定インプラントに送り、前記遠隔測定インプラントからデータを受信するように構成されている、遠隔測定システム。
  18. 遠隔測定インプラントと、
    該遠隔測定インプラントからの信号を読み取るように形成されたリーダユニットと、
    該リーダユニット接続され且つ前記遠隔測定インプラントからの信号を受信するように形成されたアンテナであって、第１のコイルと、第２のコイルと、コネクタと、を備え、前記第１のコイルは前記第２のコイルに電気的に接続されており、前記コネクタは前記体１のコイルおよび前記第２のコイルを結合し、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが使用時に互いに対する相対移動することを可能にしたアンテナと、を具備している、遠隔測定システム。
  19. 前記コネクタはヒンジコネクタである、請求項１８に記載の遠隔測定システム。
  20. 前記第１のコイルおよび第２のコイルは、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に角度を形成し、前記コネクタは、使用時に前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の角度を調節して、前記アンテナの磁界パターンを変化させる、請求項１８に記載の遠隔測定システム。
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