JP6280660B2 - ワイヤレス圧力センサ - Google Patents

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Description

本発明はワイヤレス圧力センサに関し、特に、頭蓋内圧(Intracranial pressure、ICP)を監視・測定できるワイヤレス圧力センサに関する。
一般に、頭蓋内圧(Intracranial pressure、ICP)は頭蓋骨が封鎖されているために生じる圧力であり、頭蓋内出血または腫瘍形成等の状況が発生したとき、頭蓋内の空間が圧迫されて頭蓋内圧の上昇を生じる。
頭蓋内圧が上昇した状況は、脳幹や小脳など頭蓋内の多くの重要な大脳部位に圧迫を生じる可能性がある。このため、脳部の病変、頭蓋骨骨折、腫瘍、出血といった状況がある患者に対して、効果的に頭蓋内圧を監視・測定することは1つの重要な課題である。
集中治療室や神経外科の手術中、頭蓋内圧の監視・測定はより一層重要である。頭蓋内圧を上昇させる原因の多くが物理的創傷に関係しており、大量の内出血の結果頭蓋内圧が急速に上昇するためである。このため、往々にしてこのような手術で第一線にいる医療スタッフにとって最も大切なことは随時頭蓋内圧力の変化を観察し、その変化から危機的状況の発生を判断して、ドレナージ等関連の減圧措置を行い、患者の脳部の血流停滞、酸素不足または頭蓋内の重要な部位の圧迫などが発生しないように防止することである。
このほか、医師が執刀するときのスムーズさも手術の成功程度に影響する。従来の頭蓋内圧監視・測定装置は多くが有線方式を使用してホストまたはモニターに接続されているが、有線方式の採用は、手術過程での器具の移動及びスタッフの移動時に、不必要な危険を生じやすく、現在手術実施時に使用される監視・測定行為において、克服が必要な大きな課題となっている。
先行技術に存在する問題を解決するために、本発明の目的は、ワイヤレス圧力センサを提供することにある。
本発明のワイヤレス圧力センサは、ケースモジュールと、ワイヤレス通信モジュールと、演算回路モジュールと、センサモジュールを含む。
そのうち、前記ワイヤレス通信モジュールが前記ケースモジュール内に設置され、前記演算回路モジュールが前記ワイヤレス通信モジュールに連接され、前記センサモジュールが前記演算回路モジュールに連接される。前記センサモジュールがセンサカテーテルを含み、前記センサカテーテル上に圧力センサが設けられ、前記圧力センサが前記センサカテーテルまたは前記圧力センサに連接されたダイヤフラムの圧力により生じた変形量を測定し、フレキシブルプリント配線板を介して前記演算回路モジュールに転送する。
本発明の一実施例の回路構造図である。 本発明の別の一実施例の回路構造図である。 本発明の一実施例の立体外観図である。 本発明の一実施例の立体分解図である。 本発明の一実施例のセンサモジュール内部構造の縦方向断面図である。 本発明の一実施例のセンサモジュール内部構造の横方向断面図である。 本発明の別の一実施例の立体外観図である。 本発明の別の一実施例の立体分解図である。 本発明の別の一実施例のセンサモジュール内部構造の縦方向断面図である。 本発明の別の一実施例のセンサモジュール検出エリアを示す断面図である。 本発明の実施例の実際の使用を示す概略図である。
本発明の技術的特徴及び実用性について理解できるように、かつ明細書の内容に従って実施することができるように、図面に示す最良の実施例を参照しながら、以下で詳細に説明する。
まず図1を参照する。図1は本発明の一実施例の回路構造図である。図1に示すように、本実施例のワイヤレス圧力センサ10は、ケースモジュール400(図1には示されていないため、図3bまたは図4bを参照できる)、ワイヤレス通信モジュール100、演算回路モジュール200、センサモジュール300を含む。
そのうち、ワイヤレス通信モジュール100がケースモジュール400内に設置され、本実施例のワイヤレス通信モジュール100はコイルであり、さらに説明するとワイヤレスRFコイルであり、演算回路モジュール200が前記ワイヤレス通信モジュール100に連接され、センサモジュール300が演算回路モジュール200に連接される。
さらに説明すると、演算回路モジュール200は、マイクロコントローラ201、電源供給器202、アナログフロントエンド回路203、ワイヤレスRF受発信器204を含む。そのうち、ワイヤレスRF受発信器204がマイクロコントローラ201に連接され、電源供給器202がマイクロコントローラ201及びワイヤレスRF受発信器204にそれぞれ連接され、アナログフロントエンド回路203がプログラマブルゲインアンプ201a(図1には示されていないため、図2を参照できる)を含み、センサモジュール300からのアナログ信号をデジタル信号に変換する補助を提供してもよく、アナログフロントエンド回路203がマイクロコントローラ201及びセンサモジュール300に連接される。
本実施例において、電源供給器202は主に演算回路モジュール200及びセンサモジュール300全体に電力を供給する。そのうち、一実施態様としては、ワイヤレス圧力センサ10のケースモジュール400内に小型リチウム電池等の充電池を収容し、電源を提供する。別の一実施態様としては、ワイヤレスRFリーダーが前記ワイヤレスRF受発信器204に接触して受発信するとき、ワイヤレス給電方式を通じて直接電源供給器202から演算回路モジュール200及びセンサモジュール300全体に電力を供給することができるが、本発明はこれらに限らない。
このほか、一部の実施態様において、アナログフロントエンド回路203はマイクロコントローラ201と統合してもよく、例えばアナログ―デジタルコンバータ(Analog−to−digital converter、ADC)機能を備えたマイクロコントローラ201を直接採用することができ、そのような実施方式については図2の関連説明を参照することができる。
図2を参照する。図2は本発明の別の一実施例の回路構造図である。図2に示す実施例は、主に図1に示すマイクロコントローラ201及びセンサモジュール300間の実施方式に重点を置いている。即ち、図2の実施例と図1の実施例の違いは、図2の実施例がアナログフロントエンド回路203を備えておらず、アナログフロントエンド回路203の機能がマイクロコントローラ201に統合されている点である。このため、図2の実施例において、マイクロコントローラ201がセンサモジュール300に直接連接される。
図2の実施例の前記マイクロコントローラ201はさらに、プログラマブルゲインアンプ201a(Programmable Gain Amplifier、PGA)、アナログ―デジタルコンバータ201b(Analog−to−digital converter、ADC)、アナログデジタル変換バッファ201c、デジタルシグナルプロセッサ201d(Digital Signal Processor、DSP)、パワーマネジメントオシレータ201e(Power Management Oscillator、PMO)、デジタルレジスタ201f(Digital Register)、パワーオンリセット201g(Power−On Reset、POR)、集積回路間通信/シリアルペリフェラルインタフェース201h(IC/SPI interface)を含むことができる。上述の部材の連接関係およびそのデータまたは電力の伝送方向は、図2において矢印で示される。
そのうち、パワーオンリセット201gがマイクロコントローラ201内に設置され、その位置は限定されず、半導体プロセス上の違いに応じて設置すればよい。プログラマブルゲインアンプ201aがセンサモジュール300に連接され、アナログ―デジタルコンバータ201bがプログラマブルゲインアンプ201aに連接され、アナログデジタル変換バッファ201cが前記アナログ―デジタルコンバータに連接される。
デジタルシグナルプロセッサ201dがアナログ―デジタルコンバータ201bに連接され、パワーマネジメントオシレータ201eがデジタルシグナルプロセッサ201d及び電源供給器202に連接され(詳しくは図1を参照)、最後にデジタルレジスタ201fもデジタルシグナルプロセッサ201dに連接される。デジタル信号に変換された後のデータは、デジタルシグナルプロセッサ201dに連接された集積回路間通信/シリアルペリフェラルインタフェース201hを介して伝送され、前記集積回路間通信/シリアルペリフェラルインタフェース201hはワイヤレスRF受発信器204(図1を参照)及びデジタルシグナルプロセッサ201dにそれぞれ連接される。
そのうち、プログラマブルゲインアンプ201aはセンサモジュール300から情報を受け取ることができ、さらに説明すると、センサモジュール300が発する情報は、例えば温度や圧力などの数値を電圧に変換するなど、ほとんどが外部の物理信号検出に用いられ、アナログ信号に属する。このため、プログラマブルゲインアンプ201aを介して体系的に各種アナログ信号を増幅した後、アナログ―デジタルコンバータ201bに伝送してデジタル信号に変換する必要がある。
図2の実施例において、センサモジュール300はセンサ回路301、温度センサ302、センサレギュレータ303を含む。そのうち、センサ回路301と温度センサ302がそれぞれプログラマブルゲインアンプ201aに連接され、センサレギュレータ303がセンサ回路301に連接される。この実施例において、センサ回路301は任意のセンサの回路とすることができ、例えば本発明の概念では即ち圧力センサ回路であり、センサレギュレータ303はセンサ回路301の検出感度等のパラメータを効果的に調節することができるが、本発明はこれに限らない。
このほか、本実施例はさらに温度センサ302を提供してもよく、圧力の監視・測定と同時に、被験者の体温など温度を検出することもできるが、本発明はこれに限らない。
続いて同時に図3aと図3bを参照する。図3aは本発明の一実施例の立体外観図であり、図3bは本発明の一実施例の立体分解図である。図3aに示すように、本実施例のワイヤレス圧力センサ10の外観は、ケースモジュール400内のアダプタ部材401、外殼402、外蓋404、センサモジュール300のセンサカテーテル304で構成されることが分かる。
図3bにワイヤレス圧力センサ10を分解した後の各部材の構成状態を示す。そのうち、ワイヤレス圧力センサ10は主に、ケースモジュール400、ワイヤレス通信モジュール100、演算回路モジュール200、センサモジュール300を含む。そのうち、センサモジュール300は前記センサカテーテル304を含み、センサカテーテル上(またはその内部)に圧力センサ305が設置される。本実施例において、圧力センサ305はセンサカテーテルに圧力によって生じる変形量を測定し、フレキシブルプリント配線板306(図3bには示されていないため、図3cを参照)を介して)演算回路モジュール200に送信することができる。
本実施例において、ケースモジュール400はアダプタ部材401、外殼402、仕切り板403、外蓋404を含む。本実施例の機構の連結様は、アダプタ部材401とセンサカテーテル304が連結され、その連結方法は旋回させて連結する等の方法とすることができ、外殼402はアダプタ部材401に連結される。その他の実施態様において、センサカテーテル304、アダプタ部材401、外殼402は一体成型の構造としてもよく、本発明はこれに限らない。
仕切り板403は外殼402内に設置され、かつ仕切り板403はワイヤレス通信モジュール100と演算回路モジュール200間を隔てることができる。本実施例において、ワイヤレス通信モジュール100はコイルであり、さらに説明すると、ワイヤレスRFコイルであるが、実際にはデジタルデータ無線伝送機能を備えた装置または素子でありさえすればワイヤレス通信モジュール100とすることができ、本発明は制限しない。
このほか、本実施例の演算回路モジュール200は主に中間に円形孔を備えた円形プリント配線板で構成され、その上の電子回路部材の実施態様は前述の図1及び図2の関連説明と可能な実施態様を参照できるため、ここでは説明を省略する。
最後に、外蓋404と外殼402が連結され、前記ワイヤレス通信モジュール100及び演算回路モジュール200をワイヤレス圧力センサ10内部に効果的に被覆することができる。このほか、ケースモジュール400内の部材および構造を効果的に支持するために、本実施例のケースモジュール400はさらに連接部材モジュール500を含む。
前記連接部材モジュール500は、第1配線501、第1支持部材502、第2支持部材503、第2配線504、支持板505を含む。そのうち、第1配線501と演算回路モジュール200が連接され、第1支持部材502と仕切り板403が連接され、第2支持部材503と第1支持部材502が連接され、第2配線504が第2支持部材503に穿通されて第1配線501に連接される。支持板505と第2配線504が連接され、かつ支持板505とワイヤレス通信モジュール200が連接される。
前記連接部材モジュール500は使用者のニーズに応じて使用でき、主に電力伝送と通信の機能を具備している必要がある。本実施例において、第1配線501及び第2配線504は主に金属配線であり、演算回路モジュール200及びワイヤレス通信モジュール100を効果的に接続できる。第1支持部材502、第2支持部材503及び支持板505は機構上の支持機能を構成し、演算回路モジュール200、第1配線501、第2配線504、ワイヤレス通信モジュール100の支持と絶縁に用いられ、すべての内部モジュール間の通信と電力伝送をサポートする。
続いて同時に図3cと図3dを参照する。図3cは本発明の一実施例のセンサモジュール内部構造の縦方向断面図であり、図3dは本発明の一実施例のセンサモジュール内部構造の横方向断面図である。図3cに示すように、本実施例におけるセンサカテーテル304はチタン合金円形管であり、さらに説明すると、前記チタン合金円形管は封鎖された円形管で、その直径は2mmであり、壁面厚さは0.25mm、内部空洞半径は0.75mmである。本実施例がこの数値を採用しているのはセンサカテーテル304に若干の変形を生じさせられるようにするためである。このほか、センサカテーテル304に検出したい部位の圧力と区別させるために、前記センサカテーテル304は封鎖状態とし、かつその内部の大気圧力を常圧の状態に制御する必要がある。
本実施例において、圧力センサ305は半導体ストレインゲージ(Semiconductor strain gauge)とすることができ、センサカテーテル304上に貼付または嵌置される。その実施方式を図3dの夾角θで示す。本実施例において、夾角θ両側の破線矢印は管内の半径であり、かつ夾角θの度数は40oで、センサカテーテル304の径方向と円周方向の変形を効果的に検出することができ、かつ変形のデータをフルブリッジ回路により電圧に変換することができる。このほか、本実施例において、フレキシブルプリント配線板306はフリップバンプ(Flip bump)(図3cの符号フリップバンプFB破線枠箇所)の方式でセンサカテーテル304上に貼付された圧力センサ305に連接され、これにより圧力センサ305が生成する電圧信号を演算回路モジュール200に提供することができる。
前記圧力センサ305またはセンサカテーテル304の長さ、形状または材質は、使用者が検出したい圧力の部位または組織に基づいて自ら調整することができ、本実施例は最良の実施方法を挙げたのみであり、実際上本発明はこれに限定されない。使用者は必要に応じてセンサカテーテル304の外層、さらにはケースモジュール400全体の外層に一層の抗菌金属めっき皮膜をめっきして、組織と接触する部分が感染等を生じないように防止することができる。
続いて同時に図4aから図4dを参照する。図4aは本発明の別の一実施例の立体外観図であり、図4bは本発明の別の一実施例の立体分解図であり、図4cは本発明の別の一実施例のセンサモジュール内部構造の縦方向断面図であり、図4dは本発明の別の一実施例のセンサモジュール検出エリアを示す断面図である。
図4aと図4bに示すように、前記実施例における構造は大体が図3a及び図3bに示した構造及び関連の説明と同じであるが、違いは主に圧力センサ307の設置方法とそのセンシング原理にある。
図4cと図4dに示すように、圧力センサ307はセンサカテーテル304の内部底面に設置され、前記圧力センサ307はそれに連接されたダイヤフラム309に圧力により生じた変形量を測定し、フレキシブルプリント配線板306を介して演算回路モジュール200に伝送する。圧力センサ307はシリコン貫通電極(Through Silicon Via、TSV)を経由した後三次元集積回路(3D IC)パッケージの方式でフレキシブルプリント配線板306に連接されるため、図4dに示す構造はビア3071の形成が含まれる。
図3aから図3dに記載された実施例と同じく、本実施例のセンサカテーテル304内も、特にダイヤフラム309に接触する部分は、大気圧力を常圧に保持する必要があり、このためフレキシブルプリント配線板306上に通気孔3061が設けられ、ダイヤフラム309の内面を常圧状態に保持するサポートをする。このほか、ダイヤフラム309が直接外部の圧力に対面した場合、破損する恐れがあるため、一部の実施方式において、ダイヤフラム309の外にさらに伝導ゲルフィルム308が設けられる。
伝導ゲルフィルム308は、ダイヤフラム309の破損を防止し、かつ外部で引き起こされた圧力を確実にダイヤフラム309上に伝達する役割を果たすため、伝導ゲルフィルム308自体は変形しにくい材質を主とする必要があるが、本発明はこれに限らない。当然、その他の実施方式において、圧力センサ307は同時にダイヤフラム309及び一部センサカテーテル304管壁の変形量を検出してより正確な結果を得られるように設置してもよく、本発明はこれに限らない。
上述の2つの実施例のほか、一部の実施例において、センサカテーテル304は伸縮管機構を採用し、手動またはマイクロモーターを組み合わせ、スクリュー昇降の方式でその検出の深さを調整することもできる。このため、センサカテーテル304内の常圧状態を確保するために、ケースモジュール400上のセンサカテーテル304と相通された任意の部材にさらに圧力調整弁を設け、センサカテーテル304の内部空間を常圧の状態に制御することができる。
このほか、別の一部の実施方式において、さらにセンサカテーテル304中に温度センサを設置することができ、微小な管状物が温度変化によって生じる熱膨張または冷収縮の変形を考慮に入れることができる。熱膨張または冷収縮による変形ではなく、実際に外部の物理的圧力によって生じる変形量がどのくらいであるのかを測定するには、非物理的圧力が生じる管壁の変形を同時に考慮しなければならない。
最後に図5を参照する。図5は本発明の実施例の実際の使用を示す概略図である。図5に示すように、本実施例のワイヤレス圧力センサ10は頭蓋内圧の測定に用いることができ、このため、センサモジュール300を皮膚SKN、頭蓋骨SKLに穿通させて頭蓋内ICの測定したい部位に到達させる必要がある。このほか、一部の実施方式において、ケースモジュール400はねじ山等の表面構造を具備するように設計してもよく、噛み合い、嵌合、または螺合等の方式でケースモジュール400を頭蓋骨SKLの開口に結合させ、脱落を防止することができる。
以上の説明は、本発明の最良の実施例に基づくものであり、これらを以って本発明の実施の範囲を限定することはできず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいた簡単な同等効果の変化や修飾はすべて本発明の範囲内に含まれる。
10 ワイヤレス圧力センサ
100 ワイヤレス通信モジュール
200 演算回路モジュール
201 マイクロコントローラ
201a プログラマブルゲインアンプ
201b アナログ―デジタルコンバータ
201c アナログデジタル変換バッファ
201d デジタルシグナルプロセッサ
201e パワーマネジメントオシレータ
201f デジタルレジスタ
201g パワーオンリセット
201h 集積回路間通信/シリアルペリフェラルインタフェース
202 電源供給器
203 アナログフロントエンド回路
204 ワイヤレスRF受発信器
300 センサモジュール
301 センサ回路
302 温度センサ
303 センサレギュレータ
304 センサカテーテル
305 圧力センサ
306 フレキシブルプリント配線板
3061 通気孔
307 圧力センサ
3071 ビア
308 伝導ゲルフィルム
309 ダイヤフラム
400 ケースモジュール
401 アダプタ部材
402 外殼
403 仕切り板
404 外蓋
500 連接部材モジュール
501 第1配線
502 第1支持部材
503 第2支持部材
504 第2配線
505 支持板
FB フリップバンプ
IC 頭蓋内
SKN 皮膚
SKL 頭蓋骨
θ 夾角

Claims (12)

  1. ワイヤレス圧力センサであって、
    ケースモジュールと、
    前記ケースモジュール内に設置されたワイヤレス通信モジュールと、
    前記ワイヤレス通信モジュールに連接された演算回路モジュールと、
    前記演算回路モジュールに連接されたセンサモジュールと、
    を含み、前記センサモジュールがセンサカテーテルを含み、前記センサカテーテル上に圧力センサが設けられ、前記圧力センサが前記圧力センサに連接されたダイヤフラムの圧力により生じた変形量を測定し、通気孔が設けられたフレキシブルプリント配線板を介して前記演算回路モジュールに転送することを特徴とする、ワイヤレス圧力センサ。
  2. 前記ケースモジュールが、
    前記センサカテーテルに連接されたアダプタ部材と、
    前記アダプタ部材に連接された外殼と、
    前記外殼内に設置され、前記ワイヤレス通信モジュールと前記演算回路モジュール間を隔てる仕切り板と、
    前記外殼に連接された外蓋と、
    を含むことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  3. 前記ケースモジュールがさらに、連接部材モジュールを含み、前記連接部材モジュールが、
    前記演算回路モジュールに連接された第1配線と、
    前記仕切り板に連接された第1支持部材と、
    前記第1支持部材に連接された第2支持部材と、
    前記第2支持部材に穿通されて前記第1配線に連接された第2配線と、
    前記第2配線に連接され、かつ前記ワイヤレス通信モジュールに連接された支持板と、
    を含むことを特徴とする、請求項2に記載のワイヤレス圧力センサ。
  4. 前記ワイヤレス通信モジュールがコイルであることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  5. 前記圧力センサがさらに、センサレギュレータに連接されたことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  6. 前記演算回路モジュールが、
    マイクロコントローラと、
    前記マイクロコントローラに連接されたワイヤレスRF受発信器と、
    前記マイクロコントローラ及び前記ワイヤレスRF受発信器にそれぞれ連接された電源供給器と、
    前記マイクロコントローラ及び前記センサモジュールにそれぞれ連接されたアナログフロントエンド回路と、
    を含むことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  7. 前記演算回路モジュールが、
    前記センサモジュールに連接されたマイクロコントローラと、
    前記マイクロコントローラに連接されたワイヤレスRF受発信器と、
    前記マイクロコントローラ及び前記ワイヤレスRF受発信器にそれぞれ連接された電源供給器と、
    を含むことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  8. 前記マイクロコントローラが、
    前記マイクロコントローラに設置されたパワーオンリセットと、
    前記センサモジュールに連接されたプログラマブルゲインアンプと、
    前記プログラマブルゲインアンプに連接されたアナログ―デジタルコンバータ(Analog−to−digital converter、ADC)と、
    前記アナログ―デジタルコンバータに連接されたアナログデジタル変換バッファと、
    前記アナログ―デジタルコンバータに連接されたデジタルシグナルプロセッサと、
    前記電源供給器及び前記デジタルシグナルプロセッサに連接されたパワーマネジメントオシレータと、
    前記デジタルシグナルプロセッサに連接されたデジタルレジスタと、
    前記ワイヤレスRF受発信器及び前記デジタルシグナルプロセッサにそれぞれ連接された集積回路間通信/シリアルペリフェラルインタフェース(IC/SPI interface)と、
    を含むことを特徴とする、請求項7に記載のワイヤレス圧力センサ。
  9. 前記センサカテーテルがチタン合金円形管であることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  10. 前記圧力センサがフリップバンプ(Flip bump)を介して前記フレキシブルプリント配線板に連接されたことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  11. 前記圧力センサは、ビアであるシリコン貫通電極(TSV)を経由した後、三次元集積回路パッケージの方式で前記フレキシブルプリント配線板に連接されることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
  12. 前記ダイヤフラムの外にさらに伝導ゲルフィルムが設置されたことを特徴とする、請求項1に記載のワイヤレス圧力センサ。
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