KR101449073B1

KR101449073B1 - 피검물 상태를 측정하는 공진 코일

Info

Publication number: KR101449073B1
Application number: KR1020097003034A
Authority: KR
Inventors: 조셉 알. 펠드캄프; 제프리 알. 헬러; 숀 제이. 설리반
Original assignee: 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2014-10-08
Also published as: US20080048786A1; WO2008020351A3; KR20090045246A; EP2051628A2; JP5441696B2; US8725245B2; WO2008020351A2; AU2007285409B2; AU2007285409A1; JP2010500593A

Abstract

발진기는 위상을 갖는 기준 신호를 제공한다. 유도 코일을 포함하는 동조가능 리액티브 회로가 피검물의 상태에 대응하는 발진 신호를 발생시키기 위해 피검물에 인접하여 배치되도록 구성된 코일을 갖는 발진기의 고정 주파수 기준 신호에 의해 구동된다. 동조가능 리액티브 회로는 피검물의 상태를 나타내는 파라미터를 갖는 출력 신호를 제공한다. 공진 제어 회로는 기준 신호를 발진 신호와 비교하고 이 비교를 나타내는 공진 제어 신호를 동조가능 리액티브 회로에 제공한다. 공진 제어 신호는 직렬 RLC 회로일 수 있는 동조가능 리액티브 회로를 동조시키며, 따라서 발진 신호의 주파수가 실질적으로 일정하다.

공진 코일, 동조가능 리액티브 회로, 공진 제어 신호, 전도성 측정

Description

피검물 상태를 측정하는 공진 코일{RESONANT COIL FOR MEASURING SPECIMEN CONDITION}

본 발명은 일반적으로 전도성 측정에 관한 것으로서, 상세하게는 피검물의 전도성의 비침습적 측정에 의해 피검물의 상태를 판정하는 것에 관한 것이다.

대부분의 액체 또는 고체에 대한 전도성의 측정은 관심이 있는 피검물과 접촉하게 배치된 전극의 사용을 필요로 한다. 전압(보통 AC임)이 인가되고, 그 결과의 전류가 측정되어 전도성이 계산된다. 일부 경우에, 전도성이 피검물에 걸쳐 공간적으로 변하는 경우, 일종의 이미징이 가능하게 되도록 많은 전극이 부착된다. 지질 피검물 및 인체 조직 피검물의 경우, 후자의 경우가 해당된다.

대안은 외부 코일에의 유도성 결합을 통해 피검물 내에 와전류(eddy current)를 발생시키는 것이다. 와전류는 물질의 국부 전도성에 비례하여 존재하고 다수의 방식으로 검출될 수 있다. 인체 흉부의 전도성, 더 구체적으로는 심박출량(cardiac output)을 측정하려고 하는 것과 관련한 최근의 기법은, 환자의 신체에 가깝게 배치될 때 코일에서 소실되는 부가의 전기 에너지를 측정하는 것이다.

최근까지 이용된 기법들에도 불구하고, 다양한 기술적 문제로 인해 널리 사용되지 못하고 있으며, 이들 문제로는 잘 알려져 있지 않거나 또는 이해되지 않음, 경쟁하는 침습적 방법들, 신체 조직 전도성에 기여하는 다양한 인자들을 구별하는 모델의 부적절한 개발로 인해 해석이 쉽지 않음, 및 복소 임피던스 등의 코일 관련 파라미터를 측정하기 위해 고가이거나 사용하기 불편한 수단의 사용이 있다. 많은 장치들은 코일이 그의 타겟 물질에 인접하여 배치될 때 여자 전압(exciting voltage)의 주파수를 변하게 할 수 있는 회로를 사용한다. 이러한 구성은 측정의 해석을 더 혼란스럽게 만든다.

비침습적 유도형 센서는 통상적인 피부 표면에의 전극의 부착 없이 피부 아래의 얼마간의 깊이에서의 전기 전도성을 측정한다. 일 실시예에서, 유도 코일은 위상 고정 루프 회로(phase-locked loop circuitry)와 결합된 버랙터 다이오드(varactor diode)에 의해 강제로 공진 상태에 있게 되는 RLC 자기-공진 회로의 일부를 형성한다. 이러한 구성으로, 공진 회로의 임피던스, 따라서 조직의 전도성(tissue conductivity)이 측정하기 쉬우며, 전자 회로가 콤팩트하게 된다. 저체온증으로부터의 회복, 고체온증의 발병, 혈액 순환 또는 기타 순환 능력의 장애, 심장 혈관 신축성, 심박출량, 동맥 팽창, 부종 및 지방 분포를 모니터링할 수 있는 것을 비롯하여 다수의 응용이 생각되고 있다.

기타 목적들 및 특징들이 일부는 명백하고 일부는 이후에 제시된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 블록도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예의 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.

도 4는 도 2에 대응하는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.

도 5는 나선형 구성을 갖는 본 발명의 유도 코일의 일 실시예의 평면도이다.

도면 전체에 걸쳐 대응하는 참조 문자는 대응하는 부분을 나타낸다.

일 형태에서, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 신체 조직 등의 피검물(100)의 상태(예를 들어, 전도성)를 측정하는 장치를 포함한다. 고정 주파수 발진기(102)는 위상을 갖는 고정 주파수 기준 신호를 제공한다. 직렬 RLC 회로 등의 동조가능 리액티브 회로(104)의 유도 코일은 발진기(102)의 기준 신호에 의해 구동된다. 고정 주파수 발진기(102)는 동조가능 리액티브 회로(104)와 독립적이고 그와 분리되어 있다. 회로(104)는 피검물(100)에 인접하여 배치되도록 구성된 유도 코일(105)을 포함한다. 회로(104)는 피검물(100)의 상태에 대응하는 발진 신호를 발생시킨다. 환언하면, 피검물(100)의 회로(104)에 대한 근접성은 리액티브 회로의 임피던스를 수정하는 것 등에 의해 리액티브 회로의 공진점에 영향을 준다.

공진 제어 회로(106)는 기준 신호를 발진 여자 신호와 비교하여 이 비교를 나타내는 공진 제어 신호를 동조가능 리액티브 회로(104)에 제공한다. 공진 제어 신호는 발진 신호의 주파수가 실질적으로 일정한 동안 공진이 유지되도록 동조가능 리액티브 회로(104)를 동조시킨다. 이하에 기술하는 바와 같이, 동조가능 리액티브 회로(104)는 피검물(100)의 상태를 나타내는 파라미터를 갖는 출력 신호를 제공한다.

따라서, 일 실시예에서, 본 발명은 피검물(100)의 상태를 측정하는 방법을 포함한다. 발진기(102)의 기준 신호에 의해 구동되는 동조가능 리액티브 회로(104)의 코일은 피검물(100)에 인접하여 배치된다. 출력 신호가 피검물(100)의 상태를 나타내는 파라미터를 갖도록 피검물(100)의 상태에 대응하는 발진 신호가 동조가능 회로(104)에 의해 발생된다. 공진 제어 회로(106)에 의해 기준 신호가 발진 신호와 비교된다. 발진 신호가 실질적으로 일정한 주파수를 유지하는 동안, 동조가능 리액티브 회로(104)는 공진 제어 회로(106)에 의한 공진에 계속 동조된 채로 있다.

도 2의 실시예에 도시된 바와 같이, 공진 제어 회로(106)는 기준 신호의 위상을 발진 신호의 위상과 비교한다. 공진 제어 회로는 제1 및 제2 입력을 갖고 제1 및 제2 입력에 인가된 신호의 위상차를 나타내는 위상차 신호(204)를 생성하는 위상 비교기(202)를 포함한다. 위상 천이기(206)는 발진기의 발진 신호의 위상을 천이시키고 천이된 신호를 제곱하기 위해 천이된 신호를 제1 제곱 회로(210)에 제공하며, 이에 의해 위상 비교기(202)의 제1 입력에 기준 신호를 제공한다. 도 2의 실시예에서, 동조가능 리액티브 회로(104)는 공진 출력 신호(214)를 제공하는 직렬 RLC 회로 등의 동조가능 리액티브 공진 회로(212)를 포함한다. 제2 제곱 회로(216)는 공진 출력 신호(214)를 제곱하여 위상 비교기의 제2 입력에 제공되는 발진 구형파 신호를 발생시킨다.

선택적인 평균기(217)(예를 들어, 적분기)에 의해 평균될 수 있는 위상차 신호가 오차 증폭기(218)에 제공되고, 오차 증폭기(218)는 위상차 신호(204)에 반응 한다. 오차 증폭기(218)는 동조가능 리액티브 공진 회로(212)에 공진 제어 신호를 제공한다. 일반적으로, 공진 제어 신호는 회로(212)의 공진을 실질적으로 일정한 주파수로 유지하기 위해 동조가능 리액티브 공진 회로(212)의 파라미터들 중 하나 이상을 변하게 한다.

선택적으로, 공진 제어 신호를 동조가능 회로(212)에 선택적으로 제공하기 위해 자동 또는 수동 공진 제어 회로(220)가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(220)는 제1 모드 및 제2 모드를 갖는다. 제1 모드에서, 공진 제어 신호가 동조가능 회로(212)에 실질적으로 연속적으로 제공된다. 제2 모드에서, 공진 제어 신호가 조작자 입력에 응답하여 간헐적으로 동조가능 회로(212)에 제공되며, 이에 대해서는 이하에서 더 상세히 기술한다. 또한, 오차 증폭기(218)와 동조가능 회로(212) 간의 바이패스 커패시터와 직렬로 있는 rf 쵸크 등의 rf 차단 회로(222)가 이용될 수 있다.

일반적으로, 일 실시예에서, 측정되는 피검물의 상태는 저체온증, 고체온증, 순환 능력, 심박출량, 동맥 팽창, 부종, 및 지방 분포 중 하나 이상을 나타내는 전도성이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 상태로 유지되는 RLC 회로를 포함하는 전자 부품의 개략도이다. 이 개략도는 기능을 나타내며 동작 회로의 일례를 설명한다. 중요하지 않은 상세는 명료함을 위해 생략되어 있다. 일 실시예에서, 저항기 R5는 약 5 오옴인데, 그 이유는 와전류로 인해 나타나는 저항이 그 근방에 있기 때문이다. 그러나, 회로 변동으로 인한 공진 고정 상태(resonance locked condition)를 달성하기 위해, 저항기 R5는 1000 오옴 정도로 높은 값을 가질 수 있다.

위상 비교기(302)의 핀 1 및 2에 도착하는 신호는 전압 비교기 A 및 B에 의해 구형파 펄스 열로 정형된다. 프로브 코일(304), 버랙터(306), 저항기 R5 및 커패시터 C3으로 이루어진 RLC 회로가 공진 상태에 있는 경우, 비교기(302)의 핀 2에 도착하는 신호는 핀 1의 신호보다 90도 앞서며, 이것은 저항기 R1, 커패시터 C1 및 저항기 R2, 커패시터 C2로 이루어진 위상 천이 회로망에 의해 보장된다.

프로브 코일(304)이 피검물에 인접하여 배치될 때 그의 인덕턴스가 증가하는 경우, 공진이 상실되고 비교기(302)의 핀 2의 신호가 핀 1보다 90도 이상 앞설 것이다. 그러나, 이 위상차는 위상 비교기(302)의 핀 3에 나타난다. 그 결과, 증폭기 C는 버랙터(306)에 인가되는 DC 전압을 증가시켜 그의 커패시턴스를 감소시킨다. 버랙터 커패시턴스의 감소는 90도 위상 천이를 복원시키는 경향이 있다.

대안적으로, 코일(304)이 피검물에 인접하여 배치될 때 인덕턴스가 떨어지는 경우, 공진이 다시 상실되어 핀 2의 신호가 핀 1보다 90도 미만 앞서게 될 것이다. 이 상태는 증폭기 C가 버랙터(306)에 인가되는 DC 전압을 떨어지게 하여, 버랙터의 커패시턴스를 증가시키는 효과가 있어, 핀 1과 핀 2 사이의 90도 위상 천이 상태를 복원되도록 한다. 따라서, 버랙터(306)에 인가되는 전압이 변하더라도, RLC 회로에 인가되는 여자 전압의 주파수는 실질적으로 일정하게 유지된다. 그 결과, 버랙터(306)에 인가되는 전압의 변동 또는 양호하게는 RLC 회로에 포함된 저항 양단의 전압 강하의 측정이 피검물의 상태(예를 들어, 전도성)의 한 표시이다.

차분 증폭기 D는 피검물의 상태에 비례하는 저항기 R5 양단의 전압 강하를 측정한다. 공진에서의 임피던스가 감소된 경우, 전류가 증가하여 더 큰 전압이 R5 양단에 나타나게 한다. 따라서, 임피던스의 증가는 R5 양단의 전압의 감소에 대응한다.

따라서, 본 발명은 전도성을 통해 피검물의 심혈관 건강을 평가하기 위해 다양한 방식으로 사용될 수 있는, 콤팩트하고 저렴한 장치를 제공한다. 감도 및 선형성을 향상시키기 위해, 동조가능 리액티브 회로(104, 202)의 일부인 프로브 코일(304)이 피검물(100)의 표면에 배치된다. 프로브 코일(304)은 버랙터형 다이오드(306)와 직렬로 접속되어, 항상 공진을 유지하도록 공진 제어 회로(106)에 의해 자기-동조될 수 있는 공진 LC 회로를 형성한다. 자기-동조의 안정성을 돕기 위해, 버랙터(306)와 병렬로, 선택적인 작은 마이카 커패시터(mica capacitor)(308)를 도입함으로써 버랙터(306)가 패딩될 수 있다. 커패시턴스가 변할 수 있는 고상 장치인 버랙터(306)는 RLC 회로를 흐르는 전류와 그에 인가된 전압 간의 위상각 차이에 비례하여 역바이어스된다. 공진 상태로 유지되는 경우, RLC 회로의 임피던스는 피검물 전도성에 선형적으로 또한 피검물 치수(dimension)에 적어도 2차적으로(quadratically) 변한다.

직경 2a의 원통형 피검물을 둘러싸고 있는 솔레노이드 코일의 경우에, 코일이 외부 저항기 R 및 커패시턴스 C와 직렬로 있을 때 공진 임피던스 Z는 간단한 형태를 가지며, 임피던스가 하기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 피검물 전도성 σ 및 투자율 μ와 선형적으로 관련되어 있다.

이 결과를 보면 임피던스가 약 0.5 mho/m인 조직 전도성과 선형적으로 관련되어 있고 또한 인체 조직의 경우 진공의 투자율(magnetic permeability)과 실질적으로 동일한 투자율과 선형적으로 관련되어 있음을 알 수 있다. 피검물 직경이 증가될 때(수학식 1에 나타낸 바와 같이, 직경에 2차적으로 의존함) 감도가 개선되지만, 보다 작은 커패시턴스가 사용되는 경우(공진 주파수를 높이는 것과 동등함) 개선된다.

권선수 N을 포함하는 직경 2a의 편평한 원형 루프 코일의 경우, 이 루프가 루프 축 상에 배치된 반경 b의 전도성 구의 근방에 배치될 때, 공진 임피던스는 하기 수학식 2에 의해 나타낸 바와 같이 똑같이 간단한 형태로 주어진다.

이 경우에, 임피던스는 여전히 전도성과 선형적으로 관련되어 있지만, 전도성 피검물의 치수(여기서, 반경 b의 구)에 더 민감하다. 각주파수는 ω로 주어지고, 구 중심에서 전류 루프 상의 임의의 점까지의 거리는 R_c이다. 와전류 발생으로 인한 부가의 임피던스는 b의 5제곱에 비례하며, 이는 본 기법이 전도성 물체의 치수가 변경될 수 있는 경우에 적용될 수 있게 한다.

도 4는 도 2에 대응하는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다. 이 실시예에서, 선택적인 자동/수동 공진 제어 회로(220)는 조작자 입력에 응답하여 수동 스위치 J1에 의해 작동되는 샘플/홀드 회로 U8을 포함한다. 헤더 J2 및 J3에 추가된 점퍼는 샘플/홀드 회로 U8을 선택적으로 바이패스시킨다. 선택적인 자동/수동 공진 회로(220)는 동조가능 리액티브 회로(212)가 항상 공진 상태에 유지되는지 또는 푸시버튼 J1이 눌러질 때마다 리액티브 회로(212)를 강제로 공진하게 하는지를 사용자가 선택할 수 있게 한다. 2가지 동작 모드 중에서 선택하기 위해, 헤더 J2 및 J3에 점퍼가 추가되어 자동을 위해서는 점퍼 행 1로 가고 수동을 위해서는 점퍼 행 2로 간다. 도 4에서, 동조가능 리액티브 공진 회로(212)는 버랙터 D1 및 D2와 저항기 R10을 센서 코일 L1과 직렬로 포함하고 있다. 상기한 바와 같이, 버랙터 D1, D2와 병렬인 선택적인 패딩 커패시터(402)가 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, RF 차단 회로(222)는 공진 제어 회로(220) 및 버랙터 D1, D2 사이에 직렬로 있다. 이 실시예에서, 저항기 R10 양단의 전압은 피검물의 상태를 나타내는 파라미터를 포함하며, 따라서 저항기 R10은 모니터링되는 RLC 회로의 부품이다.

저체온증 및 고체온증에의 응용

체온이 위험할 정도로 낮은 수준까지 떨어진 경우, 팔다리로의 혈액 순환이 감소된다(즉, 저체온증). 따라서, 예를 들어, 환자의 손가락들 중 임의의 것에서 혈액량이 감소된다. 게다가, 감소된 혈액 흐름의 영역에서의 신체 조직의 온도가 떨어지고, 그 결과 특정 전도성의 강하가 있게 된다. 수학식 1에 나타낸 바와 같 이, 공진에서의 임피던스가 전도성의 강하로 인해 감소되지만, 혈액량의 감소에 의해 특히 영향을 받는다. 유의할 점은 임피던스가 피검물 반경의 제곱에 반응하며, 아마도 혈액량 및 모세혈관 팽창의 함수라는 것이다.

본 발명에 따른 솔레노이드형 유도 코일의 형태인 센서(예를 들어, 프로브 코일(304) 또는 도 4의 센서 코일 L1)를 사용하여, 코일을 손가락(예를 들어, 검지 손가락)에 직접 배치함으로써 저체온증을 치료하는 임의의 방법의 효과성이 계속적으로 모니터링될 수 있다. 혈액 흐름이 팔다리로 되돌아와서 혈액이 따뜻하게 됨에 따라, 코일을 일부분으로 갖는 RLC 회로의 임피던스가 증가하고 궁극적으로 안정된다. 이러한 유형의 측정이 피부 표면보다 한참 아래에 있는 조직을 검사할 수 있으며 이는 비이식 써미스터(non-implanted thermistor)가 정확하고 일관성있게 할 수 없는 것이라는 것에 유의해야 한다.

마찬가지로, 고체온증의 발병은 솔레노이드형의 전도성 센서가 손가락 또는 아마도 심지어 착용자의 발목 주변에 배치되는 경우 그에 의해 모니터링될 수 있는 것이다. 본 발명의 "공진 고정(resonant locked)" 장치의 간략화된 전자회로 설계가 주어진 경우, 센서가 컴팩트하고 거슬리지 않을 수 있다. 한 형태에서, RF 원격 측정을 사용하여 데이터가 원격적으로 액세스된다. 온도가 상승함에 따라, 검사되는 조직으로의 혈액 흐름도 증가한다. 따라서, 솔레노이드 또는 편평 코일형 센서로부터의 신호가 그에 따라 상승한다. 이들 코일 유형 중 어느 하나에 대해 도출된 적절한 수학적 형태가 이용가능한 경우, 캘리브레이션이 불필요할 수 있고, 타겟 조직에서의 체온과 혈액량 간에 소정의 상관관계가 나타나는 경우 절대적 평 가가 가능하다.

순환 능력

일부 경우에, 신체 순환계의 건장함을 평가하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 피험자의 손을 지정된 기간 동안 얼음물 조 속에 천천히 집어 넣은 다음에 모니터링을 위해 집게 손가락에 대해 본 발명에 따른 솔레노이드형 유도 센서를 제거 및 배치함으로써 달성될 수 있다. 그 다음에, 센서 코일에 의해 생성된 신호가 정상 상태의 회복을 추적한다. 건강한 순환을 갖는 사람의 정상적인 혈액 흐름 및 온도의 회복은 순환계가 어떻게든 손상된 사람과 다를 것으로 예상된다. 정상 혈액 흐름 및 온도로의 복귀 동안에 센서 코일에 의해 생성된 과도 신호가 전체 프로세스와 연관된 시상수를 알아내기 위해 스펙트럼 디콘벌루션(spectral deconvolution)에 의해 분석될 수 있거나, 정당한 근거가 있는 경우 훨씬 더 간단한 방법이 이용될 수 있다.

심박출량

EKG는 심장 박동과 연관된 전기 신호에 관한 유용한 정보를 제공한다. 그러나, 이는 각각의 박동 시에 출력에 관한 중요한 정보를 생성하지 않을 수 있다. 심장 바로 위의 위치에 심장의 치수와 비슷한 치수를 갖는 본 발명에 따른 루프 코일을 배치함으로써, 심장이 각각의 박동을 통해 확장 및 수축을 할 때 펄스 신호가 나타난다. 전류 I를 고조파적으로 변하는 전류 i(t)로 대체하는, 코일에 대해 RLC 회로 방정식 3이 개발될 수 있다.

권선수 N의 격리된 코일의 인덕턴스가 L로 주어진다. 수학식 3의 시간 도함수를 구하여 jω로 나누면 하기 수학식 4로 나타낸 임피던스 Z가 얻어진다.

물론, Z의 실수 및 허수 부분 둘다에 대한 상위 차수 보정이 있지만, 이들이 대부분의 경우에 중요하지 않다. 와전류로 인해 대략 6.0 오옴의 기여분에 도달하기 위해, a = b = R_c 및 10 MHz의 주파수를 가정하면, 직경 4.0cm의 다권선 루프 코일에 대해 약 N = 50을 필요로 할 것이다.

명확하게도, 임피던스에 대한 와전류 기여분은 전도성 물체의 크기에 아주 민감하며, 이는 잘 이용될 수 있는 특징이다. 솔레노이드 결과와 비교해보면 편평 다권선 루프 코일이 피검물 크기에 더 민감한다는 것을 보여준다. 또한, 편평한 루프 코일에 대해 적당한 감도를 달성하는 것이 솔레노이드보다 더 어려울 수도 있을 것으로 보인다. 그러나, 편평한 루프 코일의 이점은 여러 신체 표면에 근접하게 쉽고 편리하게 배치될 수 있다는 것이다. 어느 경우든지, 감도가 측정을 가능하게 할 정도로 적절하다.

수학식 4가 나타내는 바와 같이, 공진에서의 코일 임피던스는, 심장을 구로 생각할 때, 심장 직경의 5 제곱에 따라 변한다. 변동하는 신호를 예상하는 이유는 혈액이 심장에 바로 인접하여 둘러싸는 조직보다 심장에 훨씬 더 많이 집결되기 때문이다. 따라서, 심장이 많이 수축될 때 와전류의 발생이 많이 감소된다. 확장 및 수축 사이클을 거칠 때 심장 체적의 모델은, 심장 조직 전도성 데이터, 코일 치수 및 배치와 함께, 유도 코일 센서에 의해 생성되는 예상 신호의 시뮬레이션을 가능하게 한다. 시뮬레이션된 신호가 실제 신호에 필적할 때까지 체적 변화를 조정함으로써 박동마다 실제 체적 변화의 측정(수학식 4의 정확성에 의존함)이 행해질 수 있다.

동맥 팽창

심박출량의 평가와 유사한 응용은 본 발명에 따른 비교적 작은 직경의 유도 코일을 중요한 동맥이 신체 표면에 충분히 가깝게 지나가는 부위 바로 위에 배치하는 것을 필요로 한다. 우수한 일례는 통상적으로 맥박수가 측정되는 손목에서의 요골 동맥이다. 손목의 MRI 횡단면(도시 생략)으로 알 수 있는 바와 같이, 요골 동맥은 피부 표면에 아주 가까우며 유도성 센서가 동맥 팽창 및 수축에 응답하여 주기적인 신호를 기록할 정도로 충분히 크다. 다른 방법들이 펄스 세기에 관한 데이터만을 제공하는 여러 유형의 압력 트랜스듀서를 사용하여 동맥 성능을 평가하려고 하지만, 본 발명에 따른 유도 코일 센서는 심장으로부터 방출되는 압력 펄스에 대한 검사되는 동맥의 팽창 응답의 직접적인 측정을 제공한다.

지방 분포

유도 코일 센서는 체지방, 특히 복부 지방의 분포에 대한 진단 기구로서 사용될 수 있다. 특히, 복부 지방 및 내장 지방은 심장병 및 당뇨병의 우수한 지표이다. 내장 지방은 복강 내에 깊숙히 위치한 지방으로서 보통 내부 장기와 연관되어 있다.

지방이 많은 조직이 근육 또는 다른 조직보다 전도성이 훨씬 더 작기 때문에, 복부 표면에 걸친 2차원 전도성 맵을 획득하기 위해 다권선 루프 코일을 사용하는 것이 가능하다. 이론이 보여준 바와 같이, 전도성 측정계의 깊이가 서로 다른 직경의 코일을 사용하여 제어될 수 있으며, 더 큰 직경의 코일이 더 깊은 곳을 검사할 수 있다. 따라서, 서로 다른 직경의 코일을 사용하여, 지방의 2차원 및 3차원 이미징 둘다가 가능하다.

기타 실시예 및 응용

상기한 응용들은 예시적인 것이며 전수적인(exhaustive) 것이 아니다. 일부 경우에, 다수의 코일이 구현될 수 있으며, 일부는 와전류를 유도하기 위한 것이고 다른 것은 와전류에 의해 생성되는 전계를 수동적으로 감지한다. 다수의 코일을 사용하는 한 응용은 부상 또는 질병으로 인해 뇌조직에 부종이 발생하는 것을 평가하는 데 사용될 수 있다. 이것은 본 발명의 적절한 응용인데, 그 이유는 임의의 신체 조직 내의 전도성 유체의 집합체가 비정상적으로 높은 전기 임피던스를 생성 할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 회로가 디지털적으로 구현될 수 있는 것도 생각된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 기준 신호 및 발진 신호가 아날로그-디지털 변환기에 인가되고 디지털적으로 처리되어 디지털 신호를 발생시키고, 이 디지털 신호가 디지털-아날로그 변환기에 인가되어 공진 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 출력이 디지털 신호로 변환되고 디지털적으로 처리되어 그의 표시를 판정할 수 있다.

솔레노이드 또는 다권선 루프 등의 코일 설계가 있지만, 많은 다른 방법들이 존재한다. 다권선 유형의 특히 유용한 변형은 후속되는 권선이 사용되는 전선의 직경만큼 코일 직경을 점차적으로 증가시키는 코일이다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 편평한 나선형으로 감긴 유도 코일이 본 발명의 일부로서 이용될 수 있는데, 그 이유는 나선형 구성이 추가의 감도를 제공하는 경향이 있기 때문이다. 후속되는 권선들은 직경을 증가시키는 바깥쪽으로의 나선형 방식으로 추가되지만, 코일의 두께 또는 높이가 일정하게, 사용되는 전선의 직경과 같게 유지되게 할 수 있다. 코일에의 리드선이 첫번째 권선의 시작(즉, 코일의 중심)과 마지막 권선의 끝(즉, 코일의 외부 가장자리)에 있다. 코일의 전체 직경은 이하의 식으로 표현될 수 있다.

단, N은 코일에서의 권선의 수이고, d_wire는 코일을 제작하는 데 사용되는 전선의 물리적 직경이며, d_hole는 코일의 중심에 있는 구멍의 직경이다. 완성된 코일 은 모든 권선들이 동일한 평면에 있는 한 편평할 수 있으며, 높이가 전선 직경과 같다.

위상 검출 회로와 관련하여, 위상 비교기의 출력은 구형파이다. 이 구형파를 위상 오차를 나타내는 dc 값으로 변환하는 데 사용될 수 있는 다수의 기법들이 있다. 하나의 대안적인 기법은 단순히 구형파의 평균을 취하는 것을 포함한다(예를 들어, 도 2 및 선택적인 평균기(217)를 참조할 것). 파형의 간단한 평균은 다음과 같이 주어진다.

일 실시예에서, 몇개의 파형 주기에 걸쳐 이동 평균(running average)을 구하기 위해 적분기의 출력에 필터가 적용될 수 있다. 이어서, 그 결과의 전압은 버랙터를 통해 RLC 회로를 재동조시키기 데 필요한 피드백을 제공할 수 있다.

본 발명에 대해 상세히 기술하였지만, 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 수정 및 변형이 가능하다는 것이 명백하다.

본 발명의 구성요소 또는 그의 양호한 실시예(들)를 소개할 때, 관사("a", "an", "the", 및 "said")는 그 구성요소들이 하나 이상 있음을 의미하기 위한 것이다. 용어 "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"은 포함적이고 열거된 구성요소 이외에 추가의 구성요소들이 있을 수 있음을 의미하기 위한 것이다.

이상의 내용으로부터, 본 발명의 몇가지 목적이 달성되고 다른 유익한 결과가 달성됨을 알 수 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이상의 구성, 제품 및 방법에 여러가지 변경이 행해질 수 있기 때문에, 이상의 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 내용이 예시적인 것으로서 제한하는 의미로 해석되어서는 안 된다.

Claims

피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치로서,

위상 및 고정 주파수를 갖는 기준 신호를 제공하는 비침습적 발진기;

상기 발진기로부터 상기 기준 신호를 수신하는 비침습적 동조가능 리액티브 회로 - 상기 동조가능 리액티브 회로는, 상기 피검물의 표면상에 배치되고 RLC 회로를 형성하도록 버랙터형 다이오드와 직렬로 접속되는 유도 코일을 포함하여 상기 피검물의 상태에 대응하는 발진 신호를 발생시키고, 상기 발진 신호는 주파수와 위상을 가지며, 상기 동조가능 리액티브 회로는 상기 피검물의 상태를 나타내는 파라미터를 갖는 출력 신호를 제공하고, 상기 파라미터는 상기 동조가능 리액티브 회로의 구성요소의 임피던스를 포함하며 상기 임피던스는 상기 피검물의 전도성과 선형적으로 관련됨 - ; 및

상기 기준 신호를 상기 발진 신호와 비교하여 상기 비교를 나타내는 공진 제어 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로에 제공하는 비침습적 공진 제어 회로 - 상기 공진 제어 신호는 상기 동조가능 리액티브 회로의 구성요소의 임피던스가 측정되는 동안 상기 발진기의 고정 주파수에서 공진하도록 상기 동조가능 리액티브 회로를 동조시킴 -

를 포함하는 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제1항에 있어서, 상기 공진 제어 회로는 상기 기준 신호의 위상을 상기 발진 신호의 위상과 비교하고, 상기 파라미터는 상기 동조가능 리액티브 회로의 부품 양단의 전압에 대응하는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제2항에 있어서, 상기 공진 제어 회로는

제1 및 제2 입력을 가지며 상기 제1 및 제2 입력에 인가되는 신호들의 위상차를 나타내는 위상차 신호를 제공하는 위상 비교기;

상기 발진기의 발진 신호의 위상을 천이시켜 천이된 신호를 제공하는 위상 천이기;

상기 위상 비교기의 상기 제1 입력에 상기 기준 신호를 제공하기 위해 상기 천이된 신호를 제곱하는 제1 제곱 회로;

상기 위상 비교기의 상기 제2 입력에 상기 발진 신호를 제공하기 위해 상기 동조가능 리액티브 회로의 공진 출력 신호를 제곱하는 제2 제곱 회로; 및

상기 위상차 신호에 응답하여 상기 공진 제어 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로에 제공하는 오차 증폭기

를 포함하는 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 RLC 회로는 고정된 저항 및 유도 코일을 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제1항에 있어서, 상기 버랙터형 다이오드와 병렬로 패딩 커패시터를 더 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제3항에 있어서, 상기 공진 제어 회로는 상기 위상차 신호를 평균하여 평균된 위상차 신호를 상기 오차 증폭기에 제공하는 평균기를 더 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제1항에 있어서, 상기 공진 제어 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로에 선택적으로 제공하는 제어 회로를 더 포함하고, 상기 제어 회로는 제1 모드 및 제2 모드를 가지며, 상기 제1 모드에서 상기 공진 제어 신호는 상기 동조가능 리액티브 회로에 실질적으로 연속적으로 제공되고, 상기 제2 모드에서 상기 공진 제어 신호는 조작자 입력에 응답하여 간헐적으로 상기 동조가능 리액티브 회로에 제공되는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제8항에 있어서, 상기 제어 회로는 조작자 입력에 응답하여 수동 스위치로 작동되는 샘플/홀드 회로 및 상기 샘플/홀드 회로를 선택적으로 바이패스시키는 점퍼를 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제1항에 있어서, 상기 상태는 저체온증, 고체온증, 순환 능력, 심박출량, 동맥 팽창, 부종, 및 지방 분포 중 하나 이상인 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
피검물의 상태를 측정하는 방법으로서,

동조가능 리액티브 회로를 포함하는 비침습적 장치를 상기 피검물의 표면상에 배치하는 단계 - 상기 동조가능 리액티브 회로는, RLC 회로를 형성하도록 버랙터형 다이오드와 직렬로 접속되고, 발진기로부터 고정 주파수 기준 신호를 수신함 - ;

상기 피검물의 상태에 대응하는 발진 신호를 상기 비침습적 장치로부터 발생시키는 단계 - 상기 발진 신호는 주파수 및 위상을 가짐 - ;

상기 피검물의 상태를 나타내는 파라미터를 갖는 출력 신호를 상기 비침습적 장치로부터 제공하는 단계;

상기 기준 신호를 상기 발진 신호와 비교하는 단계; 및

상기 동조가능 리액티브 회로의 임피던스가 측정되는 동안 상기 동조가능 리액티브 회로가 상기 발진기의 고정 주파수에서 공진을 유지하도록 상기 동조가능 리액티브 회로를 제어하는 단계

를 포함하는 피검물의 상태를 측정하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 상태는 저체온증, 고체온증, 순환 능력, 심박출량, 동맥 팽창, 부종, 및 지방 분포 중 하나 이상인, 피검물의 상태를 측정하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 비교하는 단계는 상기 기준 신호의 위상을 상기 발진 신호의 위상과 비교하는 단계를 포함하며, 상기 파라미터는 상기 동조가능 리액티브 회로의 부품의 양단의 전압인, 피검물의 상태를 측정하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 비교하는 단계는 위상차 신호를 평균하고 평균된 위상차 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로의 공진을 제어하는 오차 증폭기에 제공하는 단계를 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 방법.
삭제
제11항에 있어서, 공진 제어 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로에 선택적으로 제공하는 단계를 더 포함하고, 제1 모드에서 상기 공진 제어 신호는 상기 동조가능 리액티브 회로에 실질적으로 연속적으로 제공되고, 제2 모드에서 상기 공진 제어 신호는 조작자 입력에 응답하여 간헐적으로 상기 동조가능 리액티브 회로에 제공되는, 피검물의 상태를 측정하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 파라미터는 상기 동조가능 리액티브 회로의 구성요소의 임피던스를 포함하고, 상기 임피던스는 상기 피검물의 전도성과 선형적으로 관련되는, 피검물의 상태를 측정하는 방법.
피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치로서,

위상 및 고정 주파수를 갖는 기준 신호를 제공하는 비침습적 발진기;

상기 발진기로부터 상기 기준 신호를 수신하는 비침습적 동조가능 리액티브 회로 - 상기 기준 신호는 상기 동조가능 리액티브 회로 내의 공진 주파수에서 공진 상태를 유도하고, 상기 동조가능 리액티브 회로는, 상기 피검물의 표면상에 배치되고 RLC 회로를 형성하도록 버랙터형 다이오드와 직렬로 접속되는 유도 코일을 포함하여 상기 피검물의 상태에 대응하는 발진 신호를 발생시키고, 상기 동조가능 리액티브 회로는 상기 피검물의 상태를 나타내는 파라미터를 갖는 출력 신호를 제공하고, 상기 파라미터는 상기 동조가능 리액티브 회로의 구성요소의 임피던스를 포함하며 상기 임피던스는 상기 피검물의 전도성과 선형적으로 관련됨 - ; 및

상기 기준 신호를 상기 발진 신호와 비교하여 상기 비교를 나타내는 공진 제어 신호를 상기 동조가능 리액티브 회로에 제공하는 비침습적 공진 제어 회로 - 상기 공진 제어 신호는 상기 동조가능 리액티브 회로의 구성요소의 임피던스가 공진 조건 하에서 측정되도록 상기 동조가능 리액티브 회로의 공진 주파수를 상기 발진기와 동일한 주파수로 유지함 -

를 포함하는 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제1항에 있어서,

공진에서의 임피던스는 혈액량의 저하로 인해 더 감소되는, 피검물의 상태를 측정하는 비침습적 장치.
제13항에 있어서,

상기 출력 신호를 이용하여, 심장 비트당 부피 변화를 측정하는 방법을 더 포함하는, 피검물의 상태를 측정하는 방법.