WO2011045974A1 - 生体埋め込み型流量センサ - Google Patents

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WO2011045974A1
WO2011045974A1 PCT/JP2010/063568 JP2010063568W WO2011045974A1 WO 2011045974 A1 WO2011045974 A1 WO 2011045974A1 JP 2010063568 W JP2010063568 W JP 2010063568W WO 2011045974 A1 WO2011045974 A1 WO 2011045974A1
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flow sensor
living body
sensor
wiring
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式田　光宏
勤 川部
充代子 松島
拓央 横田
聡 岩井
松永　直之
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国立大学法人名古屋大学
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    • A61B5/0275—Measuring blood flow using tracers, e.g. dye dilution
    • A61B5/028—Measuring blood flow using tracers, e.g. dye dilution by thermo-dilution
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
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    • A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
    • A61B2503/40—Animals

Definitions

  • the present invention relates to a biologically embedded flow sensor that can detect the flow rate of a medium such as a gas or a liquid flowing in a tubular organ of a living body.
  • a flow sensor having a structure in which a heater is formed on a flexible base material and the flexible base material is mounted on a pipe inner wall so as to follow the pipe inner wall shape.
  • This flow sensor is manufactured on a film with a thickness of several microns and is mounted on the inner wall surface of the pipe where the flow velocity is the smallest, so the increase in fluid resistance associated with sensor installation can be reduced to the utmost limit.
  • Patent Document 1 There is a feature (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 2 There is also a technique for downsizing the flow sensor with a heat shrinkable tube. JP 2007-127538 A JP 2009-168480 A
  • the flow sensors described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are configured to incorporate a flow sensor into a catheter structure, and measure the flow rate of a medium in the tubular organ by embedding the flow sensor in a tubular organ of a living body. For example, it cannot be implanted in the respiratory tract of a rat for animal experiments.
  • the conventional flow rate sensor of the catheter structure since the electrical wiring to the sensor extends along the fluid flow direction in the pipe, the sensor output characteristic with respect to the flow rate depends on the direction of the fluid flow in the pipe. There is a problem that the output value when flowing from the upstream side and the output value when flowing from the downstream side are different, and the reciprocating flow such as exhaled breath cannot be measured accurately.
  • Patent Document 1 it is described that “extraction of the electrode to the heater is performed by bending a part of the flexible board on which the heater is formed, outside the pipe at the end of the pipe through which the fluid flows”. Further, according to the description of the accompanying drawings of the application, “the thin film wiring connected to the heater is formed on the flexible substrate like the heater and the wiring is taken out from one direction of the piping”.
  • Patent Document 1 “the power supply to the heater is first taken out from one direction of the pipe by thin film wiring in the pipe, and finally bent at the pipe end and connected to the outside. Because of the “configuration,” there is a phenomenon that the sensor output characteristics differ between when the fluid in the pipe flows from the upstream side and when flowing from the downstream side.
  • Patent Document 2 basically has the same structure as Patent Document 1, “the thin-film wiring for supplying power to the heater is taken out from one direction of the pipe inside the pipe”. Has occurred.
  • the thin-film wiring for supplying power to the heater also has an electrical resistance value
  • the thin-film wiring portion performs a function similar to that of the heating element although it is slight. Therefore, when the thin film wiring is taken out from the flow direction of the fluid in the pipe as described above with respect to the heater, the thin film wiring also becomes a heating element, so that the heat distribution on the heater becomes asymmetric, and as a result, flows through the pipe.
  • the output characteristics of the sensor change depending on the direction of the fluid.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a living body implantable flow sensor that can be embedded in a living body tubular organ and accurately measure the flow rate of a medium in the tubular organ.
  • the living body implantable flow sensor of the first aspect of the present invention which has been made to achieve the above object, has a flexible base material in which a heater is formed in a pipe arranged along a tubular organ in a living body through which a medium flows.
  • a flow rate sensor that measures the flow rate of a medium flowing in a tubular organ in a living body by detecting a state in which the amount of heat generated from the heater of the mounted flexible base material is transmitted to the medium,
  • Each of the two or more heaters formed on the flexible substrate has a symmetrical structure having the same heating performance under the same conditions, and a linear member that supplies power to the heaters from the outside of the living body.
  • the heat distribution by the heater and the linear member in the pipe is configured to be symmetric,
  • the plurality of linear members protrude from the tubular organ so as to intersect the outside of the living body.
  • two or more heaters formed on the flexible base material for flow rate measurement have a symmetrical structure with the same heating performance under the same conditions, and power is supplied to each heater from outside the living body. Since the linear member is configured to have a symmetrical structure having the same heating performance under the same conditions, the heat distribution by the heater and the linear member in the pipe is configured to be symmetrical. Regardless of the direction of the flow of the medium, the sensor output characteristics with respect to the flow rate of the medium flowing in the pipe can be made the same, and as a result, the reciprocating flow such as exhaled breath can be accurately measured.
  • the flexible base material is mounted on the inner wall of the tubular organ in the living body so as to follow the shape of the inner wall of the tubular organ in the living body, the fluid resistance accompanying the installation of the sensor can be reduced to the limit.
  • a plurality of heaters have the same heating performance under the same conditions means, for example, when a plurality of heaters are formed of the same material and have the same size and shape. Yes, if the materials are different, the same size or shape may be included.
  • the structure “the linear member has the same heating performance under the same conditions” means the same content as the structure of the heater.
  • the plurality of linear members protrude from the tubular organ so as to intersect the outside of the living body, power can be supplied from the outside of the living body to the heater on the flexible substrate via the plurality of linear members. .
  • signals can be exchanged from the outside to the sensor in the sensor portion.
  • a tubular organ in a living body in addition to an airway through which air flows as a medium, a blood vessel through which a liquid flows as a medium, a ureter, or an intestinal tract through which a solid fluid flows can be considered.
  • the “wire member that supplies power by wire” means, for example, a power wire such as a copper wire or an aluminum wire that is coated so as not to adversely affect the living body as much as possible.
  • the “linear member for supplying power” means, for example, a linear or loop antenna (antenna).
  • the linear member since the living body has operating parts such as limbs, mouth, and tail, the linear member may be destroyed by the operating parts when detecting the flow rate of the medium in the tubular organ. Therefore, as in the second aspect of the present invention, it is desirable that the portion of the linear member that protrudes to the outside of the living body is in a position where the operating part of the living body is difficult to contact.
  • the linear member is broken by the living body working site during the flow measurement of the medium in the tubular organ. This is convenient.
  • the position where the biological implantable flow sensor is installed is an animal trachea, and the electrical wiring member connected to the linear member is connected to the animal from the back. Take out to the outside.
  • the linear member is taken out so as to protrude from the trachea, and the electrical wiring member connected to the linear member is After being drawn to the back, it is preferably taken out of the animal from the back.
  • SYMBOLS 1 Laboratory animal, 2 ... Airway (tubular organ), 3 ... Implantable small flow sensor, 4 ... Wire-like electric wiring (electric wiring member), 5 ... Film-like flexible electric wiring, 10 ... Film-like flow sensor, 11 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Film substrate, 12 ... Heater, 13 ... Thin film wiring (linear member), 15 ... Anisotropic conductive film, 20 ... Thermal insulation cavity structure, 21 ... Flow path, 30 ... Piping, 40 ... Alignment jig, 41 ... groove, 42 ... resin film, 50 ... heat-shrinkable tube, 51 ... slit for taking out wiring.
  • FIG. 1 shows a usage concept of an embedded small flow sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the implantable small flow sensor 3 is implanted in the airway 2 of the experimental animal 1 such as a rat and a mouse, and the expiratory inspiration state during the activity of the experimental animal 1 is quantitatively measured and evaluated by the implantable small flow sensor 3.
  • the exchange of electrical signals between the implantable small flow sensor 3 and the outside uses a wire-like electrical wiring 4 connected to the implantable compact flow sensor 3, and this wire-like electrical wiring 4 is under the skin of an experimental animal. Turn to the back and take out to the outside.
  • the outer diameter of the implantable small flow sensor is preferably determined in accordance with the size of the airway 2 of the experimental animal to be applied.
  • the outer diameter of the implantable small flow sensor is preferably about 1.5 mm to 1.8 mm, and in the case of a rat, it is preferably about 1.8 mm to 2.0 mm.
  • FIG. 2 shows the structure of an embedded small flow sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the embedded small flow sensor 3 includes a film-like flow sensor 10, a thermal insulation cavity structure 20, a flow path 21, and a pipe 30 arranged along the inner wall of the pipe.
  • the film-like flow sensor 10 includes a heater 12 on a film substrate 11 and a thin film wiring 13 that supplies electric power to the heater.
  • the film substrate 11 is disposed along the inner wall of the pipe 30, thereby reducing the turbulence of the flow of the fluid flowing through the flow path 21 in the pipe 30 due to the installation of the sensor 10 in the pipe 30 to the limit. Yes.
  • the two sets of heaters 12 and the thin film wirings 13 formed on the film substrate 11 are both in the same shape and have a symmetrical structure having the same heating performance under the same conditions.
  • the heat distribution by the heater 12 and the thin film wiring 13 is configured to be symmetric.
  • the thin film wiring 13 is arranged so as to protrude from the airway which is a tubular organ to the outside of the living body. Specifically, even if the direction of flow is reversed, the two sets are taken out from the inside of the pipe 30 so as to intersect (perpendicular) with respect to the flow of the fluid flowing through the flow path 21 in the pipe 30.
  • the heater 12 and the thin film wiring 13 are inverted under the same conditions. Thereby, the sensor output characteristic with respect to the flow rate becomes the same without depending on the direction of the medium flow in the pipe 30.
  • the wire-like electric wiring 4 is connected to the end of the thin film wiring 13 provided on the film substrate 11 by using an anisotropic conductive film 15.
  • an anisotropic conductive film 15 As a result, even when the implantable small flow sensor 3 is embedded in the airway of an animal, the wire-like electrical wiring 4 can be easily routed to the back portion under the skin, and reliability can be obtained even after taking out from the back portion. High wiring extraction is possible.
  • the thin film wiring 13 connected to the wire-shaped electric wiring 4 (electric wiring member) through the anisotropic conductive film 15 functions as a linear member for supplying electric power to the heater 12 of the embedded small flow sensor 3. is doing.
  • a thermal insulating cavity structure 20 is formed on the outer periphery of the heater.
  • the pipe 30 of the embedded small flow sensor 3 has a double structure made of a resin material. As a result, thermal insulation of the heater substrate is achieved, and 10 to 20 breaths per minute can be measured.
  • the portion where the thin film wiring 12 and the wire-like electric wiring 4 are connected using the anisotropic conductive film 15 is further provided with a cylindrical structure made of a resin material on the outer side, and fluid does not leak from this portion. Only the wire-like electric wiring 4 is taken out to the outside.
  • FIG. 2 shows a case where the flow rate in the pipe and the direction thereof are detected using two sets of heaters. However, depending on the application, one heater and a sensor for detection outside are provided. There is also a method of providing. In this case, the measurable flow rate range becomes narrow, but on the other hand, it has a feature that the flow rate can be measured with high accuracy at a small flow rate.
  • FIGS. 3A to 3D show a method of connecting the thin film wiring of the film substrate and the wire-like electric wiring used in the embedded small flow sensor of the present embodiment.
  • 3A first, the wire-like electric wiring 4 is inserted into the groove 41 provided in the positioning jig 40, and the wire-like electric wiring 4 is fixed.
  • a resin film 42 is provided below the wire-like electrical wiring 4 at the connection location. Keep it.
  • the anisotropic conductive film 15 is placed on the wire-like electrical wiring 4 at the connection location.
  • the thin film wiring 13 provided on the film substrate 11 is arranged so that the thin film wiring 13 is on the anisotropic conductive film side, and the thin film wiring 13 and the wire-like electric wiring 4 at the connection location are electrically connected. Align so that Finally, the connection portion is brought into close contact by thermocompression bonding, and the thin film wiring 13 and the wire-like electric wiring 4 are physically and electrically connected.
  • the heater 12 and the thin film wiring 12 on the film substrate 11 are produced using a metal thin film forming technique and a photolithography technique.
  • FIG. 3D shows an overview of the film flow sensor 10 produced by the above method.
  • a photograph of the film flow sensor of the present invention is shown in FIG.
  • An enlarged photograph of the heater part is shown on the upper side in FIG.
  • FIG. 4 shows a case where the heater 12 and the thin film wiring 13 are formed of chromium (50 nanometers) and gold (250 nanometers) on a resin film having a thickness of several microns.
  • FIG. 4 shows the case where the flow rate in the pipe and the direction thereof are detected using two sets of heaters. However, one heater and a sensor for detection are provided on both sides according to the application. There is also a method of providing. In this case, the measurable flow rate range becomes narrow, but on the other hand, it has a feature that the flow rate can be measured with high accuracy at a small flow rate.
  • FIGS. 5A to 5F show a method for downsizing the embedded small flow sensor according to the present embodiment to a diameter of several millimeters or less that can be embedded.
  • the heat-shrinkable resin tube is used to mount the film flow sensor 10 on the inner wall of the pipe, and the size is designed to be several millimeters or less. Details are described below.
  • first, heat shrinkable tubes 50 are inserted on both sides of the heater 12 of the film flow sensor 10.
  • the size of the heat-shrinkable tube is relatively large, for example, an inner diameter of 1.27 millimeters, and the heat-shrinkable tube 50 can be inserted on both sides of the film flow sensor 10.
  • FIG. 5A A cross-sectional view when the heat-shrinkable tube 50 is inserted on both sides of the film flow sensor 10 is shown on the right side of FIG. 5A.
  • the film flow sensor 10 does not have to be along the inner wall of the pipe at the time of insertion, and the heat shrinkable tubes 50 may be simply inserted on both sides of the heater 12 of the film flow sensor 10, which is an easy operation. Yes.
  • the heat shrinkable tube 50 is not provided in the portion of the heater 12, and as a result, this portion finally becomes the cavity structure 20 for thermal insulation.
  • the wire-like electric wiring 4 provided in the film-like flow rate sensor 10 is taken out from between the heat-shrinkable tubes 50 to the outside.
  • the size and material of the heat-shrinkable tube and the size of the flow rate sensor are appropriately determined according to usage conditions.
  • the heat shrinkable tube 50 is prepared again, and the heat shrinkable flow rate sensor tube formed in the previous step is inserted therein. Unlike the previous tube, this tube is provided with a slit 51 for taking out the electrical wiring to a part of the heat shrinkable tube 50.
  • the two sets of heaters 12 and thin film wirings 13 provided on the flexible substrate 11 have the same shape, and the thin film wirings 13 correspond to the flow of fluid flowing through the flow path 21. Even when the flow direction is reversed, the two heaters 12 and the thin film wiring 13 are reversed under the same conditions. As a result, the sensor output characteristics with respect to the flow rate become the same regardless of the flow direction, and as a result, the reciprocating flow such as exhaled breath can be accurately measured.
  • connection location of the thin film wiring 12 and the wire-like electric wiring 4 by the anisotropic conductive film 15 is protected by the heat-shrinkable tube 50, and only the wire-like electric wiring 4 is exposed from the heat-shrinkable flow sensor tube. Even when the implantable small flow sensor 3 is embedded in an animal's respiratory tract, the wire-like electrical wiring 4 can be easily routed to the back part under the skin, and the machine It is possible to take out the wiring with high reliability against the mechanical load.
  • FIG. 6 shows how the embedded small flow sensor of the present invention is mounted. As explained above, only the wire-like electrical wiring 4 is exposed from the heat-shrinkable flow sensor tube, so that it can be easily embedded in the animal's airway.
  • FIG. 7 shows an example of the relationship between the input power and the detected flow rate of the flow sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 7 shows the input power to the sensor bridge circuit with respect to the flow rate when the heater element itself is used as a flow rate sensor. As shown in FIG. 7, the input power changes according to the flow rate. By using this as a calibration curve, an unknown flow rate can be calculated by this sensor.
  • FIGS. 8A to 8C show the electrical wiring extraction structure in the conventional flow sensor (conventional sensor), the temperature distribution around the heater, and the relationship between the flow rate and the sensor output.
  • FIG. 8A is a diagram showing an electrical wiring extraction structure in a conventional sensor
  • FIG. 8B is a conceptual diagram of a temperature distribution around the heater and a measurement result
  • FIG. 8C is a graph showing the flow rate and sensor output. It is the figure which showed the relationship.
  • the thin film wiring 113 for supplying power to the heater 112 has a structure taken out from one direction of the pipe inside the pipe. Therefore, as shown in FIG. 8B, the heat distribution on the heater is asymmetric.
  • FIGS. 9A to 9C show the electrical wiring extraction structure in the flow rate sensor of this embodiment, the temperature distribution around the heater, and the relationship between the flow rate and the sensor output.
  • FIG. 9A is a diagram showing an electrical wiring take-out structure in the present embodiment
  • FIG. 9B is a conceptual diagram of temperature distribution around the heater and a measurement result
  • the two sets of heaters 12 and the thin film wirings 13 are both in the same shape and have a symmetrical structure having the same heating performance under the same conditions.
  • the heat distribution by the heater 12 is configured to be symmetrical, and the thin film wiring 13 is taken out from the pipe so as to intersect the flow of the fluid flowing through the flow path.
  • FIGS. 10A to 10B show a state of mounting when the implantable small flow sensor of the present embodiment is implanted in a rat which is an experimental animal.
  • FIG. 10A shows a state after the implantable small flow sensor of the present invention is implanted in the rat airway.
  • the wire-like electrical wiring 4 is drawn to the back of the rat's head under the skin, and then pulled out to the outside at the back of the rat. It shows how it is.
  • FIG. 11 shows the results when the exhalation inhalation characteristics in the airway during rat activity were directly evaluated with the flow sensor after the small flow sensor of the present embodiment was embedded in the rat airway. This result shows that the expiratory inspiration in the airway during the rat activity can be quantitatively evaluated by the implantable small flow sensor 3 of the present invention.
  • the target fluid of the present sensor is mainly gas, and any type can be applied as long as it is gas.
  • the present invention can also be applied to liquids such as blood and urine and solid fluids.
  • the two sets of heaters 12 and the thin film wirings 13 formed on the film substrate 11 have the same shape, and the thin film wirings 13 correspond to the flow of fluid flowing through the flow path 21.
  • the two heaters 12 and the thin film wiring 13 are reversed under the same conditions even when the flow direction is reversed and the flow is reversed.
  • the sensor output characteristics with respect to the fluid flow rate become the same without depending on the direction of the fluid flow in the pipe.
  • the wire-like electric wiring 4 is connected to the end of the thin film wiring 13 provided on the film substrate 11 by using an anisotropic conductive film 15.
  • the wire-like electrical wiring 4 can be easily routed to the back part under the skin, and after being taken out from the back part. Highly reliable wiring can be taken out.
  • the wire-like electric wiring 4 is configured to be taken out from the rat back to the outside of the rat after being routed to the rat back.
  • the film substrate 11 is arranged along the inner wall of the pipe 30, thereby reducing the turbulence in the pipe accompanying the sensor installation to the limit.
  • electric power is supplied from the outside of the rat to the heater 12 through the thin-film wiring 13 by wire-shaped electric wiring.
  • the wire-shaped electric wiring is used as an antenna, and microwaves are formed on the thin-film wiring 13.
  • a receiver may be attached.
  • a microwave is supplied from the outside, the microwave is received by a wire-like electric wiring as an antenna, converted into electric power by a microwave receiver, and electric power is supplied to the heater 12 through the thin film wiring 13. .
  • wire-like electric wiring used as a microwave receiver and an antenna, and it is configured such that the operation parts such as the hand and foot of the living body are difficult to contact. Yes.

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Abstract

　ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる生体内の管状器官に沿うように配置された配管内に実装し、実装されたフレキシブル基材のヒータから発生する熱量が媒体に伝達される状態を検出することで、生体内の管状器官内を流れる媒体の流量を測定する流量センサである。その流量センサにおいて、フレキシブル基材上に二つ以上形成されたヒータのそれぞれが、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなし、かつ、各ヒータに生体外部から電力を供給する線状部材が、同一条件において同一の加熱性能を有する対称構造をなすことで、配管内のヒータ及び線状部材による熱分布が対称となるように構成する。また、複数の線状部材は、管状器官内から生体外部へ交差するように突出している。

Description

生体埋め込み型流量センサ
　本発明は、生体の管状器官内を流れる気体、液体等の媒体の流量を検出することができる生体埋め込み型流量センサに関する。
　従来、フレキシブル基材にヒータを形成し、このフレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装するような構造の流量センサがある。この流量センサは、厚さ数ミクロンのフィルム上にセンサを作製し、これを流速が最も小さくなる配管の内壁面に実装しているため、センサ設置に伴う流体抵抗の増加を極限まで低減できるという特徴がある（例えば、特許文献１参照）。また、上記流量センサを熱収縮チューブにより小型化する技術もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７－１２７５３８号公報 特開２００９－１６８４８０号公報
　ところが、特許文献１および特許文献２で述べられている流量センサは、カテーテル構造に流量センサを組み込む形態になっており、流量センサを生体の管状器官に埋め込んで管状器官内の媒体の流量を計測すること、例えば、動物実験用のラットなどの気道に埋め込むことはできない。また、従来のカテーテル構造の流量センサでは、配管内の流体の流れ方向に沿って、センサへの電気的配線が伸びているために、配管内の流体の流れの向きにより、流量に対するセンサ出力特性（上流側から流れる場合の出力値と、下流側から流れる場合の出力値）が異なってしまい、呼気吸気などの往復流を正確に計測できないという問題がある。
　以下にその態様を詳細に述べる。特許文献１では、「ヒータへの電極取出しは、ヒータが形成されたフレキシブル基板の一部を、内部に流体が流れる配管の端部にて管外に折り曲げて行われる」と記載されており、また、願書の添付図面の記載によれば、「ヒータに連結する薄膜配線はヒータと同様にフレキシブル基板上に形成され、かつ、配線は配管の一方向から取り出す構造」になっている。
　このことから、特許文献1では、「ヒータへの電力供給は、先ず管内にて配管の一方向から薄膜配線で取り出され、最終的に配管端部にて管外に折り曲げられて外部に接続する構成である」ので、配管内の流体の流れが上流側から流れる場合と下流側から流れる場合とで、センサ出力特性が異なるという現象が生じている。
　特許文献２も基本的には、上記特許文献1と同様に、「ヒータへの電力供給をする薄膜配線は配管内部にて管の一方向から取り出される構造」になっているので、同様の現象が生じている。
　このような「ヒータへ電力を供給する配線が配管内で、かつ、配管の一方向から薄膜配線で取り出す構造になっている場合に、配管内の媒体の往復流を正確に計測できない」の理由を詳細に検討したところ、以下のように考察することができた。
　すなわち、ヒータへ電力を供給する薄膜配線も電気的抵抗値を有しているために、わずかではあるが薄膜配線部は、発熱体と同様の機能を果たす。従って、上記のようにヒータに対して、薄膜配線を配管内の流体の流れ方向から取り出すと、薄膜配線も発熱体になるため、ヒータ上での熱分布が非対称となり、その結果、配管を流れる流体の方向によりセンサの出力特性が変化する。
　その結果、一方向の流れに対してのみ流量計測するのであれば何ら問題は生じないが、呼気吸気などの往復流計測に適用すると、流体の流れの方向によりセンサ出力値が異なり、流体の流量を正確に計測できないという課題が生じていたのである。
　本発明は、上記課題を解決するもので、生体の管状器官に埋め込んで管状器官内の媒体の流量計測を正確に行うことができる生体埋め込み型流量センサを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するためになされた本発明の第１局面の生体埋め込み型流量センサは、ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる生体内の管状器官に沿うように配置された配管内に実装し、実装されたフレキシブル基材の前記ヒータから発生する熱量が前記媒体に伝達される状態を検出することで、生体内の管状器官内を流れる媒体の流量を測定する流量センサであって、
　前記フレキシブル基材上に二つ以上形成されたヒータのそれぞれが、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなし、かつ、前記各ヒータに前記生体外部から電力を供給する線状部材は、同一条件において同一の加熱性能を有する対称構造をなすことで、前記配管内のヒータ及び線状部材による熱分布が対称となるように構成し、
　前記複数の線状部材は、前記管状器官内から前記生体外部へ交差するように突出していることを特徴とする。
　上記した構成では、流量計測のためのフレキシブル基材上に二つ以上形成されたヒータが同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなし、かつ、各ヒータに前記生体外部から電力を供給する線状部材が、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなすことで、前記配管内のヒータ及び線状部材による熱分布が対称となるように構成されているため、配管内の媒体の流れの向きに寄らずに、配管内を流れる媒体の流量に対するセンサ出力特性を同じにすることができ、その結果、呼気吸気などの往復流を正確に計測できる。また、フレキシブル基材を生体内の管状器官の内壁形状に沿うように生体内の管状器官の内壁に実装した場合、センサ設置に伴う流体抵抗を極限まで低減できる。
　また、「複数のヒータが、同一条件において同一の加熱性能を有する」とは、例えば、複数のヒータが同じ材料で形成されている場合には、同一の大きさ及び形状をしている場合であり、材料が異なれば同一の大きさや形状でない場合も含まれる。また、「線状部材が同一条件において同一の加熱性能を有する」構造とは、上記ヒ―タの構造と同様の内容を意味する。
　そして、複数の線状部材は、前記管状器官内から前記生体外部へ交差するように突出しているので、複数の線状部材を介してフレキシブル基板上のヒータに生体外部から電力を供給することできる。それにより、例えば、人間や動物などの生体内の管状器官に埋め込んでも、センサ部分に外部からセンサへの信号のやり取りが可能である。なお、生体内の管状器官としては、媒体として空気が流れる気道以外に、媒体として液体が流れる血管や尿管あるいは固形流動物が流れる腸管などが考えられる。
　ところで、線状部材に対して外部から電源を供給するには、種々の方法が考えられるが、複数の線状部材に対して外部から有線又は無線で電源を供給するため、線状部材は生体内の管状器官を貫通して前記生体の外部へ突出するように構成されるとよい。
　このようにすると、外部から電源供給を行うことができるので、電池の容量に制限されず、長時間に亘る生体内の管状器官内の媒体の流量を計測することができる。
　なお、「有線で電源を供給する線状部材」とは、例えば、生体に可能な限り悪影響を与えないように被覆された銅線やアルミ線などの電源配線を意味しており、「無線で電源を供給する線状部材」とは、例えば、線状やループ状の空中線（アンテナ）を意味している。
　また、生体は、手足や口、あるいは尾といった作動部位を有しているため、管状器官内の媒体の流量検出の際、線状部材がそれら作動部位によって破壊される可能性がある。そこで、本発明の第２局面のように、前記線状部材のうち生体外部へ突出した部分は、前記生体の作動部位が接触しにくい位置にあるのが望ましい。
　更には、線状部材のうち生体外部へ突出した部分が生体の作動部位によって破壊されない位置であるようにすると、管状器官内の媒体の流量計測中に、生体の作動部位によって線状部材が破壊されないので、都合がよい。
　さらに、本発明の第３局面のように、生体埋め込み形流量センサが設置される位置が、動物の気管であり、前記線状部材に接続された電気配線部材が、前記動物の背部から動物の外部に取り出される。
　このように生体埋め込み形流量センサが設置される位置が気管である場合、線状部材が前記気管から突き出るように外部に取り出され、前記線状部材に接続された電気配線部材は、前記生体の背部まで引き回された後に、前記背部から動物の外部に取り出されるのが好ましい。
本実施形態の埋め込み型小型流量センサの使用概念を示す図である。 本実施形態の具現化した埋め込み型小型流量センサの構造を示す図である。 本実施形態の埋め込み型小型流量センサに用いられているフィルム基板の薄膜配線とワイヤー状電気配線との接続方法を示す図である。 本実施形態のフィルム状流量センサの写真を示す図である。 本実施形態の埋め込み型小型流量センサを埋め込みが可能な外径数ミリメートル以下に小型化する手法を示す図である。 本実施形態の埋め込み型小型流量センサの実装の様子を示す図である。 本実施形態の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を示す図である。 比較例として従来タイプの流量センサ（従来センサ）における電気的配線取出し構造の場合における、ヒータ上での温度分布と、流量とセンサ出力との関係を示す図である。 本実施形態の流量センサにおける電気的配線取出し構造の場合における、ヒータ上での温度分布と、流量とセンサ出力との関係を示す図である。 本実施形態の埋め込み型小型流量センサを実験動物であるラットに埋め込んだときの実装の様子を示す図である。 本実施形態の埋め込み型小型流量センサをラットの気道に埋め込んだ後、流量センサで、直接、ラット活動時の気道での呼気吸気特性を評価したときの結果を示す図である。
　１…実験用動物、２…気道（管状器官）、３…埋め込み型小型流量センサ、４…ワイヤー状電気配線（電気配線部材）、５…フィルム状フレキシブル電気配線、１０…フィルム状流量センサ、１１…フィルム基板、１２…ヒータ、１３…薄膜配線（線状部材）、１５…異方性導電フィルム、２０…熱絶縁用空洞構造、２１…流路、３０…配管、４０…位置合わせ用冶具、４１…溝、４２…樹脂フィルム、５０…熱収縮チューブ、５１…配線取り出し用スリット。
　以下、本発明を実施するための最良の形態をより詳細に説明する。
　本発明を具体化した実施の形態の埋め込み型小型流量センサの使用概念を図１に示す。ラットおよびマウスなどの実験用動物１の気道２に、埋め込み型小型流量センサ３を埋め込み、実験用動物１の活動時における呼気吸気状態を定量的に埋め込み型小型流量センサ３にて計測評価する。
　埋め込み型小型流量センサ３と外部との電気的な信号のやり取りは、埋め込み型小型流量センサ３に接続したワイヤー状電気配線４を用い、このワイヤー状電気配線４を実験用動物の皮膚下で、背の部分まで回し、背にて外部に取り出す。
　これにより、実験用動物１が活動時における呼気吸気状態を計測評価する際に、動物の手・足や口、あるいは尾等の作動部位でもってワイヤー状電気配線４を引っ掻くのを防止するので、ワイヤー状電気配線４は動物の手等の作動部位でもって破壊されない。
　なお、埋め込み型小型流量センサの外径は、適用する実験動物の気道２の大きさに併せて決定するのが望ましい。例えば、マウスの場合、埋め込み型小型流量センサの外径は、１．５ｍｍから１．８ｍｍ程度で、ラットの場合は１．８ｍｍから２．０ｍｍ程度が望ましい。
　次に、本発明を具現化した実施の形態の埋め込み型小型流量センサの構造を図２に示す。
　埋め込み型小型流量センサ３は、配管内壁に沿うように配置したフィルム状流量センサ１０と熱絶縁用空洞構造２０と流路２１と配管３０とからなる。フィルム状流量センサ１０は、フィルム基板１１上にヒータ１２と、ヒータに電力を供給する薄膜配線１３とからなる。フィルム基板１１は配管３０の内壁に沿うように配置されており、これにより配管３０内にセンサ１０の設置に伴う、配管３０内の流路２１を流れる流体の流れの乱れを極限まで低減している。
　また、フィルム基板１１上に形成した二組のヒータ１２と薄膜配線１３は、何れも同一形状であって、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなすことで、前記配管３０内のヒータ１２及び薄膜配線１３による熱分布を対称となるように構成している。
　更に、薄膜配線１３は、管状器官である気道から生体外部へ突出するように配置されている。具体的には、配管３０内の流路２１を流れる流体の流れに対して、交差（垂直）するように配管３０内から外部に取り出されており、流れの向きが反転した場合でも、二組のヒータ１２と薄膜配線１３とが同一条件で反転した状態になっている。これにより、配管３０内の媒体の流れの向きに寄らずに、流量に対するセンサ出力特性が同じになる。
　また、フィルム基板１１に設けた薄膜配線１３の端部には異方性導電フィルム１５を用いてワイヤー状電気配線４が接続されている。これにより、埋め込み型小型流量センサ３を動物の気道に埋め込んだ場合でも、皮膚下においてワイヤー状電気配線４を容易に背の部分に引き回すことができ、かつ、背部から取り出した後も、信頼性の高い配線取出しが可能となる。
　なお、ワイヤー状電気配線４には、物理的な張力がかかる可能性を考慮して、適用すべき直径を決定することが望ましい。なお、異方性導電フィルム１５を介してワイヤー状電気配線４（電気配線部材）に接続されている薄膜配線１３が、埋め込み型小型流量センサ３のヒータ１２に電力を供給する線状部材として機能している。
　埋め込み型小型流量センサ３にはフィルム基板１１上に形成したヒータ１２の熱絶縁を図るために、ヒータ外周部に熱絶縁用空洞構造２０が形成されている。熱絶縁用空洞構造２０を形成するために、埋め込み型小型流量センサ３の配管３０は樹脂材による二重構造になっている。これにより、ヒータ基板に対する熱絶縁が図られ、一分間に１０～２０回の呼吸を計測することが可能となる。
　また、異方性導電性フィルム１５を用いて薄膜配線１２とワイヤー状電気配線４とを接続している部分は、更に外側に樹脂材による円筒構造が設けられ、この部分から流体が漏れることなく、ワイヤー状電気配線４のみを外部に取り出す構造になっている。
　なお、図２には、二組のヒータを用いて、配管内の流量とその向きを検出する場合を示したが、用途に応じて、一つのヒータと、その両外に検出用のセンサを設けるという方法もある。この場合には、測定できる流量範囲が狭くなるが、その反面、少ない流量において高精度に流量計測できるという特徴がある。
　また、図２には円筒状の管を用いた場合を示したが、これ以外の形状の管（例えば、楕円および四角形断面）の場合でも、本センサはフィルム基板１１の柔軟性を活かして、管内壁構造に応じて変形させ、内壁に適応させることもできる。従って、管内壁上に設置するセンサ形態も測定したい管の形状に応じて変更することが望ましい。
　次に、本実施の形態の埋め込み型小型流量センサに用いられているフィルム基板の薄膜配線とワイヤー状電気配線との接続方法を図３Ａ－３Ｄに示す。
　図３Ａにおいて、先ず、位置合わせ用治具４０に設けた溝４１にワイヤー状電気配線４を挿入し、ワイヤー状電気配線４を固定する。なお、最後の接続工程で、異方性導電性フィルム１５が位置合わせ用治具４０に密着するのを防止するために、接続箇所のワイヤー状電気配線４の下側には、樹脂フィルム４２を設けておく。
　なお、樹脂フィルム４２については、適用先に応じてその材質を決定することが望ましい。また、接続箇所のワイヤー状電気配線４の一部は、異方性導電性フィルム１５でフィルム基板１１に形成した薄膜配線１３と電気的な接続をするために、絶縁被覆が取り除かれている。
　図３Ｂにおいて、接続箇所のワイヤー状電気配線４の上に、異方性導電性フィルム１５を載せる。
　図３Ｃにおいて、フィルム基板１１に設けた薄膜配線１３を、薄膜配線１３が異方性導電フィルム側になるようにし、かつ、薄膜配線１３と接続箇所のワイヤー状電気配線４とが電気的に導通するように位置合わせを行う。最後に、接続箇所を熱圧着により密着させ、薄膜配線１３とワイヤー状電気配線４とを、物理的かつ電気的に接続する。なお、フィルム基板１１上へのヒータ１２と薄膜配線１２の作製には、金属薄膜形成技術とホトリソグラフィー技術を用いる。
　図３Ｄにおいて、上記方法にて作製したフィルム状流量センサ１０の概観を示す。
　本発明のフィルム状流量センサの写真を図４に示す。図４内の上側にはヒータ部分の拡大写真を、そして下側にはフィルム状流量センサ１０の全体の様子を示してある。
　図４には、厚さ数ミクロンの樹脂フィルム上に、クロム（５０ナノメートル）、金（２５０ナノメートル）でヒータ１２と薄膜配線１３とを形成した場合を示してある。なお、図４には、二組のヒータを用いて、配管内の流量とその向きを検出する場合を示したが、用途に応じて、一つのヒータと、その両外に検出用のセンサを設けるという方法もある。この場合には、測定できる流量範囲が狭くなるが、その反面、少ない流量において高精度に流量計測できるという特徴がある。
　次に、本実施の形態の埋め込み型小型流量センサを埋め込みが可能な外径数ミリメートル以下に小型化する手法を図５Ａ－５Ｆに示す。本実施の形態では、熱収縮性樹脂チューブを用いて、フィルム状流量センサ１０を配管内壁に実装し、かつ、その大きさを数ミリメートル以下になるように設計している。以下にその詳細を述べる。
　図５Ａにおいて、先ず、フィルム状流量センサ１０のヒータ１２の両側に熱収縮チューブ５０を挿入する。この場合、熱収縮チューブの大きさは、例えば、内径１．２７ミリメートルと比較的大きく、フィルム状流量センサ１０の両側に熱収縮チューブ５０を挿入できる。
　フィルム状流量センサ１０の両側に熱収縮チューブ５０を挿入したときの断面図を図５Ａの右側に示してある。本手法では、挿入時に、フィルム状流量センサ１０が配管内壁に沿う必要がなく、単に、フィルム状流量センサ１０のヒータ１２の両側に熱収縮チューブ５０を挿入すればよく、容易な操作になっている。なお、ヒータ１２の部分には、熱収縮チューブ５０は設けず、結果、この部分が最終的には熱絶縁用の空洞構造２０になる。
　また、フィルム状流量センサ１０に設けたワイヤー状電気配線４は熱収縮チューブ５０間から外部へ取り出されるようになっている。なお、熱収縮チューブの大きさ及び材質、流量センサの大きさは、適宜、使用条件に応じて決定されることが望ましい。
　図５Ｂにおいて、フィルム状流量センサ１０のヒータ１２の両側に設けた熱収縮チューブ５０に熱を加え、熱収縮チューブ５０を所望の大きさまで収縮させる。このとき、熱収縮チューブ５０の収縮に伴い、フィルム状流量センサ１０の両端部分は自動的に管内壁に沿うように実装される。
　図５Ｃにおいて、再度、熱収縮チューブ５０を用意し、これの中に、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。本チューブには、先ほどのチューブとは異なり、熱収縮チューブ５０の一部に、電気配線を外部に取り出すためのスリット５１が設けられている。
　図５Ｄにおいて、再度、熱を加えて外側の熱収縮チューブ５０を縮小させるとともに、内側のチューブに密着させて、熱絶縁用空洞構造２０を形成する。また、チューブの収縮過程において、電気配線用フィルム部分を挟んだ状態でスリット５１を閉じさせる。
　図５Ｅにおいて、異方性導電性フィルム１５による薄膜配線１２とワイヤー状電気配線４との接続箇所を物理的に保護することを目的として、再度、この接続箇所部分のみを覆うような熱収縮チューブ５０を用意し、先ほどの工程で形成した熱収縮型流量センサチューブを挿入する。
　図５Ｆにおいて、再度、熱を加えて配線接続保護用熱収縮チューブを縮小させるとともに、内側のチューブを密着させて、ワイヤー状電気配線４のみが熱収縮型流量センサチューブからむき出しになった構造にする。
　以上のようなプロセスを用いることで、フレキシブル基板１１上に設けた二組のヒータ１２及び薄膜配線１３が、同一形状で、かつ、薄膜配線１３は流路２１を流れる流体の流れに対して、垂直に配管内から外部に取り出されており、流れの向きが反転した場合でも、二組のヒータ１２と薄膜配線１３とが同一条件で反転した状態になる。これにより、流れの向きに寄らず流量に対するセンサ出力特性を同じになり、結果、呼気吸気などの往復流を正確に計測できるようになる。
　また、異方性導電フィルム１５による薄膜配線１２とワイヤー状電気配線４との接続箇所は、熱収縮チューブ５０に保護され、かつ、ワイヤー状電気配線４のみが熱収縮型流量センサチューブからむき出しになっており、埋め込み型小型流量センサ３を動物の気道に埋め込んだ場合でも、皮膚下においてワイヤー状電気配線４を容易に背の部分に引き回すことができ、かつ、背部から取り出した後も、機械的負荷に対して信頼性の高い配線取出しが可能となる。
　本発明の埋め込み型小型流量センサの実装の様子を図６に示す。上記にて説明したように、ワイヤー状電気配線４のみが熱収縮型流量センサチューブからむき出しになっており、動物の気道に容易に埋め込みができるようになっている。
　次に、本実施の形態の流量センサの入力電力と検出流量との関係例を図７に示す。ヒータ素子自体を流量センサとして用いる場合の流量に対するセンサブリッジ回路への入力電力を図７に示した。図７に示したように、流量に応じて入力電力が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出できる。
　ここで、比較例として、従来の形態の流量センサ（従来センサ）における電気的配線取出し構造と、ヒータ周辺の温度分布と、流量とセンサ出力との関係を図８Ａ－８Ｃに示す。図８Ａは、従来センサにおける電気的配線取出し構造を示す図であり、図８Ｂは、ヒータ周辺の温度分布の概念図と測定結果を示した図であり、図８Ｃは、流量とセンサ出力との関係を示した図である。
　図８Ａに示したように、従来の形態では、ヒータ１１２へ電力を供給する薄膜配線１１３は配管内部にて管の一方向から取り出された構造になっているので、薄膜配線１１３も発熱体になるために、図８Ｂに示したように、ヒータ上での熱分布が非対称となる。
　その結果、図８Ｃに示したように、配管内を流れる流体の向きにより、センサの出力値が異なってしまうという現象が起きていた。これは、ヒータ１１２へ電力を供給する薄膜配線１１３は電気的抵抗値を有しているために、わずかではあるが薄膜配線１１３も発熱体になり、上記のようにヒータ１１２に対して、薄膜配線１１３を配管内の流体の流れ方向から取り出すと、薄膜配線１１３の発熱により、ヒータ１１２上での熱分布が非対称となり、その結果、配管を流れる流体の方向によりセンサの出力特性が変化するからである。
　それに対し、本実施形態の流量センサは上記課題を克服した薄膜配線の構造になっている。本実施形態の流量センサにおける電気的配線取出し構造と、ヒータ周辺の温度分布と、流量とセンサ出力との関係を図９Ａ－９Ｃに示す。図９Ａは、本実施形態における電気的配線取出し構造を示す図であり、図９Ｂは、ヒータ周辺の温度分布の概念図と測定結果を示した図であり、図９Ｃは、流量とセンサ出力との関係を示した図である。
　図９Ａに示したように、本実施形態では、二組のヒータ１２と薄膜配線１３は、何れも同一形状であって、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなすことで、配管内のヒータ１２による熱分布を対称となるように構成し、更に、薄膜配線１３は流路を流れる流体の流れに対して、交差するように配管内から外部に取り出されている。
　これにより、図９Ｂに示したように、ヒータ上での熱分布が対称となり、その結果、図９Ｃに示したように、配管内を流れる流体の向きによらずに、流量に対するセンサ出力特性が同じになり、配管内を流れる流体の往復流を正確に計測できる。
　次に、本実施の形態の埋め込み型小型流量センサを実験動物であるラットに埋め込んだときの実装の様子を図１０Ａ－１０Ｂに示す。
　図１０Ａにおいて、本発明の埋め込み型小型流量センサをラットの気道内に埋め込んだ後の様子を示している。
　図１０Ｂにおいて、埋め込み型小型流量センサを気道内に埋め込んだ後に、ワイヤー状電気配線４は皮膚下でラットの頭部背面まで引き回され、その後、ラットの背の部分にて外界に引き出されている様子を示している。
　本実施の形態の小型流量センサをラットの気道に埋め込んだ後、流量センサで、直接、ラット活動時の気道での呼気吸気特性を評価したときの結果を図１１に示す。この結果は、本発明の埋め込み型小型流量センサ３で実際にラット活動時での気道での呼気吸気が定量的に評価できることを示している。
　上記の図１から図７にて記載した事項は、本流量センサの一例で、その具体的な仕様はいずれも使用目的に応じて変更することが望ましい。また、本センサで対象とする流体は主に気体であり、気体であればどのような種類でも適用できる。なお、血液や尿などの液体や固体流動物の場合にも適用可能である。
　このように本実施の形態では、フィルム基板１１上に形成した二組のヒータ１２と薄膜配線１３は、何れも同一形状で、かつ、薄膜配線１３は流路２１を流れる流体の流れに対して、垂直に配管内から外部に取り出されており、流れの向きが反転した場合でも、二組のヒータ１２と薄膜配線１３とが同一条件で反転した状態になっている。これにより、配管内の流体の流れの向きに寄らずに、流体流量に対するセンサ出力特性を同じになった。
　また、フィルム基板１１に設けた薄膜配線１３の端部には異方性導電フィルム１５を用いてワイヤー状電気配線４が接続されている。これにより、埋め込み型小型流量センサ３をラット（小動物）の気道に埋め込んだ場合でも、皮膚下においてワイヤー状電気配線４を容易に背の部分に引き回すことができ、かつ、背部から取り出した後も、信頼性の高い配線取出しが可能となった。その結果、ワイヤー状電気配線４は、ラットの背部まで引き回された後に、ラットの背部からラットの外部に取り出されるよう構成されている。
　また、フィルム基板１１は配管３０の内壁に沿うように配置されており、これによりセンサ設置に伴う管内での流れの乱れを極限まで低減した。
（その他の実施形態）
　上記実施形態では、ラットの外部から、ワイヤー状電気配線により、薄膜配線１３を介してヒータ１２に電力を供給していたが、ワイヤー状電気配線をアンテナとして使用し、薄膜配線１３上にマイクロ波受信機を装着するようにしてもよい。
　そして、外部からマイクロ波を供給し、アンテナとしてのワイヤー状電気配線でマイクロ波を受信して、マイクロ波受信機で電力に変換し、薄膜配線１３を介してヒータ１２に電力を供給するのである。この場合、マイクロ波受信機及びアンテナとして使用されるワイヤー状電気配線でもって、生体外部と信号の受け渡しが可能となっており、生体の手・足等の作動部位が接触しにくい構成になっている。

Claims (3)

  1. 　ヒータを形成したフレキシブル基材を、媒体が流れる生体内の管状器官に沿うように配置された配管内に実装し、実装されたフレキシブル基材の前記ヒータから発生する熱量が前記媒体に伝達される状態を検出することで、生体内の管状器官内を流れる媒体の流量を測定する流量センサであって、
    　前記フレキシブル基材上に二つ以上形成されたヒータのそれぞれが、同一条件において同一の加熱性能を有した対称構造をなし、かつ、前記各ヒータに前記生体外部から電力を供給する線状部材が、同一条件において同一の加熱性能を有する対称構造をなすことで、前記配管内のヒータ及び線状部材による熱分布が対称となるように構成し、
    　前記複数の線状部材は、前記管状器官内から前記生体外部へ交差するように突出していることを特徴とする生体埋め込み型流量センサ。
  2. 　請求項１に記載の生体埋め込み型流量センサにおいて、
    　前記線状部材のうち生体外部へ突出した部分は、前記生体の作動部位が接触しにくい位置にあることを特徴とする生体埋め込み型流量センサ。
  3. 　請求項２に記載の生体埋め込み型流量センサにおいて、
    　前記生体埋め込み形流量センサが設置される位置が、動物の気管であり、
    　前記線状部材に接続された電気配線部材が、前記動物の背部から動物の外部に取り出されることを特徴とする生体埋め込み型流量センサ。
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