(57)【要約】  圧力感知装置からのデータ収集を管理するシステム及び方法。このシステムは、表面にかけられた圧力の高速測定が可能であり、寝たきりの患者の床擦れの形成を回避する際に有用であり得る。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力感知システム内のｎ個のコンデンサの容量を測定する方法において、前記圧力感知システムは、
複数の線形導体列及び複数の線形導体行を備え、前記列は前記行に平行せず、コンデンサのアレイのそれぞれが行と列との交点に形成され、前記列及び行のそれぞれは、圧縮可能な誘電体シートの反対側に配置され、前記方法は、
既知の交流電圧を前記ｎ個のコンデンサのｎ個の回路に印加するステップであって、前記ｎ個の回路のそれぞれは、その他のｎ−１個のコンデンサに直列接続された前記ｎ個のコンデンサのうちの異なるコンデンサを備え、前記ｎ−１個のコンデンサは並列に相互接続される、印加するステップと、
前記ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定するステップと、
前記既知の電圧及び測定された電流から、各回路の総容量を導出するステップと、
並列に相互接続された前記ｎ個のコンデンサを備えるｎ＋１の回路に既知の交流電圧を印加するステップと、
前記ｎ＋１の回路の交流電流を測定するステップと、
前記ｎ＋１の回路の総容量を導出するステップと、
前記測定値及び既知の値から、前記ｎ個のコンデンサのそれぞれの容量を導出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記既知の交流電圧をｎ個の回路に印加するステップは、
既知の交流電圧を１行と複数の列との間に印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定するステップは、
電流センサを前記複数の列のうちの１つに接続するステップと、
前記複数の列のすべてに対して、前記接続するステップを繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法において、前記複数の列は、前記圧力感知システムの前記線形導体列のすべてを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
圧力感知システム内のパラメータの最終値を予測する方法であって、以下のステップ：
時間の経過に伴う前記パラメータの挙動の数学的モデルを提供するステップであって、前記モデルは、前記パラメータと少なくとも１つの変数との関係を表す式を含む、提供するステップと、
前記パラメータを監視するステップと、
前記パラメータの複数の測定値を時間の経過に伴って取得するステップと、
前記パラメータの前記複数の測定値に基づいて、前記少なくとも１つの変数の値の最良近似セットを計算するステップと、
前記値のセット及び前記式を使用して、前記圧力感知システムにかけられた圧力を特定する際に使用される前記パラメータの予測最終値を特定するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法がさらに、
前記変数の初期値を提供し、
前記パラメータの第１の監視値を取得し、
前記パラメータの前記第１の監視値を最良に近似するように、前記変数の値を調整し、
前記パラメータの第１の予測最終値を計算し、
前記パラメータの次の値を取得し、
前記パラメータの発生した監視値を最良に近似するように、前記変数の値を調整することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法において、前記数学的モデルは指数的関係を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記指数的関係は、
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の形態を有し、式中、ＰＦは前記パラメータの最終値であり、Ｐ０は前記パラメータの初期値であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項５に記載の方法において、前記値の最良近似セットは最乗二乗法を使用して計算されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項５に記載の方法において、前記複数の測定値は１つのメンバを有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
表面に作用する圧力を測定する方法において、
ステップ（ａ）−少なくとも１つの圧力センサを提供するステップと、
ステップ（ｂ）−測定された圧力と前記圧力センサの経時挙動後にモデリングされる時間定数との指数的関係を表す式を得るステップと、
ステップ（ｃ）−時間期間にわたって複数の圧力値を取得するステップと、
ステップ（ｄ）−前記複数の圧力値に基づいて、前記時間定数の最良近似値を計算するステップと、
ステップ（ｅ）−前記式中に前記時間定数値を使用して、圧力の予測最終値を特定するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、ステップ（ａ）は、圧力センサアレイを提供するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、ステップ（ｃ）は、
ステップ（ｃ１）−前記アレイから複数の近傍圧力センサを選択するサブステップと、
ステップ（ｃ２）−前記複数の近傍圧力センサの各メンバから測定される少なくとも１つの圧力値を取得するサブステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記ステップ（ｄ）は、
ステップ（ｄ１）−前記複数の近傍圧力センサからの少なくとも選択された圧力センサの前記時間定数の最良近似値を計算するステップと、
ステップ（ｄ２）−前記選択された圧力センサに計算された前記時間定数値の平均値をとるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
圧力感知システム内の交流電流信号の振幅を監視する方法において、この方法は、
前記交流電流信号の時間期間Ｔ中の複数の電流信号出力を収集し、
前記時間期間Ｔの持続時間中の信号プロファイルを取得し、
最大ピーク電流信号出力を識別し、
最小ピーク電流信号出力を識別し、
前記最大ピーク電流信号出力と前記最小ピーク電流信号出力との電流差を計算して、前記圧力感知システムにかけられた圧力の特定に使用すること
により行われることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法がさらに、前記電流差を係数１／√２で乗算することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、サンプルは離散した時間間隔δｔでとられることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、δｔは、サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔが１よりも大きくなるように、Ｔよりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、前記サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔは、複数のサンプルが各サイクル中にとられるように選択されることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の方法において、前記サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔは１０〜１０００の範囲内であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の方法において、δｔ≒１０−６秒であり、Ｔ≒１０−５秒であることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１５に記載の方法がさらに、電流出力値の許容差レベル外の電流出力値を除外するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
複数のセンサを有する圧力感知システム内の入力信号を増幅する最適利得レベルを選択する方法において、
入力及び出力を有する可変利得増幅器を提供するステップと、
前記増幅器の飽和レベルを特定するステップと、
前記入力信号をサンプリングするステップと、
前記入力信号のピーク値を特定するステップと、
前記飽和レベルと前記ピーク値との比率以下の最適利得レベルを、前記圧力感知システムにかけられた圧力を特定する際に使用するものとして選択するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記入力信号をサンプリングするステップは、アナログ／デジタルコンバータを用いて前記入力信号を処理するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法において、前記入力信号のピーク値を特定するステップは、
前記アナログ／デジタルコンバータからの出力信号の最大値及び出力値を選択するステップと、
前記最大値と前記最小値との差を計算するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２３に記載の方法がさらに、
（ａ）前記複数のセンサのそれぞれの利得レベルを初期化するステップと、
（ｂ）共通の利得レベルを必要とするセンサセットにセンサをまとめるステップと、
（ｃ）各セット内のセンサからアナログ読取値を取得するステップと、
（ｄ）前記関連付けられた利得レベルに従って、各セットの前記センサからの前記アナログ読取値を増幅するステップと、
（ｅ）各センサに必要な新しい利得値を計算するステップと、
（ｆ）ステップ（ｂ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２３に記載の方法がさらに、
前記増幅器の初期利得レベルを選択するステップと、
前記複数のセンサのそれぞれが、アナログ信号を前記可変利得増幅器の入力に送信するステップと、
前記可変利得増幅器が、前記初期利得レベルで前記入力信号を増幅するステップと、
アナログ／デジタルコンバータを用いて前記可変利得増幅器の出力をサンプリングするステップと、
デジタル出力信号を前記アナログ／デジタルコンバータからコントローラユニットに通信することと、
前記コントローラユニットが、前記デジタル出力信号のピークツーピーク値を特定するステップと、
前記コントローラが前記ピークツーピーク値を使用して、前記増幅器に最適な利得レベルを計算するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
複数の線形導体列と複数の線形導体行との交点にそれぞれ形成されたｎ個のコンデンサのアレイを備える感知装置であって、前記列及び行のそれぞれは、圧縮可能な誘電体シートの反対側に配置される、感知装置と、
各コンデンサの容量値を導出し、前記感知装置にかけられた圧力を特定するように構成されたコントローラと、
を備えることを特徴とする圧力感知システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、既知の交流電圧をｎ個の回路に印加するように動作可能であり、前記ｎ個の回路のそれぞれは、並列接続されたｎ−１個のコンデンサの異なるバンクと、前記バンクと直列接続された残りの１つのコンデンサとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２９に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定し、それにより、前記既知の電圧及び測定された電流から、各回路の総容量を導出するようにさらに動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、並列に相互接続されたｎ個のコンデンサを備えるｎ＋１の回路に既知の交流電圧を印加し、前記ｎ＋１回路の交流電流を測定し、それにより、前記ｎ＋１回路の総容量を導出するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項２８に記載のシステムがさらに、少なくとも１つの可変利得増幅器と、少なくとも１つのアナログ／デジタルコンバータとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記可変利得増幅器は、関連付けられた利得レベルで少なくとも１つのアナログ信号を増幅するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項３２に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記アナログ／デジタルコンバータからデジタル出力信号を受信し、関連付けられたアナログ入力信号に最適な利得レベルを計算するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、交流電流信号の時間期間Ｔ中に複数の電流信号出力を収集し、前記時間期間Ｔの持続時間中の信号プロファイルを取得し、最大ピーク電流信号出力を識別し、最小ピーク電流信号出力を識別し、前記最大ピーク電流信号出力と前記最小ピーク電流信号出力との電流差を計算することにより、交流電流信号の振幅を監視するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、前記パラメータと少なくとも１つの変数との関係を表す式を含む、時間の経過に伴って前記パラメータの挙動の数学的モデルを提供し、前記パラメータを監視し、時間の経過に伴う前記パラメータの複数の測定値を取得し、前記パラメータの前記複数の測定値に基づいて前記少なくとも１つの変数の値の最良近似セットを計算し、前記値の最良近似セット及び前記式を使用して、前記パラメータの予測最終値を特定することにより、前記コントローラにより監視されているパラメータの最終値を特定するように動作可能であることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載のシステム及び方法は、圧力感知システム内の圧力センサからの高速で効率的なデータ収集に関する。
【背景技術】
【０００２】
褥瘡性潰瘍等の圧迫創は、一般に圧迫潰瘍又は床擦れとして知られ、軟組織の局所的な領域が、骨で隆起する部分と外面との間で長期間にわたって圧縮される場合に形成される病変である。圧迫潰瘍は体の様々な部位に見られ得、その形成は、軽減されない圧迫、摩擦、剪断力、湿度、及び温度等の要因の組み合わせの影響を受ける。
【０００３】
現在、入院患者の約１０％〜１５％が、常時、床擦れを有すると推定される（出典：Ｍｅｄｉｃａｒｅ  ｗｅｂｓｉｔｅ  ２００９）。しかし、圧迫潰瘍に苦しむのは入院患者だけではなく、例えば、車椅子生活を余儀なくされる人々も、特に骨盤、腰、及び足首に圧迫潰瘍を患いがちである。初期に発見された場合に回避が容易であり、完全に治療可能であるが、床擦れは痛みが強く、治療は難しく、且つ高価である。多くの場合、床擦れは、医療の後援がある場合であっても死に至ることを証明することができる。
【０００４】
圧迫創に対処する最も効果的な方法は、圧迫創の回避である。既存の予防策は、受け身的（例えば、様々な種類のクッション材）又は積極的のいずれかである。
【０００５】
積極的な予防策は、手動又は自動での圧力分散を含む。最も一般的な積極的な予防手法は、２又は３時間毎等に患者の傷つきやすい人体部位から圧力を取り除く厳密な定期的作業を維持することである。そのような定期的作業は、常時医療下で患者に対して維持し得るが、それは困難であり、労働集約的であり、コストがかかる作業であり、介護者による継続監視を必要としない個人のニーズを満たさない。
【０００６】
床擦れに対する別の積極的な予防手法は、動的マットレスを使用することを含み、動的マットレスは、空気セルを交互に膨脹収縮させて、患者に対する支持圧を再分散する。しかし、そのようなマットレスは通常、あまり傷を受けにくい領域からの再分散を含め、患者とは無関係に圧力を分散させ、それにより、不必要に、又はさらには実際には有害なことに、傷を受けやすい部位に高圧がかけられる。
【０００７】
参照により本明細書に援用される、本出願人の同時係属中の国際特許出願である国際公開第２０１０／１１９４４１号パンフレットには、褥瘡性潰瘍又は床擦れを回避する際に使用される圧力感知システムが開示されており、このシステムは、ベッド又は椅子等の表面に載せられた患者の人体部位に与えられる圧力を検出するように構成された複数のセンサを含む感知マットを備える。センサから受信した情報はシステムにより解析され、さらに、センサ読取値に従って警告を発する。
【０００８】
測定センサから正確な値を得ることは、難しいことがある。さらに、例えば、圧力変化に応答して、センサが安定化して静止位置になるまでに時間がかかる場合、測定に長い時間がかかり得る。圧力変化が発生した瞬間から、安定したセンサ読み取りまでに経過する時間は、リアルタイム状況では重大であり得る。センサ読み取りの遅れは、システムによる関連する警告の適時発行を妨げ得る。
【０００９】
この問題は、変化に素早く応答するコストのかかる材料又は技術を使用して回避し得るが、そのような材料は高価であり、償却の影響を過度に受けやすい場合が多い。したがって、複雑な技術の統合は、コストを増大させるとともに、センサに基づくシステムの耐久性を低減し得る。
【発明の概要】
【００１０】
したがって、センサから正確な読取値を適時に得る費用効率的で信頼性の高い方法が必要であることが理解されよう。以下に開示されるシステム及び方法は、この必要性を満たす。
【００１１】
測定されたパラメータを高い信頼性で適時に記録する必要性を満たすために、圧力感知装置からのデータ収集を管理するシステム及び方法が、本明細書に開示される。このシステムは、表面にかけられた圧力の高速測定が可能であり、寝たきりの患者の床擦れの形成を回避する際に有用であり得る。
【００１２】
一実施形態では、圧力感知システムのｎ個のコンデンサの容量を測定する方法が開示される。圧力感知システムは、列が行に平行しない、複数の線形導体列及び複数の線形導体行と、列及び行の交点にそれぞれ形成されたコンデンサのアレイとを備え、列及び行のそれぞれは、圧縮可能な誘電体シートの反対側に配置される。したがって、この方法は、既知の交流電圧をｎ個のコンデンサのｎ個の回路に印加するステップであって、ｎ個の回路のそれぞれは、その他のｎ−１個のコンデンサに直列接続されたｎ個のコンデンサのうちの異なるコンデンサを備え、ｎ−１個のコンデンサは並列に相互接続される、印加するステップと、ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定するステップと、既知の電圧及び測定された電流から各回路の総容量を導出するステップと、既知の交流電圧を、並列に相互接続されたｎ個のコンデンサを備えたｎ＋１の回路に印加するステップと、ｎ＋１の回路の交流電流を測定するステップと、ｎ＋１の回路の総容量を導出するステップと、測定値及び既知の値から、ｎ個のコンデンサのそれぞれの容量を導出するステップと、を含む。
【００１３】
任意選択的に、既知の交流電圧をｎ個の回路に印加するステップは、既知の交流電圧を１行と複数の列との間に印加するステップを含む。適切な場合、ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定するステップは、電流センサを複数の列のうちの１つに接続すること、及び複数の列のすべてに対して、接続するステップを繰り返すことを含む。任意選択的に、複数の例は、圧力感知システムのすべての線形導体列を含む。
【００１４】
別の実施形態では、圧力感知システム内のパラメータの最終値を予測する方法が開示され、この方法は以下のステップを含む：時間の経過に伴うパラメータの挙動の数学的モデルを提供するステップであって、モデルは、パラメータと少なくとも１つの変数との関係を表す式を含む、提供するステップと、パラメータを監視するステップと、時間の経過に伴ってパラメータの複数の測定値を取得するステップと、パラメータの複数の測定値に基づいて、少なくとも１つの変数の値の最良近似セットを計算するステップと、値のセット及び式を使用して、圧力感知システムにかけられた圧力を特定する際に使用するパラメータの予測最終値を特定するステップと、を含む。
【００１５】
任意選択的に、この方法は、変数の初期値を提供するステップと、パラメータの第１の監視値を取得するステップと、パラメータの第１の監視値を最良近似するように、変数の値を調整するステップと、パラメータの第１の予測最終値を計算するステップと、パラメータの次の値を取得するステップと、パラメータの発生した監視値を最良近似するように、変数の値を調整するステップと、をさらに含む。様々に、値の最良近似セットは最小二乗法を使用して計算される。おそらくは、複数の測定値は１つのメンバを有する。
【００１６】
適切な場合、数学的モデルは指数的関係を含む。任意選択的に、指数的関係は、
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の形態を有し、式中、ＰＦはパラメータの最終値であり、Ｐ０はパラメータの初期値である。
【００１７】
したがって、表面に作用する圧力を測定する方法であって、ステップ（ａ）−少なくとも１つの圧力センサを提供するステップと、ステップ（ｂ）−測定された圧力と圧力センサの経時挙動後にモデリングされた時間定数との指数的関係を表す式を得るステップと、ステップ（ｃ）−時間期間にわたって複数の圧力値を取得するステップと、ステップ（ｄ）−複数の圧力値に基づいて、時間定数の最良近似値を計算するステップと、ステップ（ｅ）式中に時間定数値を使用して、圧力の予測最終値を特定するステップと、を含む方法が開示される。適切な場合、ステップ（ａ）は、圧力センサのアレイを提供するステップを含む。
【００１８】
任意選択的に、方法のステップ（ｃ）はサブステップを含む：ステップ（ｃ１）−アレイから複数の近傍圧力センサを選択するサブステップ及びステップ（ｃ２）−複数の近傍圧力センサの各メンバから測定された少なくとも１つの圧力値を取得するサブステップ。
【００１９】
任意選択的に、方法のステップ（ｄ）はサブステップを含む：ステップ（ｄ１）−複数の近傍圧力センサからの少なくとも選択された圧力センサの時間定数の最良近似値を計算するサブステップ及びステップ（ｄ２）−選択された圧力センサの計算された時間定数値の平均値をとるサブステップ。
【００２０】
さらに別の実施形態では、交流電流信号の時間期間Ｔ中の複数の電流信号出力を収集し、時間期間Ｔの持続時間中の信号プロファイルを取得し、最大ピーク電流信号出力を識別し、最小ピーク電流信号出力を識別し、最大ピーク電流信号出力と最小ピーク電流信号出力との電流差を計算し、圧力感知システムにかけられた圧力の特定に使用することにより、圧力感知システム内で交流電流信号の振幅を監視する方法が開示される。任意選択的に、電流差は係数１／√２で乗算し得る。
【００２１】
適切な場合、サンプルが離散した時間間隔δｔでとられる。任意選択的に、サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔが１よりも大きくなるように、δｔはＴよりも小さい。したがって、サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔは、複数のサンプルが各サイクルでとられるように選択し得る。特定の実施形態では、サイクルとサンプルとの比率Ｔ／δｔは１０〜１０００の範囲内であり、おそらくはδｔ≒１０−６秒であり、Ｔ≒１０−５秒である。任意選択的に、この方法は、電流出力値の許容値レベル外の電流出力値を除外し得る。
【００２２】
別の実施形態では、複数のセンサを有する圧力感知システム内で入力信号を増幅する最適な利得レベルを選択する方法が開示され、この方法は、入力及び出力を有する可変利得増幅器を提供するステップと、増幅器の飽和レベルを特定するステップと、入力信号をサンプリングするステップと、入力信号のピーク値を特定するステップと、飽和レベルとピーク値との比率以下の最適な利得レベルを選択して、圧力感知システムにかけられた圧力の特定に使用するステップと、を含む。任意選択的に、入力信号をサンプリングするステップは、アナログ／デジタルコンバータを用いて入力信号を処理することを含む。
【００２３】
適切な場合、入力信号のピーク値を特定するステップは、アナログ／デジタルコンバータから、出力信号の最大値及び出力値を選択するステップと、並びに最大値と最小値との差を計算するステップと、を含む。
【００２４】
したがって、この方法は、（ａ）複数のセンサのそれぞれの利得レベルを初期化するステップと、（ｂ）共通の利得レベルを必要とするセンサをセンサセットにまとめるステップと、（ｃ）各セット内のセンサからアナログ読取値を取得するステップと、（ｄ）関連付けられた利得レベルに従って各セットのセンサからのアナログ読取値を増幅するステップと、（ｅ）各センサに要求される新しい利得値を計算するステップと、及び（ｆ）ステップ（ｂ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、をさらに含み得る。
【００２５】
任意選択的に、この方法は、増幅器の初期利得レベルを選択するステップと、複数のセンサのそれぞれがアナログ信号を可変利得増幅器の入力に送信するステップと、可変利得増幅器が、初期利得レベルで入力信号を増幅するステップと、アナログ／デジタルコンバータを用いて可変利得増幅器の出力をサンプリングするステップと、デジタル出力信号をアナログ／デジタルコンバータからコントローラユニットに通信するステップと、コントローラユニットは、デジタル出力信号のピークツーピーク値を特定するステップと、コントローラがピークツーピーク値を使用して、増幅器の最適な利得レベルを計算することをさらに含む。
【００２６】
別の実施形態によれば、複数の線形導体列及び複数の線形導体行の交点にそれぞれ形成されるコンデンサのアレイを備えた感知装置であって、列及び行のそれぞれは圧縮可能な誘導体シートの反対側に配置される、感知装置と、各コンデンサの容量値を導出し、感知装置にかけられた圧力を特定するように構成されたコントローラとを備える圧力感知システムが開示される。
【００２７】
任意選択的に、コントローラは、既知の交流電圧をｎ個の回路に印加するように動作可能であり得、ｎ個の回路のそれぞれは、並列接続されたｎ−１個のコンデンサの異なるバンクと、バンクに直列接続された１つの残りのコンデンサとを備える。
【００２８】
適切な場合、コントローラは、ｎ個の回路のそれぞれの交流電流を測定し、それにより、既知の電圧及び測定された電流から各回路の総容量を導出するようにさらに動作可能である。したがって、コントローラは、既知の交流電圧を、並列に相互接続されたｎ個のコンデンサを備えるｎ＋１の回路に印加し、ｎ＋１の回路の交流電流を測定し、それにより、ｎ＋１の回路の総容量を導出するように動作可能であり得る。
【００２９】
追加又は代替として、コントローラは、少なくとも１つの可変利得増幅器と、少なくとも１つのアナログ／デジタルコンバータとを備え得る。任意選択的に、可変利得増幅器は、関連付けられた利得レベルで少なくとも１つのアナログ信号を増幅するように動作可能である。したがって、コントローラは、アナログ／デジタルコンバータからデジタル出力信号を受信し、関連付けられたアナログ入力信号の最適な利得レベルを計算するように動作可能であり得る。
【００３０】
任意選択的に、コントローラは、交流電流信号の時間期間Ｔ中に複数の電流信号出力を収集し、時間期間Ｔの持続時間の信号プロファイルを取得し、最大ピーク電流信号出力を識別し、最小ピーク電流信号出力を識別し、最大ピーク電流信号出力と最小ピーク電流信号出力との電流差を計算するように動作可能である。
【００３１】
適切な場合、コントローラは、パラメータと少なくとも１つの変数との関係を表す式を含む、時間の経過に伴うパラメータの挙動の数学的モデルを提供し、パラメータを監視し、例として時間の経過に伴ってパラメータの複数の測定値を取得し、パラメータの複数の測定値に基づいて、少なくとも１つの変数の値の最良近似セットを計算し、値の最良近似セット及び式を使用して、パラメータの予測最終値を特定することにより、コントローラにより監視されているパラメータの最終値を特定するように動作可能であり得る。
【００３２】
本発明をよりよく理解し、本発明をいかに実施し得るかを示すために、これより、純粋に例として添付図面を参照する。
【００３３】
これより、特に図面を詳細に参照して、示される詳細が例として、本発明の実施形態の説明のための考察のためのものであり、本発明の原理及び概念的側面の最も有用且つ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されることが強調される。この点に関して、本発明の構造的な詳細を、本発明の基本的な理解に必要な詳細の程度を越えて詳細に示そうとはせず、図面と共に解釈される説明は、本発明のいくつかの形態を実際にどのように具現し得るかを当業者に対して明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】図１ａは、圧力検出マットの実施形態の様々な等角投影を示す。
【図１ｂ】図１ｂは、圧力検出マットの実施形態の様々な等角投影を示す。
【図１ｃ】図１ｃは、圧力検出マットの実施形態の様々な等角投影を示す。
【図１ｄ】図１ｄは、圧力検出マットの実施形態の様々な等角投影を示す。
【図２】図２は、単一センサの実施形態の断面を示す。
【図３ａ】図３ａは、１つのコンデンサが、並列接続されたコンデンサのアレイに直列接続されたコンデンサ群から総容量を測定する回路を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、並列接続されたコンデンサ群から総容量を測定する回路を示す。
【図４ａ】図４ａは、圧力センサを通って流れる交流電流に応答する電流の経時変化を表すグラフである。
【図４ｂ】図４ｂは、圧力センサに与えられる圧力の変化に応答する電流変化を表すグラフである。
【図５】図５は、単一のＡＣサイクルの時間期間Ｔにわたる複数の信号読取値を示す。
【図６】図６は、複数の信号読取値から得られたＡＣプロファイルを示す。
【図７】図７は、ＡＣサイクル過程中の交流電流の振幅を特定する方法のフローチャートを示す。
【図８ａ】図８ａは、圧力センサに関連付けられたセンサ応答の可能な数学的モデルを示すグラフを示す。
【図８ｂ】図８ｂは、圧力センサに関連付けられたセンサ応答の可能な数学的モデルを示すグラフを示す。
【図８ｃ】図８ｃは、圧力センサに関連付けられたセンサ応答の可能な数学的モデルを示すグラフを示す。
【図９】図９は、パラメータの最終値を予測するために使用される方法のフローチャートを示す。
【図１０】図１０は、表面に作用する圧力の測定に関連する予測方法の特定の実施形態を示す。
【図１１】図１０は、センサマトリクスの概略表現である。
【図１２】図１２は、広範囲のアナログ信号の高速測定方法に使用される構成要素を表すブロック図である。
【図１３】図１３は、広範囲のアナログ信号の高速測定方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
必要事項として、本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示するが、開示される実施形態が本発明の単なる例示であり、本発明を様々な代替の形態で具現し得ることを理解されたい。図は必ずしも一定の縮尺ではなく、特徴によっては、特定の構成要素の詳細を示すために誇張又は最小化されているものがある。したがって、本明細書に開示される特定の構造及び機能の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に、本発明を様々に利用することを当業者に教示する代表的な基本として解釈されるべきである。
【００３６】
例えば、患者にかけられた圧力を監視して、圧迫創の形成を回避すること目的としたフィードバックを提供するために使用し得る検出システム及び方法を以下に説明する。
【００３７】
圧力感知システムは、第１の導電層と第２の導電層との間に挟まれた絶縁材料層を備えた圧力検出マットを含む。各導電層は、平行する導電材料条片を含み得る。そのようなシステムは、本出願人の同時係属中の国際特許出願である国際公開第２０１０／１１９４４１号パンフレットに記載されており、この特許出願を参照により本明細書に援用する。
【００３８】
国際公開第２０１０／１１９４４１号パンフレットには、椅子又はベッドマットレス下のシートと、横たわった患者の体との間に配置して、患者にかけられる圧力を監視し得る圧力感知マットが開示されている。圧力感知マットの出力を使用して、圧迫創が形成される危険性を示し得る。
【００３９】
これより、マトリクスの形態に配置された複数のセンサ２１０を備える圧力検出マット２００の実施形態の等角投影を示す図１ａを参照する。マットは、絶縁材料の絶縁層２３０で隔てられた２つの導電材料層２２０ａ、２２０ｂを含み得る。各導電層は平行する導電条片２２２、２２４を備え得、２つの導電層は、一方の導電層では条片が水平２２２であり、他方の導電層では条片が垂直２２４であるように、直交するように配置される。各条片は制御ユニットに配線され、安全な低電圧源により動作可能であり得る。
【００４０】
容量センサは、水平導電条片との垂直導電条片との各「交点」に重なる導電条片の部分間の容量に基づく。これらの容量センサは、容量センサの表面の任意の箇所への圧力により、２つの導電層の間隔が変化し、ひいては交点の容量が変化するように構成される。駆動ユニットは、電位を垂直条片に選択的に提供し得、重複部分の容量センサを特定し得るように、水平条片での電位を監視し得る。
【００４１】
各センサを両端とする振動電位を提供し、それにより生成される交流電流を監視することにより、交点のインピーダンスを計算し、交点の容量を特定し得ることに留意する。したがって、センサの機械的特性が既知の場合、センサにかけられる圧力を推測し得る。
【００４２】
マットは、追加の要因、特に、温度、湿度等の床擦れの形成に影響する追加の要因を監視するように構成された追加のセンサをさらに含み得る。そのような追加のセンサは適宜、要因を連続又は断続的に監視して、要因の高リスクの組み合わせを検出するように構成し得る。そのような測定は、さらに解析するために記録し、データベースに記憶し得る。
【００４３】
圧力検出マットの特定の実施形態では、材料は、導電層及び絶縁層が可撓性を有するように選択される。絶縁材料は、圧縮可能なスポンジ様、ふんわりとした、又は多孔性材料（例えば、発泡体）であり得、圧力が印加された場合に密度を大きく変化させ得る。
【００４４】
圧力検出マット２００又は感知マットは、標準のベッドシートに使用されるような他の材料層２４０ａ、２４０ｂの下に配置し得、又はそのような材料層と一体的に配置し得る。そのような追加の材料が、特定の用途に要求され得るようなさらなる特性を与え得ることが理解されよう。一実施形態では、センサの導電材料は、絶縁耐水性の呼吸するカバーマットで包むことができ、マットに横たわる患者の不快さを最小限に抑えることができる。
【００４５】
これより、圧力検出マットの様々な実施形態の様々な部分を示す図１ｂ〜図１ｄを参照すると、導電層２２０（図１ａ）は様々な基板で支持し得る。例えば、図１ｂは、絶縁層２３０に直接接着された２つの導電層２２２０ａ、２２２０ｂを示す。或いは、図１ｃに示されるように、導電層３２２０ａ、３２２０ｂは、例えば、ＴＰＵ等の別個の基板３２１０ａ、３２１０ｂで支持し得、絶縁層２３０はそれらの間に挟まれる。さらに別の実施形態では、図１ｄに示されるように、導電層４２２０ａ、４２２０ｂ自体はそれぞれ、２つの基板４２１２ａ、４２１４ａ、４２１２ｂ、４２１４ｂのそれぞれに挟まれる。
【００４６】
これより、単一センサノード３００の実施形態の断面を示す図２を参照する。この実施形態では、センサは、導電条片３１０ａ、３１０ｂの２つの層と、それらの間の絶縁材料の絶縁層３２０とで構成されるコンデンサである。センサの任意の箇所を押下すると、絶縁層３２０が圧縮されて、導電条片間の距離が変化し、それにより、コンデンサの容量が変化する。
【００４７】
センサ行から安定したインピーダンス読み取りを得るために、センサから読み取りを行っている間の患者の動きがわずかであるか、又は動きがないことが好ましいことが理解されよう。したがって、特定の実施形態によれば、読み取りにかかる時間は、約数十ミリ秒又は約数百ミリ秒であり得、その間、患者の動きは一般にわずかである。患者が大方不動である用途では、必要に応じてより長い読み取り時間の使用が望ましいことがさらに理解されよう。
【００４８】
容量測定
第１の導電層の平行条片と第２の導電層の平行条片とは、ノードと呼ばれる複数の交点で重なる。第１の導電層及び第２の導電層は、第１の導電層の平行条片が第２の導電層の平行条片に直交して配置されるように構成し得るが、他の実施形態は他の様々な相対的な向きを有する。ノードは容量センサを形成する。
【００４９】
ノードのマトリクスを使用して容量値を読み取ることにより、各ノードに単一のコンデンサを使用する場合に必要な数と比較して、必要なワイヤの数が低減する。しかし、マトリクスを使用する場合、測定される行又は列のすべてのノードでの読み取りは相互に依存し、干渉する漂遊容量に繋がり得る。したがって、通常、容量測定の何らかの種類の較正が必要である。
【００５０】
本明細書に開示される方法及びシステムは、各行の基準コンデンサの追加を必要としない。したがって、現在開示されているシステムは、米国特許出願公開第２００９／０２１６４６６号明細書においてＡｌｔｍａｎ等に記載されるシステムよりも単純で高速且つ費用効率的である。
【００５１】
コンデンサのラインは、並列接続されたコンデンサ群を構成し得、その場合、行の総容量は行中のコンデンサの容量の総和である。或いは、コンデンサは直列接続し得、その場合、ｎ個のコンデンサの総容量は、
2013522588.tif 000004
になる。
【００５２】
交流電流（ＡＣ）が流れるコンデンサＣを有する回路は、以下の二乗平均平方根電流Ｉａｃ：
2013522588.tif 000005
を有する。
【００５３】
式中、ｆは交流電流の周波数であり、ＶａｃはＡＣ電圧の二乗平均平方根である。
【００５４】
したがって、容量は、
2013522588.tif 000006
である。
【００５５】
所与のＡＣ周波数ｆのＶａｃ、Ｉａｃを監視することにより、容量を特定し得る。
【００５６】
図３ａは、電流センサと共に回路に配置されたｎ個のコンデンサＣ１−ｎを示す。漂遊容量ＣＳがない場合、ｎ個のコンデンサのそれぞれの容量は、示されるように電圧Ｖを印加し、電流を測定することにより特定し得る。回路の総容量ＣＴは、漂遊容量がない場合、
2013522588.tif 000007
である。
【００５７】
上記等であるが、それぞれが異なる測定ＣＴを有するｎ個の式が、すべてのコンデンサの容量の特定に十分である。したがって、電流測定をｎ個の回路のそれぞれで行い、各回路では、ｎ個のコンデンサのうちの異なるコンデンサが順に、その他のすべてのコンデンサの並列アレイとの直列接続に選択される。
【００５８】
実際には、漂遊容量が考慮すべき要因である場合には、容量の相対値は特定することができるが、そのようなｎ個の式は、絶対容量値を得るには不十分である。
【００５９】
本発明を理論に限定することを望まずに、漂遊容量が回路の総容量に大きく寄与するものであり、それにより、総容量計算に影響し得ることが生じ得る。絶対容量値を見つけるために、既知の値の基準コンデンサを追加し得るが、この手法は望ましくない場合がある。
【００６０】
驚くことに、図３ｂに示される追加の回路からの総容量の測定により、大きな漂遊容量が存在する場合に容量の測定に基準コンデンサの必要性がなくなることが発見された。図３ｂの回路の総容量は、追加の式：
2013522588.tif 000008
により与えられる。
【００６１】
これは、基準の使用を矯正せずに、絶対容量値の計算に使用し得る追加の式を提供する。
【００６２】
マッピングは、負荷のかかっていない（すなわち、圧力なし、患者が圧力をマットにかけていない）マットの各行の総容量を測定して、圧力−容量関係を較正することをさらに含み得る。
【００６３】
代替又は追加として、システムの較正は、各行に「標準」の重い負荷をかけ、それに付随して各行の総容量を測定することをさらに含み得る。
【００６４】
圧力のマッピングは、少なくとも患者がマット上にいる限り、同じアレイから時間の経過に伴って連続して、又は繰り返して容量をマッピングすることをさらに含み得る。圧力の分布の動力学を監視し、解析し得、例えば、医療関係者がノードでの圧力の変化又は変化率の測定結果を使用して、問題のある領域の識別、予測、若しくは回避或いは進行及び改善に役立て得る。
【００６５】
実施形態は一般に、介護者又は能動的システムに、床擦れの形成又は進行に繋がり得る、圧力分布の表示と、マット上の患者の人体部位にかけられた進行中の圧力、累積圧力とを提供する。介護者又は能動的システムは、次に、適切な処置をとり得る。システムの実施形態は、患者の治療ルーチンの進行中の解析及び記録に使用することもできる。
【００６６】
データ解析及び表示
ソフトウェアアプリケーションを使用して、少なくとも１つのデータ記憶ユニットからデータを検索し、様々な目的でそのデータを解析し、解析結果を様々な形式でユーザに表示し得る。ソフトウェアアプリケーションは、隣接するピクセルにより検出された相対圧力の比較による剪断力の指示の解析、１つ又は複数の圧力検出マットで異なるセンサにより検出された圧力の提示、及び患者が特定の人体部位に圧迫創を形成しやすいことのユーザへの警告等であるが、これらに限定されない特徴をさらに含み得る。
【００６７】
組織破壊により生じる外傷は、時間の経過に伴って圧迫創に発展し得る。剪断力は、そのような組織破壊の一般的な原因である。ソフトウェアをさらに使用して、圧力検出マットから受信したデータを解析し、剪断力が患者の人体部位にかけられているか否かを判断し得る。患者がマットに横たわっている場合、２つの隣接するセンサは、おおよそ同様の圧力レベルを測定すると予期される。横たわっていない場合、ソフトウェアは、患者が感知マット上でスライドしており、剪断力が患者の体にかけられており、組織破壊が生じるおそれがあると推測する。
【００６８】
圧力検出マットから解析されたデータは、介護者、看護師、有人監視ステーション、患者の友人若しくは家族、患者自身、又は任意の妥当な関係者のうちの少なくとも１つに提示し得る。データの提示に使用されるディスプレイユニットは、限定ではなく例として、コンピュータスクリーン、ラップトップ、ＰＤＡ、セルラ電話スクリーン、プリントシート、及び一体型ＬＣＤスクリーン（例えば、ＴＦＴ、タッチスクリーン）のうちの１つ又は複数であり得る。
【００６９】
データを２つ以上のモニタ、例えば、患者の家族と雇われている介護者との両者に表示することは、患者が介護者から適切なケアを受けていることの検証を支援し得る。データを患者自身に表示することは、部分的に動かすことができる対麻痺患者に特に有用である。例えば、下半身が麻痺し、車椅子に乗った患者は、圧迫創が腹部に形成中であることを感知できない場合がある。しかし、圧迫創回避システムを使用すると、患者は、腹部が通常横たわる箇所に累積圧力が検出されたとの通知を受け取ることができる。その場合、患者は、両手を車椅子のアームレストに寄りかかせて、腹部を車椅子の座席から数秒間、浮かせて、敏感なエリアの圧力を取り除くことができる。
【００７０】
データ表示は警告を含み得る。警告は、音声、視覚的、触覚的等であり得る。警告の提示は、患者自身の「ローカル（local、近く）」であってもよく、又は家族若しくは監視ステーションの看護師等であるが、これらに限定されない患者の世話を任された１人又は複数のユーザに提示される場合、「リモート（remote、遠く）」であってもよい。
【００７１】
システムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）又は要件に合った他の追跡技術を使用して、システムの場所に関するデータを送信可能な構成要素を含むようにさらに構成し得る。例えば、圧迫創形成警告等のデータを、システムの位置と共に有人監視ステーションに送信し得る。この能力は、例えば、データが、車椅子を使用して、病院、養護施設、又は別の介護環境内で移動可能な複数の患者を任せられた介護者に送信される場合、有用であり得る。この情報は、介護施設内の患者が介護施設内に存在し、適切な世話を受けていることを見つけるに当たって介護者を支援することができる。
【００７２】
上述されたシステムが、他の中でも特に、救急処置施設、回復期施設、長期治療施設、ホームケア環境、ホスピス、介護施設、介護付き住宅等のケア施設で特に有用であり得ることが理解されよう。さらに、同様のシステムを、ホテル、車両シート、乗客シート、航空機シート、長距離飛行シート等の他の環境で使用するように構成することもできる。
【００７３】
高速ＡＣサンプリング
センサからの容量測定は、圧力読取値に変換される。センサから受信した情報は、システムにより解析され、システムは、センサ読取値に従って警告をさらに発する。
【００７４】
再び式［２］を参照すると、そのような容量センサで使用されるような交流電流測定は、交流電流の振幅測定に従って特定し得る。交流電流の振幅を特定する様々な方法を使用し得る。例えば、一手法は、交流電流から直流に整流し、交流電流の代わりに直流電流を測定することである。別の手法は、抵抗を追加し、抵抗から生じる熱を測定するか、又はアナログ信号を一連の事前定義された電圧基準と比較し、電圧値を表す各デジタル信号を返すアナログ／デジタルコンバータを追加することである。
【００７５】
これらの既知の方法は、交流電流振幅の正確な読取値を得るために、２つ以上のＡＣ信号サイクルを必要とし得る。これは、連続測定が必要な場合、又は交流電流振幅が比較的高速で変化する場合、選択肢ではないことがある。
【００７６】
マトリクスに配置された圧力検出センサを備えた、上述したような感知マットでの使用に適用可能であり得る交流電流（ＡＣ）信号振幅の高速測定の方法の実施形態が、本明細書に開示される。後述する高速測定方法が、高速ＡＣ記録が必要な他のシステムにも適用可能なことが理解されよう。
【００７７】
感知マット実施形態によれば、各圧力検出センサは、導電材料層間の容量を監視する。絶縁材料層が、２つの導電材料層の間に挟まれる。各センサは、センサの表面の任意の箇所を押下すると、２つの導電層の間隔が変化し、ひいてはセンサの容量が変化するように構成される。
【００７８】
絶縁材料は、圧縮可能、スポンジ様、ふんわりとした、又は多孔性材料（例えば、発泡体）であり得、圧力が印加された場合に密度を大きく変化させ得る。センサに与えられた圧力は、２つの導電層間の距離に影響し、ひいてはセンサの容量を変化させる。したがって、そのようなセンサを通って流れる交流電流の振幅を測定することにより、センサの容量を計算し、計算された容量から、そのセンサに与えられた圧力を推測することができる。
【００７９】
ＡＣ電流の振幅は回路のインピーダンスに依存する。容量とインピーダンスとの間には、逆の関係がある。圧力がセンサに与えられるにつれて、コンデンサのプレートが押されて一緒により近くなり、容量を増大させる。それに応答して、電流の振幅は増大する傾向がある。増大した振幅は、例えば、後述するように、ＡＣ振幅を監視することにより測定し得る。電流信号の変化の識別が早いほど、センサの応答時間は短くなる。
【００８０】
応答時間の持続時間にわたるセンサ交流電流読取値の変動を数学的にモデリングし得ることにさらに留意されたい。例えば、大きな圧力変化がない場合、ＡＣ電流信号値は図４ａに示されるようなものであり得、図４ａは、圧力センサを通って流れる交流電流に応答する、時間の経過に伴う電流変化を表すグラフを示す。
【００８１】
ＡＣサイクルにわたる電流の変動を示す図４ａのグラフを参照すると、グラフは、固定振幅を有する比較的一貫したＡＣ信号を表す。このプロファイルは、圧力変化がサイクル中に生じない場合に、センサにより測定される電流を表し得る。グラフ中、Ｔは単一のＡＣサイクルの時間期間を表し、Ｉｐｅａｋは最大電流読取値を表し、−Ｉｐｅａｋは最小電流読取値を表す。
【００８２】
センサにかけられる圧力レベルが変化すると、センサの容量がそれに従って変化し、それに伴ってＡＣ信号振幅が変化する。これは図４ｂにグラフで表される。図４ｂのグラフを参照すると、変化の瞬間Ｔｃｈａｎｇｅ、ＡＣ信号振幅は小さくなる。したがって、ＡＣ信号振幅のピーク値（最小及び最大電流読取値）が変化する。このサンプルでは、変化の瞬間Ｔｃｈａｎｇｅ後の電流読取値の絶対ピーク値が、Ｔｃｈａｎｇｅ前に測定されるものよりも大幅に低く、したがって、｜Ｉｐｅａｋ２｜＜｜Ｉｐｅａｋ１｜であることに留意する。
【００８３】
上述したように、標準の測定技法を使用して、交流電流振幅の正確な読取値を取得するためには、２つ以上のサイクルが必要であり得る。感知マットセンサ等、これが選択肢である場合、圧力変化は、交流電流振幅に比較的高速で影響し得る。一実施形態では、後述する方法は、単一サイクル内であっても、短い応答時間で交流電流の振幅を特定し得る。
【００８４】
この方法は、１つ又は複数の交流電流サイクル中にとられる複数の電流信号サンプルに基づく。時間間隔Ｔは、本明細書では、単一ＡＣサイクルの時間期間と呼称される。
【００８５】
ＡＣ信号サンプルは、限定ではなく例えとして、高速アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を使用して取得し得る。ＡＣ信号サンプルは、様々な周波数で取得し得る。例えば、ＡＣ信号は、１００ｋＨｚの速度で流れ得、電流信号サンプルは３ＭＨｚの速度で取得し得、したがって、１つのＡＣサイクル内で３０個の電流サンプルを取得し得る。
【００８６】
サンプルは一般に、固定間隔δｔで収集される。したがって、サイクルとサンプルとの比率はＴ／δｔである。本明細書で説明する高速ＡＣ電流モニタの実施形態によれば、サイクルとサンプルとの比率は大きくなり得る。いくつかの実施形態では、サイクルとサンプルとの比率は、１０〜１０００の範囲内であり得るが、本明細書で概説する変動電流をサンプリングする要件に合うように、他の値を選択してもよい。
【００８７】
図５は、単一のＡＣサイクルの時間期間Ｔにわたる複数の信号読取値を示す。そのような信号サンプル読取値を解析して、図６に示されるような信号プロファイルを取得し得る。すべてのＡＣ信号表現が図６に示されるように平滑に見えるわけではないことが理解されよう。さらに、場合によっては、許容差レベル外にある極値を有する離散サンプルは、信号プロファイルを作成するために破棄し得る。
【００８８】
電流レベルは、プロファイルの最小電流Ｉｍａｘ及び最大電流Ｉｍｉｎを識別することにより特定し得る。これらのピーク値Ｉｍａｘ、Ｉｍｉｎの電流差を計算することにより、ＡＣ信号の振幅を識別し得る。
【００８９】
感知マットの圧力センサという特定の場合、振幅が特定されると、任意選択的に本明細書に記載の技法を使用して、センサの容量を計算することができ、センサに与えられた圧力を推定することができる。
【００９０】
ここで図７を参照し、図７は、１つ又は複数のＡＣ信号サイクルの過程中の交流電流の振幅を特定する方法のフローチャートを示す。
【００９１】
フローチャートは、ＡＣサイクルの時間期間中に複数の電流信号出力をサンプリングし、その時間期間の持続時間中のＡＣ信号プロファイルを取得することを示す。任意選択的に、いくつかの範囲外の値は、読取値に従って信号プロファイルを特定する前に破棄される。
【００９２】
この方法は、恐らくは外挿、選択等を使用して、信号出力の最小ピーク値及び最大ピーク値を識別することに続く。これらは、最小ピーク値と最大ピーク値との電流差を計算して、ＡＣ信号の振幅を特定する際に使用し得る。
【００９３】
絶対電流値が必要な場合、ピークツーピーク値を√２で除算することにより、二乗平均平方根（ＲＭＳ）をとり得ることがさらに理解されよう。
【００９４】
最終値予測
センサから高速データを取得するために使用し得るさらなる技法を、長い応答時間でセンサに適用し得る。この技法は、初期値の小さなサンプルからパラメータの最終値を予測することを含み得る。この技法を、上述したような、マトリクスに配置し得る圧力検出センサを備えた感知マットの例の参照を通して示す。
【００９５】
感知マット実施形態によれば、各圧力検出センサは、導電材料層間の容量を監視する。絶縁材料層が、２つの導電材料層に挟まれる。各センサは、センサの表面の任意の箇所を押下すると、２つの導電層の間隔が変化し、ひいてはセンサの容量が変化するように構成される。
【００９６】
絶縁材料は、圧縮可能、スポンジ様、ふんわりとした、又は多孔性材料（例えば、発泡体）であり得、圧力が印加された場合に密度を大きく変化させ得る。一実施形態では、絶縁材料の圧力への応答は連続しており、センサからの圧力読取値が最終値で安定化するまでに長い応答時間が必要であり得る。
【００９７】
応答時間の持続時間にわたるセンサ読取値の変動を数学的にモデリングし得ることに留意する。例えば、スポンジに基づく圧力センサの応答は指数的に変動すると予期し得る。応答変動の数学的モデルを使用して、センサ読取値の予期される最終値を予測し得ることは、本明細書に記載の実施形態の特定の特徴である。
【００９８】
図８ａをこれより参照すると、上述したような圧力センサに関連付けられたセンサ応答の可能な指数的モデルを示すグラフが提示される。Ｘ軸は経過時間を表し、Ｙ軸はセンサの圧力読取値を表す。グラフは、時間ｔ０での圧力変化に応答して圧力センサにより記録される予期される圧力読取値を示す。
【００９９】
パラメータ挙動のモデルは、圧力応答等のパラメータの挙動と、圧力変化が生じた瞬間からの経過時間との関係を表す数式により提供し得る。典型的な式は、指数的関係を含み得、限定ではなく例として、
2013522588.tif 000009
であり得、式中、
ｔ０は、圧力変化が生じた時間を表し、
Ｐ０は、時間ｔ０での圧力読取値を表し、
ｔは、サンプル読み取りが行われた時間を表し、
Ｐは、時間ｔでのセンサからの圧力読取値を表し、
ＰＦは、推定最終圧力読取値を表し、
Ｔは、特定のセンサの時間定数を表す。
【０１００】
上記式により、ユーザ、コンピュータ、又は他の何らかの計算装置は、時間ｔ及びｔ０のそれぞれでの特定の値のＴ並びに圧力読取値Ｐ及びＰ０での、最終圧力読取値ＰＦの値を予測することができ得る。Ｔの値は、必要に応じて測定又は推定により取得し得る。
【０１０１】
数学的モデルは、１つ又は複数の変数の変化に応答するパラメータの挙動を反映し得る。圧力センササンプルでは、モデルは、圧力読み取りパラメータが時間の経過に伴っていかに挙動するかを示し、或いは、より複雑な数式を使用して、２つ以上の変数に応答して圧力読取値がいかに挙動するかをモデリングし得る。例えば、温度、周囲圧力、湿度等の経時変化に応答する圧力読み取りパラメータの挙動を予測するモデルを作成し得る。
【０１０２】
要件に従って、ユーザ又は制御システムは空気温度変化等の変数値を制御し得る。或いは、事前定義された事象からの経過時間等のいくつかの変数は制御することができず、測定し得る。
【０１０３】
図８ａ〜図８ｃに表される一連のグラフは、数学的モデルをいかに特定し、時間の経過に伴って実際に記録された値に合うようにいかに調整し得るかを示す。特に図８ａを参照して、初期圧力読取値Ｐ０は、時間ｔ０においてセンサにより記録される。
【０１０４】
上述したような式をまず、時間一定変数の第１の推定値Ｔを使用して特定し得る。第１の推定値は、記録された最後のサンプルセットに基づく値の計算、較正若しくは初期化手順中の時間定数値の計算、又は製造業者の推奨値の使用等のいくつかの方法を使用して選択し得る。
【０１０５】
時間定数Ｔの第１の推定値を使用して、圧力読取値Ｐｔ０の第１の予測最終値を計算し得る。初期モデルは、初期予測線１０により図８ａのグラフに表される。
【０１０６】
これより図８ｂを参照すると、２つのサンプルが記録された後の第２のグラフが表される。２つのサンプルを使用して、例えば、最小二乗法等の何らかの近似技法を使用して、時間一定変数Ｔの値の更新推定を提供し得る。新しい推定時間一定変数Ｔを使用して、圧力読取値Ｐｔ１の更新された予測最終値を計算し得る。更新されたモデルは、更新された予測線２０で図８ｂのグラフに表される。
【０１０７】
図８ｃのグラフは、複数の記録に続く更新されたさらなる数学的モデルを示す。複数の記録された圧力値を使用して、時間一定変数Ｔのよりよい推定を生成することができ、それにより、圧力読取値Ｐｆ２の改良された予測最終値を計算し得ることに留意する。これは、最良近似線３０により図８ｃのグラフに表される。パラメータの予測挙動から大きくばらつく記録値２ａ、２ｂを推定計算から破棄し得ることに留意する。
【０１０８】
すべての予測グラフ１０、２０、及び３０がすべて数式：
2013522588.tif 000010
に従うことに留意する。３本の線の差は、各モデルに使用される時間定数Ｔの推定が異なることになる。
【０１０９】
これより、パラメータの最終値を予測する方法の主要ステップを表す図９のフローチャートを参照する。
【０１１０】
方法は、時間の経過に伴うパラメータの挙動に数学的モデル９０２を提供するステップ９０２で開始される。例えば、感知マットの単一の圧力検出センサにより時間の経過に伴って測定された圧力読取値（通常、水銀ｍｍ単位）間の関係を表す数学的モデルを提供すること。
【０１１１】
方法を単一のセンサに適用することにより、マルチセンサシステム内の各圧力センサに予測値を取得可能なことに留意する。方法をマルチセンサシステム内の複数のセンサに適用することにより、圧力感知マットは高速測定を得ることが可能であり得る。
【０１１２】
手順は、パラメータを監視するステップ９０４と、パラメータの測定値セットを取得するステップ９０６とに続く。パラメータの測定値セットを使用して、例えば、最終的な読取値測定を予期し得る時間定数Ｔを特定し得る。最良近似測定読取値を、例えば、最小二乗法を使用することにより測定値から選択し得る。
【０１１３】
感知マットの例では、各センサの時間定数Ｔは一般に、任意の所与の記録値セットの時間期間にわたって一定の値を有するものとして見なされる。しかし、時間定数Ｔの値は、感知システムの物理的属性の変化の結果として、より長い時間期間にわたって変化し得る。時間定数Ｔの変動は、例えば、絶縁材料の弾性の経時変化に起因し得る。時間定数Ｔの推定値は、センサの測定読取値に従って更新し得る。或いは、単一のセンサの時間定数Ｔは、近傍センサの時間定数Ｔ値に従って特定し、更新し得る。
【０１１４】
手順は、測定値セット及び第１のステップにおいて提供される数式に基づいて、パラメータの予測値の計算９０８に続く。
【０１１５】
初期化されると、測定値セットは単一の測定を含み得る。その単一の測定は、予測方法を適用せずに、パラメータ値を特定する初期基準値として見なすことができる。予測方法は、事前定義された値のセットを測定した後でのみ、適用し得る。値の予測正確性は、値が多く得られるほど、増大すると予期される。
【０１１６】
いくつかの測定読取値は、陳腐化等の様々な基準に従って許容される通常範囲外にあるとみなされた場合、冗長として示し得る。これらの値は通常、予測値の計算に使用されないが、要件に合うように、さらなる基準のために記録してもよく、又はすべてまとめて無視してもよい。
【０１１７】
図１０のフローチャートをこれより参照すると、表面に作用する圧力の測定に関連する方法の特定の実施形態のステップが示される。少なくとも１つの圧力センサが提供され１００２、圧力センサの挙動が、測定された圧力と時間定数との指数的関係を表す数式によりモデリングされる１００４。この方法は、時間期間にわたる圧力読取値セットの収集１００６及び取得された圧力値セットに基づく時間定数の最良近似値の計算１００８に続く。手順は、最良近似値を式中の時間定数に使用して、圧力の予測最終値を計算すること１０１０により終了する。
【０１１８】
図１０の方法を圧力検出感知マット内の複数のセンサに適用し得ることに留意されたい。方法は、個々の圧力センサ、感知マットの選択されたセンサセット、又は感知マットを構成するすべてのセンサに様々に適用し得る。
【０１１９】
圧力検出感知マット内のセンサは、アレイとして編成し得る。アレイは多次元であり得る。方法は、アレイ内の個々のセンサのそれぞれに適用してもよく、又はアレイ以内の近傍センサにより収集される値に従って調整してもよい。
【０１２０】
センサ４００の７×７正方形アレイの概略表現を示す図１１をこれより参照する。センサは、双方向アレイに配置された正方形で表される。各センサには、行Ｘ及び列Ｙのセンサに４ＸＹのインデックスが付与されるように、行及び列に従ってインデックス付与される。各センサが最高で８方向の近傍により囲まれることが理解されよう。例えば、センサ４５３は、８方向近傍センサ４４２、４４３、４４４、４５２、４５４、４６２、４６３、及び４６４により囲まれる。
【０１２１】
圧力値セットは、アレイから近傍圧力センサセットを選択し、選択された近傍圧力センサセットの各メンバにより測定された少なくとも１つの圧力読取値を選択することにより、時間時間にわたって取得し得る。パラメータの挙動のモデリングに使用される数式は、近傍センサセット全体から得られる圧力値を使用して構築し得る。
【０１２２】
アレイ内の２つの別個のセンサに提供される数式は異なり得る。限定ではなく例として、５つのみの近傍センサ４３１、４３２、４４２、４５２、及び４５１を有するセンサ４４１の式は、上述した８つの近傍を有するセンサ４５３に提供される式と異なり得る。さらに、近傍センサセットの選択は、例えば、選択されたセンサに直に隣接しないセンサを含むことにより、要件に合うように構成し得る。
【０１２３】
或いは、４５３等の単一のセンサの推定時間定数Ｔを特定することは、近傍セルの推定時間定数Ｔ値に従って特定し、更新してもよい。そのような場合、取得された圧力値セットに基づいて時間定数Ｔの最良近似値を計算するステップは、近傍圧力センサセットからの少なくとも選択された圧力センサの時間定数値の最良近似値を計算するサブステップと、選択された圧力センサに計算された時間定数Ｔの平均値をとるサブステップとにさらに分割し得る。
【０１２４】
利得選択
例示のみを目的として、広範囲のアナログ信号を高速高分解能で測定する方法の実施形態を、上述したようなマトリクスに配置し得る複数の圧力検出センサを備えた感知マットの特定の例を通して示す。しかし、後述する利得選択方法を、高分解能高速データサンプリングが必要とされる他の用途にも有用に適用し得ることが理解されよう。
【０１２５】
圧力センサから得られるアナログ信号の値は、大きな範囲内にあり得る。弱信号の測定では、強信号の測定よりも大きな増幅を必要とし得るため、増幅器の利得レベルの選択は一般に、記録された最高振幅信号を、飽和に達することなく最大化するように調整される。この手法は、すべての信号種別に共通の利得を固定するために使用し得、信号範囲が比較的狭い場合に有用である。広い信号範囲が検出される場合、固定利得レベルは、強信号飽和又は弱信号誤解釈のいずれかを生じさせ、したがって、効率的な信号分解を妨げ、センサ読取値の分解能を低減させるおそれがある。
【０１２６】
上述した感知マットによれば、各圧力検出センサは、導電材料層間の容量を監視する。絶縁材料層が、２つの導電材料層に挟まれる。各センサは、センサの表面の任意の箇所を押下すると、２つの導電層の間隔が変化し、ひいてはセンサの容量が変化するように構成される。
【０１２７】
ＡＣ電流の振幅が回路のインピーダンスに依存することが理解されよう。容量とインピーダンスとの間には逆の関係がある。圧力がセンサに与えられると、コンデンサのプレートは押されて一緒に近くになり、容量を増大させる。それに応答して、電流の振幅は増大する傾向がある。
【０１２８】
上述した感知マット実施形態は、検出されたサンプルが広範囲の値を有し得るシステムの例を示す。弱い信号が一般に、比較的高い利得で増幅して、高分解能読取値を取得する必要があることに留意する。しかし、同じ高利得レベルは強信号を飽和させ得る。
【０１２９】
ここで、広範囲のアナログ信号を高分解能で高速測定する方法の実施に使用されるシステムの主要構成要素を示す図１２のブロック図を参照する。構成要素は、増幅器４１１０と、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）４１２０と、コントローラ４１３０とを含む。
【０１３０】
増幅器４１１０は、入力としてセンサからアナログ信号を受信するように構成される。信号が受信されると、増幅器は、コントローラ４１３０により決定される初期利得レベルで信号を増幅するように構成し得る。初期利得レベルで増幅された信号は、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）４１２０に送り得る。ＡＤＣは、増幅された信号をサンプリングし、測定を制御ユニット４１３０に通信するように構成し得る。適切な場合、複数のセンサからの複数の信号を共通の増幅器で増幅し得ることに留意する。
【０１３１】
一実施形態では、増幅器は、制御ユニット４１３０により制御し得る可変利得増幅器である。各センサから得られる信号の増幅に使用される利得レベルは、任意のレベル、例えば、中間利得レベル又は増幅器の最大利得レベルの半分であるように選択し得る。或いは、初期利得は、第１のアナログ信号読取値又は他の任意の手段に従って特定することができる。
【０１３２】
一実施形態では、特定のセンサから受信するアナログ信号は、ＡＤＣ４１２０によりサンプリングされて、二分探索等を実行することによりピークツーピーク範囲を特定し得る。
【０１３３】
高速アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を使用して、ＡＣ信号サンプルを様々な周波数で取得可能であり得ることに留意する。例えば、ＡＣ信号は、１００ｋＨｚの速度で流れ得、電流信号サンプルは３ＭＨｚの速度で取得し得、したがって、１つのＡＣサイクル内で３０個の電流サンプルを取得し得る。それにより、最小及び最大電流読取値を識別し、信号のピーク値として示し得る。
【０１３４】
次に、コントローラ４１３０は、上述したように、センサから信号の最適なピークツーピーク範囲を特定し得、増幅器の最適な利得をそれに従って選択し得る。一実施形態では、最適な利得では、最適なピークピーク範囲の少なくとも半分をカバーする信号振幅が可能である。
【０１３５】
感知マット実施形態では、各センサからのアナログ信号読取値が長期間にわたって比較的安定しており、利得への変更があまり頻繁には要求されないことを理解されたい。各センサに使用される利得レベルへの更新が必要であり得る要因としては、圧力変化と、センサの容量に影響する他の要因とが挙げられる。さらに、マットの摩損により、時間の経過に伴って利得レベルを調整する必要があり得ることが理解されよう。
【０１３６】
センサ毎に計算された最適利得は記録し得、それにより、コントローラは、同じセンサに使用された前の利得値に従って、アナログ信号の測定に使用すべき利得を決定し得る。
【０１３７】
このプロセスは、感知マット内の圧力検出センサ毎に繰り返し得る。さらに、複数のセンサからの効率的で高速なアナログ読み取りに役立つように、センサは、最適な利得に従ってバルクにまとめ得る。増幅器には１つの利得値を構成し、その利得値に合ったセンサバルクからのアナログ読取値を増幅し得る。後に、増幅器には、第２の利得を必要とするアナログセンサ読取値を増幅する第２の利得値を構成することができる。次に、すべてのセンサからのすべての信号が増幅されるまで、このプロセスを繰り返すことができ、それを図１３に示す。
【０１３８】
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義され、上記説明を読んだ上で当業者が思い至る、上述した様々な特徴の組み合わせ及び下位組み合わせ並びにその変形及び変更を含む。
【０１３９】
特許請求の範囲では、「備える」という言葉及び「備えた」、「備えている」等の派生語は、列挙された構成要素が含まれることを示すが、一般に、他の構成要素の除外を示されない。
【０１４０】
例示的な実施形態を上述したが、これらの実施形態が本発明の可能なすべての形態を説明しているとの意図はない。むしろ、本明細書で使用される言葉は、限定ではなく説明の言葉であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、様々な変更を行い得ることが理解される。さらに、様々な実施態様の特徴を組み合わせて、本発明のさらなる実施形態を形成し得る。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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