(57)【要約】  長期埋め込みに適した装具構成要素が提供される。装具構成要素は、電子回路と、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのセンサとを含む。装具構成要素は、少なくとも１つの支持表面を有する第１の構造と、骨に結合するように構成された少なくとも１つの特徴部を有する第２の構造と、少なくとも１つのセンサと、を含む。電子回路およびセンサは装具構成要素内に気密的に封止される。装具構成要素は少なくともの上に透過領域を含む。透過領域は関節外部の領域に露出を有する領域内に配置され得る。透過領域はガラスを含み得る。１つまたは複数のセンサは関節の健康を判断するため関節の近傍の滑液を監視するために使用され得る。透過領域は電子回路とリモートシステムとの間の通信を支持するために使用され得る。
2014533974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのシステムにおいて、
透過領域、および骨に結合するように構成された少なくとも１つの特徴部を有する装具構成要素と、
電子回路と、
前記筋肉・骨格系の前記パラメータを測定するように構成された少なくとも１つのセンサと、を含み、
前記電子回路は、前記少なくとも１つのセンサに結合されており、前記装具構成要素は、前記電子回路および前記少なくとも１つのセンサを収容する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記装具構成要素は、金属または金属合金を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記透過領域は、ガラスを含むことを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記装具構成要素は、前記透過領域を通じてデータを無線で送信するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のシステム。
【請求項５】
前記装具構成要素の前記透過領域は、滑液の近傍に配置されるように構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のシステム。
【請求項６】
前記筋肉・骨格系は、前記滑液を含むことを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記滑液を監視するように構成された光センサをさらに含むことを特徴とする請求項５または６記載のシステム。
【請求項８】
前記光センサは、前記滑液の色を監視するように構成されることを特徴とする請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記光センサは、前記滑液の濁度を監視するように構成されることを特徴とする請求項７または８記載のシステム。
【請求項１０】
前記滑液のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサをさらに含むことを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１１】
前記滑液の温度を測定するように構成された温度センサをさらに含むことを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１２】
前記透過領域は、前記装具構成要素の壁の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１３】
前記装具構成要素は、ＰＥＥＫを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１４】
少なくとも１つのセンサを有する装具構成要素であって、前記少なくとも１つのセンサは、前記装具構成要素の近傍の滑液を監視するように構成される、装具構成要素と、
前記少なくとも１つのセンサに結合されている電子回路であって、前記少なくとも１つのセンサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されている、電子回路と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記装具構成要素は、透過領域を含むことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセンサは、光センサ、ｐＨセンサ、超音波センサまたは温度センサの少なくとも１つを含み、前記透過領域は、ガラスを含むことを特徴とする請求項１４または１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記装具構成要素の支持表面に加えられる力、圧力または荷重の少なくとも１つを測定するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに含むことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１８】
前記装具構成要素は、ＰＥＥＫを含むことを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項記載のシステム。
【請求項１９】
脛骨装具構成要素において、
少なくとも１つのセンサであって、前記少なくとも１つのセンサは、前記脛骨装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成される、少なくとも１つのセンサと、
前記少なくとも１つのセンサに結合されている電子回路であって、前記少なくとも１つのセンサおよび前記電子回路は、前記脛骨装具構成要素内に収容されている、電子回路と、
を含むことを特徴とする脛骨装具構成要素。
【請求項２０】
前記脛骨装具構成要素の支持表面に加えられる力、圧力または荷重の少なくとも１つを測定するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２１】
ＰＥＥＫの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９または２０記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２２】
金属または金属合金の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２３】
透過領域を含むことを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２４】
前記透過領域は、ガラスを含むことを特徴とする請求項２３記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２５】
前記少なくとも１つのセンサは、光センサ、ｐＨセンサ、温度センサまたは超音波センサの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９〜２４のいずれか一項記載の脛骨装具構成要素。
【請求項２６】
装具構成要素において、
少なくとも１つの光センサと、
前記光センサに結合された電子回路であって、前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記少なくとも１つの光センサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成される、電子回路と、
を含むことを特徴とする装具構成要素。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの光センサは、
少なくとも１つの発光ダイオードと、
フォトダイオードアレイと、
を含むことを特徴とする請求項２６記載の装具構成要素。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの発光ダイオードからの光は、フォトダイオードによって受信されるように構成されることを特徴とする請求項２７記載の装具構成要素。
【請求項２９】
前記フォトダイオードアレイは、前記フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項２８記載の装具構成要素。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの発光ダイオードからの光は、前記装具構成要素の近傍に位置する前記滑液を照らすように構成されることを特徴とする請求項２７記載の装具構成要素。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの光センサは、滑液の色を測定するように構成されることを特徴とする請求項２６〜３０のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの光センサは、赤色、緑色および青色の相対的寄与を測定するように構成されることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの光センサは、前記赤色、緑色および青色の各色の寄与を校正値の和と比率測定的に比較するように構成されることを特徴とする請求項３２記載の装具構成要素。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの光センサは、前記赤色、緑色および青色の相対的寄与の和を前記校正値の３倍と比率測定的に比較するように構成されることを特徴とする請求項３３記載の装具構成要素。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの光センサは、滑液の濁度を測定するように構成されることを特徴とする請求項２６〜３３のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項３６】
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液の特徴を定期的に測定するステップと、
前記滑液の測定値を比較するステップと、
を含むことを特徴とする長期的に関節を監視する方法。
【請求項３７】
前記滑液の色を測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記滑液の前記色を既知の色範囲と比較するステップと、
感染が存在するかどうかを決定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
赤色、緑色および青色の前記相対的寄与を測定するステップと、
各色の寄与を前記相対的寄与の和と比率測定的に比較するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３６〜３８のいずれか一項記載の方法。
【請求項４０】
前記色の変化率を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３７または３８記載の方法。
【請求項４１】
前記滑液の温度またはｐＨの少なくとも１つを測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３６〜４０のいずれか一項記載の方法。
【請求項４２】
データをリモートシステムに無線で送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３６〜４１のいずれか一項記載の方法。
【請求項４３】
前記データは、前記滑液の前記特徴を含むことを特徴とする請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記装具構成要素の透過領域を通じて光を受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３６〜４３のいずれか一項記載の方法。
【請求項４５】
長期的に関節を監視する方法において、
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液の濁度を定期的に測定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４６】
前記滑液の前記濁度を既定の濁度範囲と比較するステップと、
感染が存在するかどうかを決定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記滑液の前記濁度を前記滑液の前の濁度測定値と比較するステップと、
前記滑液の濁度の変化率を決定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４６または４７記載の方法。
【請求項４８】
データをリモートシステムに無線で送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４５〜４７のいずれか一項記載の方法。
【請求項４９】
前記データは、前記滑液の前記濁度の測定値を含むことを特徴とする請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
前記装具構成要素の透過領域を通じて光を受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４５〜４９のいずれか一項記載の方法。
【請求項５１】
前記滑液の温度またはｐＨの少なくとも１つを測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４５〜５０のいずれか一項記載の方法。
【請求項５２】
装具構成要素において、
温度センサと、
前記温度センサに結合された電子回路と、を含み、
前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記温度センサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近位の温度を測定するように構成される、
ことを特徴とする装具構成要素。
【請求項５３】
前記電子回路は、滑液の温度を定期的に測定するように構成されることを特徴とする請求項５２記載の装具構成要素。
【請求項５４】
前記滑液は、前記装具構成要素の近位に位置することを特徴とする請求項５２記載の装具構成要素。
【請求項５５】
前記電子回路は、健康な関節の温度に校正されるように構成されることを特徴とする請求項５２〜５４のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項５６】
前記温度センサは、ＭＥＭＳセンサ、熱電対またはサーミスタの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５２〜５５のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項５７】
前記電子回路は、温度データをリモートシステムに送信するように構成されることを特徴とする請求項５２〜５６のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項５８】
前記リモートシステムは、前記装具構成要素からデータを受信し、かつ分析するように構成されることを特徴とする請求項５７記載の装具構成要素。
【請求項５９】
前記電子回路に結合された少なくとも１つの荷重センサを含むことを特徴とする請求項５２〜５８のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６０】
前記電子回路に結合された、ｐＨセンサまたは光センサの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５２〜５９のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６１】
装具構成要素において、
ｐＨセンサと、
前記ｐＨセンサに結合された電子回路と、を含み、
前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記ｐＨセンサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近傍のｐＨを測定するように構成される、
ことを特徴とする装具構成要素。
【請求項６２】
前記電子回路は、滑液のｐＨを定期的に測定するように構成されることを特徴とする請求項６１記載の装具構成要素。
【請求項６３】
前記滑液は、前記装具構成要素の近位に位置することを特徴とする請求項６２記載の装具構成要素。
【請求項６４】
前記電子回路は、健康な関節のｐＨに校正されるように構成されることを特徴とする請求項６１〜６３のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６５】
前記ｐＨセンサは、ＭＥＭＳｐＨセンサ、埋め込み型ｐＨセンサ、または静電ｐＨセンサの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６１〜６４のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６６】
前記電子回路は、ｐＨデータをリモートシステムに送信するように構成されることを特徴とする請求項６１〜６５のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６７】
前記リモートシステムは、前記装具構成要素からデータを受信し、かつ分析するように構成されることを特徴とする請求項６６記載の装具構成要素。
【請求項６８】
前記電子回路に結合された少なくとも１つの荷重センサを含むことを特徴とする請求項６１〜６７のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項６９】
前記電子回路に結合された、温度センサまたは光センサの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６１〜６８のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項７０】
長期的に関節を監視する方法において、
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に提供するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液を定期的に監視するステップと、
前記滑液の特徴を測定するステップと、
データをリモートシステムに送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７１】
前記データを分析するステップと、
レポートを発生させるステップと、
前記レポートを少なくとも１つの実体に送信するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
前記レポートを前記少なくとも１つの実体に送信するステップは、医師の患者の少なくとも一方に前記レポートを送信するステップを含むことを特徴とする請求項７１記載の方法。
【請求項７３】
前記滑液の温度を測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７０〜７２のいずれか一項記載の方法。
【請求項７４】
前記データは、前記温度を含むことを特徴とする請求項７３記載の方法。
【請求項７５】
前記滑液のｐＨを測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７０〜７４のいずれか一項記載の方法。
【請求項７６】
前記データは、前記ｐＨを含むことを特徴とする請求項７５記載の方法。
【請求項７７】
前記滑液の色または濁度の少なくとも１つを測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７０〜７６のいずれか一項記載の方法。
【請求項７８】
前記データは、前記色または前記濁度の前記少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書に基づく国際出願であり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書はそれぞれ、２００９年６月３０日出願の米国仮特許出願第６１／２２１，８８１号明細書の優先権の利益を主張する２０１０年６月２９日出願の米国特許出願第１２／８２５，８５２号明細書の一部継続出願であり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。さらに、米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書は、２０１０年６月２９日出願の非仮特許出願第１２／８２６，３４９号明細書ならびに２０１１年９月２３日出願の非仮特許出願第１３／２４２，２７７号明細書および非仮特許出願第１３／２４２，６６２号明細書の優先権を主張するものであり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。同様に、米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書は、全て２００９年６月３０日出願の、米国仮特許出願第６１／２２１，７６１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７６７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７７９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７８８号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７９３号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８０１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８０８号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８１７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８６７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８７４号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８７９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８６号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８９４号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９０１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９０９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９１６号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９２３号明細書および米国仮特許出願第６１／２２１，９２９号明細書の優先権を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、全般的に、物理的パラメータの測定に関し、特に、高精度検出用の医療電子デバイスに関するが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００４】
哺乳類の骨格系は種間における差異の対象である。環境因子、使用による劣化および加齢によるさらなる変化が起こり得る。骨格系の整形外科関節は、通常、互いに対して動く２つ以上の骨を含む。運動は関節の骨格系に結合した筋組織および腱によって可能とされる。靭帯は１つまたは複数の関節骨を位置的に保持し、かつ安定させる。軟骨は骨と骨の接触を防止し、荷重を分配し、摩擦を低下させる摩耗面（ｗｅａｒ  ｓｕｒｆａｃｅ）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒトの骨格系の治療は大きな発展を遂げてきた。概して、整形外科関節は、設計の改良を開始するために収集および使用されるシミュレーション、機械的プロトタイプおよび患者データからの情報を使用して発展してきた。同様に、整形外科学において使用されるツールは長年をかけて洗練されてきてはいるが大きく変化してはいない。したがって、整形外科関節の置換の基本的手順は広範な分布の母集団の全般的ニーズを満たすために標準化されている。ツール、手順および人工関節は全般的ニーズを満たしているが、各置換手順は患者毎の顕著な差異の対象となる。これら個々の差異の修正は、利用可能なツールを使用して置換用関節を特定の状況に適応および適合させる外科医の技能に依存する。
【０００６】
添付の特許請求の範囲に記載の特徴と共にシステムの種々の特徴を説明する。本明細書中の実施形態は添付の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態例による、パラメータを測定するための、大腿骨と脛骨との間に接触して配置されるセンサを示す。
【図２】一実施形態例によるゼロ交差受信機のブロック図を示す。
【図３】一実施形態例による、検出アセンブリに結合された一体型のゼロ交差受信機のブロック図を示す。
【図４】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためのゼロ交差受信機またはエッジ検出受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ：ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｔｕｎｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を示す。
【図５】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するための連続波多重化構成にあるゼロ交差受信機を組み込んだセンサインターフェースを示す。
【図６】連続波モードにおける動作用の一体型のゼロ交差受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図７】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためにパルス多重化構成にある一体型のゼロ交差受信機を組み込んだセンサインターフェース図を示す。
【図８】一実施形態例による、パルスモードにおける動作用の一体型のゼロ交差受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図９】一実施形態例によるエッジ検出受信機回路のブロック図を示す。
【図１０】検出アセンブリに結合されたエッジ検出受信機回路のブロック図を示す。
【図１１】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためのパルスエコー多重化構成にあるエッジ検出受信機回路を組み込んだセンサインターフェース図を示す。
【図１２】パルスエコーモードにおける動作用のエッジ検出受信機回路を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図１３】一実施形態例による検出モジュールの簡略断面図を示す。
【図１４】一実施形態例による反射動作モードおよび一方向動作モードを示すための集合体を示す。
【図１５】この集合体の双方向動作モードにおける導波路内の超音波伝播を示す集合体を示す。
【図１６】導波路の長さの変化による超音波の伝播の変化を示すためのセンサ素子の断面図を示す。
【図１７】一実施形態例による、高精度の処理および測定データのための方法ステップの簡略流れ図を示す。
【図１８】一実施形態例による医療検出システムのブロック図を示す。
【図１９】一実施形態例による、キャパシタに対応する測定サイクルを発生させるように構成される発振器を示す。
【図２０】一実施形態例による、力、圧力または荷重を検出する方法を示す。
【図２１】一実施形態例によるキャパシタの断面図を示す。
【図２２】一実施形態例による、機械的に直列で結合された２つ以上のキャパシタを含む図２１のキャパシタを示す。
【図２３】一実施形態例による、電気的に並列で結合された２つ以上のキャパシタを含む図２１のキャパシタを示す。
【図２４】一実施形態例による、図２１のキャパシタの導電性領域およびそれに対するインターコネクトの頂面図を示す。
【図２５】一実施形態例による、図２１のキャパシタに結合されたインターコネクトの断面図を示す。
【図２６】一実施形態例による、力、圧力または荷重を測定する方法の図を示す。
【図２７】一実施形態例による、複数のセンサを有する医療機器を示す。
【図２８】一実施形態例による、非平面表面に結合され、かつそれに適合するセンサを有する１つまたは複数の装具構成要素を示す。
【図２９】一実施形態例による、非平面表面に結合された１つまたは複数の遮蔽されたセンサを有するツールを示す。
【図３０】一実施形態例による、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのセンサとしてキャパシタを使用する方法の図を示す。
【図３１】一実施形態例による複数のセンサを有する装具構成要素を示す。
【図３２】一実施形態例による装具構成要素の構造の断面図を示す。
【図３３】一実施形態例による装具構成要素およびインサートを示す。
【図３４】一実施形態例による、インターコネクトに結合された電子回路を示す。
【図３５】一実施形態例による、組み立てられた装具構成要素を示す。
【図３６】一実施形態例による装具構成要素の部分断面図を示す。
【図３７】一実施形態例による構造および電子回路を示す。
【図３８】一実施形態例による装具構成要素およびリモートシステムを示す。
【図３９】一実施形態例による電子回路および構造の図である。
【図４０】一実施形態例による電子回路および構造の図である。
【図４１】一実施形態例による、内部において命令一式が実行されるシステムの形態のマシンの例示的概略図を示す。
【図４２】一実施形態例による測定および報告のための通信ネットワークの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、広くは、物理的パラメータの測定に関し、特に、センサの小さな変化の正確な測定を支持する高速応答回路（ｆａｓｔ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）に関する。
【０００９】
例示的実施形態の以下の説明は本質的に単に例証的なものであり、本発明、その用途または使用をいかようにも限定することを意図するものではない。
【００１０】
当業者に公知のプロセス、技法、装置および材料については詳述しないが、適切な場合には実施可能な記載の一部とすることを意図する。例えば、記載されるステップのそれぞれを達成するための特定のコンピュータコードは記載されないが、当業者であれば、取り消し実験（ｕｎｄｏ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ）なしに、本明細書中の実施可能な開示を前提にそのようなコードを書くことができよう。そのようなコードは少なくとも１つの例示的な実施形態の範囲内であることを意図する。
【００１１】
本明細書中に示されかつ記載されるいずれの例においても、工程段階または特定の構造実装のための温度、時間、エネルギーおよび材料特性などの任意の特定の材料は単に例証的であり、非限定的であると解釈すべきである。当業者に公知のプロセス、技法、装置および材料については詳述しないが、適切な場合には実施可能な記載の一部とすることを意図する。本明細書中に使用される「結合される」という語は、要素が共に直接結合されても、１つまたは複数の介在要素を介して結合されてもよいことを意味することにも留意されたい。
【００１２】
付加的に、例示的実施形態において使用される構造のサイズは本明細書中におけるいずれの記載によっても限定されない（例えば、構造のサイズは、マクロ（センチメートル、メートルおよびそれよりも大きなサイズ）とすることも、マイクロ（マイクロメートル）およびナノメートルサイズおよびそれよりも小さいものとすることができる）。
【００１３】
以下の図において、同様の参照符号および文字は同様の項目を意味し、したがって、１つの図中において項目が定義されると、それについては後の図に記載されることもさらに定義されることもないことに留意されたい。
【００１４】
第１の実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、連続モード（ＣＭ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内の連続的超音波の伝播特性を評価する。
【００１５】
第２実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、パルスモード（ＰＭ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内のパルス超音波の伝播特性を評価する。
【００１６】
第３実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、パルスエコーモード（ＰＥ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内の超音波エコー反射の伝播特性を評価する。
【００１７】
図１は、例示的な実施形態による、大腿骨１０２と脛骨１０８との間に接触して配置される、パラメータを測定するためのセンサ１００の図である。概して、センサ１００はパラメータを測定するために筋肉・骨格系に接触して、またはその近傍に配置される。非限定的な例においては、センサ１００は人工関節の取り付けなどの処置時に筋肉・骨格系のパラメータを測定するために使用される。センサ１００の実施形態は、広くは、物理的パラメータの測定に関し、特に、媒体中を伝播するパルスエネルギー波の通過時間の変化の測定に関する。整形外科関節インプラント手術時における原位置での測定は、インプラントが、平衡が取れた状態であり、かつ適切な荷重または張力下にあることを確認するのに大きな利点となり得る。一実施形態においては、器具は外科医によって現在使用されている他の器具に類似し、かつそれとなじんで（ｆａｍｉｌｉａｒｌｙ）動作する。これにより受容が増加し新技術の採用周期が低減される。測定により、外科医が埋め込み型構成要素を所定の範囲内に取り付けることを確実とすることが可能になり、関節装具の寿命が最大になり、高額な補正が低減される。実時間データの使用による処置の定量的測定および評価の提供はより一貫した結果を生む。さらなる問題は、インプラント手術から術後的におよび長期的に得られるインプラントのデータがほとんどまたは全くないことである。センサ１００はインプラントのステータスデータを整形外科メーカおよび外科医に提供することができる。さらに、埋め込み型関節自体の直接測定により得られたデータは埋め込み型関節の動作および関節の摩耗についての知識を大幅に向上させ、それによって、デザインおよび材料の改良につながる。
【００１８】
少なくとも１つの例示的な実施形態においては、エネルギーパルスがパルスモード動作およびパルス整形によってセンサ１００内の１つまたは複数の導波路内において誘導される。導波路はエネルギーパルスを所定の方向に案内する導管である。エネルギーパルスは、通常、導波路内に閉じ込められる。一実施形態においては、導波路は高分子材料を含む。例えば、ウレタンまたはポリエチレンは導波路を形成するのに適した高分子である。高分子導波路は圧縮することができ、かつシステムのヒステリシスをほとんどまたは全く有しない。代替的に、エネルギーパルスは筋肉・骨格系を通じて誘導することができる。一実施形態においては、エネルギーパルスは骨密度を測定するために筋肉・骨格系の骨を通じて誘導される。エネルギーパルスの通過時間は、それが移動する媒体の材料特性に関連する。この関係は、いくつかの例を挙げると、距離、重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度および密度等のパラメータの正確な測定値を得るために使用される。
【００１９】
センサ１００は、筋肉・骨格系の領域またはツール、機器または人工関節などの構成要素内における取り付けという形態的要素の要求によってサイズの制約を受ける可能性がある。非限定的な例においては、センサ１００が取り付けられた人工膝関節の荷重および平衡性を測定するために使用される。膝装具は、大腿骨装具構成要素１０４と、インサートと、脛骨装具構成要素１０６とを含む。大腿骨１０２の遠位端は大腿骨装具構成要素１０４を受け入れる準備がなされている。大腿骨装具構成要素１０４は、通常、天然大腿骨を模した２つの顆表面を有する。示されるように、大腿骨装具構成要素１０４は大腿骨１０２に結合された単一の顆表面を有する。大腿骨装具構成要素１０４は、通常、金属または金属合金で作製される。
【００２０】
脛骨１０８の近位端は脛骨装具構成要素１０６を受け入れる準備がなされている。脛骨装具構成要素１０６は脛骨の近位端に固定される支持構造であり、通常、金属または金属合金で作製される。脛骨装具構成要素１０６は、また、インサートを脛骨１０８に対して固定位置に保持する。インサートは、大腿骨装具構成要素１０４と脛骨装具構成要素１０６との間に取り付けられる。インサートは、大腿骨装具構成要素１０４の少なくとも顆表面に接している少なくとも１つの支持面を有する。顆表面は、下腿が荷重下で回転することができるようにインサートの支持面に対して動くことができる。インサートは、通常、摩擦を最小にする高摩耗性（ｈｉｇｈ  ｗｅａｒ）プラスチック材料で作製される。
【００２１】
膝関節置換術では、外科医は大腿骨装具構成要素１０４を大腿骨１０２に、脛骨装具構成要素１０６を脛骨１０８に取り付ける。脛骨装具構成要素１０６は、脛骨１０８の平坦化された近位端に固定されたトレーまたはプレートを含み得る。センサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４の顆表面と脛骨装具構成要素１０６の主表面との間に配置される。顆表面はセンサ１００の主表面に接している。センサ１００の主表面はインサートの表面に近似する。脛骨装具構成要素１０６は、主表面上に、測定プロセス中にセンサ１００を受け入れかつ保持するキャビティまたはトレーを含み得る。脛骨装具構成要素１０６とセンサ１００は、脛骨装具構成要素１０６と膝関節の最終（または長期的）インサートとの合計厚さを示す合計厚さを有する。
【００２２】
一実施形態においては、２つのセンサ１００が２つの別個のキャビティ内に取り付けられる。キャビティは、脛骨構成要素１０６によって所定の位置に維持される試行用インサート（脛骨構成要素自体ではなく脛骨インサートとも呼ばれてもよい）内にある。１つまたは２つのセンサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４と脛骨装具構成要素１０６との間に挿入されてもよい。各センサは独立し、それぞれが大腿骨１０２の各々の顆を測定する。別個のセンサは、１つの顆が治療され、１つのセンサのみが使用される状況にも適応する。代替的に、システムのコストおよび複雑さを低減するために電子機器を２つのセンサ間において共用することができる。共用の電子機器は測定値をとるために各センサモジュール間において適宜多重化させることができる。センサ１００によって得られた測定値は、外科医が各顆にかかる絶対荷重および顆間の平衡を変更するに当たり補助する。膝インプラントについて示したが、センサ１００は、脊椎、股関節部、肩部、肘、足首、手首、指節間関節、中足趾節関節、中手指節関節およびその他などの他の整形外科関節を測定するために使用され得る。代替的に、センサ１００は、また、測定値を提供するために整形外科器具に適合させることができる。
【００２３】
センサ１００を組み込んだ装具は天然膝関節の機能を模倣する。センサ１００は、可動域全体にわたる様々な箇所の荷重または他のパラメータを測定することができる。センサ１００からのデータは有線または無線通信により受信ステーション１１０に伝送される。第１の実施形態においては、センサ１００は使い捨てシステムである。センサ１００は、関節インプラントを最適に装着するためにセンサ１００を使用後、廃棄され得る。センサ１００は、資本金、運転費を低減し、定量的測定の迅速な採用を促進し、証拠に基づく（ｅｖｉｄｅｎｔｉａｒｙ  ｂａｓｅｄ）整形外科を手ほどきする（ｉｎｉｔｉａｔｅｓ）低コストの使い捨てシステムである。第２実施形態においては、センサ１００を再利用のため清浄化および滅菌するための手法が導入され得る。第３実施形態においては、センサ１００は、置換用関節の構成要素とされる代わりにツールに組み込まれ得る。ツールは使い捨てとすることも、再使用のために清浄化し滅菌することもできる。第４の実施形態では、センサ１００は置換用関節の永久構成要素とされ得る。センサ１００は埋め込み型関節に関する術後データを短期および長期の両方において提供するために使用され得る。第５の実施形態では、センサ１００は筋肉・骨格系に結合させることができる。実施形態の全てにおいて、受信ステーション１１０は、データ処理、記憶もしく表示、またはそれらの組み合わせを含むことができ、かつ荷重のレベルおよび分布の実時間グラフ表示を提供することができる。受信ステーション１１０は、センサ１００の経理情報を記録し、かつ適切な機関に提供することができる。
【００２４】
術中例においては、センサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４および脛骨装具構成要素１０６上における力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を、対応する位置およびトルク（例えば、Ｔｘ、ＴｙおよびＴｚ）と共に測定することができる。外科医が最適な関節圧力および平衡を得るのに必要な任意の調整の特定を支援するための実時間可視化を提供するために測定された力およびトルクのデータが受信ステーション１１０に伝送される。データは、補修を最低限にし、患者の機能および関節の寿命を最大にするのに必要な荷重および位置合わせの許容度の範囲を決定するにあたり大きな価値を有する。
【００２５】
前述のように、センサ１００は他の関節手術に使用することができ、それは１つまたは複数の膝置換インプラントに限定されない。さらに、センサ１００は試行測定に限定されない。センサ１００は、術後的に、埋め込み型関節が適切に機能しているかどうかを判断するためのデータを提供するために最終関節系（ｆｉｎａｌ  ｊｏｉｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ）に組み込まれ得る。センサ１００を使用した、問題の早期判定により、患者が発見することができない問題に意識を向けることによって関節の破滅的な障害を低減することができる。問題はしばしば最小限の侵襲的処置によってより低いコストおよび患者へのストレスで修正され得る。同様に、関節のより長期の監視により、早期に発見されれば最小限の手術で最適な寿命または摩耗表面の交換のため調整することができる摩耗またはズレを判断することができ、それによって、インプラントの寿命が延びる。概して、センサ１００は、それが、筋肉・骨格系、関節およびそれに関連するツールに関連する多くの整形外科用途において使用される（または任意の整形外科用途において使用される）耐荷重面にまたは耐荷重面内に配置され得る、または係合され得る、または固定され得るような形状にすることができる。センサ１００は、摩耗、応カ、運動学、動力学、固定強度、靭帯の平衡、解剖学的適合および平衡などの対象の１つまたは複数の性能パラメータの組み合わせに関する情報を提供することができる。
【００２６】
図２は、一実施形態によるゼロ交差受信機２００のブロック図である。第１の実施形態においては、ゼロ交差受信機２００は、対称波形または周期波形（ｃｙｃｌｉｃａｌ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）の中点を通る各エネルギー波の変化等のエネルギー波の変化状態を検出するために提供される。これは、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。受信機は信号変化に迅速に応答し、エネルギー波の変化特性に合致するデジタルパルスを最小限の遅延で出力する。ゼロ交差受信機２００は、さらに、調節可能なレベルのノイズ除去により、ノイズと、非常に低レベルの波を含む対象のエネルギー波とを区別する。ノイズ除去部２１８は、低レベルの波を含む広範な振幅にわたりノイズ抑制を正確に実施するためのフィルタリングステージおよびオフセット調整ステージを含む。
【００２７】
第２実施形態においては、ゼロ交差受信機は、入力される対称、周期または正弦波を、非常に低レベルの入力信号において優れた性能を有する方形または矩形デジタルパルスシーケンスに変換するために提供される。デジタルパルスシーケンスは、エネルギー波の変化時間に合致するパルスタイミングインターバルを示す。ゼロ交差受信機は検出アセンブリと結合され、入力される正弦波の変化の測定に応答してデジタルパルスシーケンスを発生させる。このデジタルパルスシーケンスは、検出アセンブリの物理的変化に関連する、加えられる力などの対象のパラメータに関連するタイミング情報を伝達する。
【００２８】
第３実施形態においては、一体型のゼロ交差受信機は伝播調整式発振器（ＰＴＯ）内に組み込まれ、連続波モードまたはパルスループモードにおいて動作する場合に閉ループ正フィードバックを維持する。一体型のエッジゼロ交差受信機（ｅｄｇｅ  ｚｅｒｏ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ）は入カおよび出力回路の多重化によりＰＴＯと電気的に結合され、超低電力および小さな小型サイズが達成される。ＰＴＯの電気的構成要素は低レベル信号への適切な感度を確保するためにゼロ交差受信機の構成要素と結合される。
【００２９】
一実施形態においては、低電力ゼロ交差受信機２００は、低い信号レベルにおける性能をさらに向上させるために、伝播調整式発振器の他の回路と結合され得る。ゼロ交差受信機２００は、前置増幅器２０６と、フィルタ２０８と、オフセット調整回路２１０と、比較器２１２と、デジタルパルス回路２１４と、を含む。以下に説明されるように、フィルタ２０８およびオフセット調整回路２１０はノイズ除去部２１８を構成する。ゼロ交差受信機２００は、ディスクリートのアナログ構成要素、デジタル構成要素またはこれらの組み合わせにおいて実施され得る。一体型のゼロ交差受信機２００は、特定位置および特定条件下においてエネルギー波の中点を検出する測定方法を実施する。エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。動作の方法の短い説明は以下の通りである。
【００３０】
入力エネルギー波２０２は、電気接続部、アンテナまたはトランスデューサからゼロ交差受信機２００の入カ２０４に結合される。ゼロ交差受信機２００の入カ２０４は、入力エネルギー波２０２を増幅するために前置増幅器２０６に結合される。増幅された信号はフィルタ２０８によってフィルタリングされる。フィルタ２０８は、前置増幅器２０６の出力およびオフセット調整回路２１０の入カに結合される。１つの構成においては、フィルタ２０８は入力エネルギー波２０２の帯域幅上の高周波成分を除去するための低域フィルタである。別の配置においては、フィルタは入力エネルギー波２０２の帯域幅に合致する通過域を有する帯域フィルタである。しかしながら、それはいずれかの配置に限定されるものではない。フィルタリング後の増幅された波のオフセットはオフセット調整回路２１０によって調整される。比較器２１２の入カはオフセット調整回路２１０の出力に結合される。比較器２１２は増幅された波形を監視し、事前設定されたトリガレベルが検出されるたびにデジタルパルス回路２１４をトリガする。デジタルパルス回路２１４は、比較器２１２の出力に結合された入カおよびデジタルパルス２１６を提供するための出力を有する。以下に説明されるように、デジタルパルス２１６はさらに信号処理回路に結合され得る。
【００３１】
好適な実施形態においては、電子部品は集積回路のブロックとして共に作動的に結合される。以下に示されるように、この集積配置はその特定の機能を最小数の構成要素によって効率的に実施する。これは、最小数の構成要素および最小の電力消費で必要な性能を実現するために、アナログ機能とデジタル機能の革新的区分のみならず、回路部品が集積回路およびディスクリート部品内の構造間において区分されていることが理由である。
【００３２】
図３は、例示的な実施形態による、検出アセンブリ３００に結合される一体型のゼロ交差受信機２００のブロック図を示す。前置増幅器２０６およびデジタルパルス回路２１４が参考および説明のために示される。一実施形態においては、検出アセンブリ３００は、送信機トランスデューサ３０２と、エネルギー伝播構造（または媒体）３０４と、受信機トランスデューサ３０６と、を含む。さらに以下に説明されるように、検出アセンブリ３００は、一実施形態においては、力、圧力または荷重などのパラメータを測定する感覚デバイス（ｓｅｎｓｏｒｙ  ｄｅｖｉｃｅ）の一部である。非限定的な例においては、加えられる力３０８などの外部パラメータが検出アセンブリ２００に作用する。示されるように、加えられる力３０８が伝播構造３０４を寸法的に変更する。概して、検出アセンブリ３００は、エネルギー伝播構造３０４の変化に関連する、距離、力、重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向および変位などの対象の１つまたは複数のパラメータを伝達する。一例では、関節の骨の間にある検出アセンブリ３００を使用し、上に開示されるような筋肉・骨格系の関節によって加えられる荷重を測定する。
【００３３】
トランスデューサドライバ回路（図示せず）は、エネルギー伝播構造３０４内に誘導されるエネルギー波３１０を生成するために検出アセンブリ３００の送信機トランスデューサ３０２を駆動する。加えられる力３０８などの、加えられるパラメータによるエネルギー伝播媒体３０４の変化は、エネルギー波３１０（またはパルス）の周波数、位相および通過時間を変化させる。一実施形態においては、加えられる力３０８は、エネルギー波３１０の伝播の経路の方向における伝播構造３０４の長さに影響する。ゼロ交差受信機２００は、再生エネルギー波２０２のゼロ交差を検出するために受信機トランスデューサ３０６に結合される。ゼロ交差デジタルパルスを検出すると、回路２１４がトリガされパルス２１６が出力される。デジタルパルス２１６のタイミングは対象のパラメータ（例えば、距離、力重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向、変位等）を伝達する。
【００３４】
そのようなエネルギー波３１０またはエネルギー波のパルスの伝播に依存した測定方法はエネルギー波またはパルスの非常に正確かつ制御された検出を実現するために必要である。さらに、エネルギー波のパルスは、その中に、潜在的な検出の曖昧性につながる複合波形を有する複数のエネルギー波を含んでもよい。特に、エネルギー伝播構造３０４内へのエネルギー波３１０の誘導は、導波路のヌルおよび共振、ならびに発生したエネルギー波３１０の特性に起因する干渉パターンを発生させる可能性がある。これら干渉パターンは元のエネルギー波のエッジの歪みを発生させる励振波形を多重化する可能性がある。
【００３５】
図２を再度簡潔に参照すると、エネルギー波のパルスの出現を確実に検出するために、ゼロ交差受信機２００では２つの形態のノイズ除去を組み込むノイズ除去部２１８を活用する。対象のパラメータの物理的測定用の動作周波数を超える周波数はフィルタ２０８によって減衰される。加えて、入力波形のオフセットレベルはオフセット調整２１０によって調整され、比較器２１２が出力パルスをトリガする電圧レベルが最適化される。これは、入カに存在するノイズの余分な増幅が追加されないことから、入力波形の増幅に比べてより信頼性が高い。入力される対称、周期または正弦波の出現への迅速な応答と、調節可能なレベルのノイズ除去の組み合わせにより、非常に低レベルの信号に対する優れた性能を備えた超低電力ゼロ交差受信機２００による信頼性の高いゼロ交差検出が実現される。
【００３６】
広範な非医学的および医学的用途に合うように作製することができる高性能の測定モジュールまたはデバイスの設計および構造を可能にする超低電力回路を有する小型測定モジュールまたはデバイスには広範な用途がある。非常に小型の測定モジュールまたはデバイスの用途は、使い捨てのモジュールまたはデバイス、および再利用可能モジュールまたはデバイス、および長期使用用のモジュールまたはデバイスを含んでもよいが、これらに限定されない。非医学的用途に加え、広範な潜在的医学的用途の例は、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、術中インプラントまたは試行用インサート内の術中インプラントまたはモジュール、挿入または摂取されたデバイス内のモジュール、着用可能なデバイス内のモジュール、手持型のデバイス内のモジュール、これらの全ての器具、器械、機器または付属品、またはインプラント、試行用インサート、挿入または摂取されたデバイス、着用可能なデバイス、手持型のデバイス、器具、器械、機器内の使い捨て具、またはこれらデバイス、器具、器械または機器の付属品内のモジュールを含んでもよいが、これらに限定されない。
【００３７】
図４は、例示的な実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するための伝播調整式発振器（ＰＴＯ）４０４の例示的ブロック図４００である。測定システムは、検知集合体４０１と、検知集合体４０１の１つまたは複数の導波路４０３内のエネルギー波４０２を検出する伝播調整式発振器（ＰＴＯ）４０４と、を含む。一実施形態においては、エネルギー波４０２は超音波である。パルス４１１はエネルギー波４０２の検出に応答して発生し、導波路４０３内において新しいエネルギー波の伝播を開始する。超音波エネルギーパルスまたは波、超音波共振器またはトランスデューサによる超音波パルスまたは波の放出、超音波導波路内における伝送および超音波共振器またはトランスデューサによる検出は、単にエネルギーパルス、波および伝播構造および媒体の例として使用されることに留意されたい。本明細書中において企図される他の実施形態は光などの他の波形態を利用することができる。
【００３８】
検知集合体４０１は、トランスデューサ４０５と、トランスデューサ４０６と、導波路４０３（またはエネルギー伝播構造）と、を含む。非限定的な例においては、検知集合体４０１は耐荷重面または接触面４０８に固定される。接触面４０８に加えられる外力が導波路４０３を圧縮し、導波路４０３の長さを変化する。圧縮下において、トランスデューサ４０５とトランスデューサ４０６は、また、互いに近づけられる。距離の変化は、トランスデューサ４０５とトランスデューサ４０６との間において伝送および受信されるエネルギー波４０２の通過時間４０７に影響する。伝播調整式発振器４０４は、これら物理的変化に応答して各エネルギー波をより速く（例えば、より短い通過時間）検出し、より短い通過時間に関連する新しいエネルギー波の伝播を開始する。以下に説明されるように、これは、パルス発生器４１０、モード制御部４１２および位相検出器４１４とともに、ＰＴＯ４０４によって実現される。
【００３９】
特に、導波路４０３（１つまたは複数のエネルギー伝播構造）の変化は伝播の媒体の伝播特性（例えば、通過時間４０７）を変更する。エネルギー波は連続波またはパルスエネルギー波とされ得る。パルスエネルギー波手法では、電力散逸を低減し、動作期間中に電池またはキャパシタなどの仮設電源がシステムに電源を供給することを可能にする。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、連続波エネルギー波またはパルスエネルギー波がトランスデューサ４０５により導波路４０３の第１の表面に提供される。トランスデューサ４０５は、導波路４０３内に結合されるエネルギー波４０２を発生させる。非限定的な例においては、トランスデューサ４０５は超音波周波数領域内の音響信号を送信および受信することが可能な圧電デバイスである。
【００４０】
トランスデューサ４０６は、導波路４０３の第２の表面に結合され、伝播されたパルス形信号を受信し、対応する電気信号を発生させる。トランスデューサ４０６によって出力された電気信号は位相検出器４１４に結合される。概して、位相検出器４１４は、検出されたエネルギー波の波形上の選択点のタイミングを、他の伝播されたエネルギー波の波形上の同じ点のタイミングと比較する検出回路である。第１の実施形態においては、位相検出器４１４はゼロ交差受信機とされ得る。第２実施形態においては、位相検出器４１４はエッジ検出受信機とされ得る。第３実施形態においては、位相検出器４１４は位相同期ループとされ得る。検知集合体４０１が圧縮される例では、伝播されたエネルギー波４０２の検出が、外力が接触面に加えられる前に、信号よりも先に行われる（導波路４０３の長さ／距離低減に起因する）。パルス発生器４１０は、位相検出器４１４による、伝播したエネルギー波４０２の検出に応答して新しいパルスを発生させる。新しいパルスはトランスデューサ４０５に提供され、新しいエネルギー波シーケンスが開始される。したがって、各エネルギー波シーケンスは、導波路４０３内を伝播するエネルギー波４０２を維持する、エネルギー波伝播、エネルギー波検出およびエネルギー波放出の個々のイベントである。
【００４１】
伝播するエネルギー波の通過時間４０７はエネルギー波が導波路４０３の第１の表面から第２の表面に伝播するのにかかる時間である。上記のように、各回路に関連する遅延がある。通常、回路の総遅延は導波路４０３を通るエネルギー波の伝播時間よりも大幅に短い。加えて、平衡状態下では、回路遅延の変動は最小である。外力の変化が、生理的システムまたは機械的システム等内におけるパルス形信号伝播時間に対して比較的ゆっくりと起こる場合、平均時間を得るために複数のパルス間タイミングが使用され得る。デジタル計数器４２０は電子部品とともに、伝播したエネルギー波の数をカウントし、導波路４０３の長さの対応する変化を決定する。これら長さの変化は外力に対して正比例で変化するため、対象の１つまたは複数のパラメータまたはパラメータの変化を電気信号に変換することを可能にする。
【００４２】
ブロック図４００は、さらに、計数およびタイミング回路を含む。特に、タイミング、計数およびクロック回路は、デジタルタイマ４２０と、デジタルタイマ４２２と、デジタルクロック４２６と、データレジスタ４２４と、を含む。測定シーケンス中、デジタルクロック４２６はデジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２にクロック信号を提供する。デジタル計数器４２０は伝播調整式発振器４０４に結合される。デジタルタイマ４２２はデータレジスタ４２４に結合される。デジタルタイマ４２０と、デジタルタイマ４２２と、デジタルクロック４２６と、データレジスタ４２４は、表面４０８に加えられる対象の物理的パラメータの測定のモードによって、超音波共振器またはトランスデューサ４０５により放出され、導波路４０３内を伝播し、または超音波共振器またはトランスデューサ４０５または４０６により検出されたエネルギー波４０２の通過時間４０７を取り込む。タイミングおよび計数回路の動作については以下により詳細に開示される。
【００４３】
測定データは正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定を達成するために分析され得る。この方法は、取り込まれたデータの精度または分解能のレベルの、検出およびデータ処理操作の帯域幅を含む測定分解能と周波数との間におけるトレードオフが最適化されるような設定を可能とするため、検出モジュールまたはデバイスが測定の分解能を妥協することなくその最適な動作点で動作することが可能となる。これは、複数の個々の励振の通過時間および通過周期を平均化するのではなく複数周期の励振および通過時間の累積することによって実現される。この結果は、物理的システム内の対象のパラメータの正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定である。
【００４４】
少なくとも１つの例示的な実施形態においては、伝播調整式発振器４０４は、１つまたは複数の検知集合体４０１とともに、筋肉・骨格系の測定値を取るために使用される。非限定的な例においては、検知集合体４０１は、大腿骨装具構成要素と脛骨装具構成要素との間に配置され、人工膝関節の取り付けを補助する、測定した荷重情報を提供する。検知集合体４０１は、また、関節機能を監視するための永久構成要素または筋肉・骨格関節もしくは人工筋肉・骨格関節とされ得る。測定は伸展時および屈曲時に実施され得る。この例では、集合体４０１は、顆荷重を、それが既定の範囲および位置内にあるかを判断するために測定するために使用される。測定値に基づき、外科医は、測定された荷重および所定の位置にある最終インサートとの結合（ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）が既定の範囲内となるようにインサートの厚さを選定することができる。外科医は力または圧力をさらに最適化するために軟組織のテンショニングを使用することができる。同様に、２つの集合体４０１が両顆を同時に測定するためにまたは多重化（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）のために使用され得る。顆間の荷重の差（例えば平衡性）が測定され得る。顆間の測定された圧力差を低減するために、高い方の測定された荷重を有する顆にかかる力を低減するために軟組織のテンショニングが使用され得る。
【００４５】
１つの動作の方法では、導波路４０３内を伝播するエネルギー波の数を整数定数として保持する。エネルギー波の時間周期はエネルギー波の周期性に対応する。安定した時間周期は多くのエネルギー波にわたり時間周期の変化が非常に小さいものである。これは、検知集合体４０１に作用する条件が一貫または一定を維持する場合に起こる。導波路４０３内を伝播するエネルギー波の数を整数に保持することは、導波路４０３の長さが変化した場合にパルス間の時間の変化を強制する制約である。生じた各エネルギー波の時間の変化は、デジタル計数器４２０を使用し、接触面４０８に加えられる外力または外部条件の変化の測定値として取り込まれた総エネルギー波時間周期の変化に対応する。
【００４６】
一実施形態による、トランスデューサ４０５から伝播し、トランスデューサ４０６によって受信されるエネルギー波４０２の動作のさらなる方法が以下に記載される。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、エネルギー波４０２は超音波エネルギー波である。トランスデューサ４０５およびトランスデューサ４０６は圧電共振器トランスデューサ（ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）である。記載されないが、波伝播は反対方向に行うことができ、トランスデューサ４０６によって開始され、トランスデューサ４０５によって受信される。さらに、選択した伝播モード（例えば、反射検出（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ））によっては、検出する超音波共振器トランスデューサ４０６を示されるように別個の超音波共振器とすることもでき、トランスデューサ４０５を単独で使用することもできる。接触面４０８に加えられる外力または外部条件の変化は導波路４０３の伝播特性に作用し、通過時間４０７を変更する。前述のように、伝播調整式発振器４０４は、導波路４０３内を伝播する整数のエネルギー波４０２（例えば、整数のパルスエネルギー波時間周期）を一定に維持し、それによって、繰り返し数を制御する。上に示したように、ＰＴＯ４０４が安定すると、デジタル計数器４２０はパルスエネルギー波の繰り返し数を、以下により詳細に記載されるように、例えば、エッジ検出によってデジタル化する。
【００４７】
別実施形態においては、トランスデューサ４０５によって放出されたパルスエネルギー波４０２の繰り返し数はパルス発生器４１０によって制御され得る。測定されるパラメータが導波路４０３内におけるパルスエネルギー波４０２の通過時間４０７の測定値に対応する場合、動作は同様のままである。個々の超音波パルスは、減衰する波形状（ｗａｖｅ  ｓｈａｐｅ）を有する１つまたは複数のエネルギー波を含み得ることに留意されたい。エネルギー波形状は、パルス発生器４１０と、必要とされる場合は１つまたは複数のインターフェース材料と、超音波共振器またはトランスデューサ４０５と、の電気的および機械的パラメータによって決定される。個々のパルス内のエネルギー波の周波数は、放出する超音波共振器４０４の、電気パルス４１１による励振に対する応答によって決定される。パルスエネルギー波４０２の導波路４０３内における伝播のモードはモード制御回路４１２によって制御される（例えば、反射または一方向）。検出する超音波共振器またはトランスデューサは、選択した伝播モード（反射または一方向）によって、別個の超音波共振器もしくはトランスデューサ４０６、または放出する共振器もしくはトランスデューサ４０５のいずれかであってもよい。
【００４８】
概して、物理的パラメータの正確な測定は、いかなる時点においてもエネルギー伝播構造内を整数のパルスが伝播する特性を有する平衡点において実現される。既知の長さの導波路内における超音波エネルギー波の「飛行時間」または通過時間の変化の測定は、対象の１つまたは複数のパラメータまたはパラメータの変化に起因する、伝播媒体を通過する距離もしくは速度の変化、または距離および速度の変化の組み合わせに応じて超音波エネルギー波の繰り返し数を調整することによって実現され得る。
【００４９】
エネルギー波またはエネルギーパルス内のエネルギー波の伝播に依存する測定方法は、特定位置のエネルギー波の特定箇所の検出を必要としてもよく、特定条件下で、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にすることを必要としてもよい。個々の超音波導波路の物理的長さの変化の測定はいくつかのモードにおいて実施してもよい。超音波導波路と組み合わせた１つまたは２つの超音波共振器またはトランスデューサの各集合体は、６つの異なるモードにおいて動作するように制御してもよい。これは、連続波またはパルス波の、２つの波形状モードと、超音波の反射、一方向および双方向伝播の３つの伝播モードを含む。これら測定の分解能は、測定データの高度な処理によってさらに向上させることができ、測定分解能と、導波路の長さ、超音波の周波数ならびに検出およびデータ取り込み動作の帯域幅との間のトレードオフの最適化を可能にするため、検出モジュールまたはデバイスの最適な動作点が実現される。
【００５０】
伝播調整式発振器４０４および検知集合体４０１による測定は、高感度および高信号対雑音比を可能にする。時間ベースの測定は、主として、電圧または電流により駆動される検出方法およびデバイスに影響を及ぼす可能性のあるほとんどのエラーの原因の影響を受けない。生じる動作の通過時間の変化は迅速にかつ高分解能で測定され得る周波数に対応する。これにより必要な測定精度および精密さが実現されるため、対象の物理的パラメータの変化を取り込み、それらの動的および静的挙動を分析することを可能にする。
【００５１】
これら測定は、センサおよび耐荷重面または接触面を支持する封入構造と、電源と、検出素子と、１つまたは複数のエネルギートランスデューサと、１つまたは複数の弾性エネルギー伝播構造と、１つまたは複数の１つまたは複数の付勢ばね、または他の形態の弾性部材と、加速度計と、アンテナと、測定データを処理すると共に、超音波発生、伝播および検出ならびに無線通信の全動作を制御する電子回路と、を組み込む電子的集合体と、を有する一体型の無線検出モジュールまたはデバイスによって実施されてもよい。電子機器集合体は、また、完成後の無線検出モジュールまたはデバイスの品質、精度および信頼度を保証するテスト性および校正機能を支持する。
【００５２】
エネルギートランスデューサと伝播調整式発振器の電子部品と結合された１つまたは複数のエネルギー伝播構造との集積化によって達成される精度および分解能のレベルは、対象のパラメータを監視または測定するための小型超低電力モジュールまたはデバイスの構築を可能にするが、これに限定されない。広範なサイズの検出モジュールまたはデバイスを構成する柔軟性により、検出モジュールまたはデバイスが、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムに、上に、または内部に係合しても、配置されても、取り付けられても、固定されてもよく、かつ体、器具、装置、車両、機器、または物理的システムの動作を阻害することなく対象の物理的パラメータに関するデータを監視または収集するように、検出モジュールを広範な用途に合うように作製することが可能になる。
【００５３】
図１７を参照すると、例示的な実施形態による、高精度の処理および測定データのための方法ステップの簡略流れ図１７００が示される。方法１７００は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、かつ示されるステップの順序に限定されない。方法ステップは図４に対応し、前述の構成要素またはそのような処理に適した任意の他の構成要素、例えば、エネルギーパルスまたは波の放出を制御するための、およびエネルギーパルスの繰り返し数または弾性エネルギー伝播構造または媒体内を伝播するエネルギー波の周波数を取り込むための電気回路によって実施される。
【００５４】
ステップ１７０２では、プロセスは測定動作を開始する。ステップ１７０４では、デジタルタイマ４２２およびデータレジスタ４２４のリセットによって既知の状態が確立される。ステップ１７０６では、デジタル計数器４２０が、測定値が取られかつ収集される測定サイクルの数に事前設定される。ステップ１７０８では、測定サイクルが開始され、デジタルクロック４２６のクロック出力が有効にされる。デジタルクロック４２６からのクロック信号がデジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２の両方に提供される。デジタルクロック４２６によって出力されたクロック信号の周波数に基づきデジタルタイマ４２０により所要時間がカウントされる。ステップ１７１０では、デジタルタイマ４２２が所要時間のトラッキングを開始する。同時に、各測定シーケンス後、デジタル計数器４２０がカウントの減数を開始する。一実施形態においては、デジタル計数器４２０は、各エネルギー波が導波路４０３内を伝播し、トランスデューサ４０６によって検出されると減数される。デジタル計数器４２０は事前設定された測定サイクルの数が完了するまでカウントダウンする。ステップ１７１２では、デジタル計数器４２０が伝播するエネルギー波の検出によって減数されるため、エネルギー波伝播が伝播調整式発振器４０４により持続される。ステップ１７１４では、デジタル計数器４２０のカウントがゼロを超えている間、エネルギー波検出、放出および伝播が継続する。ステップ１７１６では、デジタル計数器４２０においてゼロカウントに達するとデジタルタイマ４２２のクロック入カが無効にされるため、デジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２がクロックされることが防止される。一実施形態においては、デジタル計数器４２０に提供された事前設定された測定サイクルの数がデジタルタイマ４２２により測定された所要時間によって除算され、伝播したエネルギー波の周波数が計算される。逆に、この数は、デジタルタイマ４２２からの所要時間を事前設定された測定サイクルの数によって除算することによって通過時間として計算することができる。最後に、ステップ１７１８では、得られた数値がレジスタ４２４に転送される。データレジスタ４２４における数は、ディスプレイおよびデータベースに無線で伝送され得る。データレジスタ４２４からのデータは測定されるパラメータに相関し得る。力または荷重などのパラメータは、パラメータの変化が測定の周波数または通過時間の計算も変化させるように伝播媒体（例えば導波路４０３）に加えられる。伝播媒体の材料特性とパラメータとの間の関係は測定数値（例えば、周波数、通過時間、位相）と共にパラメータ数値を計算するために使用される。
【００５５】
図４の集合体例によって、ならびにデジタル計数器４２０、デジタルタイマ４２２、デジタルクロック４２６および関連電子回路によって実施される方法１７００は、動作点条件（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）に従いデジタル化された測定データを分析する。特に、これら構成要素は、弾性エネルギー伝播構造または媒体内において伝播するエネルギーパルスまたは波の通過時間を変更することができる複数のデジタル化されたデータ値を累積し、弾性エネルギー伝播構造または媒体の長さまたは他の性状の変化の測定値の分解能のレベルを向上する。デジタル化されたデータはデジタル計数器４２０を複数の測定サイクルにわたり動作するように制御することによって合計される。各サイクルは、連続する測定サイクル間に遅れがなく、かつ総所要時間を取り込むように、励振段階および通過段階（ｔｒａｎｓｉｔ  ｐｈａｓｅ）を有する。カウンタは、必要な分解能をその累積能力（ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｙ）を超えることなく、かつカウンタの最下位ビットの分解能を妥協することなく実現するのに必要な出来る限り多くの測定サイクルの総所要時間をカウントするための大きさにされる。総所要通過時間のデジタル化された測定値は、その後、測定サイクルの数によって除算され、個々の測定サイクルの時間、したがって、励振、弾性エネルギー伝播構造または媒体内における伝播、およびエネルギーパルスまたは波の検出の個々のサイクルの通過時間が推定される。エネルギーパルスまたは波の励振および検出の所要時間が固定されているため、弾性エネルギー伝播構造または媒体内におけるエネルギーパルスまたは波の通過時間の変化の正確な推定値が取り込まれる。
【００５６】
除算する前に個々の測定値を合計して平均測定数値データ値（ａｖｅｒａｇｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｖａｌｕｅ  ｄａｔａ  ｖａｌｕｅｓ）を推定すると、同数のサンプルを平均するよりも優れた結果が得られる。デジタル計数器から回収されるカウントデータの分解能はカウンタの最下位ビットの分解能によって制限される。一連のカウントを取りそれらを平均しても１つのカウントの精度であるためこの最下位ビットを超える精度が得られない。個々の測定値間にランダム変動がある場合は平均化により最終推定値のランダム性は低減されない。多数の測定サイクルのカウントを合計して累積カウントを得、その後、全測定周期の平均値を計算するとカウンタの最下位ビットよりも小さい測定値の成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を補間することにより測定の精度が向上する。この手順によって得た精度は、カウンタの最下位ビットの分解能を合計された測定サイクルの数によって除算したものと同程度である。
【００５７】
デジタル計数器のサイズおよび累積される測定サイクルの数は必要なレベルの分解能よりも大きくてもよい。これは、必要なレベルの分解能を実現する性能を保証するのみならず、個々のカウント内のランダム成分を平均化し、必要なレベルの分解能を確実に満足させる、高度に反復可能な測定を生じさせる。
【００５８】
測定サイクルの数は必要なレベルの分解能よりも大きい。これは、必要なレベルの分解能を実現する性能を保証するのみならず、個々のカウント内の任意のランダム成分を平均化し、必要なレベルの分解能を確実に満足させる、高度に反復可能な測定を生じさせる。
【００５９】
図５は、一実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するための連続波多重化構成（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）にあるゼロ交差受信機２００を組み込んだセンサインターフェース図である。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。初めに、マルチプレクサ（ｍｕｘ）５０２は入カとしてクロック信号５０４を受信し、これがトランスデューサドライバ５０６に送られ、ドライブライン信号５０８を生成する。アナログマルチプレクサ（ｍｕｘ）５１０はドライブライン信号５０８を受信し、これが送信機トランスデューサ５１２に送られ、エネルギー波５１４を発生させる。トランスデューサ５１２はエネルギー伝播媒体の第１の位置に配置される。放出されたエネルギー波５１４はエネルギー伝播媒体内を伝播する。受信機トランスデューサ５１６はエネルギー伝播媒体の第２の位置に配置される。受信機トランスデューサ５１６はエネルギー波５１４を取り込み、エネルギー波５１４はアナログｍｕｘ５２０に供給されると共にゼロ交差受信機２００に送られる。トランスデューサ５１６によって取り込まれたエネルギー波はｍｕｘ５２０に提供される電波５１８によって示される。ゼロ交差受信機２００は取り込まれた電波５１８から検出された各ゼロ交差に対応するパルスを出力する。ゼロ交差はカウントされ、エネルギー伝播媒体内において伝播するエネルギー波の位相および周波数の変化を決定するために使用される。非限定的な例においては、加えられる力などのパラメータは、測定された位相および周波数を、パラメータ（例えば力）とエネルギー伝播媒体の材料特性との間の既知の関係に関連付けることによって測定される。概して、パルスシーケンス５２２は検出された信号周波数に対応する。ゼロ交差受信機２００は伝播調整式発振器のフィードバック路にある。パルスシーケンス５２２は閉ループ正フィードバック路内のｍｕｘ５０２により結合される。パルスシーケンス５２２は、パルスシーケンス５２２を提供する経路がドライバ５０６に結合されてエネルギー伝播媒体内へのエネルギー波の放出を継続し、ドライバ５０６へのクロック信号５０４の経路が無効にされるように、クロック信号５０４を無効にする。
【００６０】
図６は、連続波モードにおける動作用のゼロ交差受信機６４０を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図６は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例は連続波モードにおける動作用である。システムは、また、パルスモードおよびパルスエコーモードにおいて動作され得る。パルスモードおよびパルスエコーモードはパルスエネルギー波を使用する。パルスエコーモードはエネルギー伝播媒体内にエネルギー波を案内するために反射を使用する。簡潔には、デジタル論理回路６４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００６１】
連続波動作モードにおいては、パラメータを測定するためにトランスデューサ６０４と、伝播構造６０２と、トランスデューサ６０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内において導波路の長さを変化させる外力または外部条件６１２が伝播構造６０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間６０８の変化に対応する。同様に、伝播構造６０２の長さは加えられる力６１２に対応する。長さの減少は伝播構造６０２加えられるより強い力に対応する。逆に、長さの増加は伝播構造６０２に加えられる力６１２の低下に対応する。伝播構造６０２の長さは測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。
【００６２】
トランスデューサ６０４は連続波モードの放出デバイスである。パラメータを測定するためのセンサは、第１の位置において伝播構造６０２に結合されるトランスデューサ６０４を含む。トランスデューサ６０６は第２の位置において伝播構造６０２に結合される。トランスデューサ６０６は伝播するエネルギー波を取り込むための受信トランスデューサである。一実施形態においては、取り込まれた伝播したエネルギー波はトランスデューサ６０６によって出力された電気正弦波６３４である。
【００６３】
制御回路６１８がスイッチ６２０を閉じ、発振器６２２の発振器出力６２４を増幅器６２６の入カに結合すると測定シーケンスが開始される。増幅器６２６に提供された１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有するエネルギー波６１０をエネルギー伝播構造または媒体６０２中に伝播するための動作を開始する。増幅器６２６はデジタルドライバ６２８および整合ネットワーク６３０を含む。一実施形態においては、増幅器６２６は、発振器６２２の発振器出力を、発振器出力６２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ６０４を励振するのに十分な振幅を有する電波６３２の正弦波に変換する。
【００６４】
放出トランスデューサ６０４は、正弦波６３２を同じ周波数のエネルギー波６１０に変換し、それらを第１の位置においてエネルギー伝播構造または媒体６０２に放出する。エネルギー波６１０はエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。第２の位置にあるトランスデューサ６０６に到達すると、エネルギー波６１０は取り込まれるか、検知されるか、検出される。取り込まれたエネルギー波はトランスデューサ６０６によって同じ周波数を有する電波である正弦波６３４に変換される。
【００６５】
増幅器６３６は前置増幅器６３４およびゼロ交差受信機６４０を含む。増幅器６３６は、正弦波６３４を閉ループ回路の挙動を維持するのに十分な継続時間のデジタルパルス６４２に変換する。制御回路６１８は、スイッチ６２０を開き、スイッチ６４４を閉じることによって増幅器６３６からのデジタルパルス６４２に応答する。スイッチ６２０を開くと発振器出力６２４を増幅器６２６の入カから分離する。スイッチ６４４を閉じると増幅器６３６の出力を増幅器６２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波の放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路を形成する。
【００６６】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ６０４に入カされる正弦波６３２とトランスデューサ６０６によって出力される正弦波６３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。トランスデューサ６０６は、上に開示されるように、第２の位置に伝播するエネルギー波を検出すると正弦波６３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波６１０がエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。
【００６７】
エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波６１０の通過時間６０８を変化させる。通過時間６０８はエネルギー波が伝播構造６０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間を含む。したがって、伝播構造６０２の物理的特性の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波６１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギー波６１０の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作周波数を変更する。閉ループ回路は正弦波６３２および正弦波６３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波６１０の周波数および周波数の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の変化に相関する。
【００６８】
エネルギー伝播構造６０２に外力または外部条件６１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波６１０の周波数およびこの周波数の変化を、エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００６９】
周波数の測定または伝播調整式発振器の動作の前に、制御論理回路６１８がカウントレジスタ６４８内に格納されたループカウントをデジタル計数器６５０にロードする。第１のデジタルパルス６４２は伝播調整式発振器内における閉ループ動作を開始し、制御回路６１８に測定動作を開始するよう信号を送る。閉ループ動作の開始時、制御論理回路６１８はデジタル計数器６５０およびデジタルタイマ６５２を有効にする。一実施形態においては、デジタル計数器６５０は、ゼロ交差受信機６４０によって出力されたその各デジタルパルスの立ち上がり部分の値を減数する。デジタルタイマ６５２はそのクロックパルス６５６の各立ち上がり部分の値を増数する。デジタルパルス６４２の数が減数されると、デジタル計数器６５０内の、ストップ信号をゼロにするための数値がデジタル計数器６５０から出力される。ストップ信号はデジタルタイマ６５２を無効にし、ロードコマンドをデータレジスタ６５４に出力するために制御回路６１８をトリガする。データレジスタ６５４はエネルギー波またはパルスの周期にカウンタ６４８の数値を乗じ、クロック周期６５６で除算したものに等しい２進数をデジタルタイマ６５２からロードする。一定のクロック周期６５６によって、データレジスタ６５４内の数値は測定動作中に累積されたエネルギー波またはパルスの周期の総計に正比例する。測定動作の継続時間および測定値の分解能は、カウントレジスタ６４８において事前設定される数値を増加または減少することによって調整されてもよい。
【００７０】
図７は、一実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するためにパルス多重化構成にある一体型のゼロ交差受信機２００を組み込んだセンサインターフェース図である。一実施形態においては、センサ以外の回路が特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）に組み込まれる。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。まず、１つまたは複数のデジタルパルス７０４をトランスデューサドライバ７０６に結合するためにｍｕｘ７０２が有効にされる。トランスデューサドライバ７０６はデジタルパルス７０４に対応するパルスシーケンス７０８を発生させる。パルスシーケンス７０８を送信機トランスデューサ７１２に結合するためにアナログｍｕｘ７１０が有効にされる。トランスデューサ７１２は第１の位置において媒体に結合される。トランスデューサ７１２は、パルスシーケンス７０８に応答し、第１の位置において媒体内に放出される、対応するエネルギーパルス７１４を発生させる。エネルギーパルス７１４は媒体内を伝播する。受信機トランスデューサ７１６は媒体の第２の位置に配置される。受信機トランスデューサ７１６はエネルギーパルス７１４を取り込み、電気パルス７１８の対応する信号を発生させる。トランスデューサ７１６はｍｕｘ７２０に結合される。Ｍｕｘ７２０はゼロ交差受信機２００に結合するために有効にされる。トランスデューサ７１６からの電気パルス７１８はゼロ交差受信機２００に結合される。前に説明したように、ゼロ交差受信機２００は加えられる力に応答したエネルギーパルスの位相および周波数の変化を決定するために電気パルス７１８のゼロ交差をカウントする。ゼロ交差受信機２００は検出された信号周波数に対応するパルスシーケンス７２２を出力する。パルスシーケンス７２２はｍｕｘ７０２に結合される。パルス７２２の検出時、Ｍｕｘ７０２は、デジタルパルス７０４の、ドライバ７０６への接続から分離される。逆に、パルス７２２の検出時、パルス７２２をドライバ７０６に結合するためにｍｕｘ７０２が有効にされ、それによって、閉ループ正フィードバック路が形成される。したがって、パルスモードにおいては、ゼロ交差受信機２００は、媒体内の通過時間およびパルスの通過時間の変化を測定するために、第１の位置においては媒体へのエネルギーパルスの放出、第２の位置においては検出を継続する閉ループフィードバック路の一部である。
【００７１】
図８は、パルスモードにおける動作用のゼロ交差受信機６４０を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図８は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例はパルスモードにおける動作用である。システムは、また、連続波モードおよびパルスエコーモードにおいて動作され得る。連続波モードは連続波信号を使用する。パルスエコーモードはエネルギー伝播媒体内にエネルギー波を案内するために反射を使用する。簡潔には、デジタル論理回路６４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００７２】
パルス動作モードにおいては、パラメータを測定するためにトランスデューサ６０４と、伝播構造６０２と、トランスデューサ６０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内において導波路の長さを変化させる外力または外部条件６１２が伝播構造６０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間６０８の変化に対応する。伝播構造６０２の長さが測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。パルスモード動作の１つの利点は高振幅のパルスエネルギー波の使用である。一実施形態においては、エネルギー波の振幅はエネルギー波が媒体内を伝播するにつれて減衰する。エネルギー波がかなりの距離を移動せねばならない場合、またはエネルギー波が伝播するにつれて媒体による振幅低減の対象となる場合、高振幅パルスの使用は検出可能な信号を生成するための電力効率の高い方法である。
【００７３】
制御回路６１８がスイッチ６２０を閉じ、発振器６２２の発振器出力６２４を増幅器６２６の入カに結合すると測定シーケンスが開始される。増幅器６２６に提供された１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有するエネルギー波６１０をエネルギー伝播構造または媒体６０２中に伝播するための動作を開始する。増幅器６２６はデジタルドライバ６２８および整合ネットワーク６３０を含む。一実施形態においては、増幅器６２６は、発振器６２２の発振器出力を、発振器出力６２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ６０４を励振するのに十分な振幅を有する電波８３２のアナログパルスに変換する。
【００７４】
放出トランスデューサ６０４は、アナログパルス８３２を同じ周波数のエネルギー波６１０に変換し、それらを第１の位置においてエネルギー伝播構造または媒体６０２に放出する。エネルギー波６１０はエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。第２の位置にあるトランスデューサ６０６に到達すると、エネルギー波６１０は取り込まれるか、検知されるか、検出される。取り込まれたエネルギー波はトランスデューサ６０６によって同じ周波数を有する電波であるアナログパルス８３４に変換される。
【００７５】
増幅器６３６は前置増幅器６３８およびゼロ交差受信機６４０を含む。増幅器６３６はアナログパルス８３４を閉ループ回路の挙動を維持するのに十分な継続時間のデジタルパルス６４２に変換する。制御回路６１８は、スイッチ６２０を開き、スイッチ６４４を閉じることによって増幅器６３６からのデジタルパルス６４２に応答する。スイッチ６２０を開くと発振器出力６２４を増幅器６２６の入カから分離する。スイッチ６４４を閉じると増幅器６３６の出力を増幅器６２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波の放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路を形成する。
【００７６】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ６０４に入カされるパルス８３２と、トランスデューサ６０６によって出力されるパルス８３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。トランスデューサ６０６は、上に開示されるように、第２の位置に伝播するエネルギー波を検出するとパルス８３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波６１０がエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。
【００７７】
エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波６１０の通過時間６０８を変化する。通過時間６０８はエネルギー波が伝播構造６０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間を含む。したがって、伝播構造６０２の物理的特性の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波６１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギー波６１０の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作周波数を変更する。閉ループ回路はパルス８３２およびパルス８３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波６１０の周波数および周波数の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の変化に相関する。
【００７８】
エネルギー伝播構造６０２に外力または外部条件６１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。本明細書中で上により詳細に開示したように、動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波６１０の周波数およびこの周波数の変化を、エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００７９】
図９は、例示的な実施形態によるエッジ検出受信機回路９００のブロック図を示す。第１の実施形態においては、エッジ検出受信機９００はエネルギー波のパルスの波面を検出するために提供される。これは、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。一体型のエッジ検出受信機９００の回路は迅速なオンセット検出を提供し、エネルギーパルスの出現に素早く応答する。それは、その後、各取り込まれたエネルギーパルスまたはパルスエネルギー波の初期波面（ｉｎｉｔｉａｌ  ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の同じ点においてデジタル出力パルスを確実にトリガする。デジタルパルスは、最小かつ一定の遅延で最適に出力するように構成され得る。エッジ検出受信機９００は、干渉および歪み信号の存在下で、初期エネルギー波または波面の特定のポイントを分離し、かつ正確に検出することができ、それによって、エネルギー伝播媒体内において発生した複数の複素信号の１つの検出に一般に付随する問題が克服される。エッジ検出受信機９００は、これら機能を非常に低いレベルのエネルギーパルスを含む広範な振幅にわたり正確に実施する。
【００８０】
第２実施形態においては、エッジ検出受信機９００は伝播調整式発振器（ＰＴＯ）内に組み込まれ、パルスまたはパルスエコーモードにおいて動作する場合に閉ループ正フィードバックを維持する。エッジ検出受信機９００は入カおよび出力回路の多重化によりＰＴＯの他の回路と結合することができ、超低電力および小さな小型サイズ（ｓｍａｌｌ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｓｉｚｅ）が実現される。ＰＴＯの回路の、エッジ検出受信機との集積化は低レベル信号への感度が増加するという利点を提供する。
【００８１】
ブロック図は、低い信号レベルにおける優れた性能を有する低電力エッジ検出受信機回路９００の一実施形態を示す。エッジ検出受信機９００は、前置増幅器９１２と、微分器９１４と、デジタルパルス回路９１６と、ブランク除去回路９１８と、を含む。エッジ検出受信機回路９００は、ディスクリートのアナログ構成要素、デジタル構成要素、またはこれらの組み合わせにおいて実施され得る。一実施形態においては、エッジ検出受信機９００は以下に記載されるセンサシステムの一部としてＡＳＩＣに組み込まれる。エッジ検出受信機回路９００は、エネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にするために、特定位置および特定条件下においてエネルギーパルスまたはパルスエネルギー波を検出する測定方法を実施する。動作の方法の短い説明は以下の通りである。非限定的な例においては、前置増幅器は入力信号の勾配の小さな変化に応答して比較器回路をトリガする。比較器および他のエッジ検出回路は最小限の遅延で迅速に応答する。入力信号の小さな変化の検出はエネルギー波のパルスの出現の迅速な検出を確実とする。最小の位相設計は非本質的な遅延を低減し、それによって、入力されるエネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅の測定値に導入されるばらつきが低下する。
【００８２】
エッジ検出受信機９００の入カ９２０は前置増幅器９１２に結合される。一例として、エッジ検出受信機回路９００に入力される波９１０は電気接続部、アンテナまたはトランスデューサに受信され得る。入力される波９１０は前置増幅器９１２によって増幅され、小信号への適切な感度を確保する。微分器回路９１４は前置増幅器９１２の出力を監視し、パルスエネルギー波に対応する信号変化が検出されるたびにデジタルパルス回路９１６をトリガする。例えば、パルスエネルギー波を特定する信号変化はパルスエネルギー波の初期波面または立ち上がり部分である。１つの配置においては、微分器９１４は、勾配の迅速な検出を実現するために、電圧レベルの変化を測定する代わりに電流の流れの小さな変化を検出することによって、電流の流れ、および特に、エネルギー波９１０の勾配の変化を検出する。代替的に、微分器９１４は電圧の変化に対してトリガするように実装され得る。前置増幅器９１２および微分器９１６は共に、エネルギー波９１０の波面の出現のため零入カ電流を監視する。前置増幅器９１２および微分器９１６はエネルギー波の低レベルパルスおよびエネルギー波のより高いパルスの出現を検出する。この検出手法は、非常に低レベルの信号に対する優れた性能を実現する。微分器回路９１２は入力される波９１０の初期信号ランプ（ｉｎｉｔｉａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｒａｍｐ）により駆動される電流の流れが検出されるたびにデジタルパルス回路９１６をトリガする。デジタルパルスは、前置増幅器９１２の感度を減ずるブランク除去回路９１８に結合される。例えば、前置増幅器９１２の感度低下（ｄｅｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ）には、ゲインの低減、エネルギー波９１０からの入カ９２０の分離、または周波数応答の変更を含み得る。ブランク除去回路９１８は、また、エネルギー波９１０の干渉部または歪んだ部分を事実上飛ばす（ｓｋｉｐ）ために、特定のまたは既定の時間中、電圧または電流レベルを無視する。概して、エネルギー波９１０は勾配の２つ以上の変化を含み得るものであり、通常、減衰波形である。前置増幅器９１２の入カ９２０のパルスエネルギー波の追加信号または波は事前設定されたブランキング時間中には処理されない。この例では、デジタル出力パルス９２８は、したがって、以下に説明されるように信号処理回路に結合され得る。一実施形態においては、電子部品は集積回路内のブロックとして作動的に結合される。以下に示されるように、この集積配置はその特定の機能を最小数の構成要素によって効率的に実施する。これは、最小数の構成要素および最小の電力消費で必要な性能を実現するために、アナログ機能とデジタル機能の革新的区分のみならず、回路部品が集積回路およびディスクリート部品内の構造間において区分されていることが理由である。
【００８３】
図１０は、検出アセンブリ１０００に結合されるエッジ検出受信機回路９００のブロック図を示す。前置増幅器９１２およびデジタルパルス回路９１６が参考および説明のために示される。検出アセンブリ１０００は、送信機トランスデューサ１００２と、エネルギー伝播媒体１００４と、受信機トランスデューサ１００６と、を含む。送信機トランスデューサ１００２は第１の位置において伝播媒体１００４に結合される。受信機トランスデューサ１００６は第２の位置においてエネルギー伝播媒体１００４に結合される。代替的に、受信機トランスデューサ１００６の代わりに反射面を使用することができる。反射面は第１の位置の方に戻るようにエネルギー波を反射する。トランスデューサ１００６は、放出トランスデューサおよび受信トランスデューサになることを可能とすることができ、それによって、トランスデューサのコストが節約される。以下にさらに詳細に説明されるように、検出アセンブリ１０００は、一実施形態においては、荷重、特に、検出アセンブリ１０００に外部から加えられる力１００８を評価する感覚デバイスの一部である。トランスデューサドライバ回路（図示せず）が、エネルギー伝播媒体１００４内に誘導されるエネルギー波１０１０を生成するために検出アセンブリ１０００の送信機トランスデューサ１００２を駆動する。非限定的な例においては、外部から加えられる力１００８によるエネルギー伝播媒体１００４の変化は、エネルギー伝播媒体１００４の第１の位置から第２の位置に伝播するエネルギー波１０１０の周波数、位相および通過時間１０１２を変化させる。一体型のエッジ検出受信機回路９００は、再生エネルギー波９１０のエッジを検出し、デジタルパルス９２８をトリガするために受信機トランスデューサ１００６に結合される。概して、デジタルパルス９２８のタイミングは、外部パラメータによるエネルギー伝播構造１００４の変化に関連する対象のパラメータ（例えば、距離、力重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向、変位等）を伝達する。本明細書中で上に記載されるように、例えば、検出アセンブリ１０００が膝関節内に配置される。
【００８４】
エネルギーパルスの伝播に依存した測定方法は、エネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅を含むが、これらに限定されないパラメータを取り込むことを可能にするために特定位置または特定条件下におけるエネルギーパルスの検出を必要とする。そのような、エネルギー波１０１０またはエネルギー波のパルスの伝播に依存した測定方法は、エネルギー波またはパルスの非常に正確かつ制御された検出を実現するために必要である。さらに、エネルギー波のパルスは、その中に、潜在的な検出の曖昧性につながる複合波形を有する複数のエネルギー波を含んでもよい。特に、エネルギー伝播構造１００４内へのエネルギー波１０１０の誘導は、導波路のヌルおよび共振、ならびに発生したエネルギー波１０１０の特性に起因する干渉パターンを発生させる可能性がある。これら干渉パターンは、元のエネルギー波のエッジの歪みにつながる多重励振波形（ｍｕｔｉｐｌｙ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）を発生させる可能性がある。エネルギー波のパルスの出現を確実に検出するため、エッジ検出受信機９００は各パルス内の第１のエネルギー波の立ち上がり部分のみに応答する。これは、各エネルギーパルスの継続時間中にエッジ検出回路９００を帰線消去することによって一部実現される。一例として、ブランク除去回路９１８は、干渉部または波形の歪んだ部分を事実上飛ばすために、特定時間中、電圧または電流レベルを無視する。
【００８５】
図１１は、一実施形態による、閉ループ正フィードバック（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ  ｆｅｅｄｂａｃｋ）を維持するためのパルスエコー多重化構成にあるエッジ検出受信機回路９００を組み込んだセンサインターフェース図である。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。初めに、マルチプレクサ（ｍｕｘ）１１０２がデジタルパルス１１０４を入カとして受信し、これがトランスデューサドライバ１１０６に送られ、パルスシーケンス１１０８を生成する。アナログマルチプレクサ（ｍｕｘ）１１１０はパルスシーケンス１１０８を受信し、これがトランスデューサ１１１２に送られ、エネルギーパルス１１１４を発生させる。エネルギーパルス１１１４は媒体の第１の位置に放出され、媒体内を伝播する。パルスエコー例においては、エネルギーパルス１１１４が、媒体の第２の位置、例えば、導波路または反射器の端部において表面１１１６に反射され、トランスデューサ１１１２に戻るように反響される。トランスデューサ１１１２はその後引き続き反射したパルスエコーを取り込む。パルスエコーモードにおいては、トランスデューサ１１１２は送信機および受信機の両方として実施される。上に開示されるように、トランスデューサ１１１２は、エネルギー波の放出と受信との間を往復するようにトグルで切り換える。トランスデューサ１１１２は反射したエコーパルスを取り込み、反射したエコーパルスはアナログｍｕｘ１１１０に結合され、エッジ検出受信機９００に誘導される。取り込まれた反射したエコーパルスは電波１１２０によって示される。エッジ検出受信機９００は、前に説明したように、加えられる力に応答したエネルギーパルス１１１４の位相および周波数の変化を決定するために、伝播するエネルギー波の波面に対応するパルスエッジをロックする。それは、パラメータの中でも特に、検出された信号周波数に対応するパルスシーケンス１１１８を発生させる。パルスシーケンス１１１８はｍｕｘ１１０２に結合され、ドライバ１１０６に誘導され、１つまたは複数のエネルギー波の、トランスデューサ１１１２による媒体内への放出を開始する。パルス１１０４はドライバ１１０６への提供から分離される。したがって、信号がドライバ１１０６に提供されることをｍｕｘ１１０２が防止するまでエネルギー波を媒体内に繰り返し可能に放出する閉ループ正フィードバックが形成される。エッジ検出受信機９００は媒体の第２の位置に結合され、かつフィードバック路内にある。エッジ検出受信機９００は、フィードバック路が閉じた場合に第２の位置において波面を検出すると、パルスエネルギー波の、媒体の第１の位置における提供を開始する。
【００８６】
図１２は、パルスエコーモードにおける動作用のエッジ検出受信機回路９００を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図１２は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例はパルスエコーモードにおける動作用である。システムは、また、パルスモードおよび連続波モードにおいて動作され得る。パルスモードでは反射した信号を使用しない。連続波モードは連続信号を使用する。簡潔には、デジタル論理回路１２４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００８７】
パルスエコー動作モードでは、パラメータを測定するためにトランスデューサ１２０４と、伝播構造１２０２と、反射面１２０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内における導波路の長さを変化させる外力または外部条件１２１２が伝播構造１２０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間の変化に対応する。同様に、伝播構造１２０２の長さは加えられる力１２１２に対応する。長さの減少は、伝播構造１２０２に加えられるより強い力に対応する。逆に、長さの増加は、伝播構造１２０２に加えられる力１２１２の低下に対応する。伝播構造１２０２の長さが測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。
【００８８】
パルスエコーモードにおいては、トランスデューサ１２０４は放出デバイスおよび受信デバイスの両方である。パラメータを測定するためのセンサは、第１の位置において伝播構造１２０２に結合するトランスデューサ１２０４を含む。反射面は、第２の位置において伝播構造１２０２に結合される。トランスデューサ１２０４は、放出モードおよび受信モードを含む２つの動作モードを有する。放出モードにおいては、トランスデューサ１２０４は第１の位置において伝播構造１２０２内にエネルギー波を放出する。エネルギー波は第２の位置に伝播し、反射面１２０６によって反射される。反射エネルギー波は第１の位置に向かって反射され、トランスデューサ１２０４は、その後、受信モードにおいて、反射エネルギー波に対応する信号を発生させる。
【００８９】
制御回路１２１８がスイッチ１２２０を閉じるとパルスエコーモードの測定シーケンスが開始され、発振器１２２２のデジタル出力１２２４を増幅器１２２６の入カに結合する。増幅器１２２６に提供される１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有する１つまたは複数のエネルギー波１２１０をエネルギー伝播構造または媒体１２０２内に放出するためのプロセスを開始する。増幅器１２２６はデジタルドライバ１２２８および整合ネットワーク１２３０を含む。一実施形態においては、増幅器１２２６は発振器１２２２のデジタル出力をデジタル出力１２２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ１２０４を励振するのに十分な振幅を有する電波１２３２のパルスに変換する。
【００９０】
トランスデューサ１２０４は電波１２３２のパルスを同じ繰り返し数のエネルギー波１２１０のパルスに変換し、それらをエネルギー伝播構造または媒体１２０２内に放出する。エネルギー波１２１０のパルスは矢印１２１４によって示されるように反射面１２０６に向かってエネルギー伝播構造または媒体１２０２内を伝播する。反射面１２０６に達すると、エネルギー波１２１０は反射面１２０６によって反射される。反射エネルギー波は矢印１２１６によって示されるようにトランスデューサ１２０４に向かって伝播する。反射エネルギー波はトランスデューサ１２０４によって検出され、同じ繰り返し数を有する電波１２３４のパルスに変換される。
【００９１】
増幅器１２３６は前置増幅器１２３４およびエッジ検出受信機１２４０を含む。増幅器１２３６は、閉ループ回路のパルス挙動を維持するために、電波１２３４のパルスを、十分な継続時間を有するデジタルパルス１２４２に変換する。制御回路１２１８はスイッチ１２２０を開き、スイッチ１２４４を閉じることによって増幅器１２３６からのデジタル出力パルス１２４２に応答する。スイッチ１２２０を開くと発振器出力１２２４を増幅器１２２６の入カから分離する。スイッチ１２４４を閉じると、増幅器１２３６の出力を増幅器１２２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体１２０２内におけるエネルギーパルスの放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路が形成される。
【００９２】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ１２０４に入カされる電波１２３２とトランスデューサ１２０４によって出力される電波１２３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。上に開示されるように、トランスデューサ１２０４は反射面１２０６から反射された反射エネルギー波を検出すると電波１２３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波１２１０のパルスがエネルギー伝播構造または媒体１２０２内を伝播する。
【００９３】
エネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波１２１０の通過時間１２０８を変化させる。通過時間１２０８は、エネルギー波が伝播構造１２０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間と、反射エネルギー波が伝播構造１２０２の第２の位置から第１の位置に伝播するための時間とを含む。したがって、伝播構造１２０２の物理的特性の変化は、エネルギー伝播構造または媒体１２０２内におけるエネルギー波１２１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギーパルス１２１０の繰り返し数の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作の繰り返し数を変更する。閉ループ回路は電波１２３２および電波１２３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波１２１０の繰り返し数および繰り返し数に対する変更はエネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の変化に相関する。
【００９４】
エネルギー伝播構造１２０２に外力または外部条件１２１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波１２１０の周波数およびこの周波数の変化は、エネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００９５】
周波数の測定または伝播調整式発振器の動作の前に、制御論理回路１２１８はカウントレジスタ１２４８内に格納されたループカウントをデジタル計数器１２５０にロードする。第１のデジタルパルス１２４２は伝播調整式発振器内における閉ループ動作を開始し、制御回路１２１８に測定動作を開始するよう信号を送る。閉ループ動作の開始時、制御論理回路１２１８はデジタル計数器１２５０およびデジタルタイマ１２５２を有効にする。一実施形態においては、デジタル計数器１２５０は、エッジ検出受信機１２４０により出力されたその各デジタルパルスの立ち上がり部分の値を減数する。デジタルタイマ１２５２はそのクロックパルス１２５６の各立ち上がり部分の値を増数する。デジタルパルス１２４２の数が減数されると、デジタル計数器１２５０内の、ストップ信号をゼロにするための数値がデジタル計数器１２５０から出力される。ストップ信号はデジタルタイマ１２５２を無効にし、ロードコマンドをデータレジスタ１２５４に出力するよう制御回路１２１８をトリガする。データレジスタ１２５４は、エネルギー波またはパルスの周期にカウンタ１２４８の数値を乗じ、クロック周期１２５６で除算したものに等しい２進数をデジタルタイマ１２５２からロードする。一定のクロック周期１２５６によって、データレジスタ１２５４内の数値は測定動作中に累積されたエネルギー波またはパルスの周期の総計に正比例する。測定動作の継続時間および測定値の分解能を、カウントレジスタ１２４８において事前設定される数値を増加または減少することによって調整してもよい。
【００９６】
図１３は、例示的実施形態による検出モジュール１３０１の簡略断面図である。検出モジュール（または集合体）は、検出モードに従い構成されかつ動作される場合、正フィードバック閉ループ測定システムとして実行される電気的構成要素および機械的構成要素を含む電気機械式アセンブリである。測定システムは、荷重などの、電気機械式アセンブリに加えられる力を正確に測定することができる。検出モードは、連続モード、パルスモードまたはパルスエコーモードとされ得る。
【００９７】
一実施形態においては、電気的構成要素は、超音波共振器またはトランスデューサ４０５および４０６、超音波導波路４０３、信号処理電子機器１３１０を含み得るが、これらに限定されない。機械的構成要素は、付勢ばね１３３２、ばね保持器およびポストおよび荷重台（ｌｏａｄ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）１３０６を含み得るが、これらに限定されない。電気的構成要素および機械的構成要素は、検出モジュール１３０１内のコヒレントな超音波測定システムとして、および検出モードに従い動作するためにプリント回路基板１３３６上に相互に組み付けられ得る（ｉｎｔｅｒ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）（または集積され得る）。以下により詳細に説明されるように、信号処理電子機器は、超音波共振器またはトランスデューサの動作周波数を制御して高精度の検出を提供するために、伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を組み込む。さらに、信号処理電子機器は、媒体内を伝播した後のエネルギー波を一貫して検知する検知回路を組み込む。検知により、媒体に結合されてその中を伝播する、新しいエネルギー波の生成が超音波共振器またはトランスデューサによって開始される。媒体内を通るエネルギー波の通過時間の変化が測定され、媒体に加えられる１つまたは複数のパラメータに起因する媒体の材料特性の変化に相関される。
【００９８】
検出モジュール１３０１は１つまたは複数の集合体４０１を含み、そのそれぞれが１つまたは複数の超音波共振器４０５および４０６を含む。示されるように、導波路４０３はトランスデューサ（４０５、４０６）の間に結合され、かつ耐荷重面または接触面４０８に固定される。１つの例示的実施形態においては、導波路４０３内における伝播のために超音波信号が結合される。検出モジュール１３０１は、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８内に配置されるか、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８にまたは内に取り付けられるか、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８にまたは内に固定される。この配置は、対象のパラメータの、検出モジュール１３０１内における１つまたは複数の導波路４０３の長さの変化、または圧縮もしくは伸展への翻訳およびこれら長さの変化の、電気信号への変換を容易にする。これは、広範な用途における体、器具、装置、車両、機器または物理的システム１３１８の動作に対する最小限の阻害で、データの取り込み、対象のパラメータの測定およびそのデータのデジタル化、したがって、その後、そのデータの、アンテナ１３３４を通じた外部機器との通信を容易にする。
【００９９】
検出モジュール４０１は、エネルギー波伝播および測定の３つの動作モードである、反射、一方向および双方向を支持する。これらモードは各個々の用途において適宜使用され得る。一方向モードおよび双方向モードにおいては、選択された超音波共振器またはトランスデューサが超音波のパルスを超音波導波路内に放出するように制御され、１つまたは複数の他の超音波共振器またはトランスデューサが、超音波導波路内の１つまたは複数の特定位置において超音波のパルスの伝播を検出するように制御される。反射またはパルスエコーモードにおいては、単一の超音波またはトランスデューサが超音波のパルスを導波路４０３内に放出し、その後、選択した特徴部または導波路の終端から反射後のエコー波のパルスを検出する。パルスエコーモードにおいては、パルスのエコーは、放出する超音波共振器またはトランスデューサの動作を放出動作モードと検出動作モードとの間において交互するように制御することによって検出され得る。パルス動作モードおよびパルスエコー動作モードでは、平衡状態において導波路内を伝播する２つ以上のパルスエネルギー波による動作を要してもよい。
【０１００】
物理的システム内または体内の多くの対象のパラメータをエネルギーパルスの通過時間の変化を測定することによって測定することができる。エネルギーパルスの周波数（連続または不連続信号の平均周期の逆数により定義される）およびタイプは、測定の距離、信号が移動する媒体、測定に必要な正確さ、測定に必要な精度、システムによって機能するものの形態的要素、電力制約およびコストなどの要素によって決定される。対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、荷重、力、圧力、変位、密度、粘度、局所温度の測定値を含み得るが、これらに限定されない。これらパラメータは、軸または軸の組み合わせに沿った、向き、位置合わせ、方向、または配置、ならびに運動、回転または加速に対する、エネルギーパルスまたは波の伝播時間の変化を、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスにより測定することによって評価され得る。
【０１０１】
非限定的な例においては、超音波エネルギーのパルスは導波路４０３内におけるパルスの通過時間を測定するための正確な標識を提供する。概して、超音波信号はヒトの可聴域（例えば＞２０ＫＨｚ）を超える周波数を有する音響信号であり、メガヘルツ領域内の周波数を優に含む。一実施形態においては、超音波エネルギーパルスの通過時間の変化は前の状態からの導波路の物理的寸法の差に対応する。例えば、膝関節全体に加えられた力または圧力は導波路４０３を新しい長さに圧縮し、エネルギーパルスの通過時間を変化する。検出モジュールとして組み込まれ、かつ物理的システムまたは体に挿入されるか結合される場合、これら変化はシステムまたは体の物理的変化に直接相関し、圧力または力として容易に測定され得る。
【０１０２】
図１４は、例示的な実施形態による、反射モードおよび一方向動作モードを示すための例示的集合体１４００である。集合体１４００は、１つまたは複数のトランスデューサ１４０２、１４０４および１４０６と、１つまたは複数の導波路１４１４と、１つまたは複数の任意の反射面１４１６と、を含む。集合体１４００は、反射モードおよび一方向動作モードにおける導波路１４１４内の超音波１４１８の伝播を示す。必要であれば、１つまたは複数のインターフェーシング材料１４０８および１４１０と併せて、超音波共振器またはトランスデューサ１４０２および１４０４のいずれかが超音波１４１８を導波路１４１４内に放出するように選択することができる。
【０１０３】
一方向モードにおいては、超音波共振器またはトランスデューサのいずれか、例えば１４０２、が超音波１４１８を導波路１４１４内に放出することを可能とすることができる。非放出（ｎｏｎ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ）超音波共振器またはトランスデューサ１４０４は超音波共振器またはトランスデューサ１４０２により放出された超音波１４１８を検出することを可能とされる。
【０１０４】
反射モードでは、超音波１４１８は、導波路１４１４の反対端の表面、界面または体から反射後、放出する超音波共振器またはトランスデューサ１４０２により検出される。このモードにおいては、超音波共振器またはトランスデューサ１４０２または１４０４のいずれかが超音波を放出および検出するように選択され得る。超音波を反射するための追加の反射特徴部１４１６が導波路構造内に追加され得る。これにより、一方向モードと反射モードを組み合わせた動作を支持することができる。この動作モードにおいては、超音波共振器の１つ、例えば共振器１４０２は、超音波１４１８を導波路１４１４内に放出するように制御される。別の超音波共振器またはトランスデューサ１４０６は、反射特徴部１４１６による超音波１４１８の反射後に、放出する超音波共振器１４０２（またはトランスデューサ）によって放出された超音波１４１８を検出するように制御される。
【０１０５】
図１５は、この集合体の双方向動作モードにおける導波路１５０６内の超音波１５１０の伝播を示す例示的集合体１５００である。このモードにおいては、インターフェーシング材料（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）１５２０およびインターフェーシング材料１５２２に固定された２つの個々の超音波共振器（１５０２、１５０４）またはトランスデューサの役割の選択が、必要であれば、定期的に反転される。双方向モードでは、導波路１５０６内においていずれの方向に伝播する超音波の通過時間も測定することができる。これにより、運動１５１６中に検出モジュール１５０８が動作する用途におけるドップラー効果の調整を可能にすることができる。さらに、この動作モードは、この外部運動１５１６をオフセットするための調整値を算出するためのデータを取り込むことによって、加えられた荷重、力、圧力または変位の正確な測定を確実にする。荷重、圧力または変位の検出時に体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム１５１４自体が動作しているか移動している状況において利点が提供される。同様に、この機能は、また、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムが、荷重、力、圧力または変位の検出時に、測定される体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムの部分１５１２を運動１５１６させる状況において修正することができる。システム１５１４の物理的変化の測定値への他の調整は同様の手法で企図され、かつ補償され得る。例えば、システム１５１４の温度が測定され得ると共に測定値を正規化するために温度対通過時間の関係を有するルックアップテーブルまたは式が使用され得る。当技術分野において公知のように、多くの種類の共通因子を消去するために差分測定法（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）も使用され得る。
【０１０６】
導波路１５０６の使用は、標準的な部品および製造プロセスを使用し、生物医学的用途の非常に小型の検出モジュール、使い捨てのモジュール、およびデバイスを含む広範なサイズにわたる低コストの検出モジュールおよびデバイスの構築を可能にする。広範なサイズにわたり測定することができる非常に高レベルの測定精度、繰り返し性および分解能を有する検出モジュールおよびデバイスを構成する柔軟性により、検出モジュールおよびデバイスを、広範な医療および非医療用途のための対象の１つまたは複数の物理的パラメータに関するデータに適合し、かつ収集するように作製することを可能にする。
【０１０７】
例えば、体、器具、装置、車両、機器または物理的システムの動作を阻害することなく対象の１つまたは複数のパラメータを実時間で検出するために、検出モジュールまたはデバイスは、器具、器械、車両、機器または他の物理的システムならびに動物体および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システム上または内に配置されても、器具、器械、車両、機器または他の物理的システムならびに動物体および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システムにまたは内に取り付けられても固定されてもよい。
【０１０８】
非医療用途に加えて、広範な潜在的医学的用途の例は、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、術中インプラントまたは試行用インサート内のモジュールまたはデバイス、挿入または摂取されたデバイス内のモジュール、着用可能なデバイス内のモジュール、手持型のデバイス内のモジュール、これらの全ての器具、器械、機器または付属品内のモジュール、またはインプラント、試行用インサート、挿入または摂取されたデバイス、着用可能なデバイス、手持型のデバイス、器具、器械、機器内の使い捨て具、またはこれらデバイス、器具、器械または機器の付属品を含んでもよいが、これらに限定されない。血管系、リンパ系、呼吸器系および消化器系全体、ならびに筋、骨、関節および軟組織領域内またはそれらに影響する用途における、個々の関節内の荷重、骨密度、運動、粘度、圧力および局所温度を含むが、これらに限定されない間質液の種々のパラメータを含むが、これらに限定されない動物体または人体内の多くの生理的パラメータが測定されてもよい。例えば、整形外科用途は、膝、股関節部、肩部、肘、手首、足首および脊椎、任意の他の整形外科または筋肉・骨格インプラント、またはこれらの任意の組み合わせの外科的処置のためであるが、これらに限定されない耐荷重装具構成要素または仮のもしくは試行装具構成要素を含んでもよいが、これらに限定されない。
【０１０９】
図１６は、導波路１６０６の長さの変化による超音波１６１４の伝播の変化を示すためのセンサ素子１６００の例示的断面図である。概して、パラメータの測定は変位をパラメータに関連付けることによって実現される。一実施形態においては、全測定範囲にわたり必要とされる変位はミクロンで測定される。例えば、外力１６０８が導波路１６０６を圧縮し、それによって、導波路１６０６の長さが変化する。検出回路（図示せず）は、導波路１６０６の長さの変化を決定するために導波路１６０６内の超音波信号の伝播特性を測定する。これら長さの変化は、対象のパラメータに対して正比例で変化するため、対象の１つまたは複数のパラメータの変化を電気信号に変換することが可能になる。
【０１１０】
示されるように、外力１６０８が導波路１６０６を圧縮し、トランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４を距離１６１０だけ互いに近づける。これは、トランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４との間の導波路１６０６の長さを導波路の伝播路の距離１６１２だけ変化させる。動作モードによっては、検出回路は導波路内の超音波の伝播の特性を分析することにより導波路１６０６の長さの変化を測定する。
【０１１１】
図１６の１つの解釈は、導波路１６０６の一端にあるトランスデューサ１６０２から放出され、導波路１６０６の他端にあるトランスデューサ１６０４に伝播する波を示す。この解釈は、導波路１６０６の動きの効果、したがって、（個々の波の形状または幅を変えずに）導波路１６０６内において伝播する波の速度、したがって、導波路の各端部にあるトランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４との間の通過時間を含む。この解釈には、逆方向に伝播する波に対する逆の効果をさらに含み、逆の効果は、導波路の速度を推定し、両方向に伝播する波の通過時間を平均化することによりそれを除去するために評価される。
【０１１２】
対象の１つまたは複数のパラメータの変化は伝播媒体内のエネルギーパルスまたは波の通過時間の変化を測定することによって測定される。対象の１つまたは複数のパラメータの変化の閉ループ測定は弾性エネルギー伝播構造の伝播特性に応じてエネルギーパルスの繰り返し数またはエネルギー波の周波数を調整することによって実現される。
【０１１３】
連続波動作モードでは、位相検出器（図示せず）は周波数および導波路１６０６内の共振超音波の周波数の変化を評価する。以下に記載されるように、連続波（ＣＷ）モードにおける正フィードバック閉ループ回路動作は、導波路１６０６内の超音波１６１４の周波数を調整し、導波路１６０６内において同じ数または整数の周期の超音波を維持する。ＣＷ動作は、導波路の長さの変化速度がそれほど急激でなく、伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の周波数が応答し得る前に四分の一波長を超える変化が起こる限りは持続する。この制限は、ＰＴＯの性能と位相同期ループ（ＰＬＬ）の性能との間の有利な相違の１つを例示するものである。トランスデューサが、例えば、２．４ＭＨｚの超音波を生成すると想定すると、空気中波長（マイクロ秒あたり３４３ミクロンの速度を想定する）は約１４３μであるが、導波路内の波長は制限されない空気（ｕｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ  ａｉｒ）中にある場合よりも長くてもよい。
【０１１４】
パルス動作モードにおいては、位相検出器は、超音波パルスのトランスデューサ１６０２による伝送時、およびトランスデューサ１６０４における受信時との間の飛行時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ）を測定する。飛行時間は導波路の伝播路の長さを決定し、したがって、導波路１６０６の長さの変化を明らかにする。別の配置においては、導波路１６０６の長さの変化を判断するために飛行時間測定値の差（または位相差）が使用され得る。パルスは、１つまたは複数の波のパルスを含む。波は等しい振幅および周波数（矩形波パルス）を有してもよく、またはそれらは、異なる振幅、例えば、崩壊振幅（ｄｅｃａｙｉｎｇ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）（台形パルス）またはいくつかの他の複合波形を有してもよい。ＰＴＯは導波路内を伝播するパルスの立ち上がり部分の位相を一定に維持している。パルスモード動作では、ＰＴＯは、各パルスの第１の波の立ち上がり部分をＣＷモードで使用されるゼロ交差受信機回路よりもむしろエッジ検出受信機で検出する。
【０１１５】
図１８は、一実施形態例による医療検出システム１８００のブロック図を示す。医療検出システムは、図４、図６、図８および図１２に記載された医療パラメータを測定するためのシステムと同様に動作する。システム１８００のセンサはキャパシタ１８０２である。キャパシタ１８０２は測定される医療パラメータによって変化する可変キャパシタである。キャパシタ１８０２の静電容量値はパラメータの値に相関する。第１の例では、測定されるパラメータは温度である。キャパシタ１８０２の静電容量は測定される温度に結合される。「温度」におけるキャパシタ１８０２の静電容量はシステム１８００によって正確に測定することができ、かつ温度値と再度相関され得る。パラメータの別の例は力、圧力または荷重である。一実施形態においては、力、圧力または荷重はキャパシタ１８０２に加えられ得る。「力、圧力または荷重」におけるキャパシタ１８０２の静電容量はシステム１８００によって測定され、力、圧力または荷重値に再度相関される。いずれの例においても、静電容量はパラメータ測定範囲全体にわたり公知の手法によって変化する。概して、パラメータ測定範囲全体にわたる静電容量の変化は規則的に起こる。パラメータシステム１８００内の静電容量変化の不規則性は、任意の静電容量変化の不規則性を説明するために、または測定精度をさらに向上するためにパラメータ測定範囲全体にわたり校正され得る。
【０１１６】
システム１８００は、キャパシタ１８０２と、信号発生器１８０４と、デジタルクロック１８０６と、デジタル計数器１８０８と、デジタルタイマ１８１０と、カウンタレジスタ１８１２と、データレジスタ１８１４と、を含む。信号発生器１８０４はキャパシタ１８０２に結合され、信号を提供するための出力を有する。信号発生器１８０４は、キャパシタ１８０２の静電容量に対応する信号１８１６または波形を発生させる。キャパシタ１８０２の静電容量が変化するにつれて信号１８１６は変化する。例えば、信号１８１６の測定サイクルの時間周期はキャパシタ１８０２の静電容量に関連し得る。
【０１１７】
一実施形態においては、信号発生器１８０４は発振器である。デジタルクロック１８０６がデジタル計数器１８０８およびデジタルタイマ１８１０に結合されている。デジタルクロック１８０６は、測定シーケンス中、デジタル計数器１８０８およびデジタルタイマ１８１０にクロック信号を提供する。デジタル計数器１８０８はカウンタレジスタ１８１２に結合し、かつ信号発生器１８０４の出力に結合する。カウンタレジスタ１８１２は測定シーケンスに対応する既定カウントを提供する。概して、測定精度は既定カウントを上げることによって増加され得る。デジタル計数器１８０８はカウンタレジスタ１８１２から既定カウントを受信する。測定シーケンスの開始後、デジタル計数器は信号発生器１８０４の出力における測定サイクルの数を既定カウントと比較する。測定サイクルのカウントが既定カウントに等しい場合、測定シーケンスは終了する。一実施形態においては、信号発生器１８０４による各測定サイクルの出力は、測定シーケンスの終了を意味するゼロカウントに達するまでデジタル計数器１８０８を減数させる。デジタルタイマ１８１０は測定シーケンスの時間周期を測定する。換言すると、デジタルタイマ１８１０は、信号発生器１８０４が既定カウントの測定サイクルを出力するのに必要な所要時間を測定する。データレジスタ１８１４はデジタルタイマ１８１０に結合し、測定シーケンスの時間周期または所要時間に対応する値を格納する。測定シーケンスの所要時間はキャパシタ１８０２の統計的に多数の測定に対応する。所要時間は、既定カウントの測定サイクルまたは静電容量の測定値の総計に対応する。データレジスタ１８１４内に格納された値は、所要時間の、力、圧力または荷重値への翻訳とされ得る。測定シーケンスの時間周期中、測定されるパラメータは安定した静電容量値を生成すべきである。
【０１１８】
図１９は、一実施形態例による、キャパシタ１８０２に対応する信号を発生させる発振器１９００を示す。発振器１９００は図１８の信号発生器１８０４に対応する。発振器１９００は、図１８の信号１８１６を発生させるために使用される回路の一例である。発振器１９００は、電流源１９０２と、電流源１９０４と、比較器１９０６と、スイッチ１９０８と、スイッチ１９１０と、スイッチ制御部１９１２と、を含む。キャパシタ１８０２は、電流源１９０２および電流源１９０４に結合される。電流源１９０２および電流源１９０４はそれぞれ、キャパシタ１８０２からの電流を吐き出しかつ吸い込む。電流源１９０２は電流Ｉを吐き出す。電流源１９０４は、電流２Ｉまたは電流源１９０２によって提供される電流の２倍を吸い込む。スイッチ１９１０は、電流源１９０４がアースに結合されている場合、電流を吸い込むことを可能にする。比較器１９０６は、キャパシタ１８０２に結合される正入カと、スイッチ１９０８に結合される負入カと、出力と、を含む。比較器１９０６の出力はスイッチ制御部１９１２に結合する。スイッチ制御部１９１２は、スイッチ位置を制御するためにスイッチ１９０８およびスイッチ１９１０に結合する。比較器１９０６の出力はスイッチ制御部１９１２への制御信号である。
【０１１９】
概して、電流源１９０２および電流源１９０４はそれぞれ、キャパシタ１８０２を充電および放電する。比較器１９０６の出力がロー状態の場合、キャパシタ１８０２は電流源１９０２によって充電される。スイッチ制御部１９１２はスイッチ１９１０を開き、比較器１９０６の出力がロー状態に移行すると、基準電圧Ｖｒｅｆはスイッチ１９０８によって比較器１９０６の負入カに結合される。電流源１９０２からの電流Ｉが静電容量を充電するにつれてキャパシタ１８０２の電圧は上昇する。キャパシタの電圧の変化のスルーレートはキャパシタ１８０２の静電容量および電流Ｉに関連する。比較器１９０６の出力は、キャパシタ１８０２の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以上である場合、ロー状態からハイ状態に移行する。スイッチ制御部１９１２はスイッチ１９１０を閉じ、基準電圧Ｖｒｅｆ／２は、比較器１９０６の出力がハイ状態に移行すると、スイッチ１９０８によって比較器１９０６の負入カに結合される。電流源１９０４のシンク電流は２Ｉ、すなわち電流源１９０２によって吐き出される電流の２倍である。電流源１９０４はキャパシタ１８０２からの電流Ｉおよび電流源１９０２からの同等の電流を吸い込む。電荷が除去されるにつれてキャパシタ１８０２の電圧は降下する。比較器の出力は、キャパシタの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ／２以下である場合にハイ状態からロー状態に変化する。この例では、キャパシタ１８０２の電圧は基準電圧Ｖｒｅｆと基準電圧Ｖｒｅｆ／２との間において移行する。キャパシタ電圧の立ち上がり部分および立ち下がり部分のスルーレートは対称である。シーケンスが停止されるまで繰り返すのこぎり歯パターンが発振器１９００によって発生する。測定サイクルは単一の三角形の波形を発生させるための時間に対応する。三角形の波形は、キャパシタ１８０２の電圧をＶｒｅｆ／２からＶｒｅｆに、およびＶｒｅｆからＶｒｅｆ／２に移行するための時間を含む。測定サイクルはキャパシタ１８０２の静電容量に関連することに留意されたい。キャパシタ１８０２の静電容量を増加すると、同様に測定サイクルが増加する。逆に、キャパシタ１８０２の静電容量を減少すると、同様に測定サイクルが減少する。比較器１９０６の出力における信号は、また、信号１８１６に対応する。したがって、発振器１９００によって出力された信号とキャパシタ１８０２の静電容量に関係が形成される。
【０１２０】
図１を簡潔に参照すると、センサ１００は筋肉・骨格系に結合される。この例では、膝関節装具が示され、センサ１００は膝領域に結合される。センサ１００は筋肉・骨格系に結合されるキャパシタ１８０２とされ得る。キャパシタ１８０２は力、圧力または荷重を測定するために膝関節装具の関節面に結合され得る。一実施形態においては、関節面に加えられる力、圧力または荷重は、キャパシタ１８０２に結合され、それにより、関節面に加えられる力、圧力または荷重によって静電容量が変化する。膝関節が示されるが、図１８のキャパシタ１８０２およびシステム１８００は、キャパシタ１８０２の静電容量に作用するパラメータを測定するために、医療機器、ツール、器具および装具構成要素において使用され得る。同様に、膝関節が例として記載されているが、キャパシタ１８０２は、加えられた力、圧力または荷重を測定するために、筋肉・骨格医療機器、ツール、器具および装具構成要素に組み込むことができる。さらに、図１８のキャパシタ１８０２およびシステム１８００は、膝に限定されず、骨、組織、肩部、足首、股関節部、膝、脊椎、肘、手および足などのパラメータ測定用の装具構成要素に組み込むことができる。
【０１２１】
図１８および図１９を再度参照すると、信号発生器１８０４はキャパシタ１８０２の静電容量に対応する反復波形を出力する。発振器１９００は、反復波形を変動するまたは発生させる信号発生器１８０４の実装である。この例では、発振器１９００は、対称な立ち上がり部分および立ち下がり部分を有する反復するのこぎり波形を出力する。波形の測定サイクルはＶｒｅｆ／２からＶｒｅｆへの移行および再度Ｖｒｅｆ／２への移行に必要な時間である。測定サイクルの時間はキャパシタの静電容量に対応する。各測定サイクルの時間は、測定シーケンス中、キャパシタ１８０２の静電容量が一定に留まる場合は実質的に等しい。一実施形態においては、カウンタレジスタ１８１２に既定カウントがロードされる。測定シーケンスは波形の既定点において開始され得る。例えば、測定シーケンスを開始するための波形を開始するための電圧Ｖｒｅｆ／２が検出され得る。その後、電圧Ｖｒｅｆ／２が検出されるごとに、デジタル計数器１８０８は減数される。デジタル計数器がゼロに減数すると測定シーケンスは終了する。デジタルタイマ１８１０は、のこぎり波形の既定カウントの測定サイクルに対応する測定シーケンスの所要時間を測定する。代替的に、比較器１９０６の出力は発振または反復波形として使用され得る。比較器１９０６の出力の立ち上がりまたは立ち下がり部分は、デジタル計数器１８０８を始動および減数するために使用され得る。測定シーケンスは、測定されるパラメータおよびそれに関係してキャパシタ１８０２の静電容量が実質的に一定である周期中に開始されるように構成される。プロセスでは、静電容量１８０２を既定カウントに等しい回数測定する。測定値のばらつきは多数の既定カウントを有することによって平均化することができる。プロセスでは、また、静電容量の非常に小さな変化を非常に正確に測定することを可能にする。測定の精度は測定サイクルの既定カウントを上げることによって増加され得る。一実施形態においては、測定された静電容量は測定された所要時間および既定カウントの測定サイクルによって決定された平均値である。測定された静電容量は力、圧力または荷重などの測定されるパラメータに翻訳され得る。データレジスタ１８１４は、パラメータ測定値またはパラメータ測定値に対応する数値を格納するように構成され得る。
【０１２２】
図２０は、力、圧力または荷重を測定するための方法２０００を開示する。方法の記載は図１、４、６、８、１２、１３および１９に関連するため、それらを参考にすることができる。本明細書中に開示される例では、装具構成要素実装を使用するが、方法２０００は任意の他の適切なシステムまたはデバイスにおいて実施することができる。方法２０００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法２０００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。
【０１２３】
ステップ２００２では、キャパシタに力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重の変化はキャパシタの静電容量の対応する変化を生成する。ステップ２００４では、反復信号が発生される。反復信号の単一波形の時間周期は測定サイクルである。測定サイクルの時間周期はキャパシタの静電容量に対応する。ステップ２００６では、波形または信号が既定回数反復される。測定シーケンスは既定回数の反復波形を含む。ステップ２００８では、測定シーケンスの所要時間が測定される。所要時間は既定の数の波形を発生させるのに必要な時間である。ステップ２０１０では、測定シーケンス中、力、圧力または荷重は維持される。概して、キャパシタに結合される力、圧力または荷重は、測定シーケンス中、一定とすべきである。ステップ２０１２では、測定された所要時間は力、圧力または荷重の測定値に相関される。通常、キャパシタに加えられる力、圧力または荷重の測定範囲は既知である。キャパシタまたは使用されているキャパシタのタイプは、使用前、測定範囲全体にわたり既知の力、圧力および荷重を使用することにより特徴付けられ得る。したがって、静電容量と、力、圧力または荷重との間の相関は既知である。例えば、静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係はルックアップテーブル内または数学的表現によって記憶され得る。一実施形態においては、キャパシタは測定範囲全体にわたりほぼ線形に応答する。キャパシタの平均静電容量は、測定シーケンス中、既定の数の波形を発生させるために測定された所要時間を使用して計算され得る。力、圧力または荷重は、その後、前述の特徴付け（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）から決定され得る。キャパシタの最終試験時に校正技法を使用することによってさらなる改良が実現され得る。キャパシタ上の校正データは力、圧力または荷重の計算において測定誤差をさらに低減するために使用され得る。ステップ２０１４では、測定精度を上昇させるために既定の数の波形が増加され得る。増加された数の既定数の波形にわたり力、圧力または荷重が実質的に一定である場合、測定分解能はこの技法によって増加され得る。さらに、力、圧力または荷重測定範囲にわたり静電容量変化が比較的小さい場合、分解能は測定を支持する。
【０１２４】
図２１は、一実施形態例によるキャパシタ２１００を示す。概して、医療環境において使用するためのセンサは正確であり、信頼性が高く、低コストであり、用途に適した形態的要素を有する。電気信号を生成するセンサは、測定データを受信、分析および提供するために電子回路への有線または無線相互接続を必要とする。キャパシタ２１００は上記の要求事項を満たす。キャパシタ２１００は、様々な医療パラメータを測定するための医療機器、ツールおよび器具において使用され得る。この例では、キャパシタ２１００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのデバイス、ツール、機器および装具構成要素に組み込むことができる。キャパシタ２１００は、取り付けおよび取り付けられた構造の長期測定を支持する術中および埋め込み型装具構成要素に好適である。
【０１２５】
キャパシタ２１００は、誘電層２１０２と、誘電層２１０４と、誘電層２１０６とを含む。キャパシタ２１００は、機械的に直列の２つを超えるキャパシタを含む。一実施形態においては、キャパシタ２１００は、機械的直列の３つのキャパシタを含む。図２２を簡潔に参照すると、図２１のキャパシタ２１００は、キャパシタ２２０６、２２０４および２２０８を含む。キャパシタ２２０６、２２０４および２２０８は機械的に直列で結合されている。圧縮力、圧力または荷重２２０２が、直列に結合されたキャパシタ２２０６、２２０４、および２２０８に加えられる。図２１を再度参照すると、第１のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０２と、導電性領域２１１０とを含む。第１のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０４に対応する。導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は所定の面積を有し、所定の面積、誘電層２１０２の誘電率および誘電層２１０２の厚さがキャパシタ２２０４の静電容量を決定する。一実施形態においては、導電性層２１０８が導電性層２１１０の上にあり、導電性層２１１０と実質的に等しい面積を有し、かつ導電性層２１１０と整列している。
【０１２６】
第２のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０４と、導電性領域２１１２とを含む。第２のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０６に対応する。一実施形態においては、導電性領域２１１２は導電性領域２１０８の上にあり、導電性領域２１０８とほぼ等しい面積を有し、導電性領域２１０８と整列している。導電性領域２１１２の上にある荷重パッド２１１４が形成される。荷重パッド２１１４はキャパシタ２１００に加えられる力、圧力または荷重による導電性層２１１２の破損を保護および防止する。
【０１２７】
第３のキャパシタは、導電性領域２１１０と、誘電層２１０６と、導電性層２１１６とを含む。第３のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０８に対応する。一実施形態においては、導電性領域２１１６は導電性領域２１１０の上にあり、導電性領域２１１０とほぼ等しい面積を有し、導電性領域２１１０と整列している。導電性領域２１１６の上にある荷重パッド２１１８が形成される。荷重パッド２１１８はキャパシタ２１００に加えられる力、圧力または荷重による導電性層２１１６の破損を保護および防止する。概して、荷重パッド２１１４および荷重パッド２１１８は非圧縮性の材料を含む。荷重パッド２１１４および荷重パッド２２１８は、金属、複合材料または高分子を含み得る。
【０１２８】
図１８に開示されるようにキャパシタ２１００は電子回路に結合される。キャパシタ２１００は並列の２つ以上のキャパシタを含み得る。一実施形態においては、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は共同で結合され得る。この例では、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は導電性のビア２１２０によって共同で結合される。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６は、また、共同で結合されるか、共通の電圧電位に結合される。一実施形態においては、導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合され、シールドを形成する。図２３を簡潔に参照すると、キャパシタ２１００はキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８を含む。キャパシタ２２０６とキャパシタ２２０８は電気的に並列で結合され、アースに結合された端子と、共同で結合された導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を含む端子と、を有する。キャパシタ２２０４の導電性領域は互いに短絡されているため、キャパシタ２２０４はキャパシタ２１００の電気等価回路には示されない。図２１を再度参照すると、実質的に等しい静電容量を有するキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８が形成され得る。したがって、キャパシタ２１００は、機械的に直列の２つ以上のキャパシタを含み、かつ電気的に並列で結合された２つ以上のキャパシタを含む。
【０１２９】
この例では、キャパシタ２１００は筋肉・骨格系用の力、圧力、または荷重センサとして使用され得る。キャパシタ２１００は、筋肉・骨格系によって加えられる力、圧力または荷重を測定するために装具構成要素に組み込むことができる。測定値は、装具構成要素の取り付けを支持し、および埋め込み型システムの長期データ収集のために使用され得る。キャパシタ２１００のサイズおよび形状は生物学的検出用途に有利である。キャパシタ２１００の形態的要素は非常に小さく作製され得る。さらに、キャパシタ２１００は非常に薄く作製することができ、従来のセンサでは達しえない体の領域における組み込みおよび配置を支持する。２．５ミリメートル未満、および通常、１ミリメートル未満の厚さのキャパシタ２１００が製造され得る。
【０１３０】
一実施形態においては、キャパシタ２１００を形成するために多層のインターコネクトが使用され得る。多層インターコネクトは交互する導電性層および誘電層を含む。導電性層は導電性領域およびインターコネクトを形成するためにパターニングされ得る。多層インターコネクトに力、圧力または荷重を加えると誘電層が変形し得る。小さな変形では、刺激が除去されるとインターコネクトの誘電層は弾性的に跳ね返ることが認められている。誘電層の変形はキャパシタ２１００の誘電体厚さおよびその静電容量値を変化する。図１８のシステム１８００は、静電容量の小さな変化の高分解能を支持し、キャパシタ２１００の使用を実施可能とする。
【０１３１】
概して、インターコネクトの誘電体材料は、ポリマー、ポリエステル、アラミド、接着剤、シリコン、ガラスまたは複合材料を含み得る。キャパシタ２１００はポリイミドを含む少なくとも１つの誘電層を含む。１つの例では、誘電層２１０２、２１０４および２１０６はポリイミドを含む。代替的に、層２１０２はキャパシタ２２０６とキャパシタ２２０８を互いに結合する接着層とされ得る。試験下では、ポリイミドは、荷重下において、装具構成要素の荷重測定値に典型的な値に弾性的に圧縮することが示された。概して、キャパシタ２１００は、誘電体の弾性領域内における動作を維持するため各キャパシタの厚さの２０％未満に圧縮する。一実施形態においては、キャパシタ２１００の誘電体は動作範囲全体にわたり誘電体厚さの１０％未満圧縮される。例えば、ポリイミド層は約０．０２５４ミリメートルの厚さとされ得る。膝装具用途の全荷重測定範囲にわたるポリイミドの圧縮は０．００２２ミリメートル未満とされ得る。インターコネクトは可撓性とすることができ、非平面領域上の配置を可能にする。さらに、必要であれば、キャパシタ２１００は様々な表面形状に合致するものとすることができる。代替的に、キャパシタ２１００は曲がりもせず合致することもない圧縮性構造として形成され得る。
【０１３２】
前述のように、キャパシタ２１００は図１８に開示されるもののような電子回路に結合されている。キャパシタ２１００を形成するためにインターコネクトを使用すると、キャパシタ２１００を電子回路に結合するインターコネクトと一体化することができるというさらなる利点を提供する。これにより、それらは１つの構造として形成されるため、センサとインターコネクトとの間の接続が排除される。一体化されたキャパシタとインターコネクトにより、また、センサの信頼度が増加し、コストが低下し、組み立てが簡略化する。
【０１３３】
図２４を簡潔に参照すると、上面図が誘電層２１０４の上に重ねて形成された導電性領域２１１２を示す。概して、力、圧力または荷重はセンサキャパシタの導電性領域に均一に加えられる。荷重パッドは、全導電性領域にわたる力、圧力または荷重の分配を支持することができる。導電性領域の面積は力、圧力または荷重を加える範囲全体にわたり誘電体材料の弾性圧縮を維持するのに十分なサイズのものである。単位面積当たりの力、圧力または荷重を低減するために導電性領域の面積を増加することができ、それによって、誘電体の圧縮を測定範囲全体にわたり減少させ、信頼度を向上させる。膝装具構成要素例においては、導電性領域２１１２は円形を有し得る。導電性領域２１１２の面積は測定される力、圧力または荷重範囲の関数である。膝用途のセンサにおいては、導電性領域２１１２の直径は約２．０ミリメートルである。破線は導電性領域２１１２の下にある導電性領域２１０８の周縁部を示す。この例では、導電性領域２１０８は約２．２ミリメートルの直径を有する。センサのうち１つより多くを膝の装具構成要素内に取り付けることができる。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２に結合される。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２と同じ層に形成され得る。図２１を再度参照すると、導電性領域２１１６は導電性領域２１１２と同様の円形を有し得る。膝用途のセンサにおいては導電性領域２１１６の直径は約２．０ミリメートルである。導電性領域２１１２の上にある導電性領域２１１０は直径約２．２ミリメートルである。インターコネクト２１２６はポリイミド層２１０６の上に重ねて形成することができ、かつ導電性領域２１１６に結合することができる。
【０１３４】
この例では、筋肉・骨格系によって力、圧力または荷重が荷重パッド２１１４および荷重パッド２１１８に加えられる。力、圧力または荷重は、キャパシタ２１００を含む機械的に直列のキャパシタ２２０６、２２０４および２２０８を圧縮する。誘電層２２０２、２２０４および２２０６は力、圧力または荷重下で圧縮する。キャパシタ２２０４の極板は共同で結合され、キャパシタ２１００の静電容量に寄与しない。キャパシタ２１００の構造は寄生キャパシタンスの効果を最小にする。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合されている。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はそれぞれ導電性領域２１０８および導電性領域２１１０の上および下にあり、それによって、アースシールドとして機能する。シールドは、測定精度に作用するおそれのある、起こり得る導電性領域２１１２および導電性領域２１１６との外部容量相互作用（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を最小にするまたは遮断する。
【０１３５】
図２５を簡潔に参照すると、一実施形態例におけるインターコネクト２１２２、２１２４および２１２６の断面図が提供される。本明細書中で上に記載したように、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はビア２１２０によって共同で結合される。インターコネクト２１２２は導電性領域２１０８および導電性領域２１１０に結合する。インターコネクト２１２２、２１２４および２１２６はキャパシタ２１００を図１８のシステム１８００に結合することができる。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はアースに結合されている。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２の上および下にあり、それによって、シールドとして機能する。一実施形態においては、インターコネクト２１２２はインターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６よりも小さい幅を有する。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２との潜在的な容量相互作用を遮蔽および遮断する。これはインターコネクト２１２２が図１８のシステム１８００にルーティングされ、かつ結合されるためである。
【０１３６】
図２１を再度参照すると、キャパシタ２１００に関連する寄生キャパシタンスはパラメータ測定範囲全体にわたり実質的に一定にとどまる。第１の寄生キャパシタンスは、インターコネクト２１２４と、誘電層２１０４と、インターコネクト２１２２とを含む。第２の寄生キャパシタンスは、インターコネクト２１２６と、誘電層２１０６と、インターコネクト２１２２とを含む。第１の寄生キャパシタンスと第２の寄生キャパシタンスとを合わせてキャパシタ２１００の静電容量を増加する。力、圧力または荷重は第１の寄生キャパシタンスおよび第２の寄生キャパシタンスに加えられないため、測定中は一定のままである。したがって、本明細書中に開示される方法を使用し、力、圧力または荷重範囲にわたるキャパシタ２１００の静電容量の変化をシステム１８００により測定することができ、寄生キャパシタンスの変化による二次的影響が最小になる。
【０１３７】
図２６は、力、圧力または荷重を測定するための方法２６００を開示する。方法の記載は、図１、４、６、８、１２、１３、１９および２１〜２５に関連するため、それらを参考にすることができる。方法２６００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法２６００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。ステップ２６０２では、直列の２つ以上のキャパシタが圧縮される。センサキャパシタは、直列で結合された２つ以上のキャパシタを含み得る。力、圧力または荷重が直列に結合されたキャパシタ全体に加えられる。ステップ２６０４では、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量が測定される。センサキャパシタは、電気的に結合された並列の２つ以上のキャパシタを含み得る。
【０１３８】
ステップ２６０６では、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に対応する測定サイクルを有する反復信号が発生される。一実施形態においては、並列の２つ以上のキャパシタが信号発生器回路に結合される。並列の２つ以上のキャパシタに結合した信号発生器回路は発振するように構成される。反復信号は反復測定サイクルを含む。信号発生器によって発生した各測定サイクルの時間周期は並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に対応する。
【０１３９】
ステップ２６０８では、反復信号の所要時間が測定される。一実施形態においては、反復信号が既定回数反復される。換言すると、測定サイクルは既定回数反復され、測定サイクルの既定数の所要時間が測定される。ステップ２６１０では、所要時間は並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に相関する。本明細書中に開示されるように、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量は加えられた力、圧力または荷重に対応する。加えられた力、圧力または荷重が実質的に一定である間に多数の測定サイクルを測定すると、静電容量と、力、圧力または荷重との間の正確な相関が支持される。
【０１４０】
図２７は、一実施形態例による、複数のセンサを有する医療機器を示す。概して、本発明の実施形態は物理的パラメータの測定に広く関連する。医療機器は、医療パラメータを測定するように構成され、この例では、筋肉・骨格系の測定に関連する電子機械システムを含む。物理的システム内または体内における多くの対象の物理的パラメータはサイズ、コスト、時間または測定の精度のために目下測定されていない。例えば、膝、股関節部、脊椎、肩部および足首インプラントなどの関節インプラントは、手術中に得られた原位置での測定値により大きく利するものであり、装具システムの取り付けおよび微調整において外科医を補助する。測定値は最適な取り付けを確実とするために外科医の主観的フィードバックを補完することができる。最終装具構成要素内の永久センサは使用中のインプラントの状態に関する周期的データを提供することができる。術中的および長期に回収されたデータは外科的取り付けのためのパラメータ範囲を決定するために、および将来の装具構成要素を向上するために使用され得る。
【０１４１】
対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、荷重、力、圧力、配置、変位、密度、粘度、ｐＨ、偽性加速度（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）および局所温度の測定を含み得るが、これらに限定されない。しばしば、定性的評価を実施するために測定されたパラメータが別の測定されたパラメータと共に使用される。関節再建では、筋肉・骨格系の一部が装具構成要素を受け入れる準備がなされている。準備には、１つまたは複数の装具と嵌合するための骨切断または骨整形を含む。パラメータは、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスによる、軸または軸の組み合わせに沿った配向、位置合わせ、方向、変位または配置ならびに運動、回転または加速に対して評価され得る。
【０１４２】
本発明においては、パラメータは、ｉ）センサおよび接触面を支持する封入構造と、ｉｉ）電源、検出素子、加速度計、アンテナ、測定シーケンスを制御および処理する電子回路、および無線通信回路を組み込む電子的集合体と、を含む一体型の無線検出モジュールまたはデバイスによって測定される。無線検出モジュールまたはデバイスは、対象のパラメータの実時間検出および通信のための、器具、機器、デバイス、装置、車両、機器または他の物理的システム、ならびに動物および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システム上または内に配置することも、それらと係合することも、それらにまたは内に取り付けるまたは固定することもできる。
【０１４３】
パラメータによって変化する静電容量を有するキャパシタなどの、パラメータを間接的に測定することができるセンサが開示される。静電容量または関連因子（例えば、時間）が測定され、その後、パラメータに変換される。測定システムは、人体の動力学と互換性のある形態的要素、電力使用および材料を有する。対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、いくつかの例を挙げると、荷重、力、圧力、変位、密度、粘度、ｐＨ、距離、体積、疼痛、感染、偽性加速度および局所温度の測定を含み得るが、これらに限定されない。これらパラメータは、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスによる軸または軸の組み合わせに沿ったセンサの測定、位置合わせ、案内または配置ならびに運動、回転または加速によって評価され得る。
【０１４４】
この例では、インサート２７００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための医療センサを有するデバイスを示す。装具インサート２７００は、筋肉・骨格系の結合を可能にする関節置換システムの構成要素である。装具インサート２７００は関節置換システムの摩耗構成要素である。装具インサート２７００は、関節の結合を可能にする１つまたは複数の関節面を有する。関節置換においては、装具構成要素はインサート２７００の関節面に結合する表面を有する。関節面は低摩擦であり、状況または姿勢に基づき自然に生じる荷重を吸収することができる。結合された関節（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｎｇ  ｊｏｉｎｔ）の表面間の接触域は可動域にわたって変化し得る。関節の動作中に関節面に接触する装具構成要素表面によって生成される摩擦によりインサート２７００の関節面は経時的に摩耗する。靭帯、筋および腱は関節を結合させ、関節を可動域全体にわたり作動させる。
【０１４５】
インサート２７００は、電源２７０２と、電子回路２７０４と、荷重パッド２７２２と、伝送機能（ｔｒａｎｓｍｉｔ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）と、装具構成要素の本体内のセンサと、を有する能動デバイスである。電子回路２７０４は図１８および図１９の回路を含む。この例では、センサは荷重パッド２７２２の下にある。センサは、電子回路２７０４に結合されたインターコネクト２７１８内に形成されるキャパシタである。インターコネクト２７１８は可撓性とされ得ると共に非平面形状に合致し得る。一実施形態においては、インサート２７００は術中的に使用され、筋肉・骨格系のパラメータを測定し、１つまたは複数の装具構成要素の取り付けを補助する。以下に開示されるように、荷重および平衡性などのパラメータの動作および測定を示すためにインサート２７００の動作は膝インサートとして示される。図１を簡潔に参照すると、一般的な膝関節置換システムは、インサートと、大腿骨装具構成要素１０４と、脛骨装具構成要素１０６とを含む。インサート内に収容されるが、センサキャパシタは、また、大腿骨装具構成要素１０４もしくは脛骨装具構成要素１０６内に収容され得る、またはそれらに結合され得る。図２７を再度参照すると、インサート２７００は、股関節部、脊椎、肩部、足首およびその他などの関節面を有する他の人工関節における使用に適応させることができる。代替的に、インサート２７００はインプラントの寿命全体にわたりパラメータ測定値を得るために使用され得る永久能動デバイスとされ得る。検出システムは装具構成要素例に限定されない。システムは、また、医療ツール、デバイスおよび機器に実装され得る。
【０１４６】
インサート２７００は寸法が受動最終装具インサートに実質的に等しい。実質的に等しい寸法とは、インサート２７００が脛骨装具構成要素内の受動最終装具インサートに実質的に等しく合致することを可能にするサイズおよび形状に相当する。術中例においては、インサート２７００を試行用インサートとして使用することにより測定された荷重および平衡性は、同等条件下で最終受動インサートにより認められる荷重および平衡性に実質的に等しい。術中測定用のインサート２７００は形状が異なり得るか、手術中、試行物に利することのない特徴が欠けていることに留意されたい。インサート２７００は最終インサートの可動域に等しい可動域全体にわたり位置的に安定とすべきである。
【０１４７】
インサート２７００の外部構造は２つの構成要素を含む。示される実施形態では、インサート２７００は、支持構造２７０６および支持構造２７０８を含む。支持構造２７０６および支持構造２７０８は、筋肉・骨格系によって荷重がかけられる主要支持表面を有する。前述のように、インサート２７００は、全般的な概念を示すために膝インサートとして示されるが、この構成に限定されるものではない。支持構造２７０６は関節面２７１０および関節面２７１２を有する。大腿骨装具構成要素の顆は表面２７１０および表面２７１２と結合する。膝関節装具にかかる荷重は関節面２７１０および関節面２７１２の接触域全体に分配される。支持構造２７０８は耐荷重面２７２４を有する。耐荷重面２７２４は脛骨装具構成要素に結合する。力、圧力または荷重を分配するためのより大きな表面積により、耐荷重面２７２４にかかる荷重は関節面に加えられるものよりもかなり小さい。
【０１４８】
支持構造２７０６の領域２７１４には可動域にわたり無荷重または軽荷重がかけられている。領域２７１４は関節面２７１０と関節面２７１２との間に配置されている。関節面２７１０および関節面２７１２上には摩耗を最小にしつつ関節の性能を維持するために最小接触域（ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｒｅａ  ｏｆ  ｃｏｎｔａｃｔ）があることに留意されたい。接触位置および接触域のサイズは筋肉・骨格系の位置によって変更することができる。接触域が可動域全体にわたり関節面２７１０および関節面２７１２内の所定の領域範囲外にある場合は問題が生じるおそれがある。一実施形態においては、関節面２７１０および関節面２７１２に荷重が加えられる位置は検出システムによって決定され得る。ここで外科医は荷重が加えられる場所の定量的情報を有するためこれは有利である。外科医は、その後、各補正の結果を追跡するために検出システムからの実時間フィードバックを使用して、加えられた荷重の位置を所定の領域内において移動するという調整を行うことができる。
【０１４９】
支持構造２７０８は、インサート２７００の各関節面にかかる荷重を測定するセンサおよび電子回路２７０４を支持するために形成され得る。荷重板２７１６が関節面２７１０の下にある。同様に、荷重板２７２０が関節面２７１２の下にある。インターコネクト２７１８が荷重板２７２０の下にある。キャパシタセンサは支持構造２７０８内の三角形形状のインターコネクト２７１８の頂点において荷重パッド２７２２の下にある。一実施形態においては、キャパシタセンサはインターコネクト２７１８内に形成される。インターコネクト２７１８はセンサを電子回路２７０４に結合する。測定範囲全体にわたり精度を確保するために、寄生キャパシタンスおよび結合を最小にするシールドがインターコネクト２７１８内に形成される。荷重板２７２０は荷重パッド２７２２を介してキャパシタセンサに結合する。荷重板２７２０は関節面２７１２に加えられた荷重をインサート２７００内の所定の位置においてキャパシタセンサに分配する。関節面２７１２の下にある３つのセンサからの測定値はインサート２７００に加えられた荷重の位置を判断するために使用され得る。関節面２７１０の下にある荷重板２７１６は同様に動作する。示される荷重板２７１６および荷重板２７２０の表面は平坦であるが、それらは非平面とすることができ、センサは非平面表面に合致する。同様に、非平面形状を有するキャパシタセンサが形成され得る。
【０１５０】
筋肉・骨格系によって加えられる力、圧力または荷重は装具構成要素インサート２７００の関節面２７１０および関節面２７１２に結合され、関節面２７１０および関節面２７１２はそれぞれプレート２７１６およびプレート２７２０に結合する。一実施形態においては、各キャパシタは力、圧力または荷重により弾性的に圧縮する。電子回路２７０４は荷重板２７１６および荷重板２７２０の下にあるキャパシタセンサに作動的に結合されている。測定されるキャパシタの静電容量に対応する信号が発生される。信号は既定回数または既定カウント反復される。既定カウントの所要時間が測定される。所要時間はキャパシタの静電容量に対応する。静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係は公知であり、測定数値を決定するために使用される。さらに、測定データは表示および分析のために加工され、インサート２７００外部の受信機に伝送され得る。
【０１５１】
一実施形態においては、センサおよび電子回路２７０４の物理的位置はインサート２７００内に収容され、それによって、能動構成要素を外部環境から保護する。支持構造２７００の領域２７１４の下にある電子回路２７０４は関節面２７１０と関節面２７１２との間に配置され得る。電子回路２７０４を収容するためのキャビティは領域２７１４の下にあり得る。支持構造２７０８は、キャビティ内に表面を有し、表面はそこから延在して電子回路２７０４をキャビティ内に配置および保持する保持特徴部を有する。領域２７１４はインサート２７００の無荷重または軽荷重領域であり、それによって、手術中または関節が患者により使用される際の高い圧縮力により電子回路２７０４を破損する可能性を低減する。一実施形態においては、センサおよび電子回路２７０４に電源供給するために、電池などの仮設電源、キャパシタ、インダクタまたは他の記憶媒体がインサート２７００内に配置されている。
【０１５２】
支持構造２７０６はインサートケーシングまたはハウジングを形成するために支持構造２７０８に取り付けられている。一実施形態においては、支持構造２７０６の内部表面と支持構造２７０８の内部表面は互いに嵌合する。さらに、支持構造２７０６の内部表面および支持構造２７０８の内部表面は、検出システムの構成要素を収容および保持するためのキャビティまたは押出部（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓ）を有し得る。外部に、支持構造２７０６および支持構造２７０８は関節の他の装具構成要素に結合する耐荷重面および関節面を提供する。支持構造２７０８の耐荷重面２７２４は脛骨装具構成要素に結合する。耐荷重面２７２４は、１つまたは複数の特徴部または脛骨装具構成要素への結合を補助する形状を有し得る。
【０１５３】
支持構造２７０６と支持構造２７０８は、互いに一時的または永久的に結合することも、取り付けることも、固定することもできる。示されるように、インサート２７００は支持構造２７０６と支持構造２７０８を分離するために分解することができる。シールが支持構造２７０８の内部表面の周縁に配置され得る。一実施形態においては、シールは弾性かつ圧縮性の材料を含むＯリングとされ得る。共に取り付けられると、Ｏリングが圧縮し、支持構造２７０６および支持構造２７０８の内部表面に対してシールを形成する。支持構造２７０６および支持構造２７０８はハウジングを形成し、それにより、シールの境界内のキャビティまたは凹部が外部環境から分離される。一実施形態においては、固定要素を相互係止するほどＯリングが十分に圧縮されると支持構造２７０６と支持構造２７０８が共に結合される。支持構造２７０６と支持構造２７０８はＯリングまたはばねなどの他の手段によって提供される力または圧力下で固定要素によって結合が維持される。
【０１５４】
一実施形態においては、支持構造２７００は、一般に、受動インサート用に使用される材料を含む。例えば、超高分子量ポリエチレンが使用され得る。材料は、最終インサートに適切な支持および関節面厚さを提供するために成形、形成または機械加工され得る。代替的に、支持構造２７０６および支持構造２７０８は試行用途に十分な強度の金属、プラスチックまたは高分子材料で作製され得る。術中例においては、支持構造２７０６および支持構造２７０８はポリカーボネートで形成され得る。関節面の長期摩耗は短期間の関節の取り付けにおいては重要度の低い問題であることに留意されたい。ポリカーボネート製関節面によって、可動域全体にわたり動作する際、関節は最終インサートと同様に動く。超高分子量ポリエチレンなどの支持材料が、検出システムを術中的におよび最終インサートとしての両方で使用することを可能にする複合材料の一部である場合、支持構造２７０６と支持構造２７０８は複合物として形成され得る。
【０１５５】
図２８は、一実施形態例による、非平面表面に結合され、かつそれに適合するセンサを有する１つまたは複数の装具構成要素を示す。非平面センサを説明するために股関節装具構成要素が一例として使用される。股関節装具は、臼蓋カップ２８０６と、インサート２８０８と、大腿骨装具構成要素２８１０とを含む。臼蓋カップ２８０６は骨盤に結合する。カップ２８０６は骨盤２８０２に接合することができ、それによって、装具構成要素を、大腿骨装具構成要素２８１０を受容するための永久的空間的向き（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｓｐａｔｉａｌ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）において固定する。インサート２８０８は露出した関節面を有する臼蓋カップ２８０６に挿入される。大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭はインサート２８０８内に配置され得る。インサート２８０８は大腿骨骨頭を保持する。インサート２８０８の関節面は大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭に結合し、関節の回転を可能にする。インサート２８０８の関節面の面積全体に荷重が分配され、それは脚の位置によって変化する。大腿骨装具構成要素２８１０の軸は大腿骨２８０４に結合される。大腿骨装具構成要素２８１０の軸を大腿骨２８０４に固定するためにセメントが使用され得る。腱、靭帯および筋などの組織は骨盤２８０２および大腿骨２８０４に結合して股関節の動きを維持および補助する。本明細書中に開示されるセンサおよび電子回路は股関節部装具構成要素に限定されず、同様に、筋肉・骨格系、骨、器官、頭蓋、膝、肩部、脊椎、足首、肘、手および足を含むが、それらに限らない解剖学的構造の他の部分にも適用され得る。
【０１５６】
一実施形態においては、大腿骨装具構成要素２８１０は電子回路２８１２を収容することができ、それによって能動構成要素を外部環境から保護する。電子回路２８１２はキャパシタセンサの静電容量を測定するために図１８および図１９に開示される回路を含み得る。電子回路２８１２は、電源、電力管理回路、変換回路、デジタル論理回路、プロセッサ、複数の入出力回路および通信回路をさらに含み得る。電子回路２８１２は装具構成要素内に取り付けることができる形態的要素を有するモジュールとされ得る。同様に、電子回路２８１２はツール、デバイスまたは機器に組み込むことができる。代替的に、電子回路２８１２は、有線または無線接続によりセンサに結合する別個の構成要素とされ得る。
【０１５７】
装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭は球形状である。キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の湾曲した表面に適合しかつ結合するセンサである。第１の実施形態においては、キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の外部表面の下にあり得る。大腿骨骨頭に加えられる力、圧力または荷重はキャパシタ２８１４に結合し、かつそれを弾性的に圧縮し得る。装具構成要素が関節の長期監視に好適であるようにキャパシタ２８１４および電子回路２８１２は外部環境から保護される。第２実施形態においては、キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の球形状に一致する表面の部分に露出され得る。第３実施形態においては、非平面形状を有するキャパシタ２８１４が形成され得る。キャパシタ２８１４は一度の使用後に廃棄される試行装具構成要素内にあり得る。本明細書中に開示されるように、キャパシタ２８１４は図２１〜２５に開示されるようにインターコネクト内に形成され得る。インターコネクトは可撓性とされ得ると共に非平面表面に適合し得る。この例では、計測データを受信および処理するため、キャパシタ２８１４は、電子回路２８１２に結合されるインターコネクト内に形成される。インターコネクト、特に、キャパシタ２８１４は、球形の大腿骨骨頭表面内に配置され、かつそれに結合され、それにより、力、圧力または荷重を所定の位置において測定することができる。したがって、センサシステムは装具構成要素内に完全に収容され得る。同様に、センサは、臼蓋カップ２８０６およびインサート２８０８上、臼蓋カップ２８０６およびインサート２８０８内、または臼蓋カップ２８０６とインサート２８０８との間に配置され得る。一例として、臼蓋カップ２８０６とインサート２８０８との間に配置されたキャパシタ２８１６が示される。キャパシタ２８１６は、また、インサート２８０８の関節面の一部の下にあり得るか、それを含み得る。同様に、キャパシタ２８１６は、臼蓋カップ２８０６の湾曲した表面の一部の下にあり得るか、それを含み得る。キャパシタ２８１６は、インサート２８０８の関節面の様々な領域に加えられる力、圧力または荷重を測定するように構成され得る。キャパシタ２８１６に結合された電子回路は臼蓋カップ２８０６、インサート２８０８の近傍にあり得るか、臼蓋カップ２８０６、インサート２８０８内に収容され得る。骨にかかる力、圧力または荷重の測定値はシステムによって支持され得る。キャパシタ２８２２はそれに加えられる力を測定するために骨盤２８０２などの骨に埋め込まれ得る。
【０１５８】
この例では、キャパシタ２８１４は大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭の所定の位置に配置されている。キャパシタ２８１４の静電容量は、筋肉・骨格系によって大腿骨骨頭に加えられる力、圧力または荷重に関連し、それによって、大腿骨骨頭の様々な位置における測定データを提供する。一実施形態においては、測定データはキャパシタ２８１４からリモートシステム２８１８に実時間において無線で伝送され得る。リモートシステム２８１８は測定データを表示するように構成されたディスプレイ２８２０を含む。リモートシステム２８１８は測定データをさらに処理するコンピュータとされ得る。測定データは、使用者が情報を迅速に評価することを可能にする音響、視覚または触覚形式で提供され得る。下肢を可動域にわたり回転しかつ動かすと、取り付けのために、荷重が股関節の可動域全体にわたりどのように変化するかについての定量的データを提供することができる。下肢の動きはキャパシタ２８１４をインサート２８０８の関節面の様々な領域に結合する。下肢が一定平面（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｐｌａｎｅ）内において動く場合、キャパシタ２８１４は弧を描いて動く。測定データは、関節の取り付けに変更を要し得る荷重の変化を示し得る。取り付けはリモートシステム２８１８によって支持されるワークフロー工程内において行うことができる。さらに、統計的に顕著な数の患者の定量的測定による臨床的証拠は最適なフィット性の目標値または範囲を有する。外科医は実際の測定された定量的データおよび患者への取り付けからの主観的フィードバックに基づきさらに取り付けを微調整することができる。
【０１５９】
図２９は、一実施形態例による、非平面表面に結合された１つまたは複数の遮蔽されたセンサを有するツールを示す。リーマ２９０２が、１つまたは複数のセンサを有する医療機器、ツール、器具または構成要素の例として使用される。リーマ２９０２は、臼蓋カップなどの装具構成要素を受容するため、股関節部人工関節置換手術において骨盤２９０８内の骨を除去するために使用され得る。リーマ２９０２は、球形の骨領域を形成するために臼蓋領域２９１０内の骨を除去するための切刃または研磨剤を有する球形表面２９０４を有する。リーマ２９０２の切削ヘッドは臼蓋領域２９１０を切削するための大きさにされる。領域は寸法がその中に取り付けられる臼蓋カップに実質的に等しい。
【０１６０】
一実施形態においては、２つ以上のセンサがリーマ２９０２の切削ヘッドに結合され得る。非限定的な例においては、センサは力、圧力または荷重を測定するために使用され得る。さらに具体的には、センサは切削ヘッドの表面２９０４上の対応する位置に配置され得る。センサは表面２９０４に結合されるが、リーマ２９０２の切削ヘッドの内部にある。力、圧力または荷重は表面２９０４からセンサに結合される。センサは、表面２９０４の様々な位置に加えられる力、圧力または荷重に関する定量的データを提供する。定量的データは、臼蓋カップの最適なフィット性のために材料除去プロセスへのフィードバックとして使用され得る。例えば、力を一方向にかけ過ぎると特定位置の材料を除去しすぎることになる可能性があり、それによって、骨切断の形に影響を及ぼす。
【０１６１】
キャパシタ２９０６は、力、圧力または荷重を測定するためのセンサの一例である。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の測定可能範囲全体にわたり弾性的に圧縮可能である。特に、キャパシタ２９０６を含む誘電体材料は加えられた力、圧力または荷重下で圧縮する。力、圧力または荷重により誘電体材料の厚さが減少するにつれてキャパシタの静電容量は増加する。逆に、キャパシタに加えられる力、圧力または荷重が減少するにつれて誘電体材料の厚さは増加し、それによって、静電容量値は減少する。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の切削ヘッドの表面２９０４の様々な位置に結合する。キャパシタ２９０６は、材料除去プロセス中に、力、圧力または荷重の大きさおよび異なる表面領域に異なる力、圧力または荷重の大きさを提供するために表面２９０４全体に分配される。キャパシタ２９０６によって測定される表面領域はリーマ２９０２の軌道によって変化する。測定データは、最適な装具構成要素のフィット性のために骨リーミングプロセスを支持するために使用され得る。
【０１６２】
一実施形態においては、図２１〜２５に開示されるようにキャパシタ２９０６はインターコネクト内に形成される。インターコネクトはポリイミドを含む１つまたは複数の誘電層または基板を含み得る。ポリイミド層は可撓性であり、非平面表面に合致することも、既定の形状を有して形成することもできる。キャパシタ２９０６はデバイスへの容量結合を低減するために１つまたは複数のシールドを含む。シールドはアースに結合され得ると共に、物理的にキャパシタ２９０６の導電性領域とインターコネクトの外部環境との間にあり得る。シールドはキャパシタの導電性領域とされ得る。一実施形態においては、キャパシタの導電性領域の上にある第１のシールドが形成され、キャパシタの導電性領域の下にある第２のシールドが形成される。シールドはキャパシタ２９０６の静電容量値を変化させ得る寄生キャパシタンスを最小にする。
【０１６３】
インターコネクトは、キャパシタ２９０６の導電性領域に結合される１つまたは複数のポリイミド層上に形成され得る。インターコネクトは、各キャパシタの静電容量に対応する信号を発生させるためにキャパシタ２９０６を電子回路（図示せず）に結合することができる。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の切削ヘッドの表面２９０４に結合する。この例では、キャパシタ２９０６は表面２９０４の形状に対応する湾曲または非平面表面に合致する。一実施形態においては、インターコネクトおよびキャパシタ２９０６は切削ヘッドの内部にあり、それによって外部環境から隔離される。インターコネクトはキャパシタ２９０６の静電容量を測定するための電子回路に結合される。電子回路はリーマ２９０２の切削ヘッドまたはハンドル内に収容され得る。電子回路は、電池などの電源、誘導性電源、超キャパシタまたは他の記憶媒体を含み得る。前述のように、キャパシタ２９０６の静電容量はそれに加えられる力、圧力または荷重に関連し得る。この例では、電子回路は、静電容量値に関連する、キャパシタ２９０６の各キャパシタのための信号を発生させる。電子回路は、測定データをキャパシタ２９０６から送信するための伝送および受信回路を含み得る。一実施形態においては、測定されたデータはリモートシステム２８１８に伝送される。リモートシステム２８１８は測定データを表示するためのディスプレイ２８２０を含み得る。測定データを力、圧力または荷重に変換するためのデータ処理はリモートシステム２８１８によって実行され得る。軌道データおよび力、圧力または荷重の測定値は情報の迅速な評価を可能にする視覚形式で提供され得る。使用者が動作領域の直視を必要とする場合、ディスプレイ２８２０を補完するために聴覚フィードバックが提供され得る。リモートシステム２８１８は定量的測定データを分析し、リーマ２９０２に情報を伝送し得る。リーマ２９０２は、使用者によって案内される際、軌道または力、圧力もしくは荷重に影響する触覚または他の種類のフィードバックをデバイスに提供する。リーマ２９０２によって提供される定量的データは実時間で提供され、骨盤２９０８の骨の除去に変更がどのように影響するかを使用者がディスプレイ２８２０上で見ることを可能にする。
【０１６４】
図３０は、力、圧力または荷重を測定するための方法３０００を開示する。方法の記載は、図１、４、６、８、１２、１３、１９、２１〜２５および２７〜２９に関連するため、それらを参照することができる。方法３０００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法３０００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。ステップ３００２では、キャパシタに力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重の変化はキャパシタの静電容量の対応する変化を生成する。一実施形態においては、キャパシタはインターコネクト上または内に形成される。キャパシタの誘電体材料は弾性的に圧縮可能とされ得る。ステップ３００４においては、容量結合を低減するためにキャパシタの少なくとも１つの導電性領域が保護される。一実施形態においては、シールドはキャパシタの極板であるキャパシタの導電性領域を含み得る。代替的に、シールドは別個の構造とされ得る。シールドはキャパシタへの寄生キャパシタンスまたは結合を最小にするために接地され得る。シールドは、キャパシタの外部環境と、遮蔽されているキャパシタの活性導電性領域または極板との間にあり得る。さらに、シールドは、測定精度に影響し得る可変寄生キャパシタンスを低減する。接地された導電性領域は活性導電性領域と外部環境との間にあり得る。ステップ３００６においては、キャパシタを電子回路に結合するインターコネクトはさらに容量結合を低減するために遮蔽される。シールドはキャパシタのインターコネクトとされ得る。例えば、接地されたインターコネクトは、外部環境の回路からの容量結合を防止するために信号を運ぶインターコネクトと外部環境との間に配置され得る。代替的に、シールドは別個の構造とされ得る。キャパシタおよびインターコネクトの遮蔽は非常に小さな容量値の測定を支持する。測定された静電容量の変化は総静電容量に比べて小さくなり得る。遮蔽により総静電容量が変わることを防止し、それによって、１０ピコファラド未満の静電容量変化を測定することを可能にする。
【０１６５】
したがって、本明細書中においては、小さな容量値および静電容量の小さな変化を測定するためのシステムが提供される。システムは、さらに、小型の形態的要素、高信頼化、測定精度および低コストを支持する。力、圧力および荷重測定用のキャパシタは、キャパシタを電子回路に結合するために使用されるインターコネクト内に形成され得る。キャパシタは誘電体材料の実質的に弾性的に圧縮可能な領域内において動作する。キャパシタをインターコネクト内に形成すると、システムの複雑さを低減し、信頼度、製品の一貫性が向上し、組み立て工程が削減される。
【０１６６】
力、圧力または荷重下でキャパシタの静電容量に対応する信号が発生する。信号は既定カウント反復される。多数の測定サイクルの所要時間の測定は、測定されるパラメータの変化が筋肉・骨格系内等において生じる生理学的変化に対してゆっくりと起こる場合、測定サイクルの平均時間を得るために使用され得る。測定データは正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定を実現するために分析され得る。本明細書中に開示されるシステムは、検出およびデータ処理操作の帯域幅を含む測定分解能と周波数との間におけるトレードオフを最適化するため、取り込まれたデータの精度または分解能のレベルの設定を可能にし、したがって、検出モジュールまたはデバイスが測定の分解能を妥協することなくその最適な動作点で動作することを可能にする。これは、複数の個々の励振の通過時間および通過周期（ｔｒａｎｓｉｔ  ｃｙｃｌｅｓ）を平均化するのではなく複数周期の励振および通過時間を累積することによって達成される。結果は、物理的システム内の対象のパラメータの正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定である。
【０１６７】
弾性的に圧縮可能なキャパシタを使用する測定は高感度および高信号対雑音比を可能にする。時間ベースの測定は、主として、電圧または電流により駆動される検出方法およびデバイスに影響を及ぼす可能性のあるほとんどのエラーの原因の影響を受けない。生じる動作の通過時間の変化は迅速にかつ高分解能で測定され得る周波数に対応する。これにより必要な測定精度および精密さが実現され、したがって、対象の物理的パラメータの変化を捉え、それらの動的および静的挙動の分析を可能にする。
【０１６８】
さらに、除算して平均測定数値データ値を推定する前に個々の容量測定値を合計すると同数のサンプルを平均するよりも優れた結果を生む。デジタル計数器から回収されるカウントデータの分解能はカウンタの最下位ビットの分解能によって制限される。一連のカウントを取りそれらを平均しても１つのカウントの精度であるためこの最下位ビットを超える精度は生じない。個々の測定値間にランダム変動がある場合は平均化で最終推定値のランダム性が低減される。多数の測定サイクルのカウントを合計して累積カウントを得、その後、全測定周期の平均値を計算すると、カウンタの最下位ビットよりも小さい測定値の成分を補間することにより測定の精度が向上する。この手順によって得た精度は、カウンタの最下位ビットの分解能を合計された測定サイクルの数によって除算したものと同程度である。
【０１６９】
図３１は、一実施形態例による複数のセンサを有する装具構成要素３１００を示す。概して、関節装具および装具構成要素の取り付けを支持する短期術中検出用装具構成要素が必要である。同様に、関節装具は関節を長期的に監視するためのセンサを含む必要がある。装具構成要素３１００は、試行装具構成要素として、または体内での長期使用のための永久装具構成要素として使用され得る。装具構成要素３１００はこの例では脛骨装具構成要素として示される。装具構成要素３１００は、股関節部、膝、肩部、脊椎、足首、肘、足指、手または骨インプラントにおける使用に適応させることができる。装具構成要素３１００は、構造３１０２と、構造３１０４と、インターコネクト３１０６と、荷重パッド３１０８と、電子回路３１１０とを含む。
【０１７０】
装具構成要素３１００は、通常、チタン、チタン合金、コバルト、コバルト合金、鋼、または鋼合金などの金属を含む。この材料は、筋肉・骨格系によって生成され関節にかかる荷重に対処するのに適している。代替的に、装具構成要素３１００は高分子材料で形成され得る。１つのそのような適切な材料はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）である。ＰＥＥＫは、高引張強度を有し、かつ熱、水または生物学的分解に耐性のある半結晶熱可塑性プラスチックである。ＰＥＥＫは装具構成要素に要求される複雑な形状を形成するために成形され得る。ＰＥＥＫは軽量であり、接着によって骨に固定され得る。ＰＥＥＫ構成要素はハーメチックシールを形成するために共に溶接され得る。ＰＥＥＫは、それが通信のためまたはセンサ検出のために使用される信号に対して透過性を有するというさらなる利点を有する。
【０１７１】
構造３１０２は少なくとも１つの支持表面を含む。示されるように、構造３１０２支持表面３１１２および支持表面３１１４を含む。支持表面３１１２および支持表面３１１４はインサート３１１６を受け入れる。インサート３１１６は、関節の動きを支持する関節面３１１８および関節面３１２０を含む。関節面３１１８および関節面３１２０はそれぞれ支持表面３１１２および支持表面３１１４に重なる。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重は対応する力、圧力または荷重を支持表面３１１２および支持表面３１１４に加える。軽荷重領域が支持表面３１１２と支持表面３１１４との間にある。一実施形態においては、軽荷重領域内の構造３１０２内にハウジング３１２２が形成される。ハウジング３１２２は、装具構成要素３１００の測定活動を制御する電子回路３１１０を受容するためのキャビティを含む。
【０１７２】
構造３１０４は骨に結合する少なくとも１つの特徴部を含む。この例では、脛骨の近位端が構造３１０４を受け入れるように用意されている。幹状部３１２４が脛骨の髄管に挿入され得る。幹状部３１２４は構造３１０４を脛骨に揃え、かつ支持する。装具構成要素３１００を所定の位置に確実に固定するために構造３１０４は脛骨に接着され得る。代替的に、ＰＥＥＫを含む構造３１０４または金属構造は骨成長を支持する点を含み得る。構造３１０４は骨を固定し、骨成長ホルモンを提供する特徴部を含み得る。骨は装具構成要素内および周囲に成長し、構造３１０４を脛骨に融合する。固定のための骨成長の利用は、また、接着剤または他の結合剤とともに使用され得る。
【０１７３】
一実施形態においては、３つのセンサはセンサアレイを含む。各膝区画にはセンサアレイがある。各センサアレイは膝区画の荷重および荷重の位置を測定するために使用される。インサート３１１６の関節面３１１８は装具構成要素３１００の第１膝区画に対応する。同様に、インサート３１１６の関節面３１２０は装具構成要素３１００の第２膝区画に対応する。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重はそれぞれ構造３１０２の支持表面３１１２および支持表面３１１４に加えられる。支持表面３１１２および支持表面３１１４は力、圧力または荷重を対応するセンサアレイに伝達する。荷重パッド３１０８が関節面３１１８および関節面３１２０に対応する所定の位置にある。荷重パッド３１０８は測定のために所定の位置において下にあるセンサに力、圧力または荷重を伝達する。したがって、力、圧力または荷重の大きさおよび加えられた力、圧力または荷重の位置は、第１膝区画および第２膝区画内の３つのセンサによる測定値から計算され得る。荷重の位置は関節面３１１８および関節面３１２０上の所定位置に並進させて戻すことができる。センサは構造３１０４の支持表面３１２６および支持表面３１２８に重なる。支持表面３１２６および支持表面３１２８はそれぞれ第１膝区画および第２膝区画に対応する。一実施形態においては、支持表面３１２６および支持表面３１２８は荷重下において剛体である。
【０１７４】
荷重を測定するためのセンサは、超音波導波路、圧電抵抗センサ、ｍｅｍｓセンサ、ひずみゲージ、高分子センサ、機械的センサ、および容量センサなどのデバイスとされ得る。この例では、装具構成要素３１００の形態的要素がセンサの高さを制限する。受動装具構成要素（例えば、センサを有しない）においては、構造は単一デバイスとして形成される。支持表面の厚さは約２ミリメートルである。概して、支持表面３１２６および支持表面３１２８に結合された支持表面３１１２と支持表面３１１４の合計厚さはセンサがその間にある状態で２ミリメートル以下に維持され得る。したがって、センサは実質的に２ミリメートル未満の厚さの形態的要素を必要とする。一実施形態においては、センサは弾性的に圧縮可能な容量センサである。センサの面積は、測定される荷重範囲およびセンサが弾性のままである圧縮性範囲によって決定される。本明細書中で上に開示したように、測定精度、正確さおよび繰り返し性を可能にする、静電容量の小さな変化に敏感な測定技術が適用され得る。一実施形態においては、弾性的に圧縮可能なキャパシタがインターコネクト３１０６内に形成される。
【０１７５】
構造３１０２のハウジング３１２２によって形成されたキャビティ内に電子回路３１１０が取り付けられ得る。一実施形態においては、キャビティは装具構成要素３１００の無荷重または軽荷重領域内に形成される。ハウジング３１２２の無荷重または軽荷重領域が支持表面３１１２と支持表面３１１４との間にある。したがって、電子回路３１１０は関節の通常動作下において発生する衝撃力および荷重から保護される。インターコネクト３１０６およびその中にあるセンサは電子回路３１１０に結合している。インターコネクト３１０６はセンサを電子回路３１１０に結合するインターコネクトを含む。キャビティ３１３０は構造３１０４の表面上に形成される。キャビティ３１３０は構造３１０４の支持表面３１２６および支持表面３１２８から電子回路３１１０に結合するインターコネクト３１０６を支持する。キャビティ３１３０はハウジング３１２２内へのインターコネクト３１０６のための経路を提供する。
【０１７６】
概して、構造３１０２は装具構成要素３１００を形成するために構造３１０４に結合する。一実施形態においては、構造３１０２と構造３１０４はハーメチックシールを形成するために周囲において共に溶接されている。電子回路３１１０と、センサと、インターコネクト３１０６とは装具構成要素３１００内に収容され、外部環境から気密的に封止される。代替的に、構造３１０２と構造３１０４は気密性を維持するために接着することも共に機械的に固定することもできる。構造３１０２および構造３１０４は気体、液体または固体の侵入または侵出を防止するシールまたはＯリングをさらに含み得る。
【０１７７】
インターコネクト３１０６は構造３１０４の支持表面３１２６および表面３１２８にそれぞれ結合する。前述のように、荷重パッド３１０８は各センサを支持表面３１１２および支持表面３１１４上の対応する位置に結合する。この例では、荷重パッド３１０８は各膝区画内に、インサート３１１６の関節面３１１８および関節面３１２０に対応する領域を定める。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重はそれぞれ構造３１０２の表面３１１２および表面３１１４に伝達される。表面３１１２および表面３１１４は弾性であり剛体ではないことに留意されたい。各表面は下にあるセンサが圧縮することを可能にする十分な伸展性を有する。一実施形態においては、表面３１１２および表面３１１４は伸展性を得るために薄くされるか薄く作製される。構造３１０２の表面３１１２または表面３１１４と、構造３１０４の表面３１２６または表面３１２８との合計厚さは約２ミリメートルとされ得る。弾性にするために構造３１０２の表面３１１２および表面３１１４は１ミリメートル未満の厚さとされ得る。代替的に、支持構造３１１２および支持構造３１１４は高分子材料などの弾性材料を含み得る。
【０１７８】
この例では、各センサに加えられる荷重が計算され得る。荷重の大きさは３つの個々の測定値の組み合わせに一致する。加えられた荷重の位置はセンサの固定位置において測定された荷重の大きさから計算され得る。電子回路３１１０は、入出力回路、タイミング回路、変換回路、論理回路、電力管理回路、伝送および受信回路の複数のチャンネルを含む。電子回路３１１０は、測定プロセスを動作または制御するためのソフトウェアプログラムを記憶するためのメモリをさらに含み得る。一実施形態においては、低消費電力ソリューションにおいてアナログ回路とデジタル回路を組み合わせるためにＡＳＩＣが使用される。ＡＳＩＣは電子回路３１１０の形態的要素を低減し、構造３１０２のハウジング３１２２内に取り付けることを可能にする。電子回路３１１０は本明細書中および参照によって組み込まれる開示に記載される回路を含み得る。電子回路３１１０は、伝送回路と、センサからリモートシステムにデータを伝送するためのアンテナとを含む。電子回路３１１０は、情報およびプログラミング命令をリモートシステムから受信するための受信回路をさらに含み得る。リモートシステムはデータを報告するためのディスプレイを備えた可搬式デバイスとされ得る。リモートシステムはさらなる調査および分析のためにデータをデータベースに伝送し得る。
【０１７９】
図３２は、一実施形態例による構造３１０２の断面図を示す。断面図は、第１膝区画と第２膝区画との間の軽荷重領域のものである。図は、電子回路３１１０の上にあるハウジング３１２２の一部を含む。ハウジング３１２２は電子回路を外部環境から保護および分離する。
【０１８０】
図３３は、一実施形態例による装具構成要素３１００およびインサート３１１６を示す。構造３１０２は構造３１０４に結合される。一実施形態においては、構造３１０２と構造３１０４とを結合するハーメチックシール３３０２が形成される。構造３１０２および構造３１０４は組み立てを支持する位置および位置合わせ特徴部を有し得る。構造３１０２および構造３１０４の周縁部は全周にわたり互いに近傍とされ得る。一実施形態においては、構造３１０２および構造３１０４は鋼の合金またはチタンの合金を含む。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２を構造３１０４に溶接することによって形成される。溶接部は装具構成要素３１００の周囲であり、センサおよび電子回路を外部環境から密封する。溶接は構造３１０２の金属材料を構造３１０４に結合し、連続構造を形成する。センサおよび電子回路３１１０は装具構成要素３１００内に完全に封入され外部環境から分離される。溶接部が形成され、それにより、圧力がセンサにほぼまたは全く加えられない。構造３１０２と構造３１０４の結合によるあらゆるずれはデバイス校正時に補償され得る。装具構成要素３１００は関節の状態に関する周期的データを提供するための長期インプラントとしての使用に好適である。構造がＰＥＥＫで形成されている場合は同様の手法が実施され得る。代替的に、構造３１０２と構造３１０４を共に結合しハーメチックシールを形成するために、接着剤、機械的結合およびシールを使用する他の手法が使用され得る。
【０１８１】
インサート３１１６は装具構成要素のトレーに嵌め込まれる。装具構成要素のトレー３１００はインサート３１１６を保持するための１つまたは複数の特徴部を有し得る。インサート３１１６は、通常、超高分子量ポリエチレンなどの高分子材料を含む。関節面３１１８および関節面３１２０は関節の別の装具構成要素（図示せず）と結合する。この例では、関節面３１１８および関節面３１２０は大腿骨装具構成要素の顆表面と結合し得る。筋、腱および靭帯が人工関節を動かし、それにより、関節面３１１８および関節面３１２０が構成要素の互いに対する動きを可能にする。インサート３１１６は受動部品とすることも１つまたは複数のセンサを含むこともできる。
【０１８２】
図３４は、一実施形態例によるインターコネクト３１０６に結合された電子回路３１１０を示す。電子回路３１１０は、インターコネクト３１０６に結合するための１つまたは複数のコネクタを含み得る。一実施形態においては、センサは弾性的に圧縮可能な容量センサである。キャパシタはインターコネクト３１０６の荷重パッド３１０８の下にある状態で形成される。図２１〜２５を簡潔に参照すると、センサ構造が記載されている。荷重パッド３１０８は非導電性材料または導電性材料を含み得る。この例では、荷重パッド３１０８は下にあるキャパシタに力、圧力または荷重を伝達するために剛性かつ非圧縮性である。非導電性荷重パッドは高分子材料を含み得る。一実施形態においては、荷重パッド３１０８はインターコネクト３１０６の表面上にめっきされた銅または銅合金などの導電性金属を含む。導電性荷重パッド３１０８はキャパシタの下にある極板に電気的に結合する。
【０１８３】
一実施形態においては、キャパシタは可撓性ポリイミド基板上または内に形成され得る。荷重パッド、キャパシタおよびインターコネクトは、リソグラフィ技術を使用して正確かつ繰り返し可能に形成され得る。ポリイミド基板は非常に薄く作製することができ、装具構成要素内における取り付けに好適である。キャパシタはそれが弾性的に圧縮可能な範囲内において動作される。荷重パッド３１０８の下にある各キャパシタは図２１のキャパシタ２１００に類似する。キャパシタ２１００は、機械的に直列の３つのキャパシタと電気的に並列の２つのキャパシタとを含む。力、圧力または荷重がキャパシタ２２０４、２２０６および２２０８全体に加えられる。一実施形態においては、キャパシタ２２０４の両極板は共同で結合されることからキャパシタ２２０４は電気的に回路にない。電気的に、センサキャパシタは並列で電気的に結合されたキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８を含む。一実施形態においては、キャパシタ２２０６の極板およびキャパシタ２２０８の極板はアースに結合されている。接地された極板２１１２および極板２１１６はそれぞれインターコネクトの外部環境と極板２１０８および極板２１１０との間にある。同様に、キャパシタ２１００から電子回路へのインターコネクトは同様の配置を有する。接地されたインターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６は外部環境と、極板２１０８および極板２１１０に結合する信号搬送（ｓｉｇｎａｌ  ｃａｒｒｙｉｎｇ）インターコネクト２１２２との間にある。したがって、寄生結合がシールドによって最小になる。さらに、あらゆる寄生キャパシタンスは一定であり、可変ではない。
【０１８４】
容量の大きさおよび大きさの変化は図１８および図１９に開示される回路および方法を使用して正確に測定され得る。図３３および図３４を簡潔に参照すると、関節面３１１８および関節面３１２０に力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重は関節面３１１８および関節面３１２０からそれぞれ支持表面３１１２および支持表面３１１４に伝達される。前述のように、力、圧力または荷重が荷重パッド３１０８を介して下にあるセンサに伝達されるように、支持表面３１１２および支持表面３１１４は弾性である。センサは剛性かつ非弾性の支持表面３１２６および支持表面３１２８によって支持される。センサキャパシタに加えられる力、圧力または荷重は構造を圧縮する。キャパシタ極板間の誘電層は圧縮される。センサキャパシタの静電容量値は誘電層の厚さに関連する。したがって、静電容量および静電容量の変化の測定はそれに加えられる力、圧力または荷重に関連し得る。
【０１８５】
センサキャパシタに反復信号が加えられる。概して、センサは特定時間周期内に所定の電圧レベル間において充電および放電される。反復信号の単一波形の時間周期は測定サイクルである。測定サイクルの時間周期はキャパシタの静電容量に対応する。波形または信号は既定回数反復される。測定シーケンスは既定回数の反復波形を含む。測定シーケンスの所要時間が測定される。所要時間は既定の数の波形を発生させるために必要な時間である。測定シーケンス中、力、圧力または荷重は維持される。センサキャパシタの測定された所要時間は力、圧力または荷重の測定値に相関される。静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係は公知である。一実施形態においては、各容量センサは、装具構成要素の組み立て後、既知の力、圧力または荷重値を測定し得る。測定値は、装具構成要素内に収容された電子回路の一部であるメモリに記憶され得る。各キャパシタの最終試験中、測定値間の補間および誘電体の非線形圧縮を考慮に入れることができる校正技術またはアルゴリズムを使用することによってさらなる改良が実現され得る。増加された数の既定数の波形にわたり力、圧力または荷重が実質的に一定である場合、測定分解能はこの技法によって増加され得る。さらに、力、圧力または荷重測定範囲にわたり静電容量変化が比較的小さい場合、分解能は測定を支持する。
【０１８６】
図３５は、一実施形態例による組み立てられた装具構成要素３１００を示す。装具構成要素３１００は、構造３１０４に結合された構造３１０２を含む。装具構成要素３１００は電子回路およびセンサを収容する。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２を構造３１０４に結合する。一実施形態においては、ハーメチックシール３３０２は周囲において連続する溶接部である。言及したように、溶接部は支持表面の下にあるセンサに荷重または軽荷重をかけない。この例では、装具構成要素３１００は脛骨装具構成要素である。構造３１０２は、少なくとも１つの関節面を有するインサートを受容するためのトレーを含む。脛骨装具構成要素は１または２区画（ｄｕａｌ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）デバイスとされ得る。構造３１０４は骨に結合するための幹状部３１２４を含む。この例では、幹状部３１２４は脛骨に結合する。
【０１８７】
図３６は、一実施形態例による装具構成要素３１００の部分断面図を示す。断面図はハーメチックシール３３０２が構造３１０２と構造３１０４とを共に結合する周縁部近傍の領域である。この例では、センサ２１００が含まれる。センサ２１００はインターコネクト３１０６内に形成されている。荷重パッド３１０８がセンサ２１００上に形成されている。インターコネクト３１０６は、さらに、信号結合および寄生キャパシタンスを最小にするためのセンサの遮蔽を示す。
【０１８８】
この断面図は、荷重検出のための装具構成要素３１００のセンサ２１００の配置を示す。構造３１０４の支持表面３１２８はセンサ２１００を支持する。この例では、支持表面３１２８は剛体である。導電性領域２１１６はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。インターコネクト２１２６は導電性領域２１１６を電子回路３１１０に結合する。導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６は支持表面３１２８に結合される。この例では、導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６はアースに結合されている。導電性領域２１１６はセンサ２１００の導電性領域２１１０および導電性領域２１０８への信号または寄生結合を防止するためのシールドとしての機能を果たす。同様に、インターコネクト２１２６は信号または寄生結合を防止するためのインターコネクト２１２４のシールドとしての機能を果たす。一実施形態においては、支持表面３１２８は金属などの導電性材料を含む。したがって、構造３１０４は導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６を介してアースに結合される。構造３１０４は、容量センサへの信号または寄生結合を防止するためのシールドとしての機能を果たす。
【０１８９】
構造３１０２の支持表面３１１４は荷重パッド３１０８およびセンサ２１００によって支持される。荷重パッド３１０８は荷重をセンサ２１００に分配する。支持表面３１１４はその上にかけられる荷重に対して弾性がある。一実施形態においては、支持表面３１１４は曲げを可能にするために薄くされる。概して、支持表面３１１４は荷重範囲全体にわたり短い距離偏向する。センサ２１００は誘電体総厚さの約２０％弾性的に圧縮し得る。一実施形態においては、センサ２１００の圧縮は誘電体総厚さの１０％以下に限定される。例えば、本明細書中に開示されるキャパシタは一般的な装具構成要素の荷重センサの荷重範囲にわたり約０．００２５４ミリメートル圧縮することができる。一実施形態においては、３つの容量センサの直列スタック（ａ  ｓｔａｃｋ  ｔｈｒｅｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｉｎ  ｓｅｒｉｅｓ）、積層材料および絶縁材料は約０．００７６ミリメートルの最大荷重下総圧縮を生じる。したがって、支持表面３１１２または支持表面３１１４は全荷重範囲にわたり大幅には曲がらない。荷重パッド３１０８は支持表面３１１４上の既知の位置に結合する。既知の位置は、また、インサートの関節面上の点に関連する。センサのそれぞれの既知の位置は、測定された荷重の大きさを比較することによって荷重が関節面に結合される場所を決定するために使用される。１つのセンサが示されるが、インターコネクト３１０６内に形成された他のセンサも同様に構造３１０２および構造３１０４に結合される。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２と構造３１０４とを共に結合する。ハーメチックシール３３０２は融解し、構造３１０２および構造３１０４の材料と結合する溶接部とされ得る。
【０１９０】
導電性領域２１１２はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２を電子回路３１１０に結合する。この例では、導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４はアースに結合されている。導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。センサ２１００の導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はビア２１２０によって共同で結合される。インターコネクト２１２２は導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を電子回路に結合する。インターコネクト２１２２はキャパシタを測定するために電子回路からセンサ２１００に信号を運ぶ。導電性領域２１１２は導電性領域２１０８から誘電層２１０４によって分離される。同様に、導電性領域２１１６は導電性領域２１１０から誘電層２１０６によって分離される。導電性領域２１０８と導電性領域２１１０とは誘電層２１０２によって分離されるが、前述のように、共同で結合される。一実施形態においては、誘電層２１０２、２１０４、および２１０６はポリイミドを含む。二酸化ケイ素、窒化ケイ素、マイラおよび他の高分子などの他の誘電体が使用され得る。インターコネクト３１０６およびセンサ２１００は基板への堆積、めっきおよびリソグラフィ技術によって形成され得る。
【０１９１】
センサ２１００のキャパシタは機械的に直列の３つのキャパシタを含む。支持表面３１１４に加えられる力、圧力または荷重が３つのキャパシタを圧縮する。第１のキャパシタは、導電性領域２１１２と、誘電層２１０４と、導電性領域２１０８とを含む。第２のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０２と、導電性領域２１１０とを含む。第３のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０６と、導電性領域２１１６とを含む。電気的に、センサ２１００のキャパシタは、並列で結合された第１のキャパシタおよび第３のキャパシタを含む。第１のキャパシタおよび第３のキャパシタは、共同で結合された導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を有する。同様に、第１のキャパシタおよび第３のキャパシタの導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合されている。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はそれぞれ導電性領域２１０８および導電性領域２１１０をインターコネクト３１０６の外部への結合および寄生キャパシタンスから遮蔽する。同様に、インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２をインターコネクト３１０６の外部への信号結合および寄生キャパシタンスから遮蔽する。
【０１９２】
構造３１０２および構造３１０４は導電性材料を含み得る。例えば、チタン、コバルト、および鋼合金は、装具構成要素３１００を製造するために使用される導電性材料である。インターコネクト３１０６を支持表面３１２８上に配置すると導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６が構造３１０４に結合する。導電性領域２１１６および支持表面３１２８はアースに共同で結合される。同様に、荷重パッド３１０８は導電性材料を含み得る。一実施形態においては、銅または銅合金などの材料がインターコネクト３１０６の表面に堆積またはめっきされ得る。荷重パッド３１０８が導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４に結合される。支持表面３１１４が荷重パッド３１０８によって導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４に結合される。前述のように、導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４はアースに結合されている。したがって、構造３１０２および構造３１０４はアースに結合されている。代替的に、構造３１０２および構造３１０４はセンサ２１００以外の代替経路によりアースに結合され得る。一実施形態においては、電子回路およびセンサ２１００は装具構成要素３１００内に収容される。構造３１０２および構造３１０４は電子回路３１１０およびセンサ２１００を外部環境における寄生結合および寄生キャパシタンスから分離するシールドを形成する。この設計は、インターコネクト３１０６の外部への寄生結合および寄生キャパシタンスを防止または最小化する、キャパシタに組み込まれた内部シールドをさらに組み込む。この例では容量センサが使用されるが、装具構成要素３１００内の荷重センサは、ひずみゲージ、ｍｅｍｓデバイス、圧電抵抗センサ、機械的センサ、高分子センサ、および超音波センサの１つを含み得る。
【０１９３】
図３７は、一実施形態例による構造３１０２を示す。患者の関節領域に実装された際の装具構成要素３１００の構造３１０２は、関節の外部に露出を有する少なくとも１つの領域を含む。図は、透過領域３７０２を含む、構造３１０２のハウジング３１２２を示す。一実施形態においては、透過領域３７０２は、ガラス、ＰＥＥＫ、プラスチックまたはポリマーを含む。透過領域３７０２は、鋼合金、チタン、コバルト、合金または金属を含むハウジング３１２２の壁の開口部に埋め込むことができる。一実施形態においては、ハウジング３１２２は電子回路を収容する。代替的に、構造３１０２の一部または全てがスペクトルのいくつかに対して透過性のあるＰＥＥＫなどのポリマーを含み得る。一実施形態においては、透過領域３７０２はセンサ信号および通信信号に対して透過性がある。例えば、構造３１０２が導電性材料を含み、導電性材料が接地されている場合、信号は遮断され得る。装具構成要素３１００はデバイス内に収容された電子回路およびセンサのシールドとして動作し得る。透過領域３７０２は、音響、超音波、無線周波数、赤外線および光などの信号に対して透過性を有し得る。透過領域３７０２は関節領域の周囲および近傍の領域に対して露出を有する。一実施形態においては、関節内および周囲にある滑液を監視するために窓３７０２が使用され得る。
【０１９４】
センサは、また、透過領域３７０２にまたはその近傍に配置され得る。センサは電子回路３１１０と共に搭載され得る。電子回路３１１０は、インターコネクトおよびコネクタを有する１つまたは複数のプリント回線基板を含み得る。集積回路、ＡＳＩＣデバイス、電源、通信回路、デジタル論理回路、変換器、電力管理および他のシステムは小型の形態的要素内に共に結合され得る。一実施形態においては、ＡＳＩＣは、形態的要素を最小化するためおよび電力消費を低下させるための特徴の多くを併せ持つ。センサおよび通信回路は透過領域３１２２の近傍の電子回路３１１０上に配置され、信号の伝送および受信を可能にする。情報をリモートシステムに送信および受信するための指向性アンテナが透過領域３７０２の近傍に配置され得る。
【０１９５】
概して、センサは関節領域の近傍の滑液を監視するために使用され得る。滑液は筋肉・骨格関節内に見られる天然潤滑剤である。滑液は、肘、膝、肩部、股関節部およびその他などの関節内に見られる。滑液は、ムチン、アルブミン、脂肪、上皮および白血球を含む。潤滑剤は、また、無血管の関節軟骨に栄養を与える。滑液は関節の衝撃を緩衝し、可動域にわたり骨と軟骨が互いに接触する際の摩擦を低減する。滑液は、また、酸素および他の栄養素を軟骨および関節の他の領域に運ぶことができる。同様に、滑液は関節領域から老廃物を除去するための輸送部（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）としての機能を果たす。滑液は関節内および周囲にとどまる。滑液は潤滑剤を所定の位置に保持する滑膜によって保持され得る。
【０１９６】
関節の健康と滑液の状態との間には強い相関がある。温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースおよびタンパク質を測定するセンサが滑液を分析するために使用され得る。センサは関節の健康を判断するために個々にまたは互いに組み合わせて使用され得る。装具構成要素３１００は、関節を監視するためのセンサの１つまたは複数を含む。この例では、関節は感染について監視される。新規に埋め込まれた関節における感染は重大な問題である。関節インプラントを装着した患者が自身に感染があるかどうかを判断することはしばしば困難である。手術自体および関節リハビリテーションが感染の早期徴候を隠す可能性がある。人工関節は低減なく感染が増殖するには理想的な場所である。人工関節内には、隔離されてはいるが、細菌を宿し、成長を促進し得る栄養素を有する領域がある。感染は、重大な健康リスク、抗生物質治療、リハビリテーションの増加、長期入院およびかなりのコストにつながる可能性がある。感染が深刻な場合、人工関節の除去を要する場合がある。患者は感染が沈静化し、その後、新しい人工関節が埋め込まれるまで固定される。そのような状況下における患者の心的外傷は甚大となり得る。人工関節３１００は関節局所の感染を検出し、医師または医療提供者に通知するか、適時適切な処置をとることができる。
【０１９７】
一実施形態においては、温度が監視され得る。温度センサ３７０４が透過領域３７０２の近傍に取り付けられ得る。温度センサ３７０４は温度データを受信するために電子回路３１１０に結合される。一実施形態においては、電子回路３１１０はセンサに結合するための複数の入出力チャンネルを有する。温度センサ３７０４は関節の温度を監視する。一実施形態においては、温度センサ３７０４は滑液の温度を測定する。滑液の測定が定期的に行われ得る。
【０１９８】
健康な膝と感染した膝との間における温度差が検出され得る。この例では、温度センサ３７０４は滑液の常温に校正される。常温は患者の容態によって変化するため校正は定期的に行われ得る。絶対温度および温度の変化が監視される。標準からの温度の変化は感染の表示となり得る。この例では、温度センサは、ＭＥＭＳセンサ、熱電対、サーミスタまたは他の温度測定器とされ得る。
【０１９９】
一実施形態においては、ｐＨが監視され得る。ｐＨセンサ３７０６が透過領域３７０２の近傍に取り付けられ得ると共に、ｐＨデータを受信するために電子回路３１１０に結合され得る。温度と同様、ｐＨセンサ３７０６は、まず、標準ｐＨに校正され得ると共に、定期的に再校正され得る。標準よりも低いｐＨは感染の存在を示し得る。細菌の増加を検出するために経時的な絶対ｐＨおよびｐＨ差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｐＨ）の測定値が使用され得る。概して、健康な膝は約７．２３のｐＨを有する。感染した膝は約７．０６のｐＨを有する。デバイスは個々の患者の特性に合わせて校正され得る。ｐＨセンサは、ＭＥＭＳｐＨセンサ、埋め込み型ｐＨ超小型センサ、静電ｐＨセンサまたは他のｐＨ測定器とされ得る。
【０２００】
一実施形態においては、濁度および色が監視され得る。濁度は流体内の微粒子の懸濁による混濁または霞み（ｈａｚｅ）の測度である。例えば、滑液は感染が増殖するにつれて濁る。細菌、細菌の老廃物および白血球は滑液中に懸濁し得る微粒子のうちのほんのわずかにすぎない。増加する細菌増殖により感染が悪化するにつれて濁度は増加する。同様に、感染が増加するにつれて滑液の色は変化する。例えば、健康な滑液は比較的透明な液体である。健康から非炎症性、非炎症性から炎症性、および炎症性から敗血症性に関節の状態が変化するにつれて滑液は色を変化する。非炎症性滑液は黄色がかった透明の液体であり、骨関節症などの関節関連の問題を示す。滑液は粘性であり、その潤滑および制動特性を保持する。炎症性滑液は黄色がかった色である。炎症性滑液は霞んでおり透明ではない。それは、また、その粘性特性の一部を失い水様の稠度（ｗａｔｅｒｙ  ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を有する。炎症性滑液は、リウマチ様関節炎または感染などの問題を示し得る。敗血症性滑液は色が暗い黄色から赤色となり得る。さらに、敗血症性滑液は不透明である。この滑液は、多数の細菌、菌類、白血球および赤血球を含み得る。色、濁度の測定、または双方の組み合わせが、関節の健康を判断するために使用され得る。
【０２０１】
この例では、色および濁度を測定するためにＬＥＤ３７０８（発光ダイオード）およびフォトダイオードアレイ３７１０などの光センサが使用され得る。一実施形態においては、ＬＥＤ３７０８およびフォトダイオードアレイ３７１０は透過領域３７０２の背後に配置される。ＬＥＤ３７０８およびフォトダイオードアレイ３７１０は装具構成要素３１００内に収容され、電子回路３１１０に結合することも電子回路３１１０の一部とすることもできる。前述のように、透過領域３７０２は光に対して透過性を有するガラスとされ得る。ＬＥＤ３７０８は白色光を直接フォトダイオードに伝送することができる。フォトダイオードはフォトダイオードアレイ３７１０の一部または別個のデバイスとされ得る。フォトダイオードはＬＥＤ３７０８の校正のため、およびデバイスによる光または強度出力の変化を検出するために使用され得る。ＬＥＤ３７０８は、また、滑液のサンプルを照らす。示されるように、ＬＥＤ３７０８によって放出された光は透過領域３７０２を通じて装具構成要素３１００の近傍の滑液に伝送される。一実施形態においては、３つのフォトダイオードがそれぞれ、滑液中に伝送される光を検出する赤色、緑色および青色光学フィルタを有する。各フォトダイオードは赤色、緑色および青色の相対的寄与を測定する。この寄与は、校正フォトダイオードによる測定値に対応する校正値と比率測定的に（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）比較され得る。校正値は白色光の赤色、緑色および青色成分の和に対応する。光を送信および受信するために２つ以上の透過領域が使用され得る。また、光を滑液内に案内するため、およびＬＥＤ３７０８からの直接光がフォトダイオードアレイ３７１０上に放射することを防止するために１つまたは複数のバリアまたは透過領域が使用され得る。
【０２０２】
測定の式は以下の通りとされ得る。
ａ）ｒ＝赤色、ｇ＝緑色、ｂ＝青色、ｃ＝校正
ｂ）色＝［ｒ，ｇ，ｂ］／（ｒ＋ｇ＋ｂ）
ｃ）濁度＝（ｒ＋ｇ＋ｂ）／３ｃ
【０２０３】
フォトダイオードアレイ３７１０によって測定された色は既知の感染色データと比較され得る。同様に、フォトダイオードアレイ３７１０による濁度測定値は既知の濁度色データと比較され得る。色および濁度測定値の両方は装具構成要素３１００によって得ることができる。両測定値を組み合わせて使用することで、予後のさらなる改善を可能にするデータを提供することができ、それによって、より良好な評価および治療手法を提供する。さらに、定期的な測定値を取り、色および濁度測定値を比較すると、変化率を得ることができる。変化率は感染が増加しているか減少しているかを判断するために使用され得る。経時的な測定値の比較は感染治療が成功したかどうかを判断するために使用され得る。装具構成要素内にセンサを配置することは感染の防止においてかなりの利点がある。統計的に、ほとんどの感染は関節の埋め込み後間もなくまたは手術後最初の数か月以内に発生する。感染は、手術創が治癒し、関節のリハビリテーションが行われた後には発生する可能性が低下する。手術によるおよびリハビリテーション中の疼痛もまた感染症状を隠す可能性がある。感染が発生した場合、それは関節の近傍における局所感染として開始する。第１の利点は、装具構成要素３１００は感染が体中に広がる前に関節局所の感染を特定することができることである。第２の利点は、感染の治療を関節局所の領域とすることができることである。第３の利点は、装具構成要素３１００が関節の近傍に放出され得る抗生物質も含み得ることである。第４の利点は、装具構成要素３１００がリモートシステムおよびデータベースと通信することができることである。リモートシステムは医師の診察を受けるように患者に通知を提供することができる。リモートシステムは、また、分析および治療のためのデータを医師に提供することができる。
【０２０４】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液の特性が定期的に測定される。特性は感染または他の問題の存在を判断するために使用され得る。測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第３のステップでは、測定値が比較される。一実施形態においては、変化が発生したかどうかを判断するために測定値が互いに比較される。さらに、経時的に実施した複数の測定は傾向を示し得る。別の実施形態においては、測定された特性は感染または同定される他の問題に関連する既知または所定の値と比較され得る。
【０２０５】
第４のステップでは、滑液の色が測定される。第５のステップでは、滑液の色は既知の色範囲に対して比較される。第６のステップでは、感染が存在するかどうかが決定され得る。一実施形態においては、比較により既知の滑液色に類似する色が得られる。例えば、透明な滑液は正常である。透明な黄色の滑液は炎症および他の問題を示し得る。霞んだ黄色の滑液は細菌または他の問題の存在を示し得る。赤色の色調を有する滑液は敗血症および滑液中の血液を示し得る。
【０２０６】
第７のステップでは、赤色、緑色および青色の相対的寄与が測定される。第８のステップでは、各色の寄与が相対的寄与の和と比率測定的に比較される。滑液の色は赤色、緑色および青色の寄与を評価することによって決定され得る。第９のステップでは、色の変化率が決定される。色の変化率は感染の状態を判断するために使用され得る。例えば、感染が検出されると、変化率は感染の減少または増加に対応する。それは、また、治療の有効性を判断するために使用され得る。治療後、変化率は感染の減少を示すべきである。
【０２０７】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液の濁度が定期的に測定される。濁度は感染または他の問題の存在を判断するために使用され得る。他の測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第３のステップでは、濁度測定値は、既知の濁度測定値または既定の濁度範囲と比較される。一実施形態においては、定期的な測定値の比較により変化が発生したかどうかを判断する。さらに、経時的に得られた複数の濁度測定値は傾向を示し得る。別の実施形態においては、測定された特性は、感染または解決される他の問題に関連する既知または既定の濁度値と比較され得る。第４のステップでは、感染が存在するかどうかが決定され得る。濁度は物質の混濁または霞み（ｈａｚｉｎｅｓｓ）の測度である。例えば、健康な滑液は透明である。逆に、感染した滑液は細菌の存在により霞んでいるか混濁している。さらに、感染の重症度は滑液中の微粒子の数に関連し得る。微粒子の数が多いほど感染が悪化している可能性がある。
【０２０８】
第５のステップでは、濁度が前の濁度測定値と比較される。第６のステップでは、濁度の変化率が決定される。概して、健康な滑液は透明であるため、濁度が増加していれば感染または問題は悪化している。代替的に、治療が提供されており、濁度が経時的に減少していれば患者の健康は改善している。第７のステップでは、データはリモートシステムに無線で伝送される。一実施形態においては、限定された伝送範囲ゆえにリモートシステムは装具構成要素の近傍にある。リモートシステムはプロセッサおよび画像プロセッサを含み得る。第８のステップでは、装具構成要素の透過領域を通じて光が受信される。装具構成要素の近傍の滑液に光が伝送される。光は滑液を照らし、フォトダイオードアレイによって検出される。フォトダイオードアレイの各ダイオードは装具構成要素の透過領域を通過する入射光を濾光するためのフィルタを有し得る。
【０２０９】
図３８は、一実施形態例による装具構成要素３１００およびリモートシステム３８０２を示す。リモートシステム３８０２は、機器、ツール、コンピュータ、ノートパッド、携帯電話、スマートフォンまたは医療機器とされ得る。装具構成要素３１００から伝送されるデータはリモートシステム３８０２によって受信される。同様に、リモートシステム３８０２は、手術およびセンサ測定を補助する情報を装具構成要素３１００に送信し得る。リモートシステム３８０２は、論理回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサを含み得る。この例では、リモートシステム３８０２はディスプレイを備えたラップトップコンピュータである。リモートシステム３８０２は、装具構成要素３１００からの定量的測定データを分析するための、および評価のための情報を表示するためのソフトウェアを含み得る。リモートシステム３８０２は、装具構成要素３１００の電子回路３１１０に結合するために伝送回路、受信回路またはその両方を含む。同様に、電子回路３１１０は伝送回路、受信回路またはその両方を含む。この例では、電子回路は伝送および受信回路を有するＡＳＩＣを含む。一実施形態においては、伝送および受信回路は透過領域３７０２を通じて伝送する。代替的に、アンテナ配置をサポートするために他の透過領域が装具構成要素３１００に追加され得る。また、装具構成要素３１００は、信号の伝送および受信を可能にするＰＥＥＫなどのポリマーから作製され得る。一実施形態においては、リモートシステム３８０２のデータの伝送は短距離である。伝送距離は、通常、１０メートル未満である。取り付けられた装具構成要素では、組織内においてＲＦ伝送が実施される。短い伝送距離は権限のないデータの受信を低減する。一実施形態においては、データ伝送はセキュリティのため暗号化される。データはリモートシステム３８０２によって解読され得る。
【０２１０】
この例では、ハウジング３１２２は電子回路３１１０および窓３７０２を含む。窓３７０２は、音響、超音波、無線周波数、赤外線および光などの信号に対して透過性を有し得る。窓３７０２は、装具構成要素の鋼、チタン、コバルト、合金または金属に接着されたガラスを含み得る。代替的に、構造３１０２の一部または全ては、スペクトルのいくつかに対して透過性を有するＰＥＥＫなどのプラスチックまたはポリマーを含み得る。窓３７０２は人工関節の他の構成要素によって遮断されず、関節領域の周囲および近傍の領域に対して露出を有する。一実施形態においては、窓３７０２は人工関節の近傍の領域を監視するために使用され得る。同様に、センサは構造３１０２または構造３１０４に固定され得ると共に、この領域にさらされ得る。窓３７０２は、滑液の健康に関連する１つまたは複数のパラメータを測定するために使用され得る。この例では、光センサは色および濁度を測定するために使用される。電子回路３１１０はセンサのそれぞれに結合される。一実施形態においては、チャンネルが各センサに割り当てられる。チャンネルは直列または並列で動作され得る。電子回路３１１０の論理回路が測定値をいつ得るかを制御する。測定データは伝送されるまで電子回路３１１０のメモリに記憶され得る。測定データはデジタルフォーマットに変換され得る。定量的パラメータ測定値は健康問題を判断するために個々にまたは組み合わせて使用され得る。
【０２１１】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足、および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液が監視される。第３のステップでは、滑液の特性が測定される。測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第４のステップでは、データがリモートシステムに送信される。データは装具構成要素からリモートシステムに無線で伝送され得る。リモートシステムは、デジタル論理回路、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、画像プロセッサ、通信回路またはアナログ回路を含み得る。一実施形態においては、信号およびそれが移動する媒体の電力制約により伝送は１０メートル未満とされ得る。例えば、伝送は装具構成要素と外部環境との間の複数層の組織を通過して送信されなければならない。
【０２１２】
第４のステップでは、装具構成要素によって送信されたデータは分析され得る。データはリモートシステムによって分析され得る。データは、また、他の機器、デバイス、コンピュータまたはデータベースに送信され得る。データは関節または装具システムの研究に関連する臨床データベースを作成するために他の情報またはデータと組み合わせることができる。第５のステップでは、レポートが発生される。レポートは装具構成要素内のセンサによって提供される定量的データに基づく。第６のステップでは、レポートは少なくとも１つの実体に送信される。概して、レポートは、装具構成要素内のセンサによって発生した定量的データを使用する。この例では、センサデータは関節の近傍の滑液の分析とされ得る。レポートは処置を取ることにつながり得る。例えば、感染または関節炎などの状態の検出は治療につながり得る。センサは治療の経過を監視するために使用され得る。第７のステップでは、滑液の温度が測定され得る。第８のステップでは、滑液のｐＨが測定され得る。第９のステップでは、滑液の色または濁度が測定され得る。レポートは患者のセンサデータまたは医師、外科医もしくは病院などの医療提供者に送信される測定されたパラメータ、傾向、およびデータの分析の全ての詳細な一覧のステータス更新と同じくらい簡単とされ得る。実体は情報を使用する権利を有する者または人と広く解釈され得る。レポートは情報の守秘権を維持するために暗号化され得る。同様に、センサデータは、また、荷重および荷重の位置データを含み得る。このセンサデータは、関節に関する運動学の問題および患者がどのように装具に適応しているかに対処するために使用され得る。
【０２１３】
図３９は、一実施形態例による電子回路３１１０および構造３１０４の図である。構造３１０４は本明細書中に開示される装具構成要素３１００の構成要素である。構造３１０４は電子回路３１１０を収容するためのキャビティ３９０２を含み得る。電子回路３１１０はキャビティ３９０２内に垂直に配置される。キャビティ３９０２は構造３１０４の幹状部３１２４内に延在する。概して、電子回路は構造３１０２、構造３１０４内、またはその両方に収容され得る。
【０２１４】
図４０は、一実施形態例による電子回路３１１０および構造３１０４の図である。構造３１０４は、電子回路３１１０を収容するためのキャビティ４００２を含み得る。電子回路３１１０はキャビティ４００２内に水平に配置されている。キャビティ４００２は、装具構成要素３１００の軽荷重領域内の、インターコネクト３１０６間の中央に配置されている。温度、ｐＨ、光、グルコースおよびその他などのセンサをハウジング３１２２内に搭載することができ、かつ電子回路３１１０に結合することができる。キャビティ４００２がハウジング３１２２の下にあり、装具構成要素３１００の近傍を測定するためのセンサを収容するための室を提供する。インターコネクト３１０６が支持表面３１２６および支持表面３１２８の上にある。各インターコネクト３１０６はセンサアレイを含み、膝の区画に対応する。力、圧力または荷重を測定するためのセンサがインターコネクト３１０６の荷重パッド３１０８の下にある。電子回路３１１０は関節の位置情報を提供するための加速度計を含み得る。
【０２１５】
図４１は、システム４１００の形態のマシンの例示的概略図を示す。システム４１００内において、命令一式が実行されると、マシンが上述の手法の任意の１つまたは複数を実行してもよい。いくつかの実施形態では、マシンはスタンドアローンデバイスとして動作する。いくつかの実施形態では、マシンは（例えばネットワークを使用して）他の機械と連結されてもよい。ネットワーク化された配置において、マシンは、サーバクライアントユーザネットワーク環境内のサーバもしくはクライアントユーザマシンの性能内で、またはピアトゥピア（または分散）ネットワーク環境内のピアマシンとして動作してもよい。
【０２１６】
マシンは、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、論理回路、センサシステム、ＡＳＩＣ、集積回路、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、またはそのマシンがとるべき動作を指定する（シーケンシャルまたはその他）命令一式を実行することが可能な任意のマシンを含んでも良い。本開示のデバイスが音声、ビデオまたはデータ通信を提供するあらゆる電子デバイスを広く含むことは理解されよう。さらに、１つのマシンが示されているが、用語「マシン」は、また、本明細書中に記載される手法の任意の１つまたは複数を実行するために一式（または複数式）の命令を個々にまたは共に実行するマシンの任意の集合を含むものと解釈される。
【０２１７】
システム４１００は、バス４１０８を介して互いに通信する、プロセッサ４１０２（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、画像処理装置（ＧＰＵ、または両方）、メインメモリ４１０４およびスタティックメモリ４１０６を含んでもよい。システム４１００は、ビデオディスプレイ装置４１１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フラットパネル、固体ディスプレイまたはブラウン管（ＣＲＴ））をさらに含んでもよい。システム４１００は、入力デバイス４１１２（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス４１１４（例えば、マウス）、ディスクドライブユニット４１１６、信号発生デバイス４１１８（例えば、スピーカまたはリモートコントローラ）およびネットワークインターフェースデバイス４１２０を含んでもよい。
【０２１８】
ディスクドライブユニット４１１６はフラッシュメモリなどの他の種類のメモリとすることができ、かつ機械可読媒体４１２２を含んでもよい。機械可読媒体４１２２には、上に説明した方法を含む、本明細書中に記載される手法または機能の任意の１つまたは複数を具現化した１つまたは複数セットの命令（例えば、ソフトウェア４１２４）が格納されている。命令４１２４は、また、システム４１００によるその実行中、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ４１０４内、スタティックメモリ４１０６内および／またはプロセッサ４１０２内に存在してもよい。メインメモリ４１０４およびプロセッサ４１０２は、また、機械可読媒体を含んでもよい。
【０２１９】
特定用途用集積回路、プログラマブル論理アレイおよび他のハードウェアデバイスを含むが、それらに限定されない専用ハードウェア実装は、同様に、本明細書中に記載される方法を実行するように構成することができる。種々の実施形態の装置およびシステムを含んでもよい適用例には、種々の電子およびコンピュータシステムを広く含む。いくつかの実施形態は、モジュール間および内において通信される関連の制御およびデータ信号を有する２つ以上の特定の相互連結したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて、または特定用途用集積回路の一部として機能を実施する。したがって、例示のシステムはソフトウェア、ファームウェアおよびハードウェア実装に適用可能である。
【０２２０】
本開示の種々の実施形態によれば、本明細書中に記載される方法は、コンピュータプロセッサ上で動作するソフトウェアプログラムとしての動作を意図したものである。さらに、分散処理またはコンポーネント／オブジェクト分散処理、並列処理または仮想マシン処理を含み得るが、それらに限定されないソフトウェア実装もまた本明細書中に記載される方法を実施するように構成することができる。
【０２２１】
本開示は、命令４１２４を含む機械可読媒体、またはネットワーク環境４１２６に結合されたデバイスが、音声、ビデオまたはデータを送信または受信することができ、かつ命令４１２４を使用してネットワーク４１２６上で通信することができるように伝播された信号からの命令４１２４を受信および実行する機械可読媒体を企図する。命令４１２４は、さらに、ネットワークインターフェースデバイス４１２０を介してネットワーク４１２６上で伝送されても受信されてもよい。
【０２２２】
実施形態例においては、機械可読媒体４１２２は単一媒体で示されるが、用語「機械可読媒体」は、１つまたは複数セットの命令を格納する単一媒体または複数媒体（例えば、集中または分散データベースおよび／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むものと解釈すべきである。用語「機械可読媒体」は、マシンにより実行するための、および本開示の手法の任意の１つまたは複数をマシンに実行させる命令一式を格納する、コード化するまたは運ぶことが可能な任意の媒体を含むものと解釈されるものとする。
【０２２３】
用語「機械可読媒体」は、したがって、メモリカードなどの固体メモリまたは１つまたは複数の読み出し専用（不揮発性）メモリ、ランダムアクセスメモリまたは他の書き換え可能（揮発性）メモリを収容する他のパッケージ、ディスクまたはテープなどの光磁気または光媒体、および伝送媒体内のコンピュータ命令を具現化した信号などの搬送波信号、および／または有形記憶媒体と同等の配布媒体（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍ）とみなされる電子メールのデジタルファイル添付または他の自己内蔵型情報アーカイブまたはアーカイブ一式を含むが、それらに限定されないものと解釈されるものとする。したがって、本開示は、本明細書中に記載され、本明細書中のソフトウェア実装が格納される当業者に周知の均等物および後継媒体を含む機械可読媒体または配布媒体の任意の１つまたは複数を含むものとみなされる。
【０２２４】
本明細書は、特定の標準およびプロトコルに関連する実施形態において実施されるコンポーネントおよび機能を記載するが、本開示は、そのような標準およびプロトコルに限定されるものではない。インターネットおよび他のパケット交換式ネットワーク伝送（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ）の各標準は従来技術の例を示す。そのような標準は実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物によって定期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替標準およびプロトコルは均等物とみなされる。
【０２２５】
図４２は、例示的な実施形態による測定および報告用の通信ネットワーク４２００の図である。簡潔には、通信ネットワーク４２００は他のデバイスまたはサービスとの広域データ接続性を拡張する。示されるように、測定および報告システム４２５５は通信ネットワーク４２００および任意の関連システムまたはサービスに通信的に結合され得る。
【０２２６】
一例として、測定システム４２５５は、例えば、手術状況または結果を分析または報告するために、その対象のパラメータ（例えば、角度、荷重、平衡性、距離、配列、変位、動き、回転および加速）を遠隔のサービスまたはプロバイダと共用することができる。このデータは、例えば、経過の監視のためサービスプロバイダと、または外科的監視目的または有効性の研究のため計画管理者（ｐｌａｎ  ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｏｒｓ）と共用され得る。通信ネットワーク４２００は、さらに、医療情報技術手法（ｈｅａｌｔｈ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｐｒａｃｔｉｃｅｓ）を実施するために電子医療記録（ＥＭＲ）システムと連結させることができる。他の実施形態においては、通信ネットワーク４２００は、ＨＩＳ病院情報システム、ＨＩＴ病院情報技術システムおよびＨＩＭ病院情報管理システム、ＥＨＲ電子健康記録システム、ＣＰＯＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｉａｎ  Ｏｒｄｅｒ  Ｅｎｔｒｙ）コンピュータ化医師向けオーダエントリシステムおよびＣＤＳＳコンピュータ化意思決定支援システムに通信的に結合され得る。これにより、様々な情報通信技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが通信する機能、データを正確に、効果的におよび一貫して交換する機能、および交換されたデータを使用する機能を提供する。
【０２２７】
通信ネットワーク４２００は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）４２０１、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）４２０５、セルラーネットワーク４２１４および／または他の無線周波数（ＲＦ）システム（図４を参照）上における有線または無線接続性を提供することができる。ＬＡＮ４２０１およびＷＬＡＮ４２０５は、例えば、電話局を通じてインターネット４２２０に通信的に結合され得る。電話局は、電気通信サービスを配信するための共通のネットワーク交換機を収容することができる。電気通信サービスは、旧来のＰＯＴＳ（基本電話サービス：Ｐｌａｉｎ  Ｏｌｄ  Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）およびケーブル、ＨＤＴＶ、ＤＳＬ、ＶｏＩＰ（ボイスオーバーインターネットプロトコル）、ＩＰＴＶ（インターネットプロトコルテレビジョン）、インターネットサービス等のような広帯域サービスを含み得る。
【０２２８】
通信ネットワーク４２００は、一般的なコンピューティングおよび通信技術を利用して回線交換式および／またはパケット交換式通信をサポートすることができる。インターネット４２２０および他のパケット交換式ネットワーク伝送（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ、ＲＴＰ、ＭＭＳ、ＳＭＳ）の各標準は従来技術の例を示す。そのような標準は実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物によって定期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替標準およびプロトコルは均等物とみなされる。
【０２２９】
セルラーネットワーク４２１４は、ＧＳＭ（登録商標）−ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＷｉＭＡＸ、２Ｇ、３Ｇ、ＷＡＰ、ソフトウェア無線（ＳＤＲ）および他の公知の技術などの多くのアクセス技術における音声およびデータサービスをサポートすることができる。セルラーネットワーク４２１４は、携帯機器４２０２との通信のためにベース受信機４２１０と周波数再使用プラン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒｅｕｓｅ  ｐｌａｎ）下で結合され得る。
【０２３０】
ベース受信機４２１０は、さらには、携帯機器４２０２をパケット交換リンクによってインターネット４２２０に結合することができる。インターネット４２２０は、測定システム４２５５から携帯機器４２０２にデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービス層をサポートすることができる。携帯機器４２０２は、また、無線通信チャンネルを使用してインターネット４２２０を通じ他の通信デバイスに結合することができる。
【０２３１】
携帯機器４２０２は、また、ＷＬＡＮ４２０５によってインターネット４２２０に結合することができる。無線ローカルアクセスネットワーク（ＷＬＡＮ）は、局所的な地理的区域内における無線アクセスを提供する。ＷＬＡＮは、通常、基地局としても公知のアクセスポイント（ＡＰ）４２０４の群を含む。測定システム４２５５は、基地局区域内のノート型パソコン４２０３などの他のＷＬＡＮステーションと通信することができる。典型的なＷＬＡＮ実装では、物理層は８０２．１１ｂまたは８０２．１１ｇＷＬＡＮ技術などの種々の技術を使用する。物理層は、２．４ＧＨｚ帯の赤外線、周波数ホッピングスペクトラム拡散、２．４ＧＨｚ帯の直接シーケンススペクトラム拡散、または、例えば、５．８ＧＨｚＩＳＭ帯またはより高いＩＳＭ帯（例えば、２４ＧＨｚ等）の他のアクセス技術を使用してもよい。
【０２３２】
データの交換のため、測定システム４２５５は通信ネットワーク４２００を介してネットワーク上のリモートサーバ４２３０および他の携帯機器との接続を確立することができる。リモートサーバ４２３０は、ローカル的またはリモート的に保存され、特定用途用データを含み得るデータベース４２４０へのアクセスを有し得る。リモートサーバ４２３０は、また、直接的にまたはインターネット４２２０によってアプリケーションサービスのホストとなり得る。
【０２３３】
埋め込み型整形外科デバイス上にあるデータは非常に少ないことに留意されたい。データのほとんどは、ヒト被験者または模擬使用（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ｕｓｅ）において使用された整形外科デバイスを分析することにより実験的に得られる。摩耗パターン、材料事項（ｍａｔｅｒｉａｌ  ｉｓｓｕｅ）および故障メカニズムが研究される。この種の研究を通じて情報を得ることはできるが、初期取り付け、術後使用および長期使用についての重要なデータは測定の見地から得る。各人が異なるように、初期荷重、平衡性および位置合わせに差を有することから各デバイスの取り付けは異なる。データを測定し、このデータを使用して整形外科デバイスを取り付ければインプラント処置の一貫性が大幅に増し、それによって、補修を低減し、デバイスの寿命が最大になる。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、測定されたデータはデータベースに回収することができ、そこで保存および分析され得る。例えば、測定されたデータの関連サンプルが回収されると、それは、寿命および埋め込み型整形外科デバイスの使用性を最大化するための最適な初期測定設定値、幾何学的配置および位置合わせを定義するために使用され得る。
【０２３４】
本発明は、周波数補償、物理的システムの制御または警報、または対象の物理的パラメータの監視または測定を含むが、それらに限定されない広範な医学的および非医学的用途に適用可能である。非常に小型の検出モジュールまたはデバイスにおいて達成可能な精度および繰り返し性のレベルは、骨密度、運動、粘度および種々の体液の圧力、局所温度等を含むが、それらに限定されない人体中の生理的パラメータを監視または測定する多くの医学的用途、血管系、リンパ系、呼吸器系、消化器系、筋、骨および関節、他の軟組織領域、および間質液における用途に適用可能であってもよい。
【０２３５】
本発明は特定の実施形態を参照して説明されたが、当業者であれば、本発明の範囲および精神から逸脱することなく本発明に多くの変更を施してもよいことは理解されよう。これら実施形態およびその明白な変形形態はいずれも本発明の範囲および精神内にあるものと考えられる。
【図１】
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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８】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月27日(2014.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのシステムにおいて、
透過領域、および骨に結合するように構成された少なくとも１つの特徴部を有する装具構成要素と、
電子回路と、
前記筋肉・骨格系の前記パラメータを測定するように構成された少なくとも１つのセンサと、を含み、
前記電子回路は、前記少なくとも１つのセンサに結合されており、前記装具構成要素は、前記電子回路および前記少なくとも１つのセンサを収容する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記装具構成要素は、金属、金属合金、またはポリエーテルエーテルケトンの少なくとも１つを含み、かつ前記透過領域はガラスを含むこと、
前記装具構成要素は、前記透過領域を通じてデータを無線で送信するように構成されること、および
前記透過領域は、前記装具構成要素の壁の少なくとも一部を含むこと、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記装具構成要素の前記透過領域は、滑液の近傍に配置されるように構成されており、前記筋肉・骨格系は、前記滑液を含むことを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのセンサは、
前記滑液を監視するように構成された光センサ、
前記滑液のｐＨを測定するように構成されたｐＨセンサ、および
前記滑液の温度を測定するように構成された温度センサ、
の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記システムが前記光センサを含む場合、
前記光センサは、前記滑液の色を監視するように構成されること、および
前記光センサは、前記滑液の濁度を監視するように構成されること、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つのセンサは、前記光センサ、前記温度センサ、および前記ｐＨセンサの前記少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４または５記載のシステム。
【請求項７】
装具構成要素において、
少なくとも１つの滑液センサであって、前記少なくとも１つの滑液センサは、前記装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成される少なくとも１つの滑液センサと、
前記少なくとも１つの滑液センサに結合された電子回路であって、前記少なくとも１つの滑液センサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容される、電子回路と、
を含むことを特徴とする装具構成要素。
【請求項８】
前記装具構成要素の支持表面に加えられる力、圧力または荷重の少なくとも１つを測定するように構成された少なくとも１つの力センサ、圧力センサまたは荷重センサをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の装具構成要素。
【請求項９】
前記装具構成要素は、金属、金属合金、またはポリエーテルエーテルケトンの少なくとも１つを含むこと、および
前記装具構成要素は、ガラスを含む透過領域を含むこと、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７または８記載の装具構成要素。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの滑液センサは、光センサ、ｐＨセンサ、温度センサ、または超音波センサの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項１１】
装具構成要素において、
少なくとも１つの光センサと、
前記少なくとも１つの光センサに結合された電子回路であって、前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記少なくとも１つの光センサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成される、電子回路と、
を含むことを特徴とする装具構成要素。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの光センサは、
少なくとも１つの発光ダイオード、および
フォトダイオードアレイ、を含み、
前記フォトダイオードアレイは、フォトダイオードを含み、
前記フォトダイオードは、前記少なくとも１つの発光ダイオードからの光を受信するように構成される、
ことを特徴とする請求項１１記載の装具構成要素。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの発光ダイオードは、前記滑液を光によって照明するように構成されることを特徴とする請求項１２記載の装具構成要素。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光センサは、滑液の色を測定するように構成されること、および
前記少なくとも１つの光センサは、前記滑液の濁度を測定するように構成されること、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの光センサは、前記滑液の赤色、緑色および青色の相対的寄与を測定するように構成されており、
前記少なくとも１つの光センサは、前記赤色、緑色および青色の前記相対的寄与を校正値の和と比率測定的に比較するように構成されており、
前記少なくとも１つの光センサは、前記赤色、緑色および青色の前記相対的寄与の和を前記校正値の３倍と比率測定的に比較するように構成される、
ことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項記載の装具構成要素。
【請求項１６】
長期的に関節を監視する方法において、
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液の特徴を前記１つまたは複数のセンサによって定期的に測定するステップと、
前記滑液の前記特徴の測定値を比較するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
定期的に測定するステップおよび測定値を比較するステップは、
前記滑液の色を測定するステップと、
前記滑液の前記色を既知の色範囲と比較するステップと、
前記滑液内に感染があるかどうかを判断するために前記色を使用するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記滑液の前記特徴は、前記滑液の前記色を含むこと、および
前記方法は、前記色の変化率を決定するステップをさらに含むこと、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
定期的に測定するステップは、
前記滑液の赤色、緑色および青色の前記相対的寄与を測定し、前記相対的寄与を前記相対的寄与の和と比率測定的に比較するステップ、
前記滑液の温度またはｐＨの少なくとも１つを測定するステップ、
データをリモートシステムに無線で送信するステップであって、前記データは、前記滑液の前記特徴を含むステップ、および
前記装具構成要素の透過領域を通じて光を受信するステップ、
の少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項記載の方法。
【請求項２０】
長期的に関節を監視する方法において、
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液の濁度を定期的に測定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記滑液の前記濁度を既定の濁度範囲と比較し、前記滑液内に感染があるかどうかを判断するために前記濁度を使用するステップ、
前記滑液の前記濁度を前記滑液の前の濁度測定値と比較し、前記滑液の前記濁度の変化率を決定するステップ、および
データをリモートシステムに無線で送信するステップであって、前記データは、前記滑液の前記濁度の測定値を含む、ステップ、
の少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
装具構成要素において、
温度センサと、
前記温度センサに結合された電子回路であって、前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記温度センサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近位の温度を測定するように構成される、電子回路と、
を含むことを特徴とする装具構成要素。
【請求項２３】
前記温度センサは、滑液の温度を定期的に測定するように構成されること、
前記滑液は、前記装具構成要素の近位に位置すること、
前記温度センサは、健康な関節滑液の温度に校正されるように構成されること、
前記温度センサは、微小電気機械システム温度センサ、熱電対、またはサーミスタの少なくとも１つを含むこと、および
前記電子回路は、温度データをリモートシステムに無線で送信するように構成されており、前記リモートシステムは、前記装具構成要素から前記温度データを受信し、かつ分析するように構成されること、
のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２２記載の装具構成要素。
【請求項２４】
前記電子回路に結合された少なくとも１つの荷重センサ、前記電子回路に結合された少なくとも１つのｐＨセンサ、または前記電子回路に結合された少なくとも１つの光センサをさらに含むことを特徴とする請求項２２または２３記載の装具構成要素。
【請求項２５】
装具構成要素において、
ｐＨセンサと、
前記ｐＨセンサに結合された電子回路と、を含み、
前記電子回路は、前記装具構成要素内に収容されており、前記ｐＨセンサおよび前記電子回路は、前記装具構成要素の近傍のｐＨを測定するように構成される、
ことを特徴とする装具構成要素。
【請求項２６】
前記ｐＨセンサは、滑液のｐＨを定期的に測定するように構成されること、
前記滑液は、前記装具構成要素の近位に位置すること、
前記ｐＨセンサは、健康な関節滑液ｐＨに校正されるように構成されること、
前記ｐＨセンサは、微小電気機械システムｐＨセンサ、埋め込み型ｐＨセンサ、または静電ｐＨセンサの少なくとも１つを含むこと、および
前記電子回路は、ｐＨデータをリモートシステムに無線で送信するように構成されており、前記リモートシステムは、前記装具構成要素からｐＨデータを受信し、かつ分析するように構成されること、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２５記載の装具構成要素。
【請求項２７】
前記電子回路に結合された少なくとも１つの荷重センサ、前記電子回路に結合された少なくとも１つの温度センサ、または前記電子回路に結合された少なくとも１つの光センサをさらに含むことを特徴とする請求項２６記載の装具構成要素。
【請求項２８】
長期的に関節を監視する方法において、
電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に提供するステップと、
前記装具構成要素の近傍に位置する滑液を定期的に監視するステップと、
前記滑液の特徴を測定するステップと、
データをリモートシステムに送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記リモートシステムにおいて前記データを分析するステップと、
前記リモートシステムからレポートを発生させるステップと、
前記レポートを前記リモートシステムから少なくとも１つの実体に送信するステップと、をさらに含み、
前記レポートを前記リモートシステムから前記少なくとも１つの実体に送信するステップは、前記レポートを患者または医師の少なくとも一方に送信するステップを含む、
ことを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記滑液の温度を測定するステップをさらに含み、前記データは、前記滑液の前記温度を含み、前記滑液の前記特徴は、前記滑液の前記温度を含むことを特徴とする請求項２８または２９記載の方法。
【請求項３１】
前記滑液のｐＨを測定するステップをさらに含み、前記データは、前記滑液の前記ｐＨを含み、前記滑液の前記特徴は、前記滑液の前記ｐＨを含むことを特徴とする請求項２８〜３０のいずれか一項記載の方法。
【請求項３２】
前記滑液の色または濁度の少なくとも１つを測定するステップをさらに含み、前記データは、前記滑液の前記色または前記濁度の前記少なくとも１つを含み、前記滑液の前記特徴は、前記滑液の前記色または前記濁度の前記少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２８〜３１のいずれか一項記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および２０１２年２月２７日出願の米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書に基づく国際出願であり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書はそれぞれ、２００９年６月３０日出願の米国仮特許出願第６１／２２１，８８１号明細書の優先権の利益を主張する２０１０年６月２９日出願の米国特許出願第１２／８２５，８５２号明細書の一部継続出願であり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。さらに、米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書は、２０１０年６月２９日出願の非仮特許出願第１２／８２６，３４９号明細書ならびに２０１１年９月２３日出願の非仮特許出願第１３／２４２，２７７号明細書および非仮特許出願第１３／２４２，６６２号明細書の優先権を主張するものであり、これら内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。同様に、米国特許出願第１３／４０６，５１９号明細書、米国特許出願第１３／４０６，５２３号明細書および米国特許出願第１３／４０６，５２５号明細書は、全て２００９年６月３０日出願の、米国仮特許出願第６１／２２１，７６１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７６７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７７９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７８８号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，７９３号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８０１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８０８号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８１７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８６７号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８７４号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８７９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８６号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８８９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，８９４号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９０１号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９０９号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９１６号明細書、米国仮特許出願第６１／２２１，９２３号明細書および米国仮特許出願第６１／２２１，９２９号明細書の優先権を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、全般的に、物理的パラメータの測定に関し、特に、高精度検出用の医療電子デバイスに関するが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００４】
哺乳類の骨格系は種間における差異の対象である。環境因子、使用による劣化および加齢によるさらなる変化が起こり得る。骨格系の整形外科関節は、通常、互いに対して動く２つ以上の骨を含む。運動は関節の骨格系に結合した筋組織および腱によって可能とされる。靭帯は１つまたは複数の関節骨を位置的に保持し、かつ安定させる。軟骨は骨と骨の接触を防止し、荷重を分配し、摩擦を低下させる摩耗面（ｗｅａｒ  ｓｕｒｆａｃｅ）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒトの骨格系の治療は大きな発展を遂げてきた。概して、整形外科関節は、設計の改良を開始するために収集および使用されるシミュレーション、機械的プロトタイプおよび患者データからの情報を使用して発展してきた。同様に、整形外科学において使用されるツールは長年をかけて洗練されてきてはいるが大きく変化してはいない。したがって、整形外科関節の置換の基本的手順は広範な分布の母集団の全般的ニーズを満たすために標準化されている。ツール、手順および人工関節は全般的ニーズを満たしているが、各置換手順は患者毎の顕著な差異の対象となる。これら個々の差異の修正は、利用可能なツールを使用して置換用関節を特定の状況に適応および適合させる外科医の技能に依存する。
【０００６】
添付の特許請求の範囲に記載の特徴と共にシステムの種々の特徴を説明する。本明細書中の実施形態は添付の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態例による、パラメータを測定するための、大腿骨と脛骨との間に接触して配置されるセンサを示す。
【図２】一実施形態例によるゼロ交差受信機のブロック図を示す。
【図３】一実施形態例による、検出アセンブリに結合された一体型のゼロ交差受信機のブロック図を示す。
【図４】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためのゼロ交差受信機またはエッジ検出受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ：ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｔｕｎｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を示す。
【図５】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するための連続波多重化構成にあるゼロ交差受信機を組み込んだセンサインターフェースを示す。
【図６】連続波モードにおける動作用の一体型のゼロ交差受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図７】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためにパルス多重化構成にある一体型のゼロ交差受信機を組み込んだセンサインターフェース図を示す。
【図８】一実施形態例による、パルスモードにおける動作用の一体型のゼロ交差受信機を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図９】一実施形態例によるエッジ検出受信機回路のブロック図を示す。
【図１０】検出アセンブリに結合されたエッジ検出受信機回路のブロック図を示す。
【図１１】一実施形態例による、閉ループ正フィードバックを維持するためのパルスエコー多重化構成にあるエッジ検出受信機回路を組み込んだセンサインターフェース図を示す。
【図１２】パルスエコーモードにおける動作用のエッジ検出受信機回路を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）のブロック図を示す。
【図１３】一実施形態例による検出モジュールの簡略断面図を示す。
【図１４】一実施形態例による反射動作モードおよび一方向動作モードを示すための集合体を示す。
【図１５】この集合体の双方向動作モードにおける導波路内の超音波伝播を示す集合体を示す。
【図１６】導波路の長さの変化による超音波の伝播の変化を示すためのセンサ素子の断面図を示す。
【図１７】一実施形態例による、高精度の処理および測定データのための方法ステップの簡略流れ図を示す。
【図１８】一実施形態例による医療検出システムのブロック図を示す。
【図１９】一実施形態例による、キャパシタに対応する測定サイクルを発生させるように構成される発振器を示す。
【図２０】一実施形態例による、力、圧力または荷重を検出する方法を示す。
【図２１】一実施形態例によるキャパシタの断面図を示す。
【図２２】一実施形態例による、機械的に直列で結合された２つ以上のキャパシタを含む図２１のキャパシタを示す。
【図２３】一実施形態例による、電気的に並列で結合された２つ以上のキャパシタを含む図２１のキャパシタを示す。
【図２４】一実施形態例による、図２１のキャパシタの導電性領域およびそれに対するインターコネクトの頂面図を示す。
【図２５】一実施形態例による、図２１のキャパシタに結合されたインターコネクトの断面図を示す。
【図２６】一実施形態例による、力、圧力または荷重を測定する方法の図を示す。
【図２７】一実施形態例による、複数のセンサを有する医療機器を示す。
【図２８】一実施形態例による、非平面表面に結合され、かつそれに適合するセンサを有する１つまたは複数の装具構成要素を示す。
【図２９】一実施形態例による、非平面表面に結合された１つまたは複数の遮蔽されたセンサを有するツールを示す。
【図３０】一実施形態例による、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのセンサとしてキャパシタを使用する方法の図を示す。
【図３１】一実施形態例による複数のセンサを有する装具構成要素を示す。
【図３２】一実施形態例による装具構成要素の構造の断面図を示す。
【図３３】一実施形態例による装具構成要素およびインサートを示す。
【図３４】一実施形態例による、インターコネクトに結合された電子回路を示す。
【図３５】一実施形態例による、組み立てられた装具構成要素を示す。
【図３６】一実施形態例による装具構成要素の部分断面図を示す。
【図３７】一実施形態例による構造および電子回路を示す。
【図３８】一実施形態例による装具構成要素およびリモートシステムを示す。
【図３９】一実施形態例による電子回路および構造の図である。
【図４０】一実施形態例による電子回路および構造の図である。
【図４１】一実施形態例による、内部において命令一式が実行されるシステムの形態のマシンの例示的概略図を示す。
【図４２】一実施形態例による測定および報告のための通信ネットワークの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、広くは、物理的パラメータの測定に関し、特に、センサの小さな変化の正確な測定を支持する高速応答回路（ｆａｓｔ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）に関する。
【０００９】
例示的実施形態の以下の説明は本質的に単に例証的なものであり、本発明、その用途または使用をいかようにも限定することを意図するものではない。
【００１０】
当業者に公知のプロセス、技法、装置および材料については詳述しないが、適切な場合には実施可能な記載の一部とすることを意図する。例えば、記載されるステップのそれぞれを達成するための特定のコンピュータコードは記載されないが、当業者であれば、取り消し実験（ｕｎｄｏ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ）なしに、本明細書中の実施可能な開示を前提にそのようなコードを書くことができよう。そのようなコードは少なくとも１つの例示的な実施形態の範囲内であることを意図する。
【００１１】
本明細書中に示されかつ記載されるいずれの例においても、工程段階または特定の構造実装のための温度、時間、エネルギーおよび材料特性などの任意の特定の材料は単に例証的であり、非限定的であると解釈すべきである。当業者に公知のプロセス、技法、装置および材料については詳述しないが、適切な場合には実施可能な記載の一部とすることを意図する。本明細書中に使用される「結合される」という語は、要素が共に直接結合されても、１つまたは複数の介在要素を介して結合されてもよいことを意味することにも留意されたい。
【００１２】
付加的に、例示的実施形態において使用される構造のサイズは本明細書中におけるいずれの記載によっても限定されない（例えば、構造のサイズは、マクロ（センチメートル、メートルおよびそれよりも大きなサイズ）とすることも、マイクロ（マイクロメートル）およびナノメートルサイズおよびそれよりも小さいものとすることができる）。
【００１３】
以下の図において、同様の参照符号および文字は同様の項目を意味し、したがって、１つの図中において項目が定義されると、それについては後の図に記載されることもさらに定義されることもないことに留意されたい。
【００１４】
第１の実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、連続モード（ＣＭ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内の連続的超音波の伝播特性を評価する。
【００１５】
第２実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、パルスモード（ＰＭ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内のパルス超音波の伝播特性を評価する。
【００１６】
第３実施形態においては、超音波測定システムは、１つまたは複数の超音波トランスデューサ、超音波導波路、および伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を含む。この実施形態の超音波測定システムでは、導波路に加えられる力のレベルを判断するために、パルスエコーモード（ＰＥ）の動作を利用して閉ループフィードバックにより導波路内の超音波エコー反射の伝播特性を評価する。
【００１７】
図１は、例示的な実施形態による、大腿骨１０２と脛骨１０８との間に接触して配置される、パラメータを測定するためのセンサ１００の図である。概して、センサ１００はパラメータを測定するために筋肉・骨格系に接触して、またはその近傍に配置される。非限定的な例においては、センサ１００は人工関節の取り付けなどの処置時に筋肉・骨格系のパラメータを測定するために使用される。センサ１００の実施形態は、広くは、物理的パラメータの測定に関し、特に、媒体中を伝播するパルスエネルギー波の通過時間の変化の測定に関する。整形外科関節インプラント手術時における原位置での測定は、インプラントが、平衡が取れた状態であり、かつ適切な荷重または張力下にあることを確認するのに大きな利点となり得る。一実施形態においては、器具は外科医によって現在使用されている他の器具に類似し、かつそれとなじんで（ｆａｍｉｌｉａｒｌｙ）動作する。これにより受容が増加し新技術の採用周期が低減される。測定により、外科医が埋め込み型構成要素を所定の範囲内に取り付けることを確実とすることが可能になり、関節装具の寿命が最大になり、高額な補正が低減される。実時間データの使用による処置の定量的測定および評価の提供はより一貫した結果を生む。さらなる問題は、インプラント手術から術後的におよび長期的に得られるインプラントのデータがほとんどまたは全くないことである。センサ１００はインプラントのステータスデータを整形外科メーカおよび外科医に提供することができる。さらに、埋め込み型関節自体の直接測定により得られたデータは埋め込み型関節の動作および関節の摩耗についての知識を大幅に向上させ、それによって、デザインおよび材料の改良につながる。
【００１８】
少なくとも１つの例示的な実施形態においては、エネルギーパルスがパルスモード動作およびパルス整形によってセンサ１００内の１つまたは複数の導波路内において誘導される。導波路はエネルギーパルスを所定の方向に案内する導管である。エネルギーパルスは、通常、導波路内に閉じ込められる。一実施形態においては、導波路は高分子材料を含む。例えば、ウレタンまたはポリエチレンは導波路を形成するのに適した高分子である。高分子導波路は圧縮することができ、かつシステムのヒステリシスをほとんどまたは全く有しない。代替的に、エネルギーパルスは筋肉・骨格系を通じて誘導することができる。一実施形態においては、エネルギーパルスは骨密度を測定するために筋肉・骨格系の骨を通じて誘導される。エネルギーパルスの通過時間は、それが移動する媒体の材料特性に関連する。この関係は、いくつかの例を挙げると、距離、重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度および密度等のパラメータの正確な測定値を得るために使用される。
【００１９】
センサ１００は、筋肉・骨格系の領域またはツール、機器または人工関節などの構成要素内における取り付けという形態的要素の要求によってサイズの制約を受ける可能性がある。非限定的な例においては、センサ１００が取り付けられた人工膝関節の荷重および平衡性を測定するために使用される。膝装具は、大腿骨装具構成要素１０４と、インサートと、脛骨装具構成要素１０６とを含む。大腿骨１０２の遠位端は大腿骨装具構成要素１０４を受け入れる準備がなされている。大腿骨装具構成要素１０４は、通常、天然大腿骨を模した２つの顆表面を有する。示されるように、大腿骨装具構成要素１０４は大腿骨１０２に結合された単一の顆表面を有する。大腿骨装具構成要素１０４は、通常、金属または金属合金で作製される。
【００２０】
脛骨１０８の近位端は脛骨装具構成要素１０６を受け入れる準備がなされている。脛骨装具構成要素１０６は脛骨の近位端に固定される支持構造であり、通常、金属または金属合金で作製される。脛骨装具構成要素１０６は、また、インサートを脛骨１０８に対して固定位置に保持する。インサートは、大腿骨装具構成要素１０４と脛骨装具構成要素１０６との間に取り付けられる。インサートは、大腿骨装具構成要素１０４の少なくとも顆表面に接している少なくとも１つの支持面を有する。顆表面は、下腿が荷重下で回転することができるようにインサートの支持面に対して動くことができる。インサートは、通常、摩擦を最小にする高摩耗性（ｈｉｇｈ  ｗｅａｒ）プラスチック材料で作製される。
【００２１】
膝関節置換術では、外科医は大腿骨装具構成要素１０４を大腿骨１０２に、脛骨装具構成要素１０６を脛骨１０８に取り付ける。脛骨装具構成要素１０６は、脛骨１０８の平坦化された近位端に固定されたトレーまたはプレートを含み得る。センサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４の顆表面と脛骨装具構成要素１０６の主表面との間に配置される。顆表面はセンサ１００の主表面に接している。センサ１００の主表面はインサートの表面に近似する。脛骨装具構成要素１０６は、主表面上に、測定プロセス中にセンサ１００を受け入れかつ保持するキャビティまたはトレーを含み得る。脛骨装具構成要素１０６とセンサ１００は、脛骨装具構成要素１０６と膝関節の最終（または長期的）インサートとの合計厚さを示す合計厚さを有する。
【００２２】
一実施形態においては、２つのセンサ１００が２つの別個のキャビティ内に取り付けられる。キャビティは、脛骨構成要素１０６によって所定の位置に維持される試行用インサート（脛骨構成要素自体ではなく脛骨インサートとも呼ばれてもよい）内にある。１つまたは２つのセンサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４と脛骨装具構成要素１０６との間に挿入されてもよい。各センサは独立し、それぞれが大腿骨１０２の各々の顆を測定する。別個のセンサは、１つの顆が治療され、１つのセンサのみが使用される状況にも適応する。代替的に、システムのコストおよび複雑さを低減するために電子機器を２つのセンサ間において共用することができる。共用の電子機器は測定値をとるために各センサモジュール間において適宜多重化させることができる。センサ１００によって得られた測定値は、外科医が各顆にかかる絶対荷重および顆間の平衡を変更するに当たり補助する。膝インプラントについて示したが、センサ１００は、脊椎、股関節部、肩部、肘、足首、手首、指節間関節、中足趾節関節、中手指節関節およびその他などの他の整形外科関節を測定するために使用され得る。代替的に、センサ１００は、また、測定値を提供するために整形外科器具に適合させることができる。
【００２３】
センサ１００を組み込んだ装具は天然膝関節の機能を模倣する。センサ１００は、可動域全体にわたる様々な箇所の荷重または他のパラメータを測定することができる。センサ１００からのデータは有線または無線通信により受信ステーション１１０に伝送される。第１の実施形態においては、センサ１００は使い捨てシステムである。センサ１００は、関節インプラントを最適に装着するためにセンサ１００を使用後、廃棄され得る。センサ１００は、資本金、運転費を低減し、定量的測定の迅速な採用を促進し、証拠に基づく（ｅｖｉｄｅｎｔｉａｒｙ  ｂａｓｅｄ）整形外科を手ほどきする（ｉｎｉｔｉａｔｅｓ）低コストの使い捨てシステムである。第２実施形態においては、センサ１００を再利用のため清浄化および滅菌するための手法が導入され得る。第３実施形態においては、センサ１００は、置換用関節の構成要素とされる代わりにツールに組み込まれ得る。ツールは使い捨てとすることも、再使用のために清浄化し滅菌することもできる。第４の実施形態では、センサ１００は置換用関節の永久構成要素とされ得る。センサ１００は埋め込み型関節に関する術後データを短期および長期の両方において提供するために使用され得る。第５の実施形態では、センサ１００は筋肉・骨格系に結合させることができる。実施形態の全てにおいて、受信ステーション１１０は、データ処理、記憶もしく表示、またはそれらの組み合わせを含むことができ、かつ荷重のレベルおよび分布の実時間グラフ表示を提供することができる。受信ステーション１１０は、センサ１００の経理情報を記録し、かつ適切な機関に提供することができる。
【００２４】
術中例においては、センサ１００は、大腿骨装具構成要素１０４および脛骨装具構成要素１０６上における力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を、対応する位置およびトルク（例えば、Ｔｘ、ＴｙおよびＴｚ）と共に測定することができる。外科医が最適な関節圧力および平衡を得るのに必要な任意の調整の特定を支援するための実時間可視化を提供するために測定された力およびトルクのデータが受信ステーション１１０に伝送される。データは、補修を最低限にし、患者の機能および関節の寿命を最大にするのに必要な荷重および位置合わせの許容度の範囲を決定するにあたり大きな価値を有する。
【００２５】
前述のように、センサ１００は他の関節手術に使用することができ、それは１つまたは複数の膝置換インプラントに限定されない。さらに、センサ１００は試行測定に限定されない。センサ１００は、術後的に、埋め込み型関節が適切に機能しているかどうかを判断するためのデータを提供するために最終関節系（ｆｉｎａｌ  ｊｏｉｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ）に組み込まれ得る。センサ１００を使用した、問題の早期判定により、患者が発見することができない問題に意識を向けることによって関節の破滅的な障害を低減することができる。問題はしばしば最小限の侵襲的処置によってより低いコストおよび患者へのストレスで修正され得る。同様に、関節のより長期の監視により、早期に発見されれば最小限の手術で最適な寿命または摩耗表面の交換のため調整することができる摩耗またはズレを判断することができ、それによって、インプラントの寿命が延びる。概して、センサ１００は、それが、筋肉・骨格系、関節およびそれに関連するツールに関連する多くの整形外科用途において使用される（または任意の整形外科用途において使用される）耐荷重面にまたは耐荷重面内に配置され得る、または係合され得る、または固定され得るような形状にすることができる。センサ１００は、摩耗、応カ、運動学、動力学、固定強度、靭帯の平衡、解剖学的適合および平衡などの対象の１つまたは複数の性能パラメータの組み合わせに関する情報を提供することができる。
【００２６】
図２は、一実施形態によるゼロ交差受信機２００のブロック図である。第１の実施形態においては、ゼロ交差受信機２００は、対称波形または周期波形（ｃｙｃｌｉｃａｌ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）の中点を通る各エネルギー波の変化等のエネルギー波の変化状態を検出するために提供される。これは、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。受信機は信号変化に迅速に応答し、エネルギー波の変化特性に合致するデジタルパルスを最小限の遅延で出力する。ゼロ交差受信機２００は、さらに、調節可能なレベルのノイズ除去により、ノイズと、非常に低レベルの波を含む対象のエネルギー波とを区別する。ノイズ除去部２１８は、低レベルの波を含む広範な振幅にわたりノイズ抑制を正確に実施するためのフィルタリングステージおよびオフセット調整ステージを含む。
【００２７】
第２実施形態においては、ゼロ交差受信機は、入力される対称、周期または正弦波を、非常に低レベルの入力信号において優れた性能を有する方形または矩形デジタルパルスシーケンスに変換するために提供される。デジタルパルスシーケンスは、エネルギー波の変化時間に合致するパルスタイミングインターバルを示す。ゼロ交差受信機は検出アセンブリと結合され、入力される正弦波の変化の測定に応答してデジタルパルスシーケンスを発生させる。このデジタルパルスシーケンスは、検出アセンブリの物理的変化に関連する、加えられる力などの対象のパラメータに関連するタイミング情報を伝達する。
【００２８】
第３実施形態においては、一体型のゼロ交差受信機は伝播調整式発振器（ＰＴＯ）内に組み込まれ、連続波モードまたはパルスループモードにおいて動作する場合に閉ループ正フィードバックを維持する。一体型のエッジゼロ交差受信機（ｅｄｇｅ  ｚｅｒｏ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ）は入カおよび出力回路の多重化によりＰＴＯと電気的に結合され、超低電力および小さな小型サイズが達成される。ＰＴＯの電気的構成要素は低レベル信号への適切な感度を確保するためにゼロ交差受信機の構成要素と結合される。
【００２９】
一実施形態においては、低電力ゼロ交差受信機２００は、低い信号レベルにおける性能をさらに向上させるために、伝播調整式発振器の他の回路と結合され得る。ゼロ交差受信機２００は、前置増幅器２０６と、フィルタ２０８と、オフセット調整回路２１０と、比較器２１２と、デジタルパルス回路２１４と、を含む。以下に説明されるように、フィルタ２０８およびオフセット調整回路２１０はノイズ除去部２１８を構成する。ゼロ交差受信機２００は、ディスクリートのアナログ構成要素、デジタル構成要素またはこれらの組み合わせにおいて実施され得る。一体型のゼロ交差受信機２００は、特定位置および特定条件下においてエネルギー波の中点を検出する測定方法を実施する。エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。動作の方法の短い説明は以下の通りである。
【００３０】
入力エネルギー波２０２は、電気接続部、アンテナまたはトランスデューサからゼロ交差受信機２００の入カ２０４に結合される。ゼロ交差受信機２００の入カ２０４は、入力エネルギー波２０２を増幅するために前置増幅器２０６に結合される。増幅された信号はフィルタ２０８によってフィルタリングされる。フィルタ２０８は、前置増幅器２０６の出力およびオフセット調整回路２１０の入カに結合される。１つの構成においては、フィルタ２０８は入力エネルギー波２０２の帯域幅上の高周波成分を除去するための低域フィルタである。別の配置においては、フィルタは入力エネルギー波２０２の帯域幅に合致する通過域を有する帯域フィルタである。しかしながら、それはいずれかの配置に限定されるものではない。フィルタリング後の増幅された波のオフセットはオフセット調整回路２１０によって調整される。比較器２１２の入カはオフセット調整回路２１０の出力に結合される。比較器２１２は増幅された波形を監視し、事前設定されたトリガレベルが検出されるたびにデジタルパルス回路２１４をトリガする。デジタルパルス回路２１４は、比較器２１２の出力に結合された入カおよびデジタルパルス２１６を提供するための出力を有する。以下に説明されるように、デジタルパルス２１６はさらに信号処理回路に結合され得る。
【００３１】
好適な実施形態においては、電子部品は集積回路のブロックとして共に作動的に結合される。以下に示されるように、この集積配置はその特定の機能を最小数の構成要素によって効率的に実施する。これは、最小数の構成要素および最小の電力消費で必要な性能を実現するために、アナログ機能とデジタル機能の革新的区分のみならず、回路部品が集積回路およびディスクリート部品内の構造間において区分されていることが理由である。
【００３２】
図３は、例示的な実施形態による、検出アセンブリ３００に結合される一体型のゼロ交差受信機２００のブロック図を示す。前置増幅器２０６およびデジタルパルス回路２１４が参考および説明のために示される。一実施形態においては、検出アセンブリ３００は、送信機トランスデューサ３０２と、エネルギー伝播構造（または媒体）３０４と、受信機トランスデューサ３０６と、を含む。さらに以下に説明されるように、検出アセンブリ３００は、一実施形態においては、力、圧力または荷重などのパラメータを測定する感覚デバイス（ｓｅｎｓｏｒｙ  ｄｅｖｉｃｅ）の一部である。非限定的な例においては、加えられる力３０８などの外部パラメータが検出アセンブリ２００に作用する。示されるように、加えられる力３０８が伝播構造３０４を寸法的に変更する。概して、検出アセンブリ３００は、エネルギー伝播構造３０４の変化に関連する、距離、力、重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向および変位などの対象の１つまたは複数のパラメータを伝達する。一例では、関節の骨の間にある検出アセンブリ３００を使用し、上に開示されるような筋肉・骨格系の関節によって加えられる荷重を測定する。
【００３３】
トランスデューサドライバ回路（図示せず）は、エネルギー伝播構造３０４内に誘導されるエネルギー波３１０を生成するために検出アセンブリ３００の送信機トランスデューサ３０２を駆動する。加えられる力３０８などの、加えられるパラメータによるエネルギー伝播媒体３０４の変化は、エネルギー波３１０（またはパルス）の周波数、位相および通過時間を変化させる。一実施形態においては、加えられる力３０８は、エネルギー波３１０の伝播の経路の方向における伝播構造３０４の長さに影響する。ゼロ交差受信機２００は、再生エネルギー波２０２のゼロ交差を検出するために受信機トランスデューサ３０６に結合される。ゼロ交差デジタルパルスを検出すると、回路２１４がトリガされパルス２１６が出力される。デジタルパルス２１６のタイミングは対象のパラメータ（例えば、距離、力重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向、変位等）を伝達する。
【００３４】
そのようなエネルギー波３１０またはエネルギー波のパルスの伝播に依存した測定方法はエネルギー波またはパルスの非常に正確かつ制御された検出を実現するために必要である。さらに、エネルギー波のパルスは、その中に、潜在的な検出の曖昧性につながる複合波形を有する複数のエネルギー波を含んでもよい。特に、エネルギー伝播構造３０４内へのエネルギー波３１０の誘導は、導波路のヌルおよび共振、ならびに発生したエネルギー波３１０の特性に起因する干渉パターンを発生させる可能性がある。これら干渉パターンは元のエネルギー波のエッジの歪みを発生させる励振波形を多重化する可能性がある。
【００３５】
図２を再度簡潔に参照すると、エネルギー波のパルスの出現を確実に検出するために、ゼロ交差受信機２００では２つの形態のノイズ除去を組み込むノイズ除去部２１８を活用する。対象のパラメータの物理的測定用の動作周波数を超える周波数はフィルタ２０８によって減衰される。加えて、入力波形のオフセットレベルはオフセット調整２１０によって調整され、比較器２１２が出力パルスをトリガする電圧レベルが最適化される。これは、入カに存在するノイズの余分な増幅が追加されないことから、入力波形の増幅に比べてより信頼性が高い。入力される対称、周期または正弦波の出現への迅速な応答と、調節可能なレベルのノイズ除去の組み合わせにより、非常に低レベルの信号に対する優れた性能を備えた超低電力ゼロ交差受信機２００による信頼性の高いゼロ交差検出が実現される。
【００３６】
広範な非医学的および医学的用途に合うように作製することができる高性能の測定モジュールまたはデバイスの設計および構造を可能にする超低電力回路を有する小型測定モジュールまたはデバイスには広範な用途がある。非常に小型の測定モジュールまたはデバイスの用途は、使い捨てのモジュールまたはデバイス、および再利用可能モジュールまたはデバイス、および長期使用用のモジュールまたはデバイスを含んでもよいが、これらに限定されない。非医学的用途に加え、広範な潜在的医学的用途の例は、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、術中インプラントまたは試行用インサート内の術中インプラントまたはモジュール、挿入または摂取されたデバイス内のモジュール、着用可能なデバイス内のモジュール、手持型のデバイス内のモジュール、これらの全ての器具、器械、機器または付属品、またはインプラント、試行用インサート、挿入または摂取されたデバイス、着用可能なデバイス、手持型のデバイス、器具、器械、機器内の使い捨て具、またはこれらデバイス、器具、器械または機器の付属品内のモジュールを含んでもよいが、これらに限定されない。
【００３７】
図４は、例示的な実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するための伝播調整式発振器（ＰＴＯ）４０４の例示的ブロック図４００である。測定システムは、検知集合体４０１と、検知集合体４０１の１つまたは複数の導波路４０３内のエネルギー波４０２を検出する伝播調整式発振器（ＰＴＯ）４０４と、を含む。一実施形態においては、エネルギー波４０２は超音波である。パルス４１１はエネルギー波４０２の検出に応答して発生し、導波路４０３内において新しいエネルギー波の伝播を開始する。超音波エネルギーパルスまたは波、超音波共振器またはトランスデューサによる超音波パルスまたは波の放出、超音波導波路内における伝送および超音波共振器またはトランスデューサによる検出は、単にエネルギーパルス、波および伝播構造および媒体の例として使用されることに留意されたい。本明細書中において企図される他の実施形態は光などの他の波形態を利用することができる。
【００３８】
検知集合体４０１は、トランスデューサ４０５と、トランスデューサ４０６と、導波路４０３（またはエネルギー伝播構造）と、を含む。非限定的な例においては、検知集合体４０１は耐荷重面または接触面４０８に固定される。接触面４０８に加えられる外力が導波路４０３を圧縮し、導波路４０３の長さを変化する。圧縮下において、トランスデューサ４０５とトランスデューサ４０６は、また、互いに近づけられる。距離の変化は、トランスデューサ４０５とトランスデューサ４０６との間において伝送および受信されるエネルギー波４０２の通過時間４０７に影響する。伝播調整式発振器４０４は、これら物理的変化に応答して各エネルギー波をより速く（例えば、より短い通過時間）検出し、より短い通過時間に関連する新しいエネルギー波の伝播を開始する。以下に説明されるように、これは、パルス発生器４１０、モード制御部４１２および位相検出器４１４とともに、ＰＴＯ４０４によって実現される。
【００３９】
特に、導波路４０３（１つまたは複数のエネルギー伝播構造）の変化は伝播の媒体の伝播特性（例えば、通過時間４０７）を変更する。エネルギー波は連続波またはパルスエネルギー波とされ得る。パルスエネルギー波手法では、電力散逸を低減し、動作期間中に電池またはキャパシタなどの仮設電源がシステムに電源を供給することを可能にする。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、連続波エネルギー波またはパルスエネルギー波がトランスデューサ４０５により導波路４０３の第１の表面に提供される。トランスデューサ４０５は、導波路４０３内に結合されるエネルギー波４０２を発生させる。非限定的な例においては、トランスデューサ４０５は超音波周波数領域内の音響信号を送信および受信することが可能な圧電デバイスである。
【００４０】
トランスデューサ４０６は、導波路４０３の第２の表面に結合され、伝播されたパルス形信号を受信し、対応する電気信号を発生させる。トランスデューサ４０６によって出力された電気信号は位相検出器４１４に結合される。概して、位相検出器４１４は、検出されたエネルギー波の波形上の選択点のタイミングを、他の伝播されたエネルギー波の波形上の同じ点のタイミングと比較する検出回路である。第１の実施形態においては、位相検出器４１４はゼロ交差受信機とされ得る。第２実施形態においては、位相検出器４１４はエッジ検出受信機とされ得る。第３実施形態においては、位相検出器４１４は位相同期ループとされ得る。検知集合体４０１が圧縮される例では、伝播されたエネルギー波４０２の検出が、外力が接触面に加えられる前に、信号よりも先に行われる（導波路４０３の長さ／距離低減に起因する）。パルス発生器４１０は、位相検出器４１４による、伝播したエネルギー波４０２の検出に応答して新しいパルスを発生させる。新しいパルスはトランスデューサ４０５に提供され、新しいエネルギー波シーケンスが開始される。したがって、各エネルギー波シーケンスは、導波路４０３内を伝播するエネルギー波４０２を維持する、エネルギー波伝播、エネルギー波検出およびエネルギー波放出の個々のイベントである。
【００４１】
伝播するエネルギー波の通過時間４０７はエネルギー波が導波路４０３の第１の表面から第２の表面に伝播するのにかかる時間である。上記のように、各回路に関連する遅延がある。通常、回路の総遅延は導波路４０３を通るエネルギー波の伝播時間よりも大幅に短い。加えて、平衡状態下では、回路遅延の変動は最小である。外力の変化が、生理的システムまたは機械的システム等内におけるパルス形信号伝播時間に対して比較的ゆっくりと起こる場合、平均時間を得るために複数のパルス間タイミングが使用され得る。デジタル計数器４２０は電子部品とともに、伝播したエネルギー波の数をカウントし、導波路４０３の長さの対応する変化を決定する。これら長さの変化は外力に対して正比例で変化するため、対象の１つまたは複数のパラメータまたはパラメータの変化を電気信号に変換することを可能にする。
【００４２】
ブロック図４００は、さらに、計数およびタイミング回路を含む。特に、タイミング、計数およびクロック回路は、デジタルタイマ４２０と、デジタルタイマ４２２と、デジタルクロック４２６と、データレジスタ４２４と、を含む。測定シーケンス中、デジタルクロック４２６はデジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２にクロック信号を提供する。デジタル計数器４２０は伝播調整式発振器４０４に結合される。デジタルタイマ４２２はデータレジスタ４２４に結合される。デジタルタイマ４２０と、デジタルタイマ４２２と、デジタルクロック４２６と、データレジスタ４２４は、表面４０８に加えられる対象の物理的パラメータの測定のモードによって、超音波共振器またはトランスデューサ４０５により放出され、導波路４０３内を伝播し、または超音波共振器またはトランスデューサ４０５または４０６により検出されたエネルギー波４０２の通過時間４０７を取り込む。タイミングおよび計数回路の動作については以下により詳細に開示される。
【００４３】
測定データは正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定を達成するために分析され得る。この方法は、取り込まれたデータの精度または分解能のレベルの、検出およびデータ処理操作の帯域幅を含む測定分解能と周波数との間におけるトレードオフが最適化されるような設定を可能とするため、検出モジュールまたはデバイスが測定の分解能を妥協することなくその最適な動作点で動作することが可能となる。これは、複数の個々の励振の通過時間および通過周期を平均化するのではなく複数周期の励振および通過時間の累積することによって実現される。この結果は、物理的システム内の対象のパラメータの正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定である。
【００４４】
少なくとも１つの例示的な実施形態においては、伝播調整式発振器４０４は、１つまたは複数の検知集合体４０１とともに、筋肉・骨格系の測定値を取るために使用される。非限定的な例においては、検知集合体４０１は、大腿骨装具構成要素と脛骨装具構成要素との間に配置され、人工膝関節の取り付けを補助する、測定した荷重情報を提供する。検知集合体４０１は、また、関節機能を監視するための永久構成要素または筋肉・骨格関節もしくは人工筋肉・骨格関節とされ得る。測定は伸展時および屈曲時に実施され得る。この例では、集合体４０１は、顆荷重を、それが既定の範囲および位置内にあるかを判断するために測定するために使用される。測定値に基づき、外科医は、測定された荷重および所定の位置にある最終インサートとの結合（ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）が既定の範囲内となるようにインサートの厚さを選定することができる。外科医は力または圧力をさらに最適化するために軟組織のテンショニングを使用することができる。同様に、２つの集合体４０１が両顆を同時に測定するためにまたは多重化（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）のために使用され得る。顆間の荷重の差（例えば平衡性）が測定され得る。顆間の測定された圧力差を低減するために、高い方の測定された荷重を有する顆にかかる力を低減するために軟組織のテンショニングが使用され得る。
【００４５】
１つの動作の方法では、導波路４０３内を伝播するエネルギー波の数を整数定数として保持する。エネルギー波の時間周期はエネルギー波の周期性に対応する。安定した時間周期は多くのエネルギー波にわたり時間周期の変化が非常に小さいものである。これは、検知集合体４０１に作用する条件が一貫または一定を維持する場合に起こる。導波路４０３内を伝播するエネルギー波の数を整数に保持することは、導波路４０３の長さが変化した場合にパルス間の時間の変化を強制する制約である。生じた各エネルギー波の時間の変化は、デジタル計数器４２０を使用し、接触面４０８に加えられる外力または外部条件の変化の測定値として取り込まれた総エネルギー波時間周期の変化に対応する。
【００４６】
一実施形態による、トランスデューサ４０５から伝播し、トランスデューサ４０６によって受信されるエネルギー波４０２の動作のさらなる方法が以下に記載される。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、エネルギー波４０２は超音波エネルギー波である。トランスデューサ４０５およびトランスデューサ４０６は圧電共振器トランスデューサ（ｐｉｅｚｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）である。記載されないが、波伝播は反対方向に行うことができ、トランスデューサ４０６によって開始され、トランスデューサ４０５によって受信される。さらに、選択した伝播モード（例えば、反射検出（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ））によっては、検出する超音波共振器トランスデューサ４０６を示されるように別個の超音波共振器とすることもでき、トランスデューサ４０５を単独で使用することもできる。接触面４０８に加えられる外力または外部条件の変化は導波路４０３の伝播特性に作用し、通過時間４０７を変更する。前述のように、伝播調整式発振器４０４は、導波路４０３内を伝播する整数のエネルギー波４０２（例えば、整数のパルスエネルギー波時間周期）を一定に維持し、それによって、繰り返し数を制御する。上に示したように、ＰＴＯ４０４が安定すると、デジタル計数器４２０はパルスエネルギー波の繰り返し数を、以下により詳細に記載されるように、例えば、エッジ検出によってデジタル化する。
【００４７】
別実施形態においては、トランスデューサ４０５によって放出されたパルスエネルギー波４０２の繰り返し数はパルス発生器４１０によって制御され得る。測定されるパラメータが導波路４０３内におけるパルスエネルギー波４０２の通過時間４０７の測定値に対応する場合、動作は同様のままである。個々の超音波パルスは、減衰する波形状（ｗａｖｅ  ｓｈａｐｅ）を有する１つまたは複数のエネルギー波を含み得ることに留意されたい。エネルギー波形状は、パルス発生器４１０と、必要とされる場合は１つまたは複数のインターフェース材料と、超音波共振器またはトランスデューサ４０５と、の電気的および機械的パラメータによって決定される。個々のパルス内のエネルギー波の周波数は、放出する超音波共振器４０４の、電気パルス４１１による励振に対する応答によって決定される。パルスエネルギー波４０２の導波路４０３内における伝播のモードはモード制御回路４１２によって制御される（例えば、反射または一方向）。検出する超音波共振器またはトランスデューサは、選択した伝播モード（反射または一方向）によって、別個の超音波共振器もしくはトランスデューサ４０６、または放出する共振器もしくはトランスデューサ４０５のいずれかであってもよい。
【００４８】
概して、物理的パラメータの正確な測定は、いかなる時点においてもエネルギー伝播構造内を整数のパルスが伝播する特性を有する平衡点において実現される。既知の長さの導波路内における超音波エネルギー波の「飛行時間」または通過時間の変化の測定は、対象の１つまたは複数のパラメータまたはパラメータの変化に起因する、伝播媒体を通過する距離もしくは速度の変化、または距離および速度の変化の組み合わせに応じて超音波エネルギー波の繰り返し数を調整することによって実現され得る。
【００４９】
エネルギー波またはエネルギーパルス内のエネルギー波の伝播に依存する測定方法は、特定位置のエネルギー波の特定箇所の検出を必要としてもよく、特定条件下で、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にすることを必要としてもよい。個々の超音波導波路の物理的長さの変化の測定はいくつかのモードにおいて実施してもよい。超音波導波路と組み合わせた１つまたは２つの超音波共振器またはトランスデューサの各集合体は、６つの異なるモードにおいて動作するように制御してもよい。これは、連続波またはパルス波の、２つの波形状モードと、超音波の反射、一方向および双方向伝播の３つの伝播モードを含む。これら測定の分解能は、測定データの高度な処理によってさらに向上させることができ、測定分解能と、導波路の長さ、超音波の周波数ならびに検出およびデータ取り込み動作の帯域幅との間のトレードオフの最適化を可能にするため、検出モジュールまたはデバイスの最適な動作点が実現される。
【００５０】
伝播調整式発振器４０４および検知集合体４０１による測定は、高感度および高信号対雑音比を可能にする。時間ベースの測定は、主として、電圧または電流により駆動される検出方法およびデバイスに影響を及ぼす可能性のあるほとんどのエラーの原因の影響を受けない。生じる動作の通過時間の変化は迅速にかつ高分解能で測定され得る周波数に対応する。これにより必要な測定精度および精密さが実現されるため、対象の物理的パラメータの変化を取り込み、それらの動的および静的挙動を分析することを可能にする。
【００５１】
これら測定は、センサおよび耐荷重面または接触面を支持する封入構造と、電源と、検出素子と、１つまたは複数のエネルギートランスデューサと、１つまたは複数の弾性エネルギー伝播構造と、１つまたは複数の１つまたは複数の付勢ばね、または他の形態の弾性部材と、加速度計と、アンテナと、測定データを処理すると共に、超音波発生、伝播および検出ならびに無線通信の全動作を制御する電子回路と、を組み込む電子的集合体と、を有する一体型の無線検出モジュールまたはデバイスによって実施されてもよい。電子機器集合体は、また、完成後の無線検出モジュールまたはデバイスの品質、精度および信頼度を保証するテスト性および校正機能を支持する。
【００５２】
エネルギートランスデューサと伝播調整式発振器の電子部品と結合された１つまたは複数のエネルギー伝播構造との集積化によって達成される精度および分解能のレベルは、対象のパラメータを監視または測定するための小型超低電力モジュールまたはデバイスの構築を可能にするが、これに限定されない。広範なサイズの検出モジュールまたはデバイスを構成する柔軟性により、検出モジュールまたはデバイスが、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムに、上に、または内部に係合しても、配置されても、取り付けられても、固定されてもよく、かつ体、器具、装置、車両、機器、または物理的システムの動作を阻害することなく対象の物理的パラメータに関するデータを監視または収集するように、検出モジュールを広範な用途に合うように作製することが可能になる。
【００５３】
図１７を参照すると、例示的な実施形態による、高精度の処理および測定データのための方法ステップの簡略流れ図１７００が示される。方法１７００は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、かつ示されるステップの順序に限定されない。方法ステップは図４に対応し、前述の構成要素またはそのような処理に適した任意の他の構成要素、例えば、エネルギーパルスまたは波の放出を制御するための、およびエネルギーパルスの繰り返し数または弾性エネルギー伝播構造または媒体内を伝播するエネルギー波の周波数を取り込むための電気回路によって実施される。
【００５４】
ステップ１７０２では、プロセスは測定動作を開始する。ステップ１７０４では、デジタルタイマ４２２およびデータレジスタ４２４のリセットによって既知の状態が確立される。ステップ１７０６では、デジタル計数器４２０が、測定値が取られかつ収集される測定サイクルの数に事前設定される。ステップ１７０８では、測定サイクルが開始され、デジタルクロック４２６のクロック出力が有効にされる。デジタルクロック４２６からのクロック信号がデジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２の両方に提供される。デジタルクロック４２６によって出力されたクロック信号の周波数に基づきデジタルタイマ４２０により所要時間がカウントされる。ステップ１７１０では、デジタルタイマ４２２が所要時間のトラッキングを開始する。同時に、各測定シーケンス後、デジタル計数器４２０がカウントの減数を開始する。一実施形態においては、デジタル計数器４２０は、各エネルギー波が導波路４０３内を伝播し、トランスデューサ４０６によって検出されると減数される。デジタル計数器４２０は事前設定された測定サイクルの数が完了するまでカウントダウンする。ステップ１７１２では、デジタル計数器４２０が伝播するエネルギー波の検出によって減数されるため、エネルギー波伝播が伝播調整式発振器４０４により持続される。ステップ１７１４では、デジタル計数器４２０のカウントがゼロを超えている間、エネルギー波検出、放出および伝播が継続する。ステップ１７１６では、デジタル計数器４２０においてゼロカウントに達するとデジタルタイマ４２２のクロック入カが無効にされるため、デジタル計数器４２０およびデジタルタイマ４２２がクロックされることが防止される。一実施形態においては、デジタル計数器４２０に提供された事前設定された測定サイクルの数がデジタルタイマ４２２により測定された所要時間によって除算され、伝播したエネルギー波の周波数が計算される。逆に、この数は、デジタルタイマ４２２からの所要時間を事前設定された測定サイクルの数によって除算することによって通過時間として計算することができる。最後に、ステップ１７１８では、得られた数値がレジスタ４２４に転送される。データレジスタ４２４における数は、ディスプレイおよびデータベースに無線で伝送され得る。データレジスタ４２４からのデータは測定されるパラメータに相関し得る。力または荷重などのパラメータは、パラメータの変化が測定の周波数または通過時間の計算も変化させるように伝播媒体（例えば導波路４０３）に加えられる。伝播媒体の材料特性とパラメータとの間の関係は測定数値（例えば、周波数、通過時間、位相）と共にパラメータ数値を計算するために使用される。
【００５５】
図４の集合体例によって、ならびにデジタル計数器４２０、デジタルタイマ４２２、デジタルクロック４２６および関連電子回路によって実施される方法１７００は、動作点条件（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）に従いデジタル化された測定データを分析する。特に、これら構成要素は、弾性エネルギー伝播構造または媒体内において伝播するエネルギーパルスまたは波の通過時間を変更することができる複数のデジタル化されたデータ値を累積し、弾性エネルギー伝播構造または媒体の長さまたは他の性状の変化の測定値の分解能のレベルを向上する。デジタル化されたデータはデジタル計数器４２０を複数の測定サイクルにわたり動作するように制御することによって合計される。各サイクルは、連続する測定サイクル間に遅れがなく、かつ総所要時間を取り込むように、励振段階および通過段階（ｔｒａｎｓｉｔ  ｐｈａｓｅ）を有する。カウンタは、必要な分解能をその累積能力（ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｙ）を超えることなく、かつカウンタの最下位ビットの分解能を妥協することなく実現するのに必要な出来る限り多くの測定サイクルの総所要時間をカウントするための大きさにされる。総所要通過時間のデジタル化された測定値は、その後、測定サイクルの数によって除算され、個々の測定サイクルの時間、したがって、励振、弾性エネルギー伝播構造または媒体内における伝播、およびエネルギーパルスまたは波の検出の個々のサイクルの通過時間が推定される。エネルギーパルスまたは波の励振および検出の所要時間が固定されているため、弾性エネルギー伝播構造または媒体内におけるエネルギーパルスまたは波の通過時間の変化の正確な推定値が取り込まれる。
【００５６】
除算する前に個々の測定値を合計して平均測定数値データ値（ａｖｅｒａｇｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｖａｌｕｅ  ｄａｔａ  ｖａｌｕｅｓ）を推定すると、同数のサンプルを平均するよりも優れた結果が得られる。デジタル計数器から回収されるカウントデータの分解能はカウンタの最下位ビットの分解能によって制限される。一連のカウントを取りそれらを平均しても１つのカウントの精度であるためこの最下位ビットを超える精度が得られない。個々の測定値間にランダム変動がある場合は平均化により最終推定値のランダム性は低減されない。多数の測定サイクルのカウントを合計して累積カウントを得、その後、全測定周期の平均値を計算するとカウンタの最下位ビットよりも小さい測定値の成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を補間することにより測定の精度が向上する。この手順によって得た精度は、カウンタの最下位ビットの分解能を合計された測定サイクルの数によって除算したものと同程度である。
【００５７】
デジタル計数器のサイズおよび累積される測定サイクルの数は必要なレベルの分解能よりも大きくてもよい。これは、必要なレベルの分解能を実現する性能を保証するのみならず、個々のカウント内のランダム成分を平均化し、必要なレベルの分解能を確実に満足させる、高度に反復可能な測定を生じさせる。
【００５８】
測定サイクルの数は必要なレベルの分解能よりも大きい。これは、必要なレベルの分解能を実現する性能を保証するのみならず、個々のカウント内の任意のランダム成分を平均化し、必要なレベルの分解能を確実に満足させる、高度に反復可能な測定を生じさせる。
【００５９】
図５は、一実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するための連続波多重化構成（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）にあるゼロ交差受信機２００を組み込んだセンサインターフェース図である。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。初めに、マルチプレクサ（ｍｕｘ）５０２は入カとしてクロック信号５０４を受信し、これがトランスデューサドライバ５０６に送られ、ドライブライン信号５０８を生成する。アナログマルチプレクサ（ｍｕｘ）５１０はドライブライン信号５０８を受信し、これが送信機トランスデューサ５１２に送られ、エネルギー波５１４を発生させる。トランスデューサ５１２はエネルギー伝播媒体の第１の位置に配置される。放出されたエネルギー波５１４はエネルギー伝播媒体内を伝播する。受信機トランスデューサ５１６はエネルギー伝播媒体の第２の位置に配置される。受信機トランスデューサ５１６はエネルギー波５１４を取り込み、エネルギー波５１４はアナログｍｕｘ５２０に供給されると共にゼロ交差受信機２００に送られる。トランスデューサ５１６によって取り込まれたエネルギー波はｍｕｘ５２０に提供される電波５１８によって示される。ゼロ交差受信機２００は取り込まれた電波５１８から検出された各ゼロ交差に対応するパルスを出力する。ゼロ交差はカウントされ、エネルギー伝播媒体内において伝播するエネルギー波の位相および周波数の変化を決定するために使用される。非限定的な例においては、加えられる力などのパラメータは、測定された位相および周波数を、パラメータ（例えば力）とエネルギー伝播媒体の材料特性との間の既知の関係に関連付けることによって測定される。概して、パルスシーケンス５２２は検出された信号周波数に対応する。ゼロ交差受信機２００は伝播調整式発振器のフィードバック路にある。パルスシーケンス５２２は閉ループ正フィードバック路内のｍｕｘ５０２により結合される。パルスシーケンス５２２は、パルスシーケンス５２２を提供する経路がドライバ５０６に結合されてエネルギー伝播媒体内へのエネルギー波の放出を継続し、ドライバ５０６へのクロック信号５０４の経路が無効にされるように、クロック信号５０４を無効にする。
【００６０】
図６は、連続波モードにおける動作用のゼロ交差受信機６４０を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図６は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例は連続波モードにおける動作用である。システムは、また、パルスモードおよびパルスエコーモードにおいて動作され得る。パルスモードおよびパルスエコーモードはパルスエネルギー波を使用する。パルスエコーモードはエネルギー伝播媒体内にエネルギー波を案内するために反射を使用する。簡潔には、デジタル論理回路６４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００６１】
連続波動作モードにおいては、パラメータを測定するためにトランスデューサ６０４と、伝播構造６０２と、トランスデューサ６０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内において導波路の長さを変化させる外力または外部条件６１２が伝播構造６０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間６０８の変化に対応する。同様に、伝播構造６０２の長さは加えられる力６１２に対応する。長さの減少は伝播構造６０２加えられるより強い力に対応する。逆に、長さの増加は伝播構造６０２に加えられる力６１２の低下に対応する。伝播構造６０２の長さは測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。
【００６２】
トランスデューサ６０４は連続波モードの放出デバイスである。パラメータを測定するためのセンサは、第１の位置において伝播構造６０２に結合されるトランスデューサ６０４を含む。トランスデューサ６０６は第２の位置において伝播構造６０２に結合される。トランスデューサ６０６は伝播するエネルギー波を取り込むための受信トランスデューサである。一実施形態においては、取り込まれた伝播したエネルギー波はトランスデューサ６０６によって出力された電気正弦波６３４である。
【００６３】
制御回路６１８がスイッチ６２０を閉じ、発振器６２２の発振器出力６２４を増幅器６２６の入カに結合すると測定シーケンスが開始される。増幅器６２６に提供された１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有するエネルギー波６１０をエネルギー伝播構造または媒体６０２中に伝播するための動作を開始する。増幅器６２６はデジタルドライバ６２８および整合ネットワーク６３０を含む。一実施形態においては、増幅器６２６は、発振器６２２の発振器出力を、発振器出力６２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ６０４を励振するのに十分な振幅を有する電波６３２の正弦波に変換する。
【００６４】
放出トランスデューサ６０４は、正弦波６３２を同じ周波数のエネルギー波６１０に変換し、それらを第１の位置においてエネルギー伝播構造または媒体６０２に放出する。エネルギー波６１０はエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。第２の位置にあるトランスデューサ６０６に到達すると、エネルギー波６１０は取り込まれるか、検知されるか、検出される。取り込まれたエネルギー波はトランスデューサ６０６によって同じ周波数を有する電波である正弦波６３４に変換される。
【００６５】
増幅器６３６は前置増幅器６３４およびゼロ交差受信機６４０を含む。増幅器６３６は、正弦波６３４を閉ループ回路の挙動を維持するのに十分な継続時間のデジタルパルス６４２に変換する。制御回路６１８は、スイッチ６２０を開き、スイッチ６４４を閉じることによって増幅器６３６からのデジタルパルス６４２に応答する。スイッチ６２０を開くと発振器出力６２４を増幅器６２６の入カから分離する。スイッチ６４４を閉じると増幅器６３６の出力を増幅器６２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波の放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路を形成する。
【００６６】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ６０４に入カされる正弦波６３２とトランスデューサ６０６によって出力される正弦波６３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。トランスデューサ６０６は、上に開示されるように、第２の位置に伝播するエネルギー波を検出すると正弦波６３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波６１０がエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。
【００６７】
エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波６１０の通過時間６０８を変化させる。通過時間６０８はエネルギー波が伝播構造６０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間を含む。したがって、伝播構造６０２の物理的特性の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波６１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギー波６１０の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作周波数を変更する。閉ループ回路は正弦波６３２および正弦波６３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波６１０の周波数および周波数の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の変化に相関する。
【００６８】
エネルギー伝播構造６０２に外力または外部条件６１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波６１０の周波数およびこの周波数の変化を、エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００６９】
周波数の測定または伝播調整式発振器の動作の前に、制御論理回路６１８がカウントレジスタ６４８内に格納されたループカウントをデジタル計数器６５０にロードする。第１のデジタルパルス６４２は伝播調整式発振器内における閉ループ動作を開始し、制御回路６１８に測定動作を開始するよう信号を送る。閉ループ動作の開始時、制御論理回路６１８はデジタル計数器６５０およびデジタルタイマ６５２を有効にする。一実施形態においては、デジタル計数器６５０は、ゼロ交差受信機６４０によって出力されたその各デジタルパルスの立ち上がり部分の値を減数する。デジタルタイマ６５２はそのクロックパルス６５６の各立ち上がり部分の値を増数する。デジタルパルス６４２の数が減数されると、デジタル計数器６５０内の、ストップ信号をゼロにするための数値がデジタル計数器６５０から出力される。ストップ信号はデジタルタイマ６５２を無効にし、ロードコマンドをデータレジスタ６５４に出力するために制御回路６１８をトリガする。データレジスタ６５４はエネルギー波またはパルスの周期にカウンタ６４８の数値を乗じ、クロック周期６５６で除算したものに等しい２進数をデジタルタイマ６５２からロードする。一定のクロック周期６５６によって、データレジスタ６５４内の数値は測定動作中に累積されたエネルギー波またはパルスの周期の総計に正比例する。測定動作の継続時間および測定値の分解能は、カウントレジスタ６４８において事前設定される数値を増加または減少することによって調整されてもよい。
【００７０】
図７は、一実施形態による、閉ループ正フィードバックを維持するためにパルス多重化構成にある一体型のゼロ交差受信機２００を組み込んだセンサインターフェース図である。一実施形態においては、センサ以外の回路が特定用途用集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）に組み込まれる。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。まず、１つまたは複数のデジタルパルス７０４をトランスデューサドライバ７０６に結合するためにｍｕｘ７０２が有効にされる。トランスデューサドライバ７０６はデジタルパルス７０４に対応するパルスシーケンス７０８を発生させる。パルスシーケンス７０８を送信機トランスデューサ７１２に結合するためにアナログｍｕｘ７１０が有効にされる。トランスデューサ７１２は第１の位置において媒体に結合される。トランスデューサ７１２は、パルスシーケンス７０８に応答し、第１の位置において媒体内に放出される、対応するエネルギーパルス７１４を発生させる。エネルギーパルス７１４は媒体内を伝播する。受信機トランスデューサ７１６は媒体の第２の位置に配置される。受信機トランスデューサ７１６はエネルギーパルス７１４を取り込み、電気パルス７１８の対応する信号を発生させる。トランスデューサ７１６はｍｕｘ７２０に結合される。Ｍｕｘ７２０はゼロ交差受信機２００に結合するために有効にされる。トランスデューサ７１６からの電気パルス７１８はゼロ交差受信機２００に結合される。前に説明したように、ゼロ交差受信機２００は加えられる力に応答したエネルギーパルスの位相および周波数の変化を決定するために電気パルス７１８のゼロ交差をカウントする。ゼロ交差受信機２００は検出された信号周波数に対応するパルスシーケンス７２２を出力する。パルスシーケンス７２２はｍｕｘ７０２に結合される。パルス７２２の検出時、Ｍｕｘ７０２は、デジタルパルス７０４の、ドライバ７０６への接続から分離される。逆に、パルス７２２の検出時、パルス７２２をドライバ７０６に結合するためにｍｕｘ７０２が有効にされ、それによって、閉ループ正フィードバック路が形成される。したがって、パルスモードにおいては、ゼロ交差受信機２００は、媒体内の通過時間およびパルスの通過時間の変化を測定するために、第１の位置においては媒体へのエネルギーパルスの放出、第２の位置においては検出を継続する閉ループフィードバック路の一部である。
【００７１】
図８は、パルスモードにおける動作用のゼロ交差受信機６４０を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図８は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例はパルスモードにおける動作用である。システムは、また、連続波モードおよびパルスエコーモードにおいて動作され得る。連続波モードは連続波信号を使用する。パルスエコーモードはエネルギー伝播媒体内にエネルギー波を案内するために反射を使用する。簡潔には、デジタル論理回路６４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００７２】
パルス動作モードにおいては、パラメータを測定するためにトランスデューサ６０４と、伝播構造６０２と、トランスデューサ６０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内において導波路の長さを変化させる外力または外部条件６１２が伝播構造６０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間６０８の変化に対応する。伝播構造６０２の長さが測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。パルスモード動作の１つの利点は高振幅のパルスエネルギー波の使用である。一実施形態においては、エネルギー波の振幅はエネルギー波が媒体内を伝播するにつれて減衰する。エネルギー波がかなりの距離を移動せねばならない場合、またはエネルギー波が伝播するにつれて媒体による振幅低減の対象となる場合、高振幅パルスの使用は検出可能な信号を生成するための電力効率の高い方法である。
【００７３】
制御回路６１８がスイッチ６２０を閉じ、発振器６２２の発振器出力６２４を増幅器６２６の入カに結合すると測定シーケンスが開始される。増幅器６２６に提供された１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有するエネルギー波６１０をエネルギー伝播構造または媒体６０２中に伝播するための動作を開始する。増幅器６２６はデジタルドライバ６２８および整合ネットワーク６３０を含む。一実施形態においては、増幅器６２６は、発振器６２２の発振器出力を、発振器出力６２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ６０４を励振するのに十分な振幅を有する電波８３２のアナログパルスに変換する。
【００７４】
放出トランスデューサ６０４は、アナログパルス８３２を同じ周波数のエネルギー波６１０に変換し、それらを第１の位置においてエネルギー伝播構造または媒体６０２に放出する。エネルギー波６１０はエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。第２の位置にあるトランスデューサ６０６に到達すると、エネルギー波６１０は取り込まれるか、検知されるか、検出される。取り込まれたエネルギー波はトランスデューサ６０６によって同じ周波数を有する電波であるアナログパルス８３４に変換される。
【００７５】
増幅器６３６は前置増幅器６３８およびゼロ交差受信機６４０を含む。増幅器６３６はアナログパルス８３４を閉ループ回路の挙動を維持するのに十分な継続時間のデジタルパルス６４２に変換する。制御回路６１８は、スイッチ６２０を開き、スイッチ６４４を閉じることによって増幅器６３６からのデジタルパルス６４２に応答する。スイッチ６２０を開くと発振器出力６２４を増幅器６２６の入カから分離する。スイッチ６４４を閉じると増幅器６３６の出力を増幅器６２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波の放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路を形成する。
【００７６】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ６０４に入カされるパルス８３２と、トランスデューサ６０６によって出力されるパルス８３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。トランスデューサ６０６は、上に開示されるように、第２の位置に伝播するエネルギー波を検出するとパルス８３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波６１０がエネルギー伝播構造または媒体６０２内を伝播する。
【００７７】
エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波６１０の通過時間６０８を変化する。通過時間６０８はエネルギー波が伝播構造６０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間を含む。したがって、伝播構造６０２の物理的特性の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２内におけるエネルギー波６１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギー波６１０の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作周波数を変更する。閉ループ回路はパルス８３２およびパルス８３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波６１０の周波数および周波数の変化はエネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の変化に相関する。
【００７８】
エネルギー伝播構造６０２に外力または外部条件６１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。本明細書中で上により詳細に開示したように、動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波６１０の周波数およびこの周波数の変化を、エネルギー伝播構造または媒体６０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００７９】
図９は、例示的な実施形態によるエッジ検出受信機回路９００のブロック図を示す。第１の実施形態においては、エッジ検出受信機９００はエネルギー波のパルスの波面を検出するために提供される。これは、エネルギー波の通過時間、位相または周波数を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にする。一体型のエッジ検出受信機９００の回路は迅速なオンセット検出を提供し、エネルギーパルスの出現に素早く応答する。それは、その後、各取り込まれたエネルギーパルスまたはパルスエネルギー波の初期波面（ｉｎｉｔｉａｌ  ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の同じ点においてデジタル出力パルスを確実にトリガする。デジタルパルスは、最小かつ一定の遅延で最適に出力するように構成され得る。エッジ検出受信機９００は、干渉および歪み信号の存在下で、初期エネルギー波または波面の特定のポイントを分離し、かつ正確に検出することができ、それによって、エネルギー伝播媒体内において発生した複数の複素信号の１つの検出に一般に付随する問題が克服される。エッジ検出受信機９００は、これら機能を非常に低いレベルのエネルギーパルスを含む広範な振幅にわたり正確に実施する。
【００８０】
第２実施形態においては、エッジ検出受信機９００は伝播調整式発振器（ＰＴＯ）内に組み込まれ、パルスまたはパルスエコーモードにおいて動作する場合に閉ループ正フィードバックを維持する。エッジ検出受信機９００は入カおよび出力回路の多重化によりＰＴＯの他の回路と結合することができ、超低電力および小さな小型サイズ（ｓｍａｌｌ  ｃｏｍｐａｃｔ  ｓｉｚｅ）が実現される。ＰＴＯの回路の、エッジ検出受信機との集積化は低レベル信号への感度が増加するという利点を提供する。
【００８１】
ブロック図は、低い信号レベルにおける優れた性能を有する低電力エッジ検出受信機回路９００の一実施形態を示す。エッジ検出受信機９００は、前置増幅器９１２と、微分器９１４と、デジタルパルス回路９１６と、ブランク除去回路９１８と、を含む。エッジ検出受信機回路９００は、ディスクリートのアナログ構成要素、デジタル構成要素、またはこれらの組み合わせにおいて実施され得る。一実施形態においては、エッジ検出受信機９００は以下に記載されるセンサシステムの一部としてＡＳＩＣに組み込まれる。エッジ検出受信機回路９００は、エネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅を含むが、これらに限定されないパラメータの取り込みを可能にするために、特定位置および特定条件下においてエネルギーパルスまたはパルスエネルギー波を検出する測定方法を実施する。動作の方法の短い説明は以下の通りである。非限定的な例においては、前置増幅器は入力信号の勾配の小さな変化に応答して比較器回路をトリガする。比較器および他のエッジ検出回路は最小限の遅延で迅速に応答する。入力信号の小さな変化の検出はエネルギー波のパルスの出現の迅速な検出を確実とする。最小の位相設計は非本質的な遅延を低減し、それによって、入力されるエネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅の測定値に導入されるばらつきが低下する。
【００８２】
エッジ検出受信機９００の入カ９２０は前置増幅器９１２に結合される。一例として、エッジ検出受信機回路９００に入力される波９１０は電気接続部、アンテナまたはトランスデューサに受信され得る。入力される波９１０は前置増幅器９１２によって増幅され、小信号への適切な感度を確保する。微分器回路９１４は前置増幅器９１２の出力を監視し、パルスエネルギー波に対応する信号変化が検出されるたびにデジタルパルス回路９１６をトリガする。例えば、パルスエネルギー波を特定する信号変化はパルスエネルギー波の初期波面または立ち上がり部分である。１つの配置においては、微分器９１４は、勾配の迅速な検出を実現するために、電圧レベルの変化を測定する代わりに電流の流れの小さな変化を検出することによって、電流の流れ、および特に、エネルギー波９１０の勾配の変化を検出する。代替的に、微分器９１４は電圧の変化に対してトリガするように実装され得る。前置増幅器９１２および微分器９１６は共に、エネルギー波９１０の波面の出現のため零入カ電流を監視する。前置増幅器９１２および微分器９１６はエネルギー波の低レベルパルスおよびエネルギー波のより高いパルスの出現を検出する。この検出手法は、非常に低レベルの信号に対する優れた性能を実現する。微分器回路９１２は入力される波９１０の初期信号ランプ（ｉｎｉｔｉａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｒａｍｐ）により駆動される電流の流れが検出されるたびにデジタルパルス回路９１６をトリガする。デジタルパルスは、前置増幅器９１２の感度を減ずるブランク除去回路９１８に結合される。例えば、前置増幅器９１２の感度低下（ｄｅｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ）には、ゲインの低減、エネルギー波９１０からの入カ９２０の分離、または周波数応答の変更を含み得る。ブランク除去回路９１８は、また、エネルギー波９１０の干渉部または歪んだ部分を事実上飛ばす（ｓｋｉｐ）ために、特定のまたは既定の時間中、電圧または電流レベルを無視する。概して、エネルギー波９１０は勾配の２つ以上の変化を含み得るものであり、通常、減衰波形である。前置増幅器９１２の入カ９２０のパルスエネルギー波の追加信号または波は事前設定されたブランキング時間中には処理されない。この例では、デジタル出力パルス９２８は、したがって、以下に説明されるように信号処理回路に結合され得る。一実施形態においては、電子部品は集積回路内のブロックとして作動的に結合される。以下に示されるように、この集積配置はその特定の機能を最小数の構成要素によって効率的に実施する。これは、最小数の構成要素および最小の電力消費で必要な性能を実現するために、アナログ機能とデジタル機能の革新的区分のみならず、回路部品が集積回路およびディスクリート部品内の構造間において区分されていることが理由である。
【００８３】
図１０は、検出アセンブリ１０００に結合されるエッジ検出受信機回路９００のブロック図を示す。前置増幅器９１２およびデジタルパルス回路９１６が参考および説明のために示される。検出アセンブリ１０００は、送信機トランスデューサ１００２と、エネルギー伝播媒体１００４と、受信機トランスデューサ１００６と、を含む。送信機トランスデューサ１００２は第１の位置において伝播媒体１００４に結合される。受信機トランスデューサ１００６は第２の位置においてエネルギー伝播媒体１００４に結合される。代替的に、受信機トランスデューサ１００６の代わりに反射面を使用することができる。反射面は第１の位置の方に戻るようにエネルギー波を反射する。トランスデューサ１００６は、放出トランスデューサおよび受信トランスデューサになることを可能とすることができ、それによって、トランスデューサのコストが節約される。以下にさらに詳細に説明されるように、検出アセンブリ１０００は、一実施形態においては、荷重、特に、検出アセンブリ１０００に外部から加えられる力１００８を評価する感覚デバイスの一部である。トランスデューサドライバ回路（図示せず）が、エネルギー伝播媒体１００４内に誘導されるエネルギー波１０１０を生成するために検出アセンブリ１０００の送信機トランスデューサ１００２を駆動する。非限定的な例においては、外部から加えられる力１００８によるエネルギー伝播媒体１００４の変化は、エネルギー伝播媒体１００４の第１の位置から第２の位置に伝播するエネルギー波１０１０の周波数、位相および通過時間１０１２を変化させる。一体型のエッジ検出受信機回路９００は、再生エネルギー波９１０のエッジを検出し、デジタルパルス９２８をトリガするために受信機トランスデューサ１００６に結合される。概して、デジタルパルス９２８のタイミングは、外部パラメータによるエネルギー伝播構造１００４の変化に関連する対象のパラメータ（例えば、距離、力重量、ひずみ、圧力、摩耗、振動、粘度、密度、方向、変位等）を伝達する。本明細書中で上に記載されるように、例えば、検出アセンブリ１０００が膝関節内に配置される。
【００８４】
エネルギーパルスの伝播に依存した測定方法は、エネルギーパルスの通過時間、位相、周波数または振幅を含むが、これらに限定されないパラメータを取り込むことを可能にするために特定位置または特定条件下におけるエネルギーパルスの検出を必要とする。そのような、エネルギー波１０１０またはエネルギー波のパルスの伝播に依存した測定方法は、エネルギー波またはパルスの非常に正確かつ制御された検出を実現するために必要である。さらに、エネルギー波のパルスは、その中に、潜在的な検出の曖昧性につながる複合波形を有する複数のエネルギー波を含んでもよい。特に、エネルギー伝播構造１００４内へのエネルギー波１０１０の誘導は、導波路のヌルおよび共振、ならびに発生したエネルギー波１０１０の特性に起因する干渉パターンを発生させる可能性がある。これら干渉パターンは、元のエネルギー波のエッジの歪みにつながる多重励振波形（ｍｕｔｉｐｌｙ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｗａｖｅｆｏｒｍ）を発生させる可能性がある。エネルギー波のパルスの出現を確実に検出するため、エッジ検出受信機９００は各パルス内の第１のエネルギー波の立ち上がり部分のみに応答する。これは、各エネルギーパルスの継続時間中にエッジ検出回路９００を帰線消去することによって一部実現される。一例として、ブランク除去回路９１８は、干渉部または波形の歪んだ部分を事実上飛ばすために、特定時間中、電圧または電流レベルを無視する。
【００８５】
図１１は、一実施形態による、閉ループ正フィードバック（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ  ｆｅｅｄｂａｃｋ）を維持するためのパルスエコー多重化構成にあるエッジ検出受信機回路９００を組み込んだセンサインターフェース図である。閉ループ正フィードバックは太線の経路によって示される。初めに、マルチプレクサ（ｍｕｘ）１１０２がデジタルパルス１１０４を入カとして受信し、これがトランスデューサドライバ１１０６に送られ、パルスシーケンス１１０８を生成する。アナログマルチプレクサ（ｍｕｘ）１１１０はパルスシーケンス１１０８を受信し、これがトランスデューサ１１１２に送られ、エネルギーパルス１１１４を発生させる。エネルギーパルス１１１４は媒体の第１の位置に放出され、媒体内を伝播する。パルスエコー例においては、エネルギーパルス１１１４が、媒体の第２の位置、例えば、導波路または反射器の端部において表面１１１６に反射され、トランスデューサ１１１２に戻るように反響される。トランスデューサ１１１２はその後引き続き反射したパルスエコーを取り込む。パルスエコーモードにおいては、トランスデューサ１１１２は送信機および受信機の両方として実施される。上に開示されるように、トランスデューサ１１１２は、エネルギー波の放出と受信との間を往復するようにトグルで切り換える。トランスデューサ１１１２は反射したエコーパルスを取り込み、反射したエコーパルスはアナログｍｕｘ１１１０に結合され、エッジ検出受信機９００に誘導される。取り込まれた反射したエコーパルスは電波１１２０によって示される。エッジ検出受信機９００は、前に説明したように、加えられる力に応答したエネルギーパルス１１１４の位相および周波数の変化を決定するために、伝播するエネルギー波の波面に対応するパルスエッジをロックする。それは、パラメータの中でも特に、検出された信号周波数に対応するパルスシーケンス１１１８を発生させる。パルスシーケンス１１１８はｍｕｘ１１０２に結合され、ドライバ１１０６に誘導され、１つまたは複数のエネルギー波の、トランスデューサ１１１２による媒体内への放出を開始する。パルス１１０４はドライバ１１０６への提供から分離される。したがって、信号がドライバ１１０６に提供されることをｍｕｘ１１０２が防止するまでエネルギー波を媒体内に繰り返し可能に放出する閉ループ正フィードバックが形成される。エッジ検出受信機９００は媒体の第２の位置に結合され、かつフィードバック路内にある。エッジ検出受信機９００は、フィードバック路が閉じた場合に第２の位置において波面を検出すると、パルスエネルギー波の、媒体の第１の位置における提供を開始する。
【００８６】
図１２は、パルスエコーモードにおける動作用のエッジ検出受信機回路９００を組み込んだ伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の例示的ブロック図である。特に、図４に対し、図１２は、伝播調整式発振器４１６の動作による導波路４０８内の超音波４１４の通過時間４１２の閉ループ測定を示す。この例はパルスエコーモードにおける動作用である。システムは、また、パルスモードおよび連続波モードにおいて動作され得る。パルスモードでは反射した信号を使用しない。連続波モードは連続信号を使用する。簡潔には、デジタル論理回路１２４６は伝播調整式発振器の動作周波数をデジタル化する。
【００８７】
パルスエコー動作モードでは、パラメータを測定するためにトランスデューサ１２０４と、伝播構造１２０２と、反射面１２０６とを含むセンサが使用される。概して、測定されるパラメータは伝播媒体の特性に作用する。例えば、伝播するエネルギー波の経路内における導波路の長さを変化させる外力または外部条件１２１２が伝播構造１２０２に加えられる。長さの変化は伝播波の通過時間の変化に対応する。同様に、伝播構造１２０２の長さは加えられる力１２１２に対応する。長さの減少は、伝播構造１２０２に加えられるより強い力に対応する。逆に、長さの増加は、伝播構造１２０２に加えられる力１２１２の低下に対応する。伝播構造１２０２の長さが測定され、既知の長さ対力関係によって力に変換される。
【００８８】
パルスエコーモードにおいては、トランスデューサ１２０４は放出デバイスおよび受信デバイスの両方である。パラメータを測定するためのセンサは、第１の位置において伝播構造１２０２に結合するトランスデューサ１２０４を含む。反射面は、第２の位置において伝播構造１２０２に結合される。トランスデューサ１２０４は、放出モードおよび受信モードを含む２つの動作モードを有する。放出モードにおいては、トランスデューサ１２０４は第１の位置において伝播構造１２０２内にエネルギー波を放出する。エネルギー波は第２の位置に伝播し、反射面１２０６によって反射される。反射エネルギー波は第１の位置に向かって反射され、トランスデューサ１２０４は、その後、受信モードにおいて、反射エネルギー波に対応する信号を発生させる。
【００８９】
制御回路１２１８がスイッチ１２２０を閉じるとパルスエコーモードの測定シーケンスが開始され、発振器１２２２のデジタル出力１２２４を増幅器１２２６の入カに結合する。増幅器１２２６に提供される１つまたは複数のパルスが単純または複雑な波形を有する１つまたは複数のエネルギー波１２１０をエネルギー伝播構造または媒体１２０２内に放出するためのプロセスを開始する。増幅器１２２６はデジタルドライバ１２２８および整合ネットワーク１２３０を含む。一実施形態においては、増幅器１２２６は発振器１２２２のデジタル出力をデジタル出力１２２４と同じ繰り返し数およびトランスデューサ１２０４を励振するのに十分な振幅を有する電波１２３２のパルスに変換する。
【００９０】
トランスデューサ１２０４は電波１２３２のパルスを同じ繰り返し数のエネルギー波１２１０のパルスに変換し、それらをエネルギー伝播構造または媒体１２０２内に放出する。エネルギー波１２１０のパルスは矢印１２１４によって示されるように反射面１２０６に向かってエネルギー伝播構造または媒体１２０２内を伝播する。反射面１２０６に達すると、エネルギー波１２１０は反射面１２０６によって反射される。反射エネルギー波は矢印１２１６によって示されるようにトランスデューサ１２０４に向かって伝播する。反射エネルギー波はトランスデューサ１２０４によって検出され、同じ繰り返し数を有する電波１２３４のパルスに変換される。
【００９１】
増幅器１２３６は前置増幅器１２３４およびエッジ検出受信機１２４０を含む。増幅器１２３６は、閉ループ回路のパルス挙動を維持するために、電波１２３４のパルスを、十分な継続時間を有するデジタルパルス１２４２に変換する。制御回路１２１８はスイッチ１２２０を開き、スイッチ１２４４を閉じることによって増幅器１２３６からのデジタル出力パルス１２４２に応答する。スイッチ１２２０を開くと発振器出力１２２４を増幅器１２２６の入カから分離する。スイッチ１２４４を閉じると、増幅器１２３６の出力を増幅器１２２６の入カに結合し、エネルギー伝播構造または媒体１２０２内におけるエネルギーパルスの放出、伝播および検出を持続する閉ループ回路が形成される。
【００９２】
この閉ループ回路においてユニティゲインを維持することにより、トランスデューサ１２０４に入カされる電波１２３２とトランスデューサ１２０４によって出力される電波１２３４とが小さいが一定のオフセットを有する同相である平衡状態が達成される。上に開示されるように、トランスデューサ１２０４は反射面１２０６から反射された反射エネルギー波を検出すると電波１２３４を出力する。平衡状態においては、整数のエネルギー波１２１０のパルスがエネルギー伝播構造または媒体１２０２内を伝播する。
【００９３】
エネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の動作または変化はエネルギー波１２１０の通過時間１２０８を変化させる。通過時間１２０８は、エネルギー波が伝播構造１２０２の第１の位置から第２の位置に伝播するための時間と、反射エネルギー波が伝播構造１２０２の第２の位置から第１の位置に伝播するための時間とを含む。したがって、伝播構造１２０２の物理的特性の変化は、エネルギー伝播構造または媒体１２０２内におけるエネルギー波１２１０の対応する時間変化を生じる。これらエネルギーパルス１２１０の繰り返し数の時間の変化は閉ループ回路の平衡点および閉ループ回路の動作の繰り返し数を変更する。閉ループ回路は電波１２３２および電波１２３４が新しい平衡点に対応するように調整する。エネルギー波１２１０の繰り返し数および繰り返し数に対する変更はエネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の変化に相関する。
【００９４】
エネルギー伝播構造１２０２に外力または外部条件１２１２による物理的変化を加え、対象の１つまたは複数のパラメータのレベルおよび変化を、後の処理、記憶および表示のためにデジタル化されてもよい信号に翻訳してもよい。動作周波数の、デジタル２進数への翻訳は、対象の物理的パラメータのレベルおよび変化についての情報の通信、追加処理、記憶および表示を容易にする。同様に、閉ループ回路の動作中のエネルギー波１２１０の周波数およびこの周波数の変化は、エネルギー伝播構造または媒体１２０２の物理的特性の動作または変化を測定するために使用してもよい。
【００９５】
周波数の測定または伝播調整式発振器の動作の前に、制御論理回路１２１８はカウントレジスタ１２４８内に格納されたループカウントをデジタル計数器１２５０にロードする。第１のデジタルパルス１２４２は伝播調整式発振器内における閉ループ動作を開始し、制御回路１２１８に測定動作を開始するよう信号を送る。閉ループ動作の開始時、制御論理回路１２１８はデジタル計数器１２５０およびデジタルタイマ１２５２を有効にする。一実施形態においては、デジタル計数器１２５０は、エッジ検出受信機１２４０により出力されたその各デジタルパルスの立ち上がり部分の値を減数する。デジタルタイマ１２５２はそのクロックパルス１２５６の各立ち上がり部分の値を増数する。デジタルパルス１２４２の数が減数されると、デジタル計数器１２５０内の、ストップ信号をゼロにするための数値がデジタル計数器１２５０から出力される。ストップ信号はデジタルタイマ１２５２を無効にし、ロードコマンドをデータレジスタ１２５４に出力するよう制御回路１２１８をトリガする。データレジスタ１２５４は、エネルギー波またはパルスの周期にカウンタ１２４８の数値を乗じ、クロック周期１２５６で除算したものに等しい２進数をデジタルタイマ１２５２からロードする。一定のクロック周期１２５６によって、データレジスタ１２５４内の数値は測定動作中に累積されたエネルギー波またはパルスの周期の総計に正比例する。測定動作の継続時間および測定値の分解能を、カウントレジスタ１２４８において事前設定される数値を増加または減少することによって調整してもよい。
【００９６】
図１３は、例示的実施形態による検出モジュール１３０１の簡略断面図である。検出モジュール（または集合体）は、検出モードに従い構成されかつ動作される場合、正フィードバック閉ループ測定システムとして実行される電気的構成要素および機械的構成要素を含む電気機械式アセンブリである。測定システムは、荷重などの、電気機械式アセンブリに加えられる力を正確に測定することができる。検出モードは、連続モード、パルスモードまたはパルスエコーモードとされ得る。
【００９７】
一実施形態においては、電気的構成要素は、超音波共振器またはトランスデューサ４０５および４０６、超音波導波路４０３、信号処理電子機器１３１０を含み得るが、これらに限定されない。機械的構成要素は、付勢ばね１３３２、ばね保持器およびポストおよび荷重台（ｌｏａｄ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）１３０６を含み得るが、これらに限定されない。電気的構成要素および機械的構成要素は、検出モジュール１３０１内のコヒレントな超音波測定システムとして、および検出モードに従い動作するためにプリント回路基板１３３６上に相互に組み付けられ得る（ｉｎｔｅｒ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）（または集積され得る）。以下により詳細に説明されるように、信号処理電子機器は、超音波共振器またはトランスデューサの動作周波数を制御して高精度の検出を提供するために、伝播調整式発振器（ＰＴＯ）または位相同期ループ（ＰＬＬ）を組み込む。さらに、信号処理電子機器は、媒体内を伝播した後のエネルギー波を一貫して検知する検知回路を組み込む。検知により、媒体に結合されてその中を伝播する、新しいエネルギー波の生成が超音波共振器またはトランスデューサによって開始される。媒体内を通るエネルギー波の通過時間の変化が測定され、媒体に加えられる１つまたは複数のパラメータに起因する媒体の材料特性の変化に相関される。
【００９８】
検出モジュール１３０１は１つまたは複数の集合体４０１を含み、そのそれぞれが１つまたは複数の超音波共振器４０５および４０６を含む。示されるように、導波路４０３はトランスデューサ（４０５、４０６）の間に結合され、かつ耐荷重面または接触面４０８に固定される。１つの例示的実施形態においては、導波路４０３内における伝播のために超音波信号が結合される。検出モジュール１３０１は、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８内に配置されるか、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８にまたは内に取り付けられるか、検出モジュール４０１の耐荷重面または接触面４０８に接触している１つまたは複数の部材１３１６を有する体、器具または他の物理的システム１３１８にまたは内に固定される。この配置は、対象のパラメータの、検出モジュール１３０１内における１つまたは複数の導波路４０３の長さの変化、または圧縮もしくは伸展への翻訳およびこれら長さの変化の、電気信号への変換を容易にする。これは、広範な用途における体、器具、装置、車両、機器または物理的システム１３１８の動作に対する最小限の阻害で、データの取り込み、対象のパラメータの測定およびそのデータのデジタル化、したがって、その後、そのデータの、アンテナ１３３４を通じた外部機器との通信を容易にする。
【００９９】
検出モジュール４０１は、エネルギー波伝播および測定の３つの動作モードである、反射、一方向および双方向を支持する。これらモードは各個々の用途において適宜使用され得る。一方向モードおよび双方向モードにおいては、選択された超音波共振器またはトランスデューサが超音波のパルスを超音波導波路内に放出するように制御され、１つまたは複数の他の超音波共振器またはトランスデューサが、超音波導波路内の１つまたは複数の特定位置において超音波のパルスの伝播を検出するように制御される。反射またはパルスエコーモードにおいては、単一の超音波またはトランスデューサが超音波のパルスを導波路４０３内に放出し、その後、選択した特徴部または導波路の終端から反射後のエコー波のパルスを検出する。パルスエコーモードにおいては、パルスのエコーは、放出する超音波共振器またはトランスデューサの動作を放出動作モードと検出動作モードとの間において交互するように制御することによって検出され得る。パルス動作モードおよびパルスエコー動作モードでは、平衡状態において導波路内を伝播する２つ以上のパルスエネルギー波による動作を要してもよい。
【０１００】
物理的システム内または体内の多くの対象のパラメータをエネルギーパルスの通過時間の変化を測定することによって測定することができる。エネルギーパルスの周波数（連続または不連続信号の平均周期の逆数により定義される）およびタイプは、測定の距離、信号が移動する媒体、測定に必要な正確さ、測定に必要な精度、システムによって機能するものの形態的要素、電力制約およびコストなどの要素によって決定される。対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、荷重、力、圧力、変位、密度、粘度、局所温度の測定値を含み得るが、これらに限定されない。これらパラメータは、軸または軸の組み合わせに沿った、向き、位置合わせ、方向、または配置、ならびに運動、回転または加速に対する、エネルギーパルスまたは波の伝播時間の変化を、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスにより測定することによって評価され得る。
【０１０１】
非限定的な例においては、超音波エネルギーのパルスは導波路４０３内におけるパルスの通過時間を測定するための正確な標識を提供する。概して、超音波信号はヒトの可聴域（例えば＞２０ＫＨｚ）を超える周波数を有する音響信号であり、メガヘルツ領域内の周波数を優に含む。一実施形態においては、超音波エネルギーパルスの通過時間の変化は前の状態からの導波路の物理的寸法の差に対応する。例えば、膝関節全体に加えられた力または圧力は導波路４０３を新しい長さに圧縮し、エネルギーパルスの通過時間を変化する。検出モジュールとして組み込まれ、かつ物理的システムまたは体に挿入されるか結合される場合、これら変化はシステムまたは体の物理的変化に直接相関し、圧力または力として容易に測定され得る。
【０１０２】
図１４は、例示的な実施形態による、反射モードおよび一方向動作モードを示すための例示的集合体１４００である。集合体１４００は、１つまたは複数のトランスデューサ１４０２、１４０４および１４０６と、１つまたは複数の導波路１４１４と、１つまたは複数の任意の反射面１４１６と、を含む。集合体１４００は、反射モードおよび一方向動作モードにおける導波路１４１４内の超音波１４１８の伝播を示す。必要であれば、１つまたは複数のインターフェーシング材料１４０８および１４１０と併せて、超音波共振器またはトランスデューサ１４０２および１４０４のいずれかが超音波１４１８を導波路１４１４内に放出するように選択することができる。
【０１０３】
一方向モードにおいては、超音波共振器またはトランスデューサのいずれか、例えば１４０２、が超音波１４１８を導波路１４１４内に放出することを可能とすることができる。非放出（ｎｏｎ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ）超音波共振器またはトランスデューサ１４０４は超音波共振器またはトランスデューサ１４０２により放出された超音波１４１８を検出することを可能とされる。
【０１０４】
反射モードでは、超音波１４１８は、導波路１４１４の反対端の表面、界面または体から反射後、放出する超音波共振器またはトランスデューサ１４０２により検出される。このモードにおいては、超音波共振器またはトランスデューサ１４０２または１４０４のいずれかが超音波を放出および検出するように選択され得る。超音波を反射するための追加の反射特徴部１４１６が導波路構造内に追加され得る。これにより、一方向モードと反射モードを組み合わせた動作を支持することができる。この動作モードにおいては、超音波共振器の１つ、例えば共振器１４０２は、超音波１４１８を導波路１４１４内に放出するように制御される。別の超音波共振器またはトランスデューサ１４０６は、反射特徴部１４１６による超音波１４１８の反射後に、放出する超音波共振器１４０２（またはトランスデューサ）によって放出された超音波１４１８を検出するように制御される。
【０１０５】
図１５は、この集合体の双方向動作モードにおける導波路１５０６内の超音波１５１０の伝播を示す例示的集合体１５００である。このモードにおいては、インターフェーシング材料（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）１５２０およびインターフェーシング材料１５２２に固定された２つの個々の超音波共振器（１５０２、１５０４）またはトランスデューサの役割の選択が、必要であれば、定期的に反転される。双方向モードでは、導波路１５０６内においていずれの方向に伝播する超音波の通過時間も測定することができる。これにより、運動１５１６中に検出モジュール１５０８が動作する用途におけるドップラー効果の調整を可能にすることができる。さらに、この動作モードは、この外部運動１５１６をオフセットするための調整値を算出するためのデータを取り込むことによって、加えられた荷重、力、圧力または変位の正確な測定を確実にする。荷重、圧力または変位の検出時に体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム１５１４自体が動作しているか移動している状況において利点が提供される。同様に、この機能は、また、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムが、荷重、力、圧力または変位の検出時に、測定される体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システムの部分１５１２を運動１５１６させる状況において修正することができる。システム１５１４の物理的変化の測定値への他の調整は同様の手法で企図され、かつ補償され得る。例えば、システム１５１４の温度が測定され得ると共に測定値を正規化するために温度対通過時間の関係を有するルックアップテーブルまたは式が使用され得る。当技術分野において公知のように、多くの種類の共通因子を消去するために差分測定法（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）も使用され得る。
【０１０６】
導波路１５０６の使用は、標準的な部品および製造プロセスを使用し、生物医学的用途の非常に小型の検出モジュール、使い捨てのモジュール、およびデバイスを含む広範なサイズにわたる低コストの検出モジュールおよびデバイスの構築を可能にする。広範なサイズにわたり測定することができる非常に高レベルの測定精度、繰り返し性および分解能を有する検出モジュールおよびデバイスを構成する柔軟性により、検出モジュールおよびデバイスを、広範な医療および非医療用途のための対象の１つまたは複数の物理的パラメータに関するデータに適合し、かつ収集するように作製することを可能にする。
【０１０７】
例えば、体、器具、装置、車両、機器または物理的システムの動作を阻害することなく対象の１つまたは複数のパラメータを実時間で検出するために、検出モジュールまたはデバイスは、器具、器械、車両、機器または他の物理的システムならびに動物体および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システム上または内に配置されても、器具、器械、車両、機器または他の物理的システムならびに動物体および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システムにまたは内に取り付けられても固定されてもよい。
【０１０８】
非医療用途に加えて、広範な潜在的医学的用途の例は、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、術中インプラントまたは試行用インサート内のモジュールまたはデバイス、挿入または摂取されたデバイス内のモジュール、着用可能なデバイス内のモジュール、手持型のデバイス内のモジュール、これらの全ての器具、器械、機器または付属品内のモジュール、またはインプラント、試行用インサート、挿入または摂取されたデバイス、着用可能なデバイス、手持型のデバイス、器具、器械、機器内の使い捨て具、またはこれらデバイス、器具、器械または機器の付属品を含んでもよいが、これらに限定されない。血管系、リンパ系、呼吸器系および消化器系全体、ならびに筋、骨、関節および軟組織領域内またはそれらに影響する用途における、個々の関節内の荷重、骨密度、運動、粘度、圧力および局所温度を含むが、これらに限定されない間質液の種々のパラメータを含むが、これらに限定されない動物体または人体内の多くの生理的パラメータが測定されてもよい。例えば、整形外科用途は、膝、股関節部、肩部、肘、手首、足首および脊椎、任意の他の整形外科または筋肉・骨格インプラント、またはこれらの任意の組み合わせの外科的処置のためであるが、これらに限定されない耐荷重装具構成要素または仮のもしくは試行装具構成要素を含んでもよいが、これらに限定されない。
【０１０９】
図１６は、導波路１６０６の長さの変化による超音波１６１４の伝播の変化を示すためのセンサ素子１６００の例示的断面図である。概して、パラメータの測定は変位をパラメータに関連付けることによって実現される。一実施形態においては、全測定範囲にわたり必要とされる変位はミクロンで測定される。例えば、外力１６０８が導波路１６０６を圧縮し、それによって、導波路１６０６の長さが変化する。検出回路（図示せず）は、導波路１６０６の長さの変化を決定するために導波路１６０６内の超音波信号の伝播特性を測定する。これら長さの変化は、対象のパラメータに対して正比例で変化するため、対象の１つまたは複数のパラメータの変化を電気信号に変換することが可能になる。
【０１１０】
示されるように、外力１６０８が導波路１６０６を圧縮し、トランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４を距離１６１０だけ互いに近づける。これは、トランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４との間の導波路１６０６の長さを導波路の伝播路の距離１６１２だけ変化させる。動作モードによっては、検出回路は導波路内の超音波の伝播の特性を分析することにより導波路１６０６の長さの変化を測定する。
【０１１１】
図１６の１つの解釈は、導波路１６０６の一端にあるトランスデューサ１６０２から放出され、導波路１６０６の他端にあるトランスデューサ１６０４に伝播する波を示す。この解釈は、導波路１６０６の動きの効果、したがって、（個々の波の形状または幅を変えずに）導波路１６０６内において伝播する波の速度、したがって、導波路の各端部にあるトランスデューサ１６０２とトランスデューサ１６０４との間の通過時間を含む。この解釈には、逆方向に伝播する波に対する逆の効果をさらに含み、逆の効果は、導波路の速度を推定し、両方向に伝播する波の通過時間を平均化することによりそれを除去するために評価される。
【０１１２】
対象の１つまたは複数のパラメータの変化は伝播媒体内のエネルギーパルスまたは波の通過時間の変化を測定することによって測定される。対象の１つまたは複数のパラメータの変化の閉ループ測定は弾性エネルギー伝播構造の伝播特性に応じてエネルギーパルスの繰り返し数またはエネルギー波の周波数を調整することによって実現される。
【０１１３】
連続波動作モードでは、位相検出器（図示せず）は周波数および導波路１６０６内の共振超音波の周波数の変化を評価する。以下に記載されるように、連続波（ＣＷ）モードにおける正フィードバック閉ループ回路動作は、導波路１６０６内の超音波１６１４の周波数を調整し、導波路１６０６内において同じ数または整数の周期の超音波を維持する。ＣＷ動作は、導波路の長さの変化速度がそれほど急激でなく、伝播調整式発振器（ＰＴＯ）の周波数が応答し得る前に四分の一波長を超える変化が起こる限りは持続する。この制限は、ＰＴＯの性能と位相同期ループ（ＰＬＬ）の性能との間の有利な相違の１つを例示するものである。トランスデューサが、例えば、２．４ＭＨｚの超音波を生成すると想定すると、空気中波長（マイクロ秒あたり３４３ミクロンの速度を想定する）は約１４３μであるが、導波路内の波長は制限されない空気（ｕｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ  ａｉｒ）中にある場合よりも長くてもよい。
【０１１４】
パルス動作モードにおいては、位相検出器は、超音波パルスのトランスデューサ１６０２による伝送時、およびトランスデューサ１６０４における受信時との間の飛行時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ）を測定する。飛行時間は導波路の伝播路の長さを決定し、したがって、導波路１６０６の長さの変化を明らかにする。別の配置においては、導波路１６０６の長さの変化を判断するために飛行時間測定値の差（または位相差）が使用され得る。パルスは、１つまたは複数の波のパルスを含む。波は等しい振幅および周波数（矩形波パルス）を有してもよく、またはそれらは、異なる振幅、例えば、崩壊振幅（ｄｅｃａｙｉｎｇ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）（台形パルス）またはいくつかの他の複合波形を有してもよい。ＰＴＯは導波路内を伝播するパルスの立ち上がり部分の位相を一定に維持している。パルスモード動作では、ＰＴＯは、各パルスの第１の波の立ち上がり部分をＣＷモードで使用されるゼロ交差受信機回路よりもむしろエッジ検出受信機で検出する。
【０１１５】
図１８は、一実施形態例による医療検出システム１８００のブロック図を示す。医療検出システムは、図４、図６、図８および図１２に記載された医療パラメータを測定するためのシステムと同様に動作する。システム１８００のセンサはキャパシタ１８０２である。キャパシタ１８０２は測定される医療パラメータによって変化する可変キャパシタである。キャパシタ１８０２の静電容量値はパラメータの値に相関する。第１の例では、測定されるパラメータは温度である。キャパシタ１８０２の静電容量は測定される温度に結合される。「温度」におけるキャパシタ１８０２の静電容量はシステム１８００によって正確に測定することができ、かつ温度値と再度相関され得る。パラメータの別の例は力、圧力または荷重である。一実施形態においては、力、圧力または荷重はキャパシタ１８０２に加えられ得る。「力、圧力または荷重」におけるキャパシタ１８０２の静電容量はシステム１８００によって測定され、力、圧力または荷重値に再度相関される。いずれの例においても、静電容量はパラメータ測定範囲全体にわたり公知の手法によって変化する。概して、パラメータ測定範囲全体にわたる静電容量の変化は規則的に起こる。パラメータシステム１８００内の静電容量変化の不規則性は、任意の静電容量変化の不規則性を説明するために、または測定精度をさらに向上するためにパラメータ測定範囲全体にわたり校正され得る。
【０１１６】
システム１８００は、キャパシタ１８０２と、信号発生器１８０４と、デジタルクロック１８０６と、デジタル計数器１８０８と、デジタルタイマ１８１０と、カウンタレジスタ１８１２と、データレジスタ１８１４と、を含む。信号発生器１８０４はキャパシタ１８０２に結合され、信号を提供するための出力を有する。信号発生器１８０４は、キャパシタ１８０２の静電容量に対応する信号１８１６または波形を発生させる。キャパシタ１８０２の静電容量が変化するにつれて信号１８１６は変化する。例えば、信号１８１６の測定サイクルの時間周期はキャパシタ１８０２の静電容量に関連し得る。
【０１１７】
一実施形態においては、信号発生器１８０４は発振器である。デジタルクロック１８０６がデジタル計数器１８０８およびデジタルタイマ１８１０に結合されている。デジタルクロック１８０６は、測定シーケンス中、デジタル計数器１８０８およびデジタルタイマ１８１０にクロック信号を提供する。デジタル計数器１８０８はカウンタレジスタ１８１２に結合し、かつ信号発生器１８０４の出力に結合する。カウンタレジスタ１８１２は測定シーケンスに対応する既定カウントを提供する。概して、測定精度は既定カウントを上げることによって増加され得る。デジタル計数器１８０８はカウンタレジスタ１８１２から既定カウントを受信する。測定シーケンスの開始後、デジタル計数器は信号発生器１８０４の出力における測定サイクルの数を既定カウントと比較する。測定サイクルのカウントが既定カウントに等しい場合、測定シーケンスは終了する。一実施形態においては、信号発生器１８０４による各測定サイクルの出力は、測定シーケンスの終了を意味するゼロカウントに達するまでデジタル計数器１８０８を減数させる。デジタルタイマ１８１０は測定シーケンスの時間周期を測定する。換言すると、デジタルタイマ１８１０は、信号発生器１８０４が既定カウントの測定サイクルを出力するのに必要な所要時間を測定する。データレジスタ１８１４はデジタルタイマ１８１０に結合し、測定シーケンスの時間周期または所要時間に対応する値を格納する。測定シーケンスの所要時間はキャパシタ１８０２の統計的に多数の測定に対応する。所要時間は、既定カウントの測定サイクルまたは静電容量の測定値の総計に対応する。データレジスタ１８１４内に格納された値は、所要時間の、力、圧力または荷重値への翻訳とされ得る。測定シーケンスの時間周期中、測定されるパラメータは安定した静電容量値を生成すべきである。
【０１１８】
図１９は、一実施形態例による、キャパシタ１８０２に対応する信号を発生させる発振器１９００を示す。発振器１９００は図１８の信号発生器１８０４に対応する。発振器１９００は、図１８の信号１８１６を発生させるために使用される回路の一例である。発振器１９００は、電流源１９０２と、電流源１９０４と、比較器１９０６と、スイッチ１９０８と、スイッチ１９１０と、スイッチ制御部１９１２と、を含む。キャパシタ１８０２は、電流源１９０２および電流源１９０４に結合される。電流源１９０２および電流源１９０４はそれぞれ、キャパシタ１８０２からの電流を吐き出しかつ吸い込む。電流源１９０２は電流Ｉを吐き出す。電流源１９０４は、電流２Ｉまたは電流源１９０２によって提供される電流の２倍を吸い込む。スイッチ１９１０は、電流源１９０４がアースに結合されている場合、電流を吸い込むことを可能にする。比較器１９０６は、キャパシタ１８０２に結合される正入カと、スイッチ１９０８に結合される負入カと、出力と、を含む。比較器１９０６の出力はスイッチ制御部１９１２に結合する。スイッチ制御部１９１２は、スイッチ位置を制御するためにスイッチ１９０８およびスイッチ１９１０に結合する。比較器１９０６の出力はスイッチ制御部１９１２への制御信号である。
【０１１９】
概して、電流源１９０２および電流源１９０４はそれぞれ、キャパシタ１８０２を充電および放電する。比較器１９０６の出力がロー状態の場合、キャパシタ１８０２は電流源１９０２によって充電される。スイッチ制御部１９１２はスイッチ１９１０を開き、比較器１９０６の出力がロー状態に移行すると、基準電圧Ｖｒｅｆはスイッチ１９０８によって比較器１９０６の負入カに結合される。電流源１９０２からの電流Ｉが静電容量を充電するにつれてキャパシタ１８０２の電圧は上昇する。キャパシタの電圧の変化のスルーレートはキャパシタ１８０２の静電容量および電流Ｉに関連する。比較器１９０６の出力は、キャパシタ１８０２の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以上である場合、ロー状態からハイ状態に移行する。スイッチ制御部１９１２はスイッチ１９１０を閉じ、基準電圧Ｖｒｅｆ／２は、比較器１９０６の出力がハイ状態に移行すると、スイッチ１９０８によって比較器１９０６の負入カに結合される。電流源１９０４のシンク電流は２Ｉ、すなわち電流源１９０２によって吐き出される電流の２倍である。電流源１９０４はキャパシタ１８０２からの電流Ｉおよび電流源１９０２からの同等の電流を吸い込む。電荷が除去されるにつれてキャパシタ１８０２の電圧は降下する。比較器の出力は、キャパシタの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ／２以下である場合にハイ状態からロー状態に変化する。この例では、キャパシタ１８０２の電圧は基準電圧Ｖｒｅｆと基準電圧Ｖｒｅｆ／２との間において移行する。キャパシタ電圧の立ち上がり部分および立ち下がり部分のスルーレートは対称である。シーケンスが停止されるまで繰り返すのこぎり歯パターンが発振器１９００によって発生する。測定サイクルは単一の三角形の波形を発生させるための時間に対応する。三角形の波形は、キャパシタ１８０２の電圧をＶｒｅｆ／２からＶｒｅｆに、およびＶｒｅｆからＶｒｅｆ／２に移行するための時間を含む。測定サイクルはキャパシタ１８０２の静電容量に関連することに留意されたい。キャパシタ１８０２の静電容量を増加すると、同様に測定サイクルが増加する。逆に、キャパシタ１８０２の静電容量を減少すると、同様に測定サイクルが減少する。比較器１９０６の出力における信号は、また、信号１８１６に対応する。したがって、発振器１９００によって出力された信号とキャパシタ１８０２の静電容量に関係が形成される。
【０１２０】
図１を簡潔に参照すると、センサ１００は筋肉・骨格系に結合される。この例では、膝関節装具が示され、センサ１００は膝領域に結合される。センサ１００は筋肉・骨格系に結合されるキャパシタ１８０２とされ得る。キャパシタ１８０２は力、圧力または荷重を測定するために膝関節装具の関節面に結合され得る。一実施形態においては、関節面に加えられる力、圧力または荷重は、キャパシタ１８０２に結合され、それにより、関節面に加えられる力、圧力または荷重によって静電容量が変化する。膝関節が示されるが、図１８のキャパシタ１８０２およびシステム１８００は、キャパシタ１８０２の静電容量に作用するパラメータを測定するために、医療機器、ツール、器具および装具構成要素において使用され得る。同様に、膝関節が例として記載されているが、キャパシタ１８０２は、加えられた力、圧力または荷重を測定するために、筋肉・骨格医療機器、ツール、器具および装具構成要素に組み込むことができる。さらに、図１８のキャパシタ１８０２およびシステム１８００は、膝に限定されず、骨、組織、肩部、足首、股関節部、膝、脊椎、肘、手および足などのパラメータ測定用の装具構成要素に組み込むことができる。
【０１２１】
図１８および図１９を再度参照すると、信号発生器１８０４はキャパシタ１８０２の静電容量に対応する反復波形を出力する。発振器１９００は、反復波形を変動するまたは発生させる信号発生器１８０４の実装である。この例では、発振器１９００は、対称な立ち上がり部分および立ち下がり部分を有する反復するのこぎり波形を出力する。波形の測定サイクルはＶｒｅｆ／２からＶｒｅｆへの移行および再度Ｖｒｅｆ／２への移行に必要な時間である。測定サイクルの時間はキャパシタの静電容量に対応する。各測定サイクルの時間は、測定シーケンス中、キャパシタ１８０２の静電容量が一定に留まる場合は実質的に等しい。一実施形態においては、カウンタレジスタ１８１２に既定カウントがロードされる。測定シーケンスは波形の既定点において開始され得る。例えば、測定シーケンスを開始するための波形を開始するための電圧Ｖｒｅｆ／２が検出され得る。その後、電圧Ｖｒｅｆ／２が検出されるごとに、デジタル計数器１８０８は減数される。デジタル計数器がゼロに減数すると測定シーケンスは終了する。デジタルタイマ１８１０は、のこぎり波形の既定カウントの測定サイクルに対応する測定シーケンスの所要時間を測定する。代替的に、比較器１９０６の出力は発振または反復波形として使用され得る。比較器１９０６の出力の立ち上がりまたは立ち下がり部分は、デジタル計数器１８０８を始動および減数するために使用され得る。測定シーケンスは、測定されるパラメータおよびそれに関係してキャパシタ１８０２の静電容量が実質的に一定である周期中に開始されるように構成される。プロセスでは、静電容量１８０２を既定カウントに等しい回数測定する。測定値のばらつきは多数の既定カウントを有することによって平均化することができる。プロセスでは、また、静電容量の非常に小さな変化を非常に正確に測定することを可能にする。測定の精度は測定サイクルの既定カウントを上げることによって増加され得る。一実施形態においては、測定された静電容量は測定された所要時間および既定カウントの測定サイクルによって決定された平均値である。測定された静電容量は力、圧力または荷重などの測定されるパラメータに翻訳され得る。データレジスタ１８１４は、パラメータ測定値またはパラメータ測定値に対応する数値を格納するように構成され得る。
【０１２２】
図２０は、力、圧力または荷重を測定するための方法２０００を開示する。方法の記載は図１、４、６、８、１２、１３および１９に関連するため、それらを参考にすることができる。本明細書中に開示される例では、装具構成要素実装を使用するが、方法２０００は任意の他の適切なシステムまたはデバイスにおいて実施することができる。方法２０００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法２０００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。
【０１２３】
ステップ２００２では、キャパシタに力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重の変化はキャパシタの静電容量の対応する変化を生成する。ステップ２００４では、反復信号が発生される。反復信号の単一波形の時間周期は測定サイクルである。測定サイクルの時間周期はキャパシタの静電容量に対応する。ステップ２００６では、波形または信号が既定回数反復される。測定シーケンスは既定回数の反復波形を含む。ステップ２００８では、測定シーケンスの所要時間が測定される。所要時間は既定の数の波形を発生させるのに必要な時間である。ステップ２０１０では、測定シーケンス中、力、圧力または荷重は維持される。概して、キャパシタに結合される力、圧力または荷重は、測定シーケンス中、一定とすべきである。ステップ２０１２では、測定された所要時間は力、圧力または荷重の測定値に相関される。通常、キャパシタに加えられる力、圧力または荷重の測定範囲は既知である。キャパシタまたは使用されているキャパシタのタイプは、使用前、測定範囲全体にわたり既知の力、圧力および荷重を使用することにより特徴付けられ得る。したがって、静電容量と、力、圧力または荷重との間の相関は既知である。例えば、静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係はルックアップテーブル内または数学的表現によって記憶され得る。一実施形態においては、キャパシタは測定範囲全体にわたりほぼ線形に応答する。キャパシタの平均静電容量は、測定シーケンス中、既定の数の波形を発生させるために測定された所要時間を使用して計算され得る。力、圧力または荷重は、その後、前述の特徴付け（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）から決定され得る。キャパシタの最終試験時に校正技法を使用することによってさらなる改良が実現され得る。キャパシタ上の校正データは力、圧力または荷重の計算において測定誤差をさらに低減するために使用され得る。ステップ２０１４では、測定精度を上昇させるために既定の数の波形が増加され得る。増加された数の既定数の波形にわたり力、圧力または荷重が実質的に一定である場合、測定分解能はこの技法によって増加され得る。さらに、力、圧力または荷重測定範囲にわたり静電容量変化が比較的小さい場合、分解能は測定を支持する。
【０１２４】
図２１は、一実施形態例によるキャパシタ２１００を示す。概して、医療環境において使用するためのセンサは正確であり、信頼性が高く、低コストであり、用途に適した形態的要素を有する。電気信号を生成するセンサは、測定データを受信、分析および提供するために電子回路への有線または無線相互接続を必要とする。キャパシタ２１００は上記の要求事項を満たす。キャパシタ２１００は、様々な医療パラメータを測定するための医療機器、ツールおよび器具において使用され得る。この例では、キャパシタ２１００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのデバイス、ツール、機器および装具構成要素に組み込むことができる。キャパシタ２１００は、取り付けおよび取り付けられた構造の長期測定を支持する術中および埋め込み型装具構成要素に好適である。
【０１２５】
キャパシタ２１００は、誘電層２１０２と、誘電層２１０４と、誘電層２１０６とを含む。キャパシタ２１００は、機械的に直列の２つを超えるキャパシタを含む。一実施形態においては、キャパシタ２１００は、機械的直列の３つのキャパシタを含む。図２２を簡潔に参照すると、図２１のキャパシタ２１００は、キャパシタ２２０６、２２０４および２２０８を含む。キャパシタ２２０６、２２０４および２２０８は機械的に直列で結合されている。圧縮力、圧力または荷重２２０２が、直列に結合されたキャパシタ２２０６、２２０４、および２２０８に加えられる。図２１を再度参照すると、第１のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０２と、導電性領域２１１０とを含む。第１のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０４に対応する。導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は所定の面積を有し、所定の面積、誘電層２１０２の誘電率および誘電層２１０２の厚さがキャパシタ２２０４の静電容量を決定する。一実施形態においては、導電性層２１０８が導電性層２１１０の上にあり、導電性層２１１０と実質的に等しい面積を有し、かつ導電性層２１１０と整列している。
【０１２６】
第２のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０４と、導電性領域２１１２とを含む。第２のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０６に対応する。一実施形態においては、導電性領域２１１２は導電性領域２１０８の上にあり、導電性領域２１０８とほぼ等しい面積を有し、導電性領域２１０８と整列している。導電性領域２１１２の上にある荷重パッド２１１４が形成される。荷重パッド２１１４はキャパシタ２１００に加えられる力、圧力または荷重による導電性層２１１２の破損を保護および防止する。
【０１２７】
第３のキャパシタは、導電性領域２１１０と、誘電層２１０６と、導電性層２１１６とを含む。第３のキャパシタは図２２のキャパシタ２２０８に対応する。一実施形態においては、導電性領域２１１６は導電性領域２１１０の上にあり、導電性領域２１１０とほぼ等しい面積を有し、導電性領域２１１０と整列している。導電性領域２１１６の上にある荷重パッド２１１８が形成される。荷重パッド２１１８はキャパシタ２１００に加えられる力、圧力または荷重による導電性層２１１６の破損を保護および防止する。概して、荷重パッド２１１４および荷重パッド２１１８は非圧縮性の材料を含む。荷重パッド２１１４および荷重パッド２２１８は、金属、複合材料または高分子を含み得る。
【０１２８】
図１８に開示されるようにキャパシタ２１００は電子回路に結合される。キャパシタ２１００は並列の２つ以上のキャパシタを含み得る。一実施形態においては、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は共同で結合され得る。この例では、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０は導電性のビア２１２０によって共同で結合される。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６は、また、共同で結合されるか、共通の電圧電位に結合される。一実施形態においては、導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合され、シールドを形成する。図２３を簡潔に参照すると、キャパシタ２１００はキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８を含む。キャパシタ２２０６とキャパシタ２２０８は電気的に並列で結合され、アースに結合された端子と、共同で結合された導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を含む端子と、を有する。キャパシタ２２０４の導電性領域は互いに短絡されているため、キャパシタ２２０４はキャパシタ２１００の電気等価回路には示されない。図２１を再度参照すると、実質的に等しい静電容量を有するキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８が形成され得る。したがって、キャパシタ２１００は、機械的に直列の２つ以上のキャパシタを含み、かつ電気的に並列で結合された２つ以上のキャパシタを含む。
【０１２９】
この例では、キャパシタ２１００は筋肉・骨格系用の力、圧力、または荷重センサとして使用され得る。キャパシタ２１００は、筋肉・骨格系によって加えられる力、圧力または荷重を測定するために装具構成要素に組み込むことができる。測定値は、装具構成要素の取り付けを支持し、および埋め込み型システムの長期データ収集のために使用され得る。キャパシタ２１００のサイズおよび形状は生物学的検出用途に有利である。キャパシタ２１００の形態的要素は非常に小さく作製され得る。さらに、キャパシタ２１００は非常に薄く作製することができ、従来のセンサでは達しえない体の領域における組み込みおよび配置を支持する。２．５ミリメートル未満、および通常、１ミリメートル未満の厚さのキャパシタ２１００が製造され得る。
【０１３０】
一実施形態においては、キャパシタ２１００を形成するために多層のインターコネクトが使用され得る。多層インターコネクトは交互する導電性層および誘電層を含む。導電性層は導電性領域およびインターコネクトを形成するためにパターニングされ得る。多層インターコネクトに力、圧力または荷重を加えると誘電層が変形し得る。小さな変形では、刺激が除去されるとインターコネクトの誘電層は弾性的に跳ね返ることが認められている。誘電層の変形はキャパシタ２１００の誘電体厚さおよびその静電容量値を変化する。図１８のシステム１８００は、静電容量の小さな変化の高分解能を支持し、キャパシタ２１００の使用を実施可能とする。
【０１３１】
概して、インターコネクトの誘電体材料は、ポリマー、ポリエステル、アラミド、接着剤、シリコン、ガラスまたは複合材料を含み得る。キャパシタ２１００はポリイミドを含む少なくとも１つの誘電層を含む。１つの例では、誘電層２１０２、２１０４および２１０６はポリイミドを含む。代替的に、層２１０２はキャパシタ２２０６とキャパシタ２２０８を互いに結合する接着層とされ得る。試験下では、ポリイミドは、荷重下において、装具構成要素の荷重測定値に典型的な値に弾性的に圧縮することが示された。概して、キャパシタ２１００は、誘電体の弾性領域内における動作を維持するため各キャパシタの厚さの２０％未満に圧縮する。一実施形態においては、キャパシタ２１００の誘電体は動作範囲全体にわたり誘電体厚さの１０％未満圧縮される。例えば、ポリイミド層は約０．０２５４ミリメートルの厚さとされ得る。膝装具用途の全荷重測定範囲にわたるポリイミドの圧縮は０．００２２ミリメートル未満とされ得る。インターコネクトは可撓性とすることができ、非平面領域上の配置を可能にする。さらに、必要であれば、キャパシタ２１００は様々な表面形状に合致するものとすることができる。代替的に、キャパシタ２１００は曲がりもせず合致することもない圧縮性構造として形成され得る。
【０１３２】
前述のように、キャパシタ２１００は図１８に開示されるもののような電子回路に結合されている。キャパシタ２１００を形成するためにインターコネクトを使用すると、キャパシタ２１００を電子回路に結合するインターコネクトと一体化することができるというさらなる利点を提供する。これにより、それらは１つの構造として形成されるため、センサとインターコネクトとの間の接続が排除される。一体化されたキャパシタとインターコネクトにより、また、センサの信頼度が増加し、コストが低下し、組み立てが簡略化する。
【０１３３】
図２４を簡潔に参照すると、上面図が誘電層２１０４の上に重ねて形成された導電性領域２１１２を示す。概して、力、圧力または荷重はセンサキャパシタの導電性領域に均一に加えられる。荷重パッドは、全導電性領域にわたる力、圧力または荷重の分配を支持することができる。導電性領域の面積は力、圧力または荷重を加える範囲全体にわたり誘電体材料の弾性圧縮を維持するのに十分なサイズのものである。単位面積当たりの力、圧力または荷重を低減するために導電性領域の面積を増加することができ、それによって、誘電体の圧縮を測定範囲全体にわたり減少させ、信頼度を向上させる。膝装具構成要素例においては、導電性領域２１１２は円形を有し得る。導電性領域２１１２の面積は測定される力、圧力または荷重範囲の関数である。膝用途のセンサにおいては、導電性領域２１１２の直径は約２．０ミリメートルである。破線は導電性領域２１１２の下にある導電性領域２１０８の周縁部を示す。この例では、導電性領域２１０８は約２．２ミリメートルの直径を有する。センサのうち１つより多くを膝の装具構成要素内に取り付けることができる。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２に結合される。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２と同じ層に形成され得る。図２１を再度参照すると、導電性領域２１１６は導電性領域２１１２と同様の円形を有し得る。膝用途のセンサにおいては導電性領域２１１６の直径は約２．０ミリメートルである。導電性領域２１１２の上にある導電性領域２１１０は直径約２．２ミリメートルである。インターコネクト２１２６はポリイミド層２１０６の上に重ねて形成することができ、かつ導電性領域２１１６に結合することができる。
【０１３４】
この例では、筋肉・骨格系によって力、圧力または荷重が荷重パッド２１１４および荷重パッド２１１８に加えられる。力、圧力または荷重は、キャパシタ２１００を含む機械的に直列のキャパシタ２２０６、２２０４および２２０８を圧縮する。誘電層２２０２、２２０４および２２０６は力、圧力または荷重下で圧縮する。キャパシタ２２０４の極板は共同で結合され、キャパシタ２１００の静電容量に寄与しない。キャパシタ２１００の構造は寄生キャパシタンスの効果を最小にする。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合されている。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はそれぞれ導電性領域２１０８および導電性領域２１１０の上および下にあり、それによって、アースシールドとして機能する。シールドは、測定精度に作用するおそれのある、起こり得る導電性領域２１１２および導電性領域２１１６との外部容量相互作用（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を最小にするまたは遮断する。
【０１３５】
図２５を簡潔に参照すると、一実施形態例におけるインターコネクト２１２２、２１２４および２１２６の断面図が提供される。本明細書中で上に記載したように、導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はビア２１２０によって共同で結合される。インターコネクト２１２２は導電性領域２１０８および導電性領域２１１０に結合する。インターコネクト２１２２、２１２４および２１２６はキャパシタ２１００を図１８のシステム１８００に結合することができる。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はアースに結合されている。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２の上および下にあり、それによって、シールドとして機能する。一実施形態においては、インターコネクト２１２２はインターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６よりも小さい幅を有する。インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２との潜在的な容量相互作用を遮蔽および遮断する。これはインターコネクト２１２２が図１８のシステム１８００にルーティングされ、かつ結合されるためである。
【０１３６】
図２１を再度参照すると、キャパシタ２１００に関連する寄生キャパシタンスはパラメータ測定範囲全体にわたり実質的に一定にとどまる。第１の寄生キャパシタンスは、インターコネクト２１２４と、誘電層２１０４と、インターコネクト２１２２とを含む。第２の寄生キャパシタンスは、インターコネクト２１２６と、誘電層２１０６と、インターコネクト２１２２とを含む。第１の寄生キャパシタンスと第２の寄生キャパシタンスとを合わせてキャパシタ２１００の静電容量を増加する。力、圧力または荷重は第１の寄生キャパシタンスおよび第２の寄生キャパシタンスに加えられないため、測定中は一定のままである。したがって、本明細書中に開示される方法を使用し、力、圧力または荷重範囲にわたるキャパシタ２１００の静電容量の変化をシステム１８００により測定することができ、寄生キャパシタンスの変化による二次的影響が最小になる。
【０１３７】
図２６は、力、圧力または荷重を測定するための方法２６００を開示する。方法の記載は、図１、４、６、８、１２、１３、１９および２１〜２５に関連するため、それらを参考にすることができる。方法２６００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法２６００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。ステップ２６０２では、直列の２つ以上のキャパシタが圧縮される。センサキャパシタは、直列で結合された２つ以上のキャパシタを含み得る。力、圧力または荷重が直列に結合されたキャパシタ全体に加えられる。ステップ２６０４では、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量が測定される。センサキャパシタは、電気的に結合された並列の２つ以上のキャパシタを含み得る。
【０１３８】
ステップ２６０６では、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に対応する測定サイクルを有する反復信号が発生される。一実施形態においては、並列の２つ以上のキャパシタが信号発生器回路に結合される。並列の２つ以上のキャパシタに結合した信号発生器回路は発振するように構成される。反復信号は反復測定サイクルを含む。信号発生器によって発生した各測定サイクルの時間周期は並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に対応する。
【０１３９】
ステップ２６０８では、反復信号の所要時間が測定される。一実施形態においては、反復信号が既定回数反復される。換言すると、測定サイクルは既定回数反復され、測定サイクルの既定数の所要時間が測定される。ステップ２６１０では、所要時間は並列の２つ以上のキャパシタの静電容量に相関する。本明細書中に開示されるように、並列の２つ以上のキャパシタの静電容量は加えられた力、圧力または荷重に対応する。加えられた力、圧力または荷重が実質的に一定である間に多数の測定サイクルを測定すると、静電容量と、力、圧力または荷重との間の正確な相関が支持される。
【０１４０】
図２７は、一実施形態例による、複数のセンサを有する医療機器を示す。概して、本発明の実施形態は物理的パラメータの測定に広く関連する。医療機器は、医療パラメータを測定するように構成され、この例では、筋肉・骨格系の測定に関連する電子機械システムを含む。物理的システム内または体内における多くの対象の物理的パラメータはサイズ、コスト、時間または測定の精度のために目下測定されていない。例えば、膝、股関節部、脊椎、肩部および足首インプラントなどの関節インプラントは、手術中に得られた原位置での測定値により大きく利するものであり、装具システムの取り付けおよび微調整において外科医を補助する。測定値は最適な取り付けを確実とするために外科医の主観的フィードバックを補完することができる。最終装具構成要素内の永久センサは使用中のインプラントの状態に関する周期的データを提供することができる。術中的および長期に回収されたデータは外科的取り付けのためのパラメータ範囲を決定するために、および将来の装具構成要素を向上するために使用され得る。
【０１４１】
対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、荷重、力、圧力、配置、変位、密度、粘度、ｐＨ、偽性加速度（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）および局所温度の測定を含み得るが、これらに限定されない。しばしば、定性的評価を実施するために測定されたパラメータが別の測定されたパラメータと共に使用される。関節再建では、筋肉・骨格系の一部が装具構成要素を受け入れる準備がなされている。準備には、１つまたは複数の装具と嵌合するための骨切断または骨整形を含む。パラメータは、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスによる、軸または軸の組み合わせに沿った配向、位置合わせ、方向、変位または配置ならびに運動、回転または加速に対して評価され得る。
【０１４２】
本発明においては、パラメータは、ｉ）センサおよび接触面を支持する封入構造と、ｉｉ）電源、検出素子、加速度計、アンテナ、測定シーケンスを制御および処理する電子回路、および無線通信回路を組み込む電子的集合体と、を含む一体型の無線検出モジュールまたはデバイスによって測定される。無線検出モジュールまたはデバイスは、対象のパラメータの実時間検出および通信のための、器具、機器、デバイス、装置、車両、機器または他の物理的システム、ならびに動物および人体を含むが、これらに限定されない広範な物理的システム上または内に配置することも、それらと係合することも、それらにまたは内に取り付けるまたは固定することもできる。
【０１４３】
パラメータによって変化する静電容量を有するキャパシタなどの、パラメータを間接的に測定することができるセンサが開示される。静電容量または関連因子（例えば、時間）が測定され、その後、パラメータに変換される。測定システムは、人体の動力学と互換性のある形態的要素、電力使用および材料を有する。対象の１つまたは複数の物理的パラメータは、いくつかの例を挙げると、荷重、力、圧力、変位、密度、粘度、ｐＨ、距離、体積、疼痛、感染、偽性加速度および局所温度の測定を含み得るが、これらに限定されない。これらパラメータは、体、器具、装置、車両、機器または他の物理的システム上または内に配置される無線検出モジュールまたはデバイスによる軸または軸の組み合わせに沿ったセンサの測定、位置合わせ、案内または配置ならびに運動、回転または加速によって評価され得る。
【０１４４】
この例では、インサート２７００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための医療センサを有するデバイスを示す。装具インサート２７００は、筋肉・骨格系の結合を可能にする関節置換システムの構成要素である。装具インサート２７００は関節置換システムの摩耗構成要素である。装具インサート２７００は、関節の結合を可能にする１つまたは複数の関節面を有する。関節置換においては、装具構成要素はインサート２７００の関節面に結合する表面を有する。関節面は低摩擦であり、状況または姿勢に基づき自然に生じる荷重を吸収することができる。結合された関節（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｎｇ  ｊｏｉｎｔ）の表面間の接触域は可動域にわたって変化し得る。関節の動作中に関節面に接触する装具構成要素表面によって生成される摩擦によりインサート２７００の関節面は経時的に摩耗する。靭帯、筋および腱は関節を結合させ、関節を可動域全体にわたり作動させる。
【０１４５】
インサート２７００は、電源２７０２と、電子回路２７０４と、荷重パッド２７２２と、伝送機能（ｔｒａｎｓｍｉｔ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）と、装具構成要素の本体内のセンサと、を有する能動デバイスである。電子回路２７０４は図１８および図１９の回路を含む。この例では、センサは荷重パッド２７２２の下にある。センサは、電子回路２７０４に結合されたインターコネクト２７１８内に形成されるキャパシタである。インターコネクト２７１８は可撓性とされ得ると共に非平面形状に合致し得る。一実施形態においては、インサート２７００は術中的に使用され、筋肉・骨格系のパラメータを測定し、１つまたは複数の装具構成要素の取り付けを補助する。以下に開示されるように、荷重および平衡性などのパラメータの動作および測定を示すためにインサート２７００の動作は膝インサートとして示される。図１を簡潔に参照すると、一般的な膝関節置換システムは、インサートと、大腿骨装具構成要素１０４と、脛骨装具構成要素１０６とを含む。インサート内に収容されるが、センサキャパシタは、また、大腿骨装具構成要素１０４もしくは脛骨装具構成要素１０６内に収容され得る、またはそれらに結合され得る。図２７を再度参照すると、インサート２７００は、股関節部、脊椎、肩部、足首およびその他などの関節面を有する他の人工関節における使用に適応させることができる。代替的に、インサート２７００はインプラントの寿命全体にわたりパラメータ測定値を得るために使用され得る永久能動デバイスとされ得る。検出システムは装具構成要素例に限定されない。システムは、また、医療ツール、デバイスおよび機器に実装され得る。
【０１４６】
インサート２７００は寸法が受動最終装具インサートに実質的に等しい。実質的に等しい寸法とは、インサート２７００が脛骨装具構成要素内の受動最終装具インサートに実質的に等しく合致することを可能にするサイズおよび形状に相当する。術中例においては、インサート２７００を試行用インサートとして使用することにより測定された荷重および平衡性は、同等条件下で最終受動インサートにより認められる荷重および平衡性に実質的に等しい。術中測定用のインサート２７００は形状が異なり得るか、手術中、試行物に利することのない特徴が欠けていることに留意されたい。インサート２７００は最終インサートの可動域に等しい可動域全体にわたり位置的に安定とすべきである。
【０１４７】
インサート２７００の外部構造は２つの構成要素を含む。示される実施形態では、インサート２７００は、支持構造２７０６および支持構造２７０８を含む。支持構造２７０６および支持構造２７０８は、筋肉・骨格系によって荷重がかけられる主要支持表面を有する。前述のように、インサート２７００は、全般的な概念を示すために膝インサートとして示されるが、この構成に限定されるものではない。支持構造２７０６は関節面２７１０および関節面２７１２を有する。大腿骨装具構成要素の顆は表面２７１０および表面２７１２と結合する。膝関節装具にかかる荷重は関節面２７１０および関節面２７１２の接触域全体に分配される。支持構造２７０８は耐荷重面２７２４を有する。耐荷重面２７２４は脛骨装具構成要素に結合する。力、圧力または荷重を分配するためのより大きな表面積により、耐荷重面２７２４にかかる荷重は関節面に加えられるものよりもかなり小さい。
【０１４８】
支持構造２７０６の領域２７１４には可動域にわたり無荷重または軽荷重がかけられている。領域２７１４は関節面２７１０と関節面２７１２との間に配置されている。関節面２７１０および関節面２７１２上には摩耗を最小にしつつ関節の性能を維持するために最小接触域（ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｒｅａ  ｏｆ  ｃｏｎｔａｃｔ）があることに留意されたい。接触位置および接触域のサイズは筋肉・骨格系の位置によって変更することができる。接触域が可動域全体にわたり関節面２７１０および関節面２７１２内の所定の領域範囲外にある場合は問題が生じるおそれがある。一実施形態においては、関節面２７１０および関節面２７１２に荷重が加えられる位置は検出システムによって決定され得る。ここで外科医は荷重が加えられる場所の定量的情報を有するためこれは有利である。外科医は、その後、各補正の結果を追跡するために検出システムからの実時間フィードバックを使用して、加えられた荷重の位置を所定の領域内において移動するという調整を行うことができる。
【０１４９】
支持構造２７０８は、インサート２７００の各関節面にかかる荷重を測定するセンサおよび電子回路２７０４を支持するために形成され得る。荷重板２７１６が関節面２７１０の下にある。同様に、荷重板２７２０が関節面２７１２の下にある。インターコネクト２７１８が荷重板２７２０の下にある。キャパシタセンサは支持構造２７０８内の三角形形状のインターコネクト２７１８の頂点において荷重パッド２７２２の下にある。一実施形態においては、キャパシタセンサはインターコネクト２７１８内に形成される。インターコネクト２７１８はセンサを電子回路２７０４に結合する。測定範囲全体にわたり精度を確保するために、寄生キャパシタンスおよび結合を最小にするシールドがインターコネクト２７１８内に形成される。荷重板２７２０は荷重パッド２７２２を介してキャパシタセンサに結合する。荷重板２７２０は関節面２７１２に加えられた荷重をインサート２７００内の所定の位置においてキャパシタセンサに分配する。関節面２７１２の下にある３つのセンサからの測定値はインサート２７００に加えられた荷重の位置を判断するために使用され得る。関節面２７１０の下にある荷重板２７１６は同様に動作する。示される荷重板２７１６および荷重板２７２０の表面は平坦であるが、それらは非平面とすることができ、センサは非平面表面に合致する。同様に、非平面形状を有するキャパシタセンサが形成され得る。
【０１５０】
筋肉・骨格系によって加えられる力、圧力または荷重は装具構成要素インサート２７００の関節面２７１０および関節面２７１２に結合され、関節面２７１０および関節面２７１２はそれぞれプレート２７１６およびプレート２７２０に結合する。一実施形態においては、各キャパシタは力、圧力または荷重により弾性的に圧縮する。電子回路２７０４は荷重板２７１６および荷重板２７２０の下にあるキャパシタセンサに作動的に結合されている。測定されるキャパシタの静電容量に対応する信号が発生される。信号は既定回数または既定カウント反復される。既定カウントの所要時間が測定される。所要時間はキャパシタの静電容量に対応する。静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係は公知であり、測定数値を決定するために使用される。さらに、測定データは表示および分析のために加工され、インサート２７００外部の受信機に伝送され得る。
【０１５１】
一実施形態においては、センサおよび電子回路２７０４の物理的位置はインサート２７００内に収容され、それによって、能動構成要素を外部環境から保護する。支持構造２７００の領域２７１４の下にある電子回路２７０４は関節面２７１０と関節面２７１２との間に配置され得る。電子回路２７０４を収容するためのキャビティは領域２７１４の下にあり得る。支持構造２７０８は、キャビティ内に表面を有し、表面はそこから延在して電子回路２７０４をキャビティ内に配置および保持する保持特徴部を有する。領域２７１４はインサート２７００の無荷重または軽荷重領域であり、それによって、手術中または関節が患者により使用される際の高い圧縮力により電子回路２７０４を破損する可能性を低減する。一実施形態においては、センサおよび電子回路２７０４に電源供給するために、電池などの仮設電源、キャパシタ、インダクタまたは他の記憶媒体がインサート２７００内に配置されている。
【０１５２】
支持構造２７０６はインサートケーシングまたはハウジングを形成するために支持構造２７０８に取り付けられている。一実施形態においては、支持構造２７０６の内部表面と支持構造２７０８の内部表面は互いに嵌合する。さらに、支持構造２７０６の内部表面および支持構造２７０８の内部表面は、検出システムの構成要素を収容および保持するためのキャビティまたは押出部（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓ）を有し得る。外部に、支持構造２７０６および支持構造２７０８は関節の他の装具構成要素に結合する耐荷重面および関節面を提供する。支持構造２７０８の耐荷重面２７２４は脛骨装具構成要素に結合する。耐荷重面２７２４は、１つまたは複数の特徴部または脛骨装具構成要素への結合を補助する形状を有し得る。
【０１５３】
支持構造２７０６と支持構造２７０８は、互いに一時的または永久的に結合することも、取り付けることも、固定することもできる。示されるように、インサート２７００は支持構造２７０６と支持構造２７０８を分離するために分解することができる。シールが支持構造２７０８の内部表面の周縁に配置され得る。一実施形態においては、シールは弾性かつ圧縮性の材料を含むＯリングとされ得る。共に取り付けられると、Ｏリングが圧縮し、支持構造２７０６および支持構造２７０８の内部表面に対してシールを形成する。支持構造２７０６および支持構造２７０８はハウジングを形成し、それにより、シールの境界内のキャビティまたは凹部が外部環境から分離される。一実施形態においては、固定要素を相互係止するほどＯリングが十分に圧縮されると支持構造２７０６と支持構造２７０８が共に結合される。支持構造２７０６と支持構造２７０８はＯリングまたはばねなどの他の手段によって提供される力または圧力下で固定要素によって結合が維持される。
【０１５４】
一実施形態においては、支持構造２７００は、一般に、受動インサート用に使用される材料を含む。例えば、超高分子量ポリエチレンが使用され得る。材料は、最終インサートに適切な支持および関節面厚さを提供するために成形、形成または機械加工され得る。代替的に、支持構造２７０６および支持構造２７０８は試行用途に十分な強度の金属、プラスチックまたは高分子材料で作製され得る。術中例においては、支持構造２７０６および支持構造２７０８はポリカーボネートで形成され得る。関節面の長期摩耗は短期間の関節の取り付けにおいては重要度の低い問題であることに留意されたい。ポリカーボネート製関節面によって、可動域全体にわたり動作する際、関節は最終インサートと同様に動く。超高分子量ポリエチレンなどの支持材料が、検出システムを術中的におよび最終インサートとしての両方で使用することを可能にする複合材料の一部である場合、支持構造２７０６と支持構造２７０８は複合物として形成され得る。
【０１５５】
図２８は、一実施形態例による、非平面表面に結合され、かつそれに適合するセンサを有する１つまたは複数の装具構成要素を示す。非平面センサを説明するために股関節装具構成要素が一例として使用される。股関節装具は、臼蓋カップ２８０６と、インサート２８０８と、大腿骨装具構成要素２８１０とを含む。臼蓋カップ２８０６は骨盤に結合する。カップ２８０６は骨盤２８０２に接合することができ、それによって、装具構成要素を、大腿骨装具構成要素２８１０を受容するための永久的空間的向き（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｓｐａｔｉａｌ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）において固定する。インサート２８０８は露出した関節面を有する臼蓋カップ２８０６に挿入される。大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭はインサート２８０８内に配置され得る。インサート２８０８は大腿骨骨頭を保持する。インサート２８０８の関節面は大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭に結合し、関節の回転を可能にする。インサート２８０８の関節面の面積全体に荷重が分配され、それは脚の位置によって変化する。大腿骨装具構成要素２８１０の軸は大腿骨２８０４に結合される。大腿骨装具構成要素２８１０の軸を大腿骨２８０４に固定するためにセメントが使用され得る。腱、靭帯および筋などの組織は骨盤２８０２および大腿骨２８０４に結合して股関節の動きを維持および補助する。本明細書中に開示されるセンサおよび電子回路は股関節部装具構成要素に限定されず、同様に、筋肉・骨格系、骨、器官、頭蓋、膝、肩部、脊椎、足首、肘、手および足を含むが、それらに限らない解剖学的構造の他の部分にも適用され得る。
【０１５６】
一実施形態においては、大腿骨装具構成要素２８１０は電子回路２８１２を収容することができ、それによって能動構成要素を外部環境から保護する。電子回路２８１２はキャパシタセンサの静電容量を測定するために図１８および図１９に開示される回路を含み得る。電子回路２８１２は、電源、電力管理回路、変換回路、デジタル論理回路、プロセッサ、複数の入出力回路および通信回路をさらに含み得る。電子回路２８１２は装具構成要素内に取り付けることができる形態的要素を有するモジュールとされ得る。同様に、電子回路２８１２はツール、デバイスまたは機器に組み込むことができる。代替的に、電子回路２８１２は、有線または無線接続によりセンサに結合する別個の構成要素とされ得る。
【０１５７】
装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭は球形状である。キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の湾曲した表面に適合しかつ結合するセンサである。第１の実施形態においては、キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の外部表面の下にあり得る。大腿骨骨頭に加えられる力、圧力または荷重はキャパシタ２８１４に結合し、かつそれを弾性的に圧縮し得る。装具構成要素が関節の長期監視に好適であるようにキャパシタ２８１４および電子回路２８１２は外部環境から保護される。第２実施形態においては、キャパシタ２８１４は大腿骨骨頭の球形状に一致する表面の部分に露出され得る。第３実施形態においては、非平面形状を有するキャパシタ２８１４が形成され得る。キャパシタ２８１４は一度の使用後に廃棄される試行装具構成要素内にあり得る。本明細書中に開示されるように、キャパシタ２８１４は図２１〜２５に開示されるようにインターコネクト内に形成され得る。インターコネクトは可撓性とされ得ると共に非平面表面に適合し得る。この例では、計測データを受信および処理するため、キャパシタ２８１４は、電子回路２８１２に結合されるインターコネクト内に形成される。インターコネクト、特に、キャパシタ２８１４は、球形の大腿骨骨頭表面内に配置され、かつそれに結合され、それにより、力、圧力または荷重を所定の位置において測定することができる。したがって、センサシステムは装具構成要素内に完全に収容され得る。同様に、センサは、臼蓋カップ２８０６およびインサート２８０８上、臼蓋カップ２８０６およびインサート２８０８内、または臼蓋カップ２８０６とインサート２８０８との間に配置され得る。一例として、臼蓋カップ２８０６とインサート２８０８との間に配置されたキャパシタ２８１６が示される。キャパシタ２８１６は、また、インサート２８０８の関節面の一部の下にあり得るか、それを含み得る。同様に、キャパシタ２８１６は、臼蓋カップ２８０６の湾曲した表面の一部の下にあり得るか、それを含み得る。キャパシタ２８１６は、インサート２８０８の関節面の様々な領域に加えられる力、圧力または荷重を測定するように構成され得る。キャパシタ２８１６に結合された電子回路は臼蓋カップ２８０６、インサート２８０８の近傍にあり得るか、臼蓋カップ２８０６、インサート２８０８内に収容され得る。骨にかかる力、圧力または荷重の測定値はシステムによって支持され得る。キャパシタ２８２２はそれに加えられる力を測定するために骨盤２８０２などの骨に埋め込まれ得る。
【０１５８】
この例では、キャパシタ２８１４は大腿骨装具構成要素２８１０の大腿骨骨頭の所定の位置に配置されている。キャパシタ２８１４の静電容量は、筋肉・骨格系によって大腿骨骨頭に加えられる力、圧力または荷重に関連し、それによって、大腿骨骨頭の様々な位置における測定データを提供する。一実施形態においては、測定データはキャパシタ２８１４からリモートシステム２８１８に実時間において無線で伝送され得る。リモートシステム２８１８は測定データを表示するように構成されたディスプレイ２８２０を含む。リモートシステム２８１８は測定データをさらに処理するコンピュータとされ得る。測定データは、使用者が情報を迅速に評価することを可能にする音響、視覚または触覚形式で提供され得る。下肢を可動域にわたり回転しかつ動かすと、取り付けのために、荷重が股関節の可動域全体にわたりどのように変化するかについての定量的データを提供することができる。下肢の動きはキャパシタ２８１４をインサート２８０８の関節面の様々な領域に結合する。下肢が一定平面（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｐｌａｎｅ）内において動く場合、キャパシタ２８１４は弧を描いて動く。測定データは、関節の取り付けに変更を要し得る荷重の変化を示し得る。取り付けはリモートシステム２８１８によって支持されるワークフロー工程内において行うことができる。さらに、統計的に顕著な数の患者の定量的測定による臨床的証拠は最適なフィット性の目標値または範囲を有する。外科医は実際の測定された定量的データおよび患者への取り付けからの主観的フィードバックに基づきさらに取り付けを微調整することができる。
【０１５９】
図２９は、一実施形態例による、非平面表面に結合された１つまたは複数の遮蔽されたセンサを有するツールを示す。リーマ２９０２が、１つまたは複数のセンサを有する医療機器、ツール、器具または構成要素の例として使用される。リーマ２９０２は、臼蓋カップなどの装具構成要素を受容するため、股関節部人工関節置換手術において骨盤２９０８内の骨を除去するために使用され得る。リーマ２９０２は、球形の骨領域を形成するために臼蓋領域２９１０内の骨を除去するための切刃または研磨剤を有する球形表面２９０４を有する。リーマ２９０２の切削ヘッドは臼蓋領域２９１０を切削するための大きさにされる。領域は寸法がその中に取り付けられる臼蓋カップに実質的に等しい。
【０１６０】
一実施形態においては、２つ以上のセンサがリーマ２９０２の切削ヘッドに結合され得る。非限定的な例においては、センサは力、圧力または荷重を測定するために使用され得る。さらに具体的には、センサは切削ヘッドの表面２９０４上の対応する位置に配置され得る。センサは表面２９０４に結合されるが、リーマ２９０２の切削ヘッドの内部にある。力、圧力または荷重は表面２９０４からセンサに結合される。センサは、表面２９０４の様々な位置に加えられる力、圧力または荷重に関する定量的データを提供する。定量的データは、臼蓋カップの最適なフィット性のために材料除去プロセスへのフィードバックとして使用され得る。例えば、力を一方向にかけ過ぎると特定位置の材料を除去しすぎることになる可能性があり、それによって、骨切断の形に影響を及ぼす。
【０１６１】
キャパシタ２９０６は、力、圧力または荷重を測定するためのセンサの一例である。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の測定可能範囲全体にわたり弾性的に圧縮可能である。特に、キャパシタ２９０６を含む誘電体材料は加えられた力、圧力または荷重下で圧縮する。力、圧力または荷重により誘電体材料の厚さが減少するにつれてキャパシタの静電容量は増加する。逆に、キャパシタに加えられる力、圧力または荷重が減少するにつれて誘電体材料の厚さは増加し、それによって、静電容量値は減少する。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の切削ヘッドの表面２９０４の様々な位置に結合する。キャパシタ２９０６は、材料除去プロセス中に、力、圧力または荷重の大きさおよび異なる表面領域に異なる力、圧力または荷重の大きさを提供するために表面２９０４全体に分配される。キャパシタ２９０６によって測定される表面領域はリーマ２９０２の軌道によって変化する。測定データは、最適な装具構成要素のフィット性のために骨リーミングプロセスを支持するために使用され得る。
【０１６２】
一実施形態においては、図２１〜２５に開示されるようにキャパシタ２９０６はインターコネクト内に形成される。インターコネクトはポリイミドを含む１つまたは複数の誘電層または基板を含み得る。ポリイミド層は可撓性であり、非平面表面に合致することも、既定の形状を有して形成することもできる。キャパシタ２９０６はデバイスへの容量結合を低減するために１つまたは複数のシールドを含む。シールドはアースに結合され得ると共に、物理的にキャパシタ２９０６の導電性領域とインターコネクトの外部環境との間にあり得る。シールドはキャパシタの導電性領域とされ得る。一実施形態においては、キャパシタの導電性領域の上にある第１のシールドが形成され、キャパシタの導電性領域の下にある第２のシールドが形成される。シールドはキャパシタ２９０６の静電容量値を変化させ得る寄生キャパシタンスを最小にする。
【０１６３】
インターコネクトは、キャパシタ２９０６の導電性領域に結合される１つまたは複数のポリイミド層上に形成され得る。インターコネクトは、各キャパシタの静電容量に対応する信号を発生させるためにキャパシタ２９０６を電子回路（図示せず）に結合することができる。キャパシタ２９０６はリーマ２９０２の切削ヘッドの表面２９０４に結合する。この例では、キャパシタ２９０６は表面２９０４の形状に対応する湾曲または非平面表面に合致する。一実施形態においては、インターコネクトおよびキャパシタ２９０６は切削ヘッドの内部にあり、それによって外部環境から隔離される。インターコネクトはキャパシタ２９０６の静電容量を測定するための電子回路に結合される。電子回路はリーマ２９０２の切削ヘッドまたはハンドル内に収容され得る。電子回路は、電池などの電源、誘導性電源、超キャパシタまたは他の記憶媒体を含み得る。前述のように、キャパシタ２９０６の静電容量はそれに加えられる力、圧力または荷重に関連し得る。この例では、電子回路は、静電容量値に関連する、キャパシタ２９０６の各キャパシタのための信号を発生させる。電子回路は、測定データをキャパシタ２９０６から送信するための伝送および受信回路を含み得る。一実施形態においては、測定されたデータはリモートシステム２８１８に伝送される。リモートシステム２８１８は測定データを表示するためのディスプレイ２８２０を含み得る。測定データを力、圧力または荷重に変換するためのデータ処理はリモートシステム２８１８によって実行され得る。軌道データおよび力、圧力または荷重の測定値は情報の迅速な評価を可能にする視覚形式で提供され得る。使用者が動作領域の直視を必要とする場合、ディスプレイ２８２０を補完するために聴覚フィードバックが提供され得る。リモートシステム２８１８は定量的測定データを分析し、リーマ２９０２に情報を伝送し得る。リーマ２９０２は、使用者によって案内される際、軌道または力、圧力もしくは荷重に影響する触覚または他の種類のフィードバックをデバイスに提供する。リーマ２９０２によって提供される定量的データは実時間で提供され、骨盤２９０８の骨の除去に変更がどのように影響するかを使用者がディスプレイ２８２０上で見ることを可能にする。
【０１６４】
図３０は、力、圧力または荷重を測定するための方法３０００を開示する。方法の記載は、図１、４、６、８、１２、１３、１９、２１〜２５および２７〜２９に関連するため、それらを参照することができる。方法３０００のステップは開示される順序に限定されない。さらに、方法３０００は、また、示されるよりもより多数のステップまたはより少数のステップを有することができる。ステップ３００２では、キャパシタに力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重の変化はキャパシタの静電容量の対応する変化を生成する。一実施形態においては、キャパシタはインターコネクト上または内に形成される。キャパシタの誘電体材料は弾性的に圧縮可能とされ得る。ステップ３００４においては、容量結合を低減するためにキャパシタの少なくとも１つの導電性領域が保護される。一実施形態においては、シールドはキャパシタの極板であるキャパシタの導電性領域を含み得る。代替的に、シールドは別個の構造とされ得る。シールドはキャパシタへの寄生キャパシタンスまたは結合を最小にするために接地され得る。シールドは、キャパシタの外部環境と、遮蔽されているキャパシタの活性導電性領域または極板との間にあり得る。さらに、シールドは、測定精度に影響し得る可変寄生キャパシタンスを低減する。接地された導電性領域は活性導電性領域と外部環境との間にあり得る。ステップ３００６においては、キャパシタを電子回路に結合するインターコネクトはさらに容量結合を低減するために遮蔽される。シールドはキャパシタのインターコネクトとされ得る。例えば、接地されたインターコネクトは、外部環境の回路からの容量結合を防止するために信号を運ぶインターコネクトと外部環境との間に配置され得る。代替的に、シールドは別個の構造とされ得る。キャパシタおよびインターコネクトの遮蔽は非常に小さな容量値の測定を支持する。測定された静電容量の変化は総静電容量に比べて小さくなり得る。遮蔽により総静電容量が変わることを防止し、それによって、１０ピコファラド未満の静電容量変化を測定することを可能にする。
【０１６５】
したがって、本明細書中においては、小さな容量値および静電容量の小さな変化を測定するためのシステムが提供される。システムは、さらに、小型の形態的要素、高信頼化、測定精度および低コストを支持する。力、圧力および荷重測定用のキャパシタは、キャパシタを電子回路に結合するために使用されるインターコネクト内に形成され得る。キャパシタは誘電体材料の実質的に弾性的に圧縮可能な領域内において動作する。キャパシタをインターコネクト内に形成すると、システムの複雑さを低減し、信頼度、製品の一貫性が向上し、組み立て工程が削減される。
【０１６６】
力、圧力または荷重下でキャパシタの静電容量に対応する信号が発生する。信号は既定カウント反復される。多数の測定サイクルの所要時間の測定は、測定されるパラメータの変化が筋肉・骨格系内等において生じる生理学的変化に対してゆっくりと起こる場合、測定サイクルの平均時間を得るために使用され得る。測定データは正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定を実現するために分析され得る。本明細書中に開示されるシステムは、検出およびデータ処理操作の帯域幅を含む測定分解能と周波数との間におけるトレードオフを最適化するため、取り込まれたデータの精度または分解能のレベルの設定を可能にし、したがって、検出モジュールまたはデバイスが測定の分解能を妥協することなくその最適な動作点で動作することを可能にする。これは、複数の個々の励振の通過時間および通過周期（ｔｒａｎｓｉｔ  ｃｙｃｌｅｓ）を平均化するのではなく複数周期の励振および通過時間を累積することによって達成される。結果は、物理的システム内の対象のパラメータの正確な、反復可能な、高精度および高分解能の測定である。
【０１６７】
弾性的に圧縮可能なキャパシタを使用する測定は高感度および高信号対雑音比を可能にする。時間ベースの測定は、主として、電圧または電流により駆動される検出方法およびデバイスに影響を及ぼす可能性のあるほとんどのエラーの原因の影響を受けない。生じる動作の通過時間の変化は迅速にかつ高分解能で測定され得る周波数に対応する。これにより必要な測定精度および精密さが実現され、したがって、対象の物理的パラメータの変化を捉え、それらの動的および静的挙動の分析を可能にする。
【０１６８】
さらに、除算して平均測定数値データ値を推定する前に個々の容量測定値を合計すると同数のサンプルを平均するよりも優れた結果を生む。デジタル計数器から回収されるカウントデータの分解能はカウンタの最下位ビットの分解能によって制限される。一連のカウントを取りそれらを平均しても１つのカウントの精度であるためこの最下位ビットを超える精度は生じない。個々の測定値間にランダム変動がある場合は平均化で最終推定値のランダム性が低減される。多数の測定サイクルのカウントを合計して累積カウントを得、その後、全測定周期の平均値を計算すると、カウンタの最下位ビットよりも小さい測定値の成分を補間することにより測定の精度が向上する。この手順によって得た精度は、カウンタの最下位ビットの分解能を合計された測定サイクルの数によって除算したものと同程度である。
【０１６９】
図３１は、一実施形態例による複数のセンサを有する装具構成要素３１００を示す。概して、関節装具および装具構成要素の取り付けを支持する短期術中検出用装具構成要素が必要である。同様に、関節装具は関節を長期的に監視するためのセンサを含む必要がある。装具構成要素３１００は、試行装具構成要素として、または体内での長期使用のための永久装具構成要素として使用され得る。装具構成要素３１００はこの例では脛骨装具構成要素として示される。装具構成要素３１００は、股関節部、膝、肩部、脊椎、足首、肘、足指、手または骨インプラントにおける使用に適応させることができる。装具構成要素３１００は、構造３１０２と、構造３１０４と、インターコネクト３１０６と、荷重パッド３１０８と、電子回路３１１０とを含む。
【０１７０】
装具構成要素３１００は、通常、チタン、チタン合金、コバルト、コバルト合金、鋼、または鋼合金などの金属を含む。この材料は、筋肉・骨格系によって生成され関節にかかる荷重に対処するのに適している。代替的に、装具構成要素３１００は高分子材料で形成され得る。１つのそのような適切な材料はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）である。ＰＥＥＫは、高引張強度を有し、かつ熱、水または生物学的分解に耐性のある半結晶熱可塑性プラスチックである。ＰＥＥＫは装具構成要素に要求される複雑な形状を形成するために成形され得る。ＰＥＥＫは軽量であり、接着によって骨に固定され得る。ＰＥＥＫ構成要素はハーメチックシールを形成するために共に溶接され得る。ＰＥＥＫは、それが通信のためまたはセンサ検出のために使用される信号に対して透過性を有するというさらなる利点を有する。
【０１７１】
構造３１０２は少なくとも１つの支持表面を含む。示されるように、構造３１０２支持表面３１１２および支持表面３１１４を含む。支持表面３１１２および支持表面３１１４はインサート３１１６を受け入れる。インサート３１１６は、関節の動きを支持する関節面３１１８および関節面３１２０を含む。関節面３１１８および関節面３１２０はそれぞれ支持表面３１１２および支持表面３１１４に重なる。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重は対応する力、圧力または荷重を支持表面３１１２および支持表面３１１４に加える。軽荷重領域が支持表面３１１２と支持表面３１１４との間にある。一実施形態においては、軽荷重領域内の構造３１０２内にハウジング３１２２が形成される。ハウジング３１２２は、装具構成要素３１００の測定活動を制御する電子回路３１１０を受容するためのキャビティを含む。
【０１７２】
構造３１０４は骨に結合する少なくとも１つの特徴部を含む。この例では、脛骨の近位端が構造３１０４を受け入れるように用意されている。幹状部３１２４が脛骨の髄管に挿入され得る。幹状部３１２４は構造３１０４を脛骨に揃え、かつ支持する。装具構成要素３１００を所定の位置に確実に固定するために構造３１０４は脛骨に接着され得る。代替的に、ＰＥＥＫを含む構造３１０４または金属構造は骨成長を支持する点を含み得る。構造３１０４は骨を固定し、骨成長ホルモンを提供する特徴部を含み得る。骨は装具構成要素内および周囲に成長し、構造３１０４を脛骨に融合する。固定のための骨成長の利用は、また、接着剤または他の結合剤とともに使用され得る。
【０１７３】
一実施形態においては、３つのセンサはセンサアレイを含む。各膝区画にはセンサアレイがある。各センサアレイは膝区画の荷重および荷重の位置を測定するために使用される。インサート３１１６の関節面３１１８は装具構成要素３１００の第１膝区画に対応する。同様に、インサート３１１６の関節面３１２０は装具構成要素３１００の第２膝区画に対応する。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重はそれぞれ構造３１０２の支持表面３１１２および支持表面３１１４に加えられる。支持表面３１１２および支持表面３１１４は力、圧力または荷重を対応するセンサアレイに伝達する。荷重パッド３１０８が関節面３１１８および関節面３１２０に対応する所定の位置にある。荷重パッド３１０８は測定のために所定の位置において下にあるセンサに力、圧力または荷重を伝達する。したがって、力、圧力または荷重の大きさおよび加えられた力、圧力または荷重の位置は、第１膝区画および第２膝区画内の３つのセンサによる測定値から計算され得る。荷重の位置は関節面３１１８および関節面３１２０上の所定位置に並進させて戻すことができる。センサは構造３１０４の支持表面３１２６および支持表面３１２８に重なる。支持表面３１２６および支持表面３１２８はそれぞれ第１膝区画および第２膝区画に対応する。一実施形態においては、支持表面３１２６および支持表面３１２８は荷重下において剛体である。
【０１７４】
荷重を測定するためのセンサは、超音波導波路、圧電抵抗センサ、ｍｅｍｓセンサ、ひずみゲージ、高分子センサ、機械的センサ、および容量センサなどのデバイスとされ得る。この例では、装具構成要素３１００の形態的要素がセンサの高さを制限する。受動装具構成要素（例えば、センサを有しない）においては、構造は単一デバイスとして形成される。支持表面の厚さは約２ミリメートルである。概して、支持表面３１２６および支持表面３１２８に結合された支持表面３１１２と支持表面３１１４の合計厚さはセンサがその間にある状態で２ミリメートル以下に維持され得る。したがって、センサは実質的に２ミリメートル未満の厚さの形態的要素を必要とする。一実施形態においては、センサは弾性的に圧縮可能な容量センサである。センサの面積は、測定される荷重範囲およびセンサが弾性のままである圧縮性範囲によって決定される。本明細書中で上に開示したように、測定精度、正確さおよび繰り返し性を可能にする、静電容量の小さな変化に敏感な測定技術が適用され得る。一実施形態においては、弾性的に圧縮可能なキャパシタがインターコネクト３１０６内に形成される。
【０１７５】
構造３１０２のハウジング３１２２によって形成されたキャビティ内に電子回路３１１０が取り付けられ得る。一実施形態においては、キャビティは装具構成要素３１００の無荷重または軽荷重領域内に形成される。ハウジング３１２２の無荷重または軽荷重領域が支持表面３１１２と支持表面３１１４との間にある。したがって、電子回路３１１０は関節の通常動作下において発生する衝撃力および荷重から保護される。インターコネクト３１０６およびその中にあるセンサは電子回路３１１０に結合している。インターコネクト３１０６はセンサを電子回路３１１０に結合するインターコネクトを含む。キャビティ３１３０は構造３１０４の表面上に形成される。キャビティ３１３０は構造３１０４の支持表面３１２６および支持表面３１２８から電子回路３１１０に結合するインターコネクト３１０６を支持する。キャビティ３１３０はハウジング３１２２内へのインターコネクト３１０６のための経路を提供する。
【０１７６】
概して、構造３１０２は装具構成要素３１００を形成するために構造３１０４に結合する。一実施形態においては、構造３１０２と構造３１０４はハーメチックシールを形成するために周囲において共に溶接されている。電子回路３１１０と、センサと、インターコネクト３１０６とは装具構成要素３１００内に収容され、外部環境から気密的に封止される。代替的に、構造３１０２と構造３１０４は気密性を維持するために接着することも共に機械的に固定することもできる。構造３１０２および構造３１０４は気体、液体または固体の侵入または侵出を防止するシールまたはＯリングをさらに含み得る。
【０１７７】
インターコネクト３１０６は構造３１０４の支持表面３１２６および表面３１２８にそれぞれ結合する。前述のように、荷重パッド３１０８は各センサを支持表面３１１２および支持表面３１１４上の対応する位置に結合する。この例では、荷重パッド３１０８は各膝区画内に、インサート３１１６の関節面３１１８および関節面３１２０に対応する領域を定める。関節面３１１８および関節面３１２０に加えられる力、圧力または荷重はそれぞれ構造３１０２の表面３１１２および表面３１１４に伝達される。表面３１１２および表面３１１４は弾性であり剛体ではないことに留意されたい。各表面は下にあるセンサが圧縮することを可能にする十分な伸展性を有する。一実施形態においては、表面３１１２および表面３１１４は伸展性を得るために薄くされるか薄く作製される。構造３１０２の表面３１１２または表面３１１４と、構造３１０４の表面３１２６または表面３１２８との合計厚さは約２ミリメートルとされ得る。弾性にするために構造３１０２の表面３１１２および表面３１１４は１ミリメートル未満の厚さとされ得る。代替的に、支持構造３１１２および支持構造３１１４は高分子材料などの弾性材料を含み得る。
【０１７８】
この例では、各センサに加えられる荷重が計算され得る。荷重の大きさは３つの個々の測定値の組み合わせに一致する。加えられた荷重の位置はセンサの固定位置において測定された荷重の大きさから計算され得る。電子回路３１１０は、入出力回路、タイミング回路、変換回路、論理回路、電力管理回路、伝送および受信回路の複数のチャンネルを含む。電子回路３１１０は、測定プロセスを動作または制御するためのソフトウェアプログラムを記憶するためのメモリをさらに含み得る。一実施形態においては、低消費電力ソリューションにおいてアナログ回路とデジタル回路を組み合わせるためにＡＳＩＣが使用される。ＡＳＩＣは電子回路３１１０の形態的要素を低減し、構造３１０２のハウジング３１２２内に取り付けることを可能にする。電子回路３１１０は本明細書中および参照によって組み込まれる開示に記載される回路を含み得る。電子回路３１１０は、伝送回路と、センサからリモートシステムにデータを伝送するためのアンテナとを含む。電子回路３１１０は、情報およびプログラミング命令をリモートシステムから受信するための受信回路をさらに含み得る。リモートシステムはデータを報告するためのディスプレイを備えた可搬式デバイスとされ得る。リモートシステムはさらなる調査および分析のためにデータをデータベースに伝送し得る。
【０１７９】
図３２は、一実施形態例による構造３１０２の断面図を示す。断面図は、第１膝区画と第２膝区画との間の軽荷重領域のものである。図は、電子回路３１１０の上にあるハウジング３１２２の一部を含む。ハウジング３１２２は電子回路を外部環境から保護および分離する。
【０１８０】
図３３は、一実施形態例による装具構成要素３１００およびインサート３１１６を示す。構造３１０２は構造３１０４に結合される。一実施形態においては、構造３１０２と構造３１０４とを結合するハーメチックシール３３０２が形成される。構造３１０２および構造３１０４は組み立てを支持する位置および位置合わせ特徴部を有し得る。構造３１０２および構造３１０４の周縁部は全周にわたり互いに近傍とされ得る。一実施形態においては、構造３１０２および構造３１０４は鋼の合金またはチタンの合金を含む。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２を構造３１０４に溶接することによって形成される。溶接部は装具構成要素３１００の周囲であり、センサおよび電子回路を外部環境から密封する。溶接は構造３１０２の金属材料を構造３１０４に結合し、連続構造を形成する。センサおよび電子回路３１１０は装具構成要素３１００内に完全に封入され外部環境から分離される。溶接部が形成され、それにより、圧力がセンサにほぼまたは全く加えられない。構造３１０２と構造３１０４の結合によるあらゆるずれはデバイス校正時に補償され得る。装具構成要素３１００は関節の状態に関する周期的データを提供するための長期インプラントとしての使用に好適である。構造がＰＥＥＫで形成されている場合は同様の手法が実施され得る。代替的に、構造３１０２と構造３１０４を共に結合しハーメチックシールを形成するために、接着剤、機械的結合およびシールを使用する他の手法が使用され得る。
【０１８１】
インサート３１１６は装具構成要素のトレーに嵌め込まれる。装具構成要素のトレー３１００はインサート３１１６を保持するための１つまたは複数の特徴部を有し得る。インサート３１１６は、通常、超高分子量ポリエチレンなどの高分子材料を含む。関節面３１１８および関節面３１２０は関節の別の装具構成要素（図示せず）と結合する。この例では、関節面３１１８および関節面３１２０は大腿骨装具構成要素の顆表面と結合し得る。筋、腱および靭帯が人工関節を動かし、それにより、関節面３１１８および関節面３１２０が構成要素の互いに対する動きを可能にする。インサート３１１６は受動部品とすることも１つまたは複数のセンサを含むこともできる。
【０１８２】
図３４は、一実施形態例によるインターコネクト３１０６に結合された電子回路３１１０を示す。電子回路３１１０は、インターコネクト３１０６に結合するための１つまたは複数のコネクタを含み得る。一実施形態においては、センサは弾性的に圧縮可能な容量センサである。キャパシタはインターコネクト３１０６の荷重パッド３１０８の下にある状態で形成される。図２１〜２５を簡潔に参照すると、センサ構造が記載されている。荷重パッド３１０８は非導電性材料または導電性材料を含み得る。この例では、荷重パッド３１０８は下にあるキャパシタに力、圧力または荷重を伝達するために剛性かつ非圧縮性である。非導電性荷重パッドは高分子材料を含み得る。一実施形態においては、荷重パッド３１０８はインターコネクト３１０６の表面上にめっきされた銅または銅合金などの導電性金属を含む。導電性荷重パッド３１０８はキャパシタの下にある極板に電気的に結合する。
【０１８３】
一実施形態においては、キャパシタは可撓性ポリイミド基板上または内に形成され得る。荷重パッド、キャパシタおよびインターコネクトは、リソグラフィ技術を使用して正確かつ繰り返し可能に形成され得る。ポリイミド基板は非常に薄く作製することができ、装具構成要素内における取り付けに好適である。キャパシタはそれが弾性的に圧縮可能な範囲内において動作される。荷重パッド３１０８の下にある各キャパシタは図２１のキャパシタ２１００に類似する。キャパシタ２１００は、機械的に直列の３つのキャパシタと電気的に並列の２つのキャパシタとを含む。力、圧力または荷重がキャパシタ２２０４、２２０６および２２０８全体に加えられる。一実施形態においては、キャパシタ２２０４の両極板は共同で結合されることからキャパシタ２２０４は電気的に回路にない。電気的に、センサキャパシタは並列で電気的に結合されたキャパシタ２２０６およびキャパシタ２２０８を含む。一実施形態においては、キャパシタ２２０６の極板およびキャパシタ２２０８の極板はアースに結合されている。接地された極板２１１２および極板２１１６はそれぞれインターコネクトの外部環境と極板２１０８および極板２１１０との間にある。同様に、キャパシタ２１００から電子回路へのインターコネクトは同様の配置を有する。接地されたインターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６は外部環境と、極板２１０８および極板２１１０に結合する信号搬送（ｓｉｇｎａｌ  ｃａｒｒｙｉｎｇ）インターコネクト２１２２との間にある。したがって、寄生結合がシールドによって最小になる。さらに、あらゆる寄生キャパシタンスは一定であり、可変ではない。
【０１８４】
容量の大きさおよび大きさの変化は図１８および図１９に開示される回路および方法を使用して正確に測定され得る。図３３および図３４を簡潔に参照すると、関節面３１１８および関節面３１２０に力、圧力または荷重が加えられる。力、圧力または荷重は関節面３１１８および関節面３１２０からそれぞれ支持表面３１１２および支持表面３１１４に伝達される。前述のように、力、圧力または荷重が荷重パッド３１０８を介して下にあるセンサに伝達されるように、支持表面３１１２および支持表面３１１４は弾性である。センサは剛性かつ非弾性の支持表面３１２６および支持表面３１２８によって支持される。センサキャパシタに加えられる力、圧力または荷重は構造を圧縮する。キャパシタ極板間の誘電層は圧縮される。センサキャパシタの静電容量値は誘電層の厚さに関連する。したがって、静電容量および静電容量の変化の測定はそれに加えられる力、圧力または荷重に関連し得る。
【０１８５】
センサキャパシタに反復信号が加えられる。概して、センサは特定時間周期内に所定の電圧レベル間において充電および放電される。反復信号の単一波形の時間周期は測定サイクルである。測定サイクルの時間周期はキャパシタの静電容量に対応する。波形または信号は既定回数反復される。測定シーケンスは既定回数の反復波形を含む。測定シーケンスの所要時間が測定される。所要時間は既定の数の波形を発生させるために必要な時間である。測定シーケンス中、力、圧力または荷重は維持される。センサキャパシタの測定された所要時間は力、圧力または荷重の測定値に相関される。静電容量と、力、圧力または荷重との間の関係は公知である。一実施形態においては、各容量センサは、装具構成要素の組み立て後、既知の力、圧力または荷重値を測定し得る。測定値は、装具構成要素内に収容された電子回路の一部であるメモリに記憶され得る。各キャパシタの最終試験中、測定値間の補間および誘電体の非線形圧縮を考慮に入れることができる校正技術またはアルゴリズムを使用することによってさらなる改良が実現され得る。増加された数の既定数の波形にわたり力、圧力または荷重が実質的に一定である場合、測定分解能はこの技法によって増加され得る。さらに、力、圧力または荷重測定範囲にわたり静電容量変化が比較的小さい場合、分解能は測定を支持する。
【０１８６】
図３５は、一実施形態例による組み立てられた装具構成要素３１００を示す。装具構成要素３１００は、構造３１０４に結合された構造３１０２を含む。装具構成要素３１００は電子回路およびセンサを収容する。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２を構造３１０４に結合する。一実施形態においては、ハーメチックシール３３０２は周囲において連続する溶接部である。言及したように、溶接部は支持表面の下にあるセンサに荷重または軽荷重をかけない。この例では、装具構成要素３１００は脛骨装具構成要素である。構造３１０２は、少なくとも１つの関節面を有するインサートを受容するためのトレーを含む。脛骨装具構成要素は１または２区画（ｄｕａｌ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）デバイスとされ得る。構造３１０４は骨に結合するための幹状部３１２４を含む。この例では、幹状部３１２４は脛骨に結合する。
【０１８７】
図３６は、一実施形態例による装具構成要素３１００の部分断面図を示す。断面図はハーメチックシール３３０２が構造３１０２と構造３１０４とを共に結合する周縁部近傍の領域である。この例では、センサ２１００が含まれる。センサ２１００はインターコネクト３１０６内に形成されている。荷重パッド３１０８がセンサ２１００上に形成されている。インターコネクト３１０６は、さらに、信号結合および寄生キャパシタンスを最小にするためのセンサの遮蔽を示す。
【０１８８】
この断面図は、荷重検出のための装具構成要素３１００のセンサ２１００の配置を示す。構造３１０４の支持表面３１２８はセンサ２１００を支持する。この例では、支持表面３１２８は剛体である。導電性領域２１１６はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。インターコネクト２１２６は導電性領域２１１６を電子回路３１１０に結合する。導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６は支持表面３１２８に結合される。この例では、導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６はアースに結合されている。導電性領域２１１６はセンサ２１００の導電性領域２１１０および導電性領域２１０８への信号または寄生結合を防止するためのシールドとしての機能を果たす。同様に、インターコネクト２１２６は信号または寄生結合を防止するためのインターコネクト２１２４のシールドとしての機能を果たす。一実施形態においては、支持表面３１２８は金属などの導電性材料を含む。したがって、構造３１０４は導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６を介してアースに結合される。構造３１０４は、容量センサへの信号または寄生結合を防止するためのシールドとしての機能を果たす。
【０１８９】
構造３１０２の支持表面３１１４は荷重パッド３１０８およびセンサ２１００によって支持される。荷重パッド３１０８は荷重をセンサ２１００に分配する。支持表面３１１４はその上にかけられる荷重に対して弾性がある。一実施形態においては、支持表面３１１４は曲げを可能にするために薄くされる。概して、支持表面３１１４は荷重範囲全体にわたり短い距離偏向する。センサ２１００は誘電体総厚さの約２０％弾性的に圧縮し得る。一実施形態においては、センサ２１００の圧縮は誘電体総厚さの１０％以下に限定される。例えば、本明細書中に開示されるキャパシタは一般的な装具構成要素の荷重センサの荷重範囲にわたり約０．００２５４ミリメートル圧縮することができる。一実施形態においては、３つの容量センサの直列スタック（ａ  ｓｔａｃｋ  ｔｈｒｅｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｉｎ  ｓｅｒｉｅｓ）、積層材料および絶縁材料は約０．００７６ミリメートルの最大荷重下総圧縮を生じる。したがって、支持表面３１１２または支持表面３１１４は全荷重範囲にわたり大幅には曲がらない。荷重パッド３１０８は支持表面３１１４上の既知の位置に結合する。既知の位置は、また、インサートの関節面上の点に関連する。センサのそれぞれの既知の位置は、測定された荷重の大きさを比較することによって荷重が関節面に結合される場所を決定するために使用される。１つのセンサが示されるが、インターコネクト３１０６内に形成された他のセンサも同様に構造３１０２および構造３１０４に結合される。ハーメチックシール３３０２は構造３１０２と構造３１０４とを共に結合する。ハーメチックシール３３０２は融解し、構造３１０２および構造３１０４の材料と結合する溶接部とされ得る。
【０１９０】
導電性領域２１１２はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。インターコネクト２１２４は導電性領域２１１２を電子回路３１１０に結合する。この例では、導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４はアースに結合されている。導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はインターコネクト３１０６内に形成されたキャパシタの極板である。センサ２１００の導電性領域２１０８および導電性領域２１１０はビア２１２０によって共同で結合される。インターコネクト２１２２は導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を電子回路に結合する。インターコネクト２１２２はキャパシタを測定するために電子回路からセンサ２１００に信号を運ぶ。導電性領域２１１２は導電性領域２１０８から誘電層２１０４によって分離される。同様に、導電性領域２１１６は導電性領域２１１０から誘電層２１０６によって分離される。導電性領域２１０８と導電性領域２１１０とは誘電層２１０２によって分離されるが、前述のように、共同で結合される。一実施形態においては、誘電層２１０２、２１０４、および２１０６はポリイミドを含む。二酸化ケイ素、窒化ケイ素、マイラおよび他の高分子などの他の誘電体が使用され得る。インターコネクト３１０６およびセンサ２１００は基板への堆積、めっきおよびリソグラフィ技術によって形成され得る。
【０１９１】
センサ２１００のキャパシタは機械的に直列の３つのキャパシタを含む。支持表面３１１４に加えられる力、圧力または荷重が３つのキャパシタを圧縮する。第１のキャパシタは、導電性領域２１１２と、誘電層２１０４と、導電性領域２１０８とを含む。第２のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０２と、導電性領域２１１０とを含む。第３のキャパシタは、導電性領域２１０８と、誘電層２１０６と、導電性領域２１１６とを含む。電気的に、センサ２１００のキャパシタは、並列で結合された第１のキャパシタおよび第３のキャパシタを含む。第１のキャパシタおよび第３のキャパシタは、共同で結合された導電性領域２１０８および導電性領域２１１０を有する。同様に、第１のキャパシタおよび第３のキャパシタの導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はアースに結合されている。導電性領域２１１２および導電性領域２１１６はそれぞれ導電性領域２１０８および導電性領域２１１０をインターコネクト３１０６の外部への結合および寄生キャパシタンスから遮蔽する。同様に、インターコネクト２１２４およびインターコネクト２１２６はインターコネクト２１２２をインターコネクト３１０６の外部への信号結合および寄生キャパシタンスから遮蔽する。
【０１９２】
構造３１０２および構造３１０４は導電性材料を含み得る。例えば、チタン、コバルト、および鋼合金は、装具構成要素３１００を製造するために使用される導電性材料である。インターコネクト３１０６を支持表面３１２８上に配置すると導電性領域２１１６およびインターコネクト２１２６が構造３１０４に結合する。導電性領域２１１６および支持表面３１２８はアースに共同で結合される。同様に、荷重パッド３１０８は導電性材料を含み得る。一実施形態においては、銅または銅合金などの材料がインターコネクト３１０６の表面に堆積またはめっきされ得る。荷重パッド３１０８が導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４に結合される。支持表面３１１４が荷重パッド３１０８によって導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４に結合される。前述のように、導電性領域２１１２およびインターコネクト２１２４はアースに結合されている。したがって、構造３１０２および構造３１０４はアースに結合されている。代替的に、構造３１０２および構造３１０４はセンサ２１００以外の代替経路によりアースに結合され得る。一実施形態においては、電子回路およびセンサ２１００は装具構成要素３１００内に収容される。構造３１０２および構造３１０４は電子回路３１１０およびセンサ２１００を外部環境における寄生結合および寄生キャパシタンスから分離するシールドを形成する。この設計は、インターコネクト３１０６の外部への寄生結合および寄生キャパシタンスを防止または最小化する、キャパシタに組み込まれた内部シールドをさらに組み込む。この例では容量センサが使用されるが、装具構成要素３１００内の荷重センサは、ひずみゲージ、ｍｅｍｓデバイス、圧電抵抗センサ、機械的センサ、高分子センサ、および超音波センサの１つを含み得る。
【０１９３】
図３７は、一実施形態例による構造３１０２を示す。患者の関節領域に実装された際の装具構成要素３１００の構造３１０２は、関節の外部に露出を有する少なくとも１つの領域を含む。図は、透過領域３７０２を含む、構造３１０２のハウジング３１２２を示す。一実施形態においては、透過領域３７０２は、ガラス、ＰＥＥＫ、プラスチックまたはポリマーを含む。透過領域３７０２は、鋼合金、チタン、コバルト、合金または金属を含むハウジング３１２２の壁の開口部に埋め込むことができる。一実施形態においては、ハウジング３１２２は電子回路を収容する。代替的に、構造３１０２の一部または全てがスペクトルのいくつかに対して透過性のあるＰＥＥＫなどのポリマーを含み得る。一実施形態においては、透過領域３７０２はセンサ信号および通信信号に対して透過性がある。例えば、構造３１０２が導電性材料を含み、導電性材料が接地されている場合、信号は遮断され得る。装具構成要素３１００はデバイス内に収容された電子回路およびセンサのシールドとして動作し得る。透過領域３７０２は、音響、超音波、無線周波数、赤外線および光などの信号に対して透過性を有し得る。透過領域３７０２は関節領域の周囲および近傍の領域に対して露出を有する。一実施形態においては、関節内および周囲にある滑液を監視するために窓３７０２が使用され得る。
【０１９４】
センサは、また、透過領域３７０２にまたはその近傍に配置され得る。センサは電子回路３１１０と共に搭載され得る。電子回路３１１０は、インターコネクトおよびコネクタを有する１つまたは複数のプリント回線基板を含み得る。集積回路、ＡＳＩＣデバイス、電源、通信回路、デジタル論理回路、変換器、電力管理および他のシステムは小型の形態的要素内に共に結合され得る。一実施形態においては、ＡＳＩＣは、形態的要素を最小化するためおよび電力消費を低下させるための特徴の多くを併せ持つ。センサおよび通信回路は透過領域３１２２の近傍の電子回路３１１０上に配置され、信号の伝送および受信を可能にする。情報をリモートシステムに送信および受信するための指向性アンテナが透過領域３７０２の近傍に配置され得る。
【０１９５】
概して、センサは関節領域の近傍の滑液を監視するために使用され得る。滑液は筋肉・骨格関節内に見られる天然潤滑剤である。滑液は、肘、膝、肩部、股関節部およびその他などの関節内に見られる。滑液は、ムチン、アルブミン、脂肪、上皮および白血球を含む。潤滑剤は、また、無血管の関節軟骨に栄養を与える。滑液は関節の衝撃を緩衝し、可動域にわたり骨と軟骨が互いに接触する際の摩擦を低減する。滑液は、また、酸素および他の栄養素を軟骨および関節の他の領域に運ぶことができる。同様に、滑液は関節領域から老廃物を除去するための輸送部（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）としての機能を果たす。滑液は関節内および周囲にとどまる。滑液は潤滑剤を所定の位置に保持する滑膜によって保持され得る。
【０１９６】
関節の健康と滑液の状態との間には強い相関がある。温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースおよびタンパク質を測定するセンサが滑液を分析するために使用され得る。センサは関節の健康を判断するために個々にまたは互いに組み合わせて使用され得る。装具構成要素３１００は、関節を監視するためのセンサの１つまたは複数を含む。この例では、関節は感染について監視される。新規に埋め込まれた関節における感染は重大な問題である。関節インプラントを装着した患者が自身に感染があるかどうかを判断することはしばしば困難である。手術自体および関節リハビリテーションが感染の早期徴候を隠す可能性がある。人工関節は低減なく感染が増殖するには理想的な場所である。人工関節内には、隔離されてはいるが、細菌を宿し、成長を促進し得る栄養素を有する領域がある。感染は、重大な健康リスク、抗生物質治療、リハビリテーションの増加、長期入院およびかなりのコストにつながる可能性がある。感染が深刻な場合、人工関節の除去を要する場合がある。患者は感染が沈静化し、その後、新しい人工関節が埋め込まれるまで固定される。そのような状況下における患者の心的外傷は甚大となり得る。人工関節３１００は関節局所の感染を検出し、医師または医療提供者に通知するか、適時適切な処置をとることができる。
【０１９７】
一実施形態においては、温度が監視され得る。温度センサ３７０４が透過領域３７０２の近傍に取り付けられ得る。温度センサ３７０４は温度データを受信するために電子回路３１１０に結合される。一実施形態においては、電子回路３１１０はセンサに結合するための複数の入出力チャンネルを有する。温度センサ３７０４は関節の温度を監視する。一実施形態においては、温度センサ３７０４は滑液の温度を測定する。滑液の測定が定期的に行われ得る。
【０１９８】
健康な膝と感染した膝との間における温度差が検出され得る。この例では、温度センサ３７０４は滑液の常温に校正される。常温は患者の容態によって変化するため校正は定期的に行われ得る。絶対温度および温度の変化が監視される。標準からの温度の変化は感染の表示となり得る。この例では、温度センサは、ＭＥＭＳセンサ、熱電対、サーミスタまたは他の温度測定器とされ得る。
【０１９９】
一実施形態においては、ｐＨが監視され得る。ｐＨセンサ３７０６が透過領域３７０２の近傍に取り付けられ得ると共に、ｐＨデータを受信するために電子回路３１１０に結合され得る。温度と同様、ｐＨセンサ３７０６は、まず、標準ｐＨに校正され得ると共に、定期的に再校正され得る。標準よりも低いｐＨは感染の存在を示し得る。細菌の増加を検出するために経時的な絶対ｐＨおよびｐＨ差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｐＨ）の測定値が使用され得る。概して、健康な膝は約７．２３のｐＨを有する。感染した膝は約７．０６のｐＨを有する。デバイスは個々の患者の特性に合わせて校正され得る。ｐＨセンサは、ＭＥＭＳｐＨセンサ、埋め込み型ｐＨ超小型センサ、静電ｐＨセンサまたは他のｐＨ測定器とされ得る。
【０２００】
一実施形態においては、濁度および色が監視され得る。濁度は流体内の微粒子の懸濁による混濁または霞み（ｈａｚｅ）の測度である。例えば、滑液は感染が増殖するにつれて濁る。細菌、細菌の老廃物および白血球は滑液中に懸濁し得る微粒子のうちのほんのわずかにすぎない。増加する細菌増殖により感染が悪化するにつれて濁度は増加する。同様に、感染が増加するにつれて滑液の色は変化する。例えば、健康な滑液は比較的透明な液体である。健康から非炎症性、非炎症性から炎症性、および炎症性から敗血症性に関節の状態が変化するにつれて滑液は色を変化する。非炎症性滑液は黄色がかった透明の液体であり、骨関節症などの関節関連の問題を示す。滑液は粘性であり、その潤滑および制動特性を保持する。炎症性滑液は黄色がかった色である。炎症性滑液は霞んでおり透明ではない。それは、また、その粘性特性の一部を失い水様の稠度（ｗａｔｅｒｙ  ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を有する。炎症性滑液は、リウマチ様関節炎または感染などの問題を示し得る。敗血症性滑液は色が暗い黄色から赤色となり得る。さらに、敗血症性滑液は不透明である。この滑液は、多数の細菌、菌類、白血球および赤血球を含み得る。色、濁度の測定、または双方の組み合わせが、関節の健康を判断するために使用され得る。
【０２０１】
この例では、色および濁度を測定するためにＬＥＤ３７０８（発光ダイオード）およびフォトダイオードアレイ３７１０などの光センサが使用され得る。一実施形態においては、ＬＥＤ３７０８およびフォトダイオードアレイ３７１０は透過領域３７０２の背後に配置される。ＬＥＤ３７０８およびフォトダイオードアレイ３７１０は装具構成要素３１００内に収容され、電子回路３１１０に結合することも電子回路３１１０の一部とすることもできる。前述のように、透過領域３７０２は光に対して透過性を有するガラスとされ得る。ＬＥＤ３７０８は白色光を直接フォトダイオードに伝送することができる。フォトダイオードはフォトダイオードアレイ３７１０の一部または別個のデバイスとされ得る。フォトダイオードはＬＥＤ３７０８の校正のため、およびデバイスによる光または強度出力の変化を検出するために使用され得る。ＬＥＤ３７０８は、また、滑液のサンプルを照らす。示されるように、ＬＥＤ３７０８によって放出された光は透過領域３７０２を通じて装具構成要素３１００の近傍の滑液に伝送される。一実施形態においては、３つのフォトダイオードがそれぞれ、滑液中に伝送される光を検出する赤色、緑色および青色光学フィルタを有する。各フォトダイオードは赤色、緑色および青色の相対的寄与を測定する。この寄与は、校正フォトダイオードによる測定値に対応する校正値と比率測定的に（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）比較され得る。校正値は白色光の赤色、緑色および青色成分の和に対応する。光を送信および受信するために２つ以上の透過領域が使用され得る。また、光を滑液内に案内するため、およびＬＥＤ３７０８からの直接光がフォトダイオードアレイ３７１０上に放射することを防止するために１つまたは複数のバリアまたは透過領域が使用され得る。
【０２０２】
測定の式は以下の通りとされ得る。
ａ）ｒ＝赤色、ｇ＝緑色、ｂ＝青色、ｃ＝校正
ｂ）色＝［ｒ，ｇ，ｂ］／（ｒ＋ｇ＋ｂ）
ｃ）濁度＝（ｒ＋ｇ＋ｂ）／３ｃ
【０２０３】
フォトダイオードアレイ３７１０によって測定された色は既知の感染色データと比較され得る。同様に、フォトダイオードアレイ３７１０による濁度測定値は既知の濁度色データと比較され得る。色および濁度測定値の両方は装具構成要素３１００によって得ることができる。両測定値を組み合わせて使用することで、予後のさらなる改善を可能にするデータを提供することができ、それによって、より良好な評価および治療手法を提供する。さらに、定期的な測定値を取り、色および濁度測定値を比較すると、変化率を得ることができる。変化率は感染が増加しているか減少しているかを判断するために使用され得る。経時的な測定値の比較は感染治療が成功したかどうかを判断するために使用され得る。装具構成要素内にセンサを配置することは感染の防止においてかなりの利点がある。統計的に、ほとんどの感染は関節の埋め込み後間もなくまたは手術後最初の数か月以内に発生する。感染は、手術創が治癒し、関節のリハビリテーションが行われた後には発生する可能性が低下する。手術によるおよびリハビリテーション中の疼痛もまた感染症状を隠す可能性がある。感染が発生した場合、それは関節の近傍における局所感染として開始する。第１の利点は、装具構成要素３１００は感染が体中に広がる前に関節局所の感染を特定することができることである。第２の利点は、感染の治療を関節局所の領域とすることができることである。第３の利点は、装具構成要素３１００が関節の近傍に放出され得る抗生物質も含み得ることである。第４の利点は、装具構成要素３１００がリモートシステムおよびデータベースと通信することができることである。リモートシステムは医師の診察を受けるように患者に通知を提供することができる。リモートシステムは、また、分析および治療のためのデータを医師に提供することができる。
【０２０４】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液の特性が定期的に測定される。特性は感染または他の問題の存在を判断するために使用され得る。測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第３のステップでは、測定値が比較される。一実施形態においては、変化が発生したかどうかを判断するために測定値が互いに比較される。さらに、経時的に実施した複数の測定は傾向を示し得る。別の実施形態においては、測定された特性は感染または同定される他の問題に関連する既知または所定の値と比較され得る。
【０２０５】
第４のステップでは、滑液の色が測定される。第５のステップでは、滑液の色は既知の色範囲に対して比較される。第６のステップでは、感染が存在するかどうかが決定され得る。一実施形態においては、比較により既知の滑液色に類似する色が得られる。例えば、透明な滑液は正常である。透明な黄色の滑液は炎症および他の問題を示し得る。霞んだ黄色の滑液は細菌または他の問題の存在を示し得る。赤色の色調を有する滑液は敗血症および滑液中の血液を示し得る。
【０２０６】
第７のステップでは、赤色、緑色および青色の相対的寄与が測定される。第８のステップでは、各色の寄与が相対的寄与の和と比率測定的に比較される。滑液の色は赤色、緑色および青色の寄与を評価することによって決定され得る。第９のステップでは、色の変化率が決定される。色の変化率は感染の状態を判断するために使用され得る。例えば、感染が検出されると、変化率は感染の減少または増加に対応する。それは、また、治療の有効性を判断するために使用され得る。治療後、変化率は感染の減少を示すべきである。
【０２０７】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液の濁度が定期的に測定される。濁度は感染または他の問題の存在を判断するために使用され得る。他の測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第３のステップでは、濁度測定値は、既知の濁度測定値または既定の濁度範囲と比較される。一実施形態においては、定期的な測定値の比較により変化が発生したかどうかを判断する。さらに、経時的に得られた複数の濁度測定値は傾向を示し得る。別の実施形態においては、測定された特性は、感染または解決される他の問題に関連する既知または既定の濁度値と比較され得る。第４のステップでは、感染が存在するかどうかが決定され得る。濁度は物質の混濁または霞み（ｈａｚｉｎｅｓｓ）の測度である。例えば、健康な滑液は透明である。逆に、感染した滑液は細菌の存在により霞んでいるか混濁している。さらに、感染の重症度は滑液中の微粒子の数に関連し得る。微粒子の数が多いほど感染が悪化している可能性がある。
【０２０８】
第５のステップでは、濁度が前の濁度測定値と比較される。第６のステップでは、濁度の変化率が決定される。概して、健康な滑液は透明であるため、濁度が増加していれば感染または問題は悪化している。代替的に、治療が提供されており、濁度が経時的に減少していれば患者の健康は改善している。第７のステップでは、データはリモートシステムに無線で伝送される。一実施形態においては、限定された伝送範囲ゆえにリモートシステムは装具構成要素の近傍にある。リモートシステムはプロセッサおよび画像プロセッサを含み得る。第８のステップでは、装具構成要素の透過領域を通じて光が受信される。装具構成要素の近傍の滑液に光が伝送される。光は滑液を照らし、フォトダイオードアレイによって検出される。フォトダイオードアレイの各ダイオードは装具構成要素の透過領域を通過する入射光を濾光するためのフィルタを有し得る。
【０２０９】
図３８は、一実施形態例による装具構成要素３１００およびリモートシステム３８０２を示す。リモートシステム３８０２は、機器、ツール、コンピュータ、ノートパッド、携帯電話、スマートフォンまたは医療機器とされ得る。装具構成要素３１００から伝送されるデータはリモートシステム３８０２によって受信される。同様に、リモートシステム３８０２は、手術およびセンサ測定を補助する情報を装具構成要素３１００に送信し得る。リモートシステム３８０２は、論理回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサを含み得る。この例では、リモートシステム３８０２はディスプレイを備えたラップトップコンピュータである。リモートシステム３８０２は、装具構成要素３１００からの定量的測定データを分析するための、および評価のための情報を表示するためのソフトウェアを含み得る。リモートシステム３８０２は、装具構成要素３１００の電子回路３１１０に結合するために伝送回路、受信回路またはその両方を含む。同様に、電子回路３１１０は伝送回路、受信回路またはその両方を含む。この例では、電子回路は伝送および受信回路を有するＡＳＩＣを含む。一実施形態においては、伝送および受信回路は透過領域３７０２を通じて伝送する。代替的に、アンテナ配置をサポートするために他の透過領域が装具構成要素３１００に追加され得る。また、装具構成要素３１００は、信号の伝送および受信を可能にするＰＥＥＫなどのポリマーから作製され得る。一実施形態においては、リモートシステム３８０２のデータの伝送は短距離である。伝送距離は、通常、１０メートル未満である。取り付けられた装具構成要素では、組織内においてＲＦ伝送が実施される。短い伝送距離は権限のないデータの受信を低減する。一実施形態においては、データ伝送はセキュリティのため暗号化される。データはリモートシステム３８０２によって解読され得る。
【０２１０】
この例では、ハウジング３１２２は電子回路３１１０および窓３７０２を含む。窓３７０２は、音響、超音波、無線周波数、赤外線および光などの信号に対して透過性を有し得る。窓３７０２は、装具構成要素の鋼、チタン、コバルト、合金または金属に接着されたガラスを含み得る。代替的に、構造３１０２の一部または全ては、スペクトルのいくつかに対して透過性を有するＰＥＥＫなどのプラスチックまたはポリマーを含み得る。窓３７０２は人工関節の他の構成要素によって遮断されず、関節領域の周囲および近傍の領域に対して露出を有する。一実施形態においては、窓３７０２は人工関節の近傍の領域を監視するために使用され得る。同様に、センサは構造３１０２または構造３１０４に固定され得ると共に、この領域にさらされ得る。窓３７０２は、滑液の健康に関連する１つまたは複数のパラメータを測定するために使用され得る。この例では、光センサは色および濁度を測定するために使用される。電子回路３１１０はセンサのそれぞれに結合される。一実施形態においては、チャンネルが各センサに割り当てられる。チャンネルは直列または並列で動作され得る。電子回路３１１０の論理回路が測定値をいつ得るかを制御する。測定データは伝送されるまで電子回路３１１０のメモリに記憶され得る。測定データはデジタルフォーマットに変換され得る。定量的パラメータ測定値は健康問題を判断するために個々にまたは組み合わせて使用され得る。
【０２１１】
装具構成要素３１００を使用して長期的に関節を監視する方法が開示される。方法は、示されるステップよりも多いまたは少ないステップによって実施することができ、示されるステップの順序に限定されない。方法は例示の脛骨装具構成要素例に限定されず、股関節部、肩部、足首、肘、脊椎、手、足、および骨に使用され得る。第１のステップでは、電子回路および１つまたは複数のセンサが装具構成要素内に収容される。第２のステップでは、装具構成要素の近傍の滑液が監視される。第３のステップでは、滑液の特性が測定される。測定される特性の例は、温度、ｐＨ、色、濁度、粘度、グルコースレベルおよびタンパク質である。第４のステップでは、データがリモートシステムに送信される。データは装具構成要素からリモートシステムに無線で伝送され得る。リモートシステムは、デジタル論理回路、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、画像プロセッサ、通信回路またはアナログ回路を含み得る。一実施形態においては、信号およびそれが移動する媒体の電力制約により伝送は１０メートル未満とされ得る。例えば、伝送は装具構成要素と外部環境との間の複数層の組織を通過して送信されなければならない。
【０２１２】
第４のステップでは、装具構成要素によって送信されたデータは分析され得る。データはリモートシステムによって分析され得る。データは、また、他の機器、デバイス、コンピュータまたはデータベースに送信され得る。データは関節または装具システムの研究に関連する臨床データベースを作成するために他の情報またはデータと組み合わせることができる。第５のステップでは、レポートが発生される。レポートは装具構成要素内のセンサによって提供される定量的データに基づく。第６のステップでは、レポートは少なくとも１つの実体に送信される。概して、レポートは、装具構成要素内のセンサによって発生した定量的データを使用する。この例では、センサデータは関節の近傍の滑液の分析とされ得る。レポートは処置を取ることにつながり得る。例えば、感染または関節炎などの状態の検出は治療につながり得る。センサは治療の経過を監視するために使用され得る。第７のステップでは、滑液の温度が測定され得る。第８のステップでは、滑液のｐＨが測定され得る。第９のステップでは、滑液の色または濁度が測定され得る。レポートは患者のセンサデータまたは医師、外科医もしくは病院などの医療提供者に送信される測定されたパラメータ、傾向、およびデータの分析の全ての詳細な一覧のステータス更新と同じくらい簡単とされ得る。実体は情報を使用する権利を有する者または人と広く解釈され得る。レポートは情報の守秘権を維持するために暗号化され得る。同様に、センサデータは、また、荷重および荷重の位置データを含み得る。このセンサデータは、関節に関する運動学の問題および患者がどのように装具に適応しているかに対処するために使用され得る。
【０２１３】
図３９は、一実施形態例による電子回路３１１０および構造３１０４の図である。構造３１０４は本明細書中に開示される装具構成要素３１００の構成要素である。構造３１０４は電子回路３１１０を収容するためのキャビティ３９０２を含み得る。電子回路３１１０はキャビティ３９０２内に垂直に配置される。キャビティ３９０２は構造３１０４の幹状部３１２４内に延在する。概して、電子回路は構造３１０２、構造３１０４内、またはその両方に収容され得る。
【０２１４】
図４０は、一実施形態例による電子回路３１１０および構造３１０４の図である。構造３１０４は、電子回路３１１０を収容するためのキャビティ４００２を含み得る。電子回路３１１０はキャビティ４００２内に水平に配置されている。キャビティ４００２は、装具構成要素３１００の軽荷重領域内の、インターコネクト３１０６間の中央に配置されている。温度、ｐＨ、光、グルコースおよびその他などのセンサをハウジング３１２２内に搭載することができ、かつ電子回路３１１０に結合することができる。キャビティ４００２がハウジング３１２２の下にあり、装具構成要素３１００の近傍を測定するためのセンサを収容するための室を提供する。インターコネクト３１０６が支持表面３１２６および支持表面３１２８の上にある。各インターコネクト３１０６はセンサアレイを含み、膝の区画に対応する。力、圧力または荷重を測定するためのセンサがインターコネクト３１０６の荷重パッド３１０８の下にある。電子回路３１１０は関節の位置情報を提供するための加速度計を含み得る。
【０２１５】
図４１は、システム４１００の形態のマシンの例示的概略図を示す。システム４１００内において、命令一式が実行されると、マシンが上述の手法の任意の１つまたは複数を実行してもよい。いくつかの実施形態では、マシンはスタンドアローンデバイスとして動作する。いくつかの実施形態では、マシンは（例えばネットワークを使用して）他の機械と連結されてもよい。ネットワーク化された配置において、マシンは、サーバクライアントユーザネットワーク環境内のサーバもしくはクライアントユーザマシンの性能内で、またはピアトゥピア（または分散）ネットワーク環境内のピアマシンとして動作してもよい。
【０２１６】
マシンは、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、論理回路、センサシステム、ＡＳＩＣ、集積回路、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、またはそのマシンがとるべき動作を指定する（シーケンシャルまたはその他）命令一式を実行することが可能な任意のマシンを含んでも良い。本開示のデバイスが音声、ビデオまたはデータ通信を提供するあらゆる電子デバイスを広く含むことは理解されよう。さらに、１つのマシンが示されているが、用語「マシン」は、また、本明細書中に記載される手法の任意の１つまたは複数を実行するために一式（または複数式）の命令を個々にまたは共に実行するマシンの任意の集合を含むものと解釈される。
【０２１７】
システム４１００は、バス４１０８を介して互いに通信する、プロセッサ４１０２（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、画像処理装置（ＧＰＵ、または両方）、メインメモリ４１０４およびスタティックメモリ４１０６を含んでもよい。システム４１００は、ビデオディスプレイ装置４１１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フラットパネル、固体ディスプレイまたはブラウン管（ＣＲＴ））をさらに含んでもよい。システム４１００は、入力デバイス４１１２（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス４１１４（例えば、マウス）、ディスクドライブユニット４１１６、信号発生デバイス４１１８（例えば、スピーカまたはリモートコントローラ）およびネットワークインターフェースデバイス４１２０を含んでもよい。
【０２１８】
ディスクドライブユニット４１１６はフラッシュメモリなどの他の種類のメモリとすることができ、かつ機械可読媒体４１２２を含んでもよい。機械可読媒体４１２２には、上に説明した方法を含む、本明細書中に記載される手法または機能の任意の１つまたは複数を具現化した１つまたは複数セットの命令（例えば、ソフトウェア４１２４）が格納されている。命令４１２４は、また、システム４１００によるその実行中、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ４１０４内、スタティックメモリ４１０６内および／またはプロセッサ４１０２内に存在してもよい。メインメモリ４１０４およびプロセッサ４１０２は、また、機械可読媒体を含んでもよい。
【０２１９】
特定用途用集積回路、プログラマブル論理アレイおよび他のハードウェアデバイスを含むが、それらに限定されない専用ハードウェア実装は、同様に、本明細書中に記載される方法を実行するように構成することができる。種々の実施形態の装置およびシステムを含んでもよい適用例には、種々の電子およびコンピュータシステムを広く含む。いくつかの実施形態は、モジュール間および内において通信される関連の制御およびデータ信号を有する２つ以上の特定の相互連結したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて、または特定用途用集積回路の一部として機能を実施する。したがって、例示のシステムはソフトウェア、ファームウェアおよびハードウェア実装に適用可能である。
【０２２０】
本開示の種々の実施形態によれば、本明細書中に記載される方法は、コンピュータプロセッサ上で動作するソフトウェアプログラムとしての動作を意図したものである。さらに、分散処理またはコンポーネント／オブジェクト分散処理、並列処理または仮想マシン処理を含み得るが、それらに限定されないソフトウェア実装もまた本明細書中に記載される方法を実施するように構成することができる。
【０２２１】
本開示は、命令４１２４を含む機械可読媒体、またはネットワーク環境４１２６に結合されたデバイスが、音声、ビデオまたはデータを送信または受信することができ、かつ命令４１２４を使用してネットワーク４１２６上で通信することができるように伝播された信号からの命令４１２４を受信および実行する機械可読媒体を企図する。命令４１２４は、さらに、ネットワークインターフェースデバイス４１２０を介してネットワーク４１２６上で伝送されても受信されてもよい。
【０２２２】
実施形態例においては、機械可読媒体４１２２は単一媒体で示されるが、用語「機械可読媒体」は、１つまたは複数セットの命令を格納する単一媒体または複数媒体（例えば、集中または分散データベースおよび／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むものと解釈すべきである。用語「機械可読媒体」は、マシンにより実行するための、および本開示の手法の任意の１つまたは複数をマシンに実行させる命令一式を格納する、コード化するまたは運ぶことが可能な任意の媒体を含むものと解釈されるものとする。
【０２２３】
用語「機械可読媒体」は、したがって、メモリカードなどの固体メモリまたは１つまたは複数の読み出し専用（不揮発性）メモリ、ランダムアクセスメモリまたは他の書き換え可能（揮発性）メモリを収容する他のパッケージ、ディスクまたはテープなどの光磁気または光媒体、および伝送媒体内のコンピュータ命令を具現化した信号などの搬送波信号、および／または有形記憶媒体と同等の配布媒体（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍ）とみなされる電子メールのデジタルファイル添付または他の自己内蔵型情報アーカイブまたはアーカイブ一式を含むが、それらに限定されないものと解釈されるものとする。したがって、本開示は、本明細書中に記載され、本明細書中のソフトウェア実装が格納される当業者に周知の均等物および後継媒体を含む機械可読媒体または配布媒体の任意の１つまたは複数を含むものとみなされる。
【０２２４】
本明細書は、特定の標準およびプロトコルに関連する実施形態において実施されるコンポーネントおよび機能を記載するが、本開示は、そのような標準およびプロトコルに限定されるものではない。インターネットおよび他のパケット交換式ネットワーク伝送（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ）の各標準は従来技術の例を示す。そのような標準は実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物によって定期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替標準およびプロトコルは均等物とみなされる。
【０２２５】
図４２は、例示的な実施形態による測定および報告用の通信ネットワーク４２００の図である。簡潔には、通信ネットワーク４２００は他のデバイスまたはサービスとの広域データ接続性を拡張する。示されるように、測定および報告システム４２５５は通信ネットワーク４２００および任意の関連システムまたはサービスに通信的に結合され得る。
【０２２６】
一例として、測定システム４２５５は、例えば、手術状況または結果を分析または報告するために、その対象のパラメータ（例えば、角度、荷重、平衡性、距離、配列、変位、動き、回転および加速）を遠隔のサービスまたはプロバイダと共用することができる。このデータは、例えば、経過の監視のためサービスプロバイダと、または外科的監視目的または有効性の研究のため計画管理者（ｐｌａｎ  ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｏｒｓ）と共用され得る。通信ネットワーク４２００は、さらに、医療情報技術手法（ｈｅａｌｔｈ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｐｒａｃｔｉｃｅｓ）を実施するために電子医療記録（ＥＭＲ）システムと連結させることができる。他の実施形態においては、通信ネットワーク４２００は、ＨＩＳ病院情報システム、ＨＩＴ病院情報技術システムおよびＨＩＭ病院情報管理システム、ＥＨＲ電子健康記録システム、ＣＰＯＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｉａｎ  Ｏｒｄｅｒ  Ｅｎｔｒｙ）コンピュータ化医師向けオーダエントリシステムおよびＣＤＳＳコンピュータ化意思決定支援システムに通信的に結合され得る。これにより、様々な情報通信技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが通信する機能、データを正確に、効果的におよび一貫して交換する機能、および交換されたデータを使用する機能を提供する。
【０２２７】
通信ネットワーク４２００は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）４２０１、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）４２０５、セルラーネットワーク４２１４および／または他の無線周波数（ＲＦ）システム（図４を参照）上における有線または無線接続性を提供することができる。ＬＡＮ４２０１およびＷＬＡＮ４２０５は、例えば、電話局を通じてインターネット４２２０に通信的に結合され得る。電話局は、電気通信サービスを配信するための共通のネットワーク交換機を収容することができる。電気通信サービスは、旧来のＰＯＴＳ（基本電話サービス：Ｐｌａｉｎ  Ｏｌｄ  Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）およびケーブル、ＨＤＴＶ、ＤＳＬ、ＶｏＩＰ（ボイスオーバーインターネットプロトコル）、ＩＰＴＶ（インターネットプロトコルテレビジョン）、インターネットサービス等のような広帯域サービスを含み得る。
【０２２８】
通信ネットワーク４２００は、一般的なコンピューティングおよび通信技術を利用して回線交換式および／またはパケット交換式通信をサポートすることができる。インターネット４２２０および他のパケット交換式ネットワーク伝送（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ、ＲＴＰ、ＭＭＳ、ＳＭＳ）の各標準は従来技術の例を示す。そのような標準は実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物によって定期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替標準およびプロトコルは均等物とみなされる。
【０２２９】
セルラーネットワーク４２１４は、ＧＳＭ（登録商標）−ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＷｉＭＡＸ、２Ｇ、３Ｇ、ＷＡＰ、ソフトウェア無線（ＳＤＲ）および他の公知の技術などの多くのアクセス技術における音声およびデータサービスをサポートすることができる。セルラーネットワーク４２１４は、携帯機器４２０２との通信のためにベース受信機４２１０と周波数再使用プラン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒｅｕｓｅ  ｐｌａｎ）下で結合され得る。
【０２３０】
ベース受信機４２１０は、さらには、携帯機器４２０２をパケット交換リンクによってインターネット４２２０に結合することができる。インターネット４２２０は、測定システム４２５５から携帯機器４２０２にデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービス層をサポートすることができる。携帯機器４２０２は、また、無線通信チャンネルを使用してインターネット４２２０を通じ他の通信デバイスに結合することができる。
【０２３１】
携帯機器４２０２は、また、ＷＬＡＮ４２０５によってインターネット４２２０に結合することができる。無線ローカルアクセスネットワーク（ＷＬＡＮ）は、局所的な地理的区域内における無線アクセスを提供する。ＷＬＡＮは、通常、基地局としても公知のアクセスポイント（ＡＰ）４２０４の群を含む。測定システム４２５５は、基地局区域内のノート型パソコン４２０３などの他のＷＬＡＮステーションと通信することができる。典型的なＷＬＡＮ実装では、物理層は８０２．１１ｂまたは８０２．１１ｇＷＬＡＮ技術などの種々の技術を使用する。物理層は、２．４ＧＨｚ帯の赤外線、周波数ホッピングスペクトラム拡散、２．４ＧＨｚ帯の直接シーケンススペクトラム拡散、または、例えば、５．８ＧＨｚＩＳＭ帯またはより高いＩＳＭ帯（例えば、２４ＧＨｚ等）の他のアクセス技術を使用してもよい。
【０２３２】
データの交換のため、測定システム４２５５は通信ネットワーク４２００を介してネットワーク上のリモートサーバ４２３０および他の携帯機器との接続を確立することができる。リモートサーバ４２３０は、ローカル的またはリモート的に保存され、特定用途用データを含み得るデータベース４２４０へのアクセスを有し得る。リモートサーバ４２３０は、また、直接的にまたはインターネット４２２０によってアプリケーションサービスのホストとなり得る。
【０２３３】
埋め込み型整形外科デバイス上にあるデータは非常に少ないことに留意されたい。データのほとんどは、ヒト被験者または模擬使用（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ｕｓｅ）において使用された整形外科デバイスを分析することにより実験的に得られる。摩耗パターン、材料事項（ｍａｔｅｒｉａｌ  ｉｓｓｕｅ）および故障メカニズムが研究される。この種の研究を通じて情報を得ることはできるが、初期取り付け、術後使用および長期使用についての重要なデータは測定の見地から得る。各人が異なるように、初期荷重、平衡性および位置合わせに差を有することから各デバイスの取り付けは異なる。データを測定し、このデータを使用して整形外科デバイスを取り付ければインプラント処置の一貫性が大幅に増し、それによって、補修を低減し、デバイスの寿命が最大になる。少なくとも１つの例示的な実施形態においては、測定されたデータはデータベースに回収することができ、そこで保存および分析され得る。例えば、測定されたデータの関連サンプルが回収されると、それは、寿命および埋め込み型整形外科デバイスの使用性を最大化するための最適な初期測定設定値、幾何学的配置および位置合わせを定義するために使用され得る。
【０２３４】
本発明は、周波数補償、物理的システムの制御または警報、または対象の物理的パラメータの監視または測定を含むが、それらに限定されない広範な医学的および非医学的用途に適用可能である。非常に小型の検出モジュールまたはデバイスにおいて達成可能な精度および繰り返し性のレベルは、骨密度、運動、粘度および種々の体液の圧力、局所温度等を含むが、それらに限定されない人体中の生理的パラメータを監視または測定する多くの医学的用途、血管系、リンパ系、呼吸器系、消化器系、筋、骨および関節、他の軟組織領域、および間質液における用途に適用可能であってもよい。
【０２３５】
本発明は特定の実施形態を参照して説明されたが、当業者であれば、本発明の範囲および精神から逸脱することなく本発明に多くの変更を施してもよいことは理解されよう。これら実施形態およびその明白な変形形態はいずれも本発明の範囲および精神内にあるものと考えられる。
【０２３６】
いくつかの実施形態は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するためのシステムを含む。システムは、透過領域と、骨に結合するように構成された少なくとも１つの特徴部とを有する装具構成要素を含む。さらに、システムは、電子回路と、筋肉・骨格系のパラメータを測定するように構成された少なくとも１つのセンサとを含む。電子回路は少なくとも１つのセンサに結合することができ、装具構成要素は、電子回路および少なくとも１つのセンサを収容することができる。
【０２３７】
いくつかの実施形態は脛骨装具構成要素を含む。脛骨装具構成要素は少なくとも１つの滑液センサを含む。少なくとも１つの滑液センサは脛骨装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成することができる。脛骨装具構成要素は、また、少なくとも１つの滑液センサに結合された電子回路を含む。さらに、少なくとも１つの滑液センサおよび電子回路は脛骨装具構成要素内に収容することができる。
【０２３８】
いくつかの実施形態は装具構成要素を含む。装具構成要素は、少なくとも１つの光センサと、少なくとも１つの光センサに結合された電子回路とを含み得る。電子回路は装具構成要素内に収容することができ、少なくとも１つの光センサおよび電子回路は装具構成要素の近傍に位置する滑液を監視するように構成することができる。
【０２３９】
いくつかの実施形態は長期的に関節を監視する方法を含む。方法は、電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、装具構成要素の近傍に位置する滑液の特徴を１つまたは複数のセンサによって定期的に測定するステップと、滑液の特徴の測定値を比較するステップと、を含み得る。
【０２４０】
いくつかの実施形態は長期的に関節を監視する方法を含む。方法は、電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に収容するステップと、装具構成要素の近傍に位置する滑液の濁度を定期的に測定するステップと、を含み得る。
【０２４１】
いくつかの実施形態は装具構成要素を含む。装具構成要素は、温度センサと、温度センサに結合された電子回路とを含む。電子回路は装具構成要素内に収容することができ、温度センサおよび電子回路は装具構成要素の近位の温度を測定するように構成することができる。
【０２４２】
いくつかの実施形態は装具構成要素を含む。装具構成要素は、ｐＨセンサと、ｐＨセンサに結合された電子回路とを含む。電子回路は装具構成要素内に収容することができ、ｐＨセンサおよび電子回路は装具構成要素の近傍のｐＨを測定するように構成することができる。
【０２４３】
いくつかの実施形態は長期的に関節を監視する方法を含む。方法は、電子回路および１つまたは複数のセンサを装具構成要素内に提供するステップと、装具構成要素の近傍に位置する滑液を定期的に監視するステップと、滑液の特徴を測定するステップと、データをリモートシステムに送信するステップと、を含み得る。
【０２４４】
いくつかの実施形態はシステムを含む。システムは、少なくとも１つの滑液センサを有する装具構成要素を含む。少なくとも１つの滑液センサは装具構成要素の近傍の滑液を監視するように構成することができる。システムは、また、少なくとも１つの滑液センサに結合された電子回路を含む。少なくとも１つの滑液センサおよび電子回路は装具構成要素内に収容することができる。
【０２４５】
これらまたは他の実施形態においては、装具構成要素は透過領域を含み得る。さらに、少なくとも１つの滑液センサは、光センサ、ｐＨセンサ、超音波センサ、または温度センサの少なくとも１つを含み得る。また、透過領域はガラスを含み得る。
【０２４６】
また、これらまたは他の実施形態においては、システムは、装具構成要素の支持表面に加えられる力、圧力または荷重の少なくとも１つを測定するように構成された少なくとも１つの力センサ、圧力センサまたは荷重センサを含み得る。種々の実施形態においては、装具構成要素はポリエーテルエーテルケトンを含み得る。
【国際調査報告】
2014533974.tif 000045
2014533974.tif 000046
2014533974.tif 000047
2014533974.tif 000048