(57)【要約】本発明は、光強度に基づいてマイクロベンディングファイバーセンサーを公開し、明らかな、安定な、信頼な生命徴候信号を得るに配置される。本発明は、生命徴候モニターリングに関連するシステムと方法を公開する。各実施形態におけるセンサーは、マルチモードファイバーと、LED光源と、LEDドライバと、受信機と、及び単層変形構造を含む。各実施形態において、センサーのファイバーと単層変形構造とを選択することは、生命徴候を成功的にモニターし、信頼性と感度レベルを必要する具体なパラメーターを得ることを満足する。いくつかの実施形態として、ファイバーと単層変形構造との間に特定な寸法関係を有する。いくつかの実施形態において、センサーは、心弾動波形を得られるように配置される。
2017534353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理パラメーターを検知するセンサーであって、前記センサーは、
インナーコアと、被覆層、及び外被層とを含むマルチモードファイバーであって、前記インナーコアの直径は、前記被覆層の直径の５０％より大きいマルチモードファイバーと、
前記ファイバーの第１の端部にカップリングされるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源に電気的にカップリングされ且つＬＥＤ光源の電力レベルを調節できるように配置されるＬＥＤドライバと、
前記ファイバーの第２の端部にカップリングされる受信器であって、前記ファイバーを透過する光の強度変化を検知できるように配置される受信器と、
開口を有するメッシュで形成される一つの単メッシュ層によって構成される変形構造であって、前記開口の表面積が前記メッシュ層の総表面積の３０％〜６０％である変形構造と、を含み、
前記ファイバーは、一つの平面に配置され、変形構造の表面に接触しており、センサーに力を加えてファイバーの第１の部分が前記メッシュ層の一つの開口にベンディングして挿入し、且つファイバーの第２の部分が前記メッシュにベンディングして当接する、
ことを特徴とするセンサー。
【請求項２】
前記センサーは、患者の心弾動を検知するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
ファイバーの総直径は、インナーコアと、被覆層と、外被層との直径による組み合わせである、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
メッシュ層は、交織ファイバーによって形成される、
ことを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
前記交織ファイバーの各直径は、前記ファイバーの総直径の２５％以内である、
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記交織ファイバーは、ポリマーファブリックを含む、
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項７】
前記メッシュ層の開口幅は、前記ファイバーの総直径の１００％〜３００％である、
ことを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
【請求項８】
前記メッシュ層の開口幅は、前記ファイバーの総直径の１３０％〜１７０％である、
ことを特徴とする請求項３に記載のセンサー。
【請求項９】
前記ファイバーは、平面に配置され、且つファイバーの湾曲直径が１．５ｃｍより大きい構造を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１０】
前記ファイバーは、長さが少なくとも１０ｍである、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記ＬＥＤ光源は、一つの低電力ＬＥＤであり、８５０ｎｍ又は１３１０ｎｍの中心波長と、１６５ｎｍの半値幅とを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記ファイバーは、直接ファイバーコネクタによってＬＥＤ光源と受信器とにカップリングされ、且つ単独な引導ファイバーを必要としない、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記ファイバー開口数は、０．２９μm以内である、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１４】
前記メッシュ層は、加えられる力をファイバーに均一に分布するように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１５】
更に、ファイバーと変形構造とに密封して粘着するアッパーカバーを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項１６】
生理パラメーターを検知する方法であって、前記方法は、
センサーを身体下方に位置決めするステップと、前記センサーは、
インナーコアと、被覆層、及び外被層とを含むマルチモードファイバーであって、前記インナーコアの直径は、前記被覆層の直径の５０％より大きいマルチモードファイバーと、
前記ファイバーの第１の端部にカップリングされるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源にカップリングされ且つＬＥＤ光源の電力レベルを調節できるように配置されるＬＥＤドライバと、
前記ファイバーの第２の端部にカップリングされる受信器であって、前記ファイバーを透過する光の強度変化を検知できるように配置される受信器、及び
開口を有するメッシュで形成される一つの単メッシュ層によって構成される変形構造であって、開口の表面積がメッシュ層の総表面積の３０％〜６０％である変形構造と、を含み、
前記ファイバーは、一つの平面に配置され、変形構造の表面に接触し、
前記受信器によって前記ファイバーを透過する光の強度変化を検知するステップと、
光の強度変化が身体活動によって引き起こすファイバーの変形に対応し、
前記光の強度変化によって生理パラメーターを確定するステップと、を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記生理パラメーターを確定するステップは、人体の心弾動波形を確定するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記生理パラメーターを確定するステップは、更に、
人体のＥＥＧ波形を確定するステップと、及び、
ＥＥＧ波形のＲピークとＢＣＧ波形のＪピークとの間の時間を確定して、心弾毎の血圧変化を確定するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記生理パラメーターを確定するステップは、
前記受信器によって検知される信号を記録するステップと、
信号をデジタル波形に転換するステップと、
前記デジタル波形から呼吸と身体活動波形をフィルターして、心拍波形を抽出するステップと、
前記心拍波形を時間領域分析の第１のチャネル及び周波数領域分析の第２のチャネルに分割することによって、心拍波形から心拍波高値を認識するステップと、
周波数領域に高速フーリエ変換を応用して心拍数値を得るステップと、を含む、
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、３５Ｕ.Ｓ.Ｃ、§ １１９（ｅ）により、第６２/０５７２３７号、出願日が２０１４年９月３０日である米国仮出願の先取権を主張し、ここで援用の方式で全文を本願に合わせている。
【０００２】
本発明は、主にファイバーに関し、特別にファイバーセンサー及び方法に関し、患者の生理パラメーターをモニターするためのものである。
【背景技術】
【０００３】
インターネット装置と数字医療産業の到達に伴って、健康と健康モニターリングは、日増しに注目する領域になっている。生命徴候、例えば心拍数、心弾動（ballistocardiogram）信号及び呼吸率をモニターすることは、医療保健機構内外においても必要となる。医療機構内において、生命徴候トラッキングが必要不可欠であり、医療サービス提供者がベッドにいない場合に患者の安全を確保し、疾病を診断し、患者の進展をモニターし、患者の看護を企画することに用いられる。医療機構以外において、生命徴候及び姿勢をトラックすることは、個人が彼達の健康状況を量化と概念化させることができ、従って、個人を彼達の健康、健康需要、進度明確、健康目標を実現する需要な動力を保持することを注目することは有利である。
【０００４】
現在の消費品市場の生命徴候トレーサは相当に紛擾であり、例えば、現在の心拍数モニターは、通常にモニターを患者の胸腔周囲に放置する必要がある。たくさんの生命徴候トレースは、一つタイプのセンサーを含むだけで、一種の生命徴候をモニターするだけであり、例えば、心拍数である。また、消費品市場の生命徴候トレーサは相当に不精確である。医療機構内部において、たくさんのより精確な装置を有し、しかし通常には、より大きい装置で且つ病床側に放置され、通電プラグに電気的に接続して導線によって患者に電気的に接続する必要がある。これらの床頭装置のアタッチメントが、患者の不安を引き起こし、且つ、装置が高価、携帯不便、容易に電磁妨害を生成する。
【０００５】
現在の生命徴候トレース装置を替えることを研究する一方には、ファイバーセンサーが既に増えつつある注目を得た。ファイバーセンサーは、化学的不活性且つ抗EMIを有する。更に、彼達は、携帯可能な且つ装置に集積可能であり、例えば、マットレスパッドとクッションに集積される。固定集積装置（Fixture-integrated devices）は、ベッド側装置と着ることが可能式装置と比較すると、より優勢を有する。例えば、固定集積装置は、センサーと、電子産品と、電源との間のルーズ接続線又は無線データ送信機を低減することを許容する。これらの低減は、より高い信頼性、データ質量及び安全性を取得する。
【０００６】
しかしながら、ファイバーセンサーが今までに発展し、伝統的なモニターリングシステムの適切な置き換えものが証明されないである。例えば、題は「フィヤバーセンサー嵌入医療モニターリング用医用ファイバー製品」の文章は、「IEEEセンサー」、２００８年８（７）、第１２１５−１２２２ペッジ、作者グリイェト（Grillet）などは、単一モードマクロベンディングファイバーセンサー（single mode macro-bending fiber sensor）が呼吸数（respiratory rate）を計測するベルト（belt）に集積されることを提案する。ファイバー軸がマイクロに直線ずれるから、マクロベンディングセンサーは、通常に顕著な光損失が会って、低い感度を招く。これらのセンサーは、精確に計測必要な心拍数又は心弾動信号の胸壁の微小な活動を検知することができない。
【０００７】
努力に感度を向上する一方で、ある人は、ファイバーセンサーの置き換え方法を提出した。例えば、米国の特許第６，４９８，６５２号、ワサ二ヤ（Varshaneya）などは、一つのフィバーセンサモニターを掲示し、光学位相干渉法によって患者の生命徴候をモニターする。光学位相干渉法は、少しの制限を有する。例えば、ファブリーペロー（Fabry-Perot）干渉型センサーとマッハツェンダー（Mach-Zehader）干渉型センサーとは、身体の機械振動に対して敏感とともに、身体以外の機械振動、及び温度、音波、磁界、及び環境ノイズに対して高度的に敏感である。従って、仮に適当な装置を有しておらず、干渉型センサーは、生命徴候をモニターすることに用いられる不適切であり、環境ノイズにより位相を変えて、信号減衰と不精確性により不信頼性を招く。環境ノイズを濾過する必要な装置は、高価な位相変調器とコヒーレント（coherent）光源を含み、顕著的にコストと複雑性を増加し、且つこれらのセンサーを幅広いに商業に不適用に応用させる。ほかの提案する設計も、感度と、精確性と、コストとを平衡することを図る。
【０００８】
更に、多数の生命徴候ファイバーセンサーの発展が、心拍数、呼吸率及び/又は身体位置変化を表示するマクロ運動を検知するだけである。これらのセンサーの主な制限は、高感度な心弾動（ＢＣＧ、ballistocardiography）波形を得ることができない。ＢＣＧは、一つの心臓の機械活動によって生成する身体振動を記録する技術である。特別に、ＢＣＧは、心臓周期（cardiac cycle）に心臓収縮に関わる力によって生成する心臓の整体活動と血液循環を測定する。歴史から見ると、ＢＣＧ波形は、非常に大きいサスペンデッドテーブル（suspended table）を使用してその上に横倒れる患者を支持する必要がある。これらのサスペンデッドテーブルは、重く、非携帯式で、且つ大量な機械メンテナスを需要するものである。複雑なシステムの要求のために、二十世紀において、ＢＣＧは、多すぎの注目又は使用を得られない。しかし、信頼なＢＣＧ波形は、患者の心臓健康の重要な見解を提供することができる。患者の心拍は注目しない以外に、実時間ＢＣＧ波形は、心拍数変異性を確定する方面において非常に有用であり、心拍数変異性が、身体圧力の標識である。更に、ＢＣＧ波形とＥＥＧ波形と比較すると、特別に、ＥＥＧ波形のＲピークとＢＣＧ波形のＪピークの間の時間検知は、毎の心弾動（beat-to-beat）の血圧変化を表示する。なお、前記の通り、例えば、Ｅ・ピニェイロ（E・ pinheiro）で発表した題は「一つの不突出な心血管系の表現においての理論の発展、心弾動図」、「開放生物医学工程」雑誌２０１０年第４期、第２０１−２１６ペジ、ここでその全ての内容を引用し、ＢＣＧ波形の特徴が、たくさんの疾患と関係を有することを既知と建議する。例えば、狭心症（angina pectoris）、無症状冠動脈病（asymptomatic coronary artery disease）、急性心筋梗塞（acute myocardial infarction）、高血圧、大動肱縮窄（coarctation of aorta）、及び僧帽弁狭窄（mitral stenosis）などいくつかの例を挙げる個体から不規則なＢＣＧ波形を検知する。
【０００９】
ＢＣＧモニターリングは、臨床価値を有するが、しかし、適切なモニターリングシステムを欠乏するために、医療機構において、常規なモニターするものではありません。ＢＣＧ波形をモニターすることは、一定の感度と精度が必要であり、これらはちょうど現在のセンサーが欠乏するものである。従って、信頼可能にＢＣＧ波形をモニターする生理パラメーターモニターリング装置を需要する。生命徴候モニターリング方法を需要し、ＢＣＧ波形を含み、現在の方法の局限性を克服する。従って、一つの新型で有用な生命徴候ファイバーセンサー及び使用方法を需要する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、新型で有用なファイバーセンサー及びシステムと方法を提供し、BCG波形及び他の生命徴候をモニターすることに用いられる。ここで提供される各実施形態において、これまでに設計された生命徴候ファイバーモニターリングシステムの一種又は多種の欠陥を克服する。
【００１１】
本発明の複数の目的は、生命徴候ファイバーセンサー及び生命徴候を検知する方法を掲示することである。各種実施形態における生命徴候ファイバーセンサーは、単層メッシュ（例えば、メッシュ）構造及びLED光源に接続されるマルチモードファイバーを含む。各種実施形態における前記センサーは、高感度と低コストで心拍動力学、呼吸モード及び身体活動をモニターリングすることを得できるように配置される。患者の心拍動力学、呼吸モード及び身体活動によってマイクロ又はマクロ運動を招いており、前記メッシュに加えされる。レスポンスとして、前記単層メッシュ構造は、マルチモードファイバーに連続な作用力又は圧力を加える。前記拍動力学、呼吸モード及び身体活動は、それぞれ前記センサーに一つの作用力を加え、センサーのマイクロベンディング（microbending）を招いて、それによりマルチモードファイバー中伝送する光の強度を調節する。前記システムは、マルチモードファイバーから直接に出射される光の強度変化をモニターリングすることによって、心拍動力学、呼吸モード及び/又は身体活動の信号を得る。
【００１２】
センサーの主な構造は、マルチモードファイバーと、一層のメッシュ構造と、一つのLED光源と、及び一つの光信号受信器とを組み合わせるために、各種実施形態におけるセンサーは、全てはより高い感度及びより低いコストが得られる。特別に、各種実施形態において、これらの構造件を変えず、センサーの大小と形状を任意の寸法と形状に変えて、コストが略同じである。本発明の各種実施形態において、LED 光源と光信号受信器は、高強度変化を検知することに用いられる。アディショナルフオトカプラ（photo coupler）又は光干渉構造によって信号を復調する必要がない。従って、前記システムのコストは、光干渉型システムのコストより顕著に低減する。コストを節約以外に、最小な構造を使用して高感度を実現することができる。高感度によって各種実施形態におけるセンサーは、他の生命徴候以外の具体な心弾動波形を検知するとともに、提供する。
【００１３】
本発明の一つの目的は、生理パラメーターを検知するためのセンサーを掲示する。各種実施形態におけるセンサーは、マルチモードファイバーと、ＬＥＤ光源と、ＬＥＤドライバと、受信器と、及び一つの変形構造とを含む。いくつかの実施形態において、マルチモードファイバーは、インナーコアと、被覆層（cladding layer）と、及び外被層（outer coating）とを含む。そしてファイバーにおいて、インナーコアの直径は、被覆層の直径の５０％より大きい。前記ＬＥＤ光源は、前記ファイバーの第１の端部にカップリングされ且つ光を前記ファイバーの第１の端部に発射する。ＬＥＤドライバは、前記ＬＥＤ光源に電気的にカップリングされ且つＬＥＤ光源の電力レベルを調節できるように配置されており、ファイバーに発射される光の原始光強度を調節する。受信器は、ファイバーの第２の端部にカップリングされ且つファイバーを透過する光の強度変化を検知できるように配置される。変形構造は、開口が形成されるメッシュの単層メッシュ層によって構成される。いくつかの実施形態において、前記開口の表面積がメッシュ層の総表面積の３０％〜６０％である。各種実施形態におけるファイバーは、一つの平面に配置され、変形構造の表面に接触しており、センサーに力を加えてファイバーの第１の部分がメッシュ層の一つの開口にベンディングして挿入し、且つファイバーの第２の部分が前記メッシュにベンディングして当接する。各種実施形態において、ファイバーのこんなの変形は、被覆層を透過する光損失を招いており、受信器に到達する光強度を復調する。
【００１４】
いくつかの実施形態において、簡略化なファイバーセンサーは、心弾動図を検知できるように配置される。ファイバーセンサーは、患者の心拍数、呼吸率又はマクロ運動を検知することにも用いられる。
【００１５】
ここで使用するものは、各種実施形態において、ファイバーの総直径は、インナーコアと、被覆層と、外被層とを横断する直径によって組み合わせる。
【００１６】
いくつかの実施形態におけるメッシュ層は、交織ファイバーによって形成される。いくつかの実施形態において、交織ファイバーの各直径は、ファイバーの総直径の２５％以内である。例えば、いくつかの実施形態において、各交織ファイバーの各直径は、ファイバーの総直径の７５％〜１２５％である。いくつかの実施形態において、前記交織ファイバーは、ポリマーファブリックを含む。いくつかの実施形態におけるメッシュ層は、ファイバーに加えられる力を均一に分布できるように配置される。いくつかの実施形態において、前記メッシュ層の開口幅は、ファイバーの総直径の１００％〜３００％である。いくつかの実施形態において、前記メッシュ層の開口幅は、ファイバーの総直径の１３０％〜１７０％である。
【００１７】
いくつかの実施形態におけるファイバーは、前記平面に配置されており、ファイバーの湾曲直径が１．５ｃｍより大きい便利にする。いくつかの実施形態において、ファイバーは、長さが少なくとも１０ｍである。
【００１８】
いくつかの実施形態において、ＬＥＤ光源は、一つの低電力ＬＥＤであり、１３１０ｎｍ又は８５０ｎｍの中心波長と、１６５ｎｍの半値幅(Full width at half maximum, FWHM)とを有する。いくつかの実施形態において、ファイバーは、直接ファイバーコネクタによってＬＥＤ光源と受信器とにカップリングされ、且つ単独な引導ファイバーを必要としない。いくつかの実施形態において、ファイバー開口数は、０．２９μm以内である。
【００１９】
いくつかの実施形態において、ファイバーと変形構造とに密封して粘着する可撓性なアッパーカバーを含む。いくつかの実施形態における前記アッパーカバーは、シリコン樹脂で製造される。
【００２０】
本発明の他の一つの目的は、生理パラメーターを検知する方法を掲示する。各種実施形態における前記方法は、センサーを身体下方に位置決めするステップと、前記センサーは、インナーコアと、被覆層と、及び外被層とを含むマルチモードファイバーと、前記インナーコアの直径は、被覆層の直径の５０％より大きく、前記ファイバーの第１の端部にカップリングされるＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源に電気的にカップリングされ且つＬＥＤ光源の電力レベルを調節できるように配置されるＬＥＤドライバと、前記ファイバーの第２の端部にカップリングされる受信器と、前記受信器は、前記ファイバーを透過する光の強度変化を検知できるように配置され、及び開口を有するメッシュで形成される一つの単メッシュ層によって構成される変形構造と、を含み、開口の表面積がメッシュ層の総表面積の３０％〜６０％である。ファイバーは、変形構造の表面に接触する平面に配置される。各種実施形態における前記方法は、更に、受信器によって前記ファイバーを透過する光の強度変化を検知するステップと、光の強度変化が身体活動によって引き起こすファイバーの変形に対応し、及び光の強度変化によって生理パラメーターを確定するステップとを含む。
【００２１】
身体活動は、マクロ運動可能であり、例えば身体位置の変化であり、又は、身体活動は、マイクロ運動可能であり、これらの運動は、例えば、心臓収縮、血管において血液の加速又は身体の呼吸などによって引き起こす運動である。いくつかの実施形態において、生理パラメーターを確定するステップは、心弾動（BCG）波形である又はBCG波形を含む。これらの実施形態において、生理パラメーターを確定するステップは、人体の心電図（ＥＥＧ）波形を確定するステップと、及び、ＥＥＧ波形のＲピークとＢＣＧ波形のＪピークとの間の時間を確定しており、心弾毎の血圧変化を確定するステップを含む。
【００２２】
いくつかの実施形態において、生理パラメーターを確定するステップは、受信器によって検知される信号を記録するステップと、信号をデジタル波形に転換するステップと、デジタル波形から呼吸と身体活動波形をフィルターしており、心拍波形を抽出するステップと、心拍波形を時間領域分析の第１のチャネル及び周波数領域分析の第２のチャネルに分割することによって、心拍波形から心拍波高値を認識するステップと、及び周波数領域に高速フーリエ変換を応用して心拍数値を得るステップと、を含む。
【００２３】
上記の技術特徴と、及び本発明技術方案の他の特徴、目的及び優れた点は、本発明の各種実施形態及び図面を結合して記述する。しかしながら、掲示される説明性実施形態は、示例だけであり、本発明の範囲を限定しておらず。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、従来の技術の一つの光強度に基づいてのファイバーセンサーを示す概略図である。
【図２Ａ−２Ｂ】図２Ａと２Ｂは、従来の技術の一つの光強度に基づいてのファイバーセンサーを示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の示唆により光強度に基づいてのファイバーセンサーの一つの実施形態を示す概略図を掲示する。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の示唆により光強度に基づいてのファイバーセンサーの一つの実施形態を示す断面図を掲示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明実施形態におけるメッシュ変形構造を示す上面図であり、例えメッシュ変形構造が図４Ａに示すような実施形態の光強度に基づいてのファイバーセンサーに有する。
【図５】図５は、本発明の示唆によりマルチモードファイバーの一つの実施形態を示す断面図を掲示する。
【図６】図６は、本発明の示唆により光強度に基づいてのファイバーセンサーシステムの一つの実施形態を示すブロック図を掲示する。
【図７Ａ−７Ｄ】図７Ａ−７Ｄは、本発明実施形態における光強度に基づいてのファイバーセンサーシステムによって、それぞれ得られる原始デジタル信号、心拍と呼吸と結合する波形、心拍波形と呼吸波形の一つの例である。
【図８】図８は、本発明の示唆により光強度に基づいてのファイバーセンサーシステム得られるデータによって、フィルターと分析の方法の一つの実施形態を示すフローチャートを掲示する。
【図９Ａ−９Ｂ】図９Ａと９Ｂは、本発明の示唆により光強度に基づいてのファイバーセンサーシステムによって、生理パラメーターを検知する方法の一つの実施形態を示すフローチャートを掲示する。
【図１０Ａ−１０Ｂ】図１０Ａと１０Ｂは、それぞれ従来の技術のファイバーセンサーシステム及び本発明のファイバーセンサーシステムによって得られるＢＣＧ波形である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明提供する図面及び後述ある実施形態の記述は、これらの実施形態に制限することなく、本技術分野何れかの当業者において本発明を製造するとともに、使用することを提供する。ここで、新しいファイバーセンサー及びファイバーセンサーを使用する方法を掲示している。特別に、ファイバーセンサーを使用して生命徴候をモニターする実施形態を掲示している。
【００２６】
ファイバーは、センサーとしてストレイン（strain）、温度、圧力及び他の数量を計測することができ、ファイバーを変えることによって、被計測数量がファイバー内の光の強度、位相、ポラリゼーション（polarization）、波長、又は通過時間を調製させる。ファイバーセンサーは四種タイプを有し、強度に基づいてのファイバーセンサー（intensity-based fiber optic sensors）と、スペクトルファイバーセンサー（spectrally based fiber-optic sensors）と、干渉型ファイバーセンサー（interferometric fiber-optic sensors）と、及び多重分布式ファイバーセンサー（multiplexed and distributed optical fiber sensors）とを含む。これらタイプのセンサーにおいての両種は、干渉型ファイバーセンサーと強度に基づいてのファイバーセンサーとが、生命徴候をモニターする方面において、既に初めて効果を見えられ、且つ従来の技術ではこんなの目的のために既に試験を行った。
【００２７】
上述のように、例えば、ワサ二ヤなど発明した特許号は第６，４９８，６５２である米国特許において、ここで、その明細書の全文を引用し、干渉型ファイバーセンサーが高感度を実現することができる。しかし、一つの重要な挑戦は、需要する信号から環境擾乱を区分する必要があり、例え温度、ストレイン、圧力など。原則的に、適切な変換機械によって応用しており、全ての環境擾乱がそれぞれ光信号に変換可能である。しかし、ある時、複数の効果（effect）が同時に近似の方式によってファイバー中の光を促進するとともに、変えることが可能である。例えば、温度、ストレイン、圧力、又は他の何れかの機械擾乱での変化、ファイバーの長さと屈折率を変えることによって、ファイバー中の光を影響する可能性があり、従って、一つの擾乱から他の一つの擾乱を区分することは困難である。この障碍を克服するために、非常に高価、複雑、高メンテナンスな装置を需要し、例え高価な位相調製器とコヒーレント光源を需要する。従って、高コスト、複雑性と連続的にメンテナンスなどを需要することは、これらタイプのセンサーが既に健康と養生モニターリング方面の商業応用を制限する。
【００２８】
強度に基づいてのファイバーセンサーは、より簡単なセンサーであり、簡単なん光源（例えば、低工効LED）と、位相調製器を需要しておらずの簡単な検知器とを使用して働くことができる。しかし、ファイバーセンサー分野について、簡単、低コスト且つ十分な高い感度を有しており、これらの強度に基づいてのファイバーセンサーを開発して実行可能な且つ応用可能な選択であり、既に実証される挑戦である。複数の光強度センサーが開発されて十分な感度を努力に得て期待する。一つの強度に基づいてのファイバーセンサーは、特別に少しの希望を示し、ファイバーマイクロベンディングセンサーである。ファイバーマイクロセンサーは、例え外力又は圧力によりファイバーマイクロベンディングを招くことを依頼しており、光強度調製を誘導する。マルチモードファイバーのマイクロベンディング誘導は、環境変化例え圧力、温度、加速度、磁界、と電場を検知する一つの伝導メカニズム（transduction mechanism）が実証される。ファイバーのマイクロベンディング局部が、ファイバー内部に伝送する光の強度調製を招く。マイクロベンディング技術は、早くも初めに１９７０ｓから研究し、しかし、４０年に近く後に、これまでも業界標準又は試験方法を有しない。多すぎのパラメーターがファイバーのマイクロベンディング性能を影響するでは、ファイバー長さと、屈折率と、ファイバーインナーコアと、被覆層直径（cladding diameter）と、及び変形スティッフネス（deformer stiffness）と、材料と、周期性と、直径となどを含む。更に、後述により、過去の研究者は、敏感な且つ信頼な、ラボラトリー以外に連続精確にBCG波形を検知するファイバーマイクロベンディングセンサー構造を開発されない。
ファイバーマイクロベンディングセンサー
【００２９】
図１に掲示されることは、従来のファイバーマイクロベンディングセンサーである。センサー１００は、デュアル変形構造（dual deformer structure）を含み、一つの頂部メッシュ層１０２及び一つの底部メッシュ層１０４を含み、当該両層の間にファイバー１０６が挟まれる。ファイバー１０６の第１の端部は、光源１０８と接続し、ファイバー１０６の第２の端部は、信号受信器１１０と接続する。信号受信器１１０は、更に信号増幅器（signal amplifier）１１２及び信号処理ユニット１１４にカップリングされる。光源１０８の電子要素と、信号受信器１１０と、増幅器１１２と、及び信号処理ユニット１１４とともに、検知ユニット１１６が構成される。近似するファイバーマイクロベンディングセンサーの掲示は、例えば、陳など発明した米国特許公開第２０１２/０２０３１１７号において、ここでその掲示される全部の内容を引用する。陳など掲示したマルチモードファイバーマイクロベンディングセンサー（microbending multimode fiber optic sensor）を利用して同時に呼吸率と心拍数とを測定する。近似する構造、例え陳など発表した題は「家庭用携帯式ファイバー心弾動センサー」、２０１２年に出版、第８２１８巻、第８２１８０X-８２１８０X-７ページ、ここでその掲示した全部の内容を引用する。
【００３０】
人間は普遍的に考え、例え陳などの記述は、デュアル変形構造が必要であり、十分な大きいマイクロベンディングレスポンスを生成しており、身体のマイクロ運動と、生理パラメーター指標例え心拍と呼吸などとを検知することができる。推測及び示唆により、ファイバーの両側に一つのメッシュ構造が放置され且つ揃えられる必要であり、一つのメッシュ層のファイバーを直接に他のメッシュ層の開口内に中央揃えさせる。これらの構造のファイバーの上側と下側とがそれぞれ圧力定点を生成しており、ファイバー変形を有利にする。
【００３１】
既開発された方程式は、これらの現象を解釈し且つデュアル変形構造の理想な寸法と配置を確定する。従来の技術のデュアル変形構造は、図２Ａと２Ｂに示すようである。
【００３２】
図２Ａと図２Ｂに示すように、ファイバー１００は、デュアル変形構造２００の内に放置され、デュアル変形構造２００は、一つの交織ファイバー頂層２０２と一つの交織ファイバー底層２０４により構成する。ファイバー１００は、デュアル変形構造２００の前記両層の間に挟まれる。一つのカバー２０６が前記デュアル変形構造を取り囲む。デュアル変形構造の総高度は、lsである。変形構造の層内周期（intra-layer periodicity of the deformer）は、一つのメッシュ層の内に隣接する平行なファイバーとの間の距離であり、ΛDである。変形構造の層間周期(inter-layer periodicity)は、上下層変形構造のファイバーの間の水平距離であり、つまりΛsである。デュアル変形構造において、外力がファイバー１００のメッシュファイバーの位置に集中され、力を均一にファイバー１００に加えさせるために、Λsは、必ずΛDの半分である。最大の湾曲度を得て最高の感度を得るために、Λsは、必ずΛDの半分である。
【００３３】
変形構造２００の上層メッシュ層と下層メッシュ層は、横変位ずれる場合に、加える力が均一にファイバー１００に分布されておらず、且つΛsにも一致にしない。これらの場合に、図２Ｂに示すように、Λsは、Λs１（上層メッシュ層と下層メッシュ層との間のファイバーの左側距離）及びΛs２（上層メッシュ層と下層メッシュ層との間のファイバーの右側距離）によって代わる。
【００３４】
グレーデッドインデック（graded index）、マイクロベンディングファイバーについて、その変形構造の最優層内周期ΛDは、以下の方程式によって得て、
2017534353.tif 000003
上記により、例えば、ラガコス（Lagakos）など発表する題は「ファイバーマイクロベンディングセンサー」、「応用光学」（appl. opt.）マガジン１９８７年１月出版される第２６巻第１１期、第２１７１―２１８０ページ、ここでその掲示した全部の内容を引用する。方程式において、aはインナーコアの半径であり、ｎ０はインナーコアの屈折率であり、N.A.はファイバーの数値穴径である。ラガコスなどテストファイバーの以下の数値を得て、a＝４７．５μm、N.A.＝０．１３、及びｎ０＝１．４５８の場合に、層内周期（ΛD）は３．３５ｍｍ場合に圧力センサーが最高なマイクロベンディング感度を得る結論を得る。陳は米国特許公開第２０１２/０２０３１１７号において、同じの方程式を使用し、周期は１．６８ｍｍの結論を得る。
【００３５】
デュアル変形構造において、所定圧力により光損失を最大化し、層内周期ΛDの方程式は、圧力センサーの性能を最大化にする。最高のファイバーベンディング損失の目的を達成する。即ち、最高のΔΧを達成する。
kdualΔΧ=ΔFbending
デュアル変形構造において、
2017534353.tif 000004
Ｅｙはヤングズモジュラス（Young's modulus）であり、Ibendはベンディング慣性能率（bending moment of inertia）であり、及びΛDは層内周期である。ベンディング慣性能率（Ibend）は弾性部材のスティッフネスを表徴し、円形断面を有するものについて、例えファイバー、以下の方程式によって提出して、
2017534353.tif 000005
Dfiberはファイバーの直径である。
【００３６】
デュアル変形構造において、ファイバー２５０は、一対の変形構造メッシュ層２０２、２０４の間に挟まれ、周期ΛDを有する固定モード内にベンディングすることに制限される。変形構造２００は、適切な環境変化をレスポンスするΔΕは、ファイバー２５０に力ΔFを加えており、ファイバーが変形量ΔΧを生成させる。ベンディングファイバーによって伝送する光の伝送係数の変量ΔTは、
2017534353.tif 000006
であり、
DΔE＝ΔX            （2）
ここで、Dは常数であり、環境変化ΔΕに依存する。作用力ΔFによって、方程式（１）は、
2017534353.tif 000007
に変えり、
Kfはファイバーベンディング力常数であり、且つAsYs/lsは力常数である。ここで、As、Ys及びlsはそれぞれ、デュアル変形構造の断面積、ヤングズモジュラス、及び高度である。従って、光検出器の出力信号の変化は、原始環境擾乱（environment perturbation）ΔΕを検知するためである。
【００３７】
変形構造の構成により、原則的に、各種環境パラメーターを検知することができる。変形構造は、環境パラメーターΔΕの変更を、方程式ΔF＝ΔΕ*Cによって、ベンディングファイバー上の力ΔFに転換する。一般なデュアル変形構造について、パラメーターCは、各種環境センサーの変形パラメーターの一つの簡単なん関数に表示されることができる。圧力センサーについて、Cは変形構造の面積に等しく、仮に、方程式（３）は、
2017534353.tif 000008
に変えり、
ΔΡは圧力変量である。例えば、仮に高感度な圧力センサーの常数AsYs/lsは、十分に小さいにして効果的な順応性（effective compliance）がファイバーの順応性に依存し、その自身は相当大きい。これらの場合に、方程式（４）は、
2017534353.tif 000009
に変えり、
方程式（５）は、方程式（１）に書かされることができる、この場合に、ΔΕは環境変化を表示し、例えば、圧力と温度、且つDは各種環境センサーによって前記方程式に確定される一つの常数である。一つの環境擾乱ΔΕの場合に、光電検出器（photo detector）の信号出力isは、
2017534353.tif 000010
であり、
ｈはプランク常数（Planck's constant）であり、ｖは光周波数であり、ｑは検出器の量子効率（detector quantμm efficiency）であり、ｅは電子電荷であり、W0は入力光パワーである。一つの散射ノイズ検出システム（shot-noise-limited detection system）であれば、光電検出器のノイズのミーンスクエア（mean square）は、
2017534353.tif 000011
である。
【００３８】
Ｓ/Ｎ＝１の所定条件の場合に、検知できる最小信号は、
2017534353.tif 000012
である。
【００３９】
第１の因子は、特定設計する環境センサーにとって具体的であり、しかし、第２の因子は、普遍的に全ての環境マイクロベンディングセンサーに適切にする。一つの通用なマイクロベンディングセンサーは、例え方程式（２）のような規定されるΔΕを測定することに規定できる。そして、方程式（２）と（８）を結合して、
2017534353.tif 000013
を得て、
環境擾乱を検知するためのファイバーの必ずマイクロベンディングの最小数量を提供する。これらの結果に基づいて、検知できる最小環境変化ΔΕを確定することができる。陳の出願した米国特許公開第２０１２/０２０３１１７号により、デュアル変形構造を有するファイバーセンサーは、心拍と呼吸として
環境擾乱を検知することに対して感度が十分である。陳は、題が「家庭用携帯式ファイバー心弾動センサー」において、更にこれらの構造がＢＣＧ波形を検知する感度が十分であることを提案する。しかし、上記により、デュアル変形構造を有するセンサーの感度は、ΛsがΛDの半分とすることを依頼する。ΛsがΛDの半分としない場合に、マイクロベンディング変形構造の予定周期ΛDが、最優な性能を達成する最適値ではない。上部と下部のメッシュ層が正確に並べ方式を保持しない限り、陳は十分な感度と信頼性を欠乏してＢＣＧ波形をモニターする。
【００４０】
専門な支持構造を加えることによって、上メッシュ層と下メッシュ層が正確に並べ方式を保持することができる。しかし、これらの仕方は、システムのコストと複雑性がより大きい増加させ、システムが消費者の応用に対して、例え長期生命徴候モニターリングシステムなどにとって実際的ではない。
【００４１】
仮にこれらの高価な支持構造を有しなく、実践において、デュアル変形構造は、ラボラトリー以外の場合でＢＣＧ波形を検知することが、不適切である。デュアル変形構造の両メッシュ層が並べに配置可能で且つ敏感で信頼なラボラトリー結果を生成し、消費者は使用する場合に、時に一つの変形層が他の一つの変形層に対して摺動を招く。生命徴候モニターリングの実際応用において、個人がファイバーセンサーに坐る又は横倒れる場合に、異なる方向の圧力と力を有して通常にセンサーに加える。これらの圧力又は力は、垂直分量と水平分量を区分することができる。垂直分量は、ファイバーに下向きの力の分量を招いて、対応すると、ファイバーをマイクロベンディングにする。しかし、体重の変化はいつも水平分量を有する。患者の移動によって引き起こす水平分量が一つの力を誘導しており、メッシュ層の間の周期を変えることができる。ΛsとΛDの変化は、システムの感度をより大きい低減し、最大のマイクロベンディング量が再び得ることができないためである。更に、ΛsとΛDの変化は、システムの信頼性をより大きい低減し、ファイバーに分布される力が予測不能な変えるためであり、システムの信号処理器で実行する全ての計算は、ΛsとΛDが一定と仮定することを前提とする。従って、センサーシステムを使用する場合に、デュアル変形式ファイバーセンサーは、不信頼な且つ敏感低減することになる。これらは商業応用について、納得できない。従って、異なる方法と異なる構造を需要する。
単一変形センサー
【００４２】
上記により、以前人間は、生命徴候を十分に検知するための一つのマイクロベンディング量を得ることは、デュアル変形構造が必要である。作者は驚いた発見し、単一変形構造を使用しており、生命徴候を十分に検知することができ、ＢＣＧ波形のマイクロベンディング量を含み、ファイバーセンサーは、特定性能を有するファイバーを利用するであれば、更に以下のように、既にファイバー特性と単層メッシュ層との間の特定関係を見つけた、これらのシステムが信頼な且つ敏感な結果を得させる。
【００４３】
図３に示すような本発明のセンサー構造の一つの実施形態である。センサー３００は、一つのマルチモードファイバー３０２及び一つの単層メッシュ層３０４を含み、両者が一緒に前カバー３０６と後カバー３０８との間に挟まれ且つ共同で一つのセンサーシート（sensor sheet）が形成される。ファイバー３０２の一端部は、光源３１０に接続され、一つの好適な実施形態において、光源３１０は、LEDドライバ３１２によって制御するLED光源である。ファイバー３０２の他の一端部は、光信号受信器３１４に接続され、一つの信号増幅器３１６が光信号受信器３１４にカップリングされ、光信号を十分に増幅しており、アナログデジタル変換器３１８によって処理することができる。光電要素（３１０、３１２、３１４、４１６、３１８）がそれぞれ制御処理モジュール３２０に接続される。提供されるセンサーは、光強度を検知できるために配置され、入力光が光源３１０で生成され且つマルチモードファイバー３０２に発射される。体重、心拍、呼吸又は他の生理パラメーターで生成する外力の作用によって、これらの力が均一にファイバー３０２とメッシュ構造３０４に分布される。これらの力がマルチモードファイバーをマイクロベンディングさせ、且つ少しの光がマイクロベンディング効果のために、漏泄する。光信号受信器３１４は、剰余光を受信し、光の強度変化量が制御処理モジュール３２０によって処理するとともに、確定する。
【００４４】
従来の技術のセンサーは、二つのマイクロベンディング層を使用すると異なり、本発明のセンサーは、一つの単層メッシュによって構成される変形構造を使用する。
【００４５】
図４Ａと４Ｂは、本発明の変形構造の一つの実施形態を掲示する。本発明の変形構造において、一つの単層メッシュ４０２を使用してマルチモードファイバー４０１のマイクロベンディングを得る。ここで使用するメッシュは、貫通孔を有する繰り返しパターンの何れかの適当な材料可能である。いくつかの実施形態において、メッシュは、交織ファイバーにより構成され、例えば、ポリマーファブリックファイバー（polymeric fabric fibers）、天然ファブリックファイバー(natural fabric fibers)、複合ファブリックファイバー(composite fabric fibers)、金属ファイバー(metallic fibers )、又は他のファイバーである。当該メッシュ層の内において、aoは、貫通孔４０３の開口面積(open area)である。各根メッシュファイバーは、X軸方向への直径又は幅がd1である。各根メッシュファイバーは、X軸方向への直径又は幅がd2である。各メッシュ開口の幅がwである。体重、心拍、呼吸又は他の生理パラメーターで生成する外力がセンサーに加えられる場合に、これらの力がアッパーカバー（upper cover）４０４とマルチモードファイバー１００に均一に分布される。
【００４６】
本発明の一つの新型なセンサー構造において、一つのメッシュ構造４０２、例えポリマー開口メッシュファブリックが、前記単層変形構造（single layer deformer）に用いられる。アッパーカバー材質４０４、例えシリコンであり、マルチモードファイバー４０１とメッシュ層４０２との周りに取り囲み、センサーに加えられる力を均一に分布する。
【００４７】
本発明の一層の変形構造において、加えられる外力がファイバー長さに沿って均一に分布される。単位長さの力がFdistであり、変形量は、
kdistrubutedΔX=ΔFdist
であり、
ここで、
2017534353.tif 000014
ここで、Ｅｙはヤングズモジュラスであり、Ibendはベンディング慣性能率であり、及びΛDは周期長さである。ベンディング慣性能率は弾性部材のスティッフネスを表徴し、円形断面を有するものについて、例えファイバーは、
2017534353.tif 000015
ここで、Dfiberはファイバーの直径であり、従って、
2017534353.tif 000016
単層変形構造を使用するセンサーにおいて、
ΛL＝d1+w
これらの情報を結合して得ることができ、単層変形構造を有するセンサー構造に力を加え、レスポンスとして、ファイバーマイクロベンディング量は、具体的に、
2017534353.tif 000017
であり、
図に示すように、単層メッシュによって製造される変形構造は、デュアル変形構造と比較すると、異なるベンディングパラメーターを有する。現在提供される実施形態において、単層変形構造を採用する各実施形態において、ベンディング量は、加えられる力に依存するだけでなく、ファイバーの直径、メッシュファイバーの直径、及びメッシュ中の開口寸法にも依存する。これらのパラメーターを平衡することによって、センサーは、十分なマイクロベンディング量を生成でき、身体がセンサーの微運動の力の光損失を検知してレスポンスする。
メッシュ層とファイバーパラメーターの関係
【００４８】
作者は驚き見つけた、上記通りの変形構造を使用し、仮に変形構造の寸法を適切に選択し及び適切な寸法のファイバーとマッチングし、一つのより信頼な且つ十分に敏感なセンサーを作成することができる。特別に、結果により発見し、第２のメッシュを除去すると、両者のメッシュ層の間の摺動により生成するノイズと誤りを顕著に低減することができる。更に発見し、変形構造が一層のメッシュ層を含むだけの場合に、仮に特定なマルチモードファイバーを使用すると、得られるマイクロロベンディング量が光損耗を十分に検知することができる。十分なマイクロロベンディングを生成することは、ファイバーの特性だけでなく、ファイバーの特性とメッシュ層の特性との間の関係である。
【００４９】
例えば、本発明の特定なマルチモードファイバーは、大きいコア径を有しており、相対的に大量の光を受信するとともに伝送する。更に、当該特定なマルチモードファイバーは、一種の高度可撓性な裸ファイバーであり、インナーコア、外被覆層（outer cladding）、及び外被層を含み、しかし、緊密バッファ層（tight buffer layer）を含まない。ファイバーと変形構造の周りに取り囲まれる高度可撓性なカバー４０４を使用してファイバーとシステムとをアディショナル保護を提供し、緊密バッファ層（tight buffer layer）を使用することではない。
【００５０】
本発明の作者は見つけた、仮に適切なコア比（ratio of core to cladding）を選択し、仮に変形構造のメッシュ層がファイバーに対して適切な寸法を有し、且つ仮に適切なパワーレベル（power level）を使用する場合に、マルチモード裸ファイバーが十分な量をベンディングして（湾曲して）興味ある生理パラメーターをレスポンスする。
【００５１】
本発明公開される各種実施形態におけるファイバーセンサーは、それぞれ一つの新しい配置を有しており、一層だけのメッシュ層を有する変形構造を使用して十分なマイクロベンディング量を得させることができる。以下に、実施形態の各のファイバーセンサーは、それぞれ十分なマイクロベンディング量を有しており、ＢＣＧ波形、心拍数、呼吸率及び他の生理パラメーターをモニターリングするためである。
【００５２】
本発明提供されるマルチモードファイバーは、図５に示すようなものである。図に示すように、ファイバー５００は、インナーコアファイバー５０２と、被覆層５０４と、外被層とを組み合わせる。各種実施形態において、インナーコア５０２の直径が被覆層５０４の直径の５０％以上である。好適な実施形態において、インナーコア５０２の直径が被覆層５０４の直径の５０％より大きい。いくつかの実施形態において、インナーコア５０２の直径が実質的に５０％より大きく、例えば、少なくとも被覆層５０４の直径の７５％、８０％又は９０％である。ここで使用するインナーコアの直径は、インナーコアを横断する直径であり、前記被覆層の直径は、全体の被覆層とインナーコアの横断面を横断する直径であり、外被層の直径又はファイバーの総直径は、全体の外被層、被覆層、及びインナーコアの断面図を横断する直径であり、いくつかの実施形態において、被覆層の直径は、１２５μmである。これらの実施形態において、インナーコアの直径は、少なくとも６２．５μmである。いくつかの実施形態において、インナーコアの直径は、６２．５μmより大きい。例えば、いくつかの実施形態において、インナーコアの直径は、少なくとも８０μm、少なくとも９０μm、少なくとも１００μm、又は少なくとも１１０μmである。一つの実施形態において、ファイバーのインナーコアの直径は、１００μmであり、及び被覆層の直径は、１２５μmである。各種実施形態において、外被層は、ファイバーのアディショナル幅を増加する。いくつかの実施形態において、ファイバーの総直径は、２５０μmである。他の実施形態において、ファイバーの被覆層の直径は、２５０μmである。いくつかの実施形態において、インナーコアの直径は、１２５μm以上である。これらの実施形態において、インナーコアの直径は、１５０μmより大きい、１６０μmより大きい、１７０μmより大きい、１８０μmより大きい、１９０μmより大きい、２００μmより大きい、２１０μmより大きい、又は２２５μmより大きい。
【００５３】
各種実施形態掲示されるファイバーセンサーにおいて、変形構造のメッシュ層は、ファイバーの間の開口面積aoがメッシュの総表面積(total mesh surface area)の３０％〜６０％に配置される。いくつかの実施形態において、メッシュ層の貫通孔の寸法は、ファイバーの整体直径を受け入れることを設置できる。いくつかの実施形態において、メッシュ層の貫通孔の寸法は、ファイバー構造の幅を受け入れることを設置でき、ファイバー及びその周りの外被層を含む。従って、いくつかの実施形態において、メッシュ層の開口は、ファイバーの総直径の１００％〜３００％であり、いくつかの実施形態において、メッシュ層の開口は、ファイバーの総直径の１３０％〜１７０％である。
【００５４】
他の一つの実施形態において、好ましくは、メッシュ開口ｗは、２００〜７５０μmに選択される。他の一つの実施形態において、メッシュ開口は、ファイバーの総直径の三倍以上である。
【００５５】
いくつかの実施形態において、各メッシュファイバーの直径は、ファイバーの総直径の２５％以内である。いくつかの実施形態において、各根メッシュファイバーの直径は、ファイバーの総直径の７５％より大きく、しかし１００％より小さい。いくつかの実施形態において、ファイバーの被覆層の直径は、１２５μmであり、且つファイバーの総直径は、２５０μmであり、各根メッシュファイバーの直径は、１８０〜２４０μmに選択される。
【００５６】
一つの好適な実施形態において、マルチモードファイバーの開口数（numerical aperture）が０．２９μm以内、インナーコアの直径が１００μm、被覆層の直径が１２５μm、総直径が２５０μmである。いくつかの実施形態において、例えば、好適な実施形態において、メッシュファイバーの直径は、１８０〜２４０μmである。いくつかの実施形態において、例えば、好適な実施形態において、メッシュ開口ｗの寸法は、３３０〜３７５μmに設置される。
【００５７】
ファイバーは、検出領域に適切にする任意の長さにすることができる。いくつかの実施形態において、センサーは、長さが少なくとも１０ｍであるマルチモードファイバーを含む。少しこれらの実施形態において、マルチモードファイバーは、一つの平面に沿って配置され、且つ平面に沿って湾曲（wound）、巻回（coiled）、又は迂回（snaked）にする。マクロベンディング効果がマイクロベンディング効果を顕著に低減し、且つ好ましくは、避けることができる。直径が１．５ｃｍより小さい湾曲について、０．２９μm開口数のファイバーにおいて、マクロベンディング損耗が高い。従って、いくつかの実施形態において、平面にファイバーが配置される場合に、湾曲直径が１．５ｃｍより大きいことを使用する。いくつかの実施形態において、ファイバーが直接にメッシュ層に配置される。
【００５８】
本発明の各種実施形態掲示されるセンサーは、低い製造コストと低い複雑性に配置されており、高い感度と信頼な性能を実現することができる。
【００５９】
ファイバーセンサー導線（fiber sensor leads）にも、感度を影響する。いくつかの実施形態において、一つの導線ファイバー（lead fiber）を需要して光源からファイバーまでの光をカップリングし、且つ、他の導線ファイバーを需要して検出器と接続する。これらの実施形態において、導線のコアの寸法は、センサーファイバーの寸法と略同じにすべきであり、熔接減耗（fusion loss）を低減する。本発明の好適な実施形態において、直接にマルチモードファイバーを電子と光学要素とに接続することによって、単独ファイバーセンサー導線（leads）の需要を除去する。
【００６０】
一つの好適な実施形態において、一つの低電力、低コスト、８５０ｎｍ又は１３１０ｎｍの中心波長を有し、１６５ｎｍの半値幅（FWHM）のLEDを光源とする。光電検出器の範囲（８５０ｎｍから８６０ｎｍまで、又は１１００ｎｍから１６５０ｎｍまで）、応答度（responsivity）が０．４Ａ/Ｗの光電検出器を光受信器とする。他の実施形態において、任意の適切なLED光源又は他の低電力、低コストの光源を使用することもできる。なお、他の実施形態において、任意の適切な光受信器を使用することもできる。
電光ユニットと制御器
【００６１】
図６のブロック図における光強度ファイバーマイクロベンディングセンサーシステム６００は、身体のパラメーターを検知するとともに、表示することに用いられる。図に示すような実施形態において、低コストファイバーセンサーシート６０１を提供し、何れかの実施形態の頂部カバーと、マルチモードファイバーと、メッシュ層と、及びここで記載される底部カバーとを含み、例えば、図３-５に関わる。光源６０２は、センサーシート６０１の内に嵌入されるマルチモードファイバーに光輻射を提供する。光源６０２は、１６５ｎｍの広帯域光源、１３１０ｎｍのFWHM LED光源、又は何れか他の適切な光源可能である。LEDドライバ６０４がファイバーの光源６０２を駆動し、且つ処理器６０６によって制御し、処理器６０６が、メモリー６０８に記憶される指令を実行する。マルチモードファイバーの他の一端部が光信号受信器６１０に接続され、それは光電検出器によって構成され、いくつかの実施形態において、光電検出器の検出範囲が１１００ｎｍから１６５０ｎｍまで且つ応答度が０．４Ａ/Ｗである。光信号受信器６１０は、光強度をアナログ電信号に転換し、そして、電増幅器６１２によって増大する。アナログデジタル変換器６１４は、アナログ電信号をデジタル信号に転換して且つ処理器６０６に伝送して処理し、いくつかの実施形態において、ユーザに使用するために、ユーザインターフェイス６１６を提供しており、部分又は全部装置の機能を制御する。前記デジタル信号は、処理器６０６によって選択的に処理し、原始な又は処理後のデジタル信号がリモートシステム６５０に伝送しており、信号を表示し又は更に処理する。リモートシステム６５０は、スマートフォン、タブレットピーシー、他の携帯式計算装置、又は適当な通信能力を有する他のコンピュータにするとこができる。いくつかの実施形態において、原始な又は処理後のデジタル信号が無線でリモートシステム６５０に伝送し、例えば、送信器６２０を利用する高周波信号（RF信号）である。いくつかの実施形態における送信器６２０は、Wi-Fi（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、又は他のRF信号を伝送できるように配置される。いくつかの実施形態において、リモートシステム６５０は、信号を受信器６１８に送信することによって、順次にセンサーシステム６００を制御してアクティブ（activate）にすることができ、例えばRF信号受信器可能である。
【００６２】
処理器６０６と、メモリー６０８と、及び信号処理要素（例えば、増幅器６１２及びアナログデジタル変換器６１４）とは、一種のハードウェアとソフトウェアとの結合を含み、当該ハードウェアとソフトウェアとの結合は、光源で発射する光の周波数、強度、及び/又はアクティベーション（activation）を制御できるように配置され、且つ更に信号受信器で受信する信号意味を有するデータに転換するように配置される。当業者は、たくさんの異なる構造件を使用してこれらの機能を実現できることを実感する。
【００６３】
処理器６０６は、一つのジェネラルマイクロ処理器（general purpose microprocessor）、マイクロ制御器、デジタル信号処理器（ＤＳＰ）、論理プログラミング可能デバイス（ＦＰＧＡ）、専用集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他のプログラマブルロジック要素（programmable logic device）、又は他の離散的なコンピュータ実行可能な要素によって、前記機能を実行するように設計する。前記処理器は、計算装置（computing devices）の組み合わせによって形成されることもでき、例えば、DSPとマイクロ処理器、複数のマイクロ処理器、一つ又は複数のマイクロ処理器とDSPコアの結合、又は他の何れかの適切な配置である。
【００６４】
各種の実施形態において、処理器６０６は、一つ又は複数のバスがメモリー６０８にカップリングされることによって、メモリー６０８から情報を読み出し且つメモリー６０８に情報を書込む。処理器６０６は、又はメモリー６０８を含むことができる。メモリー６０８は、例えば、処理器キャッシュ（cache）を含むことができる。メモリー６０８は、何れかの適切なコンピュータ読取り可能なミディアム可能であり、コンピュータ読取り可能な且つコンピュータ実行可能な要素で実行する指令を記憶する。例えば、コンピュータ読取り可能な指令は、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EEPROM、ハードディスク装置、ソリッドステートデバイス（solid state device）、又は他の何れかの適切な装置からの一つ又はその結合に記憶されることができる。各種実施形態において、コンピュータ読取り可能な指令は、非臨時フォーマット（non-transitory format）で記憶されるソフトウェアを含む。処理器６０６は、メモリー６０８に記憶されるソフトウェアを結合して、操作システム及び記憶されるソフトウェアアプリケーションを実行する。ここで記載される各種方法は、メモリー６０８に記憶されるソフトウェア指令にプログラミングされることが可能である。
【００６５】
ユーザインターフェイス６１６は、ユーザ入力装置例えボタン、トグル（toggle）、スイッチ、タッチパネル、又はキーパッドと、及び/又は一つの出力装置例えディスプレイースクリーン、光表示、音声出力、又は触覚出力とを含むことができる。ユーザ入力装置は、ユーザの命令を受信するように配置されることができており、センサーをオンとオフにする。いくつかの実施形態において、ユーザのデータは、ユーザ入力装置によって入力することもできる。
【００６６】
各種実施形態における受信器６１８は、通信ネットワークによって受信するデータを受信して復調する。送信器６２０は、一つ又は複数のネットワーク標準によってデータを準備し且つ通信ネットワークによってデータを伝送する。いくつかの実施形態において、送受信アンテナ（transceiver antenna）は、受信器であってもよく、送信器であってもよい。又は、いくつかの実施形態において、当該システムは、一つのデータバスを含み、有線接続によってデータを一つ又は複数のリモートモジュールに送信し及び/又は受信する。
【００６７】
いくつかの実施形態において、処理器６０６は、伝送される光の強度変化から加えられる力を計算できるように配置される。いくつかの実施形態において、処理器６０６は、加えられる力のデータからユーザの一つ又は複数の生命徴候を計算できるように配置される。いくつかの実施形態において、少し又は全てのこれらのデータが、有線又は無線接続によってリモートシステム６５０に伝送しており、記憶及び/又は表示にする。
【００６８】
いくつかの実施形態において、処理器６０６は、原始信号から心拍波形、呼吸波形、及び運動波形を抽出するように配置される。このような信号の抽出される例は、図７Ａ-７Ｄに示すようなものである。原始信号７００aは、信号処理モジュールによって受信される。図７Ａに示すように、時間窓（time window）７０２の内に、光強度が最高のレベルに位置し、これはセンサーにユーザを有しない意味である。ファイバーベンディングからの光損失を有しない。時間窓７０２は、ユーザがセンサーに坐る、立つ、又は横倒れる時刻を表示し、受信される光強度をより短い時間に顕著に低減させ、後に、信号が一致で低レベルを保持して７０６の示すようなものであり、例え時間窓７０６と７１０に示すように、ユーザがセンサーに坐って又は横倒れ、且つ移動しない。これらの期間において、光強度がより狭い範囲に保持される。時間窓７０６又は７１０に信号を増幅することによって、一つの具体な信号が検知されることができ、心電波形と呼吸波形を含み、図７Ｂに示すような信号７００ｂである。ユーザがセンサーに坐る、立つ、又は横倒れる場合、しかし位置が変化し又は移動し、時間窓７０８に示すような信号を招く。図に示すように、表示する期間において、光の強度変化範囲は、呼吸と心拍によって引き起こす強度変化範囲より大きく、しかし、センサーに身体の増加又は離脱によって引き起こす強度変化範囲より比較的小さい。いくつかの実施形態における処理器６０６は、当該信号から活動の周波数と振幅を認識するように配置される。時間窓７１２は、ユーザがセンサーから離脱する場合の信号を描画する。受信される光強度が、従来のレベルに回復し、図７１４に示すようなものである。
【００６９】
当該信号から心電波形を抽出するために、心電波形は、心弾動波形（ＢＣＧ）と呼びました、処理器６０６は、異なる階段な高域濾波器と低域濾波器とを結合してノイズを除去することができる。ＢＣＧ波形７００ｃは、例を挙げて図７Ｃに示すように、毎の心拍の詳細な情報を提供する。本システム採取されるＢＣＧ波形は、とても明らかなＨ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、及びＭピーク（peek）を有する。心拍波高値（peek value）を確定することによって、隣接な心拍７２０、７２２の間の時間差を計算することができる。処理器６０６は、全ての時間差を収集して彼たちを周波数に転換することによって、心拍数を計算することができる。処理器６０６は、隣接なピークの間の平均時間差を計算することによって、心拍数変異性を計算することができる。処理器６０６は、心拍数変異性から圧力レベルを確定することができ、例えば、心理圧力レベル（mental stress level）である。
【００７０】
いくつかの実施形態において、図７Ｄに示すような呼吸信号７００ｄは、心拍信号より比較的容易に抽出され、呼吸運動生物力学で引き起こす光損失は、心拍運動で引き起こす光損失より比較的大きいからである。いくつかの実施形態において、心拍信号は、呼吸波形からフィルターしない。いくつかの実施形態において、呼吸率の計算が処理器によって実行され、毎の呼吸波形の波高値を認識することによって二つの呼吸周期の時間差７３０を得る。
使用方法
【００７１】
図８は、信号フィルターとデータ分析プロセス８００の一つの実施形態を示し、本発明に記述されるファイバーセンサーモニターリングシステムの処理器によって実行される。ユーザがセンサーにいる且つ移動すぎない場合に、原始信号から心拍/呼吸波形を抽出する信号処理を実行できる。このプロセスが、図６に示す処理器６０６によって完成されることができる。いくつかの実施形態において、処理器がアナログデジタル変換器から原始データを受信し、図に示すようなモジュール８０２である。デジタル信号が受信される場合に、光強度の絶対値が検知されることができ、図に示すようなモジュール８０４である。光強度の絶対値が既知の場合に、いくつかの実施形態における処理器は、受信される信号と光強度の絶対値とを比較してセンサーにユーザがいるか否かを決定し、図に示すようなモジュール８０６である。ユーザがセンサーに位置する場合に、顕著な光損失を有するとともに、これで生成する光強度が低減される。ユーザがセンサーに位置しない場合に、いくつかの実施形態におけるハードウェアは、睡眠モードを実行して電池の電力を節約し、図に示すようなモジュール８０８である。光損失がより高く現地された場合、いくつかの実施形態における処理器は、継続にユーザが移動するか否かを確認し、図に示すようなモジュール８１０である。処理器は、繰り返し又は続いてより大きい光損失の変化を検知した場合に、処理器は、この時刻を移動時刻に定義し且つ運動波形を出力し、図に示すようなモジュール８１２である。光強度が相対的な安定を保持すれば、この時刻を心拍/呼吸処理の時刻に定義し且つ原始デジタル信号が二つのチャネルに分割され、図に示すようなモジュール８１４である。
【００７２】
図に示すような実施形態において、モジュール８１６において、一つのチャネルにおける信号が複数のフィルター階段を経る。一つの実施形態において、五つの階段の高帯域と低帯域フィルターを実行しており、原始データ中のノイズを除去して且つ心拍波形を離隔し、図に示すようなモジュール８１８である。いっぱいな方法は、心拍波形を処理することに用いられることができる。各種の実施形態において、相対に簡単な且つ低処理電力レベルを需要する方法を使用することができ、相対に低い処理電力レベルと電池容量を有する携帯式センサーの性能に適宜にする。いくつかの実施形態において、時間領域と周波数領域とを結合し、強固な（robust）心拍値（heartbeat value）を得ることに用いられる。これらの実施形態において、心拍波形は、二つのチャネルに分割される。一つのチャネルは、時間領域分析であり、他のチャネルは、周波数領域分析である。時間領域分析において、一つの標準プロセス８２０を実行してデータを一致にさせており、分析を有利にする。データは、拡大若しくは縮小によって一つの固定窓に保存されることができ、図に示すようなモジュール８２２である。周波数領域において、データを平方にする（squared）、図に示すようなモジュール８２４であり、モジュール８２６において、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transformation）を実行してピーク周波数を得る。ピーク周波数は、心拍数である。モジュール８２８において、心拍数をマッチングして誤り率を低減する。各種実施形態において、モジュール８３０において、処理器で心拍数値を出力する。
【００７３】
いくつかの実施形態において、原始デジタル信号の他のチャネルは、モジュール８３２において、信号を平均するとともに、低域濾波器を応用することによって処理する。呼吸波形は、モジュール８３４の箇所に出力される。いくつかの実施形態において、複数のデータポイント（data points）の時間窓は、例えば、モジュール８３６に１０００のデータポイントが記憶されており、モジュール８３８に時間領域を見つける。呼吸波形の波高値を認識することによって、呼吸率を得ることが可能であり、平均呼吸率と最新呼吸率がモジュール８４０にマッチングして呼吸率を得る。図に示すようなモジュール８４２は、いくつかの実施形態において、処理器で呼吸率値を出力する。
【００７４】
上記ファイバーセンサー及び信号フィルターとデータ分析に関わる方法は、患者の一つ又は複数の生理パラメーターを確定することに用いられる。患者の生理パラメーターを決定する方法の一つの例は、図９Ａと９Ｂに示すようなものである。図に示すようなモジュール９１０は、各種の実施形態において、センサーは、患者身体の下方に放置される。患者は、センサーに立つ、坐る、又は横倒れることが可能である。センサーは、本発明実施形態記載される何れかの光学センサー可能である。モジュール９２０において、当該システムは、センサーを透過するファイバーの光の強度変化を検知することができる。各種の実施形態において、光の強度変化は、光受信器によって検知され且つ処理器によって処理する。上記の通り、光の強度変化は、身体活動によって生成するファイバー変形と係合する。身体活動は、微視運動（例え呼吸と心拍）又は巨視運動（例え体位変化）可能である。図８に示すような方法又は当業者が既知の他の方法を使用し、ファイバーセンサーの処理器が光の強度変化によって生理パラメーターを確定し、図に示すようなモジュール９３０である。生理パラメーターは、例えば、ＢＣＧ波形、心拍数、呼吸率、又は他の生命徴候又はパラメーター可能である。
【００７５】
いくつかの実施形態において、生理パラメーターの確定は、心弾毎（beat-to-beat）の血圧変化を含む。図９Ｂに示すように、これらの確定は、ＢＣＧ波形を認識することによって実行することができ、図に示すようなモジュール９３２であり且つ上記の通りの詳細な記載である。図に示すようなモジュール９３４は、ＥＥＧ波形を受信し、及び図に示すようなモジュール９３６は、ＥＥＧ波形のＲピークとＢＣＧ波形のＪピークとの間の時間を計算する。ＥＥＧ波形は、処理器によってＥＥＧセンサーから受信し、いくつかの実施形態において、ＥＥＧセンサーは、前記ファイバーセンサーの外部に位置する。ＲピークとＪピークとの間の時間は、心弾毎の血圧変化を表示する。
【００７６】
いくつかの実施形態において、医療専門職で実行する方法は、ファイバーセンサーを放置することを含み、例えば前記何れかの単変形構造のセンサーであり、患者の下方に位置する。センサーは、例えば、ミートクッション（seat cushion）、椅子、ベッド、マットレス（mattress）、マットレスパッド（mattress pad）、ラッグ（rug）、マット（mat）、又は他の適切な構造の内部に設置され、患者は、その上に坐る、立つ、又は横倒れることができる。医療専門職で実行する方法は、更に、センサーをアクティブし及びセンサーで出力する生理パラメーターを観察することを含む。いくつかの実施形態において、生理パラメーターは、ＢＣＧ波形を含む。いくつかの実施形態における方法は、更に、健康状況を診断することを含み、少なくとも部分に、ＢＣＧ波形から検知される異常によって診断する。
【００７７】
前記各種の実施形態において、ファイバーセンサーは、非常に明らかで信頼な、再現性良いＢＣＧ波形を得るように配置される。ＢＣＧ波形のある外観は、従来の技術のあるデュアル変形構造を有するファイバーセンサーによって検知することもできるが、その波形が臨床モニターリングと診断の目的のためには不十分である。例えば、従来の技術のシステム得られるＢＣＧ波形の不信頼性は、通常に変形構造の層の間の方向ずれる場合に引き起こすノイズと不精確のためである。更に、従来の技術のシステム得られるＢＣＧ波形は、不安定である。一つの明らかで安定なＢＣＧ波形は、いくつの特徴を含み、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、及びＮを表示する特徴を含む。図１０Ａに示すように、従来の技術のシステム得られるＢＣＧ波形は、非常に不安定なＢＣＧ波形を生成し、Ｈ波がしばしば失っている。これとは逆に、本発明実施形態におけるシステムは、非常に明らかな、安定で信頼な、再現性良い図１０Ｂに示すようなＢＣＧ波形を生成する。
【００７８】
少しの使用方法において、医療専門職は、これらの信頼なＢＣＧ波形を依頼することができ、一つまたは複数の健康状況を診断する便利である。例えば、ＢＣＧ波形において、特徴異常の認識は、狭心症、無症状冠動脈病、急性心筋梗塞、高血圧、大動肱縮窄、僧帽弁狭窄、及び他の心疾患（cardiac conditions）を診断することに用いられ、前記の通り、例えば、Ｅ・ピニェイロなどで発表した題は「一つの不突出な心血管系の表現においての理論の発展、心弾動図」、「開放生物医学工程」雑誌２０１０年第４期、第２０１−２１６ペジ、ここでその全ての内容を引用する。
【００７９】
明細書及び請求の範囲に言及する単数形式「一つ（a 又は an）」、「これら（the）」がそれぞれ単複数の両種の場合を含み、明確な指摘が除く以外。例えば、術語「一つのセンサー」は、複数のセンサーを含むことができ、且つ含むことを思料する。時に、明細書及び請求の範囲において、術語例えば「複数」、「一つ又は複数」、又は「少なくとも一つ」を含むことが可能である。しかしながら、これらの術語を使用しない場合に、複数を含まないと意味しない、且つ解釈されるべきではない。
【００８０】
術語「略（about）」又は「近似（approximately）」は、数字の限定又は範囲（例えば、長さ又は圧力を定義する）の前に用いられ、表示した近似は、（＋）又は（-）５％、１％、又は０．１％の範囲の変化可能である。ここで提供した全部の数値範囲は、既に定義される開始数字を含む。「実質的に（substantially）」は、主に（即ち５０％より大きい）又は実質的に全部の装置、物質、又は組成を表示する。
【００８１】
ここで使用する術語「含む（「comprising」又は「comprises）」は、装置、システム、及び方法が引用される要素を含み、また他の何れかの要素を含むことを意味している。本質的に組み合わせる（Consisting essentially of）は、装置、システム、及び方法が引用される要素を含み、しかし、予定な目的の結合に対して重要な意義を有する他の要素を含まないことを意味するべきである。従って、一つのシステム又は方法の本質的に組み合わせる要素は、これらの請求項の限定する基礎と新規性を有する他の物質、特性、又はステップを実質的に影響しないことを排除しない。組み合わせる（Consisting of）は、装置、システム、及び方法が引用される要素を含み、且つ何れか一つ以上の微細な、又は無関係の要素又はステップを排除するべきであることを意味する。各の過渡術語で定義する実施形態は、全て本発明の範囲に落とす。
【００８２】
簡単な説明するために、ここで説明する実施形態は、術語「患者（patients）」、「人（person）」、及び/又は「個人（individual）」を含み、当業者は、ここでの説明する各種実施形態は、任意な哺乳動物、ペットと、家畜と、健康個体例え事務員、ベビー（babies）、又は非患者の医療機構の他の人などとの生命徴候モニターリングすることに適用、且つ適用ためである。
【００８３】
ここで挙げられる例と図面との掲示及び本発明の実施可能な具体的な実施形態は、例を挙げるだけであり、これに限定されるものではない。これによって他の実施形態を利用して又は派生しており、本発明の掲示される範囲を逸脱することなく構造と論理との替える及び変えることが便利である。本発明の保護する主旨に係るこれらの実施形態は、便利にするだけ単独な又は共同な「本発明」を指摘し、しかし、主観に本願の範囲を何れかの発明又は発明概念に限定しなく、例えば、一つではない発明が掲示される場合である。従って、ここで具体的な実施形態が掲示されるが、でも依然に同じ目的を取得する何れかの方案によって替えることができる。本明細書の目的は、何れかと全ての適切な又は変化の実施形態をカバーしている。上記実施形態の組み合わせと、及び他の特別に説明しない実施形態とは、当業者が上記明細書に基づいての記載が明らかにわかる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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