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JP7549357B2 - Soft Capacitive Pressure Sensor - Google Patents
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Description

この出願は、2018年11月8日に出願された米国仮特許出願第62/757,329号、及び2019年7月17日に出願された米国仮特許出願第62/875,418号の利益を主張し、その明細書は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている。 This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62/757,329, filed November 8, 2018, and U.S. Provisional Patent Application No. 62/875,418, filed July 17, 2019, the specifications of which are incorporated herein by reference in their entireties.

本発明は、血圧を読み取る医療デバイスに関する。より詳細には、本発明は、継続的な装着型健康監視用途に向けた、可撓で伸縮性のある静電容量ベースの圧力センサに関する。さらに、本発明は、継続的に圧力を読み取る、圧力センサのニューラル・ネットワークによるキャリブレーションに関する。 The present invention relates to medical devices that read blood pressure. More particularly, the present invention relates to flexible, stretchable, capacitance-based pressure sensors for continuous wearable health monitoring applications. Furthermore, the present invention relates to neural network calibration of pressure sensors for continuous pressure readings.

動脈拍動は、心血管の疾患ばかりでなく一般的な健康も定量的に評価及び監視するために臨床的に使用されている、収縮期及び拡張期の圧力を含む、豊富な心血管情報を含んでいる。こうした動脈拍動は、非侵襲的血圧(NIBP:non-invasive blood pressure)監視ツールを使用して、上腕動脈及び橈骨動脈など、身体の多くの様々な場所で測定できる。研究によると、1日を通して血圧の変動を監視することで、心血管の健康に関する洞察を得ることができることが示されている。この理由から、血圧の変動及び心血管の健康への血圧変動の影響をより適切に理解するために、血圧を継続的に監視する必要がある。 Arterial pulses contain a wealth of cardiovascular information, including systolic and diastolic pressures, which are used clinically to quantitatively assess and monitor general health as well as cardiovascular disease. These arterial pulses can be measured at many different locations in the body, such as the brachial and radial arteries, using non-invasive blood pressure (NIBP) monitoring tools. Studies have shown that monitoring blood pressure fluctuations throughout the day can provide insight into cardiovascular health. For this reason, blood pressure should be monitored continuously to better understand blood pressure fluctuations and their impact on cardiovascular health.

膨張可能な上腕カフを使用するオシロメトリック式の測定は、臨床現場で広く使用されるようになったが、断続的であり、約30~40秒の期間にわたって1組の収縮期及び拡張期の血圧値しか提示しない。或いは、心拍ごとの血圧を継続的に監視するには、末梢動脈を拍動させる各心周期の検出及び分析が必要である。フィンガ・カフによる容積締付け法は、心拍ごとの血圧を測定できる方法の1つであるが、現在、携行式の監視を可能にする形状要素は有してはいない。 Oscillometric measurements using inflatable upper arm cuffs have become widely used in clinical settings, but are intermittent, providing only one set of systolic and diastolic blood pressure values over a period of approximately 30-40 seconds. Alternatively, continuous beat-to-beat blood pressure monitoring requires detection and analysis of each cardiac cycle that pulsates the peripheral arteries. Volumetric finger cuff clamping is one method that can measure beat-to-beat blood pressure, but does not currently have a form factor that allows for ambulatory monitoring.

動脈圧平圧力測定法は、多くの場合手持ち式プローブである圧力センサを使用して、動脈を局所的に平坦化する(圧平する)、別のNIBPの方法である。続いて、動脈圧平の程度を調整することにより、動脈圧を測定する。圧平圧力測定は、携行式の継続的な監視に適さない脈圧を測定するために、操作者が、圧力トランスデューサを動脈上に安定して配置することに大きく依存する。より新しい代替方法では、身体へのなじみ性を向上させることができる軟質のセンサを使用する。なじむことにより、センサと身体との結合が改善され、動脈拍動のより高精度な測定が可能になる。しかし、現在報告されている軟質のセンサは、理論モデルを使用して心拍ごとの血圧を計算する手段として、脈圧波形の振幅変化からではなく、拍動の2点間の通過時間を測定する。さらに、小さな圧力(健康な被験者からの橈骨拍動によって加えられる皮膚の表面のおおよその圧力である、<5kPa)を検出でき、速い応答時間(橈骨動脈の脈波の、拡張期のポイントと収縮期のポイントとの間のおおよその時間である、約100ms)を特徴とする、高感度の圧力センサを開発する必要がある。 Arterial applanation tonometry is another method of NIBP in which an artery is locally flattened (applanated) using a pressure sensor, often a handheld probe. The degree of arterial applanation is then adjusted to measure the arterial pressure. Applanation tonometry relies heavily on the operator to stably place the pressure transducer over the artery to measure pulse pressure, which is not amenable to ambulatory continuous monitoring. Newer alternative methods use soft sensors that can improve conformability to the body. Conformity improves sensor-to-body coupling, allowing for more accurate measurement of arterial pulsation. However, currently reported soft sensors measure the transit time between two points of a pulse, rather than from the amplitude change of the pulse pressure waveform, as a means of calculating beat-to-beat blood pressure using theoretical models. Furthermore, there is a need to develop a highly sensitive pressure sensor that can detect small pressures (<5 kPa, approximately the pressure at the surface of the skin exerted by the radial pulsation from a healthy subject) and is characterized by a fast response time (approximately 100 ms, approximately the time between the diastolic and systolic points of the radial artery pulse wave).

静電容量式圧力センサは、該センサの単純なデバイス設計、迅速な応答時間、比較的小さいヒステリシス、及び低い消費電力要件により、多くの注目を集めており、これらはすべて、軟質の装着型電子機器用途に向けて、非常に望ましいものである。軟質の誘電体材料を使用する場合、誘電体層を圧縮すると、

に等しい静電容量の増加を生じ、ここで、εは真空の誘電率、εは誘電材料の比誘電率、Aは平行板電極の重なる表面積、dは平行板電極間の距離である。
Capacitive pressure sensors have attracted much attention due to their simple device design, fast response time, relatively small hysteresis, and low power consumption requirements, all of which are highly desirable for soft, wearable electronics applications. When soft dielectric materials are used, compression of the dielectric layer results in

where ε 0 is the dielectric constant of a vacuum, ε r is the relative permittivity of the dielectric material, A is the overlapping surface area of the parallel plate electrodes, and d is the distance between the parallel plate electrodes.

静電容量式センサは、多重化データ取得ツールを使って、圧力を「マッピング」するよう構成され得る。たとえば、静電容量式センサのグリッドは、表面の局所的な圧力を空間的に分解できる。静電容量式センサの単純なレイアウトにより、該センサは、機械的圧力を検出する魅力的なモダリティとなる。しかし、現在の静電容量式センサは、通常、誘電体層の圧縮が小さいことに起因する、動脈の拍動測定に影響を与える、低い圧力感度(約0.5~1kPa-1以下)を特徴とし、橈骨拍動を確実に検出するための、長時間(>30秒)の調査には使用されていない。 Capacitive sensors can be configured to "map" pressure using multiplexed data acquisition tools. For example, a grid of capacitive sensors can spatially resolve local pressures on a surface. The simple layout of capacitive sensors makes them an attractive modality for detecting mechanical pressure. However, current capacitive sensors typically feature low pressure sensitivity (below about 0.5-1 kPa -1 ) due to low compression of the dielectric layer, which affects arterial pulsation measurements, and they have not been used for long duration (>30 s) studies to reliably detect radial pulsation.

以前に報告された静電容量式センサは、硬質の基板(すなわち、ポリエチレン(PET))を使用することが多く、これは、橈骨動脈の拍動を検出するセンサの用途を、制限する場合がある。たとえば、PET基板は硬質であるため、人体への共形接触を阻害する場合がある。また、硬質の基板は、より広いエリアにわたって応力を非局在化する可能性があり、信号を減衰させる可能性がある。これは、信頼性のあるデータの取得ばかりでなく、空間を分解するマッピング機能にも悪影響を与える可能性がある。もう1つの制限は、従来の静電容量式センサを開発するのに使用される電極の耐久性である。こうした電極は脆く、大きな曲げ/引っ張り/捩り歪みに耐えることができない。他の、以前に報告された、ポリジメチルシロキサン(PDMS)基板上に支持された弾性カーボン・ナノチューブ(CNT:carbon nanotube)導体を使用した、皮膚のような静電容量式圧力センサは、圧力感度が低く、動脈拍動の圧力の測定を困難にしていた。他の種類の静電容量式圧力センサは、誘電体層にPDMSマイクロピラミッド構造体を組み込んで圧力感度を大幅に改善するか、又は微小毛髪状PDMS構造体を組み込んで皮膚の表面へのなじみ性を改善し、続いて動脈圧の測定値を増幅する。こうしたセンサは、センサにより圧力をかけ、皮膚へ加えることにより、橈骨動脈圧波形にわずかにより大きい変化をもたらし得ることを実証している。ただし、こうした変化は最小限であり、これはおそらく、圧力センサのダイナミック・レンジが圧平圧力測定に十分ではなかったことを示唆していた。 Previously reported capacitive sensors often use rigid substrates (i.e., polyethylene (PET)), which may limit the application of the sensor to detect radial artery pulsation. For example, the rigidity of the PET substrate may inhibit conformal contact to the human body. Also, the rigid substrate may delocalize stress over a larger area, which may attenuate the signal. This may adversely affect the spatially resolved mapping capability as well as reliable data acquisition. Another limitation is the durability of the electrodes used to develop conventional capacitive sensors. These electrodes are brittle and cannot withstand large bending/tensile/torsion strains. Other previously reported skin-like capacitive pressure sensors using elastic carbon nanotube (CNT) conductors supported on polydimethylsiloxane (PDMS) substrates have low pressure sensitivity, making it difficult to measure arterial pulsation pressure. Other types of capacitive pressure sensors incorporate PDMS micropyramid structures in the dielectric layer to significantly improve pressure sensitivity, or micro-hair-like PDMS structures to improve conformability to the skin surface and subsequently amplify the arterial pressure measurement. These sensors demonstrate that pressure applied by the sensor to the skin can produce slightly larger changes in the radial artery pressure waveform. However, these changes were minimal, perhaps suggesting that the dynamic range of the pressure sensor was not sufficient for applanation pressure measurements.

本発明の目的は、独立請求項で明示される、表皮(皮膚)の表面上で橈骨拍動によって加えられる圧力など、人間の生理学的信号を測定するための、高感度の機械式圧力センサ、及び該センサを作製する方法を提供することである。さらに、拍動性の血流を継続的に監視するための、該センサの高精度のキャリブレーションについて、本明細書に記載されている。本発明の実施例は、従属請求項に記載されており、従属請求項は、相互に排他的でない場合、互いに自由に組み合わせることができる。 The object of the present invention is to provide a sensitive mechanical pressure sensor for measuring human physiological signals, such as pressure exerted by radial pulsation on the surface of the epidermis (skin), as specified in the independent claims, and a method for making said sensor. Furthermore, a highly accurate calibration of said sensor for continuous monitoring of pulsatile blood flow is described herein. Embodiments of the present invention are set out in the dependent claims, which may be freely combined with one another if they are not mutually exclusive.

動脈圧平は、圧力センサと動脈との間(すなわち、皮膚)の弾性抵抗を低減することによって、安定した脈圧測定を実現させるための重要な構成要素である。動脈圧平及び安定した脈圧測定を実現させるには、圧力センサが、広いダイナミック・レンジにわたって高い圧力感度を有している必要がある。軟質の静電容量式圧力センサで広いダイナミック・レンジを実現させる手法の1つに、微小隆起構造体を用いて空隙を作り出すことが含まれる。 Arterial applanation is a key component to achieving stable pulse pressure measurements by reducing the elastic resistance between the pressure sensor and the artery (i.e., the skin). To achieve arterial applanation and stable pulse pressure measurements, the pressure sensor must have high pressure sensitivity over a wide dynamic range. One approach to achieving a wide dynamic range in soft capacitive pressure sensors involves creating air gaps using micro-ridge structures.

いくつかの態様では、本発明は、しわの寄った金属の薄いフィルムを組み込んだ、軟質の静電容量式圧力センサを特徴とし、橈骨圧力測定用途向けの、軟質で伸縮性のある電極を開発している。静電容量式圧力センサは、たとえば、拍動性の血流を測定及び監視できる。橈骨動脈がセンサへの圧力を誘起すると、センサの平行板が、互いにより近づき得る。薄いフィルムのしわの寄った構造体は、薄いフィルムが繰り返し曲がる堅牢性を生み出す。これにより、広いダイナミック・レンジにわたる十分な感度、及び10ms未満の高速な応答時間で、継続的に動脈圧を測定し、詳細な脈圧波形を取り込むことが可能となる。 In some aspects, the present invention features a soft capacitive pressure sensor incorporating a wrinkled metal thin film to develop a soft, stretchable electrode for radial pressure measurement applications. The capacitive pressure sensor can measure and monitor, for example, pulsatile blood flow. When the radial artery induces pressure on the sensor, the parallel plates of the sensor can move closer together. The wrinkled structure of the thin film creates robustness for the thin film to bend repeatedly. This allows for continuous arterial pressure measurement and capture of detailed pulse pressure waveforms with sufficient sensitivity over a wide dynamic range and fast response times of less than 10 ms.

非常にしわの寄った薄いフィルムは、軟質のエラストマー基板に接して支持されると、機械的歪みに対する機械的堅牢性を実現する。こうした電極は軟質なので、センサを身体になじませ、動脈拍動による圧力を高精度で測定することが可能である。圧力感度及びダイナミック・レンジを向上させるために、微細に隆起した構造体が誘電体層内に備えられ、0~10kPaの広い圧力範囲内で最大5倍まで圧力感度を改善した。こうした微細構造体は、対向する電極を持ち上げて誘電体層に空気の空洞を作り出し、それによって誘電体層を圧縮できる量を増やす。これは、要するに、誘電体層の弾性抵抗を減少させる。空気の空洞(εair=1)が存在するため、実効誘電率も低下する。誘電体層が圧縮されると、空気の空洞の容積が減少するにつれて実効誘電率が高くなり、静電容量の変化がより大きくなる。この軟質の静電容量式圧力センサを使用した心拍ごとの血圧の継続的な測定について、FDA承認のNIBP監視デバイスと比較することによって実証する。 The highly wrinkled thin film provides mechanical robustness against mechanical strain when supported against a soft elastomeric substrate. The softness of these electrodes allows the sensor to conform to the body and measure arterial pulsation pressure with high accuracy. To improve pressure sensitivity and dynamic range, micro-ridged structures are provided in the dielectric layer, improving pressure sensitivity by up to 5 times within a wide pressure range of 0-10 kPa. These micro-structures raise the opposing electrode and create air cavities in the dielectric layer, thereby increasing the amount by which the dielectric layer can be compressed. This in effect reduces the elastic resistance of the dielectric layer. Due to the presence of air cavities (ε air =1), the effective dielectric constant also decreases. When the dielectric layer is compressed, the effective dielectric constant increases as the volume of the air cavities decreases, resulting in a larger change in capacitance. Continuous beat-to-beat blood pressure measurement using this soft capacitive pressure sensor is demonstrated by comparing it to an FDA-approved NIBP monitoring device.

いくつかの実施例では、静電容量式圧力センサは、第1の電極層と、第2の電極層と、誘電体層であって、誘電体層が第1の電極層と第2の電極層との間にあるように、第1の電極層に接して配置された誘電体層と、第2の電極層から誘電体層及び第1の電極層に向かって突出する、1つ又は複数の弾性隆起部とを備え得る。1つ又は複数の弾性隆起部は、第1の電極層と第2の電極層とを分離する空隙を作り出す。センサが静止構成にあるとき、空隙が、第1の電極層と第2の電極層との間に配置される。空隙は、第2の誘電体層として作用する。センサが圧縮されると、第1の電極層及び第2の電極層は互いにより接近し、それにより、空隙の高さが減少し、センサの圧力感度及び静電容量が増加する。一実施例では、第1の電極層は、エラストマー層と、エラストマー層と誘電体層との間に配置された導電性金属フィルムとを備え得る。別の実施例では、第2の電極層は、エラストマー層と、エラストマー層に接して配置された導電性金属フィルムとを備え得る。非限定的な実例では、エラストマー層は、ポリジメチルシロキサンを含み得る。導電性金属フィルムは、しわの寄ったAuの薄いフィルムを含み得る。誘電体層は、軟質のシリコーン・ゴムを含み得る。いくつかの実施例では、センサの圧力感度は、0~10kPaの間の圧力範囲において、約0.1kPa-1から約0.2kPa-1の範囲である。センサの応答時間は、約20ms未満、好ましくは10ms未満である。 In some examples, the capacitive pressure sensor may include a first electrode layer, a second electrode layer, a dielectric layer disposed against the first electrode layer such that the dielectric layer is between the first and second electrode layers, and one or more resilient ridges protruding from the second electrode layer toward the dielectric layer and the first electrode layer. The one or more resilient ridges create a gap separating the first and second electrode layers. When the sensor is in a rest configuration, the gap is disposed between the first and second electrode layers. The gap acts as a second dielectric layer. When the sensor is compressed, the first and second electrode layers move closer to each other, thereby decreasing the height of the gap and increasing the pressure sensitivity and capacitance of the sensor. In one example, the first electrode layer may include an elastomer layer and a conductive metal film disposed between the elastomer layer and the dielectric layer. In another embodiment, the second electrode layer may comprise an elastomer layer and a conductive metal film disposed on the elastomer layer. In a non-limiting example, the elastomer layer may include polydimethylsiloxane. The conductive metal film may include a wrinkled thin film of Au. The dielectric layer may include soft silicone rubber. In some embodiments, the pressure sensitivity of the sensor ranges from about 0.1 kPa −1 to about 0.2 kPa −1 in a pressure range between 0-10 kPa. The response time of the sensor is less than about 20 ms, preferably less than 10 ms.

いくつかの実施例では、導電層は、任意の薄いフィルム金属であってもよく、Auに限定されない。他の実例には、銅、銀、又はアルミニウムの薄いフィルムが含まれる。他の実施例では、電極層は、しわの寄った浸透回路網(percolating network)である、カーボン・ナノチューブの薄いフィルムを含み得る。いくつかの実施例では、エラストマー層は、シリコン・ベースの材料又はポリウレタンなどの非シリコン材料を含み得る。他の実施例では、シリコーン誘電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデン、又はジルコニア、チタニア、若しくはシリカの酸化物を含むがこれらに限定されない、他の誘電体材料で置き換えることができる。 In some embodiments, the conductive layer may be any thin film metal, including but not limited to Au. Other examples include thin films of copper, silver, or aluminum. In other embodiments, the electrode layer may include a thin film of carbon nanotubes, which is a wrinkled percolating network. In some embodiments, the elastomeric layer may include a silicon-based material or a non-silicon material, such as polyurethane. In other embodiments, the silicone dielectric material may be replaced with other dielectric materials, including but not limited to lead zirconate titanate, barium titanate, polyvinylidene fluoride, or oxides of zirconia, titania, or silica.

いくつかの態様では、本発明はまた、継続的な血圧監視用途向けに、軟質の静電容量ベースのセンサを作製するために組み立てることができる、伸縮性があり可撓な電極を製造する方法を提供する。いくつかの実施例によれば、静電容量式圧力センサを製造する方法は、第1の電極層を形成するために、導電性金属フィルムをシリコーン・エラストマー層に取り付けるステップと、導電性金属フィルムが、シリコーン・エラストマー層と誘電体層との間に配置されるように、誘電体層を第1の電極層に取り付けるステップと、第2の電極層を形成するために、第2の導電性金属フィルムを第2のシリコーン・エラストマー層に取り付けるステップであって、シリコーン・エラストマー層は、シリコーン・エラストマー層の表面から突出する1つ又は複数の弾性隆起部を備える、ステップと、1つ又は複数の弾性隆起部が、誘電体層及び第1の電極層の方に向けられるように、第1の電極層を第2の電極層に取り付けるステップとを含み得る。弾性隆起部は、第1の電極層と第2の電極層との間に空隙を作り出すよう構成される。たとえば弾性隆起部は、誘電体層及び第1の電極層を、第2の電極層と離して押し出すか又は分離する。しかしセンサが、たとえば動脈の拍動によって圧縮されると、第1の電極層及び第2の電極層は互いにより接近し、それにより、空隙の高さが減少し、センサの圧力感度及び静電容量が増加する。 In some aspects, the present invention also provides a method for manufacturing a stretchable and flexible electrode that can be assembled to create a soft capacitance-based sensor for continuous blood pressure monitoring applications. According to some embodiments, a method for manufacturing a capacitive pressure sensor may include attaching a conductive metal film to a silicone elastomer layer to form a first electrode layer, attaching the dielectric layer to the first electrode layer such that the conductive metal film is disposed between the silicone elastomer layer and the dielectric layer, attaching a second conductive metal film to a second silicone elastomer layer to form a second electrode layer, the silicone elastomer layer comprising one or more resilient ridges protruding from a surface of the silicone elastomer layer, and attaching the first electrode layer to the second electrode layer such that the one or more resilient ridges are directed toward the dielectric layer and the first electrode layer. The resilient ridges are configured to create an air gap between the first electrode layer and the second electrode layer. For example, the elastic ridges push or separate the dielectric layer and the first electrode layer away from the second electrode layer. However, when the sensor is compressed, for example by an arterial pulsation, the first and second electrode layers move closer together, thereby decreasing the gap height and increasing the pressure sensitivity and capacitance of the sensor.

いくつかの実施例では、該製造方法は、シリコーン・エラストマー層の表面から突出する1つ又は複数の弾性隆起部を備えるように、シリコーン・エラストマー層を成形するステップを含み得る。他の実施例では、該製造方法は、人工ニューラル・ネットワーク(ANN:artificial neural network)を使用して、静電容量式圧力センサをキャリブレーションするステップをさらに含み得る。キャリブレーションするステップは、測定された血圧信号及び1つ又は複数の生物学的入力変数からなるトレーニング・セットを使用して、ANNをトレーニングすることにより、キャリブレーション・モデルを生成するステップを含み得る。こうしたセンサは、引っ張り/曲げ/捩り歪みに耐えることができ、耐久性を向上させながら、人体に共形接触する軟質な機械的性質も維持する。ここで説明される軟質な静電容量式センサは、0~10kPaの圧力範囲で約0.1kPa-1~0.2kPa-1の圧力感度も有し、応答時間が高速である(<20ms)。 In some embodiments, the method may include molding the silicone elastomer layer to include one or more elastic ridges protruding from a surface of the silicone elastomer layer. In other embodiments, the method may further include calibrating the capacitive pressure sensor using an artificial neural network (ANN). The calibrating step may include generating a calibration model by training the ANN using a training set of measured blood pressure signals and one or more biological input variables. Such sensors can withstand tensile/bending/torsion strains, improving durability while also maintaining soft mechanical properties for conformal contact with the human body. The soft capacitive sensors described herein also have a pressure sensitivity of approximately 0.1 kPa −1 to 0.2 kPa −1 over a pressure range of 0 to 10 kPa, and a fast response time (<20 ms).

本発明の唯一的で創意に富んだ技術的特徴の1つは、2つの電極層間に空隙が形成されるように、対向する電極を支持する隆起部である。加えて、本発明は、隆起部と誘電体層とが別個の構成要素であるという特徴を有する。誘電体層は、空隙と使用される誘電体材料との両方からなる。空隙と誘電体材料との両方が存在する場合、誘電率は、この2つの組合せである。空気の誘電定数は1に等しいのに対して、PDMSなどのシリコーン・エラストマーは約3である。したがって、センサの誘電定数は、空気とシリコーン・エラストマーとのそれぞれが占める容積の割合に応じて、その中間のeとなる。圧力センサが圧縮されると、空隙の容積が減少し、誘電定数が増加して3により近くなる。本発明をどんな理論又は仕組みに限定することも望まないが、隆起部を誘電体層から分離することによる誘電定数の増加は、圧力感度をより高くすることに寄与した。本発明の創意に富んだ技術的特徴が、驚くべきことに、広い圧力範囲にわたって高感度であり、且つ動脈の拍動において、心拍ごとの血圧の高精度な測定を可能にする、センサを作り出すという結果をもたらした。現在知られている従来の参考文献又は研究のいずれも、本発明の唯一的で創意に富んだ技術的特徴を有していない。 One of the unique and inventive technical features of the present invention is the ridges that support the opposing electrodes such that an air gap is formed between the two electrode layers. In addition, the present invention has the feature that the ridges and the dielectric layer are separate components. The dielectric layer consists of both the air gap and the dielectric material used. When both the air gap and the dielectric material are present, the dielectric constant is a combination of the two. The dielectric constant of air is equal to 1, whereas a silicone elastomer such as PDMS is about 3. The dielectric constant of the sensor is therefore somewhere in between, e, depending on the percentage of the volume occupied by the air and the silicone elastomer, respectively. When the pressure sensor is compressed, the volume of the air gap decreases and the dielectric constant increases, closer to 3. While not wishing to limit the present invention to any theory or mechanism, the increase in the dielectric constant by separating the ridges from the dielectric layer contributed to a higher pressure sensitivity. The inventive technical features of the present invention surprisingly resulted in the creation of a sensor that is sensitive over a wide pressure range and allows for accurate beat-to-beat measurement of blood pressure in an arterial pulse. None of the currently known prior references or studies possess the unique and inventive technical features of the present invention.

さらに、従来の研究は、本発明とは離れた教示を行っている。たとえば、以前のセンサは、構造体のアレイを収容するよう形成された誘電体材料を利用していた。しかし、誘電定数を増加させ、圧力感度を増加させるという本発明の有利な方策は、誘電体層が微細構造化されている場合には実施できない。 Moreover, prior work has taught away from the present invention. For example, previous sensors have utilized dielectric materials that are shaped to house an array of structures. However, the present invention's advantageous approach of increasing the dielectric constant and increasing pressure sensitivity cannot be implemented when the dielectric layer is microstructured.

いくつかの実施例では、2つの隆起部を備えることは、構造体のアレイよりも有利である。というのは、2つの隆起部は、簡単に製造できるのに対して、構造体のアレイの製造は、時間のかかるプロセスであり且つ常に高い忠実度で生成するとは限らない、シリコン・ウェーハのエッチングを必要とするからである。誘電体構造体のアレイが圧縮されると、より一層圧縮されるほどに、たとえば空隙の容積が減少するほどに、機械的抵抗が生じ、圧縮する必要のある材料の量が増加する。2つの隆起部の圧縮は、より小さい機械的な力しか必要とせず、誘電材料の圧縮が事実上不要になるため、圧力感度が向上する。 In some embodiments, having two ridges is advantageous over an array of structures because two ridges are easy to fabricate, whereas fabricating an array of structures requires etching of a silicon wafer, a time-consuming process that does not always produce high fidelity. When an array of dielectric structures is compressed, the more it is compressed, e.g. the smaller the volume of the voids, the more mechanical resistance is created and the more material needs to be compressed. Compressing two ridges requires less mechanical force and effectively eliminates the need to compress the dielectric material, improving pressure sensitivity.

他の実施例によれば、本発明は、被験者の血圧を監視する方法を提供し、該方法は、静電容量式圧力センサを準備するステップと、センサを、被験者の橈骨動脈がある前腕又は手首に取り付けるステップと、センサを使用して被験者の血圧信号を測定するステップであって、橈骨動脈の拍動がセンサの圧縮を引き起こすと、センサが橈骨動脈の拍動に対応する血圧信号を検出する、ステップと、キャリブレーション・モデルを使用して、測定された信号から絶対血圧値を判定するステップとを含み得る。一態様では、血圧は継続的に監視できる。さらなる実施例では、該方法は、人工ニューラル・ネットワーク(ANN)を使用して、静電容量式圧力センサをキャリブレーションするステップを含む。このキャリブレーションするステップは、被験者からの複数の血圧信号を測定するステップと、被験者からの1つ又は複数の生物学的入力変数を測定するステップと、トレーニング・セットを形成するために、測定された血圧信号及び生物学的入力変数を組み合わせるステップと、キャリブレーション・モデルを生成するために、トレーニング・セットを使用してANNをトレーニングするステップとを含み得る。 According to another embodiment, the present invention provides a method for monitoring a subject's blood pressure, the method may include providing a capacitive pressure sensor, attaching the sensor to the subject's forearm or wrist where the radial artery resides, measuring a blood pressure signal of the subject using the sensor, where the sensor detects a blood pressure signal corresponding to a radial artery pulsation when the radial artery pulsation causes compression of the sensor, and using a calibration model to determine an absolute blood pressure value from the measured signal. In one aspect, blood pressure can be monitored continuously. In a further embodiment, the method includes calibrating the capacitive pressure sensor using an artificial neural network (ANN). The calibrating step may include measuring a plurality of blood pressure signals from the subject, measuring one or more biological input variables from the subject, combining the measured blood pressure signals and the biological input variables to form a training set, and training the ANN using the training set to generate a calibration model.

したがって、本発明は、心拍ごとの血圧を非侵襲的に、継続的に監視するための、動脈の血圧の自動キャリブレーションを可能にする。一実施例では、静電容量式センサは、FDA承認のClearSight(登録商標)デバイスに合わせてキャリブレーションできる。或いは、ClearSight(登録商標)デバイスなしでmmHgを出力するために、様々なパラメータを入力するニューラル・ネットワークを開発した。非限定的な実施例では、ニューラル・ネットワークは、モデルを作成するために、センサからの容量測定値、機械式センサによって加えられる圧力、脈拍数、EKG、加速度計のデータ、ジャイロスコープのデータ、磁気計のデータ、血行力学的監視データ、及びClearSight(登録商標)のデータなど、トレーニング・セットを構成する様々な入力を使用してトレーニングできる。血圧信号の測定値、及び1つ又は複数の生物学的入力変数を含むトレーニング・セットが、複数の被験者から取得され得る。この堅牢なモデルが作成された後、センサから静電容量の測定値を入力すると、絶対圧力が出力される。トレーニング・セットを生成する際に、モデルに対する被験者を、事前定義された既知のやり方で動かすことにより、この手法を使用してモーション・アーチファクトを差し引くこともできる。キャリブレーションされたセンサが同じ人に対して使用されると、センサで測定された拍動波形は、動脈の血圧と相関し得る。したがって、他のどんな入力もなしに、高精度の血圧測定読取り値を取得できる。たとえば、センサがキャリブレーションされると、最終ユーザによる追加の機器は必要ない。ユーザは、ただ橈骨動脈に圧力センサを配置するだけで、絶対mmHgが記録されることになる。 Thus, the present invention allows for automatic calibration of arterial blood pressure for non-invasive, continuous beat-to-beat blood pressure monitoring. In one embodiment, the capacitive sensor can be calibrated to the FDA-approved ClearSight® device. Alternatively, a neural network was developed to input various parameters to output mmHg without the ClearSight® device. In a non-limiting embodiment, the neural network can be trained using various inputs that make up a training set, such as capacitive measurements from the sensor, pressure applied by the mechanical sensor, pulse rate, EKG, accelerometer data, gyroscope data, magnetometer data, hemodynamic monitoring data, and ClearSight® data, to create a model. A training set including blood pressure signal measurements and one or more biological input variables can be obtained from multiple subjects. After this robust model is created, the input of capacitance measurements from the sensor outputs absolute pressure. This technique can also be used to subtract motion artifacts when generating a training set by moving subjects for the model in a predefined and known manner. When a calibrated sensor is used on the same person, the pulsatile waveform measured by the sensor can be correlated with arterial blood pressure. Thus, highly accurate blood pressure measurement readings can be obtained without any other input. For example, once the sensor is calibrated, no additional equipment is required by the end user. The user simply places the pressure sensor on the radial artery and absolute mmHg will be recorded.

本発明の別の唯一的で創意に富んだ技術的特徴は、継続的な機械式血圧センサをキャリブレーションするための、ニューラル・ネットワークの使用である。本発明をどんな理論又は仕組みに限定することも望まないが、本発明の技術的特徴は、有利なことには、心拍ごとの血圧の非侵襲的監視を提供すると考えられる。現在知られている従来の参考文献のいずれも、本発明の唯一的で創意に富んだ技術的特徴を有していない。 Another unique and inventive technical feature of the present invention is the use of a neural network to calibrate a continuous mechanical blood pressure sensor. Without wishing to limit the present invention to any theory or mechanism, it is believed that this technical feature of the present invention advantageously provides non-invasive beat-to-beat monitoring of blood pressure. None of the currently known prior references possess the unique and inventive technical feature of the present invention.

本明細書に記載のどの特徴、又は特徴の組合せも、任意のかかる組合せに含まれる特徴が、文脈、この明細書、及び当業者の知識から明らかになるものと相互に矛盾しない限り、本発明の範囲内に含まれる。本発明のさらなる利点及び態様は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲において、明らかである。 Any feature or combination of features described herein is included within the scope of the present invention, unless the features included in any such combination are mutually inconsistent as would be apparent from the context, this specification, and the knowledge of one of ordinary skill in the art. Further advantages and aspects of the present invention will become apparent in the following detailed description and claims.

本発明の特徴及び利点は、以下の添付図面と共に提示される、以下の詳細な説明を考察することにより明らかとなろう。 The features and advantages of the present invention will become apparent from a consideration of the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

本発明の静電容量式圧力センサの断面図である。誘電体層は、2つのしわの寄ったAuの薄いフィルム(wAu)層間に配置されている。電極のトレース縁部に沿った隆起部が存在することにより、空隙が形成されている。A cross-sectional view of a capacitive pressure sensor of the present invention, in which a dielectric layer is disposed between two wrinkled Au thin film (wAu) layers, with ridges along the electrode trace edges forming an air gap. 本発明の静電容量式圧力センサの断面図である。誘電体層は、2つのしわの寄ったAuの薄いフィルム(wAu)層間に配置されている。圧縮されると、空隙のエリアが減少し、それによって実効誘電定数が変化する。電極間の距離も短くなり、それによって静電容量が増加する。Figure 1 shows a cross-sectional view of a capacitive pressure sensor of the present invention. A dielectric layer is disposed between two wrinkled Au thin film (wAu) layers. When compressed, the area of the void decreases, thereby changing the effective dielectric constant. The distance between the electrodes also decreases, thereby increasing the capacitance. 軟質の静電容量式圧力センサを作製造するための、製造プロセスの非限定的な実施例を示す図である。ステップa)では、レーザ・カッタを使用して、シャドウ・マスク及びPS基板をエッチングした。ステップb)では、Auを、シャドウ・マスクを通してPS基板上にスパッタリングした。ステップc)では、シャドウ・マスクを取り除き、d)では、PS基板を140℃まで加熱して、2軸方向への収縮を助長する。ステップe)では、wAuをMPTMSで処理した後、シリコーン・エラストマーを基板の上にスピン・コーティングする。したがって、エッチングされた溝が象られる。ステップf)では、基板を有機溶媒に入れて、wAuを持ち上げてPSから離す。ステップg)では、電気的相互接続部を取り付けた後、電極層と誘電体層とを一体にプラズマ接合して、ステップh)では、最終デバイスを作製する。FIG. 1 shows a non-limiting example of a manufacturing process for making a flexible capacitive pressure sensor. In step a), a laser cutter is used to etch the shadow mask and the PS substrate. In step b), Au is sputtered onto the PS substrate through the shadow mask. In step c), the shadow mask is removed, and in step d), the PS substrate is heated to 140° C. to promote biaxial shrinkage. In step e), the wAu is treated with MPTMS, and then a silicone elastomer is spin-coated onto the substrate, thus defining the etched grooves. In step f), the substrate is placed in an organic solvent to lift the wAu off the PS. In step g), the electrical interconnects are attached, and then the electrode and dielectric layers are plasma-bonded together, and in step h), the final device is fabricated. 手首の、橈骨動脈の上に配置したときの、圧力センサの概略図である。血液の拍動が橈骨動脈を通るとき、圧力センサは変形する。ねじを使用して、圧力の増分を加え、橈骨動脈を圧平している。Schematic of a pressure sensor when placed on the wrist, over the radial artery. As blood pulsates through the radial artery, the pressure sensor deforms. A screw is used to apply incremental pressure to applanate the radial artery. 手首の、橈骨動脈の上に配置したときの、圧力センサの概略図である。血液の拍動が橈骨動脈を通るとき、圧力センサは変形する。ねじを使用して、圧力の増分を加え、橈骨動脈を圧平している。Schematic of a pressure sensor when placed on the wrist, over the radial artery. As blood pulsates through the radial artery, the pressure sensor deforms. A screw is used to apply incremental pressure to applanate the radial artery. 実施例である、静電容量式圧力センサ及びwAuの走査型電子顕微鏡(SEM:scanning electron microscope)の画像である。1 is a scanning electron microscope (SEM) image of an example capacitive pressure sensor and wAu. 微細隆起構造体の断面のSEM画像である。1 is a SEM image of a cross section of a micro-ridge structure. 電極間に存在する空隙のSEM画像である。1 is a SEM image of a gap that exists between electrodes. PDMS成形プロセスの際に形成された、PDMS弾性隆起部の高さプロファイルを示す図である。隆起部の縦横比は、収縮プロセスの間に増加する。FIG. 1 shows the height profile of a PDMS elastic ridge formed during a PDMS molding process, where the aspect ratio of the ridge increases during the shrinkage process. 0~10kPaでの、隆起部のある静電容量式圧力センサ(赤)、隆起部のない静電容量式圧力センサ(青)、及び平坦なAu電極で作製されたセンサ(緑)の、圧力感度曲線を示す図である。FIG. 14 shows pressure sensitivity curves from 0 to 10 kPa for a capacitive pressure sensor with ridges (red), a capacitive pressure sensor without ridges (blue), and a sensor made with flat Au electrodes (green). 隆起部がある場合対隆起部がない場合の、圧力センサの圧力感度曲線を示す図である。黒線は負荷をかけている状態を示し、色付きの線は負荷を取り外している状態を示す。負荷を取り外す前に加えた負荷の量は、色付きの線で、単位ニュートンで示している。1 shows the pressure sensitivity curves of a pressure sensor with ridges versus without ridges, where the black line shows the loaded condition and the colored line shows the unloaded condition. The amount of load applied before unloading is shown in Newtons by the colored line. 図7Bの挿入図であり、1Nの力(約40kPa)で負荷をかけ、負荷を取り外した後の、圧力センサの電気機械的応答性を示す図である。FIG. 7B is an inset showing the electromechanical response of the pressure sensor after loading with a force of 1 N (about 40 kPa) and after unloading. 5000サイクルにわたる、25kPaの繰返し負荷のグラフである。1 is a graph of cyclic loading of 25 kPa over 5000 cycles. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS:pressure sensitivity)曲線を示す図である。微細隆起構造体(高さ85μm、幅100μm)を備えた、7つの相異なる静電容量式センサのPS曲線を示している。1 shows pressure sensitivity (PS) curves of soft capacitive pressure sensors. PS curves of seven different capacitive sensors with micro-ridge structures (height 85 μm, width 100 μm) are shown. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS)曲線を示す図である。0~10kPaまでの、図10AのPS曲線の挿入図である。10A shows the pressure sensitivity (PS) curves of a soft capacitive pressure sensor, from 0 to 10 kPa, inset of the PS curves of FIG. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS)曲線を示す図である。より大きな微細隆起部(高さ190μm、幅600μm)を備えた、3つの相異なるセンサのPS曲線を示している。1 shows pressure sensitivity (PS) curves for soft capacitive pressure sensors. PS curves for three different sensors with larger micro-ridges (height 190 μm, width 600 μm) are shown. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS)曲線を示す図である。0~10kPaまでの、図10CのPS曲線の挿入図である。10C shows the pressure sensitivity (PS) curves of a soft capacitive pressure sensor, from 0 to 10 kPa, inset of the PS curves of FIG. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS)曲線を示す図である。微細隆起構造体のない、3つの相異なるセンサの湾曲PSを示している。1 shows pressure sensitivity (PS) curves of soft capacitive pressure sensors, showing the curvature PS of three different sensors without micro-ridge structures. 軟質の静電容量式圧力センサの圧力感度(PS)曲線を示す図である。0~10kPaまでの、図10EのPS曲線の挿入図である。10B shows the pressure sensitivity (PS) curves of a soft capacitive pressure sensor, from 0 to 10 kPa, inset of the PS curves of FIG. 10E. 圧力センサに歪みの衝撃を誘起した後の、信号応答を示す図である。Arduinoで制御されるリニア・アクチュエータに直径約2mmの小さなプローブを取り付けて、歪みの衝撃(<1ms)を誘起した。Figure 1 shows the signal response after inducing a strain shock on the pressure sensor. A small probe with a diameter of about 2 mm was attached to an Arduino-controlled linear actuator to induce the strain shock (<1 ms). Arduinoで制御されるリニア・アクチュエータに、直径約2mmの小さなプローブを取り付けたときの結果を示す図である。実験は、センサに事前に加えられた歪みから始まった。距離が増加するにつれて、プローブがセンサから離れる方向に移動するようにして、距離を測定した(距離がより短いほど、静電容量の一層大きな変化が生じる)。周期的な歪みを誘起したときの、圧力センサからの信号応答を示す図である。Figure 1 shows the results when a small probe, approximately 2 mm in diameter, is attached to an Arduino-controlled linear actuator. The experiment started with a pre-strain on the sensor. Distance was measured as the probe was moved away from the sensor as the distance increased (shorter distances result in larger changes in capacitance). Figure 2 shows the signal response from the pressure sensor when a periodic strain is induced. Arduinoで制御されるリニア・アクチュエータに、直径約2mmの小さなプローブを取り付けたときの結果を示す図である。実験は、センサに事前に加えられた歪みから始まった。距離が増加するにつれて、プローブがセンサから離れる方向に移動するようにして、距離を測定した(距離がより短いほど、静電容量の一層大きな変化が生じる)。約11Hzで測定された、加えられた周期的歪み及び圧力センサの信号応答の、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier transform)を示す図である。Figure 1 shows the results when a small probe, approximately 2 mm in diameter, is attached to an Arduino-controlled linear actuator. The experiment started with a pre-applied strain on the sensor. Distance was measured as the probe was moved away from the sensor as the distance increased (shorter distances result in larger changes in capacitance). Figure 2 shows the Fast Fourier transform (FFT) of the applied cyclic strain and pressure sensor signal response measured at approximately 11 Hz. 橈骨動脈の拍動を測定するために、圧力センサが手首にどのように取り付けられるかを示す、設定の図である。FIG. 1 is a diagram of the setup showing how a pressure sensor is attached to the wrist to measure radial artery pulsation. 図13Aの設定の、圧力センサ及び手首取付け構成要素を示す図である。FIG. 13B shows the pressure sensor and wrist mounted components of the setup of FIG. 13A. 心拍ごとの血圧を測定する際に、センサを配置した場所の写真画像である。1 is a photographic image of where the sensor was placed to measure beat-to-beat blood pressure. 静電容量式圧力センサ(上段)及びClearSight(登録商標)デバイス(下段)で測定された、動脈の拍動波形の実例を示す図である。FIG. 1 shows an example of an arterial pulsatile waveform measured with a capacitive pressure sensor (top) and a ClearSight® device (bottom). 図15Aの強調表示された区間からの、心血管の特徴を示す1つの拍動波形を示す図である。FIG. 15B shows a single beat waveform from the highlighted section of FIG. 15A, illustrating cardiovascular features. 静電容量式圧力センサとClearSight(登録商標)とを比較するために使用した、被験者1の4つの70心拍区間の実例を示す図である。動脈の拍動波形は黒で示され、SBP及びDBPは、赤で強調表示されている。FIG. 1 shows an example of four 70-beat intervals from subject 1 used to compare capacitive pressure sensors with ClearSight®. The arterial pulse waveform is shown in black, and the SBP and DBP are highlighted in red. 圧力センサとClearSight(登録商標)との間の、SBP、DBP、及びMAPの線形回帰分析を示す図である。FIG. 13 shows linear regression analysis of SBP, DBP, and MAP between pressure sensor and ClearSight®. SBPについての、被験者1からの圧力センサのキャリブレーション・モデルの実例を示す図である。FIG. 13 shows an example of a pressure sensor calibration model from subject 1 for SBP. DBPについての、被験者1からの圧力センサのキャリブレーション・モデルの実例を示す図である。FIG. 13 shows an example of a calibration model of the pressure sensor from subject 1 for DBP. MAPについての、被験者1からの圧力センサのキャリブレーション・モデルの実例を示す図である。FIG. 13 shows an example of a calibration model of the pressure sensor from subject 1 for MAP. 組み合わされた、すべての被験者についてのBland-Altmanプロットを示す図である。データには、合計9つの別々のテストのために被験者1に使用した、相異なるセンサが含まれている。破線は、2つの標準偏差を示し、実線は、平均誤差(mean bias)を示している。Figure 1 shows the combined Bland-Altman plot for all subjects. The data includes the different sensors used on subject 1 for a total of 9 separate tests. The dashed lines show the two standard deviations and the solid line shows the mean bias. ECG(mV)及び橈骨動脈に配置した圧力センサ(pF)を使った、拍動通過時間(PTT:pulse transit time)測定方法を示す図である。FIG. 1 shows a method for measuring pulse transit time (PTT) using ECG (mV) and a pressure sensor (pF) placed in the radial artery. ECGを使用して測定されたPTT-1(円の実線)が、圧力センサで測定された血圧変動において、同様の傾向を有することを示す図である。FIG. 10 shows that PTT −1 (solid circle line) measured using ECG has a similar trend in blood pressure fluctuations measured with a pressure sensor. PTT-1の、圧力センサとの相関関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the correlation of PTT -1 with a pressure sensor. PTT-1の、ClearSight(登録商標)との相関関係を示す図である。FIG. 1 shows the correlation of PTT -1 with ClearSight®. 様々な時間に測定し、次いで、ClearSight(登録商標)によって生成したPTTモデルを使用してキャリブレーションした、60秒の圧力センサのデータを示す図である。収縮期ピークのBland-Altman分析は、FDA承認用のISO規格の範囲内の、平均誤差及び標準偏差を示している。Figure 1 shows 60 seconds of pressure sensor data measured at various times and then calibrated using the PTT model generated by ClearSight®. Bland-Altman analysis of the systolic peak shows mean error and standard deviation within the ISO specifications for FDA approval. 左から右に、プラズマ接合した静電容量式圧力センサ、個々の電極、及び静電容量式圧力センサの4x4感知グリッドを示す図である。From left to right, a plasma-bonded capacitive pressure sensor, individual electrodes, and a 4x4 sensing grid of capacitive pressure sensors. 2つの感知エリアを使った拍動測定を示す図である。FIG. 13 shows pulsatile measurement using two sensing areas. 同じセンサ上の相異なる場所の圧力を空間的に分解する、センサの機能を実証する図である。データの取得は、Texas Instruments FDC2214EVMを使用して実行した。10 demonstrates the ability of the sensor to spatially resolve pressure at different locations on the same sensor. Data acquisition was performed using a Texas Instruments FDC2214EVM.

「符号の説明」は、本明細書で参照される特定の要素に対応する、要素のリストである。 "Explanation of symbols" is a list of elements that correspond to specific elements referenced in this specification.

ここで図1A~図1Bを参照すると、いくつかの実施例で、本発明は、静電容量式圧力センサ(100)を特徴とする。センサ(100)は、第1の電極層(110)と、第2の電極層(120)と、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)との間に並置された誘電体層(130)とを備え得る。センサ(100)が、図1Aに示されるような静止構成にあるとき、空隙(140)が、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)との間に配置される。空隙(140)は、第2の誘電体層として作用できる。好ましい実施例では、センサ(100)は、曲げることができ、圧縮可能であり、可撓性である。図1Bに示されるように、センサ(100)が圧縮されると、空隙の高さが減少し、それにより、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)とが互いにより接近し、センサの圧力感度及び静電容量が増す。本発明をどんな理論又は仕組みに限定することも望まないが、本発明は、有利なことに、高い電気機械的信頼性、高い圧力感度、迅速な応答時間、及び低いエネルギー消費量の圧力センサを提供すると考えられる。現在知られている従来の参考文献又は研究のいずれも、本発明の唯一的で創意に富んだ技術的特徴を有していない。 1A-1B, in some embodiments, the present invention features a capacitive pressure sensor (100). The sensor (100) may include a first electrode layer (110), a second electrode layer (120), and a dielectric layer (130) juxtaposed between the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120). When the sensor (100) is in a resting configuration as shown in FIG. 1A, a gap (140) is disposed between the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120). The gap (140) may act as a second dielectric layer. In a preferred embodiment, the sensor (100) is bendable, compressible, and flexible. As shown in FIG. 1B, when the sensor (100) is compressed, the height of the gap decreases, which brings the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120) closer together, increasing the pressure sensitivity and capacitance of the sensor. Without wishing to limit the invention to any theory or mechanism, it is believed that the present invention advantageously provides a pressure sensor with high electromechanical reliability, high pressure sensitivity, fast response time, and low energy consumption. None of the currently known prior references or studies have the unique and inventive technical features of the present invention.

いくつかの実施例では、第1の電極層(110)は、エラストマー層(112)、及びエラストマー層(112)に接して配置された導電性フィルム(114)を備え得る。誘電体層(130)は、第1の電極層(110)の導電性フィルム(114)に接して配置され得る。他の実施例では、第2の電極層(120)は、エラストマー層(122)、及びシリコーン・エラストマー層(122)に接して配置された導電性フィルム(124)を備え得る。さらなる実施例では、第2の電極層(120)は、第2の電極層(120)から第1の電極層(110)に向かって突出する弾性隆起部(125)を備えることができ、隆起部は、静止構成において、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)とを分離する空隙を作り出す。一実施例では、導電性フィルム(124)は、弾性隆起部(125)間に配置され得る。弾性隆起部(125)は、好ましくは、センサ(100)が圧縮されたときに空隙の高さを減少させるように曲がることができる。本明細書で使用される場合、空隙の高さとは、誘電体層(130)と第2の電極層(120)の導電性フィルム(124)との間の距離を指すことができる。 In some embodiments, the first electrode layer (110) may comprise an elastomer layer (112) and a conductive film (114) disposed on the elastomer layer (112). A dielectric layer (130) may be disposed on the conductive film (114) of the first electrode layer (110). In other embodiments, the second electrode layer (120) may comprise an elastomer layer (122) and a conductive film (124) disposed on the silicone elastomer layer (122). In further embodiments, the second electrode layer (120) may comprise a resilient ridge (125) protruding from the second electrode layer (120) towards the first electrode layer (110), the ridge creating an air gap separating the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120) in a rest configuration. In one embodiment, the conductive film (124) may be disposed between resilient ridges (125). The resilient ridges (125) may preferably bend to reduce the height of the gap when the sensor (100) is compressed. As used herein, the height of the gap may refer to the distance between the dielectric layer (130) and the conductive film (124) of the second electrode layer (120).

一実施例では、弾性隆起部(125)は、2つの隆起部を備え得る。隆起部は、第2の電極層(120)上で互いに平行であり得る。他の実施例では、弾性隆起部(125)は、3つ以上の隆起部を備えてもよい。いくつかの実施例では、弾性隆起部は、図に示されるように、三角形の輪郭又は断面を有する細長いストリップであり得る。三角形の隆起部の尖った遠位端は、対向する電極層の誘電体層に接触し得る。他の実施例では、弾性隆起部は、「U」字の上下逆の輪郭を有していてもよい。いくつかの他の実施例では、弾性隆起部は、ピラミッド構造体、たとえば、2つのピラミッド構造体であってもよい。 In one embodiment, the elastic ridge (125) may comprise two ridges. The ridges may be parallel to each other on the second electrode layer (120). In other embodiments, the elastic ridge (125) may comprise three or more ridges. In some embodiments, the elastic ridge may be an elongated strip having a triangular profile or cross-section, as shown in the figures. The pointed distal end of the triangular ridge may contact the dielectric layer of the opposing electrode layer. In other embodiments, the elastic ridge may have an upside-down "U" profile. In some other embodiments, the elastic ridge may be a pyramidal structure, e.g., two pyramidal structures.

いくつかの実施例では、エラストマー層(112、122)は、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーンを含み得る。他の実施例では、エラストマー層(112、122)は、ポリウレタンなどの非シリコーン・エラストマーを含んでもよい。 In some embodiments, the elastomeric layers (112, 122) may include a silicone, such as polydimethylsiloxane. In other embodiments, the elastomeric layers (112, 122) may include a non-silicone elastomer, such as polyurethane.

他のいくつかの実施例では、導電性フィルム(114、124)は金属フィルムである。金属フィルムは、しわの寄ったAuの薄いフィルムなど、しわがあり得る。本発明に従って使用できる他の導電性材料には、銅、銀、又はアルミニウムの薄いフィルムなどの金属が含まれるが、これらに限定されるものではない。別法として、導電性ナノ材料の浸透回路網を、カーボン・ナノチューブなどの導電性電極として使用できる。 In some other embodiments, the conductive film (114, 124) is a metal film. The metal film may be wrinkled, such as a wrinkled Au thin film. Other conductive materials that may be used in accordance with the present invention include, but are not limited to, metals such as copper, silver, or aluminum thin films. Alternatively, a percolating network of conductive nanomaterials may be used as the conductive electrodes, such as carbon nanotubes.

さらに他の実施例では、誘電体層(130)は、Ecoflexなどの軟質シリコーン・ゴムを含み得る。したがって、センサが静止構成にあるとき、センサの誘電定数は約1である。センサが圧縮されていると、誘電定数は約3となり得る。いくつかの他の実施例では、誘電体層(130)は、より高い誘電定数を有する誘電体材料を含んでもよい。たとえば、誘電体材料の誘電定数は3より大きくてもよい。より高い誘電定数を有する誘電体の実例には、ジルコニア、チタニア、又はシリカなどの酸化物、及びチタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの圧電材料が含まれるが、これらに限定されるものではない。本発明を特定の理論又は仕組みに限定することは望まないが、誘電体材料は、該材料の誘電定数が空気の誘電定数である1よりもはるかに大きくなるよう選択される。これにより、センサが圧縮されたときの誘電定数の変化をより大きくし、したがって圧力感度を向上させることを可能にし得る。 In yet another embodiment, the dielectric layer (130) may include a soft silicone rubber such as Ecoflex. Thus, when the sensor is in a resting configuration, the dielectric constant of the sensor is about 1. When the sensor is compressed, the dielectric constant may be about 3. In some other embodiments, the dielectric layer (130) may include a dielectric material having a higher dielectric constant. For example, the dielectric constant of the dielectric material may be greater than 3. Examples of dielectrics having a higher dielectric constant include, but are not limited to, oxides such as zirconia, titania, or silica, and piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO3), and polyvinylidene fluoride (PVDF). While not wishing to limit the invention to a particular theory or mechanism, the dielectric material is selected such that the dielectric constant of the material is much greater than 1, which is the dielectric constant of air. This may allow for a larger change in the dielectric constant when the sensor is compressed, thus improving pressure sensitivity.

一実施例では、センサの圧力感度は、0~10kPaの圧力範囲において、約0.1kPa-1から約0.2kPa-1であり得る。別の実施例では、センサの応答時間は、約20ms未満、好ましくは10ms未満である。 In one embodiment, the pressure sensitivity of the sensor may be from about 0.1 kPa −1 to about 0.2 kPa −1 over a pressure range of 0 to 10 kPa. In another embodiment, the response time of the sensor is less than about 20 ms, preferably less than 10 ms.

いくつかの実施例によれば、本発明は、被験者の血圧を監視する方法を特徴とする。該方法は、本明細書に記載の静電容量式圧力センサ(100)のいずれか1つを準備するステップと、センサを被験者の橈骨動脈がある前腕又は手首に取り付けるステップと、センサを圧力計に動作可能に接続するステップとを含み得る。本発明を特定の理論又は仕組みに限定することは望まないが、橈骨動脈の拍動が、センサの圧縮を引き起こし、センサは、橈骨動脈の拍動に対応する信号を検出して、該信号を圧力計に送信する。次いで、圧力計は、該信号から血圧を判定する、たとえば計算することができる。 According to some embodiments, the invention features a method of monitoring a subject's blood pressure. The method may include providing any one of the capacitive pressure sensors (100) described herein, attaching the sensor to the subject's forearm or wrist where the radial artery resides, and operably connecting the sensor to a pressure gauge. Without wishing to limit the invention to any particular theory or mechanism, pulsation of the radial artery causes compression of the sensor, which detects a signal corresponding to the pulsation of the radial artery and transmits the signal to the pressure gauge. The pressure gauge can then determine, e.g., calculate, the blood pressure from the signal.

さらに別の実施例では、被験者の血圧を監視する方法は、静電容量式圧力センサ(100)を、被験者の橈骨動脈がある前腕又は手首に取り付けるステップと、センサ(100)を使用して被験者の血圧信号を測定するステップであって、橈骨動脈の拍動がセンサの圧縮を引き起こし、センサ(100)が橈骨動脈の拍動に対応する血圧信号を検出する、ステップと、キャリブレーション・モデルを使用して、測定された信号から絶対血圧値を判定するステップとを含み得る。さらなる実施例では、該監視する方法は、人工ニューラル・ネットワーク(ANN)を使用して、静電容量式圧力センサ(100)をキャリブレーションするステップをさらに含み得る。キャリブレーションするステップは、被験者からの複数の血圧信号を測定するステップと、被験者からの1つ又は複数の生物学的入力変数を測定するステップと、トレーニング・セットを形成するために、測定された血圧信号及び生物学的入力変数を組み合わせるステップと、キャリブレーション・モデルを生成するために、トレーニング・セットを使用してANNをトレーニングするステップとを含み得る。キャリブレーション・モデルは、センサ(100)をキャリブレーションするために使用され、測定された信号から絶対血圧値を判定することを可能にする。他の実施例では、キャリブレーションするステップは、トレーニング・セットに動きデータを含むことによって、モーション・アーチファクトを差し引くステップをさらに含み得る。いくつかの実施例では、トレーニング・セットは、複数の被験者からの血圧信号の測定値、及び1つ又は複数の生物学的入力変数を含み得る。他の実施例では、1つ又は複数の生物学的入力変数には、センサ圧力、脈拍数、EKGのデータ、加速度計のデータ、ジャイロスコープのデータ、磁力計のデータ、又は血行力学的監視データが含まれ得る。 In yet another embodiment, a method for monitoring a subject's blood pressure may include attaching a capacitive pressure sensor (100) to the subject's forearm or wrist where the radial artery is located; measuring a blood pressure signal of the subject using the sensor (100), where pulsation of the radial artery causes compression of the sensor and the sensor (100) detects a blood pressure signal corresponding to the pulsation of the radial artery; and determining an absolute blood pressure value from the measured signal using a calibration model. In a further embodiment, the monitoring method may further include calibrating the capacitive pressure sensor (100) using an artificial neural network (ANN). The calibrating step may include measuring a plurality of blood pressure signals from the subject, measuring one or more biological input variables from the subject, combining the measured blood pressure signals and the biological input variables to form a training set, and training the ANN using the training set to generate a calibration model. The calibration model is used to calibrate the sensor (100) and allows for determining an absolute blood pressure value from the measured signal. In other examples, the calibrating step may further include subtracting motion artifacts by including motion data in the training set. In some examples, the training set may include blood pressure signal measurements from multiple subjects and one or more biological input variables. In other examples, the one or more biological input variables may include sensor pressure, pulse rate, EKG data, accelerometer data, gyroscope data, magnetometer data, or hemodynamic monitoring data.

一実例では、キャリブレーション・モデルは、拍動通過時間(PTT)を含む、追加の生理学的パラメータを利用できる。PTTは、血液の拍動が、あるポイントから別のポイントに移動するのにかかる時間である。これは、心電図(ECG:electrocardiogram)、及び橈骨動脈上の圧力センサなどの近位センサを使用して測定できる。これら2つの構成要素により、拍動の開始、及びその拍動が橈骨動脈に到達するまでにかかる時間を検出できる。より圧力が高いほど、拍動を身体全体に一層速く送ることができるため、PTTは血圧と相関し得る。PTTは、静電容量式圧力センサを基準値にキャリブレーションするのに役立ち得る。したがって、PTT及び静電容量式センサの情報を組み合わせて使用し、圧力センサをキャリブレーションするためのANNを生成することができる。 In one example, the calibration model can utilize additional physiological parameters, including pulse transit time (PTT). PTT is the time it takes for a pulse of blood to travel from one point to another. This can be measured using an electrocardiogram (ECG) and a proximal sensor, such as a pressure sensor on the radial artery. These two components can detect the start of a pulse and the time it takes for that pulse to reach the radial artery. PTT can correlate with blood pressure, since higher pressure allows the pulse to be sent through the body faster. PTT can help calibrate a capacitive pressure sensor to a reference value. Thus, the PTT and capacitive sensor information can be used in combination to generate an ANN for calibrating the pressure sensor.

一実施例では、センサを使用して、被験者の、たとえば心拍ごとの血圧を継続的に監視できる。別の実施例では、やはりセンサを使用して、ただ1回の血圧測定を行うこともできる。センサは、好ましくは、非侵襲的に血圧を監視するために使用できる。いくつかの実施例では、センサ(100)は、接着テープ、又は調節可能な若しくは弾性のバンドなどのカフによって、前腕又は手首に取り付けられ得る。 In one embodiment, the sensor can be used to continuously monitor the subject's blood pressure, for example beat-to-beat. In another embodiment, the sensor can also be used to perform a single blood pressure measurement. The sensor can preferably be used to monitor blood pressure non-invasively. In some embodiments, the sensor (100) can be attached to the forearm or wrist by adhesive tape or a cuff, such as an adjustable or elastic band.

他の実施例によれば、本発明は、静電容量式圧力センサ(100)を製造する方法を特徴とする。該方法は、第1の電極層(110)を形成するために、導電性金属フィルム(114)をエラストマー層(112)に取り付けるステップと、導電性金属フィルム(114)がエラストマー層(112)と誘電体層(130)との間に配置されるように、誘電体層(130)を第1の電極層(110)に取り付けるステップと、第2の電極層(120)を形成するために、第2の導電性金属フィルム(124)を、第2のエラストマー層の表面から突出する弾性隆起部(120)を備える、第2のエラストマー層(122)に取り付けるステップと、第1の電極層(110)を第2の電極層(120)に取り付けるステップとを含み得る。弾性隆起部(120)は、好ましくは、第1の電極層(110)の方に向けられ、誘電体層(130)は、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)との間に並置される。したがって、弾性隆起部(125)は、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)との間に空隙(140)を作り出す。センサ(100)が圧縮されると、空隙の高さが減少し、それにより、第1の電極層(110)と第2の電極層(120)とが互いにより接近し、圧力感度及びセンサの静電容量が増す。 According to another embodiment, the invention features a method of manufacturing a capacitive pressure sensor (100). The method may include attaching a conductive metal film (114) to an elastomeric layer (112) to form a first electrode layer (110), attaching a dielectric layer (130) to the first electrode layer (110) such that the conductive metal film (114) is disposed between the elastomeric layer (112) and the dielectric layer (130), attaching a second conductive metal film (124) to a second elastomeric layer (122) having a resilient ridge (120) protruding from a surface of the second elastomeric layer to form a second electrode layer (120), and attaching the first electrode layer (110) to the second electrode layer (120). The elastic ridges (120) are preferably oriented toward the first electrode layer (110), and the dielectric layer (130) is juxtaposed between the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120). The elastic ridges (125) thus create an air gap (140) between the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120). When the sensor (100) is compressed, the height of the air gap decreases, thereby bringing the first electrode layer (110) and the second electrode layer (120) closer together, increasing the pressure sensitivity and capacitance of the sensor.

代替の実施例では、本発明は、こうしたセンサのグリッドを使用することによって、相異なるエリアを感知する機能を有し得る。これは、橈骨動脈の最適な場所を空間的に分解できるようにするために重要である。これは、製造プロセスに追加の電極を導入することにより実現され得る。本発明は、4x4グリッド・センサに限定されないことを理解されたい。他の実施例では、感知する「ピクセル」の量は、任意のサイズ、たとえば、1x1、2x2、3x3、5x5、10x10、100x100などであり得る。別法として又は組み合わせて、複数のセンサを一緒に使用して、マッピング機能(空間分解能)を使用可能にすることができる。たとえば、2~5個のセンサが、相異なるエリアを感知するために、互いに動作可能に結合され得る。 In an alternative embodiment, the present invention may have the ability to sense different areas by using a grid of such sensors. This is important to be able to spatially resolve the optimal location of the radial artery. This may be achieved by introducing additional electrodes into the manufacturing process. It should be understood that the present invention is not limited to a 4x4 grid sensor. In other embodiments, the amount of sensing "pixels" may be any size, e.g., 1x1, 2x2, 3x3, 5x5, 10x10, 100x100, etc. Alternatively or in combination, multiple sensors may be used together to enable mapping capabilities (spatial resolution). For example, 2-5 sensors may be operatively coupled to each other to sense different areas.

いくつかの他の実施例によれば、本発明は、人工ニューラルネットワーク(ANN)を使用して、機械的で継続的な血圧モニタをキャリブレーションする方法を特徴とする。非限定的な実例として、該方法は、機械的で継続的な血圧モニタを準備するステップと、血圧モニタを患者に使用するステップと、患者の複数の機械的血圧信号を測定するステップと、患者の1つ又は複数の追加の生物学的入力変数を測定するステップと、トレーニング・セットを形成するために、測定された機械的血圧信号及び追加の生物学的入力変数を組み合わせるステップと、キャリブレーション・モデルを生成するために、トレーニング・セットを使用してANNをトレーニングするステップと、血圧モニタを使用して患者の血圧を継続的に測定できるように、キャリブレーション・モデルを使用して血圧モニタをキャリブレーションするステップとを含み得る。 According to some other embodiments, the invention features a method for calibrating a mechanical continuous blood pressure monitor using an artificial neural network (ANN). By way of non-limiting example, the method may include providing a mechanical continuous blood pressure monitor, using the blood pressure monitor on a patient, measuring a plurality of mechanical blood pressure signals of the patient, measuring one or more additional biological input variables of the patient, combining the measured mechanical blood pressure signals and the additional biological input variables to form a training set, training the ANN using the training set to generate a calibration model, and calibrating the blood pressure monitor using the calibration model such that the blood pressure monitor can be used to continuously measure the patient's blood pressure.

いくつかの実施例では、血圧モニタは、本明細書に記載の静電容量式圧力センサのいずれかを備え得る。非限定的な実例として、静電容量式圧力センサは、第1の電極層と、第2の電極層と、第1の電極層及び第2の電極層の間に並置された誘電体層とを備え得る。好ましい実施例では、センサが静止構成にあるとき、第1の電極層と第2の電極層との間に空隙が配置され、センサが圧縮されると、空隙の高さが減少し、それによって第1の電極層と第2の電極層とが互いにより近くなり、センサの圧力感度及び静電容量が増す。 In some embodiments, the blood pressure monitor may include any of the capacitive pressure sensors described herein. By way of non-limiting example, the capacitive pressure sensor may include a first electrode layer, a second electrode layer, and a dielectric layer juxtaposed between the first and second electrode layers. In a preferred embodiment, when the sensor is in a resting configuration, an air gap is disposed between the first and second electrode layers, and when the sensor is compressed, the height of the air gap decreases, thereby bringing the first and second electrode layers closer together and increasing the pressure sensitivity and capacitance of the sensor.

いくつかの実施例では、血圧モニタは、橈骨動脈又は別の動脈などの、被験者の動脈に使用され得る。いくつかの実施例では、血圧モニタは、心拍ごとの血圧を測定するためにキャリブレーションされ得る。いくつかの実施例では、トレーニング・セットは、複数の患者からの測定値を含み得る。非限定的な実例として、トレーニング・セットは、数十人、数百人、数千人、数万人、又はそれを上回る患者からの測定値を含み得る。一実施例によれば、キャリブレーションされた血圧モニタは、再キャリブレーションを必要とすることなく、高い精度で新しい患者に使用できる。 In some embodiments, the blood pressure monitor may be used on an artery of the subject, such as the radial artery or another artery. In some embodiments, the blood pressure monitor may be calibrated to measure beat-to-beat blood pressure. In some embodiments, the training set may include measurements from multiple patients. By way of non-limiting example, the training set may include measurements from tens, hundreds, thousands, tens of thousands, or more patients. According to one embodiment, the calibrated blood pressure monitor may be used on a new patient with high accuracy without the need for recalibration.

いくつかの実施例では、機械的血圧信号は、拍動波形を含み得る。いくつかの実施例では、追加の生物学的入力変数には、センサ圧力、脈拍数、EKGのデータ、加速度計のデータ、ジャイロスコープのデータ、磁力計のデータ、又は血行力学的監視データが含まれる。いくつかの実施例では、該方法は、モーション・アーチファクトを差し引くステップをさらに含み得る。非限定的な実例として、モーション・アーチファクトは、トレーニング・セットに動きデータを含むことによって、差し引くことができる。非限定的な実例として、動きデータは、患者を所定の態様で動かすことによって、トレーニング・セットに含むことができる。 In some embodiments, the mechanical blood pressure signal may include a pulsatile waveform. In some embodiments, the additional biological input variables include sensor pressure, pulse rate, EKG data, accelerometer data, gyroscope data, magnetometer data, or hemodynamic monitoring data. In some embodiments, the method may further include subtracting motion artifacts. As a non-limiting example, the motion artifacts may be subtracted by including motion data in the training set. As a non-limiting example, the motion data may be included in the training set by moving the patient in a predetermined manner.

一実施例では、本発明は、キャリブレーションされた、機械的で継続的な血圧モニタを特徴とする。非限定的な実例として、モニタは、拍動ごとの血圧の継続的な監視を可能にするよう構成された静電容量式圧力センサと、静電容量式圧力センサからの複数の測定値を使用して、人工ニューラルネットワーク(ANN)によって生成されたキャリブレーション・モデルとを備え得る。いくつかの実施例では、キャリブレーションされた血圧モニタは、追加のデータ入力なしで高精度の血圧測定を実現するよう構成され得る。 In one embodiment, the invention features a calibrated, mechanical, continuous blood pressure monitor. By way of non-limiting example, the monitor may include a capacitive pressure sensor configured to enable continuous monitoring of beat-to-beat blood pressure, and a calibration model generated by an artificial neural network (ANN) using multiple measurements from the capacitive pressure sensor. In some embodiments, the calibrated blood pressure monitor may be configured to provide high accuracy blood pressure measurements without additional data input.

いくつかの実施例では、複数の測定値は、単一の患者又は複数の患者からのものであり得る。いくつかの実施例では、静電容量式圧力センサは、使い捨て又は再利用可能であり得る。いくつかの実施例では、センサは、患者の皮膚表面に取り付けられるよう構成され得る。非限定的な実例として、センサは、患者の動脈の上に取り付けられ得る。好ましい実施例では、モニタは、単一のセンサを備え得る。別法として、複数のセンサを組み合わせて使用してもよい。 In some embodiments, the multiple measurements may be from a single patient or from multiple patients. In some embodiments, the capacitive pressure sensor may be disposable or reusable. In some embodiments, the sensor may be configured to be attached to a skin surface of the patient. As a non-limiting example, the sensor may be attached above an artery of the patient. In a preferred embodiment, the monitor may include a single sensor. Alternatively, multiple sensors may be used in combination.

一実施例では、本発明は、血圧監視を必要とする被験者の、心拍ごとの血圧を継続的に監視する方法を特徴とする。非限定的な実例として、該方法は、キャリブレーションされた機械的で連続的な血圧モニタを準備するステップと、モニタを被験者の橈骨動脈がある被験者の前腕又は手首に取り付けるステップと、モニタを使用して被験者の機械的血圧信号を測定するステップと、絶対血圧値を判定するために、キャリブレーション・モデルを使用して、測定された信号を解釈するステップと含み得る。いくつかの実施例では、モニタは、静電容量式圧力センサを備え得る。いくつかの実施例では、該方法は、非侵襲的であり得る。いくつかの実施例では、モニタのキャリブレーションは、人工ニューラルネットワーク(ANN)を使用して行うことができる。いくつかの実施例では、モニタは、接着テープ又はカフによって被験者の皮膚表面に取り付けられる。 In one embodiment, the invention features a method for continuously monitoring beat-to-beat blood pressure of a subject in need of blood pressure monitoring. By way of non-limiting example, the method may include providing a calibrated mechanical continuous blood pressure monitor, attaching the monitor to the subject's forearm or wrist where the subject's radial artery resides, measuring the subject's mechanical blood pressure signal using the monitor, and interpreting the measured signal using a calibration model to determine an absolute blood pressure value. In some embodiments, the monitor may include a capacitive pressure sensor. In some embodiments, the method may be non-invasive. In some embodiments, calibration of the monitor may be performed using an artificial neural network (ANN). In some embodiments, the monitor is attached to the subject's skin surface by adhesive tape or a cuff.

他の実施例では、本発明の圧力センサは、身体の他の部分に使用でき、前腕又は手首への使用に限定されるものではない。たとえば、センサは、首、上腕、胸、脚などに取り付けられ得る。 In other embodiments, the pressure sensor of the present invention can be used on other parts of the body and is not limited to use on the forearm or wrist. For example, the sensor can be attached to the neck, upper arm, chest, leg, etc.

さらに他の実施例では、本発明は、圧力測定値、流量などを必要とする、他の用途で実施できる。非限定的な実施例として、圧力センサは、パイプなどの構造物に使用できる。
実例
In yet other embodiments, the present invention may be implemented in other applications requiring pressure measurements, flow rates, etc. As a non-limiting example, pressure sensors may be used in structures such as pipes.
Real-life examples

以下は、本発明の非限定的な実例である。該実例は、いかなる形であれ、本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。同等物又は代替物は、本発明の範囲内にある。 The following are non-limiting examples of the present invention. It should be understood that the examples are not intended to limit the present invention in any manner. Equivalents or alternatives are within the scope of the present invention.

実験 experiment

静電容量ベースの圧力センサの製造 Manufacturing of capacitance-based pressure sensors

センサは、しわの寄った電極、誘電体層、空隙、及びエッチングした隆起部を有するしわの寄った電極の4層で構成した。図2を参照して、両方の電極を製造するためのプロセスは、予め応力を加えたポリスチレン(PS)基板(Grafix Shrink Film KSF50-C、Grafix Arts、OH)を、70%エタノールですすぐことから始めた。センサのデザインは、AutoCAD(Autodesk,Inc.、CA)を使用して開発し、レーザ・カッタ(Universal Laser、AZ)を使用して、接着性ポリマー・フィルム(Grafix Frisket Film、Grafix Arts、OH)で作製したシャドウ・マスク上にパターン形成した。デザインは、収縮後の最終的な電極寸法が、幅2mm、長さ15mmになるよう作成した。まずFrisketフィルムをPS基板の上面に配置し、次いで、センサのデザインを、マスキングされたPS基板上にパターン形成した。隆起部がエッチングされた電極については、より高い電力設定(0.5%電力、3%速度、1000PPI)を使用して、電極の側部に沿ってPS基板にエッチングを行った。両方の基板をマスキングしてパターン形成した後、マグネトロン・スパッタ・コータ(Q150R、Quorum Technologies、UK)を使用して、各PS基板上に15nmのAuを堆積させた。 The sensor was constructed with four layers: a wrinkled electrode, a dielectric layer, an air gap, and a wrinkled electrode with etched ridges. With reference to FIG. 2, the process for fabricating both electrodes began with rinsing a pre-stressed polystyrene (PS) substrate (Grafix Shrink Film KSF50-C, Grafix Arts, OH) with 70% ethanol. The sensor design was developed using AutoCAD (Autodesk, Inc., CA) and patterned using a laser cutter (Universal Laser, AZ) onto a shadow mask made of an adhesive polymer film (Grafix Friskeet Film, Grafix Arts, OH). The design was created such that the final electrode dimensions after shrinkage were 2 mm wide and 15 mm long. The Friskette film was first placed on top of the PS substrate, and then the sensor design was patterned onto the masked PS substrate. For the ridge-etched electrodes, higher power settings (0.5% power, 3% speed, 1000 PPI) were used to etch into the PS substrate along the sides of the electrodes. After both substrates were masked and patterned, 15 nm of Au was deposited onto each PS substrate using a magnetron sputter coater (Q150R, Quorum Technologies, UK).

続いて、シャドウ・マスクを取り除き、スパッタされた基板を140℃の対流式オーブンに入れて、Auフィルムの2軸方向への収縮及びしわを誘起した。収縮したサンプルを、純粋なエタノール中の5mMの3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(95%MPTMS、Sigma Aldrich)で、1時間処理した。次いで、サンプルをエタノールですすぎ、エア・ガンで乾燥させた。その後、ポリジメチルシロキサン(PDMS)(Sylgard 184 Silicon Elastomer Base、Dow Corning、MI)を、MPTMSで処理したAuフィルムの上に注ぎ、300rpmで30秒間スピン・コーティングを行い、最終的な基板の厚さを約0.5mmにした。サンプルを30分間真空中に置いて気泡を取り除き、60℃の対流式オーブンで一晩硬化させた。次いで、硬化したサンプルを75°アセトン浴に15分間入れてPS基板を溶解し、PDMS及びしわの寄ったAuフィルムを持ち上げてPSから離した。その後、センサをトルエンに2分間浸し、アセトンですすぐことにより、しわの寄った薄いフィルムから残留したPSを除去した。次いで、サンプルを一晩風乾した。 The shadow mask was then removed and the sputtered substrate was placed in a convection oven at 140 °C to induce biaxial shrinkage and wrinkling of the Au film. The shrunken sample was treated with 5 mM 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (95% MPTMS, Sigma Aldrich) in pure ethanol for 1 h. The sample was then rinsed with ethanol and dried with an air gun. Polydimethylsiloxane (PDMS) (Sylgard 184 Silicon Elastomer Base, Dow Corning, MI) was then poured onto the MPTMS-treated Au film and spin-coated at 300 rpm for 30 s to give a final substrate thickness of approximately 0.5 mm. The sample was placed in vacuum for 30 min to remove air bubbles and cured overnight in a convection oven at 60 °C. The cured sample was then placed in a 75° acetone bath for 15 minutes to dissolve the PS substrate and lift the PDMS and wrinkled Au film off the PS. Residual PS was then removed from the wrinkled thin film by immersing the sensor in toluene for 2 minutes and rinsing with acetone. The sample was then air-dried overnight.

コロイド状銀の液体(Pelco Colloidal Silver Liquid、Ted Pella、CA)を使用して、Au電極をワイヤと相互接続し、乾燥後、樹脂を使用して、相互接続した接点を封止した。樹脂が乾燥した後、電極との相互接続部をさらに固定するために、ポリイミドのテープを樹脂上に貼り付けた。Ecoflex(登録商標)は、Ecoflex(登録商標)がPDMS基板上で硬化されるか、又は他のシリコーン・エラストマーで化学修飾された場合にのみ、他のシリコーンにプラズマ接合できる。したがって、まずシリコーン・エラストマーEcoflex(登録商標)0030(Smooth-On、PA)を、硬化したPDMS層にスピン・コーティングした。塗布ステップは1000rpmで10秒間、スピンコート・ステップは3000RPMで30秒間行い、最終的な厚さを15μmにした。次いで、エラストマーを、60℃の対流式オーブンに2時間入れて硬化させた。次に、硬化したエラストマーを約16Pa(120mTorr)で、外気で40秒間平坦な電極にプラズマ接合し(PE-50、Plasma Etch、NV)、次いで60℃の対流式オーブンに入れて化学結合を促進した。Ecoflex(登録商標)層からPDMS層を取り除いた後、次いで、誘電体層を備えた平坦な電極を、エッチングされた電極にプラズマ接合して、最終的な静電容量ベースのセンサを形成した。化学結合を促進するために、センサを、60℃の対流式オーブンに入れた。 Colloidal silver liquid (Pelco Colloidal Silver Liquid, Ted Pella, CA) was used to interconnect the Au electrodes with the wires, and after drying, resin was used to seal the interconnected contacts. After the resin dried, a polyimide tape was applied over the resin to further secure the interconnects with the electrodes. Ecoflex® can only be plasma bonded to other silicones if it is cured on the PDMS substrate or chemically modified with other silicone elastomers. Therefore, silicone elastomer Ecoflex® 0030 (Smooth-On, PA) was first spin-coated onto the cured PDMS layer. The application step was performed at 1000 rpm for 10 seconds and the spin-coating step was performed at 3000 RPM for 30 seconds, resulting in a final thickness of 15 μm. The elastomer was then placed in a 60°C convection oven for 2 hours to cure. The cured elastomer was then plasma bonded (PE-50, Plasma Etch, NV) to a flat electrode at 120 mTorr in open air for 40 seconds and then placed in a 60°C convection oven to promote chemical bonding. After removing the PDMS layer from the Ecoflex® layer, a flat electrode with a dielectric layer was then plasma bonded to the etched electrode to form the final capacitance-based sensor. The sensor was placed in a 60°C convection oven to promote chemical bonding.

平坦なAu電極(制御部として機能した)は、PS基板上に90nmのAuをパターン形成することにより製造した。Auを、純粋なエタノール中の5mMのMPTMS(95%MPTMS)で、1時間処理した。次いで、PDMSを、300RPMで30秒間基板上にスピン・コーティングし、60℃の対流式オーブンで2時間硬化させた。アセトンの液滴をPDMS上に滴下して、PS基板からAuを持ち上げた。電気的相互接続部を取り付けた後、Ecoflex(登録商標)0030を、一方の電極に3000RPMで30秒間スピン・コーティングし、次いで60℃の対流式オーブンで2時間硬化させた。硬化後、対向する電極を、Ecoflex(登録商標)誘電体層と共に、電極の上面に配置した。電極の表面積の重なりは、2x2mmであった。 Flat Au electrodes (which served as the control) were fabricated by patterning 90 nm of Au on a PS substrate. The Au was treated with 5 mM MPTMS in pure ethanol (95% MPTMS) for 1 hour. PDMS was then spin-coated onto the substrate at 300 RPM for 30 seconds and cured in a convection oven at 60° C. for 2 hours. A drop of acetone was placed on the PDMS to lift the Au off the PS substrate. After attaching the electrical interconnects, Ecoflex® 0030 was spin-coated onto one electrode at 3000 RPM for 30 seconds and then cured in a convection oven at 60° C. for 2 hours. After curing, the opposing electrode was placed on top of the electrode with an Ecoflex® dielectric layer. The surface area overlap of the electrodes was 2x2 mm2.

特性評価 Characteristics evaluation

走査型電子顕微鏡(SEM)(FEI Magellan400XHR)を使用して、Auフィルムのしわ構造体の特性を明らかにした。圧力感度は、テストスタンド(ESM303、Mark-10、NY)に接続されたフォース・ゲージ(Force Gauge Series5、Mark-10、NY)を使用してテストした。フォース・ゲージを、センサの少し上に配置し、次いで直径6mmのフォース・プローブを使用して、毎分1.1mmの降下速度で移動させた。フリンジ効果を低減するために、ガラス繊維プローブを使用した。静電容量の変化は、力を加えているときに収集し、LCRメータ(300kHz)(E4980AL Precision LCR Meter、Keysight、CA)を使って測定した。データは、LabViewを使用して収集し、次いでMatlabを使用してデータ処理した。インピーダンス・アナライザ(1MHz、500mV)(4291B、Agilent、CA)を使用して、Arduinoによって制御される特注のリニア・アクチュエータを使って加えられる、繰り返す静的な負荷による、圧力センサの信号応答を測定した。特注のリニア・アクチュエータからの距離情報は、National Instrumentデータ取得システム(USB-6003、TX)を使用して、リニア・ポテンショメータ(Spectra Symbol、UT)で記録した。 A scanning electron microscope (SEM) (FEI Magellan 400XHR) was used to characterize the wrinkle structure of the Au film. Pressure sensitivity was tested using a force gauge (Force Gauge Series 5, Mark-10, NY) connected to a test stand (ESM303, Mark-10, NY). The force gauge was placed slightly above the sensor and then moved at a descent rate of 1.1 mm per minute using a 6 mm diameter force probe. A glass fiber probe was used to reduce fringing effects. The capacitance change was collected during the application of force and measured using an LCR meter (300 kHz) (E4980AL Precision LCR Meter, Keysight, CA). Data was collected using LabView and then processed using Matlab. An impedance analyzer (1 MHz, 500 mV) (4291B, Agilent, CA) was used to measure the signal response of the pressure sensor due to repeated static loads applied using a custom-built linear actuator controlled by an Arduino. Distance information from the custom-built linear actuator was recorded with a linear potentiometer (Spectra Symbol, UT) using a National Instrument data acquisition system (USB-6003, TX).

心拍ごとの血圧法 Beat-by-beat blood pressure method

センサは、徐々に圧力を加えるために、ねじを使って特注のVelcro(登録商標)バンド上に組み立てた。センサを身体に取り付ける前に、Tegaderm(登録商標)(3M Health Care、MN)ストリップを左手首に配置して、センサと皮膚との親和性を促進した。次いで、センサを取り付け、特注のVelcro(登録商標)バンドでしっかりと縛った。ClearSight(登録商標)フィンガ・カフを、被験者の右手の人差し指に取り付けた。圧力センサとClearSight(登録商標)デバイスとの測定は、同時に測定し、続いてMatlabで分析した。 The sensor was assembled on a custom Velcro® band using a screw to apply pressure gradually. Prior to attaching the sensor to the body, a Tegaderm® (3M Health Care, MN) strip was placed on the left wrist to promote affinity of the sensor to the skin. The sensor was then attached and tightly bound with a custom Velcro® band. A ClearSight® finger cuff was attached to the index finger of the subject's right hand. Measurements of the pressure sensor and the ClearSight® device were measured simultaneously and subsequently analyzed in Matlab.

統計分析 Statistical analysis

センサの静電容量の読取り値は、LCRメータから約56Hzのサンプリング周波数で取得した(データ・ポイントには、ミリ秒の精度でタイムスタンプを付けた)。すべてのデータセットをMatlabで後処理し、ClearSight(登録商標)(200Hz)のデータセットと整合するように、200Hzに線形補間した。次いで、補間したデータは、5箇所のデータ・ポイントの移動平均フィルタにより平滑化した。 Sensor capacitance readings were taken from the LCR meter at a sampling frequency of approximately 56 Hz (data points were time-stamped with millisecond accuracy). All data sets were post-processed in Matlab and linearly interpolated to 200 Hz to match the ClearSight® (200 Hz) data set. The interpolated data was then smoothed with a moving average filter of 5 data points.

上記のように、ClearSight(登録商標)は、検出された心周期の数で、心拍ごとの血圧測定値をセグメント化する。70拍からなる区間が、血圧測定において最も高精度且つ正確であると見なした。ただし、こうした区間のそれぞれには、分析に使用した69の完全な心周期しか含まれていなかった。4つの連続した区間で、相異なる呼吸法(breathing maneuver)を実行した。被験者及び個々の区間ごとに、SBP、DBP、及びMAP(n=69)について、圧力センサとClearSight(登録商標)との間に線形回帰を得た。次いで、被験者ごとに4つの区間を組み合わせて、線形回帰によって分析した(n=276)。 As mentioned above, ClearSight® segments beat-by-beat blood pressure measurements by the number of cardiac cycles detected. Intervals of 70 beats were considered the most accurate and precise for blood pressure measurements, although each of these intervals contained only 69 complete cardiac cycles that were used for analysis. Different breathing maneuvers were performed in four consecutive intervals. Linear regressions were obtained between the pressure sensor and ClearSight® for SBP, DBP, and MAP (n=69) for each subject and individual interval. The four intervals per subject were then combined and analyzed by linear regression (n=276).

Bland-Altman分析を使用して、ClearSight(登録商標)と圧力センサとの一致具合を調査した。各被験者のデータを、無作為に2つの別個のセットに分割し、データの75%をモデルの作成に使用し、25%をモデルのテストに使用した。線形回帰モデルを構築し、SBP、DBP、及びMAP値をそれぞれ予測した(n=207)。次いで、被験者ごとの残りのデータ(n=69)を、線形回帰モデルでキャリブレーションした。次いで、SBP、DBP、及びMAPパラメータ(n=621)ごとに組み合わせた9つの被験者のテストすべてについて、平均誤差及び標準偏差を計算した。3つの連続した心周期を平均化し、同様に分析した(n=207)。平均誤差及び標準偏差は、心周期の平均化なし(n=1863)及び3つの連続した心周期の平均(n=621)も組み合わせて、すべてのSBP、DBP、及びMAPパラメータについて計算した。 A Bland-Altman analysis was used to investigate the agreement between the ClearSight® and the pressure sensor. Data for each subject were randomly split into two separate sets, with 75% of the data used to create the model and 25% used to test the model. A linear regression model was constructed to predict SBP, DBP, and MAP values, respectively (n=207). The remaining data for each subject (n=69) were then calibrated with the linear regression model. The mean error and standard deviation were then calculated for all nine subjects' tests combined for each SBP, DBP, and MAP parameter (n=621). Three consecutive cardiac cycles were averaged and analyzed similarly (n=207). The mean error and standard deviation were calculated for all SBP, DBP, and MAP parameters combined without averaging of cardiac cycles (n=1863) and also with averaging of three consecutive cardiac cycles (n=621).

結果 Results

センサの製造方法 How sensors are manufactured

誘電体層によって分離された2つの導電性平行板からなる軟質の静電容量式圧力センサは、熱的に誘起する収縮製造プロセスを使用して製造した(図2)。ポリスチレン(PS)基板上で収縮させると、Auの薄いフィルムの、非常にしわの寄った構造体(wAu)が形成された。こうしたしわの寄った薄いフィルムの構造体をシリコーン・エラストマー基板上に移すと、wAuの薄いフィルムは、電気的に故障する前に、最大200%の伸縮性を実証した。wAu電極が機械的に堅牢なので、こうしたwAu電極を、静電容量式圧力センサの平行板(2x2mm)として使用した。こうしたしわの寄った構造体により、機械的堅牢性を大幅に向上させ、15nm厚のwAuの薄いフィルムを軟質の基板に統合して、数千回のサイクルに耐えることが可能となる。こうした電極は、とりわけ、局所的な圧力を測定するために重要な、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含む軟質のシリコーン基板上で支持することが可能である。報告されている多くの静電容量式圧力センサは、PDMS(E約1MPa)などの軟質のシリコーン・エラストマーほど人体に対して機械的に親和性がない、ポリエチレンテレフタレート(PET、E約2.5GPa)などの硬質の基板を使用している。また硬質の基板は潜在的に、局所的な応力の空間分解能を妨げ、動脈拍動の測定に悪影響を与える可能性もある。 A soft capacitive pressure sensor consisting of two conductive parallel plates separated by a dielectric layer was fabricated using a thermally induced shrink fabrication process (Fig. 2). When shrunk on a polystyrene (PS) substrate, highly wrinkled structures of Au thin films (wAu) were formed. When these wrinkled thin film structures were transferred onto a silicone elastomer substrate, the wAu thin films demonstrated stretchability up to 200% before electrical failure. Because wAu electrodes are mechanically robust, they were used as the parallel plates (2x2 mm2 ) of a capacitive pressure sensor. These wrinkled structures significantly improve the mechanical robustness and allow the integration of 15 nm thick wAu thin films onto soft substrates to withstand thousands of cycles. These electrodes can be supported on soft silicone substrates, including polydimethylsiloxane (PDMS), which is especially important for measuring localized pressure. Many reported capacitive pressure sensors use rigid substrates such as polyethylene terephthalate (PET, E~2.5 GPa), which are not as mechanically compatible with the human body as soft silicone elastomers such as PDMS (E~1 MPa), and rigid substrates can potentially hinder spatial resolution of local stresses and negatively affect arterial pulsation measurements.

平行板間の軟質の誘電体層として、軟質のシリコーン・エラストマーであるEcoflex(登録商標)(15μm)を使用した。平行板電極間の弾性抵抗を低減させ、圧力感度を向上させるために、Ecoflexの軟質の機械的特質(ショア硬度00~30)により、PDMS(ショア硬度A-48)ではなくEcoflex(登録商標)を使用した。加えて、微細構造の隆起部は、PDMSで、PS基板にレーザ・カット・エッチングされた溝を象ることによって作製した。微細構造の隆起部は、高さ約85μm、幅約100μmであり、図5Aから分かるように、しわの寄った薄いフィルム電極の縁部に隣接して位置し、互いに約2mmの間隔をあけて配置した。電極間の空隙のサイズは、図5Bから分かるように、高さ約130μmであった。隆起部は対抗する電極を支持し、誘電体層内に空気の空洞を作り出した。 A soft silicone elastomer, Ecoflex® (15 μm), was used as the soft dielectric layer between the parallel plates. Ecoflex® was used instead of PDMS (Shore hardness A-48) due to its soft mechanical properties (Shore hardness 00-30) to reduce the elastic resistance between the parallel plate electrodes and improve pressure sensitivity. In addition, microstructured ridges were created in PDMS by imitating the laser cut etched grooves in the PS substrate. The microstructured ridges were about 85 μm high and about 100 μm wide, and were located adjacent to the edges of the wrinkled thin film electrodes and spaced about 2 mm apart from each other, as can be seen in Figure 5A. The size of the gap between the electrodes was about 130 μm high, as can be seen in Figure 5B. The ridges supported the opposing electrodes and created air cavities in the dielectric layer.

圧力が加えられると、平行板が互いにより近づき、静電容量が増加した。空気の空洞の圧縮により、実効比誘電率も増加してεecoの比誘電率により近づき、静電容量の変化が一層大きくなった。この効果は、式2で説明できる。

ここで、εr0は圧力を加える前の比誘電率、εは圧力を加えた後の比誘電率である。
When pressure was applied, the parallel plates moved closer together and the capacitance increased. Compression of the air cavity also increased the effective dielectric constant, closer to that of ε eco , resulting in a larger change in capacitance. This effect can be explained by Equation 2:

Here, εr0 is the relative dielectric constant before pressure is applied, and εr is the relative dielectric constant after pressure is applied.

電気機械的特性評価 Electromechanical property evaluation

軟質の静電容量式圧力センサの電気機械的性能を、式3で定義される圧力感度を測定することによって評価した。

ここで、ΔCは静電容量の変化、Cは初期の静電容量、Pは圧力である。センサの圧力感度は、力を加えて静電容量の変化を測定することによって測定した。フォース・ゲージに取り付けられた6mmのガラス繊維プローブの先端に、力を加えた。ガラス繊維プローブを使用して、静電容量式圧力センサとの、いかなるフリンジ静電容量干渉をも低減した。
The electromechanical performance of the soft capacitive pressure sensor was evaluated by measuring the pressure sensitivity, which is defined in Equation 3.

where ΔC is the change in capacitance, C0 is the initial capacitance, and P is the pressure. The pressure sensitivity of the sensor was measured by applying a force and measuring the change in capacitance. The force was applied to the tip of a 6 mm glass fiber probe attached to a force gauge. The glass fiber probe was used to reduce any fringe capacitance interference with the capacitive pressure sensor.

測定した、微細構造の隆起部を備えるセンサの圧力感度は、0~10kPaの間で、0.148kPa-1であった(図7A)。微細構造の隆起部のない、しわの寄った電極の対照群もテストした。微細隆起部のない静電容量式圧力センサは、3~10kPa間で0.029kPa-1の、圧力感度がより低い特性を示した。しかし、隆起部のない圧力センサの圧力感度は、0~2kPaの範囲では約0.12kPa-1の圧力感度を示した。これは、微細隆起部のある圧力センサに匹敵する。この場合、空気の空洞を作り出すための微細隆起部はないが、しわの寄ったAu電極の凸凹に起因して、小さな空隙が依然として存在している。ただし、こうした空隙は、低圧領域で完全に圧縮されているため、さらなる圧力を加えると、圧力感度はより低くなる。したがって、微細構造の隆起部により、軟質の静電容量式圧力センサは、広いダイナミック・レンジにわたって高い圧力感度を実現できる。しかし、微細隆起部のサイズが大きくなると(高さ190μm、幅600μm)、圧力感度が低下した(図8)。この圧力感度の低下は、圧縮する必要のあるより大きな形体に起因する可能性がある。 The measured pressure sensitivity of the sensor with micro-ridges was 0.148 kPa -1 between 0 and 10 kPa (Figure 7A). A control group of wrinkled electrodes without micro-ridges was also tested. The capacitive pressure sensor without micro-ridges exhibited a lower pressure sensitivity of 0.029 kPa -1 between 3 and 10 kPa. However, the pressure sensitivity of the pressure sensor without ridges was about 0.12 kPa -1 in the range of 0 to 2 kPa, which is comparable to the pressure sensor with micro-ridges. In this case, there are no micro-ridges to create air cavities, but small voids still exist due to the unevenness of the wrinkled Au electrode. However, these voids are fully compressed in the low pressure region, so applying more pressure results in a lower pressure sensitivity. Therefore, the microstructured ridges enable the soft capacitive pressure sensor to achieve high pressure sensitivity over a wide dynamic range. However, as the size of the microridges increased (height 190 μm, width 600 μm), the pressure sensitivity decreased (FIG. 8). This decrease in pressure sensitivity may be due to the larger features that need to be compressed.

平坦なAu電極を備えた静電容量式圧力センサを、wAu電極と比較するために製造した。PDMS基板上のAuの薄いフィルムの脆性により、15nmを移すことが不可能であったため、15nmの代わりに90nmのAuを使用した。平らなAu電極を備えた静電容量式圧力センサ(空隙がほとんど又はまったく存在しない)は、0~10kPaで、約0kPa-1の圧力感度を示した。これは、wAu電極が、15nm程度の薄いフィルムの付着を可能にする、機械的堅牢性を実現し、また平坦なAu電極と比較して大幅に高い、圧力感度を示すことも示唆している。 A capacitive pressure sensor with flat Au electrodes was fabricated for comparison with wAu electrodes. 90 nm of Au was used instead of 15 nm because the brittleness of the Au thin film on the PDMS substrate made it impossible to transfer 15 nm. The capacitive pressure sensor with flat Au electrodes (with little or no voids) showed a pressure sensitivity of about 0 kPa -1 from 0 to 10 kPa. This suggests that the wAu electrodes provide the mechanical robustness to allow the attachment of films as thin as 15 nm, and also show a significantly higher pressure sensitivity compared to flat Au electrodes.

より大きな圧力範囲も調査し、微細構造の隆起部があるセンサとないセンサとの間で比較した。1N(図8)で、最初に機械的負荷を加え、次いで負荷を取り外し、ヒステリシスの兆候を示した。次いで、図7Bから分かるように、これを、1~20Nまで負荷を増加させて繰り返した。両方の条件での電気機械的応答性は、応力-歪み曲線が、以前に加えられた応力の大きさによって変わることを示す、Mullins効果の特性を示している。図7Bから分かるように、微細隆起部を備えた圧力センサの電気機械的応答性は、微細隆起部を備えていない圧力センサと比較して、より広いダイナミック・レンジにわたってより高い圧力感度を示した。 A larger pressure range was also investigated and compared between sensors with and without microstructured ridges. A mechanical load was first applied at 1 N (Figure 8) and then removed, showing signs of hysteresis. This was then repeated with increasing loads from 1 to 20 N, as can be seen in Figure 7B. The electromechanical response in both conditions shows characteristics of the Mullins effect, indicating that the stress-strain curve varies with the magnitude of the previously applied stress. As can be seen in Figure 7B, the electromechanical response of the pressure sensor with microridges showed higher pressure sensitivity over a wider dynamic range compared to the pressure sensor without microridges.

加えて、繰返し負荷に対する電気機械的応答性を、図9に示すように分析した。圧力センサに、約25kPaを5,000サイクル加えた。圧力センサは、多数回繰り返す負荷に対する応力への、機械的堅牢性を示した。これは、継続的な動脈圧測定に必要な、繰り返す機械的負荷に対する耐久性を実証している。 In addition, the electromechanical response to cyclic loading was analyzed as shown in Figure 9. The pressure sensor was subjected to approximately 25 kPa for 5,000 cycles. The pressure sensor demonstrated mechanical robustness to the stresses of multiple cyclic loadings. This demonstrates the durability to cyclic mechanical loading required for continuous arterial pressure measurement.

微細隆起部の組み込みが、0~10kPaの間の広いダイナミック・レンジ内で、最大5倍まで圧力感度を改善したことは明らかである。加えて、しわの寄った構造体の機械的堅牢性により、製造がより容易且つ迅速になる、著しくより薄い電極の堆積が可能となる。こうしたセンサの再現性は、図10A~図10Fに示されている。加えて、圧力センサの応答時間及び弛緩時間を測定した。Arduinoで制御できるリニア・アクチュエータに、直径約2mmのプローブを取り付けた。圧力センサは、歪みの衝撃(<1ms)を加えたときに、応答時間(<10ms)及び弛緩時間(<17ms)を示した(図11)。圧力センサは、最大10Hzの周期的歪みを測定することも可能であった(図12A~図12B)。動的な機械的テストに使用したサンプリング測定速度は、約130Hz(4291B、Agilent、CA)であった。 It is clear that the incorporation of micro-ridges improved the pressure sensitivity by up to 5 times within a wide dynamic range between 0 and 10 kPa. In addition, the mechanical robustness of the wrinkled structure allows the deposition of significantly thinner electrodes, which are easier and faster to fabricate. The reproducibility of such sensors is shown in Figures 10A-10F. In addition, the response and relaxation times of the pressure sensors were measured. A probe with a diameter of about 2 mm was attached to an Arduino-controlled linear actuator. The pressure sensor showed a response time (<10 ms) and relaxation time (<17 ms) when subjected to a strain impulse (<1 ms) (Figure 11). The pressure sensor was also able to measure periodic strains up to 10 Hz (Figures 12A-12B). The sampling measurement rate used for the dynamic mechanical tests was about 130 Hz (4291B, Agilent, CA).

心拍ごとの血圧監視 Beat-to-beat blood pressure monitoring

NIBPのための実験の設定 Experimental setup for NIBP

前述のように、動脈圧測定法は、圧力センサを使用して動脈圧を定量化する方法である。さらに、軟式の静電容量式圧力センサを使用して、動脈圧を監視することが可能である。次いで、NIBP装着型用途向けに、橈骨動脈圧の高精度且つ正確な測定値を、心拍ごとの血圧に変換できる。 As previously mentioned, arterial tonometry is a method of quantifying arterial pressure using a pressure sensor. Additionally, soft capacitive pressure sensors can be used to monitor arterial pressure. Highly accurate and precise measurements of radial artery pressure can then be converted to beat-to-beat blood pressure for NIBP wearable applications.

心拍ごとの血圧監視を実証するために、センサを、カリフォルニア大学の施設内審査委員会(IRB番号2016-2924)からの承認の下で、健康な被験者に使用した。堅牢性を実証するために、合計7人の被験者に対して1つの軟式の静電容量式圧力をテストした。再現性を実証するために、2つのさらなる軟式の静電容量式センサを、被験者1に対してテストした。圧力センサは、手首の橈骨動脈の上に取り付けた。その後、被験者に、皮膚表面で橈骨動脈を晒す助けとなるように、手のひらを上に向けてわずかに伸ばし過ぎた状態を維持するよう指示した。この測定中、被験者は、圧力センサを心臓の高さに近づけて座っていた。アレルギー反応又は痛みは、テストされた被験者から報告されなかった。 To demonstrate beat-to-beat blood pressure monitoring, sensors were used on healthy subjects under approval from the University of California Institutional Review Board (IRB number 2016-2924). One soft capacitive pressure was tested on a total of seven subjects to demonstrate robustness. Two additional soft capacitive sensors were tested on subject 1 to demonstrate repeatability. The pressure sensor was attached to the wrist above the radial artery. The subject was then instructed to maintain a slightly overextended hand with the palm facing up to help expose the radial artery at the skin surface. During this measurement, the subject was seated with the pressure sensor close to heart level. No allergic reactions or pain were reported by the subjects tested.

動脈の拍動測定のために、圧力センサを、Velcro(登録商標)ストラップを使ってアクリル裏板上に取り付けた。アクリル裏板が、橈骨動脈を圧平するために圧力の増分を加えることができるように、ねじをアクリル裏板に取り付けた。圧力の増分により、静電容量式圧力センサの基準静電容量が増加した。圧力センサ・デバイスの概略図は、図3A~図3Bで確認できる。圧力センサと人間の皮膚との接触を改善するために、医療用テープも手首に取り付けた。最後に、圧力センサと表皮との間にPDMSスペーサ(250μm)も使用して、組織をさらに圧縮し、橈骨動脈の拍動を増幅した。橈骨動脈内で血圧が上昇すると、橈骨動脈が拡張し、周囲の組織を変形させ、続いて圧力センサを変形させる。この圧力は、圧力センサと身体との接触が安定して保たれている限り、動脈の血圧に関係し得る。 For arterial pulsation measurements, the pressure sensor was mounted on an acrylic backing plate using a Velcro® strap. A screw was attached to the acrylic backing plate so that the acrylic backing plate could apply pressure increments to applanate the radial artery. The pressure increments increased the baseline capacitance of the capacitive pressure sensor. A schematic of the pressure sensor device can be seen in Figures 3A-3B. To improve the contact between the pressure sensor and the human skin, medical tape was also attached to the wrist. Finally, a PDMS spacer (250 μm) was also used between the pressure sensor and the epidermis to further compress the tissue and amplify the radial artery pulsation. When blood pressure increases in the radial artery, the radial artery expands, deforming the surrounding tissue, which in turn deforms the pressure sensor. This pressure can be related to the arterial blood pressure as long as the pressure sensor is kept in stable contact with the body.

拍動ごとの血圧を測定する静電容量式圧力センサの機能を評価するために、圧力センサを、FDA承認の指容積締付けデバイスである、ClearSight(登録商標)(Edwards Lifesciences, Irvine, CA)と比較した。ClearSight(登録商標)を、被験者の右手の人差し指に取り付けた。デバイスが取り付けられた場所を示す写真画像を、図14で確認できる。測定は、圧力センサの橈骨動脈から加えられた圧力の測定と、ClearSight(登録商標)の上腕動脈の圧力の測定とを、同時に行った。圧力センサ及びClearSight(登録商標)による、測定した橈骨動脈の拍動波形の実例を図16Aに提示する。図16Bに見られるように、迅速な応答時間及び圧力感度により、ClearSight(登録商標)信号では容易に識別できない収縮後期ピークを含む、橈骨動脈の拍動波形の唯一的な特徴検出が可能となった。 To evaluate the ability of the capacitive pressure sensor to measure beat-by-beat blood pressure, the pressure sensor was compared to the ClearSight® (Edwards Lifesciences, Irvine, Calif.), an FDA-approved finger volume clamping device. The ClearSight® was attached to the index finger of the subject's right hand. A photographic image showing where the device was attached can be seen in FIG. 14. Measurements were taken simultaneously measuring the pressure applied from the radial artery with the pressure sensor and measuring the brachial artery pressure with the ClearSight®. An example of the measured radial artery pulsatile waveforms with the pressure sensor and ClearSight® is presented in FIG. 16A. As seen in FIG. 16B, the fast response time and pressure sensitivity allowed for detection of unique features of the radial artery pulsatile waveform, including the late systolic peak that is not easily discernible in the ClearSight® signal.

調査したパラメータには、収縮期(SBP)、拡張期(DBP)、及び平均動脈圧(MAP:mean arterial pressure)を含めた。これらは、人の心血管の健康状態を評価するときに、最も一般的なパラメータである。SBPは、心臓が収縮したときの動脈壁に対する血圧、DBPは、心臓が弛緩したときの動脈壁に対する血圧、MAPは、1つの心周期全体を通した平均圧力であり、式4を使用して計算できる。

ここで、PPは脈圧であり、SBPマイナスDBPに等しい。
The parameters investigated included systolic (SBP), diastolic (DBP), and mean arterial pressure (MAP), which are the most common parameters when assessing a person's cardiovascular health. SBP is the blood pressure against the arterial wall when the heart contracts, DBP is the blood pressure against the arterial wall when the heart relaxes, and MAP is the average pressure throughout one cardiac cycle and can be calculated using Equation 4:

where PP is the pulse pressure, which is equal to SBP minus DBP.

動脈の拍動は、人体の多くの様々な部位で触診できる。こうした動脈の拍動は、心血管樹の様々なエリアに伝播するので、様々な波形である。血液が心臓から末梢動脈に送り出されると、血管が狭くなることにより、動脈の拍動波形は増幅される。こうした動脈圧を測定することにより、次いでその情報を代わりに使用して、心血管樹の様々な場所での動脈圧を推定することが可能である。 Arterial pulsations can be palpated at many different locations in the human body. These arterial pulsations are of different waveforms as they propagate to different areas of the cardiovascular tree. As blood is pumped from the heart to the peripheral arteries, the narrowing of the blood vessels amplifies the arterial pulsation waveform. By measuring these arterial pressures, the information can then be used proxies to estimate arterial pressure at different locations in the cardiovascular tree.

ClearSight(登録商標)は、上腕の血圧を推定するために、指の動脈圧を測定する。広範な研究により、人々の幅広い範囲でのClearSight(登録商標)デバイスの性能が評価され、橈骨動脈カテーテルと比較した場合、上腕動脈圧を高精度且つ正確に測定するという満足のいく結果が示されており、ClearSight(登録商標)デバイスは、心拍ごとの血圧を測定するための至適基準である。ただし、こうした研究には、特に収縮期の血圧を測定するときに、患者の中で様々な結果が示されていることにも留意することが重要である。 The ClearSight® measures arterial pressure in the finger to estimate brachial blood pressure. Extensive studies have evaluated the performance of the ClearSight® device in a wide range of people and have shown satisfactory results in measuring brachial artery pressure with high accuracy and precision when compared to radial artery catheters, making the ClearSight® device the gold standard for measuring beat-to-beat blood pressure. However, it is important to note that these studies also show variable results among patients, especially when measuring systolic blood pressure.

心拍ごとの血圧データ分析 Blood pressure data analysis for each heartbeat

ClearSight(登録商標)が測定を開始すると、ClearSight(登録商標)は、キャリブレーションするステップを開始する前に10心周期を測定する。精度の自己評価後、ClearSight(登録商標)は、20心周期を測定し、キャリブレーションするステップを繰り返す。ClearSight(登録商標)は、ClearSight(登録商標)が血圧測定において最も高精度且つ正確であると考えられる70心周期に達するまで、さらなる心周期を測定し続けることになる。この重要領域(epoch region)で、静電容量式圧力センサをClearSight(登録商標)と比較した。加えて、続く各70心拍区間の後に、深呼吸と通常の呼吸とをそれぞれ交互に繰り返すように、被験者に求めた。深く呼吸することにより、肺の拡張によるわずかな心臓の圧縮によって、血圧を上昇させることが可能である。軟式の静電容量式圧力センサの、血圧のより大きな変化を探知する機能を評価するために、深く呼吸するよう被験者に求めた。 When the ClearSight® starts measuring, it measures 10 cardiac cycles before starting the calibration step. After self-assessment of accuracy, the ClearSight® measures 20 cardiac cycles and repeats the calibration step. The ClearSight® will continue to measure more cardiac cycles until it reaches 70 cardiac cycles, which is considered the most accurate and precise in blood pressure measurement. In this critical region, the capacitive pressure sensor was compared with the ClearSight®. In addition, after each subsequent 70 heartbeat interval, the subject was asked to alternate between deep and normal breathing. Deep breathing can increase blood pressure due to slight cardiac compression caused by lung expansion. The subject was asked to breathe deeply to evaluate the ability of the soft capacitive pressure sensor to detect larger changes in blood pressure.

図16A~図16Bは、1人の被験者について収集したデータを示している。図16Aでは、定性分析は、2つのデバイスが血圧の同様の傾向を測定したことを示している。これは、頻度の低い血圧変化が、圧力センサとClearSight(登録商標)との両方に反映されている、深い呼吸区間で明らかである。続いて、図16Bから分かるように、SDP、DBP、及びMAPを互いにプロットし、線形回帰を使用して分析した。圧力センサとClearSight(登録商標)デバイスとの間の一致度は、SDPではR=.765、DBPではR=.902、MAPではR=.839と、強い相関を示した。前述のように、ClearSight(登録商標)デバイスでは、高精度且つ正確なSBP値を測定することが困難であり、これにより、圧力センサとClearSight(登録商標)との間のRがより低いことが説明され得る。 16A-16B show data collected for one subject. In FIG. 16A, qualitative analysis shows that the two devices measured similar trends in blood pressure. This is evident during deep breathing periods, where infrequent blood pressure changes are reflected by both the pressure sensor and ClearSight®. SDP, DBP, and MAP were then plotted against each other and analyzed using linear regression, as can be seen in FIG. 16B. The agreement between the pressure sensor and the ClearSight® device showed a strong correlation, with R2 = .765 for SDP, R2 = .902 for DBP, and R2 = .839 for MAP. As mentioned above, the ClearSight® device has difficulty in measuring SBP values with high accuracy and precision, which may explain the lower R2 between the pressure sensor and ClearSight®.

残りの被験者のデータは、表1~表3で確認できる。 Data for the remaining subjects can be found in Tables 1 to 3.

心拍ごとの血圧を監視する圧力センサの機能の精度及び正確さをさらに評価するために、圧力センサをClearSight(登録商標)に合わせてキャリブレーションし、圧力センサのモデルを作成して相互検証した。モデルを作成するために、まず、3つの連続する心周期を一緒に平均化した。平均化した後、データの75%を無作為に選択して、圧力センサの線形回帰モデルを生成した。圧力センサからの残りの保留しているデータセットを、血圧の単位である水銀柱ミリメートル(mmHg)に変換した。1人の被験者からのこのキャリブレーションの実例は、図17A~図17Cに示されている。 To further evaluate the accuracy and precision of the pressure sensor's beat-to-beat blood pressure monitoring capabilities, the pressure sensor was calibrated to ClearSight® and a model of the pressure sensor was created and cross-validated. To create the model, three consecutive cardiac cycles were first averaged together. After averaging, 75% of the data was randomly selected to generate a linear regression model of the pressure sensor. The remaining retained data set from the pressure sensor was converted to millimeters of mercury (mmHg), a unit of blood pressure. An example of this calibration from one subject is shown in Figures 17A-C.

次いで、Bland-Altman分析を使用して、血圧測定における圧力センサとClearSight(登録商標)との間の一致具合を評価した。Bland-Altmanは、同時に測定した血圧の平均値に対してプロットした、同時に測定した血圧の差異を調べる。より差異が大きいほど、2つのデバイス間の不一致具合が一層大きいことを示すことになる。図17Dに示されるように、7人の被験者すべてを、2つの追加センサでテストした被験者1のデータセットを含め、1つのBland-Altmanプロットにまとめている。計算した平均誤差及び標準偏差は、-0.054±2.09mmHgであった。AAMIによって設定されたISO81060-2は、平均誤差が5mmHg未満で標準偏差が8mmHg未満の場合、NIBPは動脈カテーテルと置換え可能であると見なされることを示している。ここでのBland-Altman分析は、平均誤差及び標準偏差が、ISO規格で示されている要件をかなり下回っていることを示している。表4~表5は、心周期の平均化なしで計算された平均誤差及び標準偏差も示しており、これも、圧力センサが十分にISO規格の範囲内にあることを示している。これは、ClearSight(登録商標)デバイスに合わせてキャリブレーションした場合、圧力センサは、血圧の測定において、非常に高精度且つ正確であることを示唆している。 A Bland-Altman analysis was then used to assess the agreement between the pressure sensor and the ClearSight® in measuring blood pressure. Bland-Altman examines the difference in simultaneously measured blood pressure plotted against the mean value of simultaneously measured blood pressure. A larger difference indicates a greater degree of disagreement between the two devices. As shown in FIG. 17D, all seven subjects are combined in one Bland-Altman plot, including the data set of subject 1, who was tested with two additional sensors. The calculated mean error and standard deviation were -0.054 ± 2.09 mmHg. ISO 81060-2, set by AAMI, indicates that if the mean error is less than 5 mmHg and the standard deviation is less than 8 mmHg, the NIBP is considered to be replaceable with an arterial catheter. The Bland-Altman analysis here indicates that the mean error and standard deviation are well below the requirements set forth in the ISO standard. Tables 4-5 also show the mean error and standard deviation calculated without cardiac cycle averaging, which again shows that the pressure sensor is well within the ISO standard. This suggests that when calibrated to the ClearSight® device, the pressure sensor is highly accurate and precise in measuring blood pressure.

本発明の軟質の静電容量式圧力センサは、橈骨動脈圧測定用途に利用することができる。動脈圧の安定した測定により、SBP、DBP、及びMAP圧力のわずかな変化を探知及び検出できた。ClearSight(登録商標)デバイスとの間の相関関係は、可能性のある携行式の心拍ごとのNIBP監視に向けた、有望な結果を示している。圧力センサの電気機械的特質により、広範囲の圧力を高精度に監視する機能が使用可能である。加えて、静電容量式圧力センサの迅速な応答時間及び広いダイナミック・レンジにより、橈骨動脈の拍動波形を高い忠実度で検出できるため、急性心血管性事象の監視に不可欠な、血圧の高精度且つ正確な測定が可能になる。 The soft capacitive pressure sensor of the present invention can be utilized for radial artery pressure measurement applications. Stable measurement of arterial pressure allowed tracking and detection of subtle changes in SBP, DBP, and MAP pressures. Correlation with the ClearSight® device shows promising results toward potential ambulatory beat-to-beat NIBP monitoring. The electromechanical nature of the pressure sensor enables the capability to monitor a wide range of pressures with high accuracy. In addition, the fast response time and wide dynamic range of the capacitive pressure sensor allows high fidelity detection of the radial artery pulsatile waveform, enabling high accuracy and precise measurement of blood pressure, which is essential for monitoring acute cardiovascular events.

さらなる実施例において、本発明は、動脈の拍動性の血流を測定するのに好ましい電気機械的特質を有する、軟質の静電容量式圧力センサを開発する容易な方法を提供する。軟質で非常にしわの寄った薄いフィルム電極を利用することにより、局所的で微妙な圧力を定量化するために人体と効果的に結合できる、広いダイナミック・レンジを有する軟質の圧力センサを製造することができた。センサはまた、十分な圧力感度、迅速な応答時間、並びに繰返し負荷に対する機械的堅牢性も実証した。 In a further embodiment, the present invention provides a facile method for developing a soft capacitive pressure sensor with favorable electromechanical properties for measuring pulsatile arterial blood flow. By utilizing soft, highly wrinkled thin film electrodes, a soft pressure sensor with a wide dynamic range could be fabricated that can be effectively coupled to the human body to quantify localized, subtle pressures. The sensor also demonstrated sufficient pressure sensitivity, fast response time, as well as mechanical robustness against cyclic loading.

拍動通過時間(PTT)を使った血圧キャリブレーション Blood pressure calibration using pulse transit time (PTT)

本発明の圧力センサを使って取得した脈圧測定値は、ClearSight(登録商標)を使って取得した血圧測定値と高度に相関している。しかし依然として、ClearSight(登録商標)に継続的に依存することなく、圧力センサで取得した脈圧測定値を、絶対血圧にキャリブレーションする必要がある。 Pulse pressure measurements obtained using the pressure sensor of the present invention are highly correlated with blood pressure measurements obtained using ClearSight®. However, there is still a need to calibrate the pulse pressure measurements obtained with the pressure sensor to absolute blood pressure without continued reliance on ClearSight®.

絶対血圧を測定するために、圧力センサをキャリブレーションするのに使用できる2つの注目すべき方法がある。1つの方法では、収縮期血圧及び拡張期血圧をキャリブレーションするために、従来のオシロメトリック式アーム・カフを使用する必要がある。オシロメトリック式アーム・カフは、アーム・カフの膨張及び収縮中の設定された期間にわたって、収縮期血圧及び拡張期血圧を計算する。この測定では、心拍ごとの血圧は得られないが、オシロメトリック式アーム・カフによって計算された値を使用して、圧力センサを血圧の基準値にキャリブレーションできる。 There are two notable methods that can be used to calibrate a pressure sensor to measure absolute blood pressure. One method involves the use of a traditional oscillometric arm cuff to calibrate the systolic and diastolic blood pressure. The oscillometric arm cuff calculates the systolic and diastolic blood pressure over a set period during inflation and deflation of the arm cuff. This measurement does not provide beat-to-beat blood pressure, but the values calculated by the oscillometric arm cuff can be used to calibrate the pressure sensor to a reference value for blood pressure.

もう1つの方法は、拍動通過時間(PTT)を使用する必要がある。PTTは、脈波が、どれだけ迅速に1つの動脈の場所から別の動脈の場所に移動したかを示す、時間である。脈波が移動した時間は、血圧に直接関係している。たとえば、脈波がより速く移動するほど、血圧は一層高く、逆も同様である。PTTは、ECG、及び末梢動脈(すなわち、橈骨動脈)に配置された圧力センサを使用して測定できる。ECGは、心臓が収縮した瞬間を提示し、圧力センサは、拍動が末梢動脈まで移動するのにどれだけ時間がかかったかに関する情報を提示する。より具体的には、PTTは、ECGのRピークと、圧力センサで測定した対応する拡張期ピークとの間の、時間である(図18)。PTTはまた、2つの周辺センサを使用して、拍動が1つのセンサから次のセンサに移動する時間を測定することによっても、測定できる。研究によると、ECGを使用するのではなく、末梢動脈の脈波を測定することにより、より適切な血圧との相関が得られることが示されている。これは、2つの圧力センサを使って、1つを橈骨動脈に配置し、もう1つを上腕動脈に配置して測定することによって実現できる。PTTは、絶対血圧値しか提示できず、脈波のどんな他の情報(たとえば、脈波増大係数(augmentation index))も提示しないことに留意されたい(図19)。 Another method involves the use of pulse transit time (PTT). PTT is the time that indicates how quickly the pulse wave travels from one arterial location to another. The time that the pulse wave travels is directly related to blood pressure. For example, the faster the pulse wave travels, the higher the blood pressure and vice versa. PTT can be measured using an ECG and a pressure sensor placed in a peripheral artery (i.e., radial artery). The ECG provides the moment the heart contracts, and the pressure sensor provides information about how long it took for the pulse to travel to the peripheral artery. More specifically, PTT is the time between the R peak of the ECG and the corresponding diastolic peak measured by the pressure sensor (Figure 18). PTT can also be measured by using two peripheral sensors to measure the time it takes for the pulse to travel from one sensor to the next. Studies have shown that measuring the peripheral arterial pulse wave rather than using an ECG provides a better correlation with blood pressure. This can be achieved by measuring with two pressure sensors, one placed in the radial artery and one in the brachial artery. Note that PTT can only provide absolute blood pressure values, and does not provide any other information about the pulse wave (e.g., augmentation index) (Figure 19).

PTTは、被験者によって変わるパラメータであり、血圧とのキャリブレーションを必要とする。これは、前述のように、従来のアーム・カフに合わせてキャリブレーションすることにより実現できる(PTTを、ClearSight(登録商標)を使用してキャリブレーションすることもできる)。PTTモデルは、その後PTTモデルの再キャリブレーションが必要になるまで、数か月から数年にわたって使用できる。PTTモデルをキャリブレーションすると、その後続けてPTTモデルを使用して、圧力センサをキャリブレーションできる(図20A~図20C)。圧力センサをPTTモデルに合わせてキャリブレーションする利点は、大きな動きの後、又は圧力センサのオン及びオフを切り替えたときに、圧力センサを血圧に合わせてキャリブレーションするフィードバックの仕組みである。 PTT is a subject-dependent parameter and requires calibration to blood pressure. This can be accomplished by calibrating to a traditional arm cuff as described above (PTT can also be calibrated using ClearSight®). The PTT model can be used for months to years before the PTT model needs to be recalibrated. Once the PTT model is calibrated, it can then be used to subsequently calibrate the pressure sensor (Figures 20A-C). The advantage of calibrating the pressure sensor to the PTT model is the feedback mechanism that calibrates the pressure sensor to blood pressure after large movements or when the pressure sensor is switched on and off.

本明細書で使用される場合、「約(about)」という用語は、参照される数のプラス10%又はマイナス10%を指す。 As used herein, the term "about" refers to plus or minus 10% of the referenced number.

本発明の好ましい実施例が示され、説明されてきたが、添付の特許請求の範囲を超えない変更を、実施例に加えることができることは、当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。いくつかの実施例では、この特許出願に提示された図は、角度、寸法比などを含めて、一定の縮尺で描かれている。いくつかの実施例では、図は、代表的なものにすぎず、特許請求の範囲は図の寸法によって限定されるものではない。いくつかの実施例では、「含む、備える(comprising)」という句を使用して本明細書に記載された本発明の説明は、「から本質的になる(consisting essentially of)」又は「からなる(consisting of)」と説明できる実施例を含み、したがって、「から本質的になる(consisting essentially of)」又は「からなる(consisting of)」という句を使用する、本発明の1つ又は複数の実施例を特許請求するための書面による説明の要件は、満たされている。 While preferred embodiments of the present invention have been shown and described, it will be readily apparent to one of ordinary skill in the art that modifications may be made thereto that do not exceed the scope of the appended claims. Accordingly, the scope of the present invention is to be limited only by the following claims. In some embodiments, the figures presented in this patent application are drawn to scale, including angles, dimensional ratios, etc. In some embodiments, the figures are merely representative, and the claims are not limited by the dimensions of the figures. In some embodiments, the description of the invention set forth herein using the phrase "comprising" includes embodiments that can be described as "consisting essentially of" or "consisting of," and thus the requirement of a written description to claim one or more embodiments of the invention using the phrase "consisting essentially of" or "consisting of" is satisfied.

以下の特許請求の範囲に列挙されている参照番号は、この特許出願の審査を容易にするためだけのものであり、例示的なものであり、特許請求の範囲を、いかなる形であれ、図面内の対応する参照番号を有する特定の特徴に限定することを意図するものではない。 The reference numerals recited in the claims below are merely for ease of review of this patent application, are exemplary, and are not intended to limit the scope of the claims in any way to the particular features having corresponding reference numerals in the drawings.

100 静電容量式圧力センサ
110 第1の電極層
120 第2の電極層
112、122 エラストマー層
114、124 導電性フィルム
125 隆起部
130 誘電体層
140 空隙
REFERENCE SIGNS LIST 100 Capacitive pressure sensor 110 First electrode layer 120 Second electrode layer 112, 122 Elastomer layers 114, 124 Conductive film 125 Ridge 130 Dielectric layer 140 Air gap

Claims (17)

軟質の静電容量式圧力センサであって、前記静電容量式圧力センサは、
a.第1の電極層と、
b.第2の電極層と、
c.誘電体層であって、前記誘電体層が前記第1の電極層と第2の電極層との間にあるように、前記第1の電極層上に配置された誘電体層と、
d.前記第2の電極層から前記誘電体層及び第1の電極層に向かって突出する複数の弾性構造体であって、前記複数の弾性構造体は、前記第1の電極層と前記第2の電極層とを分離する空隙を作り出す、複数の弾性構造体と、
e.前記複数の弾性構造体の間に配置された第1の導電性金属フィルムであって、前記第2の電極層が、前記第1の導電性金属フィルムを備える、第1の導電性金属フィルム
を備え、前記静電容量式圧力センサが静止構成にあるとき、前記空隙が、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に配置され、前記空隙は、第2の誘電体層として作用し、前記静電容量式圧力センサが圧縮されると、前記第1の電極層及び前記第2の電極層は互いにより接近し、それにより、前記空隙の高さが減少し、前記静電容量式圧力センサの圧力感度及び静電容量が増加する、静電容量式圧力センサ。
A soft capacitive pressure sensor, comprising:
a. a first electrode layer;
b. a second electrode layer;
c. a dielectric layer disposed on the first electrode layer such that the dielectric layer is between the first and second electrode layers;
d. a plurality of resilient structures protruding from the second electrode layer toward the dielectric layer and the first electrode layer, the plurality of resilient structures creating a gap separating the first electrode layer and the second electrode layer;
a first conductive metal film disposed between the plurality of resilient structures , the second electrode layer comprising the first conductive metal film, wherein when the capacitive pressure sensor is in a resting configuration, the air gap is disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, the air gap acts as a second dielectric layer, and when the capacitive pressure sensor is compressed, the first electrode layer and the second electrode layer move closer to one another, thereby decreasing a height of the air gap and increasing pressure sensitivity and capacitance of the capacitive pressure sensor.
前記第1の電極層は、第1のエラストマー層と、前記第1のエラストマー層上に配置された第2の導電性金属フィルムとを備え、前記第2の導電性金属フィルムは、前記第1のエラストマー層と前記誘電体層との間にある、請求項1に記載の静電容量式圧力センサ。 The capacitive pressure sensor of claim 1, wherein the first electrode layer comprises a first elastomer layer and a second conductive metal film disposed on the first elastomer layer, the second conductive metal film being between the first elastomer layer and the dielectric layer. 前記第2の電極層は、第2のエラストマー層を備え、前記第1の導電性金属フィルムは、前記第2のエラストマー層上に配置されている、請求項2に記載の静電容量式圧力センサ。 The capacitive pressure sensor of claim 2, wherein the second electrode layer comprises a second elastomer layer, and the first conductive metal film is disposed on the second elastomer layer. 前記第1及び第2のエラストマー層は、ポリジメチルシロキサン又はポリウレタンを含む、請求項3に記載の静電容量式圧力センサ。 The capacitive pressure sensor of claim 3, wherein the first and second elastomer layers include polydimethylsiloxane or polyurethane. 前記第1及び第2の導電性金属フィルムは、カーボン・ナノチューブ又は金、銀、銅、若しくはアルミニウムのしわの寄った薄いフィルムを含む、請求項4に記載の静電容量式圧力センサ。 The capacitive pressure sensor of claim 4, wherein the first and second conductive metal films include carbon nanotubes or wrinkled thin films of gold, silver, copper, or aluminum. 前記誘電体層は、シリコーン・エラストマー、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデン、又はジルコニア、チタニア、若しくはシリカの酸化物を含む、請求項1に記載の静電容量式圧力センサ。 The capacitive pressure sensor of claim 1, wherein the dielectric layer comprises a silicone elastomer, lead zirconate titanate, barium titanate, polyvinylidene fluoride, or an oxide of zirconia, titania, or silica. 被験者の血圧を監視する方法であって、前記方法は、
a.請求項1に記載の静電容量式圧力センサを準備するステップと、
b.前記被験者の橈骨動脈がある手首に前記静電容量式圧力センサを取り付けるステップと、
c.前記静電容量式圧力センサを使用して前記被験者の血圧信号を測定するステップであって、前記橈骨動脈の拍動が、前記静電容量式圧力センサの圧縮を引き起こし、前記静電容量式圧力センサが、前記橈骨動脈の拍動に対応する前記血圧信号を検出する、ステップと、
d.キャリブレーション・モデルを使用して、前記測定された信号から絶対血圧値を判定するステップと
を含む、方法。
1. A method for monitoring blood pressure in a subject, the method comprising:
a. providing a capacitive pressure sensor as claimed in claim 1;
b. attaching the capacitive pressure sensor to the subject's wrist where the radial artery is located;
c. measuring a blood pressure signal of the subject using the capacitive pressure sensor, wherein pulsation of the radial artery causes compression of the capacitive pressure sensor, and the capacitive pressure sensor detects the blood pressure signal corresponding to pulsation of the radial artery;
and d. determining an absolute blood pressure value from said measured signal using a calibration model.
前記血圧は心拍ごとに監視される、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the blood pressure is monitored beat-by-beat. 人工ニューラル・ネットワーク(ANN)を使用して、前記静電容量式圧力センサをキャリブレーションするステップをさらに含み、
a.前記被験者からの複数の血圧信号を測定するステップと、
b.前記被験者からの1つ又は複数の生物学的入力変数を測定するステップと、
c.トレーニング・セットを形成するために、前記測定された血圧信号及び前記生物学的入力変数を組み合わせるステップと、
d.前記キャリブレーション・モデルを生成するために、前記トレーニング・セットを使用して前記ANNをトレーニングするステップと
を含む、請求項7に記載の方法。
calibrating the capacitive pressure sensor using an artificial neural network (ANN);
a. measuring a plurality of blood pressure signals from the subject;
b. measuring one or more biological input variables from said subject;
c. combining the measured blood pressure signals and the biological input variables to form a training set;
and d. training the ANN using the training set to generate the calibration model.
前記トレーニング・セットは、複数の被験者からの血圧信号の測定値及び1つ又は複数の生物学的入力変数を含む、請求項9に記載の方法。 The method of claim 9, wherein the training set includes blood pressure signal measurements from multiple subjects and one or more biological input variables. 前記1つ又は複数の生物学的入力変数は、センサ圧力、脈拍数、EKGのデータ、加速度計のデータ、ジャイロスコープのデータ、磁力計のデータ、又は血行力学的監視データを含む、請求項9に記載の方法。 The method of claim 9, wherein the one or more biological input variables include sensor pressure, pulse rate, EKG data, accelerometer data, gyroscope data, magnetometer data, or hemodynamic monitoring data. 前記トレーニング・セットに動きデータを含むことによって、モーション・アーチファクトを差し引くステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。 The method of claim 9, further comprising the step of subtracting motion artifacts by including motion data in the training set. 静電容量式圧力センサを製造する方法であって、前記方法は、
a.第1の電極層を形成するために、第1の導電性金属フィルムを第1のエラストマー層に取り付けるステップと、
b.前記第1の導電性金属フィルムが、前記第1のエラストマー層と誘電体層との間に配置されるように、前記誘電体層を前記第1の電極層に取り付けるステップと、
c.第2のエラストマー層を、前記第2のエラストマー層の表面から突出する複数の弾性構造体を有するように成形するステップと、
d.第2の導電性金属フィルムが、前記複数の弾性構造体の間に配置されるように、第2の電極層を形成するために、前記第2の導電性金属フィルムを前記第2のエラストマー層に取り付けるステップと、
e.前記複数の弾性構造体が、前記誘電体層及び前記第1の電極層の方に向けられるように、前記第1の電極層を前記第2の電極層に取り付けるステップであって、前記複数の弾性構造体は、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に空隙を作り出し、前記空隙は第2の誘電体層として作用する、ステップと
を含み、
前記静電容量式圧力センサが圧縮されると、前記第1の電極層及び前記第2の電極層は互いにより接近し、それにより、前記空隙の高さが減少し、前記静電容量式圧力センサの圧力感度及び静電容量が増加する、方法。
1. A method of manufacturing a capacitive pressure sensor, the method comprising:
a. attaching a first conductive metal film to a first elastomeric layer to form a first electrode layer;
b. attaching the dielectric layer to the first electrode layer such that the first conductive metal film is disposed between the first elastomeric layer and the dielectric layer;
c. molding a second elastomeric layer having a plurality of resilient structures protruding from a surface of the second elastomeric layer;
d. attaching a second conductive metal film to the second elastomeric layer to form a second electrode layer such that the second conductive metal film is disposed between the plurality of elastic structures;
e. attaching the first electrode layer to the second electrode layer such that the plurality of resilient structures are oriented toward the dielectric layer and the first electrode layer, the plurality of resilient structures creating an air gap between the first electrode layer and the second electrode layer, the air gap acting as a second dielectric layer;
When the capacitive pressure sensor is compressed, the first electrode layer and the second electrode layer move closer to each other, thereby decreasing the height of the gap and increasing the pressure sensitivity and capacitance of the capacitive pressure sensor.
前記第1及び第2のエラストマー層は、ポリジメチルシロキサン又はポリウレタンを含む、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the first and second elastomeric layers comprise polydimethylsiloxane or polyurethane. 前記第1及び第2の導電性金属フィルムは、カーボン・ナノチューブ又は金、銀、銅、若しくはアルミニウムのしわの寄った薄いフィルムを含む、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the first and second conductive metal films comprise carbon nanotubes or wrinkled thin films of gold, silver, copper, or aluminum. 前記誘電体層は、軟質のシリコーン・ゴム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ポリフッ化ビニリデン、又はジルコニア、チタニア、若しくはシリカの酸化物を含む、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the dielectric layer comprises soft silicone rubber, lead zirconate titanate, barium titanate, polyvinylidene fluoride, or oxides of zirconia, titania, or silica. 人工ニューラルネットワーク(ANN)を使用して前記静電容量式圧力センサをキャリブレーションするステップをさらに含み、前記キャリブレーションは、測定された血圧信号及び1つ又は複数の生物学的入力変数からなるトレーニング・セットを使用して、前記ANNをトレーニングすることにより、キャリブレーション・モデルを生成するステップを含む、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, further comprising calibrating the capacitive pressure sensor using an artificial neural network (ANN), the calibration comprising generating a calibration model by training the ANN using a training set of measured blood pressure signals and one or more biological input variables.
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