JP4644425B2 - 移植可能なセンサ電極と電子回路構成 - Google Patents

Description

（関連出願）
本発明の実施形態は、２００１年１０月２３日に出願された「移植可能なセンサ電極と電子回路（Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）」という名称の仮特許出願第６０／３３５，６５２号の優先権を主張するものであり、前記出願は、その開示内容を本願明細書の一部として援用する。

本発明は、センサ電子機器回路の分野に関し、特に、移植可能なセンサ電極と、検出器のための移植可能な電子回路とに関する。

理想的とは言えない環境でより長い期間に渡って存続できるセンサの発達は、このようなセンサから信号を受け取り、受け取った信号を処理する関連電子機器回路の負担を大きくしてきた。

たとえば、医療機器の分野では、生理的パラメータセンサが利用でき、これらのセンサは、インビボ内に移植された後、６ヶ月から１年以上もの間、インビボ環境内に残される可能性がある。インビボ環境におけるこのように延長された期間は、生理的パラメータセンサに接続して用いられる、以前から利用可能であった電子回路に重い負担を強いている。

また、血管内環境、または、生理的パラメータセンサを恒常的に流体環境に曝す可能性がある他の環境に配置できる生理的パラメータセンサの利用可能性は、該生理的パラメータセンサを構成できる生体分子と組み合わせて利用される電極の負担を大きくしている。

生理的パラメータ検知の用途においては、複数の電極が利用されることがあるため、流体、たとえば、血液などが電極間に複数の導電路を作成して、該電極を用いて行われる測定の整合性を損なう可能性がある。現時点で周知の電極構成とその関連回路構成は、このような環境の要望を処理するには能力の乏しいものである。

更に、生理的パラメータセンサを生体内に移植しておける期間が延長されたことは、前記センサ電極およびセンサ電子機器回路を駆動する電源に更なる要望を課す。たとえば、比較的短期間のセンサのインビボ移植用に設計されたものである従来のセンサ技術は、インビボ環境用の電源、たとえば、リチウム電池など、もセンサと一緒に包含する場合がある。このような短期間センサは、たとえば、外科手術の用途での緊急利用のために設計されている場合もある。この用途では、保管場所内であっても電源供給された状態でセンサを保持するように企図される。

したがって、病院が、センサを保管し、緊急外科手術でセンサを移植し、センサの読み取り値を直ちに取得することを期待することもある。ただし、長期インビボ移植に対応したセンサが登場したことで、電源が有効化されたままセンサを保管することは、電源を枯渇させ、そのセンサを長期間インビボ移植で利用することが、非現実的で、容認できないものになる可能性がある。

また、改善されたインビボ信号処理に対応した要望は、既に過分の負担を強いられているインビボ電源に更に大きな要望を突きつける。移植可能なインビボ自動システムは、移植された電源センサに電力を供給する期間が延長された電源条件を必要とするのみならず、センサ信号の取得および処理に用いられる回路についても、利用可能な電力を増やすことを求めている。

本発明の実施形態は、センサ電極、および該センサ電極に接続されるセンサ電子機器回路に関する。

本発明の実施形態は、パラメータを感知する電極の組を少なくとも１組含むセンサの出力を検知する電子回路を含む。前記少なくとも１組の電極の組は、第１電極と第２電極を備えてよく、該電極の組において、前記第１電極は前記第２電極の周囲を取り巻く。前記電子回路は、パラメータを処理する回路構成を含んでよい。電極の組によって検知されるパラメータは、生理的パラメータ、たとえば、ブドウ糖、酸素などでよい。第１電極は、Ｕ形方式で第２電極を取り巻いても、あるいは、第２電極の３辺を取り巻いてもよい。第１電極と第２電極の配置は、第１電極と第２電極の間の交差結合を最小限に抑える形で行ってよい。電子回路は、前記少なくとも１組の電極の組の基準電圧を設定するための基準電極を含んでよい。基準電圧は、約０．５ボルトに設定されてよい。また、前記回路構成は、入力／出力ラインに接続するラインインタフェースと、前記ラインインタフェースと並列の整流器と、ラインインタフェースに連結されたカウンタと、該カウンタと前記少なくとも１組の電極の組に連結されたデータ変換器と、を含んでよい。制御論理は、カウンタとラインインタフェースに連結されてよい。制御論理は、状態機械と、該状態機械に連結された状態復号器と、を含んでよい。制御論理は、マイクロプロセッサを含んでよい。前記電子回路において、整流器は、通信パルスからキャパシタに電力を伝達してよい。キャパシタは、前記通信パルスから供給された電力を用いて電子回路に電力を提供できる。データ変換器は、アナログ／デジタル変換器、電圧／周波数変換器、または、電流／周波数変換器のいずれかでよい。データ変換器が電流／周波数変換器である場合、該電流／周波数変換器の出力は、カウンタとの接続前にプリスケーラを用いて倍率変換されてよい。プリスケーラは、１６分割プリスケーラであってよい。回路は、環境の温度を読み取る温度センサ、および基準電極に電圧を印加する基準電圧源も含んでよい。また、スイッチキャパシタ回路は、本電子回路において、抵抗器として利用されてよい。

本発明の実施形態の前述および他の目的、特性、および利点は、当業者にとっては、図面および添付の請求項を読んだ時に、本発明の実施形態についての詳細な記述から明らかになるであろう。

好ましい実施形態についての以下の記述においては、実施形態の一部を形成するもの、および本発明を実現できる特定の実施形態が図によって示される添付の図面が参照される。他の実施形態を利用してもよいこと、および、本発明の好ましい実施形態の範囲から離れることなく構成を変更してもよいことは、理解されるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサの出力を感知する電子回路を示す略ブロック図である。少なくとも１組のセンサ電極の組１０は、データ変換器１２に接続してよく、その出力は、カウンタ１４に接続してよい。カウンタ１４は、制御論理１６によって制御されてよい。カウンタ１４の出力は、ラインインタフェース１８に接続してよい。ラインインタフェース１８は、入出力ライン２０に接続されてよく、更に、制御論理１６に接続してよい。入出力ライン２０は、出力整流器２２にも連結されてよい。センサ電極１０は、各種の検出用途に利用されてよく、各種の方法で構成されてよい。たとえば、センサ電極１０は、ある種の生体分子が触媒物質として用いられる生理的パラメータ検知の用途に用いられてよい。センサ電極１０は、たとえば、センサ電極１０との反応を引き出すブドウ糖オキシダーゼエンザイムを持つブドウ糖と酸素のセンサに利用されてよい。センサ電極１０は、生体分子または他の触媒物質と共に、体内において管状または非管状の環境内に配置されてよい。たとえば、センサ電極１０と生体分子は、静脈内に置かれて血流にさらされても、あるいは、人体の皮下領域または腹膜領域に置かれてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係るセンサ電極１０の電子構成を示す図である。演算増幅器３０または他のサーボ制御装置は、回路／電極インタフェース３８を介してセンサ電極１０に接続してよい。演算増幅器３０は、対電極３６の電圧を調整することで、基準電極３２と作用電極３４の間の正電圧を維持するように試みてよい。

本発明の実施形態によると、演算増幅器３０の入力部に印加され、その結果、基準電極３２に設定される電圧は、約０．５ボルトでよい。この時、電流は、対電極３６から作用電極３４に流れてよい。このような電流を測定して、センサ電極１０と、該センサ電極１０の近傍に配置されて触媒物質として利用されるセンサの生体分子の間の電気化学的反応を確認してもよい。ブドウ糖オキシダーゼエンザイムがセンサ内の触媒物質として利用される本発明の実施形態において、電流は、エンザイムとセンサ電極１０の近傍に酸素が存在する場合にのみ、対電極３６から作用電極３４に流れることができる。基準電極３２に設定された電圧が約０．５ボルトに維持された場合、対電極３６から作用電極３４に流れる電流の量は、エンザイムと電極を取り巻く領域内に存在する酸素の量の均一な勾配と、極めて直線的な関係にある。このように、血液内の酸素量を判定する精度の向上は、基準電極３２を約０．５ボルトに維持し、電流−電圧曲線のこの領域を利用して、血中酸素のレベルを変化させることで実現できる。酸素の各種レベルに対応した電流対電圧のグラフは、図３に示すようなものであってよい。

本発明の他の実施形態では、ブドウ糖オキシダーゼエンザイム以外の生体分子を有する異なるセンサを利用してもよく、基準電極に設定される電圧は、したがって、０．５ボルト以外であってもよい。

本発明の一実施形態によると、１つ以上の作用電極３４が用いられてよい。ただし、電流は、通常、演算増幅器３０から対電極３６に向かって流れ、次いで、対応する作用電極３４に流れるが、１つ以上の作用電極３４が利用される一部の応用例では、対電極３６からの電流が、意図しない作用電極３４に結合される場合がある。

このような現象が生じる原因としては、センサが利用されるある種の環境が、対電極３６から複数の作用電極３４のいずれかに至る複数の導電路を提供する可能性があることが考えられる。たとえば、ブドウ糖オキシダーゼエンザイムを有するセンサが、ブドウ糖と酸素の検知用途に用いられて、脈管環境に配置されると、該センサを取り巻く血液が、対電極３６から複数の作用電極３４のうちのいずれかに至る導電路を形成することがある。ある電極を通る電流は、電気学的作用によって、その電極に酸素を生成する可能性がある。

このように、対電極３６から不作為の作用電極３４に流れる電極は、その不作為の作用電極３４に酸素を生成することがあり、作用電極３４の酸素は、血液内の酸素とブドウ糖オキシダーゼエンザイムの作用の結果であると見なされる可能性がある。その結果、最終的には、ブドウ糖の読み取り値に誤りが生じることになる。このような誤った読み取り値は、インシュリンの正確な自動投与をこの読み取り値に依拠している患者に害をもたらすことは明らかである。したがって、センサ電極１０は、対電極３６と作用電極３４の交差結合の影響を最小限に抑えるように構成される。

図４は、本発明の一実施形態に従って、対電極と作用電極の交差結合の影響を最小化する物理的電極配置を示す図である。図４には、２つの対電極４０，４２と、２つの作用電極４４，４６が存在する。対電極４０，４２は、それぞれ、作用電極４４，４６の周囲をＵ形に取り巻く。基準電極４８は、対電極４０，４２の間に配置されてよい。本発明のこの実施形態によれば、第１対電極４０と第２作用電極４６の交差結合と、第２対電極４２と第１作用電極４４の交差結合を最小化できる。第１と第２の対電極４０，４２は、対電極４０，４２の電圧または電位が等価になるように電気的に結合されてよい。また、すべてのセンサ電極は、電気メッキ処理されてよい。電気メッキ処理は、当該産業分野で一般的な各種の電気メッキ材、たとえば、プラチナ、銀、塩化銀などの任意の材料を用いて実現されてよい。電気回路は、この目的に応じて使用できるメッキ回路構成を含んでよい。電気回路は、電極の電気メッキ処理を促進するために、たとえば、製造工程でのみ用いられるメッキ回路を備えてもよい。

図１に戻る。センサ電極１０は、データ変換器１２と結合してよい。データ変換器１２は、センサ電極１０から得た電子パラメータを、電子回路の残りの部分で用いるのに適した形式に変換する適切な各種のアナログ／デジタル変換器の１つであってよい。データ変換器は、たとえば、電流からデジタルデータへの変換、または電圧からデジタルデータへの変換を行ってよい。

本発明の一実施形態によると、データ変換器は、電流を周波数に変換してよい。本発明の実施形態での利用に適した電流／周波数変換は、米国特許第５，９１７，３４６号明細書に開示されている。ジョン・Ｃ・ゴード（Ｊｏｈｎ Ｃ． Ｇｏｒｄ）による「移植可能なセンサに用いる低電力の電流／周波数変換回路（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｔｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｉｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」という名称の前記米国特許は、アルフレッド・Ｅ・マン・ファウンデーション（Ａｌｆｒｅｄ Ｅ． Ｍａｎｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）に譲渡されたもので、その開示内容を本発明の一部としてここに援用する。

カウンタ１４は、産業界で広く利用されている任意のカウンタ、たとえば、リップルカウンタなど、でよい。制御論理１６は、カウンタ１４の正確な動作を容易にする任意の制御論理でよい。カウンタと制御論理は、同期モードまたは非同期モードのいずれで動作してもよい。カウンタ１４と制御論理１６は、たとえば、それぞれ個別の装置、または、マイクロプロセッサを用いるなど、各種の方法で実現できる。ラインインタフェース１８は、遠隔位置にある移植装置、または、電子回路が接続される他の装置から、たとえば、パルス形式など、各種の形式の情報を受け取ってよい。ラインインタフェース１８は、このような情報から、電子回路構成の他の部分で利用されるデータおよびクロック信号を生成してよい。

また、ラインインタフェース１８は、たとえば、前記移植装置、または、該ラインインタフェースが接続される他の装置にパルス形式の情報を送り返してもよい。出力整流器２２は、入力ライン２０に入射する通信信号から電力を獲得し、このような電力を、貯蔵装置、たとえば、キャパシタなどに蓄積してよい。本発明の各種実施形態によると、たとえば、電池など、電子回路に常駐する内部エネルギ生成装置は存在しない。電力は、出力整流器２２を用いて、通信信号から導出される。

このように、たとえば、電池など、電子回路内のエネルギ生成装置の電池切れを考慮せずにすむため、本電子回路は、長期の検知用途に利用されてよい。本発明の実施形態での利用に適した出力整流器回路は、米国特許第５，９９９，８４９号明細書に開示されている。ジョン・Ｃ・ゴード（Ｊｏｈｎ Ｃ． Ｇｏｒｄ）他による「移植可能な医療装置のための低電力整流器回路（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆｏｒ Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ）」という名称の前記米国特許は、アルフレッド・Ｅ・マン・ファウンデーション（Ａｌｆｒｅｄ Ｅ．Ｍａｎｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）に譲渡されたもので、その開示内容を本発明の一部として援用する。

図５は、本発明の一実施形態に係る電子回路を更に詳細に示すブロック図である。入力／出力ライン２０は、ラインインタフェース１８と出力整流器２２とに結合し、電子回路と、遠隔位置にある移植装置または他の装置の間の通信リンクを提供する。本発明の一実施形態に係る遠隔位置にある移植装置または他の装置は、入力／出力ラインを通って伝達される一連の両極性パルスを利用して、電子回路と通信してよい。

伝達されたパルス波形は、図６に示されている。各両極性パルス５０，５２，５４，５６は、電子回路と通信する遠隔位置にある移植装置または他の装置からの１ビットのデータを表してよい。各両極性パルス５０，５２，５４，５６は、正と負のレベルで構成されてよい。

本発明の一実施形態によると、バイナリの１は、負のレベルが後に続く正のレベルで指定されてよい。負のレベルに追従されない正のレベルは、バイナリのゼロを指定してよい。本発明の一実施形態によると、伝送パルスの振幅は、２．３ボルトと３．６ボルトの間でよい。図６において、伝送される最初のパルス５０は、正のパルスで、その後に負のパルスが続く。

このように、パルス５０，５２の組は、本実施形態において、バイナリの１を表す。図６の２つ目の組のパルス５４，５６は、正のパルスが後に続く負のパルスである。したがって、本発明の実施形態によれば、２つ目の組のパルス５４，５６は、バイナリのゼロを表す。ゼロの電圧レベルは、正のパルスと負のパルスの間に存在してよい。本発明の一実施形態によると、パルス幅５８は、約１．９マイクロセカンドでよい。パルスは、約２４４マイクロセカンドの期間６０に対応する４，０９６ヘルツのパルス繰返し率を持ってよい。このパルス繰返し率は、数式４，０９６ヘルツ／ｎ（前式において、ｎ＝１，２，３，４，５，６，７、または８）に基づいて調整できる。

本発明の一実施形態によれば、電子回路を、内蔵式の各種通信遅延調整器で実現して、データ伝送の整合性を向上させることができる。たとえば、本発明の一実施形態によると、１組の伝送パルスを受信した後の１５２マイクロセカンドの遅延を利用できるので、入力／出力ライン上の他のパルスを無視することができる。このような遅延を実施することによって、同一の入力／出力ラインを利用する電子回路が複数存在する場合、または、電子回路自身が、入力／出力ラインに該回路固有のパルスを入れた場合の、意図しないパルスの受信に関わる不明瞭さを抑制できる。遠隔位置にある移植装置または他の装置から電子回路でデータビットを受信した後、電子回路は、受信した操作符号またはデータに応じた各種の方法で応答してよい。

たとえば、電子回路は、カウンタ値、トリム設定値、モードステータス、チャンネル設定、回路に恒久的にエッチングされている識別番号などを出力して応答してよい。本発明の一実施形態によると、電子回路は、単極性パルスの形式で応答してよい。たとえば、応答値がバイナリの１である場合、電子回路は、１〜１０ミリセカンドの期間に対応する正の値を用いて、論理を高位に設定し、遠隔位置にある移植装置または他の装置から受け取った両極性パルスの最初の縁端部の後に、基準の４４ミリセカンドを設けてよい。遠隔位置にある移植装置または他の装置に対して、電子回路から送信されるパルスの振幅は、１ボルトから３．６ボルトの間でよい。電子装置からの応答がバイナリのゼロである場合は、遠隔位置にある移植装置または他の装置に電子回路からパルスが送信されなくてよい。

図５に戻って説明する。入力ライン２０は、入力ライン２０に入射したパルスを利用してキャパシタ１９に電荷を供給する出力整流器２２に送り込まれてよい。入力ライン２０の通信パルスから抽出されてキャパシタ１９に蓄積された電荷は、電子回路への電力供給のために用いられてよい。また、キャパシタ１９は、電圧リップルを抑制するために、電子回路のローパスフィルタとして機能してもよい。

本発明の一実施形態によると、２４４マイクロセカンドごとに２マイクロセカンドのパルス幅を利用し、キャパシタは、約０．０３３マイクロファラッドでよい。このサイズのキャパシタは、統合デバイスにとっては大きすぎることがあるため、電子回路を統合装置として製造する場合、キャパシタ１９は、電子回路外部の個別のキャパシタであってよい。

本発明の一実施形態によると、キャパシタは、＋／−３ボルトに荷電されてよい。入力ライン２０は、ラインインタフェース１８にも接続されてよく、ラインインタフェース１８は、本発明の実施形態によると、たとえば、両極性パルスなどの形式で、遠隔位置にある移植装置または他の装置から情報を受け取ってよい。ラインインタフェース１８は、また、データおよびクロック信号を生成してよく、更に、遠隔位置にある移植装置または他の装置に単極性パルスを送り返してもよい。状態機械７０と状態復号器７２は、ラインインタフェース１８に接続されてよい。ラインインタフェース１８によって生成されたデータおよびクロック信号は、データを抽出して、入力ライン２０上で受け取った両極性パルスの特性を判定するために、状態機械７０で利用されてよい。状態機械７０は、電子回路に各種の機能を提供してよい。たとえば、状態機械７０は、システムクロックの生成、カウンタのクリア、パリティの検査などを行ってよい。また、状態機械７０は、操作符号とデータの復号化も行ってよい。復号された操作符号は、各種の機能、たとえば、多重化装置チャンネルの新しい設定のラッチ、トリム値の設定、テストモードの設定などを指定できる。状態復号器７２を利用して、カウンタ出力を復号してもよい。また、状態機械７０と状態復号器７２は、パワーオンクリア回路７４を含んでよい。

本発明の一実施形態によると、パワーオンクリア回路７４は、５０ピコファラッドのキャパシタと、抵抗器として機能するトランジスタと、パルスを二乗する２つの符号変換器と、を有するＲＣタイプの代表的なパルス生成回路でよい。状態機械７０と状態復号器７２は、入力ラッチ７６に接続してよい。

本発明の一実施形態によると、入力ラッチ７６を利用して、コマンドで用いられるアドレス、操作符号、およびデータをラッチできる。入力ラッチ７６は、トリムラッチ７８、アドレス突合せ回路８０、およびチャンネルラッチ８２を供給してよい。チャンネルラッチ８２は、入力ラッチ７６からのデータ入力がある複数のラッチを含んでよい。チャンネルラッチ８２を利用して、プリスケーラと多重化装置を制御してよい。また、トリムラッチ７８は、複数のラッチで構成してもよい。トリムラッチ７８への入力は、トリム位置データを含んでよい。ラッチの後、トリム位置は、次のトリム設定処理まで、または、パワーオンリセットが発生するまで保持されてよい。

本発明の一実施形態によると、トリム設定は、秘密のハンドシェークを備えていてよい。トリム設定は、電子回路の動作に大きく影響する可能性があるため、トリム電圧を設定する時に、誤差を最小にする配慮がなされてよい。たとえば、電子回路は、トリム電圧の設定前に、他のコマンドが間に存在しない特定のコマンドを受け取ってよい。アドレス突合せ回路８０を用いて、電子回路に送信された命令とデータは、意図された電子回路で受け取られたものであることを確認してよい。複数のセンサ、センサ電極、およびセンサ電子回路が用いられる応用例において、アドレス突合せ回路８０は、各電子回路が、該回路に向けられた命令およびデータを受信することを確認してよい。たとえば、一部の応用例では、いくつかの電子回路が、共に、デージーチェイン結合されてよい。各電子回路は一意のアドレスを持つため、シリアルバスを介して送信される命令およびデータは、各電子回路のうちの目的とする唯一の電子回路で受信される。アドレス突合せ回路８０は、命令およびデータが送られる対象であるアドレスを読み取り、読み取ったアドレスと、該アドレス突合せ回路８０が常駐する電子回路のアドレスとを比較する。アドレス突合せ回路８０によって読み取られたアドレスが電子回路のアドレスと一致する場合は、命令およびデータが、その電子回路によって利用されることになる。アドレス突合せ回路８０によって読み取られたアドレスが電子回路のアドレスと一致しない場合、命令およびデータは、その電子回路から無視されることになる。チャンネルラッチ８２は、チャンネル復号器８４を提供してよい。チャンネル復号器８４は、チャンネルラッチ８２からのチャンネルバイトをチャンネル選択信号に復号してよい。チャンネル復号器８４の信号は、次に、アナログ多重化装置８６の制御に利用されてよく、アナログ多重化装置８６に測定用の補助信号を選択させる。アナログ多重化装置８６は、データ変換器に対する測定用の補助信号を多重化してよい。

本発明の一実施形態に係るアナログ多重化装置８６は、８チャンネルＣＭＯＳ多重化装置でよい。電圧信号が、アナログ多重化装置から多重化された場合、該信号は、スイッチキャパシタ抵抗器８８に向けられ、そこで、電圧から電流に変換されて、電流／周波数変換器で測定できる形式に置き換えられる。個別の抵抗器、または、抵抗器として利用されるトランジスタが、スイッチキャパシタ抵抗器８８の代用として利用されてもよいが、スイッチキャパシタ抵抗器８８が使用されるのは、スイッチキャパシタ抵抗器８８が、概して、他のタイプの抵抗器よりも小さく、電子回路内で狭い空間しか占有しないためである。温度センサ９０は、温度の作用である出力電流を供給するアナログ多重化装置８６内に設けられてよい。

本発明の一実施形態によると、温度センサ９０からの公称出力電流は、５０ナノアンペアでよく、セ氏度当たり１ナノアンペア変化してよい。生理的パラメータ検知の一部の応用例は、たとえば、ブドウ糖酸素反応などの温度感受性があるので、電子回路構成の較正の精度は、電子回路が配置される環境、たとえば、人体など、の温度に左右される。したがって、温度センサ９０を電子回路に挿入して、電子回路の適切な較正を提供する。たとえば、熱のある患者は、体温が平熱の患者とは異なるブドウ糖／酸素反応を引き起こす可能性がある。この差異を補正するのに、温度センサ９０が利用されてよい。複数の電流／周波数変換器９２，９４，９６は、図５に示される電子回路に利用できる。電流／周波数変換器９２，９４，９６は、サイクルをカウントする簡単な方法を提供し、極めて少ない電力しか消費せず、自動平均を行い、更に、電流測定を比較的安価なものにする。

また、電流／周波数変換器９２，９４，９６は、負の電源を用いずに作用電極３４を基準値に維持したままで、作用電極３４からの電流を測定するのに役立つ。対電極３６から作用電極３４に流れる電流は、作用電極３４を基準値の上に駆動する傾向がある。電流／周波数変換器９２，９４，９６は、負の電荷パケットを放出する。作用電極３４と電流／周波数変換器９２，９４，９６とを接続することで、作用電極３４は、基準値に維持できる。つまり、電流／周波数変換器９２，９４，９６から放出された負の電荷パケットは、作用電極を基準値の上に駆動しがちの対電極３６からの電流をオフセットさせる傾向がある。電流／周波数変換器９２，９４，９６は、各種の方法で較正されてよい。

本発明の一実施形態によると、電流／周波数変換器９２，９４，９６は、約１００カウント／秒／ナノアンペアに較正されてよい。電流／周波数変換器９２，９４，９６の較正は、各種の要因に左右される可能性がある。この較正を作用する要因には、カウント時間の長さおよび電流／周波数変換係数などが含まれるが、該要因は、これらに限定されない。電流／周波数変換器９２，９４，９６は、プリスケーラ９８，１００，１０２を提供してよい。プリスケーラ９８，１００，１０２を利用して、電流／周波数変換器９２，９４，９６の出力を調整してよい。プリスケーラ９８，１００，１０２は、たとえば、１６個の回路で単純に分割されてよい。この分割は、測定カウンタ１０４，１０６，１０８に現れるカウント数を削減する。この方法で、測定カウンタ１０４，１０６，１０８の負荷が最小限に抑えられて、測定カウンタ１０４，１０６，１０８の算術あふれの危険が削減される。

ただし、電子回路は、フラグまたは他の指標を設定して、プリスケーラ９８，１００，１０２の利用が任意選択の構成となるように設計されてもよい。測定カウンタ１０４，１０６，１０８を利用して、電流／周波数変換器９２，９４，９６の出力を測定するか、または、補助信号を測定してよい。電流／周波数変換器９２，９４，９６によって出力された周波数のカウントと、カウント時間の長さと、電流／周波数変換器９２，９４，９６によって利用される電流／周波数変換係数と、が判ると、センサによって生成される電流を計算できる。測定カウンタ１０４，１０６，１０８は、それぞれ固有の多重化装置を含んでよい。測定カウンタ１０４，１０６，１０８、または測定カウンタ１０４，１０６，１０８上の多重化装置は、ラインインタフェース１８にカウント値を送信する汎用出力多重化装置１１０を提供できる。ラインインタフェース１８は、ここで、遠隔位置にある移植装置または他の装置に、これらのカウント値を送り返してよい。電子回路は、また、基準電圧源１１２を含んでよい。基準電圧源１１２は、各種の形式を取れる。たとえば、基準電圧源１１２をバンドギャップ型基準電圧源回路で構成して、既知の電流をトランジスタに提供するのに利用されるバイアス電圧を提供できる。電子回路は、また、各種の他の要素を含んでもよい。たとえば、電子回路は、検査のために用いられる検査パッドを含んでよい。検査パッドにクロックが送り込まれて、カウンタが機能する。また、この検査パッドが出力として構成されて、オンチップ電圧基準源が測定されてもよい。また、電子回路は、可変バイアス回路を含んでもよい。電子回路をすばやく動作させるには、該回路に含まれるトランジスタを駆動する大量のバイアス電流が必要とされる。ただし、電子回路が非常に微小な活動に従事する延長期間が存在する可能性がある。微小活動の期間中、可変バイアス回路構成は、電子回路で利用できるバイアス電流の量を減らしてもよい。また、入力ライン上の電圧が、たとえば、１ボルトなどのしきい値の量分だけ変化した時点で、直ちに、可変バイアス回路構成は、電子回路で利用できるバイアス電流の量を増やして、電子回路のすべての機能がすばやく動作できるようにしてもよい。このように、可変バイアス回路構成は、動的に調整できるバイアス電流を電子回路に提供してよい。可変バイアス回路は、入力ライン上で受け取られるパルスを予測できるので、パルスが電子回路に到達した時に、電子回路の高速動作に対応した適切な量のバイアス電流が利用可能になる。電子回路は、各種の方法で実現されてよい。

本発明の一実施形態に係る電極および回路は、単一の基板に固定されてよい。図７は、２つの辺を含む基板１２０を示す図である。前記２つの辺のうちの第１辺１２２は、電極構成を含み、その第２辺１２４は、電子回路構成を含む。図７に示されるように、基板の第１辺１２２は、それぞれ基準電極４８の反対側に位置する２組の対電極−作用電極４０，４２，４４，４６を含む。基板の第２辺１２４は、電子回路構成を含む。図示されるように、電子回路構成は、該電子回路構成の保護容器を提供する気密封止ケーシング１２６内に密封されてよい。これにより、電子回路構成を流体に曝すことになる管環境または他の環境に電子回路構成を挿入できるようになる。気密封止ケーシング１２６に電子回路構成を密封することで、電子回路構成は、周囲の流体によって短絡する危険なしに動作できる。また、図７には、パッド１２８が示されている。このパッド１２８には、電子回路構成の入力ラインと出力ラインが接続されてよい。電子回路構成自体は、各種の方法で製造されてよい。本発明の一実施形態によると、電子回路構成は、当該産業分野で一般的な技術を用いて、集積回路として製造されてよい。

図８は、本発明の実施形態に従って、スペーサ１３０と共に用いられるセンサ基板１２０の電極側を示す。図８に示される実施形態は、生理的パラメータの検知、たとえば、体内のブドウ糖検知に利用されてよい。スペーサ１３０は、電極４０，４２，４４，４６，４８の上に配置されてよい。スペーサ１３０が、たとえば、シリコンから成る場合、スペーサ１３０は、酸素を通すが、ブドウ糖は通さない。ブドウ糖オキシダーゼエンザイムは、スペーサ１３０の窪み１３２に配置されて、２つ目の対電極−作用電極の組４２，４６の上に載ってもよい。シリコンのスペーサ１３０を通過して、１つ目の対電極−作用電極の組４０，４４と反応する酸素は、電流／周波数変換器で読み取られ、血液中の酸素の基準量の設定に利用されてよい。２つ目の対電極−作用電極の組４２，４６の上に載せられたブドウ糖オキシダーゼエンザイムと反応するブドウ糖は、酸素を消耗する傾向があるため、２つ目の対電極−作用電極の組４２，４６との反応に利用できる酸素は少ししか残らない。それでもなお、残留している量の酸素は、２つ目の対電極−作用電極の組４２，４６と反応するので、この値は、該組が接続された電流／周波数変換器で読み取ることができる。電流／周波数変換器からの各値を読み取って、各種異なる量の酸素を利用し、血液中のブドウ糖の量を判定してよい。血液中のブドウ糖の量は、移植可能なポンプまたは他の装置を利用して、患者に自動的にインシュリンを送り込むために利用できる。

本発明の特定の実施形態について、図示および説明してきたが、本発明は、図示および記述された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の精神および範囲から離れることなく、本発明を変形および変更できることは、当業者にとって明らかであろう。

本発明の実施形態に従って、センサの出力を検知する電子回路を示す略ブロック図である。 本発明の実施形態に係るセンサ電極の電子構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る、酸素の各種レベルに対応した電流対電圧を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従って、対電極と作用電極の交差結合の影響を最小化する物理的電極配置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電子回路を示す詳細ブロック図である。 本発明の一実施形態に従って伝達されるパルス波形を示す図である。 電極構成を含む第１辺と、電子回路を含む第２辺と、を有する本発明の一実施形態に係る基板を示す図である。 スペーサと共に用いられる本発明の一実施形態に係るセンサ基板の電極側を示す図である。

Claims (26)

1. センサの出力を検知する電子回路であって、
   基板と、
   パラメータ検知用の前記基板の第１の面に形成され、それぞれ電圧が印加される対電極である第１電極と、第１電極からの電流が流れ込む作用電極である第２電極とをそれぞれ含む第１の電極組と第２の電極組と、
   前記パラメータを処理する回路構成と、を含む電子回路であって、
   前記第１の電極組の前記第１電極と前記第２の電極組の前記第２電極との間の交差結合を抑制するように、前記各電極組の前記第１電極は前記各電極組の前記第２電極の周りを少なくとも部分的に取り巻いていること、
   を特徴とする電子回路。
2. 請求項１に記載の電子回路であって、前記各電極組の前記第１電極が、その電極組の前記第２電極の周囲をＵ形方式で取り巻くことを特徴とする電子回路。
3. 請求項１に記載の電子回路であって、前記各電極組の前記第１電極が、その電極組の前記第２電極の３辺を取り巻くことによって、該第２電極の周囲を取り巻くことを特徴とする電子回路。
4. 請求項１に記載の電子回路であって、前記第１の電極組と前記第２の電極組は、前記各電極組の前記各第１電極のみが対向するよう配置されていることを特徴とする電子回路。
5. 請求項１に記載の電子回路であって、前記各電極組の前記第２電極は略長方形であることを特徴とする電子回路。
6. 請求項３に記載の電子回路であって、前記各電極組の前記第２電極は略長方形であり、前記各電極組の前記第２電極の３辺は、略長方形の２つの長辺と１つの短辺であることを特徴とする電子回路。
7. 請求項１に記載の電子回路であって、更に、前記各電極組の基準電圧を設定する基準電極を含むことを特徴とする電子回路。
8. 請求項１に記載の電子回路であって、前記基板の前記第１の面に形成され、前記第１の電極組と前記第２の電極組との間に配置され、各電極組の基準電圧を設定するよう前記回路構成に接続される基準電極を含むことを特徴とする電子回路。
9. 請求項７に記載の電子回路であって、前記基準電極に設定される基準電圧が、約０．５ボルトであることを特徴とする電子回路。
10. 請求項１に記載の電子回路であって、前記回路構成は、入力／出力ラインに接続するラインインタフェースと、前記ラインインタフェースと並列の整流器と、前記ラインインタフェースに連結されたカウンタと、前記カウンタおよび前記第１の電極組と第２の電極組とに連結されたデータ変換器と、を含むことを特徴とする電子回路。
11. 請求項１０に記載の電子回路であって、更に、前記カウンタと前記ラインインタフェースに連結された制御論理を含むことを特徴とする電子回路。
12. 請求項１１に記載の電子回路であって、前記制御論理が、状態機械と、該状態機械に連結された状態復号器と、を含むことを特徴とする電子回路。
13. 請求項１２に記載の電子回路であって、前記状態機械は、前記ラインインタフェースによって生成された信号に基づいてデータを抽出し、
    前記状態復号器はカウンタの出力を復号すること、を特徴とする電子回路。
14. 請求項１１に記載の電子回路であって、前記制御論理が、マイクロプロセッサを含むことを特徴とする電子回路。
15. 請求項１０に記載の電子回路であって、前記整流器が、電力を通信パルスからキャパシタに伝送することを特徴とする電子回路。
16. 請求項１５に記載の電子回路であって、前記キャパシタが、前記通信パルスから蓄えられた電力を用いて、電子回路に電力供給することを特徴とする電子回路。
17. 請求項１０に記載の電子回路であって、前記データ変換器が、アナログ／デジタル変換器であることを特徴とする電子回路。
18. 請求項１０に記載の電子回路であって、前記データ変換器が、電圧／周波数変換器であることを特徴とする電子回路。
19. 請求項１０に記載の電子回路であって、前記データ変換器が、電流／周波数変換器であることを特徴とする電子回路。
20. 請求項１９に記載の電子回路であって、前記電流／周波数変換器の出力は、カウンタへの接続前に、プリスケーラを用いて倍率変換されることを特徴とする電子回路。
21. 請求項２０に記載の電子回路であって、前記プリスケーラが、１６分割のプリスケーラであることを特徴とする電子回路。
22. 請求項１０に記載の電子回路であって、前記回路構成が、更に、環境の温度を読み取る温度センサと、基準電極に電圧を印加する基準電圧源と、を含むことを特徴とする電子回路。
23. 請求項１０に記載の電子回路であって、更に、該電子回路内の抵抗器として利用されるスイッチキャパシタ回路を含むことを特徴とする電子回路。
24. 請求項１に記載の電子回路であって、前記第１の電極組と前記第２の電極組とによって検知されるパラメータは、生理的パラメータであることを特徴とする電子回路。
25. 請求項２４に記載の電子回路であって、検知される前記生理的パラメータが、ブドウ糖であることを特徴とする電子回路。
26. 請求項２４に記載の電子回路であって、検知される前記生理的パラメータが、酸素であることを特徴とする電子回路。

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