JP2010540009A - 生体の血管内での測定用のセンサ - Google Patents
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Abstract
本発明は、ガイドワイヤの先端側部分に配置されたセンサ素子が、少なくとも1本のピエゾ抵抗性のナノワイヤを有している、生体の血管内での測定用のセンサとガイドワイヤとの組立体に関するものである。
Description
この出願は、2007年9月11日に提出された米国出願第11/902,508号の優先権を主張するものであり、米国出願第11/902,508号の全ての内容が、参照により本明細書に取り込まれる。
本発明は、概して、生体の血管内で圧力を測定するためのガイドワイヤ上に取り付けられた圧力センサに関し、特に、圧力センサの一部であるピエゾ抵抗素子であって、そのピエゾ抵抗効果が圧力測定に利用されるピエゾ抵抗素子の構成に関する。
血圧および温度のような、生体における生理的な変量の測定に適合したセンサがガイドワイヤの先端側部分に取り付けられたセンサとガイドワイヤとの組立体が公知である。
例えば、本譲渡人に譲渡され、開示された装置および技術について参照により本明細書に取り込まれる特許文献1には、センサ素子と、電子ユニットと、センサ素子を電子ユニットに接続する信号伝達ケーブルと、信号伝達ケーブルおよびセンサ素子が中に配置された可撓性のチューブと、中実の金属製のワイヤと、中実のワイヤの先端に取り付けられたコイルと、を有するセンサとガイドワイヤとの組立体が開示されている。このセンサ素子は、感圧装置、例えば、膜上に取り付けられたホイートストンブリッジ型の回路装置に電気的に接続されたピエゾ抵抗素子を備える膜を有している。ホイートストンブリッジの構成の例は、本譲渡人に譲渡され、開示された装置および技術について参照により本明細書に取り込まれる特許文献2に見出すことができる。
この種のピエゾ抵抗素子を有するセンサとガイドワイヤとの組立体では、ピエゾ抵抗素子は、典型的には、ドープされたシリコンシートから造られ、20mΩ/mmHg程度の感度を有しており、すなわち、周囲の圧力が1mmHgだけ変化した時に、ピエゾ抵抗素子の抵抗が20mΩだけ変化する。このため、このような抵抗の小さな変化を確実に検出できるようにするために、他の全ての抵抗、すなわち、ホイートストンブリッジに取り付けられたものと、様々な構成要素の間、および構成要素と周囲の物(例えば血)との間に期せずして生じることがあるものとの両方を、20mΩよりも小さく制御することが求められる。言い換えれば、かなり低い感度によって、この種の血圧センサによって構成された圧力測定器の信頼性に影響が与えられる可能性があり、したがって、対応するセンサとガイドワイヤとの組立体の製造プロセスに非常に高い要求が課され、それによって、生産コストが嵩んでいる。在来のセンサ素子の、かなり低い感度のために、センサ素子が取り付けられる膜の寸法が比較的大きいことも要求され、というのは、大きな膜は、小さな膜よりも大きく歪み、したがって、大きな膜によれば、それに取り付けられたセンサ素子に、より大きな応力が加えられるからである。しかし、様々な理由で、センサガイドワイヤの寸法を減らす努力が今まで行われてきており、したがって、在来のセンサ素子は、このような努力に障害を生じさせている。
したがって、高い感度で圧力測定を行うことができる改善された、ガイドワイヤに取り付けられるセンサに対する要求がまだある。他の要求は、小さな寸法のセンサとガイドワイヤとの組立体を提供できるように、高い感度を備えるセンサ素子を提供することである。
本発明の一実施態様では、ホイートストンブリッジ型の構成が開示されるが、在来のピエゾ抵抗素子が、いわゆるナノワイヤによって置き換えられている。ナノワイヤは、1ナノメートル(10−9メートル)程度の寸法を有するワイヤであり、数十ナノメータ以下に制限された横方向の大きさと、制限されていない縦方向の大きさを有する構造体として定義することができる。ナノワイヤは、炭素(C)、あるいは、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)または金(Au)などの金属、あるいは、シリコン(Si)、リン化インジウム(InP)または窒化ガリウム(GaN)などの半導体、あるいは、二酸化ケイ素(SiO2)および二酸化チタン(TiO2)のような絶縁体から造ることができる。これらのナノワイヤの幾つかは、明白なピエゾ抵抗作用を呈し、これは、当該分野では、巨大ピエゾ抵抗効果と呼ばれている。ピエゾ抵抗作用は、通常、ナノワイヤが、縮め、または伸ばすことによって応力に曝された時のコンダクタンスの変化に起因している。本発明によれば、ガイドワイヤに取り付けられたセンサはセンサ素子を有しており、このセンサ素子は、ピエゾ抵抗効果を呈する少なくとも1本のナノワイヤを有しており、このピエゾ抵抗効果が、センサの感度を改善するために有効に利用される。ここに定義するように、「ピエゾ抵抗性のナノワイヤ」という用語は、自身はピエゾ抵抗効果を呈さない材料から造られたナノワイヤも含み、そのような材料の例は、酸化亜鉛(ZnO)および窒化アルミニウム(AlN)であることに注意すべきである。これらの材料から造られたナノワイヤでは、ピエゾ抵抗作用は、ナノワイヤが応力に曝された時に起こる電荷の再配置によって生じさせられると考えられている。概して、「ピエゾ抵抗性のナノワイヤ」という用語は、ここで用いるように、全ての種類のナノワイヤ、および、ナノウィスカー、ナノロッド、ナノチューブ、ナノカンチレバーなどのワイヤに類似した構造体であって、それらが、圧力の影響により変形させられ(例えば、縮まされ、または、伸ばされ)た時にそれらの電気抵抗が変化するものを含んでいる。本発明によるナノワイヤは、どのような断面形状を有することもでき、したがって、「ナノワイヤ」という用語は、どのような細長いナノ部材も、その細長いナノ部材がどのように支持されているかにかかわらず、含んでいることにも注意すべきである。好ましい実施態様では、断面は中実で円形であるが、ナノワイヤがリング形状の断面を有し、すなわちナノワイヤが実際にはナノチューブである場合も意図される。もう1つの実施態様では、断面は四辺形または長方形とすることができる。後者の場合、ナノワイヤは、薄く平坦なストリップの形状を有することができる。後者の実施態様は、特に、製造の観点から有利である場合がある。ナノワイヤは、その全長に沿って全体を支持されていてもよいし、数箇所でのみ支持されていてもよい。
本発明の他の実施態様によれば、1本、または幾本かのナノワイヤを、様々な配置で位置させることができる。一実施態様では、ナノワイヤは、上述の特許文献2に開示されている構成と同様に、膜上に、その膜が、周囲の圧力(典型的には血圧)の影響のために歪んだ時にナノワイヤが伸ばされるように配置されている。もう1つの実施態様では、ナノワイヤは、膜の下に、ナノワイヤの第1の端部が膜の下側に接続され、一方、ナノワイヤの第2の端部が、膜によって覆われた凹部の底面によって支持されるように配置されている。この構成によれば、膜が外部の圧力の影響のために歪んだ時に、ナノワイヤは縮められる。さらなる実施態様では、二重の層状の膜が設けられ、1本の、または幾本かのナノワイヤが、2つの層の間の空間に設けられている。さらなる実施態様では、少なくとも1本のナノワイヤが、膜の下側に沿って、膜が周囲の圧力の影響のために歪んだ時にナノワイヤが変形させられるように配置されている。
ナノワイヤは、直径、長さ、およびドーピングの度合いのようなパラメータと構成に応じたピエゾ抵抗性を有することによって特徴付けられる。典型的なパラメータの場合、ナノワイヤは、0.1MΩから10MΩ程度の抵抗率を有することができる。以下により明瞭に説明するように、センサの感度がかなり低いために、このような高い抵抗率によって、センサ素子の絶縁、および、センサとガイドワイヤとの組立体の他の部品に、相応の要求が課される。センサとガイドワイヤとの組立体の他の導電性部材の絶縁は、ナノワイヤの抵抗率よりも約4桁程度大きい必要があり、すなわち、1GΩから100GΩ程度である必要がある。幾本かのナノワイヤを互いに並列な関係となるように配置することによって、ナノワイヤの構成の総計の抵抗は小さくなり、それによって、センサとガイドワイヤとの組立体の他の要素の絶縁の要求が相応に減る。本発明の実施態様では、互いに並列な関係となるように配置されるナノワイヤの数は、変化させられてよく、所望の感度、および、センサとガイドワイヤとの組立体の残りの絶縁特性に関係する、ナノワイヤの構成の総計の抵抗率によって決定される。
図1には、従来技術によるセンサとガイドワイヤとの組立体1の一般的な構成が模式的に示されている。センサとガイドワイヤとの組立体1は、センサガイドワイヤ4の先端側部分3に配置されているセンサ素子2を有している。より具体的には、センサガイドワイヤ4は、先端部5と、先端側コイルバネ6と、ジャケットまたはスリーブ7と、可撓性の先端側チューブ8と、コアワイヤ9と、手前側チューブ10と、を有しており、先端側チューブ8は、代わりに、コイルバネの形態とすることもできる。先端側コイルバネ6は、先端部5に取り付けられ、センサ素子2のハウジングの働きをしているジャケット7へと延びている。可撓性の先端側チューブ8はジャケット7と手前側チューブ10との間を延びている。センサ素子2は、コアワイヤ9の先端側部分の凹部内に取り付けられ、センサとガイドワイヤとの組立体1の周囲の媒体、例えば血液である流体と、ジャケット7の窓を通して連絡している。センサとガイドワイヤとの組立体1は、複数の信号伝達ケーブル11をさらに有しており、信号伝達ケーブル11の先端側端部はセンサ素子2に電気的に接続されており、信号伝達ケーブル11は、センサガイドワイヤ4の手前側端部部分へとコアワイヤ9に沿って延びており、そこで、各信号伝達ケーブル11は、導電性部材12に電気的に接続されている。導電性部材12は、コアワイヤ9から電気的に絶縁され、また、測定値、例えば圧力、温度、および/または流量を表示するための外部の信号処理および表示ユニット(図1には不図示)の、相応のメス・コネクタに接続されるようになったオス・コネクタを形成するように、絶縁部材13によって互いに電気的に絶縁されている。
一例のセンサ素子21が図2に示されている。ここでは、センサ素子21は、シリコンチップ22の形態のセンサ支持体を有しており、シリコンチップ22には、例えばエッチングによって形成された空洞(図2では見えていない)がある。この空洞を横切って、厚さが例えば0.4〜1.5μmで辺の長さが約100μmの薄いポリシリコンの膜23が形成されている。膜23に接触してピエゾ抵抗素子24が取り付けられている。膜23に作用する外部の圧力(典型的には血圧)によって、膜23の歪みが生じさせられ、それによって、ピエゾ抵抗素子24の抵抗が変化させられる。ピエゾ抵抗素子24は、抵抗25,26,27も有するホイートストンブリッジの一部であるので、端子AとBとの間の電圧が変化し、それに対応する電気出力信号を検出することができる。この類型では、抵抗25,26,27は、センサ素子21の外部に配置されており、センサ素子21の一部を形成していないことが言及されるべきである。センサ素子21を有するセンサとガイドワイヤとの組立体の一部であるメス・コネクタに格納された個々の校正パラメータ、および、測定の開始時に開始される校正処理によって、出力信号は、外部ユニットで圧力値に変換され、現在の圧力がスクリ−ン上に表示される。
図2から、センサ素子21に対する絶縁の要求が高いことが分かる。例えば、電流が、ピエゾ抵抗素子24を通って流れる代わりに、ピエゾ抵抗素子24の周囲を流れた場合、圧力の変化によって生じさせられる抵抗の変化を検出できない場合がある。ピエゾ抵抗素子の感度が低いために、電流がピエゾ抵抗素子24の外部を流れないようにすることがいっそう必要となる。言い換えれば、センサ素子の抵抗が高いほど、センサ素子の他の部分の絶縁の要求が高まり、また、センサ素子の感度が低いほど、絶縁の要求が高まる。
周知のように、抵抗は、感温性があり、温度変化によって引き起こされる影響を補償するために、ダブルホイートストンブリッジが提案されており、図3に示されている。ここでは、センサ素子31は、空洞(図3では見えていない)が形成されたシリコンチップ32を有している。この空洞上に、膜33が配置され、膜33上に2つの抵抗34および35が取り付けられている。機能抵抗34とも呼ばれる抵抗34は、感温性も感圧性もあり、一方、参照抵抗35とも呼ばれる抵抗35は、感温性のみがある。ダブルホイートストンブリッジは、この実施形態では、センサ素子31の外部に配置されセンサ31の一部を形成していない抵抗36,37,38,39をさらに有している。端子A−B間の出力電圧と端子B−C間の出力電圧の比較によって、温度によって引き起こされる抵抗率への影響を補償することができる。
上記の2つのブリッジ回路は、例示しただけであることが強調されるべきである。当業者には分かるように、実際、ピエゾ抵抗素子を、その本来の、圧力に応じた抵抗率を、圧力測定に用いることができるように配置する多数の様々なやり方があり、様々な種類のブリッジ回路は多くの有利な特徴を有しているが、ブリッジ回路を利用することは決して必須ではない。
本発明は、ナノワイヤの形態のピエゾ抵抗素子を有するセンサとガイドワイヤとの組立体を対象とするものである。本発明の第1の実施形態では、少なくとも1本のナノワイヤが、図2および図3に関連して説明した構成に類似したやり方で膜上に配置されている。より具体的には、(側面図である)図4aおよび(平面図である)図4bに、幾本かのピエゾ抵抗性のナノワイヤ41(この場合、9本のナノワイヤ)が、第1の端子42と第2の端子43の間をどのように延びているかが模式的に示されており、第1の端子42および第2の端子43は可撓性の膜44の上側に取り付けられており、膜44から、端子42および43は、それぞれ絶縁層45および46によって電気的に絶縁されている。膜44は、例えばシリコンから造られたチップ48に形成され空にされた空洞47を覆っており、膜44が、周囲の圧力(例えば血圧)からの影響のために歪んだ時に、ナノワイヤ41が伸ばされ、それによって、ナノワイヤ41の(全体での)電気抵抗が変化する。この抵抗の変化が、適切な電気回路によって検出され、端子42,43もナノワイヤ41も、この電気回路の一部である。出力信号が、例えば、図2および図3に示したブリッジの構成と非常に類似したやり方で生成されるが、加えられる圧力に応じた出力信号の他の生成の仕方も可能である。ピエゾ抵抗性のナノワイヤ41の数は任意であり、1から数千まで変化させることができる。ナノワイヤの抵抗はかなり高いが、並列に接続された比較的多数のナノワイヤは、上述したように、許容可能な全体での抵抗を与えることを求められる場合がある。図4aおよび図4bでは、両方の端子42および43が膜44の上部上に配置されていることを注記することができる。しかし、端子42,43の一方のみを膜44上に取り付け、他方を膜44の外側に取り付けることもできる。膜上に取り付けられる端子の位置は任意であるが、一般に、相対的な歪みは、膜の縁の近くで最も大きくなり、したがって、端子を膜の縁の近くに取り付けるのが有利である場合がある。特に、1つの端子を膜の外側に取り付け、他方の端子を膜の縁の近くに取り付けるのが有利である場合がある。好ましい実施形態では、ナノワイヤの構成は、周囲の流体(典型的には血液)から電気的に絶縁されており、図4cでは、ナノワイヤ41も端子42,43も、薄いフィルム49によって覆われている。図4cに非常に概略的に示されているフィルム49は、例えば、シリコンまたは絶縁材料から造ることができる。ナノワイヤおよび端子の構成を、例えば、酸化ケイ素(SiO)または窒化アルミニウム(Aln)、または他の絶縁体からなる薄い層で覆うことも可能である。
既に述べたように、ナノワイヤの数は任意であり、ナノワイヤは、どのような配置で位置させてもよい。図4aおよび4bから、多数のナノワイヤからなるビーム状の構造が得られるように、幾つかのナノワイヤを、互いに近くに並べて2次元に配置できることが示唆される。そのようなビーム状の構造は、矩形および円形を含むどのような断面形状を有することもできる。多数のナノワイヤから造られたビームは、センサとガイドワイヤとの組立体を組み立てる際、比較的扱いやすい。各ナノワイヤは、他のナノワイヤから絶縁されているのが好ましい。
図5aおよび5bには、本発明の第2の実施形態が開示されている。ここでは、複数のピエゾ抵抗性のナノワイヤ51(この場合、16本のナノワイヤ)が、チップ53の凹部によって生成された空洞52内に配置されており、この凹部は膜54によって覆われている。より具体的には、膜54が周囲の圧力(典型的には血圧)の影響のために下方に歪んだ時に、ナノワイヤ51が縮まされ(図5b参照)、それによって、ナノワイヤ51の総計の抵抗が相応に変化するように、ナノワイヤ51は、空洞52の底面と膜54の間を延びている。抵抗の変化は、加えられる圧力を判定するのに有効に利用することができる。
図6は、本発明の第3の実施形態を示しており、この場合、ピエゾ抵抗性の多数のナノワイヤ61が、内側壁63と外側壁64を有する二重の壁状の膜62内に配置されている。膜62は、チップ65に形成された凹部を覆っている。前と同様に、膜62の歪みによって、ナノワイヤ61が縮まされ、それによって、抵抗の変化が生じさせられ、この抵抗の変化を、適切な電気回路によって検出することができる。
図4cに関連して明確に論じたように、ナノワイヤに周囲の流体に対して何らかの絶縁をするのが有利である場合がある。絶縁の問題は、ナノワイヤを可撓性の膜の下に配置することによって解決することができ、図7には、そのような構成の一例の実施形態が開示されている。この実施形態では、幾つかのナノワイヤ71が、第1の端子72と第2の端子73の間を延びており、この際、第1の端子72と第2の端子73は、可撓性の膜74の下側に取り付けられており、膜74から、端子72および73は、それぞれ絶縁層75および76によって電気的に絶縁されている。膜74は、チップ78に形成され空にされた空洞77を覆っており、膜74が、周囲の圧力(例えば血圧)からの影響のために歪んだ時に、ナノワイヤ71が縮まされ、それによって、ナノワイヤ71の総計の電気抵抗が変化する。この抵抗の変化は、電気回路によって検出することができ、端子72,73もナノワイヤ71もこの電気回路の一部である。出力信号を、例えば、図2および図3に示したブリッジの構成と非常に類似したやり方で生成することができるが、加えられる圧力に応じた出力信号の他の生成の仕方も可能である。この実施形態でも、チップ78は、シリコンから造ることができるが、チップ78をガラスのような絶縁体から造るのが有利であり、というのは、その結果、端子72,73に電気的に接続される電気伝導性の経路を、ガラス製のチップ78の表面に設けることができるからである。
ナノワイヤの構成が、膜の上側ではなく膜の下側に配置されている場合にも、ナノワイヤおよび対応する端子の位置は任意であるが、相対的な応力は膜の縁の近くで最大になるので、ナノワイヤを膜の縁の近くに取り付けるのが有利である場合がある。しかし、これに関連して、図7に示されたナノワイヤの構成のようなナノワイヤの構成が膜の縁の近くに配置されている場合、ナノワイヤは、膜が周囲の圧力の影響のために下方に歪んだ時に縮められることが注記される。他方、図7に示されたナノワイヤの構成のようなナノワイヤの構成が、代わりに、膜の中心の近くに配置されている場合、ナノワイヤは、膜が周囲の圧力の影響のために下方に歪んだ時に伸ばされる。縮められた時に1つのピエゾ抵抗効果を呈し、伸ばされた時に他のピエゾ抵抗効果を呈するナノワイヤが用いられる場合、膜上でのナノワイヤの位置は、最大のピエゾ抵抗効果が得られるように選択されるのが好ましい。
図8には、本発明の他の実施形態が示されており、この場合、ナノワイヤ82の第1のセット81が、膜83の上側の縁に配置されており、ピエゾ抵抗性のナノワイヤ82の第2のセット84が、膜83の、同じ縁の所であるが、ナノワイヤ82の第1のセット81から離して配置されている。ナノワイヤ82の第1のセット81と、ナノワイヤ82の第2のセット84は、コネクタ85によって電気的に接続されている。膜83は、膜83が下方に歪んだ時に、ピエゾ抵抗性のナノワイヤ82が伸ばされ、それによって、ナノワイヤの構成の(総計の)抵抗が変化するように、例えばシリコン製のチップ86に形成された空洞を覆っている。この実施形態では、ナノワイヤの長さは、約10nmから200nmとすることができ、一方、コネクタの長さは、約1μmから10μmである。代わりに、同様の構成を、例えばガラス製のチップを覆う膜の下側に設けることもできる。
図9は、本発明のさらなる実施形態の断面図であり、この場合、3本のナノワイヤ91が、基板94に設けられた空洞93を覆っている膜92上に配置されている。ナノワイヤ91は、膜92に接着させることができ、または、ナノワイヤ91は、膜92の表面にエッチングにより形成することができる。通常、膜92とナノワイヤ91の間に電気的な絶縁体を設ける必要があり、この絶縁体が、図9に、参照番号95によって示されている。
センサとガイドワイヤとの組立体用のセンサ素子の様々な実施形態で用いるナノワイヤは、当該技術分野で周知の様々な方法で製造することができる。ナノワイヤの1つの製造方法は、適切な構成を有するシリコン・オン・インシュレータ基板の表面上で、ナノワイヤ、例えばシリコン製のナノワイヤを成長させることである。ナノワイヤのもう1つの製造の仕方は、例えばシリコンウェハーから、細いストリップをエッチングによって形成することである。後者の場合、その後、それらの細いストリップによって、並んで位置するブリッジが多層の構成に形成される。
本発明を、具体的な実施形態を参照して記載したが、明細書に記載し、以下のクレームを用いて規定するように、本発明の範囲内で多くの変更および修正を行うことができることが当業者には明らかである。
Claims (8)
- ガイドワイヤと、
該ガイドワイヤの先端側部分に配置されたセンサ素子と、
を有し、
前記センサ素子は、少なくとも1本のピエゾ抵抗性のナノワイヤを有する、生体の血管内での測定用のセンサ。 - 前記センサ素子は可撓性の膜を有し、前記少なくとも1本のピエゾ抵抗性のナノワイヤは、前記膜の歪みによって前記少なくとも1本のピエゾ抵抗性のナノワイヤが縮まされ、または伸ばされるように、前記可撓性の膜に接続されている、請求項1に記載のセンサ。
- 幾本かの前記ピエゾ抵抗性のナノワイヤが、互いに並列に接続されている、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも1本の前記ナノワイヤが2つの端子の間を延びており、該端子の少なくとも一方が、可撓性の膜の上側に取り付けられている、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも1本の前記ナノワイヤが、チップに形成された空洞の底面と、前記空洞を覆っている膜との間を延びている、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも1本の前記ナノワイヤが第1の壁と第2の壁との間を延びており、該第1の壁と該第2の壁は、二重の壁状の膜の壁を構成しており、該膜は、チップに形成された空洞を覆っている、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも1本の前記ナノワイヤが、可撓性の膜の下側に取り付けられた2つの端子の間を延びている、請求項1に記載のセンサ。
- 少なくとも2本の前記ナノワイヤが、可撓性の膜の表面部分に沿って延びており、当該少なくとも2本のナノワイヤはコネクタによって互いに電気的に接続されている、請求項1に記載のセンサ。
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