CN113424555A - 医疗装置中的超声通信 - Google Patents

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CN113424555A CN202080012601.8A CN202080012601A CN113424555A CN 113424555 A CN113424555 A CN 113424555A CN 202080012601 A CN202080012601 A CN 202080012601A CN 113424555 A CN113424555 A CN 113424555A
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Abstract

本公开提供一种植入物、传感器模块、网络以及方法，它们被配置成使用超声信号在位于患者的身体上和身体内的两个或更多个医疗装置之间建立经皮供电和经皮双向数据通信。

Description

医疗装置中的超声通信
技术领域
本公开总体上涉及超声通信领域。更具体地，本公开包括被配置为使用超声信号来进行双向通信的医疗装置。
背景技术
医疗植入物(medical implant)在体内受到各种力，尤其是可原位(in situ)调节的医疗植入物。例如，这种可调节的医疗植入物用于肢体延长和脊柱可调外科手术，以治疗诸如肢体畸形和脊柱侧弯这样的疾病。通常，这些可调节的医疗植入物被固定治一个或更多个骨骼，并且随着时间的推移逐渐加以调节，直到实现某些患者结果。
这些外科植入物和手术不包括对存在于植入部位的体内状况(诸如力和压力)进行测量的准确和非侵入式方法。特别是，在治疗过程期间，需要一种装置和方法来促进护理提供者非侵入式地查明存在于植入物处的状况的能力。
发明内容
本公开提供了在位于患者的身体之上和/或患者的身体之内的医疗装置之间进行经皮超声电力传输和双向数据通信。
在一些方面，本公开提供了一种系统，该系统包括：植入物和外部收发器，该植入物具有至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器被配置成接收由外部收发器发送的超声信号，并且将超声信号转换成电能以向植入物供电。
在一些方面，本公开提供了一种包括传感器和超声换能器的植入物，其中，该传感器被配置成对植入物的物理特性进行测量，并且其中，该植入物被配置成，经由由超声换能器生成的超声信号来传输对应该测量的数据。
在一些方面，本公开提供了一种可调节植入物，该可调节植入物包括致动器以及至少一个超声换能器，其中，该超声换能器被配置成接收由外部收发器发送的超声信号，以及将该超声信号转换成电能以向致动器供电，并且其中，植入物被配置为使用超声换能器来进行双向超声数据通信，以在可调节植入物与外部收发器之间发送和接收调节指令。
在一些方面，本公开提供了一种传感器模块，该传感器模块被配置为与植入物集成，该传感器模块包括：传感器、超声换能器以及控制器，其中，传感器、超声换能器以及控制器在工作上(operably)连接，并且其中，传感器模块被配置为使用超声信号来进行双向数据通信。
在一些方面，本公开提供了一种外部收发器，该外部收发器被配置为放置得与具有至少一个超声换能器的患者皮肤相邻，其中，所述至少一个超声换能器被配置为使用超声信号来进行双向数据通信。
在一些方面，本公开提供了一种经由超声信号向位于受治疗者体内的植入物进行经皮传输电力的方法。
在一些方面，本公开提供了一种使用超声信号向植入物进行经皮(transcutaneous)传输电力的方法，所述方法包括以下步骤：从外部收发器向植入物传输超声信号；在具有超声换能器的植入物处接收超声信号；使用超声换能器将该信号转换成电能；以及使用该电能来向植入物供电。
在一些方面，本公开提供了一种使用超声信号来进行经皮双向数据通信的方法，所述方法包括以下步骤：将植入物放置于患者的身体内，将收发器放置在患者的身体之上或者患者的身体之内，以及在植入物与收发器之间进行经皮传输超声信号。
在一些方面，本公开提供了一种使用超声信号来进行经皮双向数据通信的方法，所述方法包括以下步骤：在患者的身体内植入装置，使用超声信号向该装置传输电力或数据中的至少一个，以及使用超声信号从该装置传输数据。
在一些方面，本公开提供了一种使用超声信号的方法，所述方法包括以下步骤：在患者的身体内植入传感器模块；使用超声信号向传感器模块传输无线电力和数据中的至少一者；以及使用超声信号从传感器模块传输数据。
在一些方面，本公开提供了局部体域网(body area network(BAN))，该局部体域网包括被配置为进行经皮双向数据通信的一个或更多个植入物，从而可使所述一个或更多个植入物能够跨局部体域网经皮传送数据。
在一些方面，本公开提供了局部体域网，该局部体域网包括被配置为进行经皮超声通信的外部收发器，以及被配置为进行经皮超声通信的一个或更多个植入物，其中，该外部收发器和所述一个或更多个植入物被配置成跨局部体域网(BAN)传送数据。
附图说明
本领域技术人员通过审阅附图将进一步理解这些和其它的特征，其中：
图1示出了根据第一实施方式的被设置在患者体内的植入物，该植入物被配置成经由超声信号经皮接收电力；
图2示出了根据第二实施方式的植入物，该植入物被配置为与外部收发器进行经皮双向超声数据通信；
图3A示出了根据第三实施方式的植入物的侧视图，该植入物配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信，该植入物包括被设置在其中的传感器模块；
图3B示出了根据第三实施方式的植入物的侧截面图，所示的植入物具有被设置在其中的传感器模块，该传感器模块被配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信。
图4A示出了根据第一实施方式的传感器模块的立体图；
图4B示出了根据第一实施方式的传感器模块的侧视图；
图4C示出了根据第一实施方式的传感器模块的侧视图，所示的传感器模块的外部封装件被去除了一部分；
图4D示出了根据第一实施方式的传感器模块的侧截面图，所示的传感器模块包括三维堆叠电路设计；
图4E示出了被配置为三维堆叠电路集成的印刷电路板；
图4F示出了底盘，该底盘被配置为三维堆叠电路集成；
图5A示出了根据第二实施方式的传感器模块，该传感器模块与被设置在患者的身体内的植入物集成，该传感器模块被配置成使得植入物能够使用超声信号来进行经皮双向数据通信；
图5B示出了在传感器模块与外部收发器之间使用超声信号的植入物经皮双向数据通信的示意图；
图5C示出了被配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信来与传感器模块通信的外部收发器；
图5D示出了被配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信的外部收发器，该外部收发器包括支座(standoff)；
图6A示出了被配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信的外部收发器的实施方式，该外部收发器包括膝托(knee brace)；
图6B示出了由具有被设置在骨骼内的髓内植入物的患者穿戴的外部收发器的截面图；
图7示出了外部收发器确定低骨密度位置并将以愈合频率调制的超声波传输至该位置的示意图；
图8示出了在两个植入物与外部收发器之间建立的示例性体域网，其中体域网是使用超声波建立的；
图9A示出了在位于患者的身体内部的三个植入物与外部收发器之间建立的示例性体域网；以及
图9B示出了在位于患者的身体内部的三个植入物之间建立的示例性体域网，其中这三个植入物之一已经被指定主机状态。
图10示出了使用超声波向植入物供电的示例性方法；
图11示出了使用超声波进行经皮数据传输的示例性方法；
图12示出了使用超声波进行经皮供电和/或数据传输的示例性方法；
图13示出了使用传感器模块的示例性方法；
图14示出了用于标绘骨密度的示例性方法；
图15示出了用于三维骨密度成像的示例性方法；以及
图16示出了用于测量骨骼的长度增长的示例性方法。
具体实施方式
出于解释而非限制的目的，在下文中，提供某些实施方式的细节和描述，使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明。然而，这些细节和描述仅代表某些实施方式，并且本领域技术人员通过彻底审读本文，将容易理解未明确描述的无数的其它实施方式。因此，本公开的任何审读者都应通过权利要求来解释本发明的范围，并且这样的范围不应被本文中描述和例示的实施方式所限制。
医疗植入物中的超声通信可以提供以下项中的一个或更多个：电力、增强控制、以及医疗植入物和/或外部收发器之间的反馈。
在利用电磁波的射频(RF)信号中，可以在身体内输送信息。但是RF信号在水组织(aqueous tissue)、骨骼组织以大反射金属表面中经历大量衰减。超声波在水组织、骨骼组织内经历更少的衰减，甚至可以穿透金属表面。超声信号是经由已知的幅度和相移技术(类似于在RF电信中使用的常用技术)来输送信息的超声波。相移键控(phase shiftingkeying)是一种数字调制过程，它通过改变恒定频率载波的相位来输送数据。调制是通过以精确时间改变正弦和余弦输入来完成的。调制被广泛用于无线LAN、RFID以及蓝牙(BT)。在超声通信中可以使用二进制相移键控(BPSK:inary phase-shift keying)或任何已知的调制技术，包括：开关键控(OOK：On-Off Keying)、幅移键控(ASK)以及频移键控(FSK)。
为建立双向超声通信而选择的超声波频率可以包括任何超声频率、但是通常大于约20千赫兹。在一些实施方式中，超声波频率可以介于200千赫兹与400千赫之间，例如约300千赫兹。利用超声波进行电力和数据传输的好处包括：(1)超声波穿过金属或固体介质(例如，金属医疗植入物)具有良好的传播和最小衰减特性，以及(2)超声波穿过动物的各种水组织(例如，人类皮肤、肌肉以及骨骼)经皮(transcutaneous)传输数据。
一旦建立了经皮双向超声通信链路，植入物的功耗可以介于0.5mW与80mW之间、1mW与60mW之间、以及2.0mW与40mW之间、10mW、5mW及其任何子范围。超声换能器在运行时可能消耗约20mW的功率。可以将超声换能器配置成，以每秒钟5个值(1kb/s)的速率通过至少四英寸的水或水性组织传输数据，并且数据可靠性超过95％。在这些电力水平下从超声换能器传输的数据可靠性可以至少为95％、至少98％、至少99％、至少99.9％或100％。“数据可靠性”是指根据误码率(BER)计算的10分钟以上的可靠性。
如上面所讨论的，医疗植入物中的超声通信可以提供以下项中的一个或更多个：电力、增强控制、以及医疗植入物与外部收发器之间的生物反馈。医疗植入物中的超声通信包括使用超声信号的电力传输和数据传输中的一个或更多个。超声信号可以是使用物理组件和软件技术中的一个或更多个进行了滤波、解调制、放大以及分析中的一个或更多个。
可以沿一个方向来建立通信。在一些实施方式中，外部收发器可以向植入物传输超声信号以将电力从外部收发器传递至植入物。如上面所讨论的，可以调制超声信号。将植入物配置成，从超声信号中收集电能并且可以包括滤波器、混频器以及调制器中的一个或更多个，以对植入物的电力接收进行配置。在一些实施方式中，植入物的电路可以包括具有任何已知的电气组件和电路的滤波器、混频器以及调制器中的一个或更多个，以对植入物的数据通信进行配置。在一些实施方式中，在植入物控制器上实现分立的解调制器和混频器中的一个或更多个。
对于双向通信以及跨网络的通信来说，植入物可以在暂停和释放线路时段中的一个或更多个期间与外部收发器反向通信，在此期间，外部收发器可以停止信号传输，以允许植入物将经调制的超声信号发送回至收发器。例如，收发器可以充当主装置并且命令或查询充当从装置的植入物，然后，暂停超声信号传输达一定时段，并且允许从植入物发送超声信号，并且例如：确认或回复查询。
在一些实施方式中，双向通信可以包括连续电力传输。例如，外部收发器向植入物发送恒定电力信号。这种从外部收发器到植入物的电力信号可以使用上述技术进行调制，以将数据从外部收发器传输至植入物。植入物可以经由反向散射/负载调制将数据传送回至外部收发器。例如，来自外部收发器的入射能量可以被植入物反射回外部收发器以进行通信。
在一些实施方式中，超声换能器可以通过开关装置(例如集成电路上的BJT或MOSFET)进行短路(shorted)。在一些实施方式中，超声换能器可以通过开关、继电器、固态继电器、真空管以及被配置成使超声换能器短路以进行反向散射/负载调制的任何其它已知装置来进行短路。
在一些实施方式中，电力传输可以是顺序的。例如，外部收发器向植入物发送脉冲化电力信号。这种从外部收发器到植入物的电力信号可以使用上述技术进行调制，以将数据从外部收发器传输至植入物。植入物可以在数据传输中的暂停期间将数据传送回至外部收发器。
在近场区域(其中植入物和外部收发器非常接近)，将调节负载的阻抗称为负载调制。由于相对紧密间隔开的换能器的耦合(coupling)，因此，植入物的超声换能器的阻抗变化将被外部收发器观测到。外部收发器的超声换能器在其驱动电路中出现阻抗变化，并且汲取不同量的电流。
在远场区域(植入物和外部收发器处于更大距离)，将调节负载的阻抗称为反向散射通信。改变植入物的超声换能器的阻抗会改变所反射的能量的量值。使植入物的超声换能器短路将导致电力反射增加。这种反射的能量模式可以在外部收发器处可见。
本领域技术人员可以容易地理解这些和其它数据通信协议。本领域技术人员可以意识到，上述通信协议是利用植入物与外部收发器进行通信来描述的。在一些实施方式中，植入物和外部收发器中的每一个可以由以下项中的一个或更多个进行替换：第二植入物、传感器模块以及第三装置。
在图1中，提供了示出适于经由超声信号从外部收发器900接收无线电力的植入物100的示意图。该超声信号可以包括由超声换能器生成的经调制的超声波。植入物100被示为设置在患者A的身体内。患者A可以包括任何动物，并且可以是人类。植入物100可以包括至少一个超声换能器101，该超声换能器101被配置成，接收由外部收发器900发送的超声信号，并将该超声信号转换成电能。植入物100例如可以包括贴片(patch)，该贴片被配置成附接至患者体内的骨骼和组织中的一个或更多个。超声换能器101例如可以包括压电聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride(PVDF))柔性薄膜压电换能器，该超声换能器可以在工作上连接至植入物100的其它电路。可以将由超声换能器101收集的电能用于启用植入物100的任何电路或者向植入物的任何电路供电。
在一些方面，举例来说，植入物100可以是牵引杆(distraction rod)、髓内(intramedullary)杆、或者打算用于放置在患者的身体之上和身体之内的任何其它可调节植入物或医疗装置。使用超声波对植入物100进行无线启用和/或供电可以消除对一些已知可调节植入物所需的内部储能装置的需要。
植入物100可以由聚醚醚酮(Polyether ether ketone(PEEK))、聚醚酮(Polyetherketone(PEK))、钛(Ti)以及在医疗植入物制造领域已知和使用的任何其它材料来制成。可以根据植入物100的应用来选择材料。植入物100可以使用已知的制造技术(包括已知的电子制造技术)来制造。
在一些实施方式中，超声换能器101可以包括引发声波或机械振动并且将声波转换成电子信号的任何装置，例如包括：压电换能器、单晶超声换能器、锆钛酸铅(leadzirconate titanate(PZT))超声波换能器、压电聚偏二氟乙烯(PVDF)超声波换能器、电容式微机械超声换能器(CMUT：capacitive micromachined ultrasonic transducer)、压电微机械超声换能器(CMUT)或者在本领域已知和使用的任何超声换能器。在一些实施方式中，超声换能器101可以包括以下项中的一个或更多个：薄膜超声换能器、扁平超声波换能器、管状超声波换能器。例如，薄膜超声换能器的好处是超声换能器的厚度减小。例如，扁平超声换能器的好处是改进了传输和接收特性。例如，管状超声换能器的好处是多向传输和接收。可以将超声换能器的类型选择成补充植入物100的应用。
在一些实施方式中，外部装置900可以使用超声波检索植入物100的ID标签。例如，植入物100可以包括集成电路和超声收发器101，该集成电路和超声收发器用于使用超声波将与植入物100的ID标签相对应的数据传输至外部装置900。外部装置900可以向植入物100传输以特定的节制(temperance)调制的超声信号。当接收到时，经调制的超声信号将被超声换能器转换成电力，并且可以启用植入物100的数字开关。当启用时，植入物可以将与ID标签相对应的经调制的超声信号传输回至外部装置900。允许用户确定ID标签以及对应植入物100而无需例如拍摄可能使患者暴露于辐射的不必要的放射图像。
在一些实施方式中，可以向外部装置和植入物中的一个或更多个提供包含多个超声换能器的相控阵列，以向植入物或外部装置提供增强的接收能力。
转至图2，提供了示出根据第二实施方式的植入物200的示意图，该植入物200被配置为与至少一个外部收发器900进行经皮超声数据通信。植入物200被示出具有在工作上连接的电路，该电路包括至少一个超声换能器201、控制器202、传感器205以及储能装置204。在一些实施方式中，可以复制、替换或保留这些组件中的一个或更多个。
控制器202可以是在本领域已知和使用的任何类型的控制器202，包括：高性能微控制器(MCU)、可编程芯片上系统(PSoC)、专用集成电路(ASIC)或者任何其它类型的控制器或微型计算机。可以将控制器202设置在印刷电路板上，该印刷电路板还可以包含其它电子电路并且连接其它电子组件，包括：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器、存储器或者任何其它电子组件。控制器还可以包括频率合成器(即，产生超声换能器201的载波)、功率放大器、噪声滤波器(即，条件载波)、功率和读数应变计(即，力传感器控件)，并且可以被配置成诸如通过经由图形用户界面与用户交互的计算机可执行指令来调节载波、功率等，如下所讨论的。
可以提供储能装置204。储能装置204可以包括电池、电容器以及任何其它储能装置。储能装置204可以包括可再充电电池，例如锂离子可再充电电池。储能装置可以包括固态电池以及包括任何已知电池化学成分的任何电池。
植入物200可以包括在工作上连接至储能装置204和压电换能器201中的一个或更多个的充电电路。可以将充电电路至少部分地集成到例如控制器202中。可以将储能装置204经由任何电导体(包括导线、板以及互连部)在工作上连接至控制器202。充电电路可以包括在本领域中已知和使用的任何充电电路。
可以将植入物200配置成，接收由外部收发器900发送的超声信号，并且使用超声换能器201将该超声信号转换成电能。再充电电路可以使用所生成的电能对储能装置204进行充电。
外部收发器900可以通过向植入物100传输超声信号，来对植入物200的电池进行再充电，其中将压电换能器配置成，将超声信号转换成电力以对电池进行充电。在一些实施方式中，外部收发器900可以通过发送用于电容器的“停止和进行(stop and go)”充电的超声信号脉冲来启用植入物100。例如，可以通过具有刚好够的能量的脉冲或一系列脉冲来对电容器进行充电，以执行以下项中的一个或更多个：进行增量调节并将信号发送回至外部收发器。在一些实施方式中，储能装置的实时充电可以使得能够连续驱动植入物的致动器。
在一些实施方式中，可以将其它已知无线充电电路和技术(例如，电感耦合和磁耦合)用于向植入物200无线传递电力。
在一些实施方式中，外部收发器900可以通过向超声换能器201传输超声信号来启用植入物200的电路。超声信号的超声波可以被超声换能器201接收并转换成电能。可以对控制器202进行编程，使得在接收到与经调制的信号(例如特定节制的特定阶跃函数)相对应的超声波时，控制器202将闭合电气开关并启用植入物200。类似地，在其它实施方式中，可以使用特定的阶跃函数来打开电气开关并停用植入物200以保存存储在储能装置204中的电力。
在一些实施方式中，可以将控制器202编程成，在某一时段之后使植入物200暂停，例如如果超声换能器201在测试时段内没有发送或接收到超声信号，则控制器202可以停用植入物200。
在一些实施方式中，可以将控制器202编程成，关掉储能装置204并且使植入物200休眠达一定时段以保存电力。例如，控制器可以在1秒钟的1/4(四分之一)内启用植入物200，以执行以下项中的一个或更多个：使用超声换能器201传输超声信号、使用传感器205获得测量结果、控制致动器、与植入物200的其它电子装置通信等。在该秒钟的这1/4(四分之一)期间，植入物200被称为“醒着的(“awake)”。控制器202可以停用植入物200达该秒钟的3/4(四分之三)。在该秒钟的3/4(四分之三)期间，装置被称为睡着的(asleep)。
在一些实施方式中，植入物200可以包括在工作上连接至控制器202的一个或更多个传感器205。可以将所述一个或更多个传感器205设计成，测量植入物200或患者A的周围解剖结构的温度、位置、力、压力、电容、电阻以及任何其它物理属性或特性。在一些实施方式中，传感器例如可以包括位置传感器(例如，光学传感器)。在所例示的实施方式中，例如，可以将传感器205配置成对力或温度进行感测。
在一些实施方式中，传感器205可以包括微机电系统(MEMS)传感器。这些传感器提供更小的外形(例如，1μm至100μm的尺寸)。MEMS传感器可以包括：加速度计、压力传感器、气体传感器、湿度传感器、陀螺仪、环境光传感器、光学传感器、手势传感器、接近传感器、位置传感器、触摸传感器，并且可以包括任何其它已知的感测功能。
传感器205可以将传感器读数传送至控制器202，该控制器202可以将读数转换成经调制的电信号。然后，可以将经调制的电信号用于驱动超声换能器201，该超声换能器然后以与经调制的电信号相对应的频率传输超声波。
控制器202可以将来自传感器的模拟信息改变成数字值并且可以驱动超声换能器201的调制，以使用超声波传输数据。用于数据传输的任何已知信号修改技术都可以用于例如可以与RF数据传输一起使用的超声波。包括任何类型的通带调制。
植入物200可以包括可调节植入物。可调节植入物可以包括在本领域已知和使用的任何致动器。本领域技术人员可以意识到，致动器例如可以包括：电动机、可旋转磁体、冲击锥(impact driver)以及在医疗植入物中使用的任何已知的致动器。可以将植入物200配置成，收集由另一植入物或外部收发器传输的超声波，并且将该超声信号转换成电能以向致动器供电。
在图3A至图3B中，示出了可调节植入物300。可调节植入物300包括：被配置为在第一位置附接至患者骨骼的第一部分310；以及被配置为在第二位置附接至患者骨骼的第二部分320。可调节植入物300可以是任何类型的可调节植入物。举例来说，可调节植入物可以包括磁性可调节系统，诸如由NuVasive,Inc.of San Diego,California销售的用于脊柱和肢体延长手术的
Figure BDA0003196051160000101
或
Figure BDA0003196051160000102
磁性可调节植入物系统。例如在美国专利No.9,398,925和No.9,393,117中公开了这种可调节系统，它们的全部内容通过引用而并入本文。
图3B示出了可调节植入物300的截面图，第一部分310包括牵引杆。牵引杆包括磁体311，并且将磁体311连接至导螺杆312。当磁体311因外部施加的旋转磁场而沿轴向旋转时，导螺杆312将旋转。导螺杆312的旋转将导致牵引杆的轴向牵引。
现在，可调节植入物在体内经受着许多力。例如，随着所例示牵引杆的长度增长，牵引杆将经历通过磁体311上的导螺杆(lead screw)向下推动的轴向力。提供推力轴承313以减轻这些力对磁体311的旋转的影响。然而，当使用外部控制器非侵入式地施加磁场并调节牵引杆时，生物反馈通常是有限的。
图3B中的植入物300包括被设置在第二部分320内的传感器模块330。传感器模块330包括在工作上连接至控制器332的管状压电换能器331。将管状压电换能器331配置成传输和接收超声信号。将管状压电换能器331经由互连部333在工作上连接至控制器332。如上面所讨论的，控制器332可以是在本领域已知和使用的任何类型的控制器332，包括：高性能微控制器(MCU)、可编程芯片上系统(PSoC)或者任何其它类型的控制器。可以将控制器332设置在印刷电路板上，该印刷电路板中还可以包含其它电子电路和组件，包括：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器、存储器以及任何其它已知的电子组件。
提供了储能装置334。储能装置334可以包括电池、电容器以及任何其它可再充电储能装置。
传感器模块330可以包括：在工作上连接至储能装置334和管状压电换能器331的再充电电路。可再充电电路例如可以：被集成到控制器332中或者被设置在另一印刷电路板上。可以将储能装置334经由互连部333在工作上连接至控制器332。
将传感器模块330配置成，接收由外部收发器900发送的超声信号，并且使用管状压电换能器331将该超声信号转换成电能。再充电电路可以使用所收集的电能对储能装置334进行充电。
在一些实施方式中，外部收发器900可以通过向传感器模块330传输超声波来启用传感器模块330的电路。超声波被管状压电换能器331接收到并转换成电能。可以对控制器332进行编程，使得在接收到与特定经调制信号(例如特定节制的特定阶跃函数)相对应的超声波时，控制器可以闭合电气开关并启用装置。类似地，在其它实施方式中，特定阶跃函数可以打开电气开关并停用装置以保存电力。
在一些实施方式中，可以将控制器332编程成，在某一时段(其中,如果例如压电换能器331没有发送或接收到超声波)之后暂停，从而保存储能装置334的充电电力水平，延长其电池寿命。
在一些实施方式中，可以将传感器模块330配置成，功耗介于0.5mW与80mW之间、1mW与60mW之间以及2.0mW与40mW之间、10mW、5mW或其任何子范围。发送器30在运行时可能消耗约20mW的功率。可以将发送器30配置成，以每秒钟5个值(1kb/s)的速率通过至少四英寸的水来传输数据，并且数据可靠性为95％。在这些电力水平下从发送器传输的数据可靠性可以至少为95％、至少98％、至少99％、至少99.9％或100％。“数据可靠性”是指根据误码率(BER)计算的10分钟以上的可靠性。
传感器模块330可以包括在工作上连接至控制器332的一个或更多个传感器335。可以将传感器335设计成测量力、温度、压力、电容、电阻，并且可以是在本领域中已知和使用的任何其它类型的传感器。在本实施方式中，将传感器模块330配置成，使用力传感器335感测来自牵引装置的轴向力。将传感器模块330的力传感器335使用转接板(adapterplate)314在工作上联接至牵引杆。
力传感器335可以将传感器读数传送至控制器332，该控制器332可以将读数转换成经调制的电信号。然后，可以将经调制的电信号用于驱动压电换能器331，该压电换能器331然后向外部收发器900经皮传输超声波。在一些实施方式中，调制的形式可以包括：开关键控、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、模拟频率调制、或者公知并且用于数据传输的任何其它调制形式。有利地，经调制的信号比未经调制的信号使用更少的电力，并且与未经调制的信号相比，可以以距传感器模块330更远的距离进行传输和接收。经调制的信号也可以比未经调制的信号具有更高的准确度。
在一些实施方式中，传感器模块330包括为传感器模块330提供气密密封的封装件336。为了防止包括不必要的超声阻抗气袋的气隙，在一些实施方式中，将压电换能器331使用传导环氧树脂(conductive epoxy)联接至封装件336的至少一部分(参见图4D，408)。在该实施方式中，将传感器模块330设置得与植入物300的表面相邻，以最小化气隙和阻抗。
传导环氧树脂可以包括任何超声传导材料以减少气隙，包括：铝环氧树脂、铜环氧树脂、铜带、钛环氧树脂、工业声耦合剂、以及提供有利的电气和声学传导特性的任何其它材料。在选择传导环氧树脂时，可以考虑：i.)阻抗匹配以提高植入物与压电换能器之间的超声传输效率，以及ii.)将电子装置接地的电路。
传感器模块330可以包括存储器并且可以记录与以下项中的一个或更多个相对应的数据：传感器335的读数、经由超声信号从外部收发器900接收到的数据、以及与植入物300和患者的生物状况相对应的其它数据。例如，传感器模块330可以以各种时间间隔记录传感器335的数据。在一些实施方式中，与例如行车记录仪类似地，数据记录包括根据需要盖写数据以对文件进行维护。
在使用超声信号与外部收发器900建立双向通信链路时，外部收发器900可以从传感器模块330下载数据。用户稍后可以从外部收发器900检索数据并且能够标绘该数据，从而给予用户对放置在植入物100上的原位力的宝贵见解(invaluable insight)。
在一些实施方式中，外部收发器900可以包括有线或RF通信能力并且另外可以通过互联网、WiFi、蓝牙以及蜂窝网络中的一个或更多个来接入远程用户。在一些实施方式中，用户可以例如跨互联网远程访问外部收发器900来远程更新控制器332的固件。在一些实施方式中，用户可以例如跨互联网远程访问外部收发器900来向植入物100传输调节指令。在一些实施方式中，用户可以例如跨互联网远程访问外部收发器900来从植入物100访问数据。
本领域技术人员可以意识到，在本实施方式中，植入物300包括具有各种能力和特征的传感器模块330。在一些其它的实施方式中，这些不同的组件和特征可以与上文讨论的那些类似地直接并入植入物300中。
图4A示出了传感器模块400的立体图。将传感器模块400配置成与任何植入物对接(interface)，以提供以下项中的至少一个：远程启用(remote activation)、经皮供电(transcutaneous power)、经皮双向超声数据通信或者植入物特性的远程测量。图4B示出了传感器模块400的侧视图，所示的传感器模块400包括封装件406，该封装件406将传感器模块400的内部组件气密密封在封装件406中。
在所例示的实施方式中，传感器模块400具有圆筒外形。本领域技术人员可以意识到，传感器模块400可以符合任何外形，包括：矩形外形、方块外形、盘外形、贴片、膜片以及任何已知植入物外形和植入物表面。在植入物是牵引杆的情况下，圆筒外形可以提供一些优势。例如，传感器模块400的圆筒外形旨在允许传感器模块400跨牵引杆的内表面的接触表面的最大量。使传感器模块的曲率与预期植入物相匹配提供了传感器模块400的改进的传输和接收特性、跨植入物的更大表面积以及提供高达360度的接收。
在图4C中，为方便起见，传感器模块400被示出去除了封装件406的一部分，显露出传感器模块400的内部组件中的一些。传感器模块400被示为具有管状超声换能器401、控制器402、至少一个互连部403、储能装置404以及传感器405。
在图4D中，提供了传感器模块400的侧截面图，显露出传感器模块400的内部电路和结构。在该实施方式中，电路是以三维堆叠配置进行设置的。在这种配置中，管状超声换能器401、储能装置404以及控制器402是堆叠在彼此的顶部并且经由互连部403连接的。这种堆叠布置为传感器模块400提供了减小的尺寸。这种堆叠布置是使用管状压电换能器401以及专门设计的底盘407来实现的。
在一些实施方式中，超声换能器401是管状的，例如具有沿轴向延伸穿过其中的通道。在这样的实施方式中，可以将超声换能器401联接至底盘407，该底盘407具有延伸穿过其中的互连部。可以将一个互连部433配置成，将超声换能器401在工作上连接至控制器402的第一端子。可以将另一互连部403配置成，将储能装置404在工作上连接至控制器402的第二端子。控制器402可以与传感器405对接、与该传感器集成或者以其它方式在工作上连接至该传感器。
在一些实施方式中，可以将储能装置404的接地端子短接至封装件406。在这样的实施方式中，也可以将管状超声换能器401的外径在封装件406处通过传导环氧树脂408短接至地。也可以将控制器402或传感器405中的至少一个在封装件406处短接至地。在这样的实施方式中，底盘407可以提供储能装置404的正极端子和互连部403与地的绝缘。
在一些实施方式中，植入物由金属材料制成，可以将封装件406短接至植入物，从而使传感器模块的内部电路接地。
图4E示出了包括小圆形印刷电路板的控制器402，该印刷电路板402具有两个互连端子402a、402b，以将控制器402连接至储能装置404和超声换能器401。控制器可以包括地端子402c，以将控制器402地连接至封装件。在一些实施方式中，将地端子402c设置在电路板的一侧上。
如上面所讨论的，电路板中还可以包括其它电子电路和组件，包括：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器、存储器以及其它已知的电子组件。可以将控制器集成为包括频率合成器(即，产生超声换能器401的载波)、功率放大器和噪声滤波器(即，条件载波)，功率和读数应变计(即，力传感器控件)，并且可以被配置成调节载波、功率等(诸如通过经由图形用户界面与用户交互的计算机可执行指令，如下所讨论的)。
图4F示出了被配置成接收管状超声换能器401的底盘407。底盘407被示为具有第一搁架(shelf)，该搁架被配置成接收并至少部分地延伸穿过管状超声换能器401。底盘407也被示为具有沿轴向延伸穿过其中的两个通道407a、407b。这些通道被配置成在通道中接收互连部的至少一部分。底盘407还被示出具有用于将互连部之一连接至超声换能器401的连接腔407c。
转至图5A，传感器模块530被示为与设置在患者A的身体内的植入物500集成，该传感器模块530使得植入物500能够进行超声数据通信。传感器模块530可以使得任何植入物500能够经皮传输和接收来自外部收发器900的数据。该数据可以对应于以下项中的一个或更多个：由传感器模块530获得的测量结果、植入物500的一些物理特性、以及患者A的身体的解剖项、组织或结构的一些物理特性。另外，外部收发器900可以向传感器模块530传输信息，并且传感器模块530可以在工作上连接至植入物500的内部电路。例如，在一些实施方式中，外部收发器900可以向传感器模块530传输调节指令，并且传感器模块530可以将调节指令传送给可调节植入物500的控制器和致动器中的一个或更多个。
在一些实施方式中，可以将传感器模块530使用任何类型的互连件、线缆或通信协议(包括如上所述的RF、蓝牙以及超声)与植入物的处理器电路进行集成。传感器模块530可以从植入物的处理器电路接收数据，并且将数据经皮传送至外部收发器900。
在一些实施方式中，外部收发器900可以从植入物500获得数据，例如在本实施方式中，数据是经由传感器模块530获得的。然后，外部收发器900然后可以经由以下连接将数据报告给第三装置910：超声连接、RF连接、线缆连接、互联网连接、蜂窝电话连接、Wi-Fi连接、蓝牙连接以及任何已知的数据通信协议。第三装置910例如可以是：计算机、蜂窝电话、服务器以及能够进行数据通信的任何其它装置。可以使得第三装置910能够驱动外部收发器900以与传感器模块530进行通信，该第三装置例如包括具有主动控制植入物500的致动器的能力。
图5B示出了在传感器模块530、外部收发器900以及第三装置910之间的通信的示例性示意图。在本实施方式中，收发器900例如可以是可穿戴技术，并且第三装置910例如可以是蜂窝电话。
外部收发器900可以包括被配置成用于调节可调节植入物的外部调节装置。外部调节装置可以包括被设置在外部调节装置的表面上的一个或更多个超声换能器。在将外部调节装置接近患者皮肤放置时，可以在外部调节装置与被配置为进行超声通信的一个或更多个植入物之间建立双向超声通信链路或网络。建立双向超声通信链路以在外部收发器900与所述一个或更多个植入物之间传递牵引和/或生物信息。
在一些实施方式中，外部收发器900可以是可穿戴装置。可穿戴装置例如可以是：手环、腕表、臂带、臂套、臂托、腿带、腿套、腿托、背托、体套(body sleeve)、颈托、头托以及在本领域中已知和使用的任何类型的其它可可穿戴装置。可穿戴装置可以使用包括3D打印的增材制造技术来制造。
外部收发器可以包括超声换能器，或者形成一个或更多个阵列的多个超声换能器。一维阵列具有被设置成一列的多个超声换能器。可以向一维阵列中的超声换能器指派与它们在阵列上的位置相对的位置。二维阵列具有被设置成矩阵或图案的多个超声换能器。可以向该超声换能器指派与矩阵的两个维相对的位置。
现在，外部收发器900使用从超声换能器501向外部收发器900以及从外部收发器900向超声换能器501传输的经皮双向超声信号，来与传感器模块530进行通信。在该实施方式中，超声换能器501包括压电换能器。
外部收发器900可以与第三装置910进行通信。在一些实施方式中，第三装置910可以使用超声信号来与外部收发器900和传感器模块530中的一个或更多个进行通信。在一些实施方式中，第三装置910可以使用例如RF通信协议来与外部收发器900进行通信。第三装置910可以进一步与互联网和其它电信网络中的一个或更多个进行通信，从而允许用户远程访问传感器模块530，甚至可以从任何地方控制植入物500。
在一些实施方式中，可以向外部收发器和传感器模块中的一个或更多个提供具有固定焦深的高强度聚焦超声(HIFU)超声换能器，以向传感器模块或外部收发器提供增强的接收能力。可以向外部收发器提供偏移量(包括可调节偏移量)，以将外部收发器移动至距传感器模块的与HIFU超声换能器的固定焦深相对应的距离处，并将外部收发器保持该距离处。这允许用户找到去往或来自传感器模块的最大透射量(amount of transmission)，并且改进传感器模块与外部收发器之间的电力传输和数据通信。
图5C示出了包括具有固定焦深904的高强度聚焦超声(HIFU：High-intensityfocused ultrasound)超声换能器901的外部收发器900，该超声换能器被配置成与传感器模块530进行通信。由外部收发器900传输的超声信号被聚焦至焦深904，与未被聚焦的超声信号相比，这可以提供改进的超声信号的经皮传输。
然而，本领域技术人员可以意识到，HIFU超声换能器901的焦深904与皮肤的不正确对准可能会在患者皮肤与HIFU超声换能器901之间引发气隙。这些气隙可以导致对超声信号的高阻抗，从而减少到被设置在患者的身体内的传感器模块530的传输。此外，因为焦深904是固定的，所以超声信号中的一些将错过传感器模块530的超声换能器531。这可以导致例如更少的电力被传送至传感器模块530。
图5D示出了被配置为使用超声信号进行经皮双向数据通信的外部收发器901，该外部收发器包括支座903。支座903可以由具有有利超声传输特性的凝胶材料制成和包括该凝胶材料。支座903的至少一部分可以是有延展性的并且被配置成符合患者皮肤的曲率。将支座903配置成在患者的皮肤上形成、提供与皮肤的气密连接以及最小化HIFU超声换能器901与患者皮肤之间的气隙。此外，支座903的深度可调节，从而允许用户改变外部收发器900与患者皮肤之间的位移量，并由此允许用户改变超声换能器901与传感器模块530之间的位移量。允许用户改变位移量可使用户相对于传感器模块530移动外部收发器900，使得用户可以主动调节和优化向传感器模块530传输的信号量。
本领域技术人员可以意识到，在图5D的传感器模块530处观测到的透射量将大于在图5C的传感器模块处观测到的透射量。这是因为支座903允许用户将焦深904对准传感器模块530。可以将传感器模块530与外部收发器900之间的双向超声数据通信链路用于提供实时反馈并且使得用户能够搜索最大透射量。
图6A示出了被配置为进行超声通信的外部收发器900的实施方式，该外部收发器包括膝托920。在该实施方式中，外部收发器900包括控制器902以及一个或更多个led显示指示器922。所述一个或更多个led显示指示器922可以向用户指示装置的状态。
外部收发器900可以包括任何数量的超声换能器901或者超声换能器阵列931。
在一些实施方式中，外部收发器900可以包括显示器。该显示器可以是可编程触摸屏显示器。例如，LED、LCD或等离子显示器。
第一用户(例如医生)可以使用利用第一操作指令集，对外部收发器900或外部收发器900的控制器902进行编程。可以将外部收发器900编程为使得这些操作指令可以经密码保护。在一些实施方式中，第一用户能够通过例如互联网远程访问该装置。第一用户可以通过远程连接向外部收发器900发送操作指令。第一用户也可以从外部收发器900下载与由外部收发器900获得的测量结果有关的数据。
第二用户能够通过他们的蜂窝电话、计算机、任何其它第三装置910或显示器来操作外部收发器900。第二用户能够利用第二操作指令集对装置进行编程。第二用户能够将第三装置910与外部收发器900进行配对。
图6A的外部收发器900包括绕患者A的至少一部分延伸的两个超声换能器阵列931、932。该阵列包括多个超声换能器901。将超声换能器901设置在膝托的内表面上，使得当患者A穿戴膝托时这些超声换能器接近患者A的皮肤。在图6A中，超声换能器阵列931、932绕患者的A腿延伸，环绕患者的A腿的其中有股骨的至少一部分。本领域技术人员可以意识到，外部收发器900可以包括任何可穿戴介质，包括腿托920、臂托、颈托、头托、鼻套、腿套以及如上所讨论的任何其它可穿戴品。
图6B示出了外部收发器900的截面图，由患者穿戴的外部收发器具有被设置在患者的身体内部的植入物300。在该示例中，外部收发器900可以是与图6A相同的外部收发器900。可以将植入物300设置在患者的A身体内。在该示例中，植入物300可以处于患者的股骨中。
如上所讨论的，可以将外部收发器900配置成使用超声波与植入物进行通信。例如，超声换能器阵列931可以向植入物300传输超声波的特定阶跃函数。植入物300可以包括超声换能器301，该超声换能器301被配置成接收超声波并将该超声波转换成电能。植入物300可以使用电能向植入物300供电。植入物300可以是可调节植入物并且可以使用电能来启用植入物300的致动器(例如电动机)，以改变植入物300的尺寸。植入物300可以使用电能来启用植入物300的控制器302。植入物300的控制器302可以与外部装置900的控制器进行通信。控制器302可以通过外部收发器900建立到互联网或第三装置910的连接。植入物300可以包括传感器305，该传感器305被配置成，感测植入物300或周围组织或流体的测量结果。植入物300可以使用超声波将传感器测量结果传送至外部收发器900。外部收发器和植入物中的一个或更多个可以包括贯穿本公开讨论的各种组件和功能中的一些。
在一些实施方式中，外部收发器900可以通过检测超声波的透射量或反射量来对植入物300的位置进行成像或检测。在一些实施方式中，外部收发器900可以使用超声波来形成骨骼和/或植入物300的一个或更多个超声图像。
在用于形成三维图像的一些实施方式中，外部收发器900可以在骨骼的四个或更多象限中产生骨密度。在一些实施方式：超声波可以由超声换能器阵列931中的一个超声换能器901来生成，由所述一个超声换能器901发射的超声波的作用可以类似于摄像机中的光源。其余的超声换能器901将对超声波的反射和/或透射进行检测，阵列931的作用类似于摄像机的焦平面阵列。这个序列可以绕阵列一次重复一个部件。控制器902或某一第三装置910可以处理由超声换能器获得的数据，以形成从多个视角查看受治疗者的立体三维图像。
图7示出了具有被配置成传输超声波的至少三个超声换能器901b、901c、901d的外部收发器900的图。第一超声换能器901b可以是第一阵列931的一部分，第二超声换能器901c和第三超声换能器901d可以是第二阵列932的一部分，该阵列绕患者的A腿的至少一部分延伸。
外部收发器900被示为包括控制器902，该控制器902在工作上连接至超声换能器901b、901c、901d。在一些实施方式中，外部收发器900可以包括以下项中的一个或更多个：用于存储由超声换能器901b、901c、901d、901d获得的数据的存储器模块、用于将数据传递至第三装置的联网装置/以及在工作上联接至控制器的储能装置。
将外部收发器900配置成，非侵入式地检测患者A的骨骼上与低骨密度A'的位置相对应的位置。还可以将外部收发器900配置成生成骨密度的三维标绘图。例如，控制器可以将沿着外部收发器900的长度的已知位置指派给被设置在外部收发器900上的超声换能器901b、901c、901d或者超声换能器阵列。
控制器将指令第一超声换能器901b或者第一超声换能器阵列，以选定频率B发射超声波。然后，可以指令超声换能器901b、901c、901d中的一个或更多个对第一超声换能器901b的超声波B进行感测。
在骨密度相对较高的区域，骨骼对超声波的反射会比较强烈。在骨密度相对较低的区域，将观测到超声波跨骨骼的透射率升高。
在所例示的实施方式中，第一超声换能器901b将观测到相对高的反射量，并且控制器将高骨密度指派给与第一超声换能器901b的位置相关的位置，或者指派给与被指派给第一超声换能器901b的阵列相关联的区域。控制器可以指令第二超声换能器901c以选定频率C传输超声波。超声波C'将穿过低骨密度区域A'并将被例如处于该骨骼的另一侧上的第三超声换能器901d观测到。控制器将低骨密度指派给与第二超声换能器901c的位置相关的位置，或者指派给与被指派给第二超声换能器901c的阵列相关联的区域。然后，控制器然后可以沿着外部收发器900的长度构建骨密度标绘图。
在一些实施方式中，将外部收发器900配置成定位于患者A的骨骼上的低骨密度位置A'，并且其中，在确定该位置时，将控制器配置成，指令超声换能器901b、901c、901d中的一个或更多个超声换能器以治疗超声频率传输超声波来促进骨愈合或骨生长。研究已将某些超声频率与改善骨愈合和治疗相关联。
低骨密度位置A'可以由如上所描述的外部收发器900来确定。然而，在一些实施方式中，可以通过使用例如在工作上联接至控制器的触摸屏LCD显示器，来将位置输入到外部收发器900中，从而获取低骨密度位置。在一些实施方式中，低骨密度位置可以通过使用所建立的射频连接(例如Wi-Fi或蓝牙连接)，从第三装置910远程地将位置输入到外部收发器900中来获取。在一些实施方式中，外部收发器900可以通过超声波与患者体内的一个或更多个植入物进行通信，并且所述一个或更多个植入物可以确定骨密度位置并将该位置传送至外部收发器900。
获知低骨密度位置A'，控制器902可以利用治疗指令进行预编程或远程编程。然后，控制器902可以指令所述超声换能器中的一个或更多个超声换能器以骨愈合频率向该位置传输超声波。
例如，在图7中，外部收发器900的控制器902可以驱动第二超声换能器901c和第三超声换能器901d，来以特定的愈合频率传输超声波。愈合频率可以与为确定低骨密度位置而选择的频率相同或不同。而且，第二超声换能器901c和第三超声换能器901d可以是阵列的一部分，在该情况下，控制器902可以指令该阵列中的超声换能器，以骨愈合频率将超声波传输至低骨密度位置A'。
图8示出了与患者A的身体内的第二植入物602进行通信的第一植入物601，该通信是使用超声波建立的。植入物或外部收发器900中的两个或更多个之间的通信可以建立体域网(BAN:Body Area Network)。在一些实施方式中，可以使用超声信号跨植入物建立特设(ad hoc)网状网络。
如上面所讨论的，植入物可以包括传感器模块，或者具有被集成到植入物中的超声数据通信电路。
转至图9A，在一些实施方式中，可以建立体域网，该体域网具有被指派主机状态的外部收发器900，以及被指派客户端状态的一个或更多个植入物701、702、703。
如在图9B中看到，在一些实施方式中，可以对网络进行编程，使得在主机与网络断开连接时，将在剩余的客户端之间选择新的主机。该主机状态可以随着植入物的启用和停用而绕网络传递。
体域网连接可以提供主机访问以驱动客户端植入物。这包括以下项中的一个或更多个：向客户端植入物供电、启用客户端植入物、致动客户端植入物、从客户端植入物接收数据以及以上文所讨论的或本领域公知的任何方式调节客户端植入物。
体域网可以通过主机建立到任何外部网络的连接。例如，在图9A中，如果将主机外部收发器900配置成连接至外部网络，则该主机将跨所述网络提供对客户端的访问。类似地，在图9B中，如果将主机植入物701配置成连接至外部网络，则该主机将跨所述网络提供对客户端的访问。这可使主机和客户端能够以同样的方式进行控制、观测以及远程访问。在一些实施方式中，可以使用该连接远程更新主机和客户端的固件。
本领域技术人员可以意识到，这些示例性实施方式并非旨在详尽无遗。单独实施方式的结构和特征可以在其它的各种实施方式之间互换。在一个实施方式的特定特征未被明确声明为另一实施方式的一部分的情况下，本公开旨在包括具有所述实施方式的特征的变化，该变化旨在可传达至其它实施方式，以达到权利要求的完整和合理的范围。
图10至图16表示根据本文所描述的实施方式中的至少一些实施方式的、使用超声信号在一个或更多个植入物之间进行经皮传输电力和/或数据的示例性方法的流程图。尽管图中的框都是按顺序次序例示的，但是在一些情况下，这些框可以并行执行，和/或以与其中描述的那些框不同的次序执行。而且，可以将各种框组合成更少的框、划分成附加的框，和/或基于希望的实现去除。
另外，图中的框可以示出本实施方式的一个可能实现的功能和操作。在这点上，框可以表示模块、节段或程序代码的一部分，其包括可由处理器执行的用于实现所述处理中的特定逻辑功能或步骤的一个或更多个指令。可以将程序代码存储在任何类型的计算机可读介质上，举例来说，如包括磁盘或硬盘驱动器的存储装置。计算机可读介质例如可以包括存储数据达较短时段的非暂时性计算机可读介质(诸如寄存器存储器、处理器高速缓存或随机存取存储器(RAM))，和/或持久性长期存储装置(诸如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、或者光盘只读存储器(CD-ROM))。计算机可读介质能够或者可以包括任何其它的易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质例如可以被认为是计算机可读存储介质、有形存储装置或其它制造物品。
另选地，图中的框可以表示被布线以在所述处理中执行特定逻辑功能的电路。例示性方法(诸如图中的框所示的那些)可以部分地由因特网上、云中和/或计算机系统上的一个或多个组件来执行。然而，应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，示例方法可以代替地由其它实体或实体的组合(即，由其它计算装置和/或计算机装置的组合)来执行。例如，图中的框的方法的功能可以完全由计算装置(或计算装置的组件，诸如一个或更多个处理器)来执行，或者可以跨计算装置的多个组件、跨多个计算装置(例如，控制单元和图像处理装置)和/或跨服务器来分布。
现在，图10所示的示例性方法提供了一种利用超声波来进行经皮电力传输的示例性方法，所述方法包括以下步骤：将超声信号从外部收发器传输至位于患者的身体内的植入物；在使用超声换能器的植入物处接收超声信号；使用超声换能器将超声信号转换成电能；以及使用该电能来向植入物的至少一部分供电。
如上面所讨论的，向植入物供电的步骤可以包括：启用植入物、致动植入物、对植入物进行充电、或者为植入物的内部电路供电的任何其它形式。电能可以被立即使用或随后使用。此外，植入物可以具有超声换能器，并且如上所述可以包括传感器模块。
图11提供了使用超声波来进行经皮信号传输的示例性方法；所述方法包括以下步骤：将植入物放置于患者的身体内；将收发器放置在患者的身体之上或者患者的身体之内；使用收发器将经调制的超声信号传输至植入物；以及将经调制的超声信号转换成电能并将经调制的电信号传送至植入物的控制器。
图12提供了使用超声信号来进行经皮双向数据传输的示例性方法；所述方法包括以下步骤：将植入物放置于患者的身体内；使用超声信号从收发器向植入物传输无线电力和数据中的至少一者；以及使用超声信号从植入物向收发器传输无线电力和数据中的至少一者。
图13提供了使用超声波来进行经皮双向数据传输的示例性方法，所述方法包括以下步骤：将传感器模块设置至植入物；将植入物放置于患者的身体内；使用超声信号从收发器向传感器模块经皮传输无线电力和数据中的至少一者；以及使用超声信号从传感器模块向收发器传输无线电力和数据中的至少一者。
在一些实施方式中，所述方法还可以包括以下步骤：向植入物的控制器传送由传感器模块接收到的信息。在一些实施方式中，该步骤可以通过直接连接(例如有线连接)来执行。在一些实施方式中，该步骤可以通过间接连接(例如包括RF通信和超声通信中的一个或更多个的无线连接)来执行。
图14提供了用于标绘标绘骨密度的示例性方法，所述方法包括以下步骤：将至少一个超声换能器放置得与患者皮肤相邻；使用所述至少一个超声换能器传输超声波；对超声波的透射量和反射量中的至少一者进行测量；标绘测量结果与超声换能器的已知位置以形成骨密度标绘图。
图15提供了用于三维骨密度成像的示例性方法，所述方法包括以下步骤：将包括至少一个超声换能器的至少一个阵列放置得与患者皮肤相邻；从至少一个超声换能器沿患者骨骼的方向传输超声波；对超声波的透射量和反射量中的至少一者进行测量；在跨换能器阵列的位置处从至少一个超声换能器传输超声波；将测量结果拼接在一起以形成骨密度三维标绘图。
图16提供了用于测量骨骼的长度增长的示例性方法，所述方法包括以下步骤：将第一超声标记物放置在骨骼上的第一位置上；将第二超声标记物放置在骨骼上的第二位置上；绕骨骼的至少一部分放置换能器阵列，该换能器阵列包括至少一个超声换能器；从所述至少一个超声换能器传输超声波；对由换能器阵列上的处于所述位置的超声换能器观测到的透射量和反射量中的至少一者进行测量；将由换能器阵列获得的测量结果拼接在一起，以形成超声图像；对超声图像上的第一超声标记物与第二超声标记物之间的距离进行测量。
本领域技术人员可以意识到，方法的这些示例性实施方式并非旨在详尽无遗。单独方法的框可以在各种实施方式之间进行替换和互换。可以将附加框添加和替换至与贯穿这些论文公开的附加步骤和特征相对应的各种实施方式。
现在，尽管为了使得本领域技术人员能够制造和使用所要求保护的发明而描述了特定的特征和实施方式，但是应理解，可以实现多种变化、更改或替换以达到所公开的主题。本说明书中的任何内容均不应被解释为限制在所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

Claims (62)

1.一种用于超声通信的系统，所述系统包括：
植入物，所述植入物具有至少一个超声换能器；以及
外部收发器；
其中，所述超声换能器适于从由所述外部收发器发送的超声信号接收电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个超声换能器包括压电换能器。
3.根据权利要求2所述的系统，所述植入物包括可调节植入物。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述可调节植入物的致动器是通过所述超声换能器从所述超声信号接收到的电能来供电的。
5.根据权利要求4所述的系统，所述可调节植入物还包括储能装置以及充电电路，并且其中，所述充电电路被配置成，使用从所述超声换能器接收到的电能来对所述储能装置进行充电。
6.根据权利要求5所述的系统，所述植入物还包括控制器。
7.一种用于超声通信的系统，所述系统包括：
植入物，所述植入物包括传感器以及超声换能器；以及
外部收发器；
其中，所述植入物适于使用由所述超声换能器生成的超声信号来向所述外部收发器传输由所述传感器获得的数据。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述超声换能器包括压电换能器。
9.根据权利要求8所述的系统，所述植入物还包括控制器；
其中，所述控制器被配置成，将由所述传感器感测的数据转换成经调制的信号。
10.根据权利要求9所述的系统，所述植入物还包括致动器，所述致动器是通过从由所述超声换能器生成的所述超声信号接收到的电能来供电的。
11.根据权利要求10所述的系统，所述植入物还包括储能装置以及充电电路，并且其中，所述充电电路被配置成，使用从所述超声换能器生成的所述超声信号接收到的电能来对所述储能装置进行充电。
12.一种用于超声通信的系统，所述系统包括：
植入物，所述植入物具有致动器，所述致动器在工作上联接至超声换能器；以及
外部收发器；
其中，所述超声换能器被配置成，从由所述外部收发器发送的超声信号接收电力以向所述致动器进行供电；并且
其中，所述植入物被配置成，经由所述超声换能器向所述外部收发器发送数据以及从所述外部收发器接收数据。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述超声换能器包括压电换能器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述植入物从由所述压电换能器接收到的超声信号接收电力。
15.根据权利要求14所述的系统，所述植入物还包括传感器和控制器；
其中，所述控制器被配置成，将由所述传感器获得的数据转换成经调制的信号。
16.根据权利要求15所述的系统，所述植入物还包括：
储能装置和对应的充电电路；
其中，所述充电电路被配置成，使用由所述超声换能器从所述超声信号接收到的电能来对所述储能装置进行充电。
17.一种用于超声通信的传感器模块，所述传感器模块包括：
超声换能器；以及
控制器，所述控制器在工作上联接至所述超声换能器；
其中，所述传感器模块被配置为，使用超声信号来进行经皮超声电力传递和数据传递中的至少一者。
18.根据权利要求17所述的传感器模块，其中，所述传感器模块适于与植入物集成。
19.根据权利要求18所述的传感器模块，其中，所述传感器模块的至少一部分被设置在所述植入物的内部部分内。
20.根据权利要求18所述的传感器模块，其中，所述传感器模块的至少一部分被设置在所述植入物的外部部分上。
21.根据权利要求17所述的传感器模块，其中，所述超声换能器被配置成，从外部收发器接收超声信号并且将所述超声信号转换成电能。
22.根据权利要求17所述的传感器模块，其中，所述超声换能器被配置成，从第二植入物接收超声信号并且将所述超声信号转换成电能。
23.根据权利要求17所述的传感器模块，其中，所述超声换能器包括压电换能器。
24.根据权利要求17所述的传感器模块，其中，所述控制器被配置成，使用二进制相移键控来调制所述超声信号。
25.根据权利要求17所述的传感器模块，所述传感器模块还包括封装件，其中，所述封装件提供气密密封。
26.根据权利要求17所述的传感器模块，所述传感器模块还包括储能装置。
27.根据权利要求26所述的传感器模块，所述传感器模块还包括再充电电路，所述再充电电路被配置成，使用由所述超声换能器收集的电能来对所述储能装置进行充电。
28.根据权利要求27所述的传感器模块，所述传感器模块还包括传感器。
29.根据权利要求28所述的传感器模块，所述传感器模块还包括至少一个互连部，所述至少一个互连部在工作上连接所述传感器、所述超声换能器、所述控制器以及所述储能装置。
30.根据权利要求29所述的传感器模块，其中，所述超声换能器包括中空筒形压电换能器。
31.根据权利要求30所述的传感器模块，所述传感器模块还包括底盘；
其中，所述底盘的至少一部分被配置成，延伸穿过所述中空筒形压电换能器；并且
其中，所述至少一个互连部的至少一部分延伸穿过所述底盘，以在工作上连接所述储能装置与印刷电路板。
32.一种超声通信方法，所述方法包括以下步骤：
将植入物放置于患者的身体内；
将外部收发器放置得与所述患者的身体相邻；
使用超声信号向所述植入物传输无线电力和数据中的至少一者。
33.根据权利要求32所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
使用超声信号从所述植入物向所述外部收发器传输无线电力和数据中的至少一者。
34.一种超声通信方法，所述方法包括以下步骤：
集成传感器模块与植入物；
将所述植入物放置于患者的身体内；
将外部收发器放置得与所述患者的身体相邻；
使用超声信号向所述传感器模块传输无线电力和数据中的至少一者；以及
使用超声信号从所述传感器模块向所述外部收发器传输无线电力和数据中的至少一者。
35.一种使用超声波传输电力的方法，所述方法包括以下步骤：
从外部收发器向具有超声换能器的植入物传输超声信号；
在具有所述超声换能器的所述植入物处接收所述超声信号；
使用所述超声换能器将所述超声信号转换成电能；以及
使用所述电能来向所述植入物供电。
36.一种使用超声波来实现经皮数据通信的方法，所述方法包括以下步骤：
在患者的身体内设置具有至少一个超声换能器的植入物；
将收发器放置在所述患者的身体上；
使用超声信号从所述植入物向所述收发器传输数据。
37.一种使用超声波来实现经皮数据传输的方法，所述方法包括以下步骤：
在患者的身体内设置具有至少一个超声换能器的植入物；
将收发器放置在所述患者的身体上；
使用超声波从所述植入物向所述收发器传输数据。
38.一种使用超声波来实现经皮双向数据传输的方法，所述方法包括以下步骤：
在患者的身体内设置具有至少一个超声换能器的植入物；
使用外部收发器向所述植入物传输无线电力和数据中的至少一者；以及
使用经调制的超声信号从所述植入物向所述外部收发器传输数据。
39.一种使用超声波来实现经皮双向数据传输的方法，所述方法包括以下步骤：
在患者的身体内设置具有传感器模块的植入物；
向所述传感器模块传输无线电力和数据中的至少一者；以及
使用经调制的超声信号从所述传感器模块传输数据。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述传感器模块被配置为可移除地联接至所述植入物。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述传感器模块还包括被配置成从所述植入物感测数据的传感器，所述数据对应于所述植入物的物理特性。
42.根据权利要求39所述的方法，其中，所述传感器模块还包括控制器。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述传感器模块还包括在工作上联接至所述控制器的超声换能器，所述超声换能器被配置成传输经调制的超声信号。
44.根据权利要求43所述的方法，还包括传导环氧树脂，其中，所述传导环氧树脂被设置在所述超声换能器与所述植入物之间，以降低由超声波观测到的阻抗量。
45.一种体域网，所述体域网包括：
多个医疗植入物，所述多个医疗植入物适于进行超声通信并且被配置为放置在患者的身体内；
所述多个医疗植入物中的至少一个医疗植入物指定主机状态，并且所述多个医疗植入物中的其余医疗植入物指定客户端状态；
其中，数据是经由超声信号跨所述体域网传输的。
46.根据权利要求45所述的体域网，所述体域网还包括外部收发器，所述外部收发器被配置为进行超声通信并且被放置得与所述患者的身体相邻或者放置在所述患者的身体内。
47.根据权利要求46所述的体域网，其中，所述外部收发器具有主要的主机状态，使得当所述外部收发器可用时，所述外部收发器是被给定主机状态。
48.一种用于骨密度成像的方法，所述方法包括以下步骤：
将至少一个超声换能器放置得与患者皮肤相邻；
使用所述至少一个超声换能器来传输超声波，
对由所述至少一个超声换能器观测到的透射量和反射量中的至少一者进行测量；以及
将测量结果拼接在一起以形成骨密度标绘图。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器包括一维阵列。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器包括二维阵列。
51.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器被设置在被配置为由患者穿戴的可穿戴装置的内表面上。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述可穿戴装置是使用增材制造技术制造的。
53.根据权利要求51所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器在工作上连接至控制器，所述控制器被配置成从所述至少一个超声换能器接收测量数据，并且其中，所述控制器被配置成，对所述测量数据进行处理以形成所述骨密度标绘图。
54.根据权利要求52所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
确定低骨密度位置并且以治疗频率向所述低骨密度位置传输超声波。
55.根据权利要求48所述的方法，所述至少一个超声换能器包括压电聚偏二氟乙烯材料即PVDF材料。
56.一种对骨骼的长度增长进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：
将第一超声标记物放置在所述骨骼上的第一位置上；
将第二超声标记物放置在所述骨骼上的第二区段上；
绕所述骨骼的至少一部分放置换能器阵列，所述换能器阵列包括至少一个超声换能器；
从所述至少一个超声换能器传输超声波；
对由所述换能器阵列上的处于各个位置的所述超声换能器观测到的透射量和反射量中的至少一者进行测量；
将由所述换能器阵列获得的测量结果拼接在一起，以形成超声图像；
对所述超声图像上的所述第一超声标记物与所述第二超声标记物之间的距离进行测量。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述换能器阵列包括一维阵列。
58.根据权利要求56所述的方法，其中，所述换能器阵列包括二维阵列。
59.根据权利要求56所述的方法，其中，所述换能器阵列被设置在被配置为由患者穿戴的可穿戴装置的内表面上。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述可穿戴装置是使用增材制造技术制造的。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述换能器阵列在工作上连接至控制器，所述控制器被配置成从所述至少一个超声换能器接收测量结果，并且其中，所述控制器被配置成对所述测量结果进行处理，以确定所述骨骼的长度变化。
62.根据权利要求61所述的方法，所述方法还包括将超声传导材料设置在所述换能器阵列上，所述超声传导材料被配置成，使所述至少一个超声换能器与所述患者皮肤之间的阻抗最小化。
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