JP2004511313A

JP2004511313A - 音響スイッチおよび装置ならびに体内で音響スイッチを使用する方法

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Publication number: JP2004511313A
Application number: JP2002535738A
Authority: JP
Inventors: ペナー，　アブラハム; ドロン，　イャール
Original assignee: レモン　メディカル　テクノロジーズ　リミテッド
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: CA2422636A1; EP1331969B1; EP2272562A1; JP2007313336A; WO2002032502A1; CA2422636C; AU2002212637A1; JP4664332B2; US6628989B1; EP1331969A1; JP4489348B2

Abstract

体内での挿入または移植用の移植片であって、該移植片は、以下の部分を含む：電気回路であって、該電気回路は、該移植片を起動したとき、１個以上の命令を実行するように構成されている；エネルギー保存装置；およびスイッチであって、該スイッチは、該電気回路および該エネルギー保存装置に連結されている。該スイッチには、音響変換器が連結され、該音響変換器は、該スイッチを閉じて電流を該エネルギー保存装置から該電気回路へと流すために、外部音響エネルギー源による音響励起時に起動可能である。該１個以上の命令は、該電気回路に連結されたバイオセンサを使って生理学的パラメータを測定すること、または該電気回路に連結された治療装置を制御することを含む。該治療装置またはバイオセンサは、所定時間にわたって、または該音響変換器の他の音響励起に応答して該スイッチが開くまで、起動され得る。

Description

【０００１】
（導入）
本発明は、一般に、患者の体内に移植する装置に関し、さらに特定すると、体内に位置している移植片（これは、生理学的状態をモニターし、および／または治療機能を与える）を起動、停止および／または制御する装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
１個以上の生理学的状態をモニターするために、および／または治療機能を提供するために患者の体内に移植され得る装置は、公知である。例えば、種々の特性（例えば、温度、圧力、歪み、流体流れ、化学的特性、電気的特性、磁気的特性など）をモニターするために、センサまたは変換器が体内に深く設置され得る。それに加えて、１つ以上の治療機能（例えば、薬物送達、除細動、電気刺激など）を果たす装置が、移植され得る。
【０００３】
しばしば、例えば、データを得るために、および／またはその移植片を起動するかそうでなければ制御するために、一旦、このような装置を患者の体内に移植すると、それらを外部命令により制御することが望ましい。移植片は、その移植片から患者の外面へのリード線を含み得、それにより、外部制御装置または他の装置を移植片に直接連結できるようになる。あるいは、この移植片は、例えば、外部誘導装置を使用して、遠隔操作され得る。例えば、外部高周波（ＲＦ）送信器は、移植物と通信するために使用され得る。しかし、ＲＦエネルギーは、身体の誘電性に起因して、体内に数ミリメートルだけ貫入され得、従って、体内に深く位置している移植片と効果的に通信できそうにない。それに加えて、ＲＦ送信器は、移植片内で電流を誘導でき得るものの、その移植片の受信アンテナ（一般に、低インピーダンスコイル）は、信頼できるスイッチ機構を提供するには低すぎる電圧が発生し得る。
【０００４】
さらに別の代案では、身体が一般に磁場を減衰しないので、移植片を切り換えるか制御するために、電磁エネルギーが使用され得る。しかしながら、通常の活動中に患者が遭遇する外部磁場が存在すると、患者は、間違った陽性（ｆａｌｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の危険（すなわち、この移植片の偶発的な起動または停止）に晒され得る。さらに、外部電磁システムは、厄介であり得、暗号化した情報を移植片に効果的に伝達できない場合がある。
【０００５】
従って、これらの問題を克服しおよび／または患者の体内に位置している移植片をより効果的に遠隔起動または遠隔操作し得る装置は、有用であると見なされ得ると考えられる。
【０００６】
（発明の要旨）
本発明は、一般に、移植片に関し、これは、１個以上の生理学的パラメータをモニターするかおよび／または１つ以上の治療機能を果たすために、哺乳動物の体内に外科的またはその他の手段で設置され得る。例えば、本発明の移植片は、心房除細動、鎮痛刺激、神経刺激、薬物放出、光力学療法用の光源の起動、放射線量（電離放射線、磁気放射線または音響放射線を含めて）のモニタリング、バイパス移植における流れのモニタリング、細胞酸化および膜電気穿孔の作製、ならびに種々の生理学的パラメータ（心臓チャンバの圧力、インフラクション温度（ｉｎｆｒａｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）、頭蓋内圧、電気インピーダンス、位置、整形外科移植片の歪みまたはｐＨを含めて）の測定に使用され得る。
【０００７】
本発明の第一局面によれば、移植片が提供され、該移植片は、以下の部分を含む：電気回路であって、該電気回路は、該移植片を起動したとき、１個以上の命令を実行するように構成されている；エネルギー保存装置；およびスイッチであって、該スイッチは、該電気回路および該エネルギー保存装置に連結されている。該スイッチには、音響変換器が連結され、これは、該スイッチを閉じて電流を該エネルギー保存装置から該電気回路へと流すために、外部音響エネルギー源による音響励起時に起動され得る。
【０００８】
１実施形態では、前記スイッチは、前記音響変換器が第一音響初期信号に続いて第二音響確認信号を受信するときのみに閉じられ得、該第一および第二音響信号は、所定の遅れだけ分離されている。該スイッチは、所定時間にわたって閉じたままであり得、次いで、自動的に開き得る。それに代えて、またはそれに加えて、該スイッチは、前記エネルギー保存装置から前記電気回路への電流の流れを遮断するために、音響停止信号が該音響変換器により受信されたとき、開かれ得る。
【０００９】
好ましい１実施形態では、前記電気回路は、体内の生理学的パラメータを測定するセンサを含む。該センサにより測定された該生理学的パラメータに比例した電気信号を受信するために、該電気回路には、送信器または該音響変換器それ自体が連結され得る。該送信器または音響変換器は、該生理学的パラメータに関する情報を含めた信号を、体外に位置している受信器に送信し得る。好ましくは、該センサは、血圧、心臓チャンバの圧力、インフラクション温度、頭蓋内圧、電気インピーダンス、位置、整形外科移植片の歪みまたはｐＨの少なくとも１つを測定するよう構成されたバイオセンサであり、該音響変換器により、該センサからのデータは、体外に位置している受信器へと通信できるようになる。
【００１０】
別の好ましい実施形態では、前記電気回路は、体内で治療装置を起動または制御するアクチュエータを含み、該治療装置は、該アクチュエータに連結されているか付随している。該電気回路は、所定時間にわたって、または前記スイッチが開くまで、この治療装置を起動し得る。あるいは、該電気回路は、該電気回路に連結されたバイオセンサにより測定された生理学的パラメータに応答して、該治療装置を制御し得る。
【００１１】
使用中、前記音響変換器は、その共振周波数で圧電層を振動する比較的に低い周波数の音響信号を受信し得る。前記音響信号は、前記スイッチを閉じ、前記移植片をその「活動休止」モードから「能動」モードへと起動する。この活動休止モードでは、該移植片は、実質的にエネルギー消費なしで、実質的に永久に待ち得る。一旦、起動すると、すなわち、該スイッチが閉じると、前記電気回路は、１個以上の命令（例えば、体内の生理学的パラメータを測定すること、または体内で治療装置を制御すること）を実行する。該生理学的パラメータに比例した信号が、該移植片から、体外に位置している受信器へと送信され得る。あるいは、該治療装置は、該生理学的パラメータに基づいて、制御され得る。
【００１２】
さらなる代替において、前記音響起動信号と共にまたはその後で、体外の供給源から、一組の命令信号が送られ得る。該命令信号は、該電気回路により翻訳されて、前記治療装置を制御する一組の命令を提供し得る（例えば、所望の治療過程を提供し得る）。例えば、該命令は、所望の持続時間にわたって所望の投薬量を供給するように前記治療装置を指示し得、および／または前記バイオセンサからのフィードバックに基づいて投薬量もしくは持続時間を修正し得る。
【００１３】
本発明の他の課題および特徴は、添付の図面と併せて以下の記載を考慮すると、明らかとなる。
【００１４】
（好ましい実施形態の説明）
図面に目を向けると、図１Ａ〜１Ｃは、本発明の移植片１１０、２１０、３１０のいくつかの代表的な実施形態を概略的に示す。一般に、移植片１１０、２１０、３１０は、電気回路１１２、２１２、３１２を含み、これらは、以下でさらに記述するように、移植片１１０、２１０、３１０を起動したとき、１つ以上の機能または命令を実行するように構成されている。それに加えて、移植片１１０、２１０、３１０は、エネルギー保存装置１１４および音響スイッチ１１６（これは、電気回路１１２、２１２、３１２およびエネルギー保存装置１１４に連結されている）を含む。音響スイッチ１１６は、好ましくは、外部音響エネルギー源（図示せず）による音響励起１００の際に起動されて、エネルギー保存装置１１４から電気回路１１２、２１２、３１２へと電流を流す。好ましい実施形態では、音響スイッチ１１６は、音響変換器１１８、例えば、１９９９年７月８日に公開されたＰＣＴ公開第ＷＯ９９／３４，４５３号（その開示は、本明細書中で参考として明白に援用されている）で開示されたものを含む。それに加えて、音響スイッチ１１６はまた、スイッチ１２０（例えば、図２で示し以下でさらに記述するスイッチ回路４００）を含むが、それに代えて、他のスイッチ（例えば、小型電気機械スイッチなど（図示せず））を設け得る。
【００１５】
エネルギー保存装置１１４は、種々の公知の装置（例えば、エネルギー交換器、電池および／またはコンデンサ（図示せず））のいずれかであり得る。好ましくは、エネルギー保存装置１１４は、音響スイッチ１１６が開いたままになっている限り、すなわち、移植片１１０、２１０、３１０が「活動休止」モードであるとき、電気エネルギーを実質的に永久に保存できる。それに加えて、エネルギー保存装置１１４は、当業者が認識しているように、例えば、誘導的に、外部供給源から充電でき得る。好ましい実施形態では、エネルギー保存装置１１４は、コンデンサおよび充電不能一次電池の両方を含む。あるいは、エネルギー保存装置１１４は、移植片１１０、２１０、３１０の起動前または使用前にエネルギーを与え得る充電可能二次電池および／またはコンデンサを含み得る。
【００１６】
移植片１１０、２１０、３１０は、種々のモニタリングおよび／または治療機能を実行するために、外科的に、および／または最小侵襲性に、ヒト体内に挿入され得る。例えば、電気回路１１２、２１２、３１２は、以下でさらに詳細に説明するように、制御回路１２２、２２２、３２２、バイオセンサ１２４、２２４、アクチュエータ２２６、３２６、および／または送信器１２８を含み得る。移植片２１０、３１０は、例えば、患者の体内に移植された治療装置（例えば、心房除細動器、鎮痛刺激装置、神経刺激装置、薬物送達装置、および／または光力学療法用の光源）を起動および／または制御するために、１つ以上の治療機能を与えるように構成され得る。あるいは、この移植片は、放射線量（電離放射線、磁気放射線および／または音響放射線を含めて）をモニターし、バイパス移植における流れをモニターし、細胞酸化および膜電気穿孔を作製するためなどに使用され得る。それに加えて、またはそれに代えて、移植片１１０は、患者の体内の１つ以上の生理学的パラメータ（例えば、圧力、温度、電気インピーダンス、位置、歪み、ｐＨなど）を測定するのに使用され得る。
【００１７】
本発明の移植片は、２モード（この移植片が使用中ではなく休止状態であるとき、すなわち、音響スイッチ１１６が開いているときの「活動休止」または「受動」モード、および音響スイッチ１１６が閉じていてエネルギー保存装置１１４から電気回路１１２、２１２、３１２へと電気エネルギーが送達されるときの「能動」モード）のうちの１モードで、作動する。この活動休止モードでは、音響スイッチ１１６が開いているので、エネルギー保存装置１１４からのエネルギー消費は、実質的に存在しておらず、その結果、この移植片は、事実上永久に、すなわち、起動されるまで、この活動休止モードのままであり得る。それゆえ、本発明の移植片は、エネルギー効率が高くあり得、従って、その「受動」モードで少なくとも少量の電流を連続的に引き出す移植片よりも、比較的に小さいエネルギー保存装置しか必要とし得ない。
【００１８】
移植片１１０、２１０、３１０を起動するために、１つ以上の外部音響エネルギー波または信号１００が、外部供給源から患者の体内（図示せず）へと、例えば、一般に、この信号が音響変換器１１８によって受信されるまで、移植片１１０、２１０、３１０の位置の方へと送信される。音波１００で励起されると、音響変換器１１８は、電気出力を発生し、これは、スイッチ１２０を閉じるか、開くか、または他の様式で起動するのに使用される。好ましくは、確実に切換を行うために、音響変換器１１８は、励起すると少なくとも数百ミリボルトの電圧を発生するように構成され、これは、スイッチ１２０を閉じる起動信号として、使用され得る。
【００１９】
間違った陽性（誤った起動または停止のいずれか）に対する安全策として、音響スイッチ１１６は、初期信号に続いて確認信号を受信したときにのみ閉じるように構成され得る。例えば、音響スイッチ１１６は、第一パルスに続いて所定の遅れで分離された第二パルスを含む起動信号だけを認識し得る。確認信号を使用することは、例えば、薬物送達移植片による故意ではない薬物放出を防止するために、ある種の用途に特に重要であり得る。
【００２０】
起動信号に加えて、音響変換器１１８は、移植片１１０、２１０、３１０をその活動休止モードに戻すために、第二音響励起（これは、音響スイッチ１１６を起動するのに使用される音波と同じまたは異なり得る）に応答して停止信号を発生するように構成され得る。例えば、一旦起動すると、スイッチ１２０は、例えば、エネルギー保存装置１１４が消耗するまで、または音響変換器１１８により停止信号が受信されるまで、永久に閉じたままであり得る。あるいは、音響スイッチ１１６は、タイマー（図示せず）を含み得、その結果、スイッチ１２０は、所定時間だけ閉じたままであり、その後、スイッチ１２０は、自動的に開き得、移植片１１０、２１０、３１０をその活動休止モードに戻す。
【００２１】
図１Ａに目を向けると、移植片の第一の好ましい実施形態１１０が図示されており、ここで、電気回路１１２は、制御装置１２２、制御装置１２２に連結されたバイオセンサ１２４、および制御装置１２２に連結された送信器１２８を含む。制御装置１２２は、バイオセンサ１２４を起動もしくは制御する回路、バイオセンサ１２４からの信号を受信する回路、および／または例えば、これらの信号を送信器１２８により送信されるデータに処理する回路を含み得る。必要に応じて、電気回路１１２は、このデータを保存する記憶装置（図示せず）を含み得る。送信器１２８は、制御装置１２２から体外の遠隔位置へとデータを送信できる任意の装置（例えば、音響送信器、高周波送信器など）であり得る。代替実施形態では、制御装置１２２は、別の送信器を設ける代わりに音響変換器１１８が送信器１２８として使用され得るように、音響変換器１１８に連結され得る。
【００２２】
バイオセンサ１２４は、生理学的パラメータ（例えば、上記のもの）を測定し得る１個以上のセンサを含み得る。例えば、米国特許第４，７９３，８２５号（これは、Ｂｅｎｊａｍｉｎらの名で登録された）および同第５，８３３，６０３号（これは、Ｋｏｖａｃｓらの名で登録された）は、本発明に従って移植片に含められ得るバイオセンサの代表的な実施形態を開示している。これらの参考文献およびそこに引用される他の参考文献の内容は、本明細書中で参考として明白に援用されている。それゆえ、バイオセンサ１２４は、生理学的パラメータに比例した信号を発生し得、これは、制御装置１２２により処理され得るか、および／または送信器１２８に中継され、送信器１２８は、次に、患者の体外にある装置により受信される伝送信号を発生し得る。これらの生理学的パラメータに関するデータは、当業者に認識されるように、音響スイッチ１１６が停止されるまで、または一定の所定時間にわたって、連続的または定期的に送信され得る。
【００２３】
図１Ｂに目を向けると、移植片の第二の好ましい実施形態２１０が図示されており、ここで、電気回路２１２は、制御装置２２２およびアクチュエータ２２６を含む。アクチュエータ２２６は、移植片２１０内に設けられているかそこに連結された治療装置（図示せず）（例えば、光源、神経刺激装置、除細動器、または移植した薬物レザバ（これは、この移植片内にあるか、そうでなければ、この移植片に付随して体内に移植され得る）と連絡している弁）に連結され得る。例えば、アクチュエータ２２６は、光力学療法用の光源（例えば、Ｃｈｅｎらの名で登録された米国特許第５，８００，４７８号（その内容は、本明細書中で参考として明白に援用されている）に開示されるもの）であり得る。
【００２４】
スイッチ１２０を閉じたとき、制御装置２２２は、例えば、所定の治療手順を完結するために、予め計画したプロトコルを使用して、アクチュエータ２２６を起動し得、その後、スイッチ１２０が自動的に開かれ得るか、または制御装置２２２は、スイッチ１２０が停止されるまで、連続プロトコルまたはループプロトコルに従い得る。あるいは、音響変換器１１８は、新しい組または独特の組の命令を制御装置２２２に通信するために、制御装置２２２に連結され得る。例えば、移植片２１０を有する患者に特別な治療過程（例えば、薬物送達の流速および持続時間または電気刺激のエネルギーレベルおよび持続時間）が決定され得る。この治療過程を指定する命令を含む音響信号は、例えば、起動信号１００と共にまたはそれに引き続いて、外部装置（図示せず）から音響スイッチ１１６へと送信され得る。制御装置２２２は、これらの命令を翻訳し得、それに従って、アクチュエータ２２６を制御して、この治療過程を完結し得る。
【００２５】
図１Ｃに目を向けると、移植片のさらに他の好ましい実施形態３１０が図示されており、ここで、電気回路３１２は、制御装置３２２、バイオセンサ３２４およびアクチュエータ３２６を含み、これらの全ては、互いに連結され得る。この実施形態は、例えば、１個以上の生理学的パラメータに関するデータを得るために、および／または治療装置を制御するために、上記実施形態と同様に作動し得る。それに加えて、制御装置３２２は、一旦起動すると、バイオセンサ３２４から得られたデータに応答して、アクチュエータ３２６を制御して、アクチュエータ３２６に接続された装置により提供された治療過程を自動的に制御するか調節し得る。例えば、アクチュエータ３２６は、インシュリンポンプ（図示せず）に連結され得、そしてバイオセンサ３２４は、患者の体内のグルコースレベルを測定し得る。制御装置３２２は、患者のグルコースを所望の範囲内に維持するために、このインシュリンポンプにある弁を開閉するようにアクチュエータを制御して、バイオセンサ３２４により測定されたグルコースレベルに基づいて、インシュリン送達速度を調節し得る。
【００２６】
図２に目を向けると、スイッチ４００の好ましい実施形態が図示されており、これは、本発明に従って、移植片に組み込まれ得る。スイッチ４００は、圧電変換器、または他の音響変換器（図示しないが、これは、一般に、ピエゾ＋およびピエゾ−の位置で、スイッチ４００に連結される）、複数のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ４）およびレジスタ（Ｒ１〜Ｒ４）ならびにスイッチＳ１を含む。スイッチ４００（例えば、上記電気回路のうちの１個）には、「負荷」が連結され得る。スイッチの「活動休止」モードでは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ４）の全ては、オフ状態である。このオフ状態を維持するために、これらのトランジスタのゲートは、プルアップレジスタおよびプルダウンレジスタにより、バイアスがかけられている。Ｎチャンネルトランジスタ（Ｑ１、Ｑ３およびＱ４）のゲートは、接地にバイアスがかけられ、そしてＰチャンネルトランジスタＱ２のゲートは、＋３Ｖにバイアスがかけられている。この静止段階中にて、スイッチＳ１は、閉じられ、この回路を通って電流は流れない。従って、スイッチ４００には、エネルギー保存装置（図示しないが、＋３Ｖの代表的な電圧で標識されるホットポストと接地との間で連結されている）が接続されているものの、これらのトランジスタの全てが静止状態であるので、そこからは、電流が引き出されない。
【００２７】
この圧電変換器が外部音響信号（これは、例えば、特定の周波数（例えば、変換器の共振周波数）を有する）を検出するとき、トランジスタＱ１にかかる電圧は、約１／２ボルトのトランジスタ閾値電圧を超える。トランジスタＱ１は、それにより、スイッチが入れられ、トランジスタＱ１およびプルアップレジスタＲ２を通って電流が流れる。トランジスタＱ１を通って電流が流れる結果として、トランジスタＱ１のドレインおよびトランジスタＱ２のゲートにかかる電圧は、＋３Ｖから実質的にゼロ（接地）へと低下する。この電圧低下により、ＰチャンネルトランジスタＱ２のスイッチが入り、これは、トランジスタＱ２およびプルダウンレジスタＲ３を通して、伝導し始める。
【００２８】
この電流がトランジスタＱ２を通って流れる結果として、トランジスタＱ２のドレインならびにトランジスタＱ３およびＱ４のゲートにかかる電圧は、実質的にゼロから＋３Ｖに増大する。この電圧の増大により、トランジスタＱ３およびＱ４のスイッチが入る。結果として、トランジスタＱ３は、レジスタＲ４を通して伝導し始め、メイン切換トランジスタＱ４は、「負荷」を通して伝導し始め、それにより、この電気回路のスイッチを入れる。
【００２９】
この電流がトランジスタＱ３を通って流れる結果として、トランジスタＱ２のゲートは、トランジスタＱ１が伝導しているかどうかとは関係なく、トランジスタＱ３を通して接地される。この段階では、トランジスタ（Ｑ２、Ｑ３およびＱ４）は、トランジスタＱ１にかかる圧電電圧が引き続いてゼロに低下されトランジスタＱ１が伝導を終えても、その伝導状態に留め置かれる。それゆえ、メイン切換トランジスタＱ４は、スイッチＳ１が開くまで、オンのままである。
【００３０】
スイッチ４００を停止状態にする（すなわち、開く）ためには、スイッチＳ１は、例えば、この圧電変換器の音響励起がない間に、開かなければならない。もし、これが起こるなら、トランジスタＱ２のゲートは、プルアップレジスタＲ２のために、＋３Ｖまで増大する。次いで、トランジスタＱ２のスイッチは、切られ、それにより、次に、トランジスタＱ３およびＱ４のスイッチを切る。この段階で、スイッチ４００は、スイッチＳ１が再度閉じられても、その活動休止モードに戻る。スイッチ４００は、この圧電変換器から新しい音響起動信号を受信する際に、その能動モードに戻るにすぎない。
【００３１】
前記電気回路が本発明で使用するスイッチの唯一の可能な実装方法ではないことは、当業者に明らかとなるはずである。例えば、そのスイッチ操作は、ＣＭＯＳ回路（これは、スイッチを入れたときに引き出され得る電流が少ない）、電気機械スイッチなどを使用して、実行され得る。
【００３２】
図３Ａ〜３Ｇに目を向けると、音響変換器１の好ましい実施形態が図示されており、これは、外部音響信号を受信しかつ電気出力を発生して電気回路を「起動」（すなわち、電気回路内またはそこに電流を送達）できる小型可撓性音響変換器を含む。好ましくは、図１Ａ〜１Ｃに関して上で説明したように、音響変換器１１８からの電気出力は、スイッチ１２０を開くかおよび／または閉じるのに使用され、電気回路１１２、２１２、３１２の部品の１個以上に電流を流す。それに加えて、音響変換器１１８からの電気出力は、通信バスを経由して、移植片１１０の他の部品に移動されて、例えば、制御回路または内部プロセッサへの命令を提供し得る。
【００３３】
好ましい実施形態では、音響変換器１は、音響変換器１にある圧電層２をその共振周波数で振動させるために、比較的に低い周波数の音響信号（数メガヘルツまで）を受信するように構成される。好ましくは、音響変換器１は、約２０〜６０キロヘルツの間、さらに好ましくは、約４０キロヘルツの共振周波数を有する音響励起信号に応答し得る。高周波（数メガヘルツより大きいもの）とは異なり、低周波数の音波は、一般に、体内の水ベース組織により、僅かに減衰されるにすぎない。結果的に、低周波数の音波は、身体の殆どいずれの場所（深い位置の臓器（例えば、心臓、肝臓または脳））にも到達し得る。
【００３４】
図３Ａに戻ると、変換器素子１は、少なくとも１個のセル部材３を含み、これは、空洞４を含み、この空洞は、基板内にエッチングされ、そして実質的に可撓性の圧電層２で被覆されている。好ましくは、空洞４は、通常のプリント回路フォトリソグラフィー法を使用して、この基板にエッチングされる。あるいは、空洞４は、ＶＬＳＩ／微細機械加工技術または任意の他の適当な技術を使用して、この基板にエッチングされ得る。
【００３５】
空洞４は、好ましくは、気体（例えば、空気）を含み、空洞４内では、所定圧力を生じるが、これは、この変換器に所定の感度および耐久性を与えるように、また、圧電層２の共振周波数を少なくとも部分的に規定するように、選択され得る。上部電極８および下部電極６は、圧電層２に装着され、電極６、８は、例えば、図２に関連して上で記述したようなピエゾ＋およびピエゾ−の地点で、スイッチ４００に連結される。この基板は、好ましくは、絶縁層１２上に配置された導電層１１から作製され、その結果、空洞４は、導電層１１の厚さを実質的に通って、エッチングされる。
【００３６】
導電層１１は、好ましくは、銅から作製され、そして絶縁層１２は、好ましくは、ポリアミドのような高分子から作製される。変換器素子１の製造には、通常の銅メッキ高分子積層体（例えば、Ｋａｐｔｏｎ^ＴＭシート）が使用され得る。あるいは、市販の積層体（例えば、Ｎｏｖａｃｌａｄ^ＴＭ）が使用され得る。さらに別の代案では、この基板は、シリコン層もしくは任意の他の適当な材料を含み得、そして／または導電層１１は、非導電性材料（例えば、Ｐｙｒａｌｉｎ^ＴＭ）から作製され得る。
【００３７】
好ましい実施形態によれば、空洞４は、約２００μｍの半径で、円形または六角形の形状に特徴がある。導電層１１は、好ましくは、約１５μｍの厚さを有する。セル部材３は、好ましくは、導電層１１の厚さを通って、完全にエッチングされる。絶縁層１２は、好ましくは、約５０μｍの厚さに特徴がある。圧電層２は、ＰＶＤＦまたはその共重合体から作製され得る。あるいは、圧電層２は、実質的に可撓性の圧電セラミックから作製され得る。好ましい実施形態では、圧電層２は、約９〜２８μｍの厚さを有するポール付きＰＶＤＦシートである。
【００３８】
図３Ｄで最もよく見えるように、この基板には、好ましくは、導電層１１の厚さにわたって、絶縁チャンバ１８がエッチングされ、この変換器素子を、その基板の他の部分（これは、他の電機部品（例えば、この基板にエッチングした他の変換器素子）を含み得る）から絶縁する。特定の実施形態によれば、絶縁チャンバ１８の幅は、約１００μｍである。図示しているように、絶縁チャンバ１８は、空洞４を取り囲む所定厚さの壁１０を形成するように、この基板にエッチングされ、導線１７は、この変換器素子を他の電子部品（これは、好ましくは、同じ基板にエッチングされている）または外部電子回路に接続するために、壁１０と一体的に作製されている。上部電極８および下部電極６は、好ましくは、圧電層２の所定領域を覆うように、正確に成形される。電極６、８は、種々の方法（例えば、真空蒸着、マスクエッチング、塗装など）の使用により、それぞれ、圧電層２の上面および下面に堆積され得る。
【００３９】
図３Ｂで図示しているように、下部電極６は、好ましくは、導電層１１上に堆積された実質的に薄い導電層１４の一体化部分として、作製される。好ましくは、導電層１４は、ニッケル−銅合金から作製され、そしてインジウムから作製され得るシーリング結線１６によって、導電層１１に装着される。好ましい実施形態によれば、シーリング結線１６は、約１０μｍの厚さを有することに特徴があり得、その結果、空洞４の壁１０の全体的な高さは、約２０〜２５μｍである。
【００４０】
本発明の変換器素子の種々の素子の正確な寸法は、特定の用途の必要条件に従って特別に改造され得、本明細書で提示した代表的な寸法に限定されないことが分かる。例えば、圧電層２の厚さおよび半径、ならびに空洞４内の圧力は、所定の共振周波数を生じるように、特別に選択され得る。
【００４１】
実質的に可撓性の圧電層２を使用することにより、変換器の広さよりもずっと大きい音響波長を備えた共振周波数を有する小型変換器素子が提供される。これにより、この変換器は、共鳴時でさえ全方向性にでき、さらに、比較的に低い周波数の音響信号（これには、その周囲の媒体中で著しく減衰するという欠点がない）を使用できるようになる。それゆえ、この変換器素子は、閉じた位置または隠れた位置（この場所では、その変換器素子の配向は、前もって確認し得ない）での用途に適当であり得る。
【００４２】
図３Ａ、３Ｂおよび３Ｅに戻ると、導電層１４は、導電層１１（壁１０および導線１７を含めて）の様々な部分を覆う。導電層１４のうち導線１７を覆っている部分は、電子部品（例えば、隣接セル）に接続するのに使用され得る。
【００４３】
好ましい実施形態によれば、電極６、８は、その電極領域（従って、そのセルの電気容量）を最適にしつつ、その変換器の最大応答を与えるために、圧電層２の最もエネルギー生産力がある領域を含むように特別に成形され、それにより、選択したパラメータ（例えば、この変換器素子の電位感度、電流感度または電力感度）を最大にする。図４に目を向けると、この変換器の電力応答を最大にするのに好ましい電極形状が示されており、ここで、電極は、層２の最大電荷密度部分を実質的に覆う２個の電極部分８０ａおよび８０ｂを含み、これらの電極部分は、最小面積を有する接続部材８２によって、相互接続されている。好ましくは、電極部分８０ａおよび８０ｂは、この最大電荷密度の閾値（例えば、３０％）を少なくとも生じる圧電層２の部分を覆う。
【００４４】
本発明によれば、電極６および８の形状を決定するために、任意の他のパラメータが最適化され得る。本発明のさらに他の特徴によれば、この変換器の最大電気応答を与えるように、電極が１個だけ（上部電極８または下部電極６のいずれか）形成され得、他方の電極は、圧電層２の全領域を覆う。その電荷は、上部電極８と下部電極６との間に収容された圧電層２の部分でのみ収集されるので、この構造は、操作上、同じ形状を有する２個の成形した電極を含む構造と同等であり得る。
【００４５】
図５に目を向けると、音響変換器の別の好ましい実施形態が示されており、これは、チャンバ４の上に変換器素子１を含み、このチャンバ４は、実質的に低い圧力で、気体を含有し得、それにより、平衡状態において、圧電膜２に実質的に凹面形状を与える。この構造は、層２の所定変位に対して得られる全電荷を高めることにより、この変換器の電気的な応答を高め得る。例えば、この実施形態は、所定変位に対する圧電層２の電荷出力を高め得、それにより、その音響圧力を高める必要なしに、この変換器の電圧、電流および出力応答を高める。さらに、それより小さい音響偏向に対して同じ電気的応答が得られ得るので、この変換器の小型化をさらに促進し得る。この変換器はまた、実質的にさらに機械的に頑丈であり得、従って、図３Ａ〜３Ｇに関して上で記述した第一実施形態よりも耐久性であり得る。このようにさらに小型化することにより、また、図３Ａ〜３Ｇで示した実施形態に比して、さらに高い共振周波数が可能であり得る。
【００４６】
本発明の音響変換器素子はまた、例えば、遠隔送信器から到着する外部衝突音波の反射を変調させることにより、例えば、移植片から遠隔受信器へと情報を伝達するために、送信器としても使用され得る。この変換器素子は、一般に、その下にある空洞の内部と外部との間の圧力差の結果として得られる正および負の過渡的音圧に関して、この圧電層の非対称揺動があるために、送信器素子として機能する。
【００４７】
この送信器素子は、好ましくは、例えば、上記のように、移植片の電気回路において、切換素子によって、外部衝突音波の反射を変調する。その切換素子は、送信すべき情報（例えば、センサの出力）をコード化し得、それにより、反射した音波を周波数変調する。受信された音波が外部で発生し、送信のために必要とされるエネルギーは、変調のエネルギーのみであるので、これには、その送信モジュールそれ自体からのエネルギーの非常に僅かな支出しか必要とし得ない。具体的には、反射した音響信号は、メッセージ信号の周波数に従って、この圧電層の機械的インピーダンスを制御可能に変化させるために、センサのような別の電子部品から到着するメッセージ電気信号の周波数に従って、この切換素子を切り換えることにより、変調される。好ましくは、本発明は、この圧電層の機械的インピーダンスを制御するために、単一のセル部材か複数のセル部材に接続された電極の特定アレイを使用する。
【００４８】
図６Ａ〜６Ｆは、圧電層２を含む変換器素子の代表的な構造を示し、これは、送信器を設けるように制御可能に変更され得る。図６Ａを参照すると、この送信器素子は、第一対および第二対の電極を含み得、第一対は、上部電極４０ａおよび下部電極３８ａを含み、そして第二対は、上部電極４０ｂおよび下部電極３８ｂを含む。電極３８ａ、３８ｂ、４０ａおよび４０ｂは、それぞれ、導線３６ａ、３６ｂ、３４ａおよび３４ｂによって、電気回路（図示せず）に電気的に接続されており、この電気回路は、導線３６ａ、３６ｂ、３４ａおよび３４ｂの電気的接続を交互に変更するために、切換素子（これもまた、図示せず）を含む。
【００４９】
好ましくは、この切換素子は、これらの電極の平行接続と逆平行接続との間を切り替える。平行接続は、圧電層２の機械的インピーダンスを減少させ、そして逆平行接続は、圧電層２の機械的インピーダンスを増加させる。逆平行接続は、導線３４ａを導線３６ｂに相互接続し、そして導線３４ｂを導線３６ａに相互接続することにより、得られ得る。平行接続は、導線３４ａを導線３４ｂに接続し、そして導線３６ａを導線３６ｂに接続することにより、得られ得る。好ましくは、その切換周波数は、センサのような電気部品から到着するメッセージ信号の周波数に等しい。
【００５０】
他の実施形態（これは、図６Ｂで示す）によれば、上部電極４０ａは、導線２８によって、下部電極３８ｂに接続され、そして電極３８ａおよび４０ｂは、それぞれ、導線２７および２９によって、電気回路に接続され、この電気回路は、切換素子を含む。この実施形態は、この切換スイッチがオン／オフスイッチとして機能し、それにより、圧電層２の機械的インピーダンスを交互に増大させるように、これらの電極の逆平行接続を提供する。
【００５１】
これらの電気的接続の複雑性を少なくするために、圧電層２は、脱分極され得、次いで、その特定の領域で、再分極され得る。図６Ｃで示すように、電極４０ａと３８ａとの間に収容された圧電層２の部分の極性は、電極４０ｂと３８ｂとの間に収容された圧電層２の部分の極性とは反対である。逆平行接続は、それゆえ、導線２８によって電極３８ａおよび３８ｂを相互接続することにより、そして導線２７および２９をそれぞれ電極４０ａおよび４０ｂに接続して設けることにより達成され、電気回路への接続用の導線は、切換素子を含む。
【００５２】
図６Ｄに目を向けると、その送信素子が複数の変換セル部材を含む別の実施形態が図示されており、圧電層２の機械的インピーダンスは、これらのセル部材を適当に相互接続することにより、制御可能に変更される。第一変換セル部材３ａは、層２ａおよび空洞４ａを含み、そして第二変換セル部材３ｂは、層２ｂおよび空洞４ｂを含む（これらは、好ましくは、同じ基板内に含まれる）。電極６ａおよび８ａを含む第一対の電極は、圧電層２に装着され、そして電極６ｂおよび８ｂを含む第二対の電極は、圧電層２ｂに装着されている。電極６ａ、８ａ、６ｂおよび８ｂは、それぞれ、導線３７ａ、３５ａ、３７ｂおよび３５ｂによって電気回路（図示せず）に電気的に接続され、この電気回路は、図６Ａで実質的に示すように、平行接続および逆平行接続を交互に生じるように、導線３７ａ、３５ａ、３７ｂおよび３５ｂの電気的接続を交互に切り換えるために、切換素子を含み、それにより、圧電層２ａおよび２ｂの機械的インピーダンスを交互に減少および増加させる。
【００５３】
図６Ｅは、第一および第二変換セル部材が逆平行接続によって相互接続されている別の実施形態を図示している。図示しているように、圧電層２ａの極性は、セル部材３ａと３ｂとの間の電気接続の複雑性を少なくするために、層２ｂの極性とは反対である。それゆえ、電極６ａは、導線２１によって、電極６ｂに接続され、そして電極８ａおよび８ｂは、切換素子（図示せず）を含む電気回路に接続するために、それぞれ、導線２０および２２を備え付けており、ここで、この切換素子は、好ましくは、圧電層２ａおよび２ｂの機械的インピーダンスを交互に増加させるオン／オフスイッチとして機能する。
【００５４】
図６Ｆは、第一および第二変換セル部材が平行接続によって相互接続されている別の実施形態を図示している。図示しているように、電極６ａおよび６ｂは、導線２４によって相互接続され、電極８ａおよび８ｂは、導線２３によって相互接続され、そして電極６ｂおよび８ｂは、それぞれ、導線２６および２５を備え付けており、これらの導線は、切換素子を含む電気回路に接続するためのものである。この切換素子は、好ましくは、層２ａおよび２ｂの機械的インピーダンスを交互に減少および増加するために、オン／オフスイッチとして機能する。
【００５５】
図７は、同じ基板上にエッチングされて逆平行接続によって相互接続された２個の変換セル部材の可能な構造を図示している。図示しているように、これらの変換セル部材は、共通の圧電層２により覆われ、ここで、電極６ａと８ａとの間に収容された圧電層２の部分の極性は、電極６ｂと８ｂとの間に収容された圧電層２の部分の極性とは反対である。電極８ａおよび８ｂは、導線９によって結合され、そして電極６ａおよび６ｂは、電気回路（図示せず）に接続するための導線１６を備え付けている。
【００５６】
本発明の送信器素子のさらに別の実施形態は、図８で図示されている。この送信器素子は、空洞４を第一および第二の圧電層５０ａ、５０ｂ（これらは、好ましくは、反対の極性を有する）で覆った変換セル部材を含む。好ましくは、圧電層５０ａ、５０ｂは、絶縁層５２によって、相互接続される。圧電層５０ａには、上部および下部電極４４ａ、４２ａが装着され、そして圧電層５０ｂには、上部および下部電極４４ｂ、４２ｂが装着されている。電極４４ａ、４２ａ、４４ｂおよび４２ｂは、電気回路に接続するために、それぞれ、導線５４、５５、５６および５７を備え付けている。
【００５７】
上記記述は、例としてのみ働くと解釈され、本発明の精神および範囲内において、多くの他の実施形態が可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面を参照して、本明細書中にて、例によってのみ記述されている。
【図１Ａ】
図１Ａは、本発明による移植片の代表的な実施形態を図示しているブロック線図である。
【図１Ｂ】
図１Ｂは、本発明による移植片の代表的な実施形態を図示しているブロック線図である。
【図１Ｃ】
図１Ｃは、本発明による移植片の代表的な実施形態を図示しているブロック線図である。
【図２】
図２は、本発明による電気スイッチ回路の好ましい実施形態を図示している概略図である。
【図３Ａ】
図３Ａは、本発明による音響変換器素子の断面図である。
【図３Ｂ】
図３Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図３Ｃ】
図３Ｃは、線Ｃ−Ｃに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図３Ｄ】
図３Ｄは、線Ｄ−Ｄに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図３Ｅ】
図３Ｅは、線Ｅ−Ｅに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図３Ｆ】
図３Ｆは、線Ｆ−Ｆに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図３Ｇ】
図３Ｇは、線Ｇ−Ｇに沿って取り出した図３Ａの変換器素子の断面図である。
【図４】
図４は、本発明により変換器の出力応答を最大にするように成形した電極の好ましい実施形態の上面図である。
【図５】
図５は、本発明による変換器素子の他の好ましい実施形態の断面図である。
【図６Ａ】
図６Ａは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図６Ｂ】
図６Ｂは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図６Ｃ】
図６Ｃは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図６Ｄ】
図６Ｄは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図６Ｅ】
図６Ｅは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図６Ｆ】
図６Ｆは、本発明により送信器として使用され得る音響送信器の代表的な実施形態の概略図である。
【図７】
図７は、本発明による変換器素子の別の好ましい実施形態の断面図である。
【図８】
図８は、本発明による変換器素子のさらに別の好ましい実施形態の断面図である。

Claims

体内での外科的な挿入、移植または配置用の移植片であって、該移植片は、以下：
該移植片を起動したとき、１個以上の命令を実行するように構成されている、電気回路；
エネルギー保存装置；
該電気回路および該エネルギー保存装置に連結されている、スイッチ；ならびに
音響変換器であって、該音響変換器は、該スイッチに連結され、そして該スイッチを閉じて電流を該エネルギー保存装置から該電気回路へと流すために、外部音響エネルギー源による音響励起時に起動可能である、音響変換器、
を備える、移植片。
前記スイッチが、前記音響変換器が第一音響励起信号に続いて第二音響励起信号を受信するときのみに該スイッチが閉じるように構成され、該第一および第二音響励起信号が、所定の遅れだけ分離されている、請求項１に記載の移植片。
前記音響変換器が、第一音響励起信号および第二音響励起信号を受信するように構成され、前記スイッチが、該第一音響励起信号が該音響変換器によって受信されたとき、閉じられ、そして該スイッチが、前記エネルギー保存装置から前記電気回路への電流の流れを遮断するために、該第二音響励起信号が該音響変換器によって受信されたとき、開かれる、請求項１に記載の移植片。
さらに、前記電気回路に連結されたセンサを含み、ここで、前記１個以上の命令が、該センサを使用して体内の生理学的パラメータを測定することを含む、請求項１に記載の移植片。
前記電気回路が、送信器を含み、該送信器が、前記生理学的パラメータに比例した信号を体外に位置している受信器に送信する、請求項４に記載の移植片。
前記音響変換器が、前記電気回路に連結され、ここで、該音響変換器が、前記生理学的パラメータに比例した信号を、体外の受信器に送信するように構成されている、請求項４に記載の移植片。
さらに、治療装置を含み、該治療装置が、前記電気回路に連結され、該電気回路が、前記センサによって測定された前記生理学的パラメータに応答して、該治療装置を制御するように構成されている、請求項４に記載の移植片。
前記１個以上の命令が、前記電気回路に連結されたアクチュエータを起動することを含み、該アクチュエータが、該アクチュエータに連結された治療装置を制御するように構成されている、請求項１に記載の移植片。
前記音響変換器が、以下：
空洞を有するセル部材；
実質的に可撓性の圧電層であって、該圧電層は、該セル部材に装着され、外面および内面を有し、そして外部音波の衝突時にその共振周波数で揺動できる所定寸法を有する；および
第一電極および第二電極であって、該第一電極は、該外面に装着され、そして該第二電極は、該内面に装着されている、
を備える、請求項１に記載の移植片。
前記エネルギー保存装置が、電池を含む、請求項１に記載の移植片。
前記エネルギー保存装置が、充電式装置を含み、該充電式装置が、体外の装置により充電可能である、請求項１に記載の移植片。
前記音響変換器が、第一音響励起信号に続いて第二音響励起信号を受信するように構成され、前記電気回路が、所定セットの命令の１個として該第二音響励起信号を翻訳するように構成されている、請求項１に記載の移植片。
前記スイッチに連結されたタイマーをさらに含み、該タイマーは、該スイッチが最初に閉じてから所定時間が経過した後に該スイッチを開くように構成されている、請求項１に記載の移植片。
移植片に情報を送信する方法であって、該移植片は、電気回路およびエネルギー保存装置に連結された音響スイッチを含み、そして体内に位置しており、該方法は、以下の工程：
音響起動信号を、体外に位置する供給源から該移植片の方へと送信する工程；ならびに
該音響起動信号に応答して、該音響スイッチを閉じ、その後、該エネルギー保存装置から該電気回路へと電流が流れる工程、
を包含する、方法。
前記電気回路が、前記スイッチが閉じたとき、１個以上の命令を実行する、請求項１４に記載の方法。
前記１個以上の命令が、体内の生理学的パラメータを測定することを含む、請求項１５に記載の方法。
さらに、前記生理学的パラメータに比例した信号を前記移植片から体外に位置している受信器に送信することを含む、請求項１６に記載の方法。
前記１個以上の命令が、前記生理学的パラメータに応答して、体内の治療装置を制御することを含む、請求項１６に記載の方法。
前記音響スイッチが、前記エネルギー保存装置が消耗するまで閉じたままである、請求項１４に記載の方法。
前記音響スイッチが、所定時間後、自動的に開き、前記エネルギー保存装置から前記電気回路への電流の流れを遮断する、請求項１４に記載の方法。
さらに、音響停止信号を、体外に位置する供給源から該移植片の方へと送信する工程を包含し、前記音響スイッチが、該音響停止信号に応答して開き、前記エネルギー保存装置から前記電気回路への電流の流れを遮断する、請求項１４に記載の方法。
前記音響起動信号が、第一音響励起信号および第二音響励起信号を含み、該第二音響励起信号が、所定の遅れだけ分離されている、請求項１４に記載の方法。
さらに、前記音響励起信号に続いて、体外の供給源から前記移植片へと音響命令信号を送信する工程を包含し、前記音響スイッチが、該音響命令信号に応答して、前記電気回路に電気命令信号を送る、請求項１４に記載の方法。
前記電気回路が、前記電気命令信号を翻訳して、１個以上の事前定義命令を実行する、請求項２３に記載の方法。
前記電気回路が、前記電気命令信号に応答して、複数の既知命令のうちの１個を実行する、請求項２３に記載の方法。
さらに、前記音響起動信号を送信する前に、前記エネルギー保存装置を、体外に位置しているエネルギー源で充電する工程を包含する、請求項１４に記載の方法。