JP2023123774A - 生理的状態を検知するための超音波後方散乱を用いたインプラント - Google Patents

生理的状態を検知するための超音波後方散乱を用いたインプラント Download PDF

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Abstract

【課題】対象の生理的状態を検知し超音波後方散乱を用いて報告する埋め込み型デバイスを提供する。【解決手段】本発明は、被検物質の量、ｐＨ、温度、ひずみ、または圧力を検出するよう構成されたセンサと、最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサであって、上記センサによって検出された、上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、または上記圧力に基づいて変調された電流を受信し、上記受信された電流に基づいて超音波後方散乱を発するよう構成された、超音波トランスデューサと、を有する、埋め込み型デバイスである。上記埋め込み型デバイスは、動物または植物のような対象に埋め込むことができる。【選択図】図３４Ａ

Description

発明の詳細な説明
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、米国仮出願番号６２／３５９，６７２（２０１６年７月７日出願、名称「NEURAL DUST AND ULTRASONIC BACKSCATER IMPLANTS AND SYSTEMS, AND APPLICATIONS FOR SUCH SYSTEMS」）に基づく優先権を主張するものであり、該米国仮出願は、すべての目的のため、参照により本明細書に援用される。
〔連邦政府資金援助の研究に関する声明〕
本発明は、認可番号ＨＲ００１１－１５－２－０００６の下、国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）により与えられた政府支援により成されたものである。政府は本発明に対し一定の権利を有する。
〔技術分野〕
本発明は、対象の生理的状態を検知し超音波後方散乱を用いて報告する埋め込み型デバイスに関する。
〔背景〕
従来から知られている「ニューラルダスト」システムは、小型の埋め込み型デバイス（「ニューラルダスト」または「モート」と称する）と、超音波送信およびモートから反射される後方散乱送信を用いて該モートのそれぞれと通信する埋め込み型超音波トランシーバと、該埋め込み型超音波トランシーバと無線通信する外部のトランシーバとを有する。「Seo et al., Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces, arXiv: 1307.2196v1（２０１３年７月８日）」、「Seo et al., Model validation of untethered, ultrasonic neural ダストモートs for cortical recording, Journal of Neuroscience Methods, vol. 224, pp. 114-122」（２０１４年８月７日、オンラインで入手可能）、および「Bertrand et al., Beamforming approaches for untethered, ultrasonic ニューラルダスト モート for cortical recording: a simulation study, IEEE EMBC（２０１４年８月）」を参照のこと。これらの論文に記載されたニューラルダストシステムは、皮質記録（すなわち、脳の電気信号の記録）に用いられる。これらの論文に示された当該用途では、モートが脳組織（皮質）に埋め込まれ、超音波トランシーバ（すなわち「呼びかけ機」）が硬膜の下方、皮質上に埋め込まれ、外部のトランシーバが、患者の頭部の、硬膜下超音波トランシーバが埋め込まれた場所に近接する位置に設置される。このニューラルダストシステムを図１に示す。
対象内の特定の生理的状態を注意深く監視することで、健康および疾患の予後をよりよく理解することができる。例えば、血糖の監視を用いて、糖尿病患者の健康を監視するし、血液酸化レベルはコンパートメント症候群、癌、または臓器移植を監視するのに有用である。しかし、特定の生理的状態を絶えず深層組織監視することは、既知の技術を用いては非実際的である。必要なのは、生理的状態を検知する埋め込み型デバイスである。
〔発明の概要〕
本明細書に記載されるのは、対象の生理的状態（例えば、ｐＨ、被検物質のレベル、圧力、ひずみ、温度）を検知し、検知した生理的状態を超音波後方散乱を用いて報告する埋め込み型デバイスである。さらに記載されるのは、１つ以上の埋め込み型デバイスと呼びかけ機とを有するシステムである。さらに記載されるのは、生理的状態を検知し該生理的状態を超音波後方散乱を用いて報告する方法である。
一態様では、被検物質の量、ｐＨ、温度、ひずみ、または圧力を検出するよう構成されたセンサと、最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサであって、上記センサによって検出された、上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、上記ひずみ、または上記圧力に基づいて変調された電流を受信し、上記受信された電流に基づいて超音波後方散乱を発するよう構成された、超音波トランスデューサと、を有する、埋め込み型デバイスが提供される。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記超音波トランスデューサは、上記埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信するよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記超音波トランスデューサは、１つ以上の超音波トランスデューサを含む呼びかけ機からの超音波を受信するよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記超音波トランスデューサは、バルク圧電トランスデューサ、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、または容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）である。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは最大寸法の長さが約５ｍｍ以下である。いくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスの体積が約５ｍｍ３以下である。
いくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは対象に埋め込まれる。いくつかの実施形態では、上記対象はヒトである。いくつかの実施形態では、上記対象は動物または植物である。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記センサは上記被検物質の量またはｐＨを検出する。いくつかの実施形態では、上記センサはｐＨまたは酸素を検出する。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記センサは光センサである。いくつかの実施形態では、上記光センサは光源および光検出器を有する。いくつかの実施形態では、上記光センサは血圧または脈拍を検出する。いくつかの実施形態では、上記光センサは、蛍光色素を含むマトリクスを有し、上記蛍光色素の蛍光強度または蛍光寿命は上記被検物質の量に依存する。いくつかの実施形態では、上記光センサは近赤外線分光法を行うよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記センサはグルコースを検出する。
いくつかの実施形態では、上記センサは電位差測定化学センサまたは電流測定化学センサである。いくつかの実施形態では、上記センサは酸素、ｐＨ、またはグルコースを検出する。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記センサは温度センサである。いくつかの実施形態では、上記温度センサは、サーミスタ、熱電対、または絶対温度比例（ＰＴＡＴ）回路である。上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスはバルク圧電超音波トランスデューサとサーミスタとを有する。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記センサは圧力センサである。いくつかの実施形態では、上記圧力センサはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）センサである。いくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは血圧または脈拍を測定するよう構成されている。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記センサはひずみセンサである。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは集積回路をさらに有する。いくつかの実施形態では、上記集積回路は、電源回路と、上記センサに電流を供給するよう構成されたドライバと、上記センサから信号を受信するよう構成されたフロントエンドと、デジタル回路のうち１つ以上を有する。いくつかの実施形態では、上記集積回路は上記デジタル回路を有し、上記デジタル回路は変調回路を作動させるよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記デジタル回路は上記変調回路にデジタル化信号を送信するよう構成されており、該デジタル化信号は上記検出された被検物質の量、上記検出された温度、検出されたひずみ、または上記検出された圧力に基づく。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは生体適合性物質によって少なくとも部分的に被包されている。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは非応答型リフレクタをさらに有する。
上記埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態では、上記埋め込み型デバイスは２つ以上のセンサを有する。
本明細書でさらに提供されるのは、１つ以上の埋め込み型デバイスと、該１つ以上の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、該１つ以上の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている１つ以上の超音波トランスデューサを有する呼びかけ機と、を有する、システムである。いくつかの実施形態では、上記呼びかけ機は１つ以上の超音波トランスデューサアレイを有し、各トランスデューサアレイは２つ以上の超音波トランスデューサを有する。いくつかの実施形態では、上記システムは複数の埋め込み型デバイスを有する。いくつかの実施形態では、上記呼びかけ機は、送信される超音波をビームステアリングして、該送信される超音波を、上記複数の埋め込み型デバイスの第１部分または上記複数の埋め込み型デバイスの第２部分に交互に集中させるよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記呼びかけ機は、少なくとも２つの埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を同時に受信するよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記呼びかけ機は、時間分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を用いて、上記複数の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、上記複数の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記呼びかけ機は、対象によって着用可能であるよう構成されている。
一態様では、被検物質の量、ｐＨ、温度、ひずみ、または圧力を検出する方法であって、最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサを有する１つ以上の埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信する工程と、上記超音波から電流へエネルギーを変換する工程と、上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、ひずみ、または上記圧力を測定するよう構成されたセンサに、上記電流を送信する工程と、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、上記測定されたひずみ、または上記測定された圧力に基づいて、上記電流を変調する工程と、上記変調された電流を、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、上記測定されたひずみ、または上記測定された圧力をエンコードする超音波後方散乱に変換する工程と、上記超音波後方散乱を、該超音波後方散乱を受信するよう構成された１つ以上のトランスデューサを有する呼びかけ機に発する工程と、を含む、方法が提供される。
一態様では、被検物質の量、ｐＨ、温度、ひずみ、または圧力を検出する方法であって、最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサを有する１つ以上の埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信する工程と、上記超音波から電流へエネルギーを変換する工程と、上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、上記ひずみ、または上記圧力を、センサを用いて測定する工程と、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、上記測定されたひずみ、または上記測定された圧力に基づいて、上記電流を変調する工程と、上記変調された電流を、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、上記測定されたひずみ、または上記測定された圧力をエンコードする超音波後方散乱に変換する工程と、上記超音波後方散乱を、該超音波後方散乱を受信するよう構成された１つ以上のトランスデューサを有する呼びかけ機に発する工程と、を含む、方法が提供される。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は上記呼びかけ機を用いて上記超音波後方散乱を受信する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、上記方法は上記超音波を送信するよう構成された上記呼びかけ機を用いて、上記超音波を送信する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、上記超音波は２つ以上のパルスで送信される。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は、上記超音波後方散乱を分析して、上記被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、上記測定されたひずみ、または上記測定された圧力を決定する工程をさらに含む。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記１つ以上の埋め込み型デバイスは、血管、移植臓器、腫瘍、または感染部位に接して、またはその内部に、またはそれに近接して埋め込まれる。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は光を発する工程と蛍光強度または蛍光寿命を検出する工程とをさらに含み、上記蛍光強度または蛍光寿命は上記被検物質の量または上記ｐＨに依存する。いくつかの実施形態では、上記方法は発振発光と検出された蛍光とのあいだの位相シフトを決定する工程を含み、上記位相シフトは上記被検物質の量または上記ｐＨに依存する。いくつかの実施形態では、上記方法はパルス化発光または発振発光に由来する、上記検出された蛍光の蛍光寿命を決定する工程を含む。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は上記呼びかけ機に対する上記１つ以上の埋め込み型デバイスの位置を決定する工程をさらに含む。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は上記１つ以上の埋め込み型デバイスの動作を検出する工程をさらに含む。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記方法は上記埋め込み型デバイスを対象に埋め込む工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、上記対象は動物または植物である。いくつかの実施形態では、上記対象はヒトである。
上記方法のいくつかの実施形態では、上記超音波後方散乱はデジタル化信号をエンコードする。
〔図面の簡単な説明〕
図１は、Seo et al., Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces, arXiv: 1307.2196v1 (July 8, 2013)に開示される、外部のトランシーバ、硬膜下の呼びかけ機、およびニューラルダストモートを含む、ニューラルダストシステムの概略図である。
図２Ａは、本明細書中で開示されるシステムにおける、例示的な呼びかけ機のブロック図である。図解される呼びかけ機は、複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイを含む。前記超音波トランスデューサアレイ中の各超音波トランスデューサは、チャネルにより作動する。前記チャネルは、前記トランスデューサが、超音波を受信または送信するよう、交互に構成するスイッチを含む。図２Ｂは、本明細書中に開示されるシステムにおける、別の例示的な呼びかけ機の概略図である。図解される呼びかけ機は、２つの超音波トランスデューサアレイを含み、それぞれの超音波トランスデューサアレイが、複数の超音波トランスデューサを含む。また、前記呼びかけ機は、集積回路を含む。前記集積回路はデジタル回路を含んでもよく、前記デジタル回路はプロセッサを含んでもよい。前記集積回路は、ユーザインターフェース（ディスプレイ、キーボード、ボタン等を含み得る）、記憶媒体（すなわち、非一時的記憶装置）、入出力装置（無線（例えば、Bluetooth（登録商標））であってよい）、および電源装置（例えば、バッテリ）に接続される。
図３Ａは、対象により着用可能である、例示的な呼びかけ機のブロック図を表す。前記呼びかけ機は、無線通信システム（図中では、Bluetooth（登録商標）無線）を含む。前記無線通信システムは、コンピュータシステムとの通信のために用いられてよい。図３Ｂは、着用可能な呼びかけ機の分解図を表す。前記呼びかけ機は、バッテリ、無線通信システム、およびトランスデューサアレイを含む。図３Ｃは、対象へ取り付けるためのハーネスを付けて完全に組み立てた、図３Ｂで示した着用可能な呼びかけ機を表す。図３Ｄは、対象、すなわちげっ歯類（ただし、ヒト、イヌ、ネコ、ウマ、ウシ、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ニワトリ、サル、ラット、マウス等、任意の種類の動物であってよい）に取り付けられた、着用可能な呼びかけ機を示す。前記呼びかけ機は、トランスデューサアレイを含む。前記トランスデューサアレイは、接着材で対象の体に固定される。図３Ｅは、図３Ａ～図３Ｄで示した呼びかけ機のトランスデューサアレイの断面図を示す。
図４は、呼びかけ機中のトランスデューサと、小型化超音波トランスデューサを有する埋め込み型デバイスとの間の通信を表す概略図である。前記呼びかけ機は、埋め込み型デバイスへ超音波を送信し、小型化超音波トランスデューサは、センサによって変調された超音波後方散乱を発する。そして、呼びかけ機が後方散乱を受信する。
図５Ａは、呼びかけ機から発せられる超音波パルスの一連のサイクルを表す。呼びかけ機のトランシーバ基板が、前記呼びかけ機（例えば、ＦＰＧＡ）からのトリガーを受信すると、一連の送信パルスを発生させる。送信サイクルの最後に、ＡＳＩＣ上のスイッチは、送信モジュールとの接続を絶ち、受信モジュールと接続する。各サイクルは、１００マイクロ秒である。図５Ｂは、図５Ａで示した送信パルスシーケンス（つまり、１サイクル）の拡大図を表す。前記サイクルにおいて、１．８５ＭＨｚの超音波パルスが６つ存在し、前記超音波パルスは、５４０ナノ秒毎に繰り返し発生する。図５Ｃは、埋め込み型デバイスから発せられる超音波後方散乱を示す。超音波後方散乱は、約２ｔレイリーで呼びかけ機のトランスデューサに届く。図５Ｄは、超音波後方散乱の拡大図を示し、該超音波後方散乱は分析可能である。超音波後方散乱の分析は、超音波後方散乱波のフィルタリング工程、整流化工程、および積分工程を含む。図５Ｅは、フィルタリングされた超音波後方散乱波の拡大図を示す。前記後方散乱波は、小型化超音波トランスデューサへのインピーダンスの変化に応答する応答領域と、小型化超音波トランスデューサへのインピーダンスの変化に応答しない非応答領域とを含む。
図６Ａは、小型化超音波トランスデューサおよびセンサを有する、埋め込み型デバイスの概略図を示す。図６Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路およびセンサを有する、埋め込み型デバイスの概略図を示す。
図７Ａは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に小型化超音波トランスデューサおよびＡＳＩＣを含む、例示的な埋め込み型デバイスの概略図を示す。図７Ｂは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に小型化超音波トランスデューサおよびＡＳＩＣを含む、別の例示的な埋め込み型デバイスの概略図を示す。
図８Ａは、埋め込み型デバイスにおいて、小型化超音波トランスデューサに取り付けられたＡＳＩＣの一実施形態を示す。図８Ｂは、埋め込み型デバイスにおいて、小型化超音波トランスデューサに取り付けられた集積回路の別の一実施形態を示す。
図９Ａは、光エミッタからの光の組織内での輝度変調に基づいた、埋め込み型デバイスセンサから外部のトランシーバへの後方散乱通信を示す。埋め込み型デバイス上のセンサは、光フィルタによって増強されるセンサであってよい。図９Ｂは、光センサを用いたＮＩＲ多重波長分光光度分析を実行するために、異なる波長の光を発する素子アレイ（右側）を用いた単色光の交互パルシングを示す。図９Ｃは、光源および光検出器を含む光センサを有する、埋め込み型デバイスを示す。前記センサは、統合光エミッタを含む。
図１０Ａは、光源から発せられた光パルスと、光センサ中のマトリクスにおいて光が蛍光色素を励起させたあと光検出器によって検出された、上記光パルスの結果である蛍光減衰とを示す。図１０Ｂは、光源から発せられた発振光と、光センサ中のマトリクスにおいて光が蛍光色素を励起させたあと光検出器によって検出された、上記発振光の結果である蛍光寿命の結果との間の位相シフトを示す。図１０Ｃは、図１０Ｂに示した位相シフトを検出するための、例示的な光センサの概略図を示す。
図１１Ａは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および光センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１１Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および光センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の別の概略図を示す。
図１２Ａは、小型化超音波トランスデューサおよび温度センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１２Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および温度センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。
図１３Ａは、小型化超音波トランスデューサおよび圧力センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１３Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および圧力センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。
図１４は、本明細書中に記載の埋め込み型デバイスの製造方法を図解する。
図１５は、非晶質炭化珪素を含む埋め込み型デバイスの被包方法のフローチャートである。
図１６Ａは、埋め込み型デバイスの構成要素を接続するために使用する異なる形状のビアを示す。図１６Ｂは、変形可能な相互接続用の、蛇行したトレース配置を示す。
図１７は、銀エポキシを硬化させるための時間と温度の関係を示す。銀エポキシは、埋め込み型デバイスの製造においてワイヤボンドを取り付けるための材料の一例である。
図１８は、埋め込み型デバイスを炭化珪素中に被包するための概略図を示す。
図１９は、プロトタイプのアセンブリの概略とＰＣＢを示す。
図２０Ａ～Ｅは、所望の大きさの小型化超音波トランスデューサ（ＰＺＴ）をＰＣＢ上に組み立てることを確実にするための処理工程を示す。図２０Ａにおいて、エポキシはんだペーストを基板上に配置する。図２０Ｂにおいて、圧電材料をＰＣＢに取り付ける。図２０Ｃにおいて、圧電材料をダイシングし、所望のサイズのバルク圧電超音波トランスデューサを形成する。図２０Ｄにおいて、超音波トランスデューサをＰＣＢにワイヤボンディングする。図２０Ｅにおいて、ＰＣＢおよび超音波トランスデューサをＰＤＭＳ中に被包する。
図２１は、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を用いた電気インピーダンス測定の概略図を示す。
図２２Ａは、異なる大きさのバルク圧電超音波トランスデューサにおいて測定された電力伝達効率が、シミュレートされた挙動と一致することを示す。図２２Ｂは、測定されたＰＺＴ結晶のインピーダンス分光が、シミュレーションと一致することを示す。図２２Ｃは、小型化超音波トランスデューサの得られた電力に対する周波数応答が、約６．１ＭＨｚであることを示す。
図２３は、呼びかけ機の一部として使用することができる、例示的な超音波トランスデューサの概略図である。
図２４は、電力送達の確認のための、校正済み超音波トランスデューサを用いた音響特徴付け設備の概略図である。超音波受信機は超音波送信機とは別個のものである。
図２５Ａは、ハイドロフォンをトランスデューサの表面から遠ざけたときの５ＭＨｚトランスデューサの出力を表す。図２５Ｂは、軽減出力のピークが水におけるピークに比べて、左にシフトしていることを示す。
図２６Ａは、トランスデューサの出力のＸＺ断面図を示しており、レイリー距離と、近距離から遠距離への伝播の鮮明な変遷とを図示する。図２６Ｂは、２．２ｍｍのビームの６ｄＢの帯域を示すＸＹビーム断面図を示す。
図２７Ａは、ＸＹ平面における、トランスデューサアレイからの集束された２次元ビームパターンを示す。測定されるビームは、Ｘ方向およびＹ方向の両方において、シミュレートされたビームに近接している。図２７Ｂは、超音波トランスデューサアレイ中の各トランスデューサ素子に適用された遅延時間を示す。図２７Ｃは、シミュレートされた２次元ＸＺ断面のビームパターンを示す。
図２８Ａは、トランスデューサアレイから送信される超音波ビームのビームステアリングを示す。各ビームパターンの下は、図２８Ｂに示すように、トランスデューサアレイ中の各トランスデューサが測定されたビームパターンを得るのに要する遅延である。図２８Ｃは、図２８Ａで示したそれぞれのビームパターンの、Ｘ軸における１次元ビームパターンを示す。測定されたビームパターンは、シミュレートされたビームパターンに非常に近似している。
図２９は、組織中、５ｍｍの送信距離における、シミュレートされた小型化超音波トランスデューサの連結効率および受信電力を示す。
図３０Ａは、例示的なトランスデューサの表面からの距離の関数としての、低減された正規化ピーク圧力が、１．８５ＭＨｚの際、約８．９ｍｍで低減された焦点を有することを示す。図３０Ｂは、近距離、レイリー距離、および遠距離における、ＸＹ断面のビームパターンおよびそれに対応するｙ＝０のときの１次元電圧プロットを示す。これらのパターンは、レイリー距離においてビームが集束していることを示す。図３０Ｃは、トランスデューサの出力圧力は、入力電圧の一次関数であることを示す（最高３２Ｖのピーク間電圧）。
図３１Ａ（別の文脈において示した図５Ｅと同一）は、後方散乱の別々の領域を示す例示的な後方散乱波形である。後方散乱波形は、非応答領域から発生する反射に対応する領域によって（時間的に）両側を挟まれていることがわかる。これらの領域は、他の埋め込み型デバイスの構成要素から反射した波形に対応している。非応答領域（生物学的データをエンコードしていない）からの測定値を基準としてよい。このように示差測定を行うことで、実験における外部のトランスデューサに対する構造全体の移動を、差し引くことができる。図３１Ｂは、カスタムした水タンク設備から得られる校正曲線であり、ノイズフロアは０．１８ｍＶｒｍｓであることを示す。図３１Ｃは、ビームパターン出力の減退に続く、横への照準ミスの関数としてのノイズフロアの影響を示す。図３１Ｄは、レイリー距離における、ｙ＝０のときのトランスデューサの軸外し電圧および出力低下の１次元のプロットを示す。図３１Ｅは、角度の照準ミスの関数としての、有効ノイズフロアの低下のプロットを示す。角度の照準ミスによって、ビームパターンが歪む。つまり、ビームパターンが円ではなく、反対に長円形となる。これにより、焦点の半径が長くなる（そして、より広い範囲へとエネルギーが分散する）。つまり、焦点の歪みが、照準ミスにおける制約を緩和する。
図３２Ａは、組織を模倣するために使用される超音波カップリングゲルに埋め込まれた埋め込み型デバイスを用いた、埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を示す。前記超音波散乱は、２６マイクロ秒に集中する送信貫通および終了、および４７マイクロ秒付近に集中する小型化超音波トランスデューサ後方散乱を含む。図３２Ｂは、小型化超音波トランスデューサの後方散乱領域（応答領域）の拡大図である。これは、埋め込み型デバイスへの信号入力の結果、振幅が変調されることを示す。
図３３は、単極でエンコードすることで、後方散乱の振幅パルスの変調により、埋め込み型デバイスから無線で得られる、ＡＳＣＩＩ文字「hello world」に対応するデジタルデータを示す。
図３４Ａは、小型化超音波バルク圧電トランスデューサおよびサーミスタを有する埋め込み型デバイスの例図を示す。非応答型リフレクタを埋め込み型デバイスに取り付け、非応答後方散乱波を反射させる。図３４Ｂは、それぞれが、小型化超音波バルク圧電トランスデューサおよびサーミスタを有する、２つの埋め込み型デバイスを示す。上部のデバイスの体積は、約０．１１８ｍｍ３である。底部のデバイスの体積は、約１．４５ｍｍ３である。
図３５は、温度センサを有する個々の埋め込み型デバイスの後方散乱を特徴付けるために行う実験設計の断面図を示す。０．５ｍｉｌの厚さのＰＥＴシートを、水タンクの上部へ糊付けした。これにより、埋め込み型デバイスを熱的に絶縁しつつ、タンク中に水を保持する。
図３６は、小型化超音波バルク圧電トランスデューサ、サーミスタ、および高温ならびに低温での非応答型リフレクタを有する埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を示す。埋め込み型デバイスを３．３５ＭＨｚで呼びかけた。領域［１］は、非応答型リフレクタの寄与に対応しており、一方、領域［２］は、埋め込み型デバイスにおける熱的に変調したトランスデューサの寄与に対応している。温度依存変化が、領域［２］における、信号の振幅（つまりは、整流化信号の曲線より下の面積）における増加から見て取れる。領域［１］は、そのような変化を示さない。
図３７は、３４．５℃～４４．５℃の温度の関数としての、サーミスタを有する単一の埋め込み型デバイスの超音波後方散乱の曲線下の平均正規化面積を示す。温度は０．５℃ずつ上昇し、１０の収集した後方散乱波形面積を４４．５℃において正規化した。エラーバーは、各温度で測定した１０の測定値の標準偏差を表す。
〔発明の詳細な説明〕
本明細書中に記載の埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（小型化圧電トランスデューサ等）および生理センサを含む。前記小型化超音波トランスデューサは、呼びかけ機からの超音波エネルギーを受信し、埋め込み型デバイスに電力を供給する。前記呼びかけ機は、外部の呼びかけ機であっても、埋め込まれた呼びかけ機であってもよい。前記呼びかけ機は、送信器および受信器を含み、前記送信器および受信器は、同一の構成要素上にあってもよく、異なる構成要素上にあってもよい。ここで、送信器および受信器は、複合トランシーバとして統合されていてもよい。生理センサは、生理的状態（圧力、温度、ひずみ、圧力、または１種類以上の被検物質の量等）を検出し、アナログ電気信号またはデジタル電気信号を発生させる。呼びかけ機から送信される超音波の力学的エネルギーが、埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサを振動させ、小型化超音波トランスデューサが電流を発生させる。小型化超音波トランスデューサにおける電流の流れは、埋め込み型デバイス中の電気回路によって、検出された生理的状態に基づいて変調される。小型化超音波トランスデューサは、検知された生理的状態を表す情報を通信する超音波後方散乱を発する。発せられた超音波後方散乱は、呼びかけ機の受信器構成要素によって検知される。
埋め込み型デバイスの重要な利点は、無線で電力を供給されながら、深層組織における１つ以上の生理的状態を検出できる点、およびそれらの生理的状態を呼びかけ機へ無線で送信できる点である。前記呼びかけ機は、外部の呼びかけ機であってもよく、外部の構成要素へ情報を中継する呼びかけ機であってもよい。以上のことから、埋め込み型デバイスは、バッテリを充電する必要もなく、またはデバイスに保存された情報を回収する必要もなく、長期間、対象の中に留めておくことができる。上述の利点によって、今度は、デバイスの小型化、および製造コスト削減が可能となる。別の利点として、超音波を使用することで、データ通信の相対的時間と距離を関連付けることができ、これは、埋め込み型デバイスのリアルタイムの位置または移動の決定に役立つ。
電磁（ＥＭ）力伝達は、小さな埋め込み型デバイスに電力を供給するには実用的でない。なぜなら、組織およびそれらのエネルギーを得るのに必要とされる比較的大きな開口部（例えば、アンテナまたはコイル等）において力が減衰するからである。例えば、Seo et al., Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces, arXiv paper (July 2013)を参照のこと。埋め込まれたデバイスへの十分な電力供給のためにＥＭを使用するには、インプラントを浅い位置に埋め込む必要があり、ＥＭ波が組織中を通って埋め込み型デバイスに到達するために、組織を余分に加熱する必要がある。ＥＭとは反対に、超音波伝達は、組織内での電力の減衰が低い。これは、組織による超音波エネルギーの吸収量が比較的低く、（電磁波に比べて）超音波の波長が短いためである。
超音波トランスデューサは、画像化、高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）、物質の非破壊検査、スチールウォールを通しての通信および電力供給、水中通信、経皮的電力供給、およびエネルギー収集を含む、種々の分野における用途が発見されている。例えば、Ishida et al., Insole Pedometer with Piezoelectric Energy Harvester and 2 V Organic Circuits, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 1, pp. 255-264 (2013)、Wong et al., Advantages of Capacitive Micromachined Ultrasonics Transducers (CMUTs) for High Intensity Focused Ultrasound (HIFU), IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 1313-1316 (2007)、Ozeri et al., Ultrasonic Transcutaneous Energy Transfer for Powering Implanted Devices, Ultrasonics, vol. 50, no. 6, pp. 556-566 (2010)、およびRichards et al., Efficiency of Energy Conversion for Devices Containing a Piezoelectric Component, J. Micromech. Microeng., vol. 14, pp. 717-721 (2004)を参照のこと。電磁とは異なり、エネルギー伝達方法として超音波を使用することは、広く普及した民生的用途に含まれることはなく、しばしば見逃されていた。なぜなら、短距離で大きな開口部がある場合、電磁の効率の方が優れているからである。しかし、本明細書中で論じられる埋め込み型デバイスの大きさであって組織内にある場合、低音速であることで劇的に低い周波数による作動が可能であり、かつ、一般的に、組織中の音波のロスは、組織中の電磁の減衰よりも実質的に少ない。
超音波は比較的に低音速であることから、ＥＭと比較して波長が実質的に短い。よって、同じ送信距離の場合、超音波システムは、遠距離においてより作動しやすく、そのために、ＥＭ送信器よりも広い空間を範囲とすることができる。さらに、組織中の音波のロスは、基本的に組織中の電磁の減衰よりも小さい。これは、音波の伝達が、組織の表面に変位電流を発生させる時間依存的な電場および／または磁場よりも、組織の圧縮や希薄化に依存しているためである。
超音波は、小型化超音波トランスデューサ（バルク圧電性物質、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ等）とセンサとを含む小型化埋め込み型デバイスに電力を供給し該小型化埋め込み型デバイスと通信するために使用できることがわかっている。
本明細書中に記載される埋め込み型デバイスは、対象（例えば、動物または植物）の中に埋め込まれてもよく、また、対象の中で使用されてもよい。いくつかの実施形態では、対象は、哺乳類である。例えば、対象は、げっ歯類（マウス、ラット、またはモルモット等）、ネコ、イヌ、ニワトリ、ブタ、ウシ、ウマ、ヒツジ、ウサギ等が挙げられる。いくつかの実施形態では、対象はヒトである。また、埋め込み型デバイスは、生理的状態を測定するために、農業作物等の植物に埋め込まれてもよい。
＜定義＞
本明細書中に使用される場合、単数形（a、an、およびthe）は、文脈中で特に明記されていない場合、複数形を含む。
本明細書中の値やパラメータにおける「約」とは、当該値およびパラメータ自体を対象としたばらつきを含む（かつ、意味する）。例えば、「約Ｘ」との記載は、「Ｘ」の記載を含む。
「小型化」なる用語は、最大寸法の長さが約５ミリメートル以下（例えば、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または約０．５ｍｍ以下）である任意の材料または構成要素を表す。特定の実施形態において、「小型化」材料または「小型化」構成要素の最大寸法の長さは、約０．１ｍｍ～約５ｍｍ（例えば、約０．２ｍｍ～約５ｍｍ、約０．５ｍｍ～約５ｍｍ、約１ｍｍ～約５ｍｍ、約２ｍｍ～約５ｍｍ、約３ｍｍ～約５ｍｍ、または約４ｍｍ～約５ｍｍ）である。また、「小型化」は、体積が約５ｍｍ３以下（例えば、約４ｍｍ３以下、３ｍｍ３以下、２ｍｍ３以下、または１ｍｍ３以下）の任意の物質または構成要素を表すことができる。特定の実施形態において、「小型化」物質または「小型化」構成要素の体積は、約０．５ｍｍ３～約５ｍｍ３、約１ｍｍ３～約５ｍｍ３、約２ｍｍ３～約５ｍｍ３、約３ｍｍ３～約５ｍｍ３、または約４ｍｍ３～約５ｍｍ３である。
「圧電トランスデューサ」は、圧電材料を含む超音波トランシーバの１種である。圧電材料は、水晶、セラミック、ポリマー、またはその他の任意の天然圧電材料もしくは合成圧電材料であってよい。
「非応答型」超音波は、検出信号から独立した反射率を有する超音波である。「非応答型リフレクタ」は、反射された波形が検出信号から独立するように超音波を反射する、埋め込み型デバイスの一構成要素である。
本明細書に記載の発明の各態様および各変形例は、各態様および各変形例から「構成される（consisting）」および／または「本質的に構成される（cosisting essentially of）」ことを含むと理解されたい。
値の範囲が示される場合、その範囲の上限値および下限値の間に介在する各値、および、記載された範囲内でその他に記載された値もしくは介在する値は、本開示の範囲に包含されることを理解されたい。記載された範囲が上限値または下限値を含む場合、これらの上限値および下限値を除外した範囲もまた、本開示に含まれる。
本明細書に記載される種々の実施形態における１つ以上またはすべての特性を組み合わせて、本発明の他の実施形態を形成してもよい。本明細書で使用される見出しは構成上のものであり、記載された発明の主題を限定すると解釈されるべきでない。
「実施形態」に関して上述した特徴および好ましい構成は、別個の好ましい構成であって、当該特定の実施形態のみに限定されるものではない。特徴および好ましい構成は、技術的に可能であれば、その他の実施形態の特徴と自由に組み合わせてよく、各特徴の好ましい組み合わせを形成してもよい。
本明細書は、当業者が本発明を実施および使用できるようにするためのものであり、特許出願およびその各要件の文脈において提示される。記載される各実施形態に対する種々の変更は、当業者にとって容易に理解できるものであり、本明細書中の一般的原理をその他の実施形態に適用してもよい。そのため、本発明は示される実施形態に限定されることを意図しておらず、本明細書に記載の原理および特徴と一致する最も広い範囲を有すると認められるべきである。また、見出しは構成上のものであり、限定的なものと見なされるべきではない。最後に、本願に引用されるすべての特許文献および刊行物の開示は、すべての目的のため、参照により本明細書中に援用される。
＜呼びかけ機＞
呼びかけ機は、超音波を用いて、１つ以上の埋め込み型デバイスと無線通信することができる。超音波は、埋め込み型デバイスへ電力を供給し、かつ／または埋め込み型デバイスを作動させるために使用される。呼びかけ機は、さらに、埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を受信することができる。超音波後方散乱は、検知された生理的状態を表す情報をエンコードする。呼びかけ機は、１つ以上の超音波トランスデューサを含む。超音波トランスデューサは、超音波送信器および／または超音波受診器（または、超音波を交替で送信または受信するよう構成され得るトランシーバ）として作動できる。１つ以上のトランスデューサは、トランスデューサアレイとして配置されてもよく、呼びかけ機は、任意で１つ以上のトランスデューサアレイを含んでもよい。いくつかの実施形態では、超音波送信機能は、別のデバイス上の超音波受信機能から分離されている。つまり、任意で、呼びかけ機は、埋め込み型デバイスへ超音波を送信する第１デバイス、および埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信する第２デバイスを含む。いくつかの実施形態では、アレイ中の各トランスデューサは、規則的な間隔で配置されてもよく、不規則的な間隔で配置されてもよく、またはまばらに配置されてもよい。いくつかの実施形態では、アレイは柔軟性に富んでいる。いくつかの実施形態では、アレイは平面であり、いくつかの実施形態では、アレイは非平面である。
例示的な呼びかけ機を、図２Ａに示す。図解される呼びかけ機は、複数の超音波トランスデューサを有するトランスデューサアレイを示す。いくつかの実施形態では、トランスデューサアレイは、１つ以上、２つ以上、３つ以上、５つ以上、７つ以上、１０以上、１５以上、２０以上、２５以上、５０以上、１００以上、２５０以上、５００以上、１０００以上、２５００以上、５０００以上、または１０，０００以上のトランスデューサを含む。いくつかの実施形態では、トランスデューサアレイは、１００，０００以下、５０，０００以下、２５，０００以下、１０，０００以下、５０００以下、２５００以下、１０００以下、５００以下、２００以下、１５０以下、１００以下、９０以下、８０以下、７０以下、６０以下、５０以下、４０以下、３０以下、２５以下、２０以下、１５以下、１０以下、７つ以下、または５つ以下のトランスデューサを含む。トランスデューサアレイは、例えば、超音波トランスデューサピクセルを５０以上含むチップであってもよい。図２Ａに示される呼びかけ機は、１つのトランスデューサアレイを図解している。しかし、呼びかけ機は、１つ以上、２つ以上、または３つ以上の別個のアレイを含んでもよい。いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、１０以下のトランスデューサアレイ（例えば、９つ、８つ、７つ、６つ、５つ、４つ、３つ、２つ、または１つのトランスデューサアレイ）を含む。別個のトランスデューサアレイは、例えば、対象の異なる部分に配置することができ、かつ、同じ埋め込み型デバイス、または異なる埋め込み型デバイスと通信することができる。いくつかの実施形態では、トランスデューサアレイを、埋め込み型デバイスの両側に配置する。呼びかけ機は、ＡＳＩＣを含んでいてもよい。ＡＳＩＣは、トランスデューサアレイ中の各トランスデューサのためのチャネルを含む。いくつかの実施形態では、チャネルはスイッチを含む（図２Ａ中、「Ｔ／Ｒｘ」として示される）。スイッチは、チャネルに接続されたトランスデューサを、超音波を送信または超音波を受信するよう交互に構成することができる。スイッチは、超音波受信回路を、より高電圧の超音波送信回路から絶縁することができる。いくつかの実施形態では、チャネルに接続されたトランスデューサは、超音波を受信するのみに構成されるか、または超音波を送信するのみに構成され、スイッチは任意でチャネルから省かれる。チャネルは、遅延制御部を含んでいてもよい。遅延制御部は、送信される超音波を制御するために作動する。遅延制御部は、例えば、位相シフト、時間遅延、パルス周波数、および／または波形（振幅および波長を含む）を制御することができる。遅延制御部は、レベルシフタに接続されていてもよい。レベルシフタは、遅延制御部からの入力パルスを、トランスデューサが超音波を送信するために用いるより高い電圧へとシフトさせる。いくつかの実施形態では、各チャネルにおいて波形および周波数を示すデータを、「波形表（wave table）」に保存してもよい。これにより、各チャネルにおける送信波形が異なっていてもよい。そして、遅延制御部およびレベルシフタを用いて、このデータを、トランスデューサアレイへ送る実際の送信信号へと「ストリーム」出力してよい。いくつかの実施形態では、各チャネルにおける送信波形が、マイクロコントローラまたはその他のデジタルシステムからの高速シリアル出力から直接的に生成され、レベルシフタまたは高電圧増幅器を介してトランスデューサ素子へ送られてもよい。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、ＡＳＩＣへ供給される第１電圧をより高電圧の第２電圧へ変換する、チャージポンプを含む（図２Ａに図示）。第２電圧はチャネルへ印加される。チャネルを、遅延制御部を作動させるコントローラ（例えば、デジタルコントローラ）によって制御することができる。超音波受信回路において、受信された超音波は、（受信モードに設定された）トランスデューサによって電流へ変換され、該電流はデータ収集回路に送信される。いくつかの実施形態では、受信回路中に、組織における損失を補う増幅器、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）、可変利得増幅器（variable-gain-amplifier）または時間利得制御可変利得増幅器（time-gain-controlled variable-gain-amplifier）、および／またはバンドパスフィルタを含む。ＡＳＩＣは、電源から電力を引き込むことができる。電源の例はバッテリであり、これは、呼びかけ機が着用可能である実施形態で好ましい。図２Ａに示す実施形態では、１．８Ｖの電源からＡＳＩＣへ電圧が供給され、チャージポンプによって３２Ｖまで増大される。しかし、任意の適切な電圧を使用することができる。いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、プロセッサおよび／または非一時的でコンピュータで読み取り可能な記憶装置を含む。いくつかの実施形態では、上述のチャネルは、Ｔ／Ｒｘスイッチを含まないが、その代わりに独立したＴｘ（送信）、および優れた飽和回復を有する低ノイズ増幅器の形態である高電圧Ｒｘ（受信回路）を有するＲｘ（受信）を含む。いくつかの実施形態では、Ｔ／Ｒｘ回路は、サーキュレータを含む。いくつかの実施形態では、トランスデューサアレイは、呼びかけ機の送信回路／受信回路における処理チャネルよりも多くのトランスデューサ素子を含み、マルチプレクサが、パルス毎に異なる組の送信素子を選択する。例えば、６４の送受信チャネルを、３：１マルチプレクサを介して、１９２の物理的トランスデューサ素子に接続し、任意のパルスに対して６４のトランスデューサ素子のみが作動するようにする。
図２Ｂは、呼びかけ機の別の実施形態を示す。図２Ｂに示すように、呼びかけ機は、１つ以上のトランスデューサ２０２を含む。各トランスデューサ２０２は、送信／受信スイッチ２０４に接続されている。送信／受信スイッチ２０４は、トランスデューサが超音波を送信するように、または超音波を受信するように、交互に構成することができる。送信／受信スイッチは、プロセッサ２０６（例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、カスタム専用処理プロセッサＡＳＩＣ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ））に接続される。いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、さらに、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）またはデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）を含む。また、呼びかけ機は、ユーザインターフェース（ディスプレイや、呼びかけ機を制御する１つ以上のボタン等）、記憶装置、電源（バッテリ等）、および／または入出力ポート（有線であっても、無線であってもよい）を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機は埋め込み型である。埋め込み型デバイスが、容易に超音波を送信しない障害物によって妨害された領域に埋め込まれている場合は、埋め込まれた呼びかけ機が好ましいときもある。例えば、呼びかけ機は、頭蓋下（硬膜下または硬膜上）に埋め込まれてよい。頭蓋下の呼びかけ機は、脳内に埋め込まれた埋め込み型デバイスと通信することができる。超音波は頭蓋骨によって妨害されるため、頭蓋下に埋め込まれた呼びかけ機は、脳内に埋め込まれた埋め込み型デバイスと通信が可能である。別の実施例において、埋め込み型呼びかけ機は、別の埋め込み型デバイス（例えば、骨プレート）の一部またはその裏側もしくはその内部に埋め込むことができる。埋め込まれた呼びかけ機は、外部のデバイスと、例えばＥＭまたはＲＦ信号によって、通信できる。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機は外部の（つまり、埋め込まれていない）呼びかけ機であってよい。一実施例として、外部の呼びかけ機は着用可能であり得、ストラップまたは接着材で身体に固定してよい。別の実施例において、外部の呼びかけ機は、棒状であり得、ユーザ（医療従事者等）によって保持されてよい。いくつかの実施形態では、呼びかけ機を、縫合糸、簡単な表面張力、風呂敷のような被服における固定器具、スリーブ、ゴムバンド、または、皮下固定を介して身体に保持させることができる。呼びかけ機のトランスデューサまたはトランスデューサアレイは、残りのトランスデューサから離れて配置されてもよい。例えば、トランスデューサアレイを対象の皮膚の第１位置（１つ以上の埋め込み型デバイスに近接した位置等）に固定することができ、そして、呼びかけ機の残りを第２位置に配置し、トランスデューサまたはトランスデューサアレイを、呼びかけ機の残りとワイヤでつないでもよい。図３Ａ～図３Ｅは、着用可能な外部の呼びかけ機の例を示す。図３Ａは呼びかけ機のブロック図を示し、当該呼びかけ機は、複数のトランスデューサを含むトランスデューサアレイと、当該トランスデューサアレイ中の各トランスデューサ用のチャネルを含むＡＳＩＣと、バッテリ（図示された実施例では、リチウムポリマーバッテリ（ＬｉＰｏ））と、無線通信システム（Bluetooth（登録商標）システム等）とを有する。図３Ｂは着用可能な呼びかけ機の分解図を示し、当該着用可能な呼びかけ機は、プリント回路基板（ＰＣＢ）３０２（ＡＳＩＣを含む）と、無線通信システム３０４と、バッテリ３０６と、超音波トランスデューサアレイ３０８と、ワイヤ３１０（超音波トランスデューサアレイ３０８をＡＳＩＣにつないでいる）とを有する。図３Ｃは、図３Ｂに示す着用可能な呼びかけ機３１２にハーネス３１４を取り付けた状態を示し、当該ハーネス３１４は呼びかけ機を対象に取り付けるために使用できる。図３Ｄは、組み立てられ、対象に取り付けられた呼びかけ機３１６を示し、トランスデューサアレイ３０８を第１位置に取り付け、呼びかけ機の残りを第２位置に取り付けてある。図３Ｅは例示的な超音波トランスデューサアレイ３０８の断面概略図を示し、当該超音波トランスデューサアレイ３０８は、回路基板３１８と、各トランスデューサ３２２を回路基板３１８に取り付けているビア３２０と、金属化ポリエステルフィルム３２４と、吸収性支持体層３２６とを有する。金属化ポリエステルフィルム３２４は、各トランスデューサに対して共通の土台となり音響的に整合しており、一方、吸収性支持体層３２６（タングステン粉末を注入したポリウレタン等）は、個々のトランスデューサの共鳴を低減させることができる。
トランスデューサアレイの特定の設計は、所望の侵入深度、開口部の大きさ、およびトランスデューサアレイ中の個々のトランスデューサの大きさに依存する。トランスデューサアレイのレイリー距離「Ｒ」は、下記式で計算される。
式中、Ｄは開口部の大きさであり、λは伝播媒体（すなわち、組織）中の超音波の波長である。当該技術分野において理解されるように、レイリー距離はトランスデューサアレイによって放射されるビームが完全に形成される距離である。つまり、受信される電力を最大限にするために、加えられた圧力は、レイリー距離の自然焦点に集束する。そのため、いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスのトランスデューサからの距離は、およそレイリー距離と同じである。
トランスデューサアレイ中の個々のトランスデューサを変調して、当該トランスデューサアレイによって発せられる超音波のビームのレイリー距離および位置を、ビームフォーミングまたはビームステアリングのプロセスにより制御することができる。線形拘束付最小分散型（ＬＣＭＶ）ビームフォーミングのような技術を用いて、複数の埋め込み型デバイスを外部の超音波トランシーバと通信させることができる。例えば、Bertrand et al., Beamforming Approaches for Untethered, Ultrasonic Neural Dust Motes for Cortical Recording: a Simulation Study, IEEE EMBC (Aug. 2014)を参照のこと。いくつかの実施形態では、ビームステアリングは、トランスデューサアレイ中のトランスデューサから発せられる超音波の出力または位相を調整することで行われる。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、１つ以上のトランスデューサを用いて超音波をビームステアリングする命令、１つ以上の埋め込み型デバイスの相対的位置を特定する命令、１つ以上の埋め込み型デバイスの相対的移動を監視する命令、１つ以上の埋め込み型デバイスの相対的移動を記録する命令、および複数の埋め込み型デバイスからの後方散乱をデコンヴォルーションする命令のうち１つ以上を有する。
＜埋め込み型デバイスおよび呼びかけ機間の通信＞
埋め込み型デバイスおよび呼びかけ機は、超音波を用いて互いに無線で通信する。埋め込み型デバイスは、当該埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサを介して、呼びかけ機からの超音波を受信する。埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサの振動が、当該トランスデューサの電気端子間で電圧を発生させ、（センサ、および／または存在すれば、ＡＳＩＣを含む）デバイス中に、電流が流れる。センサによって検出される生理的状態に応じて、生理的状態に関する情報が電流を変えることができ、今度は当該電流が、小型化超音波トランスデューサからの後方散乱を変調する。センサシステム（任意でＡＳＩＣを含む）は、トランスデューサ上の電気端子に電気インピーダンスを供給する。このインピーダンスが変化すれば、（デバイスの外側から確認できる）トランスデューサの機械的インピーダンスが変化し、その結果、後方散乱が変化する。このように、センサシステムはトランスデューサに供給される電気インピーダンスを変調して、後方散乱通信を遂行する。それから、後方散乱は、外部の超音波トランシーバ（最初の超音波を送信した外部の超音波トランシーバと同じであっても異なっていてもよい）によって受信される。このように、センサからの情報を、後方散乱超音波の振幅、周波数、または位相の変化によってエンコードすることができる。
図４は、埋め込み型デバイスと通信する呼びかけ機を示す。外部の超音波トランシーバは超音波（「搬送波」）を発し、当該超音波は組織を通過することができる。上記搬送波は、小型化超音波トランスデューサ（例えば、小型化バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）上で機械的振動を発生させる。小型化超音波トランスデューサで電圧が発生し、それにより、埋め込み型デバイス上のセンサに電流が流れる。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスはＡＳＩＣを含み、小型化超音波トランスデューサからの電流は、ＡＳＩＣを介して放射検出器に流れ、ＡＳＩＣに戻り、そして、小型化超音波トランスデューサへと戻る。小型化超音波トランスデューサ中を流れる電流によって、埋め込み型デバイス上のトランスデューサから後方散乱超音波が発せられる。小型化超音波トランスデューサ中を流れる電流は、超音波トランスデューサから発せられるまたは反射される後方散乱超音波の振幅、周波数、および／または位相を変化させる。生理的状態は、ＡＳＩＣおよび／または小型化超音波トランスデューサに戻ってくる電流に影響を与えるため、後方散乱波は生理的状態に関する情報をエンコードする。後方散乱波は、呼びかけ機によって検出されることができ、後方散乱波を解読して、生理的状態または生理的状態における変化を決定することができる。
呼びかけ機と埋め込み型デバイスとの間の通信は、超音波を送受信するパルス・エコー法を使用することができる。パルス・エコー法において、呼びかけ機は、所定の周波数の一連の呼びかけパルスを送信し、それから、埋め込み型デバイスから後方散乱エコーを受信する。いくつかの実施形態では、パルスの長さは、約２００ナノ秒（ｎｓ）～約１０００ｎｓ（例えば、約３００ｎｓ～約８００ｎｓ、約４００ｎｓ～約６００ｎｓ、または約５４０ｎｓ）である。いくつかの実施形態では、パルスの長さは、約１００ｎｓ以上（例えば、約１５０ｎｓ以上、２００ｎｓ以上、３００ｎｓ以上、４００ｎｓ以上、５００ｎｓ以上、５４０ｎｓ以上、６００ｎｓ以上、７００ｎｓ以上、８００ｎｓ以上、９００ｎｓ以上、１０００ｎｓ以上、１２００ｎｓ以上、または１５００ｎｓ以上）である。いくつかの実施形態では、パルスの長さは、約２０００ｎｓ以下（例えば、１５００ｎｓ以下、１２００ｎｓ以下、１０００ｎｓ以下、９００ｎｓ以下、８００ｎｓ以下、７００ｎｓ以下、６００ｎｓ以下、５００ｎｓ以下、４００ｎｓ以下、３００ｎｓ以下、２００ｎｓ以下、または１５０ｎｓ以下）である。いくつかの実施形態では、パルスは滞留時間によって分離される。いくつかの実施形態では、滞留時間の長さは、約１００ｎｓ以上（例えば、約１５０ｎｓ以上、２００ｎｓ以上、３００ｎｓ以上、４００ｎｓ以上、５００ｎｓ以上、５４０ｎｓ以上、６００ｎｓ以上、７００ｎｓ以上、８００ｎｓ以上、９００ｎｓ以上、１０００ｎｓ以上、１２００ｎｓ以上、または１５００ｎｓ以上）である。いくつかの実施形態では、滞留時間の長さは、約２０００ｎｓ以下（例えば、約１５００ｎｓ以下、１２００ｎｓ以下、１０００ｎｓ以下、９００ｎｓ以下、８００ｎｓ以下、７００ｎｓ以下、６００ｎｓ以下、５００ｎｓ以下、４００ｎｓ以下、３００ｎｓ以下、２００ｎｓ以下、または１５０ｎｓ以下）である。いくつかの実施形態では、パルスは、正方形、長方形、三角形、鋸歯状、または正弦である。いくつかの実施形態では、パルスの出力は、２段階（ＧＮＤおよびＰＯＳ）、３段階（ＧＮＤ、ＮＥＧ、ＰＯＳ）、５段階、または他の任意の複数段階（例えば、２４ビットＤＡＣを使用する場合）である。いくつかの実施形態では、パルスは、作動中に呼びかけ機から連続的に送信される。いくつかの実施形態では、パルスが呼びかけ機から連続的に送信される場合、呼びかけ機上のトランスデューサの一部は、超音波を受信するよう構成されており、呼びかけ機上のトランスデューサの一部は超音波を送信するように構成されている。超音波を受信するよう構成されたトランスデューサと、超音波を送信するよう構成されたトランスデューサは、呼びかけ機中の同じトランスデューサアレイ上にあってもよく、異なるトランスデューサアレイ上にあってもよい。いくつかの実施形態では、呼びかけ機上の１つのトランスデューサは、超音波を交互に送信したり受信したりするよう構成されてもよい。例えば、１つのトランスデューサは、１つ以上のパルスを送信する期間と一時停止する期間をサイクルとして繰り返すことができる。上記トランスデューサは、１つ以上のパルスを送信する際に超音波を送信するよう構成され、その後、一時停止する期間中は受信モードに切り替わることができる。いくつかの実施形態では、上記サイクルにおける上記１つ以上のパルスは、任意のサイクルにおいて約１つ～約１０（例えば、約２つ～約８つ、または約４つ～約７つ、または約６つ）の超音波パルスを含む。いくつかの実施形態では、上記サイクルにおける上記１つ以上のパルスは、任意のサイクルにおいて約１つ以上、２つ以上、４つ以上、６つ以上、８つ以上、または１０以上の超音波パルスを含む。いくつかの実施形態では、上記サイクルにおける上記１つ以上のパルスは、上記サイクルにおいて約２０以下、約１５以下、約１０以下、約８つ以下、または約６つ以下を含む。パルスサイクルは、規則的に、例えば、動作中に約５０マイクロ秒（μｓ）～約３００μｓ毎（例えば、約７５μｓ～約２００μｓ毎、または約１００μｓ毎）で繰り返されてもよい。いくつかの実施形態では、サイクルは、５０μｓ以上毎、１００μｓ以上毎、１５０μｓ以上毎、２００μｓ以上毎、２５０μｓ以上毎、または３００μｓ以上毎に繰り返される。いくつかの実施形態では、サイクルは３００μｓ以下毎、２５０μｓ以下毎、２００μｓ以下毎、１５０μｓ以下毎、または１００μｓ以下毎に繰り返される。サイクル周波数は、例えば、呼びかけ機と埋め込み型デバイスとの間の距離、および／またはトランスデューサが送信モードと受信モードとを切り替えられる速さに基づいて設定されてよい。
図５は、呼びかけ機と埋め込み型デバイスとの間のパルス・エコー超音波通信のサイクルを示す。図５Ａは、１００マイクロ秒毎の周波数の一連のパルスサイクルを示す。パルスを送信している間、トランスデューサアレイ中のトランスデューサは、超音波を送信するように構成されている。パルスが送信された後、トランスデューサは、後方散乱超音波を受信するように構成されている。図５Ｂは、サイクルの拡大図を示し、５４０ナノ秒毎の周波数の６つの超音波パルスを示す。呼びかけ機によって検出された後方散乱超音波を図５Ｃに示す。また、その内の１つのパルスの拡大図を図５Ｄに示す。図５Ｄに示されるように、埋め込み型デバイスによって受信された超音波後方散乱を分析することができる。前記分析は、後方散乱波のフィルタリング（例えば、音波の減衰を取り除く）工程と、後方散乱波の整流化工程と、音波を積分して当該音波によりエンコードされたデータを決定する工程とを含む。いくつかの実施形態では、後方散乱波を、機械学習アルゴリズムを用いて分析する。図５Ｅは、フィルタリングした後方散乱波の拡大版を示す。図５Ｅに示す後方散乱波は、機械的境界面から発生する反射に対応する４つの別個の領域を含む。（１）埋め込み型デバイスを被包する生体適合性物質からの反射、（２）小型化超音波トランスデューサの上面からの反射、（３）プリント回路基板と小型化超音波トランスデューサとの間の境界面からの反射、（４）プリント回路基板の背面からの反射である。小型化トランスデューサの表面から反射された後方散乱波の振幅は、小型化超音波トランスデューサへ戻る電流のインピーダンスにおける変化の関数として変化し、「応答型後方散乱」と称することができる。なぜなら、後方散乱のこの領域は、検知された生理的状態に関する情報をエンコードするからである。超音波後方散乱のその他の領域は、「非応答型後方散乱」と称することができ、以下に説明するように、埋め込み型デバイスの位置、埋め込み型デバイスの移動、および／または埋め込み型デバイス近辺の温度変化を決定するのに役立つ。いくつかの実施形態では、デバイスは、さらに、非応答型リフレクタを含む。いくつかの実施形態では、非応答型リフレクタは立方体である。いくつかの実施形態では、非応答型リフレクタは珪素を含む。いくつかの実施形態では、非応答型リフレクタは剛体材料の表面である。非応答型リフレクタは、埋め込み型デバイスに取り付けられているが、電気的に絶縁されている。そして、例えば、センサによって検知される生理的状態によるセンサまたはＡＳＩＣインピーダンスにおける変化に応答しない超音波を反射することができる。
トランスデューサによって送信される超音波の周波数は、埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサの駆動周波数または共振周波数に依存して設定し得る。いくつかの実施形態では、小型化超音波トランスデューサは広帯域デバイスである。いくつかの実施形態では、小型化超音波トランスデューサは、狭帯域である。例えば、いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、小型化超音波トランスデューサの共振周波数の約２０％以内、約１５％以内、約１０％以内、約５％以内である。いくつかの実施形態では、パルスは、小型化超音波トランスデューサの共振周波数とおよそ同じ周波数に設定される。いくつかの実施形態では、超音波の周波数は、約１００ｋＨｚ～約１００ＭＨｚ（例えば、約１００ｋＨｚ～約２００ｋＨｚ、約２００ｋＨｚ～約５００ｋＨｚ、約５００ｋＨｚ～約１ＭＨｚ、約１ＭＨｚ～約５ＭＨｚ、約５ＭＨｚ～約１０ＭＨｚ、約１０ＭＨｚ～約２５ＭＨｚ、約２５ＭＨｚ～約５０ＭＨｚ、または約５０ＭＨｚ～約１００ＭＨｚ）である。いくつかの実施形態では、超音波の周波数は、約１００ｋＨＺ以上、約２００ｋＨｚ以上、約５００ｋＨｚ以上、約１ＭＨｚ以上、約５ＭＨｚ以上、約１０ＭＨｚ以上、約２５ＭＨｚ以上、または約５０ＭＨｚ以上である。いくつかの実施形態では、超音波の周波数は、約１００ＭＨｚ以下、約５０ＭＨｚ以下、約２５ＭＨｚ以下、約１０ＭＨｚ以下、約５ＭＨｚ以下、約１ＭＨｚ以下、約５００ｋＨｚ以下、または約２００ｋＨｚ以下である。周波数が高いほど、埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサを小さくし得る。しかし、周波数が高いほど、超音波トランスデューサおよび埋め込み型デバイスの間の通信の深度が制限される。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスと超音波トランスデューサとは、約０．１ｃｍ～約１５ｃｍ（例えば、約０．５ｃｍ～約１０ｃｍ、または約１ｃｍ～約５ｃｍ）離れている。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスと超音波トランスデューサとは、約０．１ｃｍ以上、約０．２ｃｍ以上、約０．５ｃｍ以上、約１ｃｍ以上、約２．５ｃｍ以上、約５ｃｍ以上、約１０ｃｍ以上、または約１５ｃｍ以上離れている。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスと超音波トランスデューサとは、約２０ｃｍ以下、約１５ｃｍ以下、約１０ｃｍ以下、約５ｃｍ以下、約２．５ｃｍ以下、約１ｃｍ以下、または約０．５ｃｍ以下離れている。
いくつかの実施形態では、後方散乱した超音波は、埋め込み型デバイスによってデジタル化される。例えば、埋め込み型デバイスは、オシロスコープまたはアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）および／または記憶装置を含んでいてもよく、これらは、電流（またはインピーダンス）の変動として情報をデジタル的にエンコードすることができる。デジタル化された電流の変動は、センサによって検知されたデータを反映しており、超音波トランスデューサによって受信される。そして、超音波トランスデューサは、デジタル化された音波を送信する。デジタル化されたデータは、例えば、特異値分解（ＳＶＤ）および最小自乗法圧縮（least squares-based compression）を用いて、アナログデータを圧縮し得る。いくつかの実施形態では、圧縮は、相関計またはパターン検出アルゴリズムによって行われる。後方散乱信号は、後方散乱領域の４次バターワースバンドパスフィルタ整流一体化（4th order Butterworth bandpass filter rectification integration）のような、一連の非線形変換を経て、単一時間における再構築データポイントを形成してもよい。そのような変換は、ハードウェア（すなわち、ハードコードされたもの）またはソフトウェアにおいて行われてよい。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、複数の埋め込み型デバイスと通信する。前記通信は、例えば、マルチ入力・マルチ出力（ＭＩＭＯ）システム理論を用いて行うことができる。例えば、呼びかけ機および複数の埋め込み型デバイス間の通信は、時間分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を用いる。いくつかの実施形態では、２つ以上（例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、１０以上、１２以上、約１５以上、約２０以上、約２５以上、約５０以上または約１００以上）の埋め込み型デバイスが、呼びかけ機と通信する。いくつかの実施形態では、約２００以下の埋め込み型デバイス（例えば、約１５０以下、約１００以下、約５０以下、約２５以下、約２０以下、約１５以下、約１２以下、または約１０以下の埋め込み型デバイス）が呼びかけ機と通信する。呼びかけ機は、複数の埋め込み型デバイスからの組み合わされた後方散乱を受信できる。組み合わされた後方散乱はデコンヴォルーションされ、それにより、それぞれの埋め込み型デバイスからの情報を抽出できる。いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、トランスデューサアレイから送信される超音波を、ビームステアリングを介して、特定の埋め込み型デバイスへ集束させる。呼びかけ機は、送信された超音波を第１埋め込み型デバイスへ集束させ、第１埋め込み型デバイスから後方散乱を受信し、送信された超音波を第２埋め込み型デバイスへ集束させ、第２埋め込み型デバイスから後方散乱を受信する。いくつかの実施形態では、呼びかけ機は、超音波を複数の埋め込み型デバイスへ送信し、そして、超音波を当該複数の埋め込み型デバイスから受信する。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機を用いて埋め込み型デバイスの位置または速度を決定する。例えば、ある一定時間におけるデバイスの位置または移動を測定することによって、速度を決定することができる。埋め込み型デバイスの位置は、相対的位置、例えば、呼びかけ機上のトランスデューサに対する位置であってよい。複数のトランスデューサが、１つの埋め込み型デバイスからの後方散乱を収集することができる。当該複数のトランスデューサは、同じトランスデューサアレイ上に配置されてもよく、２つ以上の異なるトランスデューサアレイ上に配置されてもよい。同じ埋め込み型デバイスから発生した後方散乱波の波形と、すでに明らかである各トランスデューサの位置との差異を基に、埋め込み型デバイスの位置を決定できる。これは、例えば、三角測量、またはクラスタリングと最大尤度により行うことができる。後方散乱の差異は、応答型後方散乱波、非応答型後方散乱波、またはこれらの組み合わせに基づいてもよい。
いくつかの実施形態では、呼びかけ機を用いて埋め込み型デバイスの移動を追跡する。呼びかけ機によって追跡できる埋め込み型デバイスの移動は、横移動および角移動を含む。このような移動は、例えば、肝臓、胃、小腸または大腸、腎臓、膵臓、胆嚢、膀胱、卵巣、子宮、または脾臓のような１つ以上の器官の位置の変化（これは、例えば、対象の呼吸または動作の結果であり得る）、または（例えば、脈拍による）血流の変化により生じ得る。そのため、いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは、臓器の移動または脈拍数を追跡するのに役立つ。埋め込み型デバイスの移動は、例えば、非応答型後方散乱波の変化を監視することによって追跡することができる。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスの移動は、第１時点での埋め込み型デバイスの相対的位置を、第２時点での埋め込み型デバイスの相対的位置と比較することで判断される。例えば、上述のように、埋め込み型デバイスの位置を、呼びかけ機上の複数のトランスデューサ（１つのトランスデューサアレイ上にあってもよく、２つ以上のトランスデューサアレイ上にあってもよい）を用いて決定することができる。埋め込み型デバイスの第１位置を第１時点において決定することができ、埋め込み型デバイスの第２位置を第２時点において決定することができる。そして、移動ベクトルを、第１時点での第１位置、および第２時点での第２位置を基にして決定することができる。
＜埋め込み型デバイス＞
埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、小型化圧電トランスデューサ、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、または圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ））と、生理センサ（例えば、温度センサ、酸素センサ、ｐＨセンサ、ひずみセンサ、圧力センサ、またはグルコースセンサ）とを有する。いくつかの実施形態では、生理センサと小型化超音波トランスデューサとの間で通信できる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が埋め込み型デバイスに含まれる。呼びかけ機が超音波を送り、該超音波により、埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサを介して、該埋め込み型デバイスに電力を供給するとともに該埋め込み型デバイスと通信することができる。変化したインピーダンスが小型化超音波トランスデューサ内を流れる電流に影響を与え、それが超音波後方散乱に影響を与える。このように、生理的状態の変化が超音波後方散乱に影響を与え、それを呼びかけ機によって検出することができる。図６Ａは、小型化超音波トランスデューサ６０２と生理センサ６０４とを有する埋め込み型デバイスの概略図を示す。図６Ｂは、小型化超音波トランスデューサ６０６とＡＳＩＣ６０８と生理センサ６１０とを有する埋め込み型デバイスの概略図を示す。
埋め込み型デバイスは小型化されており、それにより、快適で長期にわたる埋め込みを可能にするとともに、埋め込み型デバイスとしばしば関連する組織の炎症を制限する。いくつかの実施形態では、デバイスの最大寸法の長さは約５ｍｍ以下、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、約０．３ｍｍ以下、約０．１ｍｍ以下である。いくつかの実施形態では、デバイスの最大寸法は、約０．０５ｍｍ以上、約０．１ｍｍ以上、約０．３ｍｍ以上、約０．５ｍｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、または約３ｍｍ以上である。いくつかの実施形態では、デバイスの最大寸法の長さは、約０．０４ｍｍから約５ｍｍ、約０．０５ｍｍから約４ｍｍ、約０．０７ｍｍから約３ｍｍ、約０．０８ｍｍから約３ｍｍ、または約１ｍｍから約２ｍｍである。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは、体積が、約５ｍｍ３以下（例えば、約４ｍｍ３以下、３ｍｍ３以下、２ｍｍ３以下、または１ｍｍ３以下）である。特定の実施形態では、埋め込み型デバイスは、体積が、約０．５ｍｍ３から約５ｍｍ３、約１ｍｍ３から約５ｍｍ３、約２ｍｍ３から約５ｍｍ３、約３ｍｍ３から約５ｍｍ３、または約４ｍｍ３から約５ｍｍ３である。埋め込み型デバイスはサイズが小さいので、生検針を用いて埋め込むことができる。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは対象に埋め込まれる。対象は、例えば、哺乳類のような動物であり得る。いくつかの実施形態では、対象はヒト、イヌ、ネコ、ウマ、ウシ、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ニワトリ、サル、ラット、またはマウスである。いくつかの実施形態では、対象は植物である。植物に埋め込まれた埋め込み型デバイスは、例えば、農業作物の状態を監視するのに有用で有り得る。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスまたは埋め込み型デバイスの一部分（例えば、小型化超音波トランスデューサ、ＡＳＩＣ、またはセンサのすべてもしくは一部分）は、生体適合性物質（例えば、生体適合性ポリマー）、例えば、Ｎ‐ビニル‐２‐ピロリドン（ＮＶＰ）とｎ‐ブチルメタクリレート（ＢＭＡ）のコポリマー、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、パリレン、ポリイミド、窒化珪素、二酸化珪素、アルミナ、ニオビウム、ヒドロキシアパタイト、または炭化珪素によって被包される。炭化珪素は非晶質炭化珪素でもよく、結晶質炭化珪素でもよい。生体適合性物質は、デバイス内の電子回路を損傷または干渉するのを避けるため不透水性であることが好ましい。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスまたは埋め込み型デバイスの一部分は、セラミック（例えば、アルミナまたはチタニア）もしくは金属（例えば、スチールまたはチタニウム）で被包される。
いくつかの実施形態では、小型化超音波トランスデューサおよび、もしあるならばＡＳＩＣは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置される。センサを任意でＰＣＢ上に配置してよく、あるいはＡＳＩＣと接続してよい。図７Ａおよび図７Ｂは、ＰＣＢを有する埋め込み型デバイスの例示的な構成を示す。図７Ａは、ＰＣＢ７０８の第１側面７０６に配置された圧電トランスデューサ７０２とＡＳＩＣ７０４を示す。第１電極７１０および第２電極７１２がＰＣＢ７０８の第２側面７１４上に配置されている。第１電極７１０および第２電極７１２は、例えば、センサの構成要素であり得る。図７Ｂは、ＰＣＢ７１８の第１側面７１６上の圧電トランスデューサ７１４と、ＰＣＢ７１８の第２側面７２２上のＡＳＩＣ７２０を示す。第１電極７２４がＰＣＢの第１側面７１６上に配置され、第２電極７２６がＰＣＢ７１８の第２側面７２２上に配置されている。第１電極７２４および第２電極７２６は、例えば、センサの構成要素であり得る。
埋め込み型デバイスの小型化超音波トランスデューサは、マイクロマシン超音波トランスデューサ（例えば、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）または圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ））でよく、あるいはバルク圧電トランスデューサでよい。バルク圧電トランスデューサは任意の天然物質または合成物質（例えば、水晶、セラミック、またはポリマー）でよい。バルク圧電トランスデューサ材料の例としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英、ベルリナイト（ＡｌＰＯ４）、トパーズ、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タングステン酸ナトリウム（Ｎａ２ＷＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、およびニオブ酸鉛マグネシウム‐チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）が挙げられる。
いくつかの実施形態では、小型化バルク圧電トランスデューサはほぼ立方体（すなわち、約１：１：１（長さ：幅：高さ）のアスペクト比）である。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサは板状であり、長さまたは幅のアスペクトにおいて、アスペクト比が約５：５：１以上、例えば約７：５：１以上、または約１０：１０：１以上である。いくつかの実施形態では、小型化バルク圧電トランスデューサは長細く、アスペクト比が約３：１：１以上であり、最大寸法は超音波搬送波の伝播方向と並んでいる。いくつかの実施形態では、バルク圧電トランスデューサの一寸法は、トランスデューサの駆動周波数または共振周波数に相当する波長（λ）の二分の一に等しい。共振周波数では、トランスデューサの両方の面に衝突する超音波が１８０°位相シフトし、反対側の位相に達し、２つの面のあいだに最大のずれを生じさせる。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサの高さは、約１０μｍから約１０００μｍ（例えば、約４０μｍから約４００μｍ、約１００μｍから約２５０μｍ、約２５０μｍから約５００μｍ、または約５００μｍから約１０００μｍ）である。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサの高さは、約５ｍｍ以下（例えば、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約５００μｍ以下、約４００μｍ以下、約２５０μｍ以下、約１００μｍ以下、または約４０μｍ以下）である。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサの高さは、約２０μｍ以上（例えば、約４０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約４００μｍ以上、約５００μｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、約３ｍｍ以上、または約４ｍｍ以上）である。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、最大寸法の長さが約５ｍｍ以下（例えば、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約５００μｍ以下、約４００μｍ以下、約２５０μｍ以下、約１００μｍ以下、または約４０μｍ以下）である。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、最大寸法の長さが約２０μｍ以上（例えば、約４０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約４００μｍ以上、約５００μｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、約３ｍｍ以上、または約４ｍｍ以上）である。
小型化超音波トランスデューサは２つの電極と接続されている。第１電極はトランスデューサの第１面に取り付けられており、第２電極はトランスデューサの第２面に取り付けられており、第１面と第２面は、１つの寸法に沿ったトランスデューサの向かい合う両側面である。いくつかの実施形態では、電極は、銀、金、白金、白金黒、ポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、導電性ポリマー（例えば、導電性ＰＤＭＳまたはポリイミド）、またはニッケルを含む。いくつかの実施形態では、トランスデューサは、トランスデューサの金属面（すなわち、電極）間の軸がトランスデューサの動きに対して垂直であるせん断モードで作動する。
小型化超音波トランスデューサはセンサに接続しており、いくつかの実施形態では、ＡＩＳＣにも接続している。ＡＳＩＣは、存在する場合、センサと一体化していてもよいし、センサとは別個に設けられてもよい。
埋め込み型デバイスで用いられるＡＳＩＣは、取り付けられているセンサに部分的には左右される。いくつかの実施形態では、ＡＩＳＣはセンサと完全に一体化しており、いくつかの実施形態では、センサは、埋め込み型デバイスの、別個の、しかし取り付けられている構成要素として設けられる。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは２つ以上のセンサを有し、１つ以上のＡＳＩＣを該２つ以上のセンサとともに用い得る。例えば、いくつかの実施形態では、単一のＡＳＩＣを、２つ以上、３つ以上、４つ以上、または５つ以上のセンサとともに用いる。
いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは電源回路を有し、該電源回路は埋め込み型デバイスの各構成要素に電力を供給するよう構成されている。電源回路は、例えば、整流器、チャージポンプ、および／またはエネルギー蓄積コンデンサを有し得る。いくつかの実施形態では、エネルギー蓄積コンデンサは、別個の構成要素として含まれている。小型化超音波トランスデューサ内に電圧差を生じさせる超音波は、埋め込み型デバイスに電力を供給する。該電力は電源回路によって制御し得る。
いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは１つ以上のアナログ回路を有する。該１つ以上のアナログ回路は、トランスデューサの供給する電力を用いて１つ以上のアナログ増幅器に電力を供給し、後方散乱インピーダンスへ変調される信号の変調深度を深める。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは１つ以上のデジタル回路を有し、該１つ以上のデジタル回路は、記憶装置と、埋め込み型デバイスを作動させるための１つ以上の回路ブロックまたはシステムを含み得る。これらのシステムは、例えば、インプラントに保存されているプログラムまたは呼びかけ機とインプラントとの超音波通信を介して提供されるプログラムを実行できる、オンボードマイクロコントローラ、有限状態機械実装、またはデジタル回路を有し得る。いくつかの実施形態では、デジタル回路は、センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換できるアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を有する。いくつかの実施形態では、デジタル回路は、信号を変調器に向ける前にデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）を有する。
デジタル回路は、小型化超音波トランスデューサに接続している変調回路（「後方散乱回路」とも称し得る）を動作させることができる。変調回路はスイッチ（例えば、オン／オフスイッチまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ））を有している。埋め込み型デバイスのいくつかの実施形態とともに用いることができるＦＥＴの例として、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が挙げられる。変調回路は小型化超音波トランスデューサに供給されるインピーダンスを変えることができ、トランスデューサ内を通る電流の変化が、デジタル回路によって送信される信号をエンコードする。デジタル回路は、スイッチに向けられる電流を増幅する１つ以上の増幅器も作動させることができる。デジタル回路がない実施形態では、変調回路内のインピーダンスはセンサによって直接に制御することができる。
いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、１つ以上のセンサに電流を供給する駆動回路を含む。デジタル回路がある場合、駆動回路は該デジタル回路によって作動されることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の増幅器が、駆動回路とデジタル回路のあいだに配置されている。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、センサからの信号を受信できるフロントエンド回路（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）を含む。フロントエンド回路によって受信された信号はデジタル回路にリレーされることができる。
図８Ａは、ＡＳＩＣに接続された小型化超音波トランスデューサ（「圧電素子」として示す）の一実施形態を含む。ＡＳＩＣは、電源回路、変調回路（または「後方散乱回路」）、およびドライバ（「刺激回路」）を含む。電源回路はエネルギー蓄積コンデンサ（「ｃａｐ」）を含む。
図８Ｂは、小型化超音波トランスデューサ８０４に接続されたＡＳＩＣ８０２の他の例を示す。例示された実施形態では、小型化超音波トランスデューサ８０４は電源回路８０６に接続されている。電源回路８０６は、電力をＡＳＩＣの他の構成要素（変調回路８０８、デジタル回路８１０、ドライバ８１２、およびフロントエンド８１４を含む）に供給する。デジタル回路８１０はドライバ８１２を作動させ、該ドライバ８１２はセンサ（不図示）に接続し得る。フロントエンド回路８１４はセンサから信号を受信し、該信号をデジタル回路８１０へ送信する。それから、デジタル回路８１０は変調回路８０８を制御することができ、該変調回路８０８は小型化超音波トランスデューサ８０４に戻る電流のインピーダンスを制御する。
＜センサ＞
埋め込み型デバイスは１つ以上のセンサを有する。センサは、生理的状態（例えば、温度、酸素濃度、ｐＨ、被検物質（例えばグルコース）、ひずみ、または圧力）を検出するよう構成されている。生理的状態の変化がインピーダンスを変調させ、今度はインピーダンスが埋め込み型デバイス上の小型化超音波トランスデューサを流れる電流を変調させる。先に説明したように、これにより、呼びかけ機で検出される超音波後方散乱が生成される。超音波後方散乱波の変化は、生理的状態に関する情報を反映している。いくつかの実施形態では、システムは、生理的システムの変化を検出するよう構成されている。いくつかの実施形態では、システムは、例えば超音波後方散乱を既知の値に校正することにより、生理的状態の値または近似値を検出するよう構成されている。
埋め込み型デバイスは、１つ以上の（例えば、２つ、３つ、４つ、５つあるいはそれ以上の個数の）センサを有してよく、該１つ以上のセンサは同じ生理的状態を検出してもよいし、異なる生理的状態を検出してもよい。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは、１０、９つ、８つ、７つ、６つ、または５つ以下のセンサを有する。例えば、いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは、温度を検出するよう構成された第１センサと、酸素を検出するよう構成された第２センサとを有する。両方の生理的状態の変化を超音波後方散乱波にエンコードすることができ、該超音波後方散乱波を外部のコンピューティングシステムによって解読することができる。
いくつかの実施形態では、センサは光検出器を含む。光源（例えば、発光ダイオードまたは垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））が光を発し、該光が光検出器によって検出される。光検出器によって検出される光の量は、検出された生理的状態を示す。フロントエンド（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）は、検出器からの信号を受信でき、該信号が、超音波トランスデューサに提供されるインピーダンスを変化させることができる。いくつかの実施形態では、デジタル回路がフロントエンド回路からの信号を受信し変調回路を作動させ、該変調回路が超音波トランスデューサに提供されるインピーダンスを変調させる。小型化超音波トランスデューサから呼びかけ機へ送信される超音波後方散乱が、検出された生理的状態の情報をこのようにエンコードする。
光源は組織の外に配置してもよく、組織内に埋め込んでもよく、あるいは埋め込み型デバイスそれ自体の一部（ＡＳＩＣ上のドライバによって制御してよい）であってもよい。いくつかの実施形態では、光源は近赤外線範囲（例えば、約７８０ｎｍから約２５００ｎｍの波長）の光を発する。いくつかの実施形態では、複数の光源が含まれ、該複数の光源は異なる波長の光を発してよい。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは近赤外線分光法に用いられ、血中または間質組織中における特定の被検物質（例えば、グルコース）の検出に用いることができる。いくつかの実施形態では、光源は赤外線範囲外（例えば、約７８０ｎｍ未満の波長または約２５００ｎｍを超える波長）の光を発する。組織を通して光を伝える際には距離の限界（通常、約２ｃｍ未満）があるので、埋め込み型デバイスを約２ｃｍを超える深さで用いる場合は、光源を埋め込み型デバイスに含ませることが通常好ましい。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは約２ｃｍ以上（例えば、約３ｃｍ以上、約４ｃｍ以上、または約５ｃｍ以上）の深さで埋め込まれる。
図９Ａは、組織に埋め込まれ、光を検出し、超音波後方散乱波を発する埋め込み型デバイス９０２を示す。埋め込み型デバイス９０２は、外部の超音波トランスデューサ（不図示）から超音波をさらに受信する。埋め込み型デバイスは、外部光源９０４から受光する。生理的状態の変化によって生じた、埋め込み型デバイスによって検出された光の量の変化が、超音波後方散乱を変調させる。図９Ａは、組織に埋め込まれ外部光源と光通信する光検出器を有する埋め込み型デバイスを有するシステムを示す。もっとも単純な形態では、埋め込み型デバイスは、光検知用の外部の光エミッタ（可視光、ＮＩＲ、近紫外線またはその他）とともに組織内に埋め込んでよい。外部の光エミッタは外部のトランシーバと結合してよく、あるいは別個の構成要素であってもよい。図９Ａに示す実施形態は、光フィルタを用いて、単一波長のみの強度または複数の選択された波長のみの強度を検出するようにしたものである。この光エミッタは単色光源でもよいし、広帯域の光源でもよい。さらに、光エミッタは身体内に埋め込み得る。エミッタはオンボードでもよいし、独立して埋め込んでもよい。光エミッタを患者の体内に埋め込む場合は、電力の伝達、局所温度上昇、およびインプラントのサイズを考慮する必要がある。
いくつかの実施形態では、光源は広帯域の光を発する。いくつかの実施形態では、光源は狭帯域の光を発する。例えば、光源は光フィルタを有し得、１つ以上の所定の波長の狭帯域の光を発し得る。いくつかの実施形態では、光源は、１つ以上、２つ以上、３つ以上、または４つ以上の異なる波長の狭帯域の光を発する。いくつかの実施形態では、光源は、複数の異なる波長の狭帯域の光を発し、少なくとも１つの狭帯域の光の波長はエラー修正に用いられる。ＮＩＲスペクトル領域の３つの波長の単色光を交互にパルスし、４番目の波長のＮＩＲ光をエラー修正に用いることで、組織酸化レベルを、ヘモグロビン、ミオグロビン、およびシトクロムａａ３の吸収パターンに基づき監視することができることが実証されている。このことを図９Ｂに示す。図９Ｂでは、埋め込み型デバイス９０６が組織に埋め込まれ、４つの異なる光源（光源９０８、光源９１０、光源９１２、および光源９１４）からの狭帯域の光を受光する。各光源は、異なる狭帯域の光波長を発する。図示されたように、光源９０８、光源９１０、光源９１２、および光源９１４は組織の外部に位置している。埋め込み型デバイス９０６は、外部の超音波トランスデューサ（不図示）から超音波をさらに受信する。生理的状態の変化による、埋め込み型デバイスによって検出された光の量の変化が、超音波後方散乱を変調させる。
被検物質の測定は、ＮＩＲ分光法以外の手段で行ってもよい。そのような例の１つは、化学検知用のオプトードを用いることによる。ＮＩＲスペクトル領域外の光を用いる場合、散乱を考慮に入れるべきである。
図９Ｃは、光源９１８を有する埋め込み型デバイス９１６を示す。埋め込み型デバイスは、光源９１８から光を受光できる光検出器（不図示）をさらに有する。埋め込み型デバイス９０６は、外部の超音波トランスデューサ（不図示）から超音波をさらに受信する。該外部の超音波トランスデューサは、埋め込み型デバイス９１６（光源９１８を含む）に電力を供給できる。生理的状態の変化による、埋め込み型デバイスによって検出された光の量の変化が、超音波後方散乱を変調させる。
光センサを有する埋め込み型デバイスは、さまざまな目的に役立ち得る。例えば、埋め込み型デバイスは、対象における酸素レベル（血液酸素レベルまたは間質液酸素レベルを含む）の監視、腫瘍酸化の監視、脳機能イメージング、血液被検物質測定、組織工学（例えば、酸素欠乏症および低酸素症を監視するため）、およびｐＨ測定に用いることができる。いくつかの実施形態では、光センサは血圧または脈拍数を測定するのに用いることができる。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイス上のセンサは、酸素センサまたはｐＨセンサである。酸素センサまたはｐＨセンサを有する埋め込み型デバイスは、生理的酸素濃度（例えば、血液酸素または間質液酸素）あるいは生理的ｐＨ（例えば、血液ｐＨまたは間質液ｐＨ）を監視するのに役立ち得る。酸素濃度またはｐＨは、埋め込み型デバイスの近辺に限定してもよいし、あるいは、デバイスのネットワークが用いられる場合は、測定された酸素濃度またはｐＨは全身の生理的測定値であってもよい。これは、例えば低酸素症または酸性血症を監視するのに役立ち得る。埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と、ＡＳＩＣ（ドライバおよびフロントエンドを含んでよい）と、酸素センサまたはｐＨセンサとを有し得る。
いくつかの実施形態では、酸素センサはクラーク電極を含む。クラーク電極は、細胞膜に囲まれた触媒表面（例えば、白金表面）上の酸素を測定するものであり、小型化して埋め込み型デバイスに含ませることができる。クラーク電極は埋め込み型デバイス上のＡＳＩＣに取り付けることができ、埋め込み型デバイスによって検知された酸素（血液酸素または間質液酸素でよい）量の変化が超音波後方散乱を変調することができる。
いくつかの実施形態では、酸素センサは光源（例えば、発光ダイオードまたは垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））と光検出器（例えば、光トランジスタ、光電池、または光トランジスタもしくは光電池のアレイ）とを有する。酸素感受性蛍光色素またはｐＨ感受性蛍光色素を含むマトリクスが、光源および光検出器上に配置され、または、光源と光検出器とを結ぶ位置に配置される。光源によって検出される光の量は、周辺の体液中の酸素量または該体液のｐＨに依存する。そのようなデバイスをオプトロード（optrodes）と称することができる。マトリクスは、例えば、ポリマー中に酸素感受性蛍光色素（例えば、ルテニウム蛍光色素）またはｐＨ感受性蛍光色素を含むことができる。酸素の増大またはｐＨの上昇または低下（蛍光色素の選択次第である）により、蛍光の減衰が速まり、光強度が低下し得る。光強度または蛍光の減衰の寿命におけるこうした酸素またはｐＨに依存した変化を、光検出器によって検出できる。いくつかの実施形態では、マトリクスは、ルテニウム蛍光色素を含むヒドロゲルまたはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ポリマーである。いくつかの実施形態では、ルテニウム蛍光色素は、マトリクス内部に含まれるシリカ粒子またはシリカ表面に結合している（これらは、例えばゾルゲルプロセスによって生成し得る）。マトリクスは、蛍光色素を細胞外液中の構成要素から保護し、酸素のマトリクス内への拡散に影響し得るタンパク質、細胞、およびその他の細胞片の接着を防ぐ。さらに、ルテニウム金属をマトリクス内に被包することで、ルテニウムの潜在的毒性が減少する。光源および／または光検出器は、発光または検出された光を狭い帯域に限定するフィルタを任意で有し得る。ＡＳＩＣは光源を駆動してパルス光信号または正弦光信号を発せさせることができ、該パルス光信号または正弦光信号が光源に光を発せさせる。光源が発した光により、マトリクス中の蛍光色素が蛍光を発する。例えば、いくつかの実施形態では、光源は青色光またはＵＶ光を発し、蛍光色素はオレンジ光または赤色光を発することができる。蛍光強度および／または蛍光の寿命（減衰）は、マトリクスの酸素濃度またはｐＨの関数であり、周囲の体液（例えば、血液または間質液）によって影響される。蛍光の減衰から、蛍光寿命減衰定数を決定することができ、該蛍光寿命減衰定数は酸素量またはｐＨを反映し得る。
光源から発せられた光パルスを用いることで、ｐＨまたは酸素濃度に依存する蛍光減衰または蛍光寿命を観察することができる。これを図１０Ａに示す。したがって、いくつかの実施形態では、光源からの光パルスに続く蛍光の減衰（蛍光寿命）を用いて、センサを取り巻く酸素濃度またはｐＨを測定する。
発振光源を用いることで、蛍光の減衰（蛍光寿命）により、蛍光発光を光源からオフセットすることができる。光源波と蛍光検出とのあいだの位相シフトは、酸素濃度またはｐＨに依存する。これを図１０Ｂに示す。位相シフトφは以下のように決定できる。
式中、ｆは光源から発せられた光の発振周波数であり、τは蛍光減衰の寿命である（これは酸素濃度またはｐＨに依存する）。したがって、いくつかの実施形態では、発振光源が用いられ、蛍光に対する光源の位相シフトを用いて、センサを取り巻くｐＨまたは酸素濃度を決定する。位相シフトの測定に用いることのできる光検出器の例を図１０Ｃに示す。光源１００２は発振器１００４を有し、マトリクス１００６に向けて光を発する。マトリクス１００６は酸素感受性蛍光色素またはｐＨ感受性蛍光色素を有し、これが光検出器１００８によって検出される。光検出器１００８は光ダイオード（または光ダイオードアレイ）１０１０を有し、これが電流を電流・電圧変換モジュール（例えば、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）または電圧バッファ）１０１２に送る。光検出器１００８は増幅器１０１４をさらに有してよい。位相検出器１０１６が含まれており、これは光源１００２が発した発振光と光検出器１００８が検出した光とのあいだの位相差を決定できる。任意の光フィルタ（例えば、ロングパスフィルタ）１０１８を、マトリクス１００６と光検出器１００８とのあいだに設けることができる。いくつかの実施形態では、光源をパルス発光することができ、光源が消えたときに（すなわち、パルスの立下りから）蛍光をサンプルして蛍光寿命を測定することができる。
光検出器は蛍光色素が発した光を検出し、該光はＡＳＩＣによって読まれる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、小型化超音波トランスデューサへの電流を、光検出器からの未加工信号（または未加工信号の一部分）の関数として変調させ、小型化超音波トランスデューサは検出された信号を反映する後方散乱超音波を発することができる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、トランスデューサに提供されるインピーダンスを、未加工信号または圧縮信号のデジタル表現として変調させる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣそれ自体が酸素濃度またはｐＨを計算し、信号を、該信号をエンコードする小型化超音波トランスデューサへ送る。いくつかの実施形態では、外部の超音波トランシーバが超音波をパルス発信し、それにより、埋め込み型デバイスを通る電流パルスを生じさせる（そして今度は光パルスを生じさせる）。電流パルスの合間に、小型化超音波トランスデューサは超音波後方散乱エコーを発する。
図１１Ａは、酸素センサまたはｐＨセンサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態を示す。埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ１１０２と、ＡＳＩＣ１１０４と、ｐＨまたは酸素センサ１１０６とを有する。センサ１１０６は、光源（例えば、発光ダイオード）１１０８と、ｐＨ感受性または酸素感受性マトリクス１１１０と、光検出器１１１２（例えば、光電池、光トランジスタ、または本技術分野で周知の任意の他の適切な光検出器）とを有する。マトリクス１１１０は、酸素感受性蛍光色素（酸素センサ用）またはｐＨ感受性蛍光色素（ｐＨセンサ用）を含む。任意で、フィルタ１１１４は光源１１０８とマトリクス１１１０とのあいだに配置される。当該フィルタは、狭帯域の光がマトリクス１１１０に送られるように構成できる。いくつかの実施形態では、フィルタ１１１４に加えて、あるいはフィルタ１１１４の代わりに、フィルタ１１１６をマトリクス１１１０と光検出器１１１２とのあいだに配置する。フィルタ１１１６は、狭帯域の光が光検出器１１１２に入るように構成できる。光源１１０８はドライバ１１１８によって電力を供給され、光検出器１１１２が、フロントエンド（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）１１２０が受信した信号を送信する。フロントエンド１１２０とドライバ１１１８はデジタル回路１１２２に接続されており、該デジタル回路１１２２が変調回路１１２４を制御する（デジタル回路は、検出信号を適切に測定しサンプリングする適切な変換回路を有し得る）。変調回路は小型化超音波トランスデューサ１１０２に提供されるインピーダンスを制御し、該小型化超音波トランスデューサ１１０２は呼びかけ機に後方散乱波を発する。ＡＳＩＣ１１０４は電源回路１１２６も有し、該電源回路１１２６はＡＳＩＣの各構成要素に電力を供給する。電源回路は電力をトランスデューサから得る。図１１Ａに示す実施形態では、光源１１０８と光検出器１１１２とは同じ方向を向いている。図１１Ｂは、酸素センサまたはｐＨセンサを有し、光源１１０８と光検出器１１１２が互いに向き合っている埋め込み型デバイスの代替的構成を示す。
いくつかの実施形態では、光センサを用いて血圧または脈拍数を測定できる。例えば、光センサは細胞膜を含み得る。光源からの光が細胞膜上に集束され、細胞膜が光を反射し、それが光検出器に検出される。細胞膜は圧力で変形し、その変形が反射光に変化を生じさせる。
いくつかの実施形態では、温度センサを有する埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と温度センサ（例えば、絶対温度比例（ＰＴＡＴ）回路、熱電対、またはサーミスタ）とを有する。いくつかの実施形態では、サーミスタは負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタである。いくつかの実施形態では、サーミスタは正温度係数（ＮＴＣ）サーミスタである。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスはＡＳＩＣ（該ＡＳＩＣは、任意で、フロントエンド（例えばＣＭＯＳフロントエンド）またはドライバを含む）をさらに有し、該ＡＳＩＣは温度センサと一体化されてもよいし、温度センサと別個のものでもよい。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣはデジタル回路、変調回路、または電源回路を有する。電源回路はトランスデューサから電力を得る。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスはＡＳＩＣを有さない。温度センサによってトランスデューサに提供されるインピーダンスは測定温度に依存し、超音波トランスデューサを流れる電流を変調させる。超音波トランスデューサを流れる電流は、外部のトランシーバによって検出される超音波後方散乱に変化を生じさせるので、温度センサを有する埋め込み型デバイスを用いて温度を測定することができる。温度センサを有する埋め込み型デバイスを用いて、例えば、対象の体内の臓器（例えば、肝臓、胃、小腸または大腸、腎臓、膵臓、胆嚢、膀胱、卵巣、子宮、脾臓など）の温度を、例えば、組織（例えば癌）のアブレーション（例えば、無線周波アブレーション、マイクロ波高温治療アブレーション、または凍結治療アブレーション）のあいだ、監視することができる。いくつかの実施形態では、臓器は移植臓器である。いくつかの実施形態では、温度センサを有する埋め込み型デバイスを用いて、感染部位の温度を監視する。いくつかの実施形態では、温度センサを有する埋め込み型デバイスは、約２℃以内（例えば、約１℃以内、または約０．５℃以内）で温度を決定できる。
図１２Ａは、小型化超音波トランスデューサ１２０２（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と温度センサ１２０４（例えば、ＰＴＡＴ回路またはサーミスタ）とを有する埋め込み型デバイスの一実施形態を示す。呼びかけ機が送信した超音波が小型化超音波トランスデューサ１２０２を振動させ、それが、温度センサ１２０４を流れる電流を生成する。温度センサ１２０４は、該センサ１２０４の温度に応じて抵抗を生成し、それが小型化超音波トランスデューサ１２０２を流れる電流を変調させる。小型化超音波トランスデューサ１２０２が呼びかけ機に送信する超音波後方散乱は、センサのインピーダンスおよびその結果生じたトランスデューサの電流の変化に依存する。このように、超音波後方散乱は温度センサ１２０４の温度に依存しており、それを用いて、周辺組織の温度を決定することができる。
図１２Ｂは、小型化超音波トランスデューサ１２０６（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と、温度センサ１２０８（例えば、ＰＴＡＴ回路またはサーミスタ）と、ＡＳＩＣ１２１０とを有する埋め込み型デバイスの実施形態を示す。ＡＳＩＣ１２１０はデジタル回路１２１２を含み得、該デジタル回路１２１２は温度センサ１２０８を作動させ温度センサ１２０８から信号を受信することができる。デジタル回路１２１２は、温度センサ１２０８からのアナログ信号をデジタル信号に変換することもできる。デジタル回路１２１２は変調回路１２１４（例えば、スイッチ（例えば、ＦＥＴ））を作動させる。変調回路１２１４は小型化超音波トランスデューサ１２０６に接続している。デジタル回路１２１２は信号（デジタル信号またはアナログ信号）を変調回路１２１４に送信することができ、変調回路１２１４は小型化超音波トランスデューサ１２０６を流れる電流のインピーダンスを変える。いくつかの実施形態では、デジタル回路１２１２は温度センサ１２０８が検出した温度を計算し、該温度は、変調回路１２１４へ送信される信号にエンコードされる。いくつかの実施形態では、デジタル回路１２１２は未加工信号を温度センサ１２０８から変調回路１２１４へ送信する。小型化超音波トランスデューサ１２０６が後方散乱超音波を発し、それが温度情報をエンコードする。ＡＳＩＣ１２１０は電源回路１２１６も含み得、該電源回路１２１６はＡＳＩＣの各構成要素に電力を供給できる。電源回路はトランスデューサから電力を得る。任意で、ＡＳＩＣはドライバおよび／またはフロントエンド（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）を含み得、これを用いて温度センサ１２０８を制御し温度センサ１２０８から信号を集めることができる。
いくつかの実施形態では、センサは圧力センサである。圧力センサを有する埋め込み型デバイスを用いて、例えば、血圧、脈拍数、組織炎症、血管収縮、コンパートメント症候群、消化（ＧＩ）管監視、創傷回復、眼圧、または頭蓋圧を監視することができる。埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と圧力センサとを有し得る。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスはＡＳＩＣ（該ＡＳＩＣは、任意で、フロントエンド（例えばＣＭＯＳフロントエンド）またはドライバを含む）をさらに有し、該ＡＳＩＣは圧力センサと一体化されてもよいし、圧力センサと別個のものでもよい。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣはデジタル回路、変調回路、または電源回路を有する。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスはＡＳＩＣを有さない。圧力センサは、例えば、印加された圧力に応じて電流（電流は、ＡＳＩＣが存在する場合はＡＳＩＣを流れる）を変調できるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）であり得る。
図１３Ａは、小型化超音波トランスデューサ１３０２（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と圧力センサ１３０４（例えば、ＭＥＭＳ）とを有する埋め込み型デバイスの一実施形態を示す。呼びかけ機によって送信される超音波が小型化超音波トランスデューサ１３０２を振動させ、それが圧力センサ１３０４を通る電流を生成する。圧力センサ１３０４は圧力依存性のインピーダンス１３０４を示し、それが小型化超音波トランスデューサ１３０２に戻る電流を変調させる。小型化超音波トランスデューサ１３０２によって呼びかけ機に送信される超音波後方散乱は、戻る電流に依存する。このように、超音波後方散乱は圧力センサ１３０４に検知される圧力に依存しており、これを用いて周囲の組織の圧力を測定できる。
図１３Ｂは、小型化超音波トランスデューサ１３０６（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と、圧力センサ１３０８（例えば、ＭＥＭＳ）と、ＡＳＩＣ１３１０とを有する埋め込み型デバイスの一実施形態を示す。ＡＳＩＣ１３１０はデジタル回路１３１２を含み得、該デジタル回路１３１２は圧力センサ１３０８を作動させ、圧力センサ１３０８から信号を受信し得る。デジタル回路１３１２は、圧力センサ１３０８からのアナログ信号をデジタル信号に変換することもできる。デジタル回路１３１２は変調回路１３１４（例えば、スイッチ（例えば、ＦＥＴ））を作動させる。変調回路１３１４は小型化超音波トランスデューサ１３０６に接続している。デジタル回路１３１２は信号（デジタル信号またはアナログ信号）を変調回路１３１４に送信することができ、変調回路１３１４は小型化超音波トランスデューサ１３０６に提供される電流のインピーダンスを変える。いくつかの実施形態では、デジタル回路１３１２は圧力センサ１３０８が検出した圧力を計算し、該圧力は、変調回路１３１４へ送信される信号にエンコードされる。いくつかの実施形態では、デジタル回路１３１２は未加工信号を圧力センサ１２０８から変調回路１３１４へ送信する。小型化超音波トランスデューサ１３０６が後方散乱超音波を発し、それが圧力情報をエンコードする。ＡＳＩＣ１３１０は電源回路１３１６も含み得、該電源回路１３１６はＡＳＩＣの各構成要素に電力を供給できる。電源回路はトランスデューサから電力を得る。任意で、ＡＳＩＣはドライバおよび／またはフロントエンド（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）を含み得、これを用いて圧力センサ１３０８を制御し圧力センサ１３０８から信号を集めることができる。
いくつかの実施形態では、センサはグルコースセンサである。糖尿病は、血糖値が長時間にわたって上昇し、脱水症状、心血管の損傷、神経損傷などに至る、一群の代謝病である。現在、糖尿病には治療法はなく、罹患者はその血中グルコースレベルを常時監視しなければならない。グルコース状態を注意深く調節することで糖尿病性合併症を抑えることができるからである。従来のグルコース監視は、患者がランセットを用いて血液を抜き、血液サンプルをグルコースモニタに通して行われる。これは、患者にとっては不快であり、ランセットやテストストリップの購入は極めて高額に成り得る。なぜなら、糖尿病患者は自分のグルコースレベルを１日に６～７回、監視しなければならないからである。グルコース監視の代替的な方法は、針を繰り返し挿入するという問題に対し、常時グルコース監視を行うことで対応しようとするが、これらの方法は、さらに高価で依然として針の挿入を必要とするか、あるいは、非侵襲的だが正確さに劣る。ここで、本明細書に記載された埋め込み型デバイスは、常時グルコース監視で役割を果たすことができる。グルコースの酸化により後方散乱が変調される長期埋め込み型デバイスならば、呼びかけ機を導電性ゲルで身体上に貼り付けるだけで、常時グルコース監視が可能になる。
電気化学的方法によるグルコース監視は、長い間、特異性を確保するグルコースオキシダーゼのような酵素で覆われた電極を用いた電流測定によって行われてきた。残念ながら、そのようなデバイスはデバイス寿命が短い傾向にある。市販の皮下タイプの常時グルコースモニタは、体温での酵素層の不安定さのため、３～７日の寿命しか持たないことがしばしばである。この対策として、例えば電位差測定化学センサのような、非酵素プローブが開発されてきた。残念ながら、これらのデバイスの失敗の主な要因の１つは、単に、皮下組織に異物を入れるということなのである。異物反応の問題は、長期にわたる神経インターフェースの埋め込みにおいて直面した困難と同様である。本明細書に記載の埋め込み型デバイス（例えば、ＳｉＣでコーティングされた埋め込み型デバイス）は、強力な解決策を提供する。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、バルク圧電トランスデューサ、ＰＭＵＴ、またはＣＭＵＴ）と、ＡＳＩＣと、グルコースセンサとを有する。グルコースセンサは、血液または間質液中のグルコースを検出することができ、センサから流れる電流は該センサによって検出されるグルコース濃度に依存し得る。小型化超音波トランスデューサによって発せられる後方散乱超音波はグルコース濃度情報をエンコードすることができる。例えば、グルコースセンサは第１電極と第２電極とを有し得、センサ中のグルコースの量に基づいて電圧差を生じさせることができる。いくつかの実施形態では、第１電極はグルコースオキシダーゼによって機能化される。いくつかの実施形態では、センサは、電極を周囲の組織から隔てるグルコース透過膜を有する。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣはフロントエンド（例えば、ＣＭＯＳフロントエンド）またはドライバを有する。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、デジタル回路、変調回路、または電源回路を有する。ＡＳＩＣはグルコースセンサを作動させて、該センサ中のグルコース濃度に依存する信号を受信することができる。例えば、サイクリック・ボルタンメトリーを用いて、グルコース濃度に依存する電圧を生成することができ、それが、ＡＩＳＣが受信する信号に反映される。いくつかの実施形態では、デジタル回路はグルコースセンサを作動させる。グルコースセンサからの信号は変調回路（例えば、スイッチ（例えば、ＦＥＴ））に送られ、それが、小型化超音波トランスデューサに提供されるインピーダンスを変調する。いくつかの実施形態では、デジタル回路は変調回路を制御する。いくつかの実施形態では、デジタル回路は未加工信号を変調回路に送信できる。デジタル回路は、グルコースセンサから受信した未加工信号からグルコース濃度を測定して変調回路に信号を送り、変調回路が測定されたグルコース濃度をエンコードする。
いくつかの実施形態では、センサはひずみセンサ（またはひずみ計測器）である。ひずみセンサは、物質（例えば、組織または臓器）が基準となる長さに比べてどれほど伸びているかを測定する。ひずみセンサは、例えば、伸びるにつれて抵抗が変化する薄膜導体または薄膜半導体を含み得る。
＜埋め込み型デバイスの製造＞
埋め込み型デバイスは、小型化超音波トランスデューサ（例えば、ＣＭＵＴ、ＰＭＵＴ、またはバルク圧電トランスデューサ）を圧電トランスデューサの第１面上の第１電極に取り付け、第２電極を圧電トランスデューサの第２面（第１面と第２面は圧電トランスデューサの互いに反対側にある）に取り付けて製造することができる。第１電極および第２電極は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に取り付けられてよく、該ＡＳＩＣはプリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置されてよい。構成要素のＰＣＢへの取り付けとして、ワイヤボンディング、はんだ付け、フリップチップボンディング、または金バンプボンディングを挙げ得る。ＡＳＩＣは１つ以上のセンサを有し得る。
さまざまな厚みの金属化ＰＺＴシートのような、特定の圧電材料（例えば、PSI-5A4E, Piezo Systems, Woburn, MA、またはPZT 841, APC Internationals, Mackeyville, PA）を購入できる。いくつかの実施形態では、圧電材料シートを所望のサイズにダイスカットし、ダイシングした圧電材料を電極に取り付ける。いくつかの実施形態では、電極を圧電材料シートに取り付け、圧電材料シートを、電極が圧電材料に取り付けられた所望のサイズにダイスカットする。圧電材料を、セラミック刃を有するダイシングソーでダイスカットして、圧電材料のシートを個々の圧電トランスデューサにカットすることができる。いくつかの実施形態では、レーザカッターを用いて圧電材料をダイスカットまたは単体化する。いくつかの実施形態では、パターンエッチングを用いて圧電材料をダイスカットまたは単体化する。
電極を、圧電トランスデューサの上面および下面に取り付けることができる。電極間の距離が圧電トランスデューサの高さとして定義される。例示的な電極は、銀、金、白金、白金黒、ポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、導電性ポリマー（例えば、導電性ＰＤＭＳまたはポリイミド）、またはニッケルを含み得る。いくつかの実施形態では、電極材料を圧電トランスデューサの面上に電気メッキまたは真空蒸着することによって、電極を圧電トランスデューサに取り付ける。いくつかの実施形態では、電極は、適切なはんだおよびフラックスを用いて圧電トランスデューサにはんだ付けされる。いくつかの実施形態では、電極は、エポキシ（例えば、銀エポキシ）または低温はんだ付け（例えば、はんだペーストによる）を用いて圧電トランスデューサに取り付けられる。
例示的な実施形態では、ＡＳＩＣのＰＣＢへの取り付け前またはあとに、はんだペーストがプリント回路基板（ＰＣＢ）上のパッドに塗布される。回路基板上のパッドのサイズは、圧電トランスデューサの所望のサイズに依存する。あくまでも例として、圧電トランスデューサの所望のサイズが約１００μｍ×１００μｍ×１００μｍである場合、パッドは約１００μｍ×１００μｍであり得る。パッドは埋め込み型デバイス用の第１電極として機能する。圧電材料（パッドより大きくてもよい）をパッド上に置き、塗布したはんだペーストでパッドに固定すると、圧電ＰＣＢアセンブリとなる。圧電ＰＣＢアセンブリを加熱してはんだペーストを硬化させ、それにより、圧電トランスデューサをＰＣＢに接着させる。圧電材料がパッドより大きい場合、圧電材料を、例えばウェハダイシングソーまたはレーザカッターを用いて所望のサイズにカットする。圧電材料の非接着部分（例えば、圧電材料のうち、パッドにかぶさらない部分）を取り除く。第２電極を圧電トランスデューサおよびＰＣＢに取り付ける。これは、例えば、圧電トランスデューサの上部とＰＣＢとのあいだにワイヤボンドを形成することにより行われる。これにより、回路が完成する。ワイヤボンドは、任意の導電性材料（例えば、アルミニウム、銅、銀、または金）でできたワイヤを用いて形成される。
集積回路と小型化超音波トランスデューサとは、ＰＣＢの同じ側に取り付けてよく、ＰＣＢの互いに反対側に取り付けてもよい。いくつかの実施形態では、ＰＣＢは柔軟性ＰＣＢであり、集積回路と超音波トランスデューサとは、ＰＣＢの同じ側に取り付けられ、ＰＣＢを折り曲げることで、集積回路と超音波トランスデューサとがＰＣＢの互いに反対側にある埋め込み型デバイスが得られる。
任意で、デバイスまたはデバイスの一部分を生体適合性物質（例えば、生体適合性ポリマー）で包む。生体適合性物質は、例えば、Ｎ‐ビニル‐２‐ピロリドン（ＮＶＰ）とｎ‐ブチルメタクリレート（ＢＭＡ）のコポリマー、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、例えば、Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI）、パリレン、ポリイミド、窒化珪素、二酸化珪素、アルミナ、ニオビウム、ヒドロキシアパタイト、または炭化珪素である。炭化珪素は、非晶質炭化珪素でもよく、結晶質炭化珪素でもよい。いくつかの実施形態では、生体適合性物質（例えば、非晶質炭化珪素）を、プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）またはスパッタリングによってデバイスに塗布する。ＰＥＣＶＤは、炭化珪素を生成するために、ＳｉＨ４やＣＨ４のような前駆体を用いてよい。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスまたは埋め込み型デバイスの一部分を、医療用移植に適切なセラミック（例えば、アルミナまたはチタニア）または金属（例えば、スチールまたはチタニウム）で包む。
図１４は、本明細書に記載の埋め込み型デバイスを製造する例示的な方法を示す。工程１４０２で、ＡＳＩＣをＰＣＢに取り付ける。はんだ（例えば、銀エポキシ）をＰＣＢに（例えば、ＰＣＢ上に配置された第１パッドにおいて）塗布することができ、ＡＳＩＣをはんだ上に置くことができる。はんだは、例えば、ＡＳＩＣを有するＰＣＢを加熱することで、硬化させることができる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣを有するＰＣＢを、約５０℃ないし約２００℃まで、例えば、約８０℃ないし約１７０℃まで、または約１５０℃まで、加熱する。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣを有するＰＣＢを、約５分間ないし約６００分間、例えば、約１０分間ないし約３００分間、約１０分間ないし約１００分間、約１０分間ないし約６０分間、約１０分間ないし約３０分間、または約１５分間、加熱する。任意で、ＡＳＩＣを追加のはんだでコーティングする。工程１４０４で、圧電トランスデューサ（図１４の「圧電素子」）をＰＣＢに取り付ける。はんだ（例えば、銀エポキシ）をＰＣＢに（例えば、ＰＣＢ上に配置された第２パッドにおいて）塗布することができ、圧電材料を該はんだ上に置くことができる。圧電材料は完全に形成された（すなわち、「ダイスカットされた」）圧電トランスデューサでよく、または、ＰＣＢに取り付けたらカットして圧電トランスデューサを形成する圧電材料シートでもよい。はんだは、例えば圧電材料を有するＰＣＢを加熱することで、硬化することができる。いくつかの実施形態では、圧電材料を有するＰＣＢを、約５０℃ないし約２００℃まで、例えば、約８０℃ないし約１７０℃まで、または約１５０℃まで、加熱する。いくつかの実施形態では、圧電材料を有するＰＣＢを、約５分間ないし約６００分間、例えば、約１０分間ないし約３００分間、約１０分間ないし約１００分間、約１０分間ないし約６０分間、約１０分間ないし約３０分間、または約１５分間、加熱する。圧電材料は、ソーまたはレーザカッターを用いて所望の寸法にカットすることができる。いくつかの実施形態では、圧電材料はゾルゲル（例えば、ＰＺＴゾルゲル）であり、トランスデューサ材料は深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）で成形することができる。図１４では、工程１４０２でＡＳＩＣをＰＣＢに取り付け、それから工程１４０４で圧電材料をＰＣＢに取り付けているが、当業者ならば、ＡＳＩＣと圧電材料とは任意の順序で取り付けてよいとわかるであろう。工程１４０６において、ＡＳＩＣと圧電トランスデューサとはＰＣＢにワイヤボンディングされる。図１４に示す方法では、ＡＳＩＣと圧電トランスデューサとがＰＣＢに取り付けられたあとのＰＣＢに対するＡＳＩＣと圧電トランスデューサとを示しているが、当業者ならば、ＡＳＩＣはＰＣＢに取り付けたあとでＰＣＢにワイヤボンディングすることができ、かつ、ＡＳＩＣは圧電トランスデューサの取り付けの前またはあとのいずれでもワイヤボンディングできるとわかるであろう。同様に、圧電トランスデューサは、ＡＳＩＣのＰＣＢに対する取り付けまたはワイヤボンディングの前またはあとのいずれでもＰＣＢにワイヤボンディングしてよい。工程１４０８において、センサがＰＣＢに取り付けられる。センサは、本明細書に記載の任意のセンサであり得る。はんだ（例えば、銀エポキシ）をＰＣＢに（例えば、ＰＣＢ上に配置した第３パッドにおいて）塗布することができ、センサを該はんだ上に置くことができる。はんだは、例えばセンサを有するＰＣＢを加熱することによって、硬化することができる。いくつかの実施形態では、センサを有するＰＣＢを、約５０℃ないし約２００℃まで、例えば、約８０℃ないし約１７０℃まで、または約１５０℃まで、加熱する。いくつかの実施形態では、センサを有するＰＣＢを、約５分間ないし約６００分間、例えば、約１０分間ないし約３００分間、約１０分間ないし約１００分間、約１０分間ないし約６０分間、約１０分間ないし約３０分間、または約１５分間、加熱する。図１４では、圧電トランスデューサとＡＳＩＣとをＰＣＢに取り付けたあとでセンサをＰＣＢに取り付けているが、当業者ならばセンサがＰＣＢに取り付けられるのは、ＡＳＩＣと圧電トランスデューサとがＰＣＢに取り付けられる前でもあとでもよいとわかるであろう。センサの種類に応じて、センサはＰＣＢにワイヤボンディングしてよく、それは、センサがＰＣＢに取り付けられてからでよく、かつ、圧電トランスデューサおよび／またはＡＳＩＣのＰＣＢに対するワイヤボンディングの前でもあとでもよい。工程１４１０において、デバイスの少なくとも一部分が生体適合性物質でコーティングされる。好ましくは、少なくとも圧電トランスデューサとＡＳＩＣとが生体適合性物質でコーティングされる。いくつかの実施形態では、センサは、あるいはセンサの少なくとも一部分は、生体適合性物質でコーティングされない。例えば、いくつかの実施形態では、センサは、生体適合性物質でコーティングされていない一組の電極を有し、それにより、該電極は、生理的状態の変化を検出できる。いくつかの実施形態では、生体適合性物質が、例えばＵＶ光に露出することにより、または加熱により、硬化される。
いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスは非晶質炭化珪素（ａ－ＳｉＣ）フィルムで被包される。図１５は、ａ－ＳｉＣフィルムに被包された埋め込み型デバイスを製造する方法を示す。工程１５０２において、ポリイミド層を滑らかな表面に塗布する。工程１５０４において、ａ－ＳｉＣ層をポリイミド層に塗布する。これは、例えば、プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を用いて、ＳｉＨ４およびＣＨ４を前駆体として用いて、行うことができる。工程１５０６において、１つ以上のポートをａ－ＳｉＣ層にエッチングする。いくつかの実施形態では、ポートはポリイミド層にもエッチングする。ポートは、埋め込み型デバイスのうち、ａ－ＳｉＣに被包されていない部分、例えば、埋め込み後、組織、血液、または間質液に接触するセンサまたは電極の部分へのアクセスを提供する。いくつかの実施形態では、エッチングは反応性イオンエッチングを含む。工程１５０８において、埋め込み型デバイスをａ－ＳｉＣ層に取り付ける。埋め込み型デバイスはａ－ＳｉＣ層に取り付ける前にあらかじめ組み立てておいてもよいし、ａ－ＳｉＣ上で作ってもよい。いくつかの実施形態では、プリント回路基板（ＰＣＢ）、小型化超音波トランスデューサ、およびセンサをａ－ＳｉＣ層に取り付ける。小型化超音波トランスデューサおよびセンサはａ－ＳｉＣ層と直接接触する必要はない。小型化超音波トランスデューサおよびセンサはＰＣＢに取り付けられてよいからである。小型化超音波トランスデューサまたはセンサのＰＣＢへの取り付けは、ＰＣＢをａ－ＳｉＣ層に取り付ける前でもあとでもよい。いくつかの実施形態では、小型化超音波トランスデューサまたはセンサのＰＣＢへの取り付けは、小型化超音波トランスデューサまたはセンサをＰＣＢにワイヤボンディングすることを含む。いくつかの実施形態では、センサは、ａ－ＳｉＣ層にエッチングされたポートと交流する部分を含む。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣがＰＣＢに取り付けられ、それはＰＣＢをａ－ＳｉＣ層に取り付ける前でもあとでもよい。工程１５１０において、埋め込み型デバイスの露出した部分はａ－ＳｉＣ層でコーティングされる。いくつかの実施形態では、埋め込み型デバイスの露出した部分は、ＰＥＣＶＤを用いてａ－ＳｉＣ層でコーティングされる。工程１５１２において、被包された埋め込み型デバイスを浮き出させ、埋め込み型デバイスをＳｉＣ層から離す。
〔例示的な実施形態〕
実施形態１．被検物質の量、ｐＨ、温度、ひずみ、または圧力を検出するよう構成されたセンサと、
最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサであって、上記センサによって検出された、上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、または上記圧力に基づいて変調された電流を受信し、上記受信された電流に基づいて超音波後方散乱を発するよう構成された、超音波トランスデューサと、
を有する、埋め込み型デバイス。
実施形態２．上記超音波トランスデューサは、上記埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信するよう構成されている、実施形態１に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３．上記超音波トランスデューサは、１つ以上の超音波トランスデューサを含む呼びかけ機からの超音波を受信するよう構成されている、実施形態２に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４．上記超音波トランスデューサは、バルク圧電トランスデューサである、実施形態１から３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態５．上記バルク超音波トランスデューサはほぼ立方体である、実施形態４に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態６．上記超音波トランスデューサは、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、または容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）である、実施形態１から５のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態７．最大寸法の長さが約５ｍｍ以下である、実施形態１から６のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態８．体積が約５ｍｍ３以下である、実施形態１から７のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態９．体積が約１ｍｍ３以下である、実施形態１から８のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１０．対象に埋め込まれる、実施形態１から９のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１１．上記対象は動物である、実施形態１０に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１２．上記対象はヒトである、実施形態１０または１１に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１３．上記対象は植物である、実施形態１０に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１４．上記センサは上記被検物質の量またはｐＨを検出する、請求項１から３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１５．上記センサは光センサである、実施形態１４に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１６．上記光センサは光源および光検出器を有する、実施形態１５に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１７．上記光センサは血圧または脈拍を検出する、実施形態１５または１６に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１８．上記光センサは、蛍光色素を含むマトリクスを有し、上記蛍光色素の蛍光強度または蛍光寿命は上記被検物質の量に依存する、実施形態１５または１６に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態１９．上記センサはｐＨまたは酸素を検出する、実施形態１５、１６、または１８のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２０．上記光センサは近赤外線分光法を行うよう構成されている、実施形態１５または１６に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２１．上記センサはグルコースを検出する、実施形態２０に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２２．上記光センサは上記光源または上記光検出器上に光フィルタを有する、実施形態１６から２１のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２３．上記光センサは上記光源および上記光検出器上に光フィルタを有する、実施形態１６から２２のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２４．上記センサは電位差測定化学センサである、実施形態１から１３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２５．上記センサは電流測定化学センサである、実施形態１から１３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２６．上記センサは酸素、ｐＨ、またはグルコースを検出する、実施形態２４または２５に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２７．上記センサは温度センサである、実施形態１から１３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
[0183]
実施形態２８．上記温度センサは、サーミスタ、熱電対、または絶対温度比例（ＰＴＡＴ）回路である、実施形態２７に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態２９．バルク圧電超音波トランスデューサとサーミスタとを有する、実施形態１から１３のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３０．上記センサは圧力センサである、実施形態１に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３１．上記圧力センサはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）センサである、実施形態３０に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３２．血圧または脈拍を測定するよう構成されている、実施形態３０または３１に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３３．集積回路をさらに有する、実施形態１から３２に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３４．上記集積回路は、電源回路を有する、実施形態３３に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３５．上記集積回路は、上記センサに電流を供給するよう構成されたドライバを有する、実施形態３３または３４に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３６．上記集積回路は、１つ以上の光源に電流を供給するよう構成されたドライバを有する、実施形態３３から３５のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３７．上記集積回路は、上記センサから信号を受信するよう構成されたフロントエンドを有する、実施形態３４から３６のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３８．上記集積回路は、光検出器から信号を受信するよう構成されたフロントエンドを有する、実施形態３４から３７のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態３９．上記フロントエンドはＣＭＯＳフロントエンドである、実施形態３７または３８に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４０．上記集積回路は、スイッチを有する変調回路を有する、実施形態３３から３９のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４１．上記スイッチは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有する、実施形態４０に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４２．上記集積回路は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を有する、実施形態３３から４１のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４３．上記集積回路はデジタル回路を有する、実施形態３３から４２のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４４．上記デジタル回路は変調回路を作動させるよう構成されている、実施形態４３に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４５．上記デジタル回路は上記変調回路にデジタル化信号を送信するよう構成されており、該デジタル化信号は上記検出された被検物質の量、上記検出された温度、または上記検出された圧力に基づく、実施形態４３または４４に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４６．生体適合性物質によって少なくとも部分的に被包されている、実施形態１から４５のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４７．上記生体適合性物質は、Ｎ‐ビニル‐２‐ピロリドン（ＮＶＰ）とｎ‐ブチルメタクリレート（ＢＭＡ）のコポリマー、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、パリレン、ポリイミド、窒化珪素、二酸化珪素、アルミナ、ニオビウム、ヒドロキシアパタイト、炭化珪素、チタニア、スチール、またはチタニウムである、実施形態４６に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４８．上記生体適合性物質はセラミックまたは金属を含む、実施形態４６に記載の埋め込み型デバイス。
実施形態４９．非応答型リフレクタをさらに有する、実施形態１から４８のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態５０．２つ以上のセンサを有する、実施形態１から４９のいずれか一つに記載の埋め込み型デバイス。
実施形態５１．実施形態１から５０のいずれか一つに記載の１つ以上の埋め込み型デバイスと、該１つ以上の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、該１つ以上の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている１つ以上の超音波トランスデューサを有する呼びかけ機と、を有する、システム。
実施形態５２．上記呼びかけ機は、超音波を送信するよう構成された第１超音波トランスデューサと、上記１つ以上の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成された第２超音波トランスデューサと、を有する、実施形態５１に記載のシステム。
実施形態５３．上記呼びかけ機は２つ以上の別個の呼びかけデバイスを含み、第１呼びかけデバイスは超音波を上記１つ以上の埋め込み型デバイスに送信するよう構成され、第２呼びかけデバイスは上記１つ以上の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている、実施形態５１または５２に記載のシステム。
実施形態５４．上記呼びかけ機は２つ以上の超音波トランスデューサアレイを有し、各トランスデューサアレイは２つ以上の超音波トランスデューサを有する、実施形態５１から５３のいずれか一つに記載のシステム。
実施形態５５．上記少なくとも１つ以上の超音波トランスデューサのうち少なくとも１つは、上記１つ以上の埋め込み型デバイスへの超音波の送信と、上記１つ以上の埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱の受信を交互に行うよう構成されており、上記トランスデューサの構成は上記呼びかけ機上のスイッチによって制御される、実施形態５１から５４のいずれか一つに記載のシステム。
実施形態５６．複数の埋め込み型デバイスを有する、実施形態５１から５５のいずれか一つに記載のシステム。
実施形態５７．上記呼びかけ機は、送信される超音波をビームステアリングして、該送信される超音波を、上記複数の埋め込み型デバイスの第１部分または上記複数の埋め込み型デバイスの第２部分に交互に集中させるよう構成されている、実施形態５６に記載のシステム。
実施形態５８．上記呼びかけ機は、少なくとも２つの埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を同時に受信するよう構成されている、実施形態５６に記載のシステム。
実施形態５９．上記呼びかけ機は、時間分割多重化を用いて、上記複数の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、上記複数の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている、実施形態５６に記載のシステム。
実施形態６０．上記呼びかけ機は、空間多重化を用いて、上記複数の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、上記複数の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている、実施形態５６に記載のシステム。
実施形態６２．上記呼びかけ機は、周波数多重化を用いて、上記複数の埋め込み型デバイスに超音波を送信するか、上記複数の埋め込み型デバイスから超音波後方散乱を受信するよう構成されている、実施形態５６に記載のシステム。
実施形態６３．上記呼びかけ機は、対象によって着用可能であるよう構成されている、実施形態５１から６２のいずれか一つに記載のシステム。
実施形態６４．被検物質の量、ｐＨ、温度、または圧力を検出する方法であって、
最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサを有する１つ以上の埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信する工程と、
上記超音波から電流へエネルギーを変換する工程と、
上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、または上記圧力を測定するよう構成されたセンサに、上記電流を送信する工程と、
上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、または上記測定された圧力に基づいて、上記電流を変調する工程と、
上記変調された電流を、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、または上記測定された圧力をエンコードする超音波後方散乱に変換する工程と、
上記超音波後方散乱を、該超音波後方散乱を受信するよう構成された１つ以上のトランスデューサを有する呼びかけ機に発する工程と、
を含む、方法。
実施形態６５．被検物質の量、ｐＨ、温度、または圧力を検出する方法であって、
最大寸法の長さが約５ｍｍ以下の超音波トランスデューサを有する１つ以上の埋め込み型デバイスに電力を供給する超音波を受信する工程と、
上記超音波から電流へエネルギーを変換する工程と、
上記被検物質の量、上記ｐＨ、上記温度、または上記圧力を、センサを用いて測定する工程と、
上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、または上記測定された圧力に基づいて、上記電流を変調する工程と、
上記変調された電流を、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、または上記測定された圧力をエンコードする超音波後方散乱に変換する工程と、
上記超音波後方散乱を、該超音波後方散乱を受信するよう構成された１つ以上のトランスデューサを有する呼びかけ機に発する工程と、
を含む、方法。
実施形態６６．上記呼びかけ機を用いて上記超音波後方散乱を受信する工程をさらに含む、実施形態６４または６５に記載の方法。
実施形態６７．上記超音波を送信するよう構成された上記呼びかけ機を用いて、上記超音波を送信する工程をさらに含む、実施形態６４から６６のいずれか一つに記載の方法。
実施形態６８．上記超音波は２つ以上のパルスで送信される、実施形態６７に記載の方法。
実施形態６９．上記超音波後方散乱を分析して、上記測定された被検物質の量、上記測定されたｐＨ、上記測定された温度、または上記測定された圧力を決定する工程を含む、実施形態６４から６８のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７０．上記被検物質の量またはｐＨを測定する工程を含む、実施形態６４から６９のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７１．酸素の量またはｐＨを測定する工程を含む、実施形態６４から７０のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７２．組織酸化レベルを監視する工程を含む、実施形態６４から７１のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７３．上記１つ以上の埋め込み型デバイスは、血管、移植臓器、または腫瘍に接して、またはその内部に、またはそれに近接して埋め込まれる、実施形態７２に記載の方法。
実施形態７４．光を発する工程と蛍光強度または蛍光寿命を検出する工程とを含み、上記蛍光強度または蛍光寿命は上記被検物質の量または上記ｐＨに依存する、実施形態６４から７３のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７５．発振発光と検出された蛍光とのあいだの位相シフトを決定する工程を含み、上記位相シフトは上記被検物質の量または上記ｐＨに依存する、実施形態７４に記載の方法。
実施形態７６．パルス化発光または発振発光に由来する、上記検出された蛍光の蛍光寿命を決定する工程を含む、実施形態７４または７５に記載の方法。
実施形態７７．グルコースの量を測定する工程を含む、実施形態６４から７０のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７８．上記温度を測定する工程を含む、実施形態６４から６９のいずれか一つに記載の方法。
実施形態７９．上記１つ以上の埋め込み型デバイスは、血管、移植臓器、または腫瘍に接して、またはその内部に、またはそれに近接して埋め込まれる、実施形態７８に記載の方法。
実施形態８０．臓器または感染部位の温度を監視する工程を含む、実施形態７８または７９に記載の方法。
実施形態８１．上記圧力を測定する工程を含む、実施形態６４から６９のいずれか一つに記載の方法。
実施形態８２．脈拍数または血圧を測定する工程を含む、実施形態８１に記載の方法。
実施形態８３．上記１つ以上の埋め込み型デバイスの相対的な位置を決定する、実施形態６４から８２のいずれか一つに記載の方法。
実施形態８４．上記１つ以上の埋め込み型デバイスの角運動または平行運動を検出する工程を含む、実施形態５３から８３のいずれか一つに記載の方法。
実施形態８５．上記超音波後方散乱を分析して、上記測定された被検物質の量、上記測定された温度、または上記測定された圧力を決定する工程であって、該分析は上記埋め込み型デバイスの角運動または平行運動を説明することを含む、実施形態８４に記載の方法。
実施形態８６．上記埋め込み型デバイスを対象に埋め込む工程を含む、実施形態６４から８５のいずれか一つに記載の方法。
実施形態８７．上記対象は動物である、実施形態８６に記載の方法。
実施形態８８．上記対象はヒトである、実施形態８６または８７に記載の方法。
実施形態８９．上記対象は植物である、実施形態８６に記載の方法。
実施形態９０．上記超音波後方散乱はデジタル化信号をエンコードする、実施形態６４から８９のいずれか一つに記載の方法。
実施形態９１．上記超音波後方散乱を受信する工程を含む、実施形態６４から９０のいずれか一つに記載の方法。
実施形態９２．上記超音波後方散乱は複数の埋め込み型デバイスから受信される、実施形態９１に記載の方法。
実施形態９３．上記超音波後方散乱は上記複数の埋め込み型デバイスから時間分割多重化を用いて受信される、実施形態９２に記載の方法。
実施形態９４．上記超音波後方散乱は上記複数の埋め込み型デバイスから空間多重化を用いて受信される、実施形態９２に記載の方法。
実施形態９５．上記超音波後方散乱は上記複数の埋め込み型デバイスから周波数多重化を用いて受信される、実施形態９２に記載の方法。
実施形態９６．周波数、振幅、位相、およびデューティサイクルの少なくとも１つが調節可能な超音波呼びかけパルスを生成し、送信された超音波呼びかけパルスによって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
身体状態を検知するリード線と、受信した超音波呼びかけパルスを該リード線によって検知された身体状態に基づいて変調して反射する回路と、を有する埋め込み型デバイスと、
を有する、医療システム。
実施形態９７．上記超音波トランシーバは埋め込み可能であり、外部のトランシーバと無線で通信するようさらに構成されている、実施形態９６に記載の医療システム。
実施形態９８．生成された超音波呼びかけパルスの周波数、振幅、位相、およびデューティサイクルの上記少なくとも１つは、超音波トランシーバと埋め込み型デバイスとの決定された距離に基づいて適切に設定される、実施形態９６および９７のいずれか一つに記載の医療システム。
実施形態９９．周波数、振幅、位相、およびデューティサイクルの上記少なくとも１つは、超音波トランシーバと埋め込み型デバイスとの上記決定された距離に基づいて適切に定められた超音波送信の焦点距離に対応する、実施形態９８に記載の医療システム。
実施形態１００．上記システムは、超音波トランシーバ間の距離を決定するよう構成されている、実施形態９８および９９のいずれか一つに記載の医療システム。
実施形態１０１．上記距離の決定は外部のトランシーバによって行われる、実施形態９７から１００のいずれか一つに記載の医療システム。
実施形態１０２．超音波呼びかけパルスを生成し、送信された超音波呼びかけパルスによって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
生物学的状態を検知するリード線と、該リード線によって検知された生物学的状態に応じる少なくとも１つの応答型領域と、上記検知された生物学的状態に応じない少なくとも１つの非応答性領域と、を有する埋め込み型デバイスと、を有し、
上記埋め込み型デバイスは受信された超音波呼びかけパルスを反射して、特定のパルスシグネチャーを生成し、該特定のパルスシグネチャーは、該シグネチャーの少なくとも１つの部分が上記少なくとも１つの応答型領域に対応し、該シグネチャーの少なくとも１つの他の部分が上記少なくとも１つの非応答型領域に対応している、医療システム。
実施形態１０３．上記システムは、上記応答型領域および非応答型領域が異なる構成を有する複数の埋め込み型デバイスを有し、異なるパルスシグネチャーを生成する、実施形態１０２に記載の医療システム。
実施形態１０４．超音波反射を生成した上記埋め込み型デバイスの正体を、上記パルスシグネチャーを用いて特定する、実施形態１０３に記載の医療システム。
実施形態１０５．各トランスデューサが超音波呼びかけパルスを生成するよう構成されたトランスデューサのアレイを有する超音波トランシーバであって、各トランスデューサはマイクロマシン構造およびバルク圧電クリスタルのうち１つを有し、該トランシーバは送信された超音波呼びかけパルスによって生成された超音波後方散乱を受信するようさらに構成されている、超音波トランシーバと、
複数の埋め込み型デバイスであって、各埋め込み型デバイスは、身体状態を検知するリード線と、受信した超音波呼びかけパルスを、該リード線が検知した身体状態に基づいて変調して反射する回路と、を有する、複数の埋め込み型デバイスと、
を有する、医療システム。
実施形態１０６．上記超音波トランシーバは、上記トランスデューサが生成した超音波ビームをステアリングする、実施形態１０５に記載の医療システム。
実施形態１０７．上記超音波トランシーバと上記複数の埋め込み型デバイスとの通信は時間分割多重化を用いる、実施形態１０５または１０６に記載の医療システム。
実施形態１０８．上記超音波トランシーバと上記複数の埋め込み型デバイスとの通信は空間多重化を用いる、実施形態１０５または１０６に記載の医療システム。
実施形態１０９．上記超音波トランシーバと上記複数の埋め込み型デバイスとの通信は周波数多重化を用いる、実施形態１０５または１０６に記載の医療システム。
実施形態１１０．超音波送信を生成し、生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
身体内生物学的状態を検知する光センサと、反射超音波後方散乱通信において、上記身体内生物学的状態を示す情報を変調させる超音波後方散乱通信システムと、を有する身体埋め込み型デバイスと、
を有する、身体内状態検知システム。
実施形態１１１．上記身体埋め込み型デバイスは光エミッタをさらに有する、実施形態１１０に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１２．上記光センサは組織酸化レベルを測定するよう構成されている、実施形態１１０に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１３．上記光センサは近赤外線分光法を行うよう構成されている、実施形態１１０または１１１に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１４．上記光センサは血中被検物質を測定するよう構成されている、実施形態１１０に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１５．上記被検物質はグルコースである、実施形態１１３に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１６．上記被検物質はｐＨである、実施形態１１３に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１７．上記光センサは血圧を測定するよう構成されている、実施形態１１０に記載の身体内生物学的状態検知システム。
実施形態１１８．身体内生物学的状態を検知する方法であって、
身体内生物学的状態を検知する光センサを有する身体埋め込み型デバイスを所定の位置に埋め込む工程であって、該身体埋め込み型デバイスは反射された生物学的状態を変調させる超音波後方散乱通信システムをさらに有する、工程と、
超音波送信を生成し、生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバを用いて、上記身体埋め込み型デバイスに、上記検知された内部生物学的状態を示す情報を得るよう呼びかける工程と、
を含む、方法。
実施形態１１９．上記光センサは組織酸化レベルを測定するよう構成されている、実施形態１１８に記載の方法。
実施形態１２０．上記身体埋め込み型デバイスは腫瘍の位置または腫瘍に近い位置に埋め込まれて、腫瘍の酸化を監視する、実施形態１１８に記載の方法。
実施形態１２１．複数の上記身体埋め込み型デバイスが脳内のさまざまな位置に埋め込まれ、上記方法は脳内の上記検知された生物学的状態を示す情報を脳機能イメージングする工程をさらに含む、実施形態１１８に記載の方法。
実施形態１２２．上記光センサは血中被検物質を測定するよう構成されている、実施形態１１８に記載の方法。
実施形態１２３．上記被検物質はグルコースである、実施形態１２２に記載の方法。
実施形態１２４．上記被検物質はｐＨである、実施形態１２３に記載の方法。
実施形態１２５．上記光センサは血圧を測定するよう構成されている、実施形態１１８に記載の方法。
実施形態１２６．超音波送信を生成し、生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
身体内生物学的状態を検知する圧力センサと、反射超音波後方散乱通信において、上記身体内生物学的状態を示す情報を変調させる超音波後方散乱通信システムと、を有する身体埋め込み型デバイスと、
を有する、身体内状態検知システム。
実施形態１２７．生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱と、
身体内生物学的状態を検知する温度センサと、反射超音波後方散乱通信において、上記身体内生物学的状態を示す情報を変調させる超音波後方散乱通信システムと、を有する身体埋め込み型デバイスと、
を有する、身体内状態検知システム。
実施形態１２８．超音波送信を生成し、生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
身体内生物学的状態を検知する電位差測定化学センサと、反射超音波後方散乱通信において、上記身体内生物学的状態を示す情報を変調させる超音波後方散乱通信システムと、を有する身体埋め込み型デバイスと、
を有する、身体内状態検知システム。
実施形態１２９．超音波送信を生成し、生成された超音波送信によって生成された超音波後方散乱を受信するよう構成された超音波トランシーバと、
身体内生物学的状態を検知する電流測定化学センサと、反射超音波後方散乱通信において、上記身体内生物学的状態を示す情報を変調させる超音波後方散乱通信システムと、を有する身体埋め込み型デバイスと、
を有する、身体内状態検知システム。
〔実施例〕
（実施例１）埋め込み型デバイスの製造
短縮された形態では、埋め込み型デバイスの組み立て工程は以下の通りである。
１．ＡＳＩＣをＰＣＢに取り付ける。
２．ＡＳＩＣのポートをＰＣＢにワイヤボンディングする。
３．圧電素子をＰＣＢに取り付ける。
４．圧電素子のポートをＰＣＢにワイヤボンディングする。
５．導出電極以外、デバイス全体を被包する。
ＡＳＩＣは、４５０μｍ×５００μｍ×５００ｐｍの大きさであり、Taiwan Semiconductor Manufacturing Companyの６５ｎｍプロセスによって組み立てられる。各チップは２つのトランジスタを有し、各トランジスタは５つのポート（ソース、ドレイン、ゲート、センター、バルク）を有する。各ＦＥＴは同じバルクを用いるので、どのバルクパッドを接続してもよいが、上記トランジスタは、上列にパッドを出したトランジスタは抵抗バイアスネットワークを有さないが、下列にパッドを出したトランジスタは抵抗バイアスネットワークを有するという点で異なる。チップはさらに、電気メッキ用のより小さいパッドも有する。同じプロセスは、より複雑な回路を有し、したがってより多くのパッドを有するＡＳＩＣにも適用できる。これらのパッドは本実施例では用いなかった。ＦＥＴの３つのバージョンをテープアウトした。
ダイ１：閾値電圧５００ｍＶの長チャネルＦＥＴ。
ダイ２：閾値電圧５００ｍＶの短チャネルＦＥＴ。
ダイ３：閾値電圧０ｍＶのネイティブＦＥＴ。
これらのＦＥＴの電気的特性の確認は、ワイヤボンディングの対象としての一組のパッドと、ワイヤがはんだ付けされた第２の組のパッドとから成る、特別に設計したＣＭＯＳキャラクタライゼーションボードを用いて測定した。ソースメータ（2400 Sourcemeter, Keithley Instruments, Cleveland, OH）を用いてＶＤＳをＦＥＴに供給しＩＤＳを測定した。調節可能な電源（E3631A, Agilent, Santa Clara, CA）を用いてＶＧＳを変調させ、ＦＥＴのＩ‐Ｖ特性を得た。タイプ２のダイについて特徴的でないＩＶ曲線が絶えず測定され、インピーダンス測定をすると、ダイ２の短チャネルはＦＥＴをショートさせるだろうとわかった。
圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。これは、APC Internationalからディスクとして購入したものであり、セラミックの刃（PN CX-010-'270-080-H）を有するウェハソー（DAD3240, Disco, Santa Clara, CA）を用いて、７５０μｍ×７５０μｍ×７５０μｍの立方体にダイシングした。このモートサイズが選ばれたのは、電力伝達効率を最大にしたからである。さらなる詳細については、Seo et al., Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces, arXiv: 1307.2196v1 (July 8, 2013)を参照のこと。
埋め込み型デバイス基板は、ＡＳＩＣを圧電素子および導出電極と一体化させている。埋め込み型デバイスの第１のバージョンは、The Boardworks（Oakland, CA）から購入した特注のＰＣＢを基板として用いた。上記ＰＣＢはＦＲ‐４から作られており、厚さ３０ｍｉｌ（約０．７６２ｍｍ）であった。基板の寸法は３ｍｍ×１ｍｍであった。この設計は、通信検知一体化プラットフォームの最初の試みであったので、サイズを大きくするという代償のもと、組み立てを容易にするようなパッドサイズおよびパッド間隔を選んだ。ＰＣＢ占有面積を保つため、ＰＣＢの各面は、圧電素子またはＡＳＩＣ用およびそのそれぞれのＰＣＢへの接続のためのパッドを有した。さらに、２つの導出パッドを基板のＡＳＩＣ面に置いた。露出した電極はすべて、The BoardworksのＥＮＩＧでメッキした。ＡＳＩＣを置くパッドは５００μｍ×５００μｍであり、ダイのサイズに合うように選ばれた。ワイヤボンディングの対象であるパッドのサイズは２００μｍ×２００μｍとなるように選ばれ、ダイの端部から約２００μｍ離して、ワイヤボンディングに十分な空きを作った（以下で説明する）。電極のサイズおよび間隔を変え、経験的に最適化した。
埋め込み型デバイスの２回目の繰り返しでは、３つの主な関心事項に応えた。１）サイズ、２）ワイヤボンディングの容易さ、３）埋め込み／通信である。まず、基板の厚みを減らすため、ＦＲ‐４基板を２ｍｉｌ（約５０．８μｍ）の厚さのポリイミド柔軟性ＰＣＢ（AltaFlex, Santa Clara, CA）と交換し、ＡＳＩＣ（Grinding and Dicing Services Inc., San Jose, CA）を１００μｍまで薄くした。ボンディングを容易にするため、ＡＳＩＣとＰＺＴクーポンとを同じ側に移動させ、基板の裏側には導出電極だけを残した。基板の同じ側にＡＳＩＣとＰＺＴクーポンとを置くことで、基板のサイズの減少が制約されるが、電極同士の間隔により基板の長さを少なくとも２ｍｍに制限した。最小化の試みを押し進めるため、ＡＳＩＣボンディングパッドを１００μｍ×１００μｍまで小さくしたが、ボンディングパッドとＡＳＩＣ自体との間隔２００μｍは、ワイヤボンディング用の空間を与えるために維持しなければならなかった。ＰＺＴクーポン用の取り付けパッドも縮小し基板の端部により近づけて位置させた。これは、ＰＺＴクーポンは基板の上に完全に乗る必要はなく、基板からはみ出してよいという理由によるものである。さらに、ＡＳＩＣに対するパッドの位置も修正して、ボンディングを容易にした。もともとの設計では、ＡＳＩＣを囲むボンディングパッドのレイアウトは２本のワイヤボンドが交差する必要があった。これは不可能ではないが、パッド同士の短絡を避けるのは極めて困難である。そのため、パッドのレイアウトを変えて、ボンドが比較的まっすぐな経路となるようにした。最後に、動物実験中、埋め込み型デバイスを並べるのは極めて困難であることがわかった。これに対処するため、基板から伸びる１インチのテストリード線４本を加え、そのうちの２本をデバイスのソースおよびドレインに直接接続して、測定できる電力を得、それをアライメントメトリックとして用いた。グラウンド・トゥルース信号を得るため、他の２本のリード線はゲートと中央ポートに接続した。どのリード線がどのポートに属するのか混乱するのを防ぐため、ビアには独自の形状を与えた。図１６Ａを参照のこと。
力を加えられると、試験用のリード線は容易に破断するか、容易にモートの位置を動かすかもしれないという恐れがいくらかあった。そのため、蛇行したトレースを用いたバージョンを設計した。蛇行したトレース（図１６Ｂ）は、変形可能な相互接続を可能にするためにしばしば用いられてきたものである。その構造により、「アコーディオンのように広げる」ことが可能だからである。概念的には、蛇行したトレースの設計は、一連の片持ち梁を、接続梁を介して直列につなげて得られる。
上記提示した設計とともに、基板の両側を用いた埋め込み型デバイスの小型化バージョンも設計し、組み立てた。この設計では、基板は約１．５ｍｍ×０．６ｍｍ×１ｍｍのサイズである。基板の小型化のため、５ｍｉｌの銀のワイヤの「尾部」をデバイスに記録のため取り付けた。このバージョンはインビボではテストしなかった。
ＡＳＩＣとＰＺＴクーポンとを、接着材を用いてＰＣＢ基板に取り付けた。接着材の選択には、３つの主な関心事項がある。１）接着材は、ＡＳＩＣとＰＺＴを、ワイヤボンディングからの超音波力が当該構成要素を揺らさないほどしっかりと固定する必要がある。２）構成要素／基板パッドのサブミリメートルのスケールおよびピッチのため、接着材の塗布は比較的正確に行われた。３）接着材は導電性である必要がある。
ＡＳＩＣおよびダイシングしたＰＺＴはもともと、低温硬化はんだペーストを用いてＰＣＢ基板に取り付けた。はんだペーストは、フラックス中に球として懸濁した粉末状の金属はんだから成る。熱が加えられると、はんだボールが融け始め、融合する。しかし、はんだペーストの硬化はしばしば、リフロー中、ＰＺＴクーポンまたはモートを平行移動させたり回転させたりすることがわかった。このことは、ＰＺＴの配置および電力の収集に問題をもたらすとともに、ワイヤボンディングにも問題をもたらす。なぜなら、ボンドパッドはもはやチップに対して適切に位置していないからである。しかし、２成分銀エポキシ（エポキシ中に懸濁した銀粒子だけから成る）は、チップまたはＰＺＴクーポンの位置を変えることなしに硬化できることがわかった。そのため、ＡＳＩＣおよびダイシングしたＰＺＴは、２成分導電性銀エポキシ（H20E, Epotek, Billerica, MA）を用いてＰＣＢにペーストした。それから、カプトンテープ（Polyimide Film Tape 5413, 3M, St. Paul, MN）を用いて、ＰＣＢをガラススライドに固定し、１５０℃の対流式オーブンに１５分間入れて、エポキシを硬化させた。温度が高いほど硬化を速められる（図１７）けれども、ＰＺＴを１６０℃（ＰＺＴのキュリー温度の半分）を超えて加熱しないよう注意した。ＰＺＴをさらに高い温度で加熱することは、ＰＺＴを消極する危険を冒すことになる。１５０℃での硬化はＣＭＯＳの性能に何の影響も及ぼさないことがわかった。
ＰＺＴの上部とＰＣＢとの接続、およびＡＳＩＣとＰＣＢとの接続は、１ｍｉｌのＡｌワイヤを超音波ウェッジボンダー（740DB, West Bond, Scotts Valley, CA）を用いてワイヤボンディングすることで行った。このボンディング方法では、ボンドヘッドのウェッジにＡｌワイヤを通し、超音波エネルギーがＡｌワイヤを基板に対して「擦り」、摩擦により熱を生じさせる。この熱が２つの物質を溶接してくっつける。
ＡＳＩＣに対するワイヤボンディングは、ＣＭＯＳパッドのサイズおよびワイヤボンドの末端のサイズにより、短絡を避けることが困難であった。この問題は、埋め込み型デバイス基板の第１のバージョンでのワイヤボンディングの対象の位置決めにより顕著となった。この位置決めでは、２つのボンドの末端が、ＡＳＩＣパッドの長さ方向を横切るのではなくむしろ短い幅方向を横切るように配置した。より細い金のワイヤをボンディングに用いることもできたが、ウェッジボンダーを用いて金をサーモソニックボンディングする困難さから、金のワイヤをこの装置によるボンディングに用いることは非実際的であった。さらに、効果的にワイヤボンドするために、基板を平らにし、かつ固定することが重要である。このため、ＡＳＩＣとＰＺＴとを基板の異なる側に設けるという発明者らの当初の設計は、発明者らの埋め込み型基板の第１のバージョンでのワイヤボンディングプロセスの際、しばしば問題を生じさせた。この理由から、埋め込み型デバイスの第２の繰り返しで行った基板設計の選択（ＡＳＩＣとＰＺＴを同じ側に移動させ、パッドを再配置して、ワイヤボンディングの対象にまっすぐな経路を提供する）により、ワイヤボンディングの収率が大幅に上がった。
最後に、超音波ボンダーを用いたので、ＰＺＴへのボンディングは電荷の蓄積をもたらし、ＰＺＴが基板に完全にボンディングされると、そうした電荷の蓄積がチップにダメージを与えるだろうとわかった。これを避けるため、ＰＺＴをワイヤボンディングする直前に、デバイスのソースおよびドレインのテスト用リード線をアースにつないだ。
埋め込み型デバイス組み立ての最終的な工程は、被包である。この工程は２つの目的を達する。１）ＰＺＴ、ボンドパッド、およびＡＳＩＣを水性環境から絶縁する。２）ＡＳＩＣ／ＰＺＴクーポンとＰＣＢとのあいだのワイヤボンドを保護する。同時に、被包材料が導出電極を覆うのを取り除く、あるいは被包材料が導出電極を覆うのを妨げる何らかの方法が必要である。さらに、被包材料はデバイスの埋め込みを妨げてはならない。最後に、被包中に何らかの損傷が生じた場合にデバイスに物理的な欠陥がないか検査できるよう視覚的に透明な被包材料を選ぶことが、不可欠ではないけれども重要である。
最初に用いた被包材料はCrystalbond（509', SPI Supplies, West Chester, PA）であった。Crystalbondは、室温では固体だが７１℃で軟化し始め、１２１℃で融けて粘性の液体となる接着材である。Crystalbondから熱を取り除くと、Crystalbondは数分のうちに再び固まり、うまく制御できる。埋め込み型デバイスを被包するために、Crystalbondの小さな薄片を剃刀でそぎ取り、デバイスの上に直接置いた。それから、ホットプレートで基板を加熱した。まず、温度を、薄片が変形し始める約７０℃にし、それから、Crystalbondが完全に液体となるまで徐々に温度を上げた。液体のCrystalbondの滴の端が広がって最遠のワイヤボンドを過ぎたが導出パッドはまだ過ぎていないとき、ホットプレートのスイッチを切り、基板をプレートから冷却チャックへすばやく移し、そこでCrystalbondを再び固まらせた。
Crystalbondは効果的であったが、ＵＶ硬化性エポキシドの方が選択性と生体適合性、それに硬化の急速さでもすぐれていることがわかった。まず、紫外線に露出することで硬化する光硬化性アクリル（3526, Loctite, Dusseldorf; Germany）を試した。精度を高めるため、縫い針を塗布具として用い、エポキシを４０５ｎｍのレーザポイントで２分間、硬化した。このエポキシはうまく働いたが、医療用グレードではなく、生体内埋め込みには不向きであった。このため、医療用グレードのＵＶ硬化性エポキシ（OG116-31, EPO-TEK, Billercia, MA）を試した。このエポキシを、３６５ｎｍで９２ｍＷ／ｃｍ２のＵＶチャンバ（Flash, Asiga, Anaheim Hills, CA）内で、５分間、硬化した。このエポキシはLoctiteエポキシより粘性がわずかに低かったが、縫い針を再び塗布具として用いることで、選択的な被包を行うことができた。ワイヤボンドの絶縁および保護機構として、エポキシは極めて効果的であったが、水中に長期間（～１時間）潜らせると水漏れすることがわかった。１年にも及ぶ安定性を宣伝する第２の医療用グレードエポキシを検討した（301-2, EPO-TEK, Billerica, MA）が、十分な粘性を有さないとわかり、硬化のためオーブンで焼くことが必要であった。上記のＵＶエポキシは不安定ではあるが、使用期間は急性のインビボ実験には適当であった。
被包の安定性を高めるため、パリレン‐Ｃも被包材料として検討した。パリレン‐Ｃは、ＦＤＡが承認した、化学的・生物学的に不活性である生体適合性ポリマーであり、すぐれたバリアであり電気絶縁体であり、蒸着時には極めてコンフォーマルである。パリレン‐Ｃの蒸着は、粉末のパリレン‐Ｃダイマーを、１５０℃を上回る温度で気化することにより行われる。それから、気相のパリレン‐Ｃダイマーを６９０℃で加熱して熱分解を生じさせ、パリレン‐Ｃダイマーを割ってモノマーにする。それから、モノマーが、室温に保たれたチャンバに充満する。モノマーは、ひとたび任意の表面と接触すると、ほとんど即座にポリマー化する。すべてのデバイスについて、パリレン‐Ｃを、パリレン蒸着システム（SCS Labcoter 2 Parylene Deposition System, Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN）を用いて、表１に示すパラメータで蒸着した。表１はチャンバゲージ温度を１３５℃として示していることに留意されたい。これは、実際のチャンバ温度から明瞭である。むしろ、チャンバゲージは、単に、プロセスチャンバの真空ゲージである。パリレンがゲージに蒸着するのを防ぐため、温度を少なくとも１３５℃に保つのが重要である。ＦＲ‐４基板の第１のバッチでは、カプトンテープを用いてパリレンを選択的に扱い、電極が覆われないようにした。しかし、導出電極とＡＳＩＣワイヤボンディングの対象とのピッチが小さいため、テープが基板にしっかり貼り付くのに十分な表面積がなく、テープはしばしば滑り落ち、電極パッドが覆われる結果となった。埋め込み型デバイスの第２の繰り返しでは、基板全体をコーティングし、それから探針の先端で電極からパリレンを取り除くという方法を用いて、パリレンのコーティングを試みた。パリレンがデバイス全体をコーティングするよう、埋め込み型デバイスを二層のガラススライドのあいだで湿らせて、空中に吊るした。
以下で、埋め込み型デバイスの製造についてさらに詳述する。
ＰＣＢ、ＡＳＩＣ、またはＰＺＴクーポンで作業を開始する前に、ダスト基板用の２つのサンプルホルダを用意する。そのために、２枚のガラススライド（３ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍスライドがよい）を取り、スライドの長さ方向に一片の両面テープを貼る。残りの工程が行えるよう、テープを用いてダストモートを所定の位置に固定する。スライドの一枚の上、両面テープの上に、一片のカプトンテープ（３Ｍ）を、粘着面を上にして加える。このスライドは、硬化用のスライドとして用いる。硬化の高温が、両面テープの接着材に問題を生じさせる可能性があるからである。
次に、秤量ボートでＡ部とＢ部とが１：１の比の重さとなるよう量り、少量の銀ペーストを混合する。組み立てプロセスには大量の銀エポキシは必要ない。以下に示すのは約１０ｇのエポキシ（各部５ｇ）であり、３つの基板には十分以上である。なお、混合銀エポキシは、４℃で置かれると、貯蔵寿命は２週間である。したがって、残ったエポキシは、使われないときは、冷蔵することができるし、またそうすべきである。さらに、時間の経ったエポキシ（数日から１週間）は、新鮮なエポキシよりも粘性がわずかに高い傾向にあり、それによって塗布をより簡単にできる。
基板はパネル化しており、取り除く必要がある。各基板は、テストリード線およびビア上のいくつかの取り付け点でパネルに接続されている。これらの取り付け点は、超小型の外科用メス（Feather Safety Razor Co., Osaka, Japan）を用いて切断できる。ＰＣＢを単体化したら、先端がカーボンファイバーであるピンセットまたはＥＳＤプラスチックピンセットを用いて、単体化したＰＣＢを高温サンプルホルダに置く。
ダイシングした／薄膜化したダイはダイシングテープに付けて運ぶが、これによりダイを取るのが難しくなることがある。ダイとテープとの粘着を減らすために、テープを変形させるのが役に立つ。先端がカーボンであるピンセットまたはＥＳＤプラスチックピンセットを用いて、テープを優しく押し、ピンセットをダイの周囲で円状に動かす。ダイが外れたかどうか確認するため、ピンセットの先端でチップを優しくつつく。ダイが簡単に外れなかったら、チップの周囲のテープを押し続ける。チップが外れたら、その基板の隣にある高温サンプルホルダに注意深く置く。チップが移動しないよう、サンプルホルダをチップまで運ぶ方が、その反対よりも望ましい。この工程では、ダイをなくしたり損傷したりしないよう注意する必要がある。力を加えてダイをテープから外してはならない。過剰な力を加えると、チップがテープから吹き飛ぶ可能性があるからである。
次に、銀エポキシを用いてダイを取り付ける。顕微鏡下で、ピンまたは同様に細かいものを用いて、少量の銀エポキシをＰＣＢ上のＣＭＯＳパッドに塗布する。この工程では、誤って少なすぎる量のエポキシを塗布する方が、誤って多すぎる量のエポキシを塗布するよりもましである。銀ペーストを追加で塗布することはいつでもできるが、銀ペーストを除去することは些細なことではないからである。少量の未硬化のエポキシなら、塗布に用いたのと同じ器具を用いて削り取ることができる。エポキシを器具から確実に拭い取っておかなければならない。
エポキシをパッドに置いたら、ＡＳＩＣをエポキシの上に置いてよい。ＣＡＤエラーにより、チップのうちいくつかは跳ね返っている。跳ね返ったチップは基板上で正しい方向を向かせ、ワイヤボンディングの際、ワイヤが交差しなくてもよいよう注意することが重要である。
ＡＳＩＣを基板上で正確に配置したら、１５０℃のオーブンに１５分間置いて銀エポキシを硬化してよい。必要なら異なる温度を用いてもよい。詳しくは図１７を参照のこと。銀エポキシが硬化したら、念のため、各ダイを優しく押して粘着の度合をチェックする。ダイが動いた場合は、銀エポキシの第２コートが必要となる。
ワイヤボンディングを準備するため、デバイスを高温サンプルホルダからレギュラーサンプルホルダへ移動させる。この変更が必要なのは、両面テープの粘着の方がカプトンテープよりも強く、そのためワイヤボンディングがより簡単に行われるからである。両面テープの一片は、サンプルホルダをワイヤボンダーのワークホルダに固定するのに十分であるべきである。テストリード線がたまたま何かに引っ掛かることのないよう、ワークホルダはそれ以前に両面テープに覆われたことがないことがもっともよい。必要なら、クリーンルームテープを用いて、サンプルホルダをさらに留めてもよい。
デフォルトの設定を用いて、設けられたテスト基板上でボンディングを行うことで、ワイヤボンダーをよい状態に保つようにする。ワイヤボンダーをよい状態に保つことが重要である。損傷したウェッジはうまくボンディングせず、ＡＳＩＣパッドを結局は損傷するだけだからである。順ボンディング（まずダイにボンディングし、次に基板にボンディングする）を、以下の順序で行うべきである。１．ゲート。２．バルク。３．センター。４．ドレイン。５．ソース。ボンドをこの順序で形成することは重要ではないが、この順序は基板の向きの再設定の回数を最小限にし、ボンドヘッドによりボンドが偶然に損傷することを防ぐ。ボンディングを容易にするために、ワークホルダの角度を小さく調節してよい。このボンドはできる限りまっすぐであることが必須である。第２のボンドの末端が基板から浮く場合、ボンドの数を１つにし、末端を再度ボンディングするとうまくいくかもしれない。接着が適切にできない場合、可能な解決策の一つは、ボンドの末端と基板とを銀エポキシを用いて接続することである。また、２つのボンドの末端が接触して生じる短絡は、つながっている金属を超小型の外科用メスを用いて非常に注意深く切断することにより解決できる。
既知の実用的なボンディングパラメータを、下の表２に記す。これらのパラメータは単にガイドラインであり、必要に応じて変更すべきである。過剰な電力（４９０を上回る）を必要とすることは、通常、問題があることを示す。基板の固定（ＰＣＢのガラススライドへの固定およびＣＭＯＳのＰＣＢへの固定の両方）、ウェッジの状態、パッドの状態のすべてを確認すべきである。パッドの状態の場合、それ以前のワイヤボンディングにより損傷したパッドは、通常、より多い電力を必要とする。デバイスを救える場合もあるが、６００を超える電力でボンディングをしようとする失敗した試みは通常、よいボンディングをするには多すぎる損傷をパッドに与えることになる。
ワイヤボンディングを行ったあと、デバイスに電気テストを行って、ボンディングが適切に成されたことを確実にすべきである。タイプ１のダイを用いた場合、Ｉ‐Ｖ特性は、およそ表３に示すようになるべきである。
Ｉ‐Ｖ特性が正しく思えない場合は、有益なトラブルシューティング法（valuable troubleshooting method）を用いて、ドレインとセンターとのあいだ、ソースとセンターとのあいだ、ドレインとソースとのあいだの抵抗を確認する。ダイが適切に作動している場合は、ドレインとセンターとのあいだ、およびソースとセンターとのあいだの抵抗はおよそ９０ｋΩ、ドレインとソースとのあいだの抵抗はおよそ１８０ｋΩになると予期される。
ＦＥＴが適切に接続されていることを確かめたあと、ＰＺＴクーポンを取り付けるべきである。これは、ＡＳＩＣを取り付けるのと同様のやり方で行う。縫い針を用いて、少量の銀エポキシを適切なパッド上に置く。少量のエポキシを、パッドの後端（基板の端に向かう方向）に置くのがもっともよい。なぜなら、ＰＺＴクーポンはパッドの中央に位置せず、押し戻されてクーポンが基板から外れるだろうからである。ＰＺＴクーポンの極性はその効率に少ししか影響しないことに留意されたい。クーポンが正しい位置にあるかどうか判定するため、底面が上面より大きいかどうかを確認する。ダイシングソーの経路により、クーポンの底部は上部よりわずかに大きい。したがって、底面の端を上から見ることができる。このとき、クーポンは、ディスクがダイシングされたときにあったのと同じ向きに置かれている。
ＰＺＴのワイヤボンディングは、ＡＳＩＣと同様のやり方（順ボンディング、ＰＺＴをＰＣＢにボンディング）で行う。しかし、１つの重要な違いは、ドレインおよびソースのビアをアースすることである。Westbondの隣にはアースポートがあり、バナナコネクタを介してアクセスできる。ガイドラインとして、表４に示すパラメータが使えることが知られている。
ボンドがうまく形成されるには、ＰＺＴクーポンがどれほどよく基板に取り付けられたかに応じて、何度かボンディングを試みる必要があるかもしれない。ボンディングを試みる回数が多いほど、ＰＺＴの機械的構造は悪化する（銀コーティングが損傷する）。したがって、プロセスを極めて素早く最適化することが最善である。末端がはがれたことにより失敗したボンドは、一般に、電力が十分でないことを示す。ワイヤが破断したことにより失敗したボンドは、一般に、電力が高すぎることを示す。
ボンドがうまく形成されたら、さらに電気テストを行って、ＰＺＴのボンディングがＡＳＩＣを損傷していないことを確かめるのがよい。
最後の工程として、テストワイヤをビアにはんだ付けし、デバイスを被包する。テストワイヤは３ｍｉｌの銀ワイヤである。これらのワイヤは絶縁されている。絶縁の除去は、ワイヤを炎のそばに（炎の中ではない）近づけ、プラスチックが溶け後退するのを観察して行うことができる。
ワイヤをはんだ付けしたあと、デバイスを被包してよい。被包材料はＯＧ１１６－３１医療用グレードＵＶ硬化性エポキシであり、縫い針を用いて塗布するべきである。効果的なやり方は、エポキシの大粒をＰＺＴクーポンの上に置き、大粒をＡＳＩＣの上に置くことである。清潔な針を用い、小滴を基板上に押し付け、基板の上面全体がコーティングされるようにする。エポキシは基板を濡らすが、その表面張力によりこぼれ落ちることはない。基板の本体をコーティングしたら、ビアおよび圧電素子の側面もコーティングする。それから、基板をＵＶチャンバ内でおよそ５分間、硬化し得る。テストワイヤがときおり、ＵＶチャンバ内の何かと接触しＡＳＩＣを短絡させ得ることがわかっている。したがって、基板をチャンバに置く前に、ワイヤを包むか基板を何らかのテープに載せて、ワイヤをチャンバのいかなる表面からも絶縁するとよい。
硬化後、裏側をコーティングすべきである。特に、基板を覆う露出したＰＺＴクーポンと、テストビアの裏側と、電極を基板の上側に接続する基板の裏側の２つのビアの裏側とを、コーティングすべきである。この部分は、裏側のビアと電極とのあいだの空間が小さいため、少し困難なことがある。そこで、ごく少量のエポキシで始め、それを基板の端近くに置き、それからエポキシをビアに向けて引くことが最善である。基板の裏側は、上側と同様に硬化すべきである。基板を完全に被包したら、最終的な電気テストを行うべきである。テストに合格したら、埋め込み型デバイスの完成である。
（実施例２）埋め込み型デバイスのテストのための設定
埋め込み型デバイスのテストは、基板から伸びるテストリード線が細いために、困難であるのが常であった。Ｉ‐Ｖ測定のためにこれらのビアにクリップを取り付けたり取り外したりすると、リード線をデバイスの本体から引っ張って外す結果となることが多かった。さらに、テストリード線のため、水タンクテスト測定を行うのが困難である。水中に露出した電子機器は短絡するからである。この問題を回避するため、埋め込み型デバイス測定のテストベッドとなるようＰＣＢを設計した。ＰＣＢ（Bay Area Circuits, Fremont, CA）はＦＲ‐４から作製し、６０ｍｉｌの厚さであった。該ＰＣＢは、バージョン２埋め込み型デバイス基板のレイアウトに合うように基板上に配置した４つのビアを有する。
金のヘッダーピン（Pin Strip Header, 3M, Austin, TX）を、基板の両側から伸びるようにビアにはんだ付けした。これにより、本発明者らのデバイスをテストベッドに設置することができ、ヘッダーピンにアクセスすることで埋め込み型デバイスと接触することができた。次に、ビアを絶縁するため、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）製のプラスチックキャップを３Ｄプリントした（Flashforge Creator X, FlashForge, Jinhua, China）。これらのキャップは溝を付けてプリントし、Ｏリングを溝の内側にはめ、ヘッダーピンの周囲を防水密封できるようにした。キャップを基板に接続し、マイクロミル（47158, Harbor Freight, Camarillo, CA）を用いてＰＣＢおよびキャップに２ｍｍの穴を開け、キャップと基板とを一緒にねじ止めして圧縮した。テストベッドから伸びるワイヤをヘッダーピンにはんだ付けし、それからピンを被包した。密封の有効性を測定するため、基板を６ＭのＮａＣｌ水溶液に浸け、ピン同士のあいだの抵抗値を、Keithley 2400を用いて測定した。経時的な抵抗値を自動的に記録しプロットするようＭＡＴＬＡＢスクリプトを書いた。抵抗値の下落は、密封が破れたことを示す。追加のテストとして、一片のリトマス紙もプラスチックキャップの下に置いた。これは、キャップが液漏れしたら、リトマス紙の色が変化するという意図によるものであった。埋め込み型デバイス基板の被包に用いたのと同じ医療用グレードのエポキシを用いてピンを被包し、完全な防水バリアを作るため、テストボードの裏側のエポキシ上にパリレンを蒸着した。塩水溶液に浸けたテストベッドの隣り合う２つのピン間の抵抗値を、エポキシ絶縁のみの時間関数およびエポキシ＋パリレン絶縁の時間関数として測定した。パリレンのバリアがない場合、エポキシは漏れ始め、テストベッドのピンが塩水により短絡した。
（実施例３）炭化珪素に被包した埋め込み型デバイス
エポキシ被包材料よりも炭化珪素（ＳｉＣ）の方が、埋め込み型デバイスを絶縁し保護するのに有効な材料かもしれない。ＳｉＣは、ＳｉとＣとの共有結合により形成され、結合長さの短い四面体分子を形成し、したがって結合強度が高く、化学的・機械的安定性が高い。非晶質ＳｉＣ（ａ－ＳｉＣ）は、生物医学のコミュニティでコーティング材料として歓迎されてきた。ａ－ＳｉＣは、結晶質のＳｉＣが通常必要とする温度よりずっと低い温度で蒸着でき、電気絶縁体であるからである。ａ－ＳｉＣの蒸着は、一般的に、プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）またはスパッタリングによって行う。スパッタリングしたa－ＳｉＣを用いた現在進行中の研究によれば、ピンホールのないＳｉＣ層を形成するのは困難である。むしろ、ＳｉＨ４およびＣＨ４を前駆体として用いたＰＥＣＶＤが、目覚ましい、ピンホールのないＳｉＣフィルムを作り出せる。
さらに、埋め込まれたａ－ＳｉＣは目覚ましい生体適合性を示した。これまでの研究によれば、ａ－ＳｉＣでコーティングした５０μｍのイリジウムシャフトをウサギの大脳皮質に～２０日間埋め込んだところ、挿入部位に集められたマクロファージ、リンパ球、単球による通常の慢性的な炎症反応は見られなかった。Hess et al., PECVD silicon carbide as a thin film packaging material for microfabricated neural electrodes, Materials Research Society Symposium Proceedings, vol. 1009, doi: 10.1557/PROC-1009-U04-03 (2007)を参照のこと。
真に長期的なインプラントのためにデバイスを珪素上に炭化珪素被包材料で作成することを伴う埋め込み型デバイスのアプローチを検討するのは興味深い。考えられるプロセスを図１８に示す。ここでの最大の難問の１つは、ＳｉＣのＰＥＣＶＤが圧電材料をデポール（depole）しないようにすることである。汚染のないフィルムを得るために、最低温度２００℃、かつ圧電トランスデューサのキュリー温度未満で蒸着することが重要である。
（実施例４）小型化超音波トランスデューサの電力伝達および後方散乱
さまざまな構造のＰＺＴ結晶を得るのが比較的容易であることから、ＰＺＴを用いて一組の実験を行った。いくつかの厚さの金属化ＰＺＴシートを得た（PSI-5A4E, Piezo Systems, Woburn, MA and ＰＺＴ84, APC Internationals, Mackeyville, PA）。ＰＺＴの最小の厚さは１２７μｍであった。生体適合性のため、ＰＺＴをＰＤＭＳ珪素の中に完全に被包した。
ＰＺＴセラミックをダイシングするもっとも一般的に使用される方法は、適切なセラミック刃を有するウェハダイシングソーを用いてＰＺＴシートを個々のＰＺＴ結晶に切断することである。切断の最小の分解能は刃の切断カーフによって決まり、３０μｍまで小さくし得る。
他に考えられる方法はレーザカッターを用いることである。ダイシングソーとは異なり、レーザカッティングは、高出力のレーザビームを材料に集束させ、該レーザビームがピースを融かし、蒸発させ、取り除き、線を引くことによって、切断を行う。レーザカッティングの精度は１０μｍまで細かくでき、レーザの波長に制限される。しかし、ＰＺＴセラミックのような傷つきやすいサンプルを扱う場合、切断部位の温度が材料の圧電性能を損なう可能性がある。セラミックのエキシマーレーザカッティングは、ＵＶレーザを用いて希ガスのエキシマーで切断するが、そのようなレーザカッターは極めて高価であり、現在のところ、利用できる適切な設備はない。そのため、すべての切断にダイシングソーを用いた。
電気エネルギーをＰＺＴから駆動するまたは引き出すために、上部プレートと底部プレートとの両方に電気接続を行う。ＰＺＴの電極として通常用いられる材料は、銀またはニッケルである。一般的に、銀は、さまざまな種類の非磁性的ＡＣ用途に用いられ、ガラスフリットに懸濁したフレーク状の銀を、通常、セラミックでふるい分けして（screen onto the ceramic）焼成する。高電界ＤＣ用途の場合、銀は２つのプレート間を移動し橋渡しする可能性が高い。そのため、腐食抵抗が高く容易に電子移動しないニッケルを、代替材料として電気メッキまたは蒸着し得る。
どちらの材料も、適切なはんだおよびフラックスを用いてはんだ付けできる。例えば、銀は錫に対して可溶であるが、銀を含んだはんだは電極中で銀の捕捉を防ぐために用いることができる。ニッケルメッキの燐成分がはんだ付けを困難にするが、的確なフラックスを用いることで表面の酸化を防げる。しかし、はんだ付けの場合、キュリー点を超えるのを防ぎＰＺＴサンプルをデポールするのを避けるため、はんだ付け温度は２４０℃から３００℃のあいだでなければならない。こうした温度においても、ＰＺＴは焦電性でもあるので、はんだ付け時間は２～４秒を超えないよう注意しなければならない。
その代わりに、銀エポキシにより、あるいははんだペーストを用いた低温はんだ付けにより、電気接続を行ってもよい。標準的な２成分銀エポキシは十分な導電性を与えることができ、室温でも一晩で硬化できる。しかし、接合部分はもろい傾向があり、テスト中、容易に破断し得る。結合は、非導電性エポキシを被包として用いて補強できるが、この追加の層はＰＺＴに機械的な負荷をかけ、その品質係数を著しく低め得る。一方、低温はんだペーストは１５０℃から１８０℃の温度で位相変化を生じ、すぐれた電気接続を提供し得るとともに、フラッシュはんだ付けで達成される結合強度に匹敵する結合強度を提供し得る。したがって、低温はんだ付けによるアプローチを用いた。
ウェハダイシングは、ＰＺＴを１０μｍ台の小さな結晶に切断できる。しかし、寸法が１ｍｍより小さいサンプルは、ピンセットで扱い結合するのが極めて難しい。さらに、ＰＺＴ結晶の上部プレートおよび底部プレートとの接続に用いるワイヤの長さが異なるために（したがって、該ワイヤによって導入される寄生インダクタンスおよび寄生容量が異なるために）、また、多数のサンプル間で分配されるはんだペーストの量が異なるために、インピーダンス分光器測定は一貫していなかった。
したがって、電気的相互接続のすべてがワイヤおよび基板からの寄生振動を短絡しディエンベディングする、３１ｍｉｌの厚さの２層ＦＲ‐４ＰＣＢを製造した。製造した基板（さまざまなテスト構造、および、１２７μｍ、２００μｍ、２５０μｍの厚さのＰＺＴ結晶の特性を個別に示すモジュールを有する）を、寸法を付けて図１９に示す。テストモジュール中の各ユニットセルは、ＰＣＢの一方の側に、ＰＺＴ結晶との接続用の、特定の寸法の２つのパッドを有し、他方の側に、後方散乱通信用の個々の要素用のパッドを有する。ユニットセルのあいだのピッチは、個々の要素のサイズに制限され、およそ２．３ｍｍ×２ｍｍである。
極めて小さなＰＺＴ結晶を直接扱うのを避けるため、図２０Ａ～図２０Ｅは、ＰＺＴをＰＣＢ上に結合するスケーラブルプロセスフローの概要を示す。図２０Ａに示すように、はんだペーストを、ポンプを用いて、一定の圧力下、制限された時間、上側のパッドのうち１つに分配する。パッドは、用いられるＰＺＴの厚さに基づいて、２５０μｍ２、２００μｍ２、または１２７μｍ２である。図２０Ｂは、パッドより大きいＰＺＴピース（扱いやすい）を上部に置いてパッドを覆うところを示す。基板および圧電アセンブリをオーブンで焼いてはんだペーストを硬化させる。したがって、ＰＺＴ結晶は今でははんだ付け前の隆起した電極に結合している。図２０Ｃは、ウェハダイシングソーが、パッドの端に沿って、はんだペーストを基板上のアライメントマーカーとして用いて、合計４回の切断を行い、結合していない領域は切り落とし、ＰＣＢに結合した小さなＰＺＴ結晶のアレイを残すところを示す。図２０Ｄは、単一のワイヤボンドが、ＰＺＴの上部プレートとＰＣＢの電極との間で電気的接触を行い、回路を完成させるところを示す。最後に、図２０Ｅは、ワイヤボンドの保護と絶縁のため、アセンブリ全体をＰＤＭＳ（Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI）中に被包したところを示す。
圧電材料は電気機械的構造物なので、その電気的・機械的特性を示した。以下に、そのような測定を行うためのテスト設定および技術を詳述する。
２ポートネットワークパラメータと呼ばれる数学的構成概念を用いて、任意の電気デバイスをブラックボックスとしてモデル化することができる。回路の特性は数のマトリクスによって特定され、デバイスの入力に与えられた信号に対する該デバイスの応答を、ネットワーク中のすべての内部電圧および電流を解くことなく、容易に計算することができる。いくつかの異なる種類の２ポートネットワークパラメータ（例えば、Ｚパラメータ、Ｙパラメータ、Ｓパラメータ、ＡＢＣＤパラメータなど）があり、異なるパラメータ間の変換は容易に行うことができる。これらのパラメータの抽出を可能にする装置は、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）と呼ばれる。ＶＮＡは、各ポートの電圧を（インピーダンスミスマッチングに基づいて）入射波および反射波に分解しこれらの波同士のあいだの比を計算して散乱またはＳパラメータを計算する方向性結合器を内蔵する。
ＶＮＡを用いての測定を行う前に、器具を校正する必要がある。内部方向性結合器は非理想的だからである。校正をすることにより、測定の基準面をケーブルの先端に移動できる。すなわち、ケーブルからの寄生振動を校正できる。いくつかの校正基準があるが、もっとも一般的に用いられるのは、オープン、ショート、ロード校正手順である。測定の概略図を図２１に示す。同軸ケーブルの端にはんだ付けしたダブルクリップを用いて、上部プレート／底部プレートと接続する。クリップからの寄生振動は１００ＭＨｚを大きく下回らない。
一例として、ＶＮＡ（E5071C ENA, Agilent Technologies, Santa Clara, CA）を用いて、（２５０μｍ）３ＰＺＴ結晶の電気的性質を測定した。測定したＰＺＴ結晶の容量は、ＰＣＢおよび固定物（クリップとコネクタ）からの大きな寄生容量のため、単一パラレルプレート容量モデルから予期される容量とは大きく異なることに気が付いた。先に概略を述べた校正工程のＶＮＡ係数は測定面をケーブルの先端に移動させるだけであったため、同じ基板上に作られたオープン／ショート／ロード校正構造物を用いて基板および固定物の寄生振動を含ませた。測定したＰＺＴ応答は、校正後の予期された応答とマッチした。
この校正技術を用いて、ＰＺＴのインピーダンスを周波数の関数としてプロットできる（図２２Ｂ参照）。しかし、このプロットからは、電気機械的共鳴があるかどうか判定するのは極めて難しい。エアーバッキング（機械的クランプなし）で得られたシミュレーション結果を重ねると、インピーダンス分光法は低周波数および高周波数での測定値とよくマッチし、その例外は約６ＭＨｚの共振周波数およびその調波における目立ったピークであることに気がついた。ＰＣＢ（ＦＲ‐４）を有するＰＺＴの一方の側をクランプしロードすると、エアーバッキングによる共振ピークがかなり弱まることが観察された。測定における観察可能な共振がないにもかかわらず、約６ＭＨｚの小さなブリンプが観察された。機械的品質係数Ｑｍは、以下の式を用いて計算できる。
式中、ｆａとｆｒは反共振周波数（インピーダンスが最大）および共振周波数（インピーダンスが最少）を表わし、Ｚｒは共振におけるインピーダンスを表わし、Ｃｐは低周波数容量を表わす。測定から計算された品質係数は、シミュレーションでの５．１に対して、約４．２である。データシートによれば、ＰＺＴの無負荷のＱは～５００であり、これは、ＦＲ－４によるバッキングとワイヤボンドとが品質係数を大幅に落としていることを示す。ＰＺＴ結晶の機械的Ｑの急激な減少にもかかわらず、実験によれば、後方散乱信号レベルは約～１９低下したのみであった。
電気特性決定設定では、ＶＮＡは、特性決定に必要な入力を提供する内蔵の信号発生器を有する。ＰＺＴの音響特性決定を行うため、音波を発生させてサンプルへと発し入力として用いる。これは、市販の広帯域超音波トランスデューサを用いて行うことができる。
図２３は、圧電能動素子、支持体、当板から成る、代表的なトランスデューサの構成を示す。支持体は通常、高い減衰量と高密度を有する材料から成り、それによって、トランスデューサの振動を、能動素子の背面からのエネルギーを吸収することによって制御し、一方で、当板が、トランスデューサ素子をテスト環境から保護しマッチング層として働くように使用される。
図２４に示す自家製の設定を用いて、超音波電力伝達テストを行った。５ＭＨｚまたは１０ＭＨｚの単一素子トランスデューサ（それぞれ６．３ｍｍおよび６．３ｍｍの能動領域。焦点距離～３０ｍｍ。Olympus, Waltham, MA）を、コンピュータ制御の２軸平行移動ステージ（VelMex, Bloomfield, NY）に取り付けた。トランスデューサの出力を、ハイブリッドカプセルハイドロフォン（HGL-0400, Onda, Sunnyvale, CA）を用いて校正した。アセンブリのプロトタイプを、トランスデューサが水中でプロトタイプの直接の上方約３センチの距離で浸かるよう、水の容器中に置いた。プログラマブルパルス発生器（33522B, Agilent Technologies Santa Clara, CA）および無線周波数増幅器（A150, ENI, Rochester, NY）を用いて、トランスデューサを、１０サイクルの正弦波パルス列と１ｋＨｚのパルス反復周波数（ＰＲＦ）を有する特定の周波数で駆動した。受信した信号を、オシロスコープ（TDS3014B, Tektronix, Beaverton OR）に接続された無線周波数増幅器（BT00500-AlphaS-CW, Tomco, Stepney, Australia）で増幅し、ＭＡＴＬＡＢを用いて超音波信号を集め記録した。
図２５Ａおよび図２５Ｂは、５ＭＨｚのトランスデューサの出力電力を、該トランスデューサの表面とハイドロフォンとの間の距離（ｚ軸）の関数として測定した代表値を示す。水中でのピーク圧力は、トランスデューサの表面から～３３ｍｍ離れた地点で得られた（図２５Ａ）。一方、（０．３ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚでの）軽減ピークは～２９ｍｍであった（図２５Ｂ）。図２６Ａは、トランスデューサ出力を軽減したＸＺスキャンを示し、近距離および遠距離ビームパターンとレイリー距離または～２９ｍｍの焦点を示し、図２５Ｂでの軽減ピークに一致する。図２６Ｂは、～２９ｍｍの焦点でのビームのＸＹ断面スキャンを示し、６ｄＢのビーム幅はおよそ２．２ｍｍであった。
ビームの６ｄＢ帯域幅に対するさまざまな周波数のトランスデューサの全積分音響出力パワーは、名目上、空間ピーク時間平均ＩＳＰＴＡ２９．２μＷ／ｃｍ２に保たれ、焦点において全出力パワー～１μＷであり、ピーク粗密化圧力２５ｋＰａ、機械的インデックス（ＭＩ）０．００５であった。低減ＩＳＰＴＡもＭＩも、ＦＤＡの規制制限である７２０ｍＷ／ｃｍ２および１．９（ＦＤＡ ２００８）をそれぞれずっと下回った。
図２２Ａは、さまざまなニューラルダストノードのサイズについて校正した完全に組み立てたケーブルなしのプロトタイプの電力送達効率の測定値を、この同じ設定についての分析予測と比較したものを示す。測定結果は、すべてのトランスデューササイズにおいてシミュレーションモデルのふるまいと非常に近似しており、例外はいくつかの小さなトランスデューサ寸法においてのみであった。これは、トランスデューサ位置および超音波ビーム幅に対する感度によるものと思われる。最小のＰＺＴ結晶（１２７μｍ）３のリンクの効率の測定値は２．０６４×１０－５であり、これはトランスデューサで名目上受信される２０．６４ｐＷとなった。送信出力電力密度が７２０ｍＷ／ｃｍ２に保たれた場合、トランスデューサにおいて最大で０．５１μＷが回復できる。ＰＺＴによって得られる電力レベルがそのように低いのは、主に、実験に用いられた広帯域トランスデューサが極めて非効率だからである。各トランスデューサ寸法において最適な電気入力インピーダンスを有する専用のカスタムメイドのトランスデューサは、シミュレーションモデルで予測されたように、獲得電力レベルの２桁を超える大幅な改善ができた。
（２５０μｍ）３ＰＺＴ結晶で得られた電圧の周波数応答を図２２Ｃに示す。共振周波数の測定値は６．１ＭＨｚであった。これはポアソン比による立方体について予測された共振周波数のシフト、および、該立方体の３本の軸のそれぞれに沿った共振モード間の対応するモード結合に一致する。さらに、Ｑの計算値４は、ＰＺＴの電気的に測定されたＱに一致した。
上記の実験結果は、超音波を用いた極小のＰＺＴノードに対する電力結合の分析モデルは、少なくとも～１００μｍのスケールまで、さらにおそらくそれより小さなスケールに至るまで、正確であることを示す。トランスデューサが機能を失うまでどれぐらい小さく作れるか（how mall a transducer can be fabricated before loss of function）は、今後の課題である。なお、さらに小さなノード（＜１２７μｍ）の測定は、プロトタイプ組み立てプロセスによってではなく、ＰＺＴ基板の商業的入手性によって制限された。話を進めると、マイクロエレクトロメカニカルおよびナノエレクトロメカニカルＲＦ共振器について検討したかなりの量の研究および技術（Sadek et al., Wiring nanoscale biosensors with piezoelectric nanomechanical resonators, Nano Lett., vol. 10, pp. 1769-1773 (2010); Lin et al., Low phase noise array-composite micromechanical wine-glass disk oscillator, IEEE Elec. Dev. Meeting, pp. 1-4 (2005)を参照）および薄膜圧電トランスデューサ（Trolier-McKinstry et al., Thin film piezoelectrics for MEMS, J. Electroceram., vol. 12, pp. 7-17 (2004)）を用いて、極小（１０μｍ台）のトランスデューサを容易にしスケーリング理論を真に評価した。
（実施例５）呼びかけ機超音波トランスデューサアレイを用いたビームフォーミング
本実施例では、分散型超音波ベースの記録プラットフォーム（a distributed, ultrasound-based recording platform）において後方散乱を介して個々の埋め込み型センサに呼びかけることのできる超音波ビームフォーミングシステムを提示する。カスタムＡＳＩＣが、７×２ＰＺＴトランスデューサアレイを、特定のプログラム可能な時間遅延を有する３サイクルの３２Ｖ方形波で駆動し、５０ｍｍ離れた位置にある８００μｍのニューラルダストモートにビームを集束させる。水中の受信モートの測定された音‐電気変換効率は０．１２％であり、システム全体は２６．３％の電力を１．８Ｖ電源からトランスデューサ駆動出力へと送達し、各送信位相において０．７５μＪを消費し、後方散乱回路の入力に印加されるボルト毎に後方散乱が０．５％変化する。送信アレイおよび受信モート双方のさらなる縮小により、ウェアラブルな長期検知・神経調節システムへの道が開ける。
埋め込み型デバイスが呼びかけトランシーバよりも数で大幅に上回る、この高度に分散した非対称的なシステムにおいて、ビームフォーミングを用いて、多数の埋め込み型デバイスに効率的に呼びかけることができる。埋め込み型デバイスのプラットフォームにおけるビームフォーミングアルゴリズム、トレードオフ、性能を研究することにより、近隣の埋め込み型デバイスからの干渉を十分に抑えるには、異なる呼びかけ機同士のあいだの協力が役に立つと実証された。Bertrand et al., Beamforming approaches for untethered ultrasonic neural ダストモートs for cortical recording: a simulation study, IEEE EMBC, 2014, pp. 2625-2628 (Aug. 2014)を参照のこと。本実施例は、図２Ａに示す呼びかけ機および埋め込み型デバイスシステム用の超音波ビームフォーミングシステムのハードウェア実装を実証する。ＡＳＩＣ（例えば、Tang et al., Integrated ultrasonic system for measuring body-fat composition, 2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) Digest of Technical Papers, San Francisco, CA, 2015, pp. 1-3 (Feb. 2015); Tang et al., Miniaturizing Ultrasonic System for Portable Health Care and Fitness, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 9, no. 6, pp. 767-776 (Dec. 2015)を参照）は７つの同じチャネルを有し、各チャネルは送信ビームフォーミングに５ｎｓの分解能を有する６ビットの遅延制御を有し、高電圧レベルシフタと、任意のフィードスルーを絶縁する受信／送信スイッチとを一体化する。
ＡＳＩＣは単一の１．８Ｖ電源で作動し、３２Ｖ方形波を発生させて、一体化されたチャージポンプとレベルシフタとを用いて、圧電トランスデューサを駆動させる。上記システムは、～３２．５％の電力を１．８Ｖ電源から３２Ｖ出力電圧へと送達し、～８１％の電力を３２Ｖ電源から出力ロードへと送達する（各トランスデューサ素子は４．６ｐＦ）。ＡＳＩＣのブロック図を図２Ａに示す。そのような測定毎の低エネルギー消費を可能にする回路の詳細は、Tang et al., Integrated ultrasonic system for measuring body-fat composition, 2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) Digest of Technical Papers, San Francisco, CA, 2015, pp. 1-3 (Feb. 2015)に記載されている。ＡＳＩＣは、高電圧トランジスタを有する０．１８μｍＣＭＯＳで作られる。チップ領域は２．０ｍｍ２であり、デジタルコントローラ、ＡＤＣ、２つのオフチップブロッキングキャパシタを除く全システムを含む。
トランスデューサアレイの設計は、所望の貫通深さ、開口サイズ、素子サイズの強い関数である。定量的には、アレイのレイリー距離Ｒは以下のように計算できる。
式中、Ｄは開口のサイズであり、λは伝播媒体中の超音波の波長である。定義上、レイリー距離とは、アレイが放射したビームが完全に形成される距離である。言い換えれば、圧力場はレイリー距離で自然な焦点に収斂し、受信した電力を最大化するために、ビーム拡散が最少であるレイリー距離に受信器を置くのが好ましい。
動作の周波数は、素子のサイズに合わせて最適化される。水タンクでの予備的な研究によれば、（８００μｍ）３ＰＺＴ結晶で最大エネルギー効率が達成され、該（８００μｍ）３ＰＺＴ結晶は被包後１．６ＭＨｚの共振周波数を有し、λが～９５０μｍとなる。各素子間のピッチは、効率的にビームフォーミングするために２分の１波長の奇数倍となるよう選ばれる。その結果、ビームフォーミング能力のこの実証の場合、全体的な開口は～１４ｍｍであり、レイリー距離は５０ｍｍとなる。５０ｍｍでは、素子サイズが８００μｍならば、各素子は場から十分に離れている（Ｒ＝０．１７ｍｍ）。したがって、個々の素子のビームパターンは、ビームフォーミングができるほど全方位的である。
いくつかの送信・受信ビームフォーミング技術が実施可能である。本実施例では、時間遅延和送信ビームフォーミングアルゴリズムを選択し、信号が推定的に（constructively）目標方向に干渉するようにする。このアルゴリズムは、さまざまな埋め込み型デバイスへのビームステアリングおよび最大電力送達を実証できる。多数の埋め込み型デバイスへの後方散乱通信に同時に対応するため、より洗練されたアルゴリズムが必要とされるかもしれない。そうしたアルゴリズムとしては、遅延和ビームフォーミング、線形拘束付最小分散型ビームフォーミング、単一ビーム用の凸最適化ビームフォーミング、凸最適化を伴う「マルチキャスト」ビームフォーミング、最大尖度ビームフォーミング、最小分散無歪応答ロバスト適応ビームフォーミング、多項テンソル分解、および多重Ｒｘチャネル時間領域データからのモートインパルス応答のデコンヴォルーションが挙げられる。この問題の一態様の詳細な処置については、Bertrand et al., Beamforming approaches for untethered ultrasonic neural ダストモートs for cortical recording: a simulation study, IEEE EMBC, 2014, pp. 2625-2628 (Aug. 2014)に記載されている。
７つのチャネルのそれぞれが、特定のプログラマブル時間遅延を有する３サイクルの３２Ｖ方形波によって駆動され、エネルギーが観察距離５０ｍｍで集束される。各チャネルに適用される時間遅延は、アレイの中心から焦点までの伝播距離の違いおよび媒体中の超音波の伝播時間の違いに基づいて計算される。
Ultrasimを用いて、上記の１Ｄアレイによる水中での超音波の伝播行動の特性を決定した。シミュレートしたＸＹ（図２７Ａ）およびＸＺ（図２７Ｂ）断面ビームパターンは、ＰＤＭＳ被包をモデルにしていないにもかかわらず、示した測定値に近似する。
組織と似た音響特性を示すことから、ビームフォーミングシステム測定用の媒体として水を用いる。プレ金属化チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）シート（APC International, Mackeyville, PA）をウェハソーでダイシングして、８００μｍ×８００μｍ×８００μｍの結晶（それぞれ４．６ｐＦの平行容量）とする。これは各送信素子のサイズである。各ＰＺＴ素子を、底部端子には導電性銅箔およびエポキシを、上部端子にはワイヤボンドを用いて、ＡＳＩＣ中の対応するチャネルに電気的に接続する。アレイをＰＤＭＳ（Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI）中に被包して、ワイヤボンドを保護し絶縁する。被包後のＰＺＴ結晶の品質係数は～７である。アレイをまとめて２×１素子の７グループにし、ピッチを～５／２λ～２．３ｍｍとする。アレイのサイズは約１４ｍｍ×３ｍｍである。最後に、アセンブリ全体を、直径２５ｍｍ高さ６０ｍｍの円筒形チューブに入れ、該チューブを水で満たす。
トランスデューサアレイの２Ｄビームパターンおよび出力を、カプセルハイドロフォン（HGL-0400, Onda, Sunnyvale, CA）を用いて校正する。ハイドロフォンは、コンピュータ制御の２Ｄ平行移動ステージ（VelMex, Bloomfield, NY）に取り付けられる。ハイドロフォンは３０°の取り入れ角（acceptance angle、５ＭＨｚで－６ｄＢ）を有し、これは、送信距離５０ｍｍおよびスキャン範囲（±４ｍｍ）で提供されるビームを捕獲するのに十分である。
測定したＸＹ断面ビームパターンにアレイを重ねたものを図２７Ａに示す。アレイ中の各トランスデューサ（素子）に適用した遅延を図２７Ｂに示す。焦点における－６ｄＢビーム幅は３．２ｍｍ～３λである。ＡＳＩＣの柔軟性は、遅延のワイドプログラミングおよびグラニュラープログラミングの両方を可能にする。ビームフォーミング前後の５０ｍｍでのアレイのピーク圧力レベルは、それぞれ～６ｋＰａおよび～２０ｋＰａである。ビームフォーミング後の送信出力圧力波における３Ｘは、シミュレーションに一致する。シミュレーションはまた、アレイのレイリー距離が５０ｍｍであることも示す（図２７Ｃ参照）。
さらに、多数の埋め込み型デバイスに呼びかける性能を確証するために、図２８Ａに示すようにアレイのビームステアリング性能を確証した（図２８Ａは、ＸＹ平面における３つの異なる位置でのビームステアリングを示す）。各ビーム位置での時間遅延は、その下の図２８Ｂに示す。１Ｄビームステアリングは、シミュレーションに極めて近似している（図２８Ｃを参照）。なお、ビームステアリングのレンジは、電子性能よりもむしろ、アレイの機械的構成により、±４ｍｍに限定されている。
ハイドロフォンを埋め込み型デバイス（８００μｍ×８００μｍ×８００μｍバルク圧電トランスデューサを有する）と交換し、送信距離５０ｍｍの地点に置いて、電力リンクを確証する。モートで測定されたオープン回路のピーク間電圧は、送信パルス期間２．５６μｓに対し６５ｍＶである。焦点で－６ｄＢビーム幅に統合した空間的ピーク平均音響パワーは７５０μＷであり、これはＦＤＡの定めた安全性限界の０．００５％である。モートでの最大獲得可能電力は０．９μＷであり、音‐電気変換効率の測定値は０．１２％である。測定結果はリンクモデル（Seo et al., Model validation of untethered ultrasonic neural dust motes for cortical recording, J. Neurosci. Methods, vol. 244, pp. 114-122 (2015)）と一致する。上記システムは２６．３％の電力を、１．８Ｖの電源からトランスデューサ駆動出力に送達し（駆動効率として定義する）、各送信位相につき０．７５μＪを消費する。
上記システムの超音波後方散乱通信性能は、後方散乱回路への入力としての後方散乱電圧レベルの違いを測定することで確証され（Seo et al., Model validation of untethered ultrasonic neural ダストモートs for cortical recording, J. Neurosci. Methods, vol. 244, pp. 114-122 (2015)）、ＤＣ電源で調整される。上記システムの送信時間及び期間は３μｓと８０μｓであり、～７７μｓの受信用の領域が残される。アレイの中心の２×１素子を用いて後方散乱を受信する。受信結晶の出力を、処理のために増幅しデジタル化する。測定された後方散乱感度は、後方散乱回路の入力に印加するボルト毎に～０．５％であり、これはシミュレーションに一致する。上記システムの全体的な性能を表４にまとめる。
超音波ビームフォーミングシステムを用いた本発明者らの測定は、送信ビームフォーミングのみでも、ニューラルダストプラットフォームにおいて多数のセンサ呼びかけを行うのに十分な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供できることを示す。ダストモートの縮小によるＳＮＲの減少は、受信ビームフォームを実施することにより、大部分は軽減できる。さらに、呼びかけ比を高めるため、多重化という代替手段を用いることもできる。多重化の例としては、多数のモートが同じ送信ビームで同時に呼びかけられる空間多重化が挙げられる。しかし、処理／通信負荷と電力消費との、システム設計上のトレードオフ関係を考慮することが重要である。さらに、必要なＳＮＲを達成するためには、近傍のダストモートからの干渉を十分に抑えることが必要である。
音‐電気効率０．１２％が、現在、システム全体の効率
に影響している。電力リンク効率がそのように低いにもかかわらず、ＦＤＡの定める安全規則の～１％（空間ピーク平均１．９Ｗ／ｃｍ２）が出力できるならば、水中で５０ｍｍ離れた８００μｍの超音波トランスデューサに対して０．９２Ｖまでのピーク間電圧および１８０μＷまでを得ることができる。
さらに、この実証での電力リンク効率の低さは、アレイの開口および素子のサイズによって定まるそのように大きな送信距離の結果である。末梢神経干渉の場合、例えば、皮膚、組織などの厚みを含む所望の送信距離は約５ｍｍである。アレイの遠距離にあるために、開口は～４．４ｍｍであるべきである。各素子をさらにスケーリングすることにより、アレイ開口および送信距離の全体の寸法を所望の５ｍｍにまで減らすことができる。シミュレーションによれば、１％までの音‐電気効率は、水中で１００μｍの受信超音波トランスデューサを用いて達成できる。
組織内の送信の場合、組織内で３ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚの損失が生じると仮定する。図２９は、ＦＤＡの安全制限の１％での動作での、リンク効率および受信電力レベル双方のスケーリングを示す。このかなり控えめな損失にもかかわらず、１００μｍで、０．６Ｖまでのピーク間電圧と７５μＷまでとを得られることをシミュレーションは示す。したがって、このプラットフォームを用いた組織内の無線電力送達は実行可能である。さらに、この電力レベルは、高効率かつ低電力エネルギー消費回路およびチャージポンプ（上述のＡＳＩＣと類似である）を動作させて、近傍のニューロンを電気的に刺激しセンサを用いて生理的状態を検出するのに適した電圧を出力させるのに十分である。
（実施例６）埋め込み型デバイスの移動および温度ドリフトの追跡
埋め込み型デバイスを、５０μｍの厚さのポリイミド柔軟性印刷回路基板（ＰＣＢ）上に製造し、超音波トランスデューサ圧電結晶（０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍ）およびカスタムトランジスタ（０．５ｍｍ×０．４５ｍｍ）を基板の上側に導電性銀ペーストで取り付けた。アルミニウムのワイヤボンドと導電性の金のトレースとを用いて、要素間の電気接続を行う。基板の底に露出した金の導出パッド（０．２ｍｍ×０．２ｍｍ）を、１．８ｍｍ間隔で分け、神経または筋肉と接触させて電気生理学的信号を記録する。記録した信号を、マイクロビアを通してトランジスタの入力に送る。さらに、いくつかのインプラントは、０．３５ｍｍ幅、２５ｍｍ長の柔軟で規格に準拠したリード線を有し、該リード線は、圧電結晶間の電圧の同時測定、および、超音波トランスデューサによって用いられる電極対間の細胞外電位の直接的有線測定用のテスト点を有した（グラウンド・トゥルース測定としての、細胞外電位のこの直接的有線記録は以下で述べる。これは、超音波再構築データのコントロールとして用いられる）。インプラント全体を医療用グレードのＵＶ硬化性エポキシに被包して、ワイヤボンドを保護し絶縁する。単一の埋め込み型デバイスのサイズは、およそ０．８ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍである。インプラントのサイズは、本発明者らの市販のポリイミドバックプレーン技術（これは、誰にでも購入できる）の使用によってのみ制限される。自前のポリマーパターニングを有するより積極的な組み立て技術に頼るならば、圧電結晶寸法よりさほど大きくないインプラントが作られるであろう（～１ｍｍ３のインプラントを生成する）。
外部の超音波トランシーバ基板は、電力を供給（送信（ＴＸ）モード）し反射信号を受信（受信（ＲＸ）モード）することにより、埋め込み型デバイスとやり取りする。このシステムは、市販の外部超音波トランスデューサ（V323-SU, Olympus, Waltham, MA）を駆動する、低電力でプログラム可能で携帯型のトランシーバ基板である。上記トランシーバ基板は、～８．９ｍｍ地点で軽減した圧力焦点を示した（図３０Ａ）。ＸＹ断面ビームパターンは、ビームの近距離伝播から遠距離伝播への移行をはっきりと実証した。もっとも狭いビームはレイリー距離にあった（図３０Ｂ）。トランスデューサは、１．８５ＭＨｚで５Ｖのピーク間電圧信号で駆動した。軽減ピークの疎密圧力の測定値は１４ｋＰａであり、メカニカルインデックス（ＭＩ）が０．０１となった。１０ｋＨｚのパルス反復における６．３７ｍＷ／ｃｍ２および０．２１ｍＷ／ｃｍ２の軽減した空間パルスピーク平均（ＩＳＰＰＡ）および空間ピーク時間平均（ＩＳＰＴＡ）はそれぞれ、ＦＤＡ規制制限（食品薬品管理局、２００８）の０．００３４％および０．０３％であった。上記トランシーバ基板は、３２Ｖまでのピーク間電圧を出力することができ、出力圧力は入力電圧とともに線的に増加した（図３０Ｃ）。
上記システム全体を、手動による６度の自由度（ＤＯＦ）を有する線的平行移動・回転ステージ（Thorlabs Inc., Newton, NJ）を有するカスタムメイドの水タンクに浸け、特性を示した。伝播媒体として蒸留水を用いた。蒸留水は、１．５ＭＲａｙｌｓで組織と同様の音響インピーダンスを示す。上記システムの最初の校正のため、電流源（2400 LV, Keithley, Cleveland, OH）を用いて、電流密度の変化する電流をタンクに浸けた０．１２７ｍｍ厚の白金ワイヤ（773000, A-M システム, Sequim, WA）に通して細胞外信号を模倣させた。ニューラルダストモートを電極間の電流経路に浸した。電流がワイヤ間に印加されるにつれて、インプラントの電極間で電位差が上昇した。タンクテストの間、この電位差を用いて、細胞外電気生理学的信号を模倣した。ニューラルダストモートに呼びかけるため、外部トランスデューサにより、１００μｓ毎に６つの５４０ｎｓパルスを発信した。これらの発信パルスはニューラルダストモートに反射し、外部トランスデューサに向けて後方散乱パルスを生成した。反射された後方散乱パルスは、同じトランシーバ基板により記録された。受信された後方散乱の波形は、４つの所定の領域を示す。これらは、４つの別個の界面から反射されたパルスである（図３１Ａ）。１）水‐ポリマー被包境界。２）圧電結晶の上面。３）圧電‐ＰＣＢ境界。４）ＰＣＢの背面。予想通り、圧電結晶から反射された信号（第２領域）の後方散乱振幅は、導出電極での電位変化の関数として変化した。他の界面からの反射パルスは、導出電極での電位変化に応じなかった。重要なことは、上記の他の非応答領域からのパルスを信号レベル基準として用いて、上記システムを動きまたは熱によって作られた人為的な結果に対してロバストにすることである（すべての界面から反射されたパルスはニューラルダストモートの物理的または熱的妨害とともに変化するが、第２領域からのパルスだけは、電気生理学的信号の関数として変化するからである）。水タンク内で、上記システムは、電極電位の記録の変化に対する線的な応答と、～０．１８ｍＶｒｍｓのノイズフロアを示した（図３１Ｂ）。上記システムの全体的なダイナミック・レンジは、トランジスタの入力範囲によって制限され、＞５００ｍＶより大きい（すなわち、トランジスタが完全にオン（入力がその閾値電圧を超える）または完全にオフされると、電流には増加変化のみが生じる）。ノイズフロアは、ビームの測定された電力低下とともに上昇した。０．７ｍｍの照準ミスにより、ビームが２倍低下した（Ｎ＝５デバイス。図３１Ｃ）。この横の照準ミスにより生じたノイズフロアの増加が、ビームステアリングシステムを用いずに（すなわち、超音波ビームの焦点を埋め込まれたダストモートに合わせることができ、したがって軸上に合わせることができる外部トランスデューサを用いることなしに）神経記録を行うことに対する最大の難題となる。軸上で、埋め込み型デバイスは、入力音響パワーを、圧電素子の負荷抵抗にかかる電力へ、～２５％の効率で変換した。図３１Ｄは、本実施例で用いられたトランスデューサの１つのレイリー距離における電圧および電力の軸外低下をプロットする。同様に、図３１Ｅは、角度の照準ミスの関数としての効果的なノイズフロアの変化をプロットする。
（実施例７）埋め込み型デバイスと呼びかけ機との間のデジタル通信
埋め込み型デバイスと、トランスデューサアレイを有する呼びかけ機とを有するシステムを、インビボ環境を模倣した作業台上の設備を用いて検証する。超音波結合ゲルは、その音響インピーダンスが目標の生物組織の音響インピーダンスに似ている（約１．５ＭＲａｙｌ）ことから、組織模型として機能する。埋め込み型デバイスはバルク圧電トランスデューサを有し、該バルク圧電トランスデューサは、該トランスデューサと接触する２つの電極と直接に接続する。上記埋め込み型デバイスを組織模型内に置き、呼びかけ機トランスデューサアレイを上記ゲルに結合する。どちらの素子も、正確な配置のため、正確さを調整したステージに取り付ける。トランスデューサアレイはダストモートから１４ｍｍ離して配置する。これは、超音波結合ゲル内での、音響速度１，５４０ｍ／ｓを想定した１８．６μｓの往復飛行時間に相当する。トランスデューサアレイは６つの１．８ＭＨｚ、０～３２Ｖの方形パルスで励起し、後方散乱信号を１７Ｍｓｐｓで２０００サンプル、１２ビットの分解能でデジタル化する。時間領域後方散乱検査のため、全後方散乱波形をデバイス上でリアルタイムでフィルタリングして有線シリアル接続を介してクライアントに送る。通常の動作では、全調節抽出アルゴリズムをデバイス上の後方散乱データに対してリアルタイムで適用して、後方散乱信号を４バイトに圧縮する。処理済みデータをBluetooth（登録商標）のＳＳＰプロトコルを通して遠隔のクライアントに送信し、ＧＵＩを介してリアルタイムでストリームする。
図３２Ａは、上述の実験設備によって回収したフィルタリング済み後方散乱信号を示す。ダストモートの圧電結晶電極が短絡および開放配置（the shorted and opened configurations）にあるあいだ、信号を回収する。スイッチ活動によるインピーダンスの変化の結果、開放スイッチ配置における方が１１．５ｍＶ大きい後方散乱ピーク振幅と、６．４５％の調節深度が得られる（図３２Ｂ）。モートからの反響が長く続くことは、バッキング層が弱まっているにもかかわらずトランスデューサが響いていることを示す。不十分に弱まったトランスデューサシステム応答が時間領域において後方散乱信号を散開するあいだ、埋め込まれたデバイスからの後方散乱がＲＯＩで捕獲される限り、変調は成功している。
パルス振幅変調非ゼロ復帰レベルコーディングを用いて、後方散乱センサモートを変調し、所定の１１字ＡＳＣＩＩメッセージ（「hello world」）を送る。デバイスの音響インピーダンスの変調は、圧電トランスデューサを、高レベルが開放配置に対応し低レベルが閉鎖配置に対応するデジタル制御スイッチに対して短絡することによって行われる。図３３は、トランスデューサに対する変調値、および、呼びかけ機の対応する抽出変調値を示す。抽出信号値の絶対値およびノイズマージンは、さまざまな要素（例えば、モートの距離、方向、サイズ）に依存する。しかし、抽出した波形は、ダストモートに対する変調信号を表わし続け、線形倍率で変化する。
「hello world」によって変調された埋め込み型デバイスの抽出後方散乱値を無線送信することで、該デバイスの埋め込み型デバイスとのリアルタイム通信が実証される。二状態後方散乱システムの呼びかけにより、埋め込み型センサおよびリモートクライアント双方とのシステムの無線通信リンクがしっかりと実証される。この無線通信リンクは、脳を外部デバイスと接続する閉ループ神経変調システムに向けた開発を誘うものである。
（実施例７）温度センサ
本実施例は、温度センサ、すなわちサーミスタを有するバルク圧電トランスデューサを有する埋め込み型デバイスを実証する。上記システムは、超音波を用いて埋め込み型デバイスに電力を供給する呼びかけ機を用い、センサによって検出された温度に応じて変調された埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を記録する。本実施例は、体積が１．４５ｍｍ３および０．１１８ｍｍ３である市販の部品に基づく２つのサイズのセンサを実証する。バルク圧電トランスデューサは、最大寸法でも７００μｍほど小さくなり得る。個々のセンサは±０．５℃の温度変化を決めることができ、医療診断および監視の目的に適当である。生理的状態についての１４日間を超える温度測定での変化は０．３℃未満である。このアプローチは、より洗練された温度センサ（例えば、古典的な絶対温度比例（ＰＴＡＴ）集積回路）およびデジタル後方散乱アプローチとも両立できる。
各埋め込み型デバイスは表面取り付け型サーミスタを有し、該サーミスタの電極は、偏向軸に対して垂直な７５０μｍの端部を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電立方体の２つの端子と電気的に接続している。上記サーミスタは、圧電結晶の２つの端子を流れる電流を周囲温度の関数として変化させる負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタである。上記サーミスタの電極対と圧電結晶との間の電気的接触および接着は、ＥＰＯ－ＴＥＫ Ｈ２０Ｅ導電性銀エポキシの２つの別個の連続層を適用することによって行われる。未コーティング時の直径が３ｍｉｌ（コーティング時の直径が５．５ｍｉｌ）のＡ‐ＭシステムのＰＦＡ絶縁銀ワイヤを、水タンク内での特性決定中、圧電立方体によって得られた電圧を測定するため、銀エポキシを用いてサーミスタの各電極に取り付けた。それから、リード線を除いて埋め込み型デバイス全体を、ＥＰＯ－ＴＥＫ ＯＧ１１６－３１ ＵＶ硬化性エポキシの薄い層でコーティングし、短絡を引き起こす可能性ある水の浸透を防ぐようにした。
埋め込み型デバイスから受信した後方散乱信号で生じる後方散乱変調を温度の関数として評価するために、追加の製造プロセスを用いてポリ乳酸から小型水タンクを作った。上記タンクは、温度監視およびフィードバック目的でOmega Systems CSI32K benchtop PIDコントローラへの入力として用いられる熱電対に隣接してセンサモートを保持するステージを有するように作られた。加熱素子をタンクに挿入するため、タンクの壁にＮＰＴネジ穴を設けた。タンクを密封しトランスデューサをモートから一焦点距離に保持するため、タンクの第２片が第１要素の先端に合うよう設計した。タンクの底部および上部はどちらもシリコーンを用いて密封し、タンクの上部は正方形の厚さ０．５ｍｉｌのＰＥＴフィルムで密封し、トランスデューサをタンクから熱的に絶縁する一方で音響は透過するようにし、それにより、トランスデューサが高い水温のタンクに浸けられた場合に見られるアーティファクトスーパーインポジション（artifact superimposition）の問題を回避するようにした。
本例のようなアナログ後方散乱システムにおいてモーションアーティファクト（motion artifact）から生じる信号変化を除去するもっとも単純な方法は、後方散乱を発生させるインプラントに２つのインターフェースを設けることである。１つのインターフェースは応答型圧電トランスデューサに設け、第２のインターフェースは何らかの不変の材料ジャンクションに設ける。インプラント全体に影響する位置または方向の変化は、両方のインターフェースからの後方散乱（すなわち、応答型後方散乱および非応答型後方散乱）に既知の変化を生じさせるが、一方、測定された量の変化は、応答型インターフェースからの後方散乱信号（すなわち、応答型後方散乱）のみに変化を生じさせる。受信した後方散乱の非応答型領域（すなわち、温度に対して変化しない領域）は校正実験（および飛行時間計算）に基づいて決定され、この領域の曲線下の面積の変化は、センサ出力波形の応答型後方散乱変調と比較される。さらに、クラスタ化アルゴリズムを用いて照準ミスを自動的に検出し、後方散乱の変化を（準備中の）測定量の対応する変化とマッピングすることができる。センサ出力に後方散乱の非応答型領域を作るため、非応答型リフレクタ（すなわち、珪素の立方体）を、ＵＶ硬化性エポキシを用いて埋め込み型デバイスに固定した。センサ出力波形に後方散乱の固定領域を作るため、新たに加えた立方体をサーミスタから電気的に絶縁した。埋め込み型デバイスを図３４Ａに示し、２つの埋め込み型デバイス（体積１．４５ｍｍ３と０．１１８ｍｍ３）の相対的サイズを図３４Ｂに示す。
個々の埋め込み型デバイスの後方散乱の特性を決定するための実験設備を図３５に示す。後方散乱回収プロトコルの標準化を保証し予期される応答の規模を最大化するため、市販の単一要素のトランスデューサ（V323-SU, Olympus）によって生成される超音波ビームに対して個々の埋め込み型デバイスを一直線に並べ、それらを該埋め込み型デバイス上の圧電結晶によって得られるピーク電圧の最大化によって評価した。埋め込み型デバイスは１．８ＭＨｚの周波数で呼びかけられ、後方散乱波１ｋＨｚでサンプルされる。ただし、より低いサンプリング比も可能である。トランスデューサの焦点距離は０．９ｃｍである。トランスデューサとモートとの距離は、モートが焦点にあるように設定した。タンク内の温度はベンチトップＰＩＤコントローラを用いてきっちりと調節し、０．５℃刻みで３４．５℃から４５．５℃まで変化させた。各温度値で、Agilent Tech InfiniiVision DSO-X3024Aデジタル保存オシロスコープを用いて、１０個の後方散乱波形を記録した。水中の音速の変化により、超音波後方散乱の飛行時間は温度の関数として上昇することが観測された。したがって、各後方散乱データセットにおいて、該当する波形特徴を基準波形と時間的に並べた。基準波形は、各実行につき４４．５℃の後方散乱波形となるよう選択した。各試行波形につき、基準波形に対する後方散乱電圧の最大変化の指標を見つけ、それから信号を整流化し、フィルタリングし、後方散乱振幅の最大の変化が生じる特定の時間インデックスのあいだ、積分する。個々のモートについてテストしたすべての温度において、同じ積分範囲を用い、それから、得られた積分を、基準測定値から得られた積分に対して正規化した。
後方散乱変調で観察された効果が温度の関数としての外部トランスデューサ特性の変化によるものではないことを検証するため、後方散乱テストを該当の温度において空の水タンク内で行った。受信した後方散乱波形に対する温度の大きな影響は、これらのテスト条件下では認められなかった。サーミスタの長期のドリフトも評価された。５個のPanasonic ERT-J1VR682J サーミスタを個々のプロトタイププリント回路基板（Chip Quik Inc., DC0603T）に取り付け、リード線にはんだ付けし、ＵＶ硬化性エポキシで覆った。それから、サーミスタを、脱イオン水を含むビーカーの中に置いた。５５Ｗのコンパクトな浸漬ヒーター（McMaster-Carr, 4668T51）、Omega Systems CSI32K benchtop PIDコントローラ、および熱電対から成る閉ループ温度管理システムを用いて、水温を４５．５℃に保った。１４日間、約２４時間の間隔を置いて、各サーミスタから抵抗値を測定し、平均値のパーセントの変化をサーミスタ毎に計算した。
埋め込み型デバイスは、０２０１ＳＭＤパッケージサーミスタ（Panasonic ERT-JZET202J）と、端部長さが４００μｍのＰＺＴ圧電結晶とを有する（図３４Ｂ、上側）か、あるいは、０６０３サーミスタと、端部長さが７５０μｍのＰＺＴ圧電結晶とを有する（図３４Ｂ、下側）。
図３６は、非応答型リフレクタと、サーミスタに接続したバルク圧電トランスデューサとの両方を有する埋め込み型デバイスからの典型的な後方散乱プロファイルを示す。領域１は非応答型リフレクタから生じ、領域２は応答型圧電トランスデューサから生じる。図示されているように、どちらの領域も移動および回転で変化するが、温度で変化するのは応答型領域のみである。
温度センサを有する単一の埋め込み型デバイスは、生理的に関連のある温度に対して後方散乱の単調に変わる温度依存性の変化を０．５℃の精度で生じさせることができる（図３７参照）。１４日間、サーミスタの平均記録における最大偏差は３４Ωだと判明した。Steinhart-Hart方程式は、ＮＴＣサーミスタの温度と抵抗との関係を模倣する。
式中、Ｒは温度Ｔにおける抵抗の測定値である。０６０３サーミスタを用いた場合、減衰パラメータβは４２５０Ｋ－１であり、Ｒ０は初期温度Ｔ０＝２９８Ｋに対して６．８ｋΩだと報告された。抵抗の変化に対応する温度変化は、Steinhart-Hart方程式を二度適用して再配置することによって見出される。
式中、ΔＲは温度Ｔ２およびＴ１それぞれにおける抵抗値の変化Ｒ２－Ｒ１である。３４Ωの抵抗の変化は、０．２９６Ｋの温度変化に対応することがわかった。この温度変化は、ＰＩＤコントローラの測定誤差の範囲内である。
本実施例は、市販の部品を用いた、最大寸法でも７００μｍの小ささの小型化超音波トランスデューサを有する超音波応答可能システムにおける、熱センサを有する埋め込み型デバイスを示す。本方法は、温度の測定値を決定するのに経験的な熱交換モデルに依存せず、したがって、深層組織温度測定の有用な器具と成り得る。完全にするために、臨床医療での標準的な皮膚温度取得手段であるサーミスタが、長時間生理的温度に露出しても大きなドリフトを示さないことを確かめた。個々の埋め込み型デバイスは、トランスデューサから１ｃｍの位置で、温度変化を高い精度で決定することができた。これは医療診断および監視目的には重要である。最後に、すぐに入手可能な小型部品を用いて、複数の埋め込み型デバイスを集めて、完全なサブミリ波のセンサを作り得ることが実証された。組織の内部数センチの深さまで貫く力により、このアプローチは深層組織の温度を検知する直接的な手段を提供する。
図１は、Seo et al., Neural dust: an ultrasonic, low power solution for chronic brain-machine interfaces, arXiv: 1307.2196v1 (July 8, 2013)に開示される、外部のトランシーバ、硬膜下の呼びかけ機、およびニューラルダストモートを含む、ニューラルダストシステムの概略図である。 図２Ａは、本明細書中で開示されるシステムにおける、例示的な呼びかけ機のブロック図である。図解される呼びかけ機は、複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイを含む。前記超音波トランスデューサアレイ中の各超音波トランスデューサは、チャネルにより作動する。前記チャネルは、前記トランスデューサが、超音波を受信または送信するよう、交互に構成するスイッチを含む。 図２Ｂは、本明細書中に開示されるシステムにおける、別の例示的な呼びかけ機の概略図である。図解される呼びかけ機は、２つの超音波トランスデューサアレイを含み、それぞれの超音波トランスデューサアレイが、複数の超音波トランスデューサを含む。また、前記呼びかけ機は、集積回路を含む。前記集積回路はデジタル回路を含んでもよく、前記デジタル回路はプロセッサを含んでもよい。前記集積回路は、ユーザインターフェース（ディスプレイ、キーボード、ボタン等を含み得る）、記憶媒体（すなわち、非一時的記憶装置）、入出力装置（無線（例えば、Bluetooth（登録商標））であってよい）、および電源装置（例えば、バッテリ）に接続される。 図３Ａは、対象により着用可能である、例示的な呼びかけ機のブロック図を表す。前記呼びかけ機は、無線通信システム（図中では、Bluetooth（登録商標）無線）を含む。前記無線通信システムは、コンピュータシステムとの通信のために用いられてよい。 図３Ｂは、着用可能な呼びかけ機の分解図を表す。前記呼びかけ機は、バッテリ、無線通信システム、およびトランスデューサアレイを含む。 図３Ｃは、対象へ取り付けるためのハーネスを付けて完全に組み立てた、図３Ｂで示した着用可能な呼びかけ機を表す。 図３Ｄは、対象、すなわちげっ歯類（ただし、ヒト、イヌ、ネコ、ウマ、ウシ、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ニワトリ、サル、ラット、マウス等、任意の種類の動物であってよい）に取り付けられた、着用可能な呼びかけ機を示す。前記呼びかけ機は、トランスデューサアレイを含む。前記トランスデューサアレイは、接着材で対象の体に固定される。 図３Ｅは、図３Ａ～図３Ｄで示した呼びかけ機のトランスデューサアレイの断面図を示す。 図４は、呼びかけ機中のトランスデューサと、小型化超音波トランスデューサを有する埋め込み型デバイスとの間の通信を表す概略図である。前記呼びかけ機は、埋め込み型デバイスへ超音波を送信し、小型化超音波トランスデューサは、センサによって変調された超音波後方散乱を発する。そして、呼びかけ機が後方散乱を受信する。 図５Ａは、呼びかけ機から発せられる超音波パルスの一連のサイクルを表す。呼びかけ機のトランシーバ基板が、前記呼びかけ機（例えば、ＦＰＧＡ）からのトリガーを受信すると、一連の送信パルスを発生させる。送信サイクルの最後に、ＡＳＩＣ上のスイッチは、送信モジュールとの接続を絶ち、受信モジュールと接続する。各サイクルは、１００マイクロ秒である。図５Ｂは、図５Ａで示した送信パルスシーケンス（つまり、１サイクル）の拡大図を表す。前記サイクルにおいて、１．８５ＭＨｚの超音波パルスが６つ存在し、前記超音波パルスは、５４０ナノ秒毎に繰り返し発生する。図５Ｃは、埋め込み型デバイスから発せられる超音波後方散乱を示す。超音波後方散乱は、約２ｔレイリーで呼びかけ機のトランスデューサに届く。図５Ｄは、超音波後方散乱の拡大図を示し、該超音波後方散乱は分析可能である。超音波後方散乱の分析は、超音波後方散乱波のフィルタリング工程、整流化工程、および積分工程を含む。図５Ｅは、フィルタリングされた超音波後方散乱波の拡大図を示す。前記後方散乱波は、小型化超音波トランスデューサへのインピーダンスの変化に応答する応答領域と、小型化超音波トランスデューサへのインピーダンスの変化に応答しない非応答領域とを含む。 図６Ａは、小型化超音波トランスデューサおよびセンサを有する、埋め込み型デバイスの概略図を示す。図６Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路およびセンサを有する、埋め込み型デバイスの概略図を示す。 図７Ａは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に小型化超音波トランスデューサおよびＡＳＩＣを含む、例示的な埋め込み型デバイスの概略図を示す。図７Ｂは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に小型化超音波トランスデューサおよびＡＳＩＣを含む、別の例示的な埋め込み型デバイスの概略図を示す。 図８Ａは、埋め込み型デバイスにおいて、小型化超音波トランスデューサに取り付けられたＡＳＩＣの一実施形態を示す。 図８Ｂは、埋め込み型デバイスにおいて、小型化超音波トランスデューサに取り付けられた集積回路の別の一実施形態を示す。 図９Ａは、光エミッタからの光の組織内での輝度変調に基づいた、埋め込み型デバイスセンサから外部のトランシーバへの後方散乱通信を示す。埋め込み型デバイス上のセンサは、光フィルタによって増強されるセンサであってよい。図９Ｂは、光センサを用いたＮＩＲ多重波長分光光度分析を実行するために、異なる波長の光を発する素子アレイ（右側）を用いた単色光の交互パルシングを示す。図９Ｃは、光源および光検出器を含む光センサを有する、埋め込み型デバイスを示す。前記センサは、統合光エミッタを含む。 図１０Ａは、光源から発せられた光パルスと、光センサ中のマトリクスにおいて光が蛍光色素を励起させたあと光検出器によって検出された、上記光パルスの結果である蛍光減衰とを示す。 図１０Ｂは、光源から発せられた発振光と、光センサ中のマトリクスにおいて光が蛍光色素を励起させたあと光検出器によって検出された、上記発振光の結果である蛍光寿命の結果との間の位相シフトを示す。 図１０Ｃは、図１０Ｂに示した位相シフトを検出するための、例示的な光センサの概略図を示す。 図１１Ａは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および光センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１１Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および光センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の別の概略図を示す。 図１２Ａは、小型化超音波トランスデューサおよび温度センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１２Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および温度センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。 図１３Ａは、小型化超音波トランスデューサおよび圧力センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。図１３Ｂは、小型化超音波トランスデューサ、集積回路、および圧力センサを有する埋め込み型デバイスの一実施形態の概略図を示す。 図１４は、本明細書中に記載の埋め込み型デバイスの製造方法を図解する。 図１５は、非晶質炭化珪素を含む埋め込み型デバイスの被包方法のフローチャートである。 図１６Ａは、埋め込み型デバイスの構成要素を接続するために使用する異なる形状のビアを示す。図１６Ｂは、変形可能な相互接続用の、蛇行したトレース配置を示す。 図１７は、銀エポキシを硬化させるための時間と温度の関係を示す。銀エポキシは、埋め込み型デバイスの製造においてワイヤボンドを取り付けるための材料の一例である。 図１８は、埋め込み型デバイスを炭化珪素中に被包するための概略図を示す。 図１９は、プロトタイプのアセンブリの概略とＰＣＢを示す。 図２０Ａ～Ｅは、所望の大きさの小型化超音波トランスデューサ（ＰＺＴ）をＰＣＢ上に組み立てることを確実にするための処理工程を示す。図２０Ａにおいて、エポキシはんだペーストを基板上に配置する。図２０Ｂにおいて、圧電材料をＰＣＢに取り付ける。図２０Ｃにおいて、圧電材料をダイシングし、所望のサイズのバルク圧電超音波トランスデューサを形成する。図２０Ｄにおいて、超音波トランスデューサをＰＣＢにワイヤボンディングする。図２０Ｅにおいて、ＰＣＢおよび超音波トランスデューサをＰＤＭＳ中に被包する。 図２１は、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を用いた電気インピーダンス測定の概略図を示す。 図２２Ａは、異なる大きさのバルク圧電超音波トランスデューサにおいて測定された電力伝達効率が、シミュレートされた挙動と一致することを示す。図２２Ｂは、測定されたＰＺＴ結晶のインピーダンス分光が、シミュレーションと一致することを示す。図２２Ｃは、小型化超音波トランスデューサの得られた電力に対する周波数応答が、約６．１ＭＨｚであることを示す。 図２３は、呼びかけ機の一部として使用することができる、例示的な超音波トランスデューサの概略図である。 図２４は、電力送達の確認のための、校正済み超音波トランスデューサを用いた音響特徴付け設備の概略図である。超音波受信機は超音波送信機とは別個のものである。 図２５Ａは、ハイドロフォンをトランスデューサの表面から遠ざけたときの５ＭＨｚトランスデューサの出力を表す。 図２５Ｂは、軽減出力のピークが水におけるピークに比べて、左にシフトしていることを示す。 図２６Ａは、トランスデューサの出力のＸＺ断面図を示しており、レイリー距離と、近距離から遠距離への伝播の鮮明な変遷とを図示する。 図２６Ｂは、２．２ｍｍのビームの６ｄＢの帯域を示すＸＹビーム断面図を示す。 図２７Ａは、ＸＹ平面における、トランスデューサアレイからの集束された２次元ビームパターンを示す。測定されるビームは、Ｘ方向およびＹ方向の両方において、シミュレートされたビームに近接している。 図２７Ｂは、超音波トランスデューサアレイ中の各トランスデューサ素子に適用された遅延時間を示す。 図２７Ｃは、シミュレートされた２次元ＸＺ断面のビームパターンを示す。 図２８Ａは、トランスデューサアレイから送信される超音波ビームのビームステアリングを示す。 各ビームパターンの下は、図２８Ｂに示すように、トランスデューサアレイ中の各トランスデューサが測定されたビームパターンを得るのに要する遅延である。 図２８Ｃは、図２８Ａで示したそれぞれのビームパターンの、Ｘ軸における１次元ビームパターンを示す。測定されたビームパターンは、シミュレートされたビームパターンに非常に近似している。 図２９は、組織中、５ｍｍの送信距離における、シミュレートされた小型化超音波トランスデューサの連結効率および受信電力を示す。 図３０Ａは、例示的なトランスデューサの表面からの距離の関数としての、低減された正規化ピーク圧力が、１．８５ＭＨｚの際、約８．９ｍｍで低減された焦点を有することを示す。 図３０Ｂは、近距離、レイリー距離、および遠距離における、ＸＹ断面のビームパターンおよびそれに対応するｙ＝０のときの１次元電圧プロットを示す。これらのパターンは、レイリー距離においてビームが集束していることを示す。 図３０Ｃは、トランスデューサの出力圧力は、入力電圧の一次関数であることを示す（最高３２Ｖのピーク間電圧）。 図３１Ａ（別の文脈において示した図５Ｅと同一）は、後方散乱の別々の領域を示す例示的な後方散乱波形である。後方散乱波形は、非応答領域から発生する反射に対応する領域によって（時間的に）両側を挟まれていることがわかる。これらの領域は、他の埋め込み型デバイスの構成要素から反射した波形に対応している。非応答領域（生物学的データをエンコードしていない）からの測定値を基準としてよい。このように示差測定を行うことで、実験における外部のトランスデューサに対する構造全体の移動を、差し引くことができる。 図３１Ｂは、カスタムした水タンク設備から得られる校正曲線であり、ノイズフロアは０．１８ｍＶｒｍｓであることを示す。 図３１Ｃは、ビームパターン出力の減退に続く、横への照準ミスの関数としてのノイズフロアの影響を示す。 図３１Ｄは、レイリー距離における、ｙ＝０のときのトランスデューサの軸外し電圧および出力低下の１次元のプロットを示す。 図３１Ｅは、角度の照準ミスの関数としての、有効ノイズフロアの低下のプロットを示す。角度の照準ミスによって、ビームパターンが歪む。つまり、ビームパターンが円ではなく、反対に長円形となる。これにより、焦点の半径が長くなる（そして、より広い範囲へとエネルギーが分散する）。つまり、焦点の歪みが、照準ミスにおける制約を緩和する。 図３２Ａは、組織を模倣するために使用される超音波カップリングゲルに埋め込まれた埋め込み型デバイスを用いた、埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を示す。前記超音波散乱は、２６マイクロ秒に集中する送信貫通および終了、および４７マイクロ秒付近に集中する小型化超音波トランスデューサ後方散乱を含む。 図３２Ｂは、小型化超音波トランスデューサの後方散乱領域（応答領域）の拡大図である。これは、埋め込み型デバイスへの信号入力の結果、振幅が変調されることを示す。 図３３は、単極でエンコードすることで、後方散乱の振幅パルスの変調により、埋め込み型デバイスから無線で得られる、ＡＳＣＩＩ文字「hello world」に対応するデジタルデータを示す。 図３４Ａは、小型化超音波バルク圧電トランスデューサおよびサーミスタを有する埋め込み型デバイスの例図を示す。非応答型リフレクタを埋め込み型デバイスに取り付け、非応答後方散乱波を反射させる。 図３４Ｂは、それぞれが、小型化超音波バルク圧電トランスデューサおよびサーミスタを有する、２つの埋め込み型デバイスを示す。上部のデバイスの体積は、約０．１１８ｍｍ３である。底部のデバイスの体積は、約１．４５ｍｍ３である。 図３５は、温度センサを有する個々の埋め込み型デバイスの後方散乱を特徴付けるために行う実験設計の断面図を示す。０．５ｍｉｌの厚さのＰＥＴシートを、水タンクの上部へ糊付けした。これにより、埋め込み型デバイスを熱的に絶縁しつつ、タンク中に水を保持する。 図３６は、小型化超音波バルク圧電トランスデューサ、サーミスタ、および高温ならびに低温での非応答型リフレクタを有する埋め込み型デバイスからの超音波後方散乱を示す。埋め込み型デバイスを３．３５ＭＨｚで呼びかけた。領域［１］は、非応答型リフレクタの寄与に対応しており、一方、領域［２］は、埋め込み型デバイスにおける熱的に変調したトランスデューサの寄与に対応している。温度依存変化が、領域［２］における、信号の振幅（つまりは、整流化信号の曲線より下の面積）における増加から見て取れる。領域［１］は、そのような変化を示さない。 図３７は、３４．５℃～４４．５℃の温度の関数としての、サーミスタを有する単一の埋め込み型デバイスの超音波後方散乱の曲線下の平均正規化面積を示す。温度は０．５℃ずつ上昇し、１０の収集した後方散乱波形面積を４４．５℃において正規化した。エラーバーは、各温度で測定した１０の測定値の標準偏差を表す。

Claims (1)

  1. 明細書に記載の発明。
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