JP2023515474A - ミリメートルスケール超音波ワイヤレス埋込み型デバイスにおけるアンカー損失 - Google Patents

Abstract

埋込み型デバイスであって、基板と、基板に取り付けられた集積回路と、集積回路に電力を供給する超音波を受け取るように構成された超音波トランスデューサとを備え、超音波トランスデューサが、１つまたは複数の電極を介して基板に取り付けられ、超音波トランスデューサに接触する総電極表面積が、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の表面積よりも小さい、埋込み型デバイスが提供される。たとえば、超音波トランスデューサは、立方晶系圧電結晶であってもよく、電極は、立方晶系圧電結晶の面の縁部、立方晶系圧電結晶の面の中心、または圧電結晶の面の角部に配置されてもよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年２月１９日に出願され、「ＡＮＣＨＯＲ ＬＯＳＳ ＩＮ ＭＩＬＬＩＭＥＴＥＲ－ＳＣＡＬＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＩＭＰＬＡＮＴＡＢＬＥ ＤＥＶＩＣＥＳ」という名称を有する米国仮特許出願第６２／９７８，５２０号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６２／９７８，５２０号の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに関する。より詳細には、本発明は、アンカー損失に起因するエネルギー損失を軽減するように超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に圧電結晶を取り付けることに関する。

医療インプラント用の音響リンクは、主としてワイヤレス深部組織システムへの経路を提供することに起因して注目されている。インプラントの小型化は、インプラント研究における別の重要な研究目標となることが多い。その理由は、名目的には、インプラントが小型であるほど、急性の、場合によっては慢性の組織損傷を少なくすることになるからである。音響システムにおけるインプラントサイズは、電力収集およびデータ通信に使用される内蔵圧電バルク結晶によって部分的に制限される。

圧電結晶は、超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの構成における重要な構成要素として働き、このような結晶は、圧電効果によって機械的（音響的）エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する。ミリメートルスケール超音波ワイヤレス埋込み型デバイスは、少なくとも圧電結晶と集積回路（ＩＣ）とからなり、圧電結晶は、ＩＣに電力を供給し外部トランシーバと通信するために使用される。近年、バイオエレクトロニクス分野における多くの研究者が、体の深部領域に埋め込まれたこのようなデバイスに対する問掛けに注目している。体内のセンチメートルスケールの深度においてこのようなデバイスを動作させるうえで重要な課題は、ＦＤＡ規制対象の安全電力限界を超えずにインプラントに十分な超音波エネルギーを給送することである。特に、圧電結晶を小型化すると、システム電力伝送効率およびデータ転送信頼性が低下することがある。

この課題を解消する方法としては、圧電結晶の音響電力変換効率を最大にする方法がある。圧電結晶の電力変換効率はその機械的品質係数（Ｑ）に正比例するので、既存の超音波埋込み型デバイスでは、主として圧電結晶の機械的品質係数による制限によって圧電結晶の音響電力変換効率が低い。一般的に言えば、機械的品質係数を高めるには、圧電結晶のエネルギー損失を非常に低くする必要がある。

圧電結晶におけるエネルギー損失の１つの原因は、「アンカー損失」、すなわち、結晶が取り付けられた基板への結晶の「固着」に起因する圧電結晶によって生成される振動エネルギーの損失である。

米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８３号 米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８２号 米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８４号 米国特許第１０，３００，３１０号 米国特許第１０，３００，３０９号 米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８１号 米国特許第１０，１１８，０５４号

Ｂｅｒｔｒａｎｄら、Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｕｎｔｅｔｈｅｒｅｄ， Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｎｅｕｒａｌ Ｄｕｓｔ Ｍｏｔｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ： ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ、ＩＥＥＥ ＥＭＢＣ （ ２０１４年８月）

本開示は、電力収集効率（η）および音響リンクを介した情報伝送を最大にするインプラント圧電結晶を実装する新規の方法を提供する。この方法は、振動モード変位がゼロである圧電領域にアンカーを配置することに依存する。詳細には、本明細書では、アンカー損失に起因する振動または発振エネルギー損失を低減させるように電極を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けられた圧電結晶を有する超音波ワイヤレス埋込み型デバイスについて説明する。一態様では、埋込み型デバイスであって、基板と、基板に取り付けられた集積回路と、集積回路に電力を供給する超音波を受け取るように構成された超音波トランスデューサとを備え、超音波トランスデューサが、１つまたは複数の電極を介して基板に取り付けられ、超音波トランスデューサに接触する総電極表面積が、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の表面積よりも小さい、埋込み型デバイスが提供される。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極の各々は、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面のそれぞれの角部に配置される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極の各々は、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の縁部に配置される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極は、単一の電極を備え、単一の電極は、単一の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の中心に配置される。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極は、超音波トランスデューサの面と基板との間に開口部を有する電極を含む。

いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは立方体形状を有する。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは矩形のプリズム形状を有する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面は矩形形状を有する。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の長さに対する１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．１未満である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の長さに対する１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．２未満である。

いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、超音波後方散乱を放出するようにさらに構成される。

いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、１つまたは複数の追加の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータから超音波を受け取るように構成される。

いくつかの実施形態では、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。

いくつかの実施形態では、埋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、対象は人間である。いくつかの実施形態では、対象は動物または植物である。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、最長寸法において長さが約５ｍｍ以下である。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、体積が約５ｍｍ^３以下である。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、生体適合材料によって少なくとも部分的に封入される。

別の態様では、１つもしくは複数のそのような埋込み型デバイスと、１つもしくは複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは１つもしくは複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成された１つまたは複数の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータとを備えるシステムが提供される。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、１つまたは複数の超音波トランスデューサアレイを備え、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備える。

いくつかの実施形態では、システムは複数の埋込み型デバイスを備える。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、送られた超音波をビーム操作し、選択的に、送られた超音波を複数の埋込み型デバイスの第１の部分に集束させるか、または送られた超音波を複数の埋込み型デバイスの第２の部分に集束させるように構成される。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、少なくとも２つの埋込み型デバイスから同時に超音波後方散乱を受け取るように構成される。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、時分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を使用して、複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成される。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、対象によって装着できるように構成される。

外部トランシーバと、硬膜下インテロゲータと、ニューラルダストモートとを含むニューラルダストシステムの概略図である。 本明細書で説明するシステム用の例示的なインテロゲータのブロック図である。図示のインテロゲータは、複数の超音波トランスデューサを備える超音波トランスデューサアレイを含む。アレイ内の各超音波トランスデューサは、チャネルによって操作され、チャネルは、トランスデューサを超音波を受け取るかまたは送るように選択的に構成するためのスイッチを含む。 本明細書で説明するシステム用の別の例示的なインテロゲータの概略図である。図示のインテロゲータは、２つの超音波トランスデューサアレイを含み、各超音波トランスデューサアレイは複数の超音波トランスデューサを含む。インテロゲータはまた、集積回路（デジタル回路を含むことができ、デジタル回路はプロセッサを含むことができる）を含む。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、ボタンなどを含むことができる）、記憶媒体（すなわち、非一時的メモリ）、入出力（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈなどのワイヤレスであってもよい）、および電源（電池など）に接続される。 対象に装着できる例示的なインテロゲータのブロック図を示す。インテロゲータは、ワイヤレス通信システム（図示のＢｌｕｅｔｏｏｔｈラジオ）を含み、ワイヤレス通信システムは、コンピュータシステムと通信するために使用することができる。 装着可能なインテロゲータの分解図である。インテロゲータは、電池と、ワイヤレス通信システムと、トランスデューサアレイとを含む。 対象に取り付けるためのハーネスとともに完全に組み立てられた図３Ｂに示す装着可能なインテロゲータを示す図である。 対象、すなわち齧歯動物（ただし、人間、犬、猫、馬、牛、豚、羊、ヤギ、鶏、猿、ネズミ、またはハツカネズミなどの任意の他の動物にすることができる）に取り付けられた装着可能なインテロゲータを示す図である。インテロゲータは、トランスデューサアレイを含み、トランスデューサアレイは接着剤によって対象の体に固定される。 図３Ａ～図３Ｄに示すインテロゲータのトランスデューサアレイの断面図である。 インテロゲータからのトランスデューサと小型超音波トランスデューサを有する埋込み型デバイスとの間の通信を示す概略図である。インテロゲータは、埋込み型デバイスに超音波を送り、小型超音波トランスデューサは、センサーによって変調された超音波後方散乱を放出する。次いで、後方散乱は、インテロゲータによって受け取られる。 図５A、インテロゲータによって放出された超音波パルスの一連のサイクルを示す図である。インテロゲータのトランシーバボードは、インテロゲータ（たとえば、ＦＰＧＡ）からトリガを受け取ると、一連の送信パルスを生成する。送信サイクルの終了時に、ＡＳＩＣ上のスイッチが送信モジュールを切り離し、受信モジュールを接続する。各サイクルは、１００マイクロ秒ごとの周波数を有する。図５Ｂ、サイクルが、１．８５ＭＨｚにおいて６つの超音波パルスを有し、パルスが５４０ナノ秒ごとに繰り返される、図５Ａに示す送信パルスシーケンス（すなわち、１サイクル）の拡大図である。図５Ｃ、埋込み型デバイスによって放出された超音波後方散乱を示す図である。超音波後方散乱は、インテロゲータのトランスデューサに約２ｔレイリーで到達する。図５Ｄ、解析することができる超音波後方散乱の拡大図である。超音波後方散乱の解析には、超音波後方散乱波のフィルタ処理、修正、および積分を含めることができる。図５Ｅ、フィルタ処理された超音波後方散乱波の拡大図である。後方散乱波は、小型超音波トランスデューサに対するインピーダンスの変化に応答する応答領域と、小型超音波トランスデューサに対する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。 埋込み型デバイス用の小型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である。 プリント基板（ＰＣＢ）上に小型超音波トランスデューサとＡＳＩＣとを含む例示的な埋込み型デバイスの概略図である。 プリント基板（ＰＣＢ）上に小型超音波トランスデューサとＡＳＩＣとを含む別の例示的な埋込み型デバイスの概略図である。 本明細書で説明する埋込み型デバイスを製造する方法を示す図である。 埋込み型デバイスを非晶質炭化ケイ素で封入する方法のフローチャートである。 超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に完全に「固着された」立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップである。 立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置された電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶の例示的な変形を示すヒートマップである。 立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置された電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶の例示的な変形を示すヒートマップである。 立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置すればよいかの一例を示す図である。 各角電極（図１１Ｂに示す）の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。 ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する角電極（図１１Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた１×１×１ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。 ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する角電極（図１１Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた０．７５×０．７５×０．７５ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。 立方晶系圧電結晶の一面の縁部に配置された電極または複数の電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶の例示的な変形を示すヒートマップである。 立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の縁部に配置すればよいかの一例を示す図である。 図１２Ｂに示す電極の中心開口部の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。 ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する中心開口部を有する縁電極（図１２Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた０．７５×０．７５×０．７５ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。 立方晶系圧電結晶の一面の中心に配置された電極または複数の電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶の例示的な変形を示すヒートマップである。 立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の中心に配置すればよいかの一例を示す図である。 中心電極（図１３Ｂに示す）の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。 ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する様々な中心電極（図１３Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた１×１×１ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。 立方晶系圧電結晶の一面を基板（たとえば、図１１Ｂに示す）に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置すればよいかの一例を示し、電極の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較した図である。 立方晶系圧電結晶の一面を基板（たとえば、図１２Ｂに示す）に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の縁部に配置すればよいかの一例を示し、電極の中心開口部の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較した図である。 立方晶系圧電結晶の一面を基板（たとえば、図１３Ｂに示す）に取り付けるには電極をどのように立方晶系圧電結晶の一面の中心に配置すればよいかの一例を示し、中心電極の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較した図である。 様々な圧電結晶厚さ（「Ｌ_ｐ」）およびＬ／Ｌ_ｐの様々な比についての電極のタイプ（角、縁、および中心）ごとの例示的な機械的品質係数（Ｑ）のチャートである。 パッケージングされた１×１×１ｍｍ^３圧電結晶、および圧電体の底面の角部に配置された４つの同一の方形電極を含む電極構成を示す図である。 パッケージングされた圧電体の概略断面を示す図である。 アンカーから基板への波動放射、したがって圧電共振器のアンカー損失を判定するためにＣＯＭＳＯＬをＰＭＬとともに使用してシミュレートされた、ＰＣＢ上の角電極に固定された圧電体の第１の基本モード形状を示す図である。 図１５Ｃに示す圧電システムの４分の１を示す図である。 ある電極寸法および構成についてのパッケージングされた圧電結晶のアドミッタンスおよび品質係数（Ｑｒ）特性評価を示す図である。詳細には、図１６Ａは、２００×２００μｍ角電極に固着された圧電体の共振アドミッタンス振幅に対して正規化された大気中で測定されたアドミッタンスを示す図である。 ある電極寸法および構成についてのパッケージングされた圧電結晶のアドミッタンスおよび品質係数（Ｑｒ）特性評価を示す図である。図１６Ｂは、測定されたＱｒおよび理論上のＱｒ、Ｘエラーバー： ＰＣＢサンプル数（ｎ）＝４の測定された最小および最大電極サイズ、Ｙエラーバー： ｎ＝４の±１標準偏差値を示す図である。 ある電極寸法および構成についてのパッケージングされた圧電結晶のアドミッタンスおよび品質係数（Ｑｒ）特性評価を示す図である。図１６Ｃは、実験データと解析モデル予測との間の一致を示す、水中で測定されたアドミッタンスを示す図である。 測定収集効率および予測収集効率についての４つの２００×２００μｍおよび４００×４００μｍ角電極上にパッケージングされた圧電結晶に関する共振時の電気負荷抵抗の関数としての効率特性評価を示す図である。 予測一致効率についての４つの２００×２００μｍおよび４００×４００μｍ角電極上にパッケージングされた圧電結晶に関する共振時の電気負荷抵抗の関数としての効率特性評価を示す図である。 ４つの２００×２００μｍおよび４００×４００μｍ角電極上にパッケージングされた圧電結晶についての共振時の測定音響反射係数および予測音響反射係数（Γ）と電気負荷抵抗の対比を示す図である。 音圧波によって生成される外部調和力Ｆ（ｔ）によって励起される圧電結晶の例示的な単一自由度（ＤＯＦ）電気機械等価回路を示す図である。 発電のために外部電気負荷（Ｚ_ｃｉｒ）に接続された圧電結晶の例示的なテブナンの等価回路を示す図である。 パッケージングされた圧電結晶の収集効率および後方散乱特性評価に使用される水槽構成を示す図であり、直径が１２．７ｍｍで焦点深度が約２ｃｍである２．２５ＭＨｚ単一素子外部超音波トランスデューサ（Ｖ３０６－ＳＵ－Ｆ０ ８０ＩＮ－ＰＴＦ； Ｏｌｙｍｐｕｓ）を使用して音圧波を生成した。ハイドロフォン（ＨＧＬ－０４００； Ｏｎｄａ）を使用して外部トランスデューサの出力圧力を較正した。測定において、圧電体と外部超音波トランスデューサとの間の距離は、トランスデューサ焦点をはるかに越える３ｃｍに設定され、遠距離動作を実行した。超音波アブソーバをタンクの底部に配置して測定時の底面からの音響反射を低減させた。 ４つの２００×２００μｍ^２角電極上にパッケージングされた圧電結晶についての測定収集効率と電気負荷抵抗および正規化された励起周波数との対比を示す図である。 ４つの４００×４００μｍ^２角電極上にパッケージングされた圧電結晶についての測定収集効率と電気負荷抵抗および正規化された励起周波数との対比を示す図である。 １×１ｍｍ^２単一電極上にパッケージングされた圧電結晶についての測定収集効率と電気負荷抵抗および励起周波数との対比を示す図である。 ４００μｍアンカーを有する圧電体のパラメータをＱ_ｒのそれぞれに異なる値に使用することによって共振時に得られる音響反射係数（Γ）と電気負荷抵抗との対比を示す図である。 ４００μｍアンカーを有する圧電体のパラメータをκ^２のそれぞれに異なる値に使用することによって共振時に得られる音響反射係数（Γ）と電気負荷抵抗との対比を示す図である。 ２００×２００μｍ角電極に固着された圧電結晶から記録された正規化された後方散乱信号を示し、圧電体を介して接続された電気負荷抵抗を動作時に５００Ωと１００ｋΩとの間で切り替えることによって実現される後方散乱振幅変調を示す図である。 ４００×４００μｍ角電極に固着された圧電結晶から記録された正規化された後方散乱信号を示し、圧電体を介して接続された電気負荷抵抗を動作時に５００Ωと１００ｋΩとの間で切り替えることによって実現される後方散乱振幅変調を示す図である。

概要
医療インプラントをサブミリ寸法に小型化すると、組織損傷を低減させ、周囲組織に対するインプラントの長期的な影響を軽減することができる。発展するバイオエレクトロニクス研究機関では、治療と診察の両方の場合に組織に広く適用できるサブミリサイズのインプラントに基づく開発中の埋込み型ワイヤレスシステムに注目している。大部分のワイヤレスシステムは、ワイヤレス電力およびデータ転送について電磁（ＥＭ）波に依存しているが、ＥＭ波をサブミリインプラントに結合すると、組織内で著しく非効率的になる。超音波は近年、組織の深部において（＞５ｃｍ）小型の（サブミリ３）効率的にインプラントに電力を供給しかつインプラントと通信するための、ＥＭの魅力的な代替手段として注目されている。

超音波ベースシステムは、インプラントおよび体外の外部トランシーバを使用し、外部トランシーバは、電子機器によって駆動される圧電トランスデューサを含む。このトランスデューサは、インプラントとの音響リンクを確立する。インプラントは、少なくとも圧電結晶と集積回路などの電気構成要素とからなり、圧電体は、音響エネルギーを収集し、圧電体自体から反射された音波中の情報を符号化することを可能にする（「後方散乱変調」と呼ばれる処理）。後方散乱変調を使用して体内からのアップリンクデータを体外に送る場合、データ伝送を開始するための有効電力は必要とされず、場合によっては、外部キャパシタが不要になり、それによって、超小型インプラントの設計が可能になる。

近年、バイオエレクトロニクス分野における多くの研究者が、体の深部領域に埋め込まれたこのようなデバイスに対する問掛けに注目している。体内のセンチメートルスケールの深度においてこのようなデバイスを動作させるうえで重要な課題は、ＦＤＡ規制対象の安全電力限界を超えずにインプラントに十分な超音波エネルギーを給送することである。さらに、小型化によって組織中の音響リンクの電力伝送効率とデータ転送信頼性の両方が低下することがあるので、後方散乱変調に依存する超音波インプラントのサイズは圧電体によって制限される。この問題に対する一般的な手法は、圧電形状、圧電材料特性、外部トランスデューサのサイズおよび集束能力などのシステム構成要素を最適化することである。

これらの問題を解消する方法は、圧電結晶の音響電力変換効率を最大にすることである。圧電結晶の電力変換効率は機械的品質係数（Ｑ）に正比例するので、既存の超音波埋込み型デバイスでは、主として圧電結晶の機械的品質係数によって制限される圧電結晶の音響電力変換効率が低い。一般的に言えば、機械的品質係数を高めるには、圧電結晶のエネルギー損失を非常に低くする必要がある。

圧電結晶におけるエネルギー損失の１つの原因は「アンカー損失」、すなわち、圧電結晶が取り付けられる基板への圧電結晶の「固着」に起因して圧電結晶によって生成される振動／発振エネルギーの損失である。

本開示は、アンカー損失を低減させるように超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に圧電結晶を取り付けるための技法を提供する。詳細には、本出願は、インプラント圧電体のパッケージングに基づく解決手段を提供する。本明細書で提供される手法は、対象の振動モード変位がほぼゼロである圧電領域においてインプラントパッケージ上にアンカーを配置することことに依存する。この手法は、基板を通じたエネルギー損失を生じさせるアンカー損失を低減させるのを可能にし、圧電品質係数を最大にする。本明細書で提供される手法はまたシステムカップリング（κ２）を改善する。Ｑおよびκ２がより高い圧電体は、共振時により高い電力収集効率および後方散乱振幅変調深度を実現し、システム音響電力およびデータリンク効率を最大にし、それによって、超音波インプラントの小型化を可能にする。

圧電結晶が取り付けられた基板を通じたエネルギー損失を生じさせるアンカー損失を調べる第１の調査が実施された。具体的には、調査では、基板特性の効果、異なる剛性および厚さを有する基板材料ならびに圧電結晶と基板の取付け構成が、調査された。初期調査結果では、剛性の低い薄い基板と、圧電結晶を基板に取り付ける電極として小型の電極を使用することによって、アンカー損失を著しく低減させることができることがわかった。詳細には、アンカー損失は、これらの電極を圧電結晶の角部、圧電結晶の縁部、または圧電結晶の中心に揃えるように配置したときに低減させることができる。さらに、アンカー損失は、これらの電極が、電極が取り付けられる圧電結晶の面のサイズと比較して小さいときに低減させることができる。

第２の調査は、それぞれに異なるサイズのアンカーを用いて組み立てられた圧電結晶を調べることによって実施された。この調査の結果、アンカーサイズを小さくすると、アンカー損失が低減し、したがって圧電品質係数（Ｑ）が改善されることがわかった。結果はまた、この方法がシステム電気機械結合を向上させることを示している。強力に結合されたＱの高い圧電体は、共振時に著しく高いηおよび優れたデータ転送機能を実現し、超音波インプラントをさらに小型化する経路をもたらす堅固な音響リンクを確保する。

定義
本明細書では、「超音波ワイヤレス埋込み型デバイス」は、以下の文献のいずれかによって開示されるデバイスを指すことがあり、各文献の全体が参照により本明細書に組み込まれている。「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＩＧＮＡＬＳ」という名称の米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８３号、「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＳＥＮＳＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＩＭＰＥＤＡＮＣＥ ＯＦ ＴＩＳＳＵＥ」という名称の米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８２号、「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＷＡＶＥＳ ＦＯＲ ＳＴＩＭＵＬＡＴＩＮＧ ＴＩＳＳＵＥ」という名称の米国特許出願公開第２０１９／０１５０８８４号、「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＳＥＮＳＩＮＧ ＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許第１０，３００，３１０号、「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＳＥＮＳＩＮＧ ＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許第１０，３００，３０９号、「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＡＮＤ ＯＮＣＯＬＯＧＹ」という名称の米国特許出願第２０１９／０１５０８８１号、および「ＩＭＰＬＡＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ ＦＯＲ ＳＥＮＳＩＮＧ ＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許第１０，１１８，０５４号。

本明細書では、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって明白な指示がない限り複数の参照を含む。

本明細書における「約」値またはパラメータの参照は、その値またはパラメータ自体を対象とする変形例を含む（表す）。たとえば、「約Ｘ」を参照する記述は「Ｘ」の記述を含む。

「小型」という用語は、最長寸法における長さが約５ミリメートル以下（約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または約０．５ｍｍ以下）の任意の材料または構成要素を指す。いくつかの実施形態では、「小型」材料または構成要素は、最長寸法の長さが約０．１ｍｍ～約５ｍｍ（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。「小型」はまた、体積が約５ｍｍ^３以下（約４ｍｍ^３以下、３ｍｍ^３以下、２ｍｍ^３以下、または１ｍｍ^３以下）である任意の材料または構成要素を指すことがある。いくつかの実施形態では、「小型」材料または構成要素は体積が約０．５ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約１ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約２ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約３ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、または約４ｍｍ^３～約５ｍｍ^３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スデューサの一種である。圧電材料は、結晶、セラミック、ポリマー、または任意の他の天然もしくは合成圧電材料であってもよい。

「非応答」超音波は、検出される信号とは無関係の反射率を有する超音波である。「非応答反射体」は、反射波形が検出される信号とは無関係であるように超音波を反射する埋込み型デバイスの構成要素である。

「対象」という用語は動物を指す。

本明細書で説明する発明の態様および変形例は、態様および変形例「からなる」および／または「基本的に」態様および変形例「からなる」ことを含むことを理解されたい。

一連の値が与えられるとき、その範囲の上限と下限との間に介在する各値、およびその上記の範囲内の任意の他の上記の値または介在する値が、本開示の範囲内に包含されることを理解されたい。上記の範囲が上限または下限を含む場合、それらの含まれる限界のいずれかを除外した範囲も本開示に含まれる。

本明細書で説明する様々な実施形態の特性のうちの１つ、いくつか、またはすべて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ことを理解されたい。本明細書で使用する節の見出しは、整理を目的としたものに過ぎず、説明する主題を制限するものと解釈すべきではない。

上記で「実施形態」に関して説明した特徴および選好は、明確な選好であり、特定の実施形態のみに限定されず、技術的に実現可能であるならば、他の実施形態の特徴と自由に組み合わせてもよく、特徴の好ましい組合せを形成してもよい。

説明は、当業者が本発明を作製し使用することを可能にするように提示され、特許出願およびその要件の文脈において提供される。当業者には、説明する実施形態の様々な修正実施形態が容易に明らかになろう。本明細書の一般的な原則が他の実施形態に適用されてもよい。したがって、本発明は、図示の実施形態に限定することを意図するものではなく、本明細書で説明する原則および特徴と一致する最も広い範囲が認められるべきである。さらに、節の見出しは、整理を目的としたものであり、限定と見なすべきではない。最後に、本出願で参照される特許および公表文献の開示全体が、事実上、参照により本明細書に組み込まれている。

ニューラルダストシステム
図１は、外部トランスデューサと、硬膜下インテロゲータと、ニューラルダストモートとを含むニューラルダストシステムの概略図である。

インテロゲータ
インテロゲータは、超音波を使用して１つまたは複数の埋込み型デバイスとワイヤレス通信し、超音波は、埋込み型デバイスに電力を供給しならびに／または埋込み型デバイスを動作させるために使用される。インテロゲータによって放出された超音波は、トリガ信号を符号化することができ、トリガ信号は、埋込み型デバイスにシグナリングして電気パルスを放出させる。インテロゲータは、１つまたは複数の超音波トランスデューサを含み、超音波トランスデューサは超音波送信機および／もしくは超音波受信機として（または代替的に超音波を送るかもしくは受け取るように構成することのできるトランシーバとして）動作することができる。１つまたは複数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、インテロゲータは場合によっては、１つまたは複数のトランスデューサアレイを含むことができる。いくつかの実施形態では、アレイ内のトランスデューサは、規則的な間隔を有することももしくは不規則な間隔を有することもでき、またはまばらに配置することもできる。いくつかの実施形態では、アレイは可撓性である。いくつかの実施形態では、アレイは平面状であり、いくつかの実施形態では、アレイは非平面状である。いくつかの実施形態では、超音波送信機能は、別個のデバイス上の超音波受信機能から分離される。すなわち、場合によっては、インテロゲータは、埋込み型デバイスに超音波を送る第１のデバイスと、埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取る第２のデバイスとを備える。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取ることができ、そのような埋込み型デバイスは、電気生理学的電圧を検出し、検出された電気生理学的電圧信号を示す情報を符号化する超音波後方散乱を放出するように構成される。いくつかの実施形態では、インテロゲータから放出され、電気パルスを放出するように構成された埋込み型デバイスによって受け取られる超音波によって符号化されたトリガ信号は、受け取られた超音波後方散乱が検出された電気生理学的信号に関する情報を符号化することに応じて送信される。

例示的なインテロゲータが図２Ａに示されている。図示のインテロゲータは、複数の超音波トランスデューサを含む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個以上、２個以上、３個以上、５個以上、７個以上、１０個以上、１５個以上、２０個以上、２５個以上、５０個以上、１００個以上、２５０個以上、５００個以上、１０００個以上、２５００個以上、５０００個以上、または１万個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、１０万個以下、５万個以下、２万５千個以下、１万個以下、５０００個以下、２５００個以下、１０００個以下、５００個以下、２００個以下、１５０個以下、１００個以下、９０個以下、８０個以下、７０個以下、６０個以下、５０個以下、４０個以下、３０個以下、２５個以下、２０個以下、１５個以下、１０個以下、７個以下、または５個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、たとえば５０個以上の超音波トランスデューサ画素を備えるチップとすることができる。図２Ａに示すインテロゲータは、単一のトランスデューサアレイを示すが、インテロゲータは１つ以上、２つ以上、または３つ以上の別個のアレイを含むことができる。いくつかの実施形態では、インテロゲータは、１０個以下（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）のトランスデューサアレイを含む。たとえば、別々のアレイを対象のそれぞれに異なる点に配置することができ、これらのアレイは同じ埋込み型デバイスまたはそれぞれに異なる埋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、アレイは埋込み型デバイスの両側に位置する。インテロゲータはＡＳＩＣを含むことができ、ＡＳＩＣは、トランスデューサアレイ内のトランスデューサごとにチャネルを含む。いくつかの実施形態では、チャネルはスイッチ（図２Ａでは「Ｔ／Ｒｘ」によって示されている）を含む。スイッチは、チャネルに接続されるトランスデューサを超音波を送るかまたは超音波を受け取るように選択的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隔離することができる。いくつかの実施形態では、チャネルに接続されるトランスデューサは、超音波を受け取ることのみのために構成されるかまたは超音波を送ることのみのために構成され、スイッチは場合によっては、チャネルから除外される。チャネルは、遅延制御回路を含むことができ、遅延制御回路は、送られた超音波を制御するように動作する。遅延制御回路は、たとえば、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。遅延制御回路は、レベルシフタに接続することができ、レベルシフタは、遅延制御回路からの入力パルスを超音波を送るためにトランスデューサよって使用されるより高い電圧に変更する。いくつかの実施形態では、各チャネルについての波形および周波数を表すデータを「ウェーブテーブル」に記憶することができる。これによって、各チャネル上の送信波形を異ならせることができる。その場合、遅延制御回路およびレベルシフタは、このデータをトランスデューサアレイへの実際の送信信号に「ストリーミング」するために使用することができる。いくつかの実施形態では、各チャネルの送信波形は、マイクロコントローラまたは他のデジタルシステムの高速シリアル出力によって直接生成し、レベルシフタまたは高電圧増幅器を通してトランスデューサ素子に送ることができる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣは、ＡＳＩＣに供給される第１の電圧をより高い第２の電圧に変換するためのチャージポンプ（図２Ａに示されている）を含み、第２の電圧はチャネルに印加される。チャネルは、デジタルコントローラなどのコントローラによって制御することができ、コントローラは遅延制御回路を動作させる。超音波受信回路では、トランスデューサ（受信モードにセットされている）によって受け取られた超音波が電流に変換され、この電流がデータキャプチャ回路に送られる。いくつかの実施形態では、組織損失を補償する増幅器、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）、可変利得増幅器、もしくは時間利得制御可変利得増幅器、および／またはバンドパスフィルタが受信回路に含まれる。ＡＳＩＣは、電池（インテロゲータの装着可能実施形態に好ましい）などの電源から電力を引き込むことができる。図２Ａに示す実施形態では、１．８ＶがＡＳＩＣに供給され、チャージポンプによって３２Ｖに上げられる。ただし、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、インテロゲータは、プロセッサおよび／または非一時的コンピュータ可読メモリを含む。いくつかの実施形態では、上述のチャネルは、Ｔ／Ｒｘスイッチを含まず、その代わりに独立したＴｘ（送信）チャネルと、飽和回復に優れた低雑音増幅器の形をした高電圧Ｒｘ（受信機回路）を有するＲｘ（受信）チャネルとを含む。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、インテロゲータ送受信回路内の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ごとに送信素子の異なるセットを選択する。たとえば、６４個の送受信チャネルが３：１マルチプレクサを介して１９２個の物理トランスデューサ素子に接続され、６４個のトランスデューサ素子のみが所与のパルス上でアクティブになる。

図２Ｂは、インテロゲータの別の実施形態を示す。図２Ｂに示すように、インテロゲータは１つまたは複数のトランスデューサ２０２を含む。各トランスデューサ２０２は、送信機／受信機スイッチ２０４に接続され、トランスデューサを超音波を送るかまたは受け取るように選択的に構成することができる。送信機／受信機スイッチは、プロセッサ２０６（中央演算処理回路（ＣＰＵ）、カスタム専用プロセッサ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ス処理ユニット（ＧＰＵ）など）に接続される。いくつかの実施形態では、インテロゲータは、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）をさらに含む。インテロゲータはまた、ユーザインターフェース（ディスプレイ、インテロゲータを制御するための１つもしくは複数のボタンなど）、メモリ、電源（電池など）、および／または入出力ポート（有線でもよくもしくは無線であってもよい）を含むことができる。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは埋込み型である。埋込み型デバイスが超音波を透過させにくい障壁によって遮断された領域に埋め込まれるときに埋込み型インテロゲータが好ましい場合がある。たとえば、インテロゲータは、頭蓋下の、硬膜下または硬膜上のいずれかに埋め込むことができる。頭蓋下インテロゲータは、脳内に埋め込まれた埋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ので、埋め込まれた頭蓋下インテロゲータが脳内に埋め込まれた埋込み型デバイスとの通信を可能にする。別の例では、埋込み型インテロゲータは、骨プレートなどの別の埋込み型デバイスの一部として埋め込むか、または別の埋込み型デバイスの後方もしくは別の埋込み型デバイス内に埋め込むことができる。埋込み型インテロゲータは、たとえばＥＭ信号またはＲＦ信号によって外部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、インテロゲータは外部に位置する（すなわち、埋め込まれない）。一例として、外部インテロゲータは、装着可能であり、ストラップまたは接着剤によって体に固定されてもよい。別の例では、外部インテロゲータはワンドとすることができ、ユーザ（医療関係者）によって保持されてもよい。いくつかの実施形態では、インテロゲータは、縫合、単純な表面張力、包み布、スリーブ、もしくはゴムバンドなどの衣服ベースの固定デバイスを介して、または皮下固定によって体に保持することができる。インテロゲータのトランスデューサまたはトランスデューサアレイは、トランスデューサの残りの部分から離して配置されてもよい。たとえば、トランスデューサアレイは、第１の位置において（１つまたは複数の埋込み型デバイスの近位など）対象の皮膚に固定することができ、インテロゲータの残りの部分は、トランスデューサまたはトランスデューサアレイをインテロゲータの残りの部分に繋ぐワイヤを用いて第２の位置に位置させてもよい。図３Ａ～図３Ｅは、装着可能な外部インテロゲータの一例を示す。図３Ａは、インテロゲータのブロック図を示し、このインテロゲータは、複数のトランスデューサを備えるトランスデューサアレイと、トランスデューサアレイ内の各トランスデューサ用のチャネルを備えるＡＳＩＣと、電池（図示の例ではリチウムポリマー（ＬｉＰｏ）電池）と、ワイヤレス通信システム（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈシステムなど）とを含む。図３Ｂは、装着可能なインテロゲータの分解図を示し、このインテロゲータは、プリント基板（ＰＣＢ）３０２を含み、プリント基板３０２は、ＡＳＩＣと、ワイヤレス通信システム３０４と、電池３０６と、超音波トランスデューサアレイ３０８と、超音波トランスデューサアレイ３０８をＡＳＩＣにつなぐワイヤ３１０とを含む。図３Ｃは、ハーネス３１４を含む、図３Ｂに示す装着可能なインテロゲータ３１２を示し、ハーネス３１４は、インテロゲータを対象に取り付けるために使用することができる。図３Ｄは、対象に取り付けられた組立て済みインテロゲータ３１６を示し、トランスデューサアレイ３０８が第１の位置に取り付けられ、インテロゲータの残りの部分が第２の位置に取り付けられている。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、このトランスデューサアレイ３０８は、基板３１８と、各トランスデューサ３２２を基板３１８に取り付けるビア３２０と、金属化ポリエステル膜３２４と、吸収性バッキング層３２６とを含む。金属化ポリエステル膜３２４は、トランスデューサ用の共通の接地および音響整合層を構成し、一方、吸収性バッキング層３２６（タングステン粉末充填ポリウレタンなど）は個々のトランスデューサのリンギングを低減させることができる。

トランスデューサアレイの具体的な設計は、所望の侵入深さ、開口サイズ、およびアレイ内の個々のトランスデューサのサイズに依存する。トランスデューサアレイのレイリー距離Ｒは次式のように算出される。

上式において、Ｄは、開口のサイズであり、λは伝播媒体（たとえば、組織）内の超音波の波長である。当技術分野において理解されるように、レイリー距離は、アレイによって放射されたビームが完全に形成される距離である。すなわち、圧力場はレイリー距離における自然焦点に収束して受信電力を最大にする。したがって、いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、トランスデューサアレイからレイリー距離と概ね同じ距離である。

トランスデューサアレイ内の個々のトランスデューサは、ビーム形成またはビーム操作のプロセスを通じて、レイリー距離およびトランスデューサアレイによって放出された超音波のビームの位置を制御するように変調させることができる。線形拘束付最小分散（ＬＣＭＶ）ビーム形成などの技法を使用して複数の埋込み型デバイスを外部超音波トランシーバと通信させてもよい。たとえば、Ｂｅｒｔｒａｎｄら、Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｕｎｔｅｔｈｅｒｅｄ， Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｎｅｕｒａｌ Ｄｕｓｔ Ｍｏｔｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｒｔｉｃａｌ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ： ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ、ＩＥＥＥ ＥＭＢＣ （Ａｕｇ． ２０１４）を参照されたい。いくつかの実施形態では、ビーム操作は、アレイ内のトランスデューサによって放出された超音波の電力または位相を調整することによって行われる。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、１つまたは複数のトランスデューサを使用して超音波をビーム操作するための命令、１つまたは複数の埋込み型デバイスの相対的位置を判定するための命令、１つまたは複数の埋込み型デバイスの相対運動を監視するための命令、１つまたは複数の埋込み型デバイスの相対運動を記録するための命令、および複数の埋込み型デバイスからの後方散乱の逆畳込みを行うための命令のうちの１つもしくは複数を含む。

埋込み型デバイスとインテロゲータとの通信
埋込み型デバイスとインテロゲータは、超音波を使用して互いにワイヤレス通信する。埋込み型デバイスは、埋込み型デバイス上の小型超音波トランスデューサを通じてインテロゲータから超音波を受け取る。埋込み型デバイス上の小型超音波トランスデューサが振動すると、トランスデューサの電気端子を介して電圧が生成され、センサーおよび／またはＡＳＩＣが存在する場合にはＡＳＩＣを含むデバイス内を電流が流れる。

図４は、埋込み型デバイスと通信中のインテロゲータを示す。外部超音波トランシーバは超音波（「搬送波」）を放出し、超音波は組織を通過することができる。搬送波は、小型超音波トランスデューサ（たとえば、小型バルク圧電トランスデューサ）上で機械的な振動を生じさせる。小型超音波トランスデューサを介して電圧が生成され、埋込み型デバイス上のセンサー内を流れる電流が生じる。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスはＡＳＩＣを含み、電流は小型超音波トランスデューサからＡＳＩＣを通って放射線検出器まで流れ、逆にＡＳＩＣまで流れ、小型超音波トランスデューサに戻る。小型超音波トランスデューサ内を電流が流れると、埋込み型デバイス上のトランスデューサが後方散乱超音波を放出する。

インテロゲータと埋込み型デバイスとの間の通信は、超音波を送り受け取るパルス反射法を使用することができる。パルス反射法では、インテロゲータは、一連の問掛けパルスを所定の周波数で送り、次いで埋込み型デバイスから後方散乱エコーを受け取る。いくつかの実施形態では、パルスは長さが約２００ナノ秒（ｎｓ）から約１０００ｎｓ（長さが約３００ｎｓから約８００ｎｓ、長さが約４００ｎｓから約６００ｎｓ、または長さが約５４０ｎｓなど）である。いくつかの実施形態では、パルスは長さが約１００ｎｓ以上（長さが約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以上など）である。いくつかの実施形態では、パルスは長さが約２０００ｎｓ以下（長さが約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以下など）である。いくつかの実施形態では、各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、滞留時間は長さが約１００ｎｓ以上（長さが約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以上など）である。いくつかの実施形態では、滞留時間は長さが約２０００ｎｓ以下（長さが約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以下など）である。いくつかの実施形態では、パルスは方形状、矩形状、三角形状、鋸歯状、または正弦状である。いくつかの実施形態では、パルス出力は、２レベル（ＧＮＤおよびＰＯＳ）、３レベル（ＧＮＤ、ＮＥＧ、ＰＯＳ）、５レベル、または任意の他の多重レベル（たとえば、２４ビットＤＡＣを使用する場合）とすることができる。いくつかの実施形態では、パルスは、動作時にインテロゲータによって連続的に送られる。いくつかの実施形態では、インテロゲータ上のトランスデューサの一部は、インテロゲータによってパルスが連続的に送られたときに超音波を受け取るように構成され、インテロゲータ上のトランスデューサの一部は、インテロゲータによってパルスが連続的に送られたときに超音波を送るように構成される。超音波を受け取るように構成されたトランスデューサと超音波を送るように構成されたトランスデューサは、同じトランスデューサアレイ上に位置することもでき、またはインテロゲータの異なるトランスデューサアレイ上に位置することもできる。いくつかの実施形態では、インテロゲータ上のトランスデューサは、選択的に超音波を送るかまたは受け取るように構成することができる。たとえば、トランスデューサは、１つまたは複数のパルスの送信と休止期間とを循環することができる。トランスデューサは、１つまたは複数のパルスを送るときに超音波を送るように構成され、超音波を送った後休止期間の間に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、サイクル中の１つまたは複数のパルスは、任意の所与のサイクルにおいて超音波の約１個から約１０個（約２個から約８個、または約４個から約７個、または約６個）のパルスを含む。いくつかの実施形態では、サイクル中の１つまたは複数のパルスは、任意の所与のサイクルにおいて超音波の約１個以上、２個以上、４個以上、６個以上、８個以上、または１０個以上のパルスを含む。いくつかの実施形態では、サイクル中の１つまたは複数のパルスは、サイクルにおいて超音波の約２０個以下、約１５個以下、約１０個以下、約８個以下、または約６個以下のパルスを含む。パルスサイクルは、動作時に規則的に繰り返すことができ、たとえば、約５０マイクロ秒から約３００μｓごと（約７５μｓから約２００μｓごと、または約１００μｓごとなど）に規則的に繰り返すことができる。いくつかの実施形態では、サイクルは、５０μｓ以上ごと、１００μｓ以上ごと、１５０μｓ以上ごと、２００μｓ以上ごと、２５０μｓ以上ごと、または３００μｓ以上ごとに繰り返される。いくつかの実施形態では、サイクルは、３００μｓ以下ごと、２５０μｓ以下ごと、２００μｓ以下ごと、１５０μｓ以下ごと、または１００μｓ以下ごとに繰り返される。サイクル周波数は、たとえば、インテロゲータと埋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の間で切り替えることができる速度に基づいて設定することができる。

図５は、インテロゲータと埋込み型デバイスとの間の循環パルス反復超音波通信を示す。図５Ａは、１００マイクロ秒ごとの周波数を有する一連のパルスサイクルを示す。パルスを送る間、アレイ内のトランスデューサは、超音波を送るように構成される。トランスデューサは、パルスが送られた後、後方散乱した超音波を受け取るように構成される。図５Ｂは、５４０ナノ秒ごとの周波数を有する、超音波の６つのパルスを示すサイクルの拡大図を示す。インテロゲータによって検出される後方散乱した超音波は、図５Ｃに示されており、単一のパルスの拡大図が図５Ｄに示されている。図５Ｄに示すように、埋込み型デバイスから受け取られた超音波後方散乱を解析することができ、この解析は、後方散乱波をフィルタ処理する（たとえば、波の減衰を除去するために行う）こと、後方散乱波を修正すること、波に問い掛けて波によって符号化されたデータを判定することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、後方散乱波は機械学習アルゴリズムを使用して解析される。図５Ｅは、フィルタ処理された後方散乱波の拡大図を示す。図５Ｅに示す後方散乱波は、機械境界から生じる反射、すなわち、（１）埋込み型デバイスを封入する生体適合材料からの反射、（２）小型超音波トランスデューサの頂面からの反射、（３）プリント基板と小型超音波トランスデューサとの間の境界からの反射、および（４）プリント基板の裏面からの反射に対応する４つの異なる領域を含む。小型トランスデューサの表面から反射した後方散乱波の振幅は、小型超音波トランスデューサに戻る電流のインピーダンスの変化の関数として変化しており、この後方散乱領域が検知された生理学的状態に関する情報を符号化するので「応答後方散乱」と呼ぶことができる。超音波後方散乱の他の領域は、「非応答後方散乱」と呼ぶことができ、後述のように、埋込み型デバイスの位置、埋込み型デバイスの移動距離、および／または埋込み型デバイスの近位の温度変化を判定するうえで有用である。いくつかの実施形態では、デバイスは、非応答反射体をさらに備える。いくつかの実施形態では、非応答反射体は立方体である。いくつかの実施形態では、非応答反射体はケイ素を含む。いくつかの実施形態では、非応答反射体は、剛性を有する材料の表面である。非応答反射体は、埋込み型デバイスに取り付けられが、電気的に隔離され。センサーまたはＡＳＩＣインピーダンスの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られる超音波の周波数は、埋込み型デバイス上の小型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応じて設定することができる。いくつかの実施形態では、小型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、小型超音波トランスデューサは狭帯域である。たとえば、いくつかの実施形態では、パルスの周波数は、小型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、小型超音波トランスデューサの共振周波数に近い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から約１００ＭＨｚの間（約１００ｋＨｚから約２００ｋＨｚの間、約２００ｋＨｚから約５００ｋＨｚの間、約５００ｋＨｚから約１ＭＨｚの間、約１ＭＨｚから約５ＭＨｚの間、約５ＭＨｚから約１０ＭＨｚの間、約１０ＭＨｚから約２５ＭＨｚの間、約２５ＭＨｚから約５０ＭＨｚの間、または約５０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの間）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。周波数を高くすると、埋込み型デバイス上の小型超音波トランスデューサをより小型にすることができる。しかし、周波数を高くするとまた、超音波トランスデューサと埋込み型デバイスとの間の通信深度が制限される。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスと超音波トランスデューサは、約０．１ｃｍ～約１５ｃｍ（約０．５ｃｍ～約１０ｃｍまたは約１ｃｍ～約５ｃｍ）分離される。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスと超音波トランスデューサは、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以上分離される。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスと超音波トランスデューサは、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以下だけ分離される。

いくつかの実施形態では、後方散乱超音波は、埋込み型デバイスによってデジタル化される。たとえば、埋込み型デバイスは、オシロスコープもしくはアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）および／またはメモリを含むことができ、電流（またはインピーダンス）変動における情報をデジタルに符号化することができる。デジタル化された電流変動は、センサーによって検知されたデータを反映し、超音波トランスデューサによって受け取られ、超音波トランスデューサはデジタル化された音波を送る。デジタル化されたデータは、たとえば特異値分解（ＳＶＤ）および最小二乗ベース圧縮を使用することによってアナログデータを圧縮することができる。いくつかの実施形態では、圧縮は相関器またはパターン検出アルゴリズムによって実行される。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修正積分などの一連の非線形変換を受けて、単一時間インスタンスにおける再構築データポイントを生成してもよい。そのような変換は、ハードウェアにおいて行う（すなわち、ハードコーディングする）こともでき、またはソフトウェアにおいて行うこともできる。

いくつかの実施形態では、デジタル化データは一意の識別子を含むことができる。一意の識別子は、たとえば、複数の埋込み型デバイスおよび／または複数の電極対を備える埋込み型デバイスを備えるシステムにおいて使用することができる。たとえば、一意の識別子は、複数の埋込み型デバイスから信号オリジンの埋込み型デバイスを特定することができる。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、複数の電極対を備え、電極対は、単一の埋込み型デバイスによって検出された電気生理学的信号を同時にまたは選択的に受け取ってもよい。それぞれに異なる電極対はたとえば、それぞれに異なる組織（たとえば、それぞれに異なる神経もしくはそれぞれに異なる筋肉）または同じ組織のそれぞれに異なる領域において電気生理学的信号を検出するように構成することができる。デジタル化回路は、一意の識別子を符号化して、どの電極対が電気生理学的信号を検出したかを特定することができる。

いくつかの実施形態では、デジタル化信号はアナログ信号のサイズを圧縮する。デジタル化信号のサイズが小さくなると、超音波後方散乱において符号化された検出される電気生理学的信号をより効率的に報告することができる。このことは、たとえば、埋込み型デバイスが、電気生理学的信号を同時にまたはほぼ同時に検出する複数の電極対を含むときに使用することができる。デジタル化を通じて電気生理学的信号のサイズを圧縮することによって、場合によっては重複する信号を正確に送ることができる。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは複数の埋込み型デバイスと通信する。このことは、たとえば、多入力多出力（ＭＩＭＯ）システム理論を使用して行うことができる。たとえば、時分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を使用してインテロゲータと複数の埋込み型デバイスとの間の通信を行うことができる。いくつかの実施形態では、２つ以上（３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個以上、１２個以上、約１５個以上、約２０個以上、約２５個以上、約５０個以上、または約１００個以上など）の埋込み型デバイスがインテロゲータと通信する。いくつかの実施形態では、約２００個以下の埋込み型デバイス（約１５０個以下、約１００個以下、約５０個以下、約２５個以下、約２０個以下、約１５個以下、約１２個以下、または約１０個以下の埋込み型デバイスなど）がインテロゲータと通信する。インテロゲータは、複数の埋込み型デバイスから合成された後方散乱を受け取ることができ、後方散乱に対して逆畳込みを行うことができ、それによって、各埋込み型デバイスから情報を抽出する。いくつかの実施形態では、インテロゲータは、トランスデューサアレイから送られた超音波をビーム操作を通じて特定の埋込み型デバイスに集束させる。インテロゲータは、送られた超音波を第１の埋込み型デバイスに集束させ、第１の埋込み型デバイスから後方散乱を受け取り、送られた超音波を第２の埋込み型デバイスに集束させ、第２の埋込み型デバイスから後方散乱を受け取る。いくつかの実施形態では、インテロゲータは、複数の埋込み型デバイスに超音波を送り、次いで複数の埋込み型デバイスから超音波を受け取る。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、埋込み型デバイスの位置または速度を判定するために使用される。たとえば、デバイスの位置または移動をある期間にわたって判定することによって速度を判定することができる。埋込み型デバイスの位置は、インテロゲータ上のトランスデューサに対する位置などの相対位置とすることができる。埋込み型デバイスの位置または移動を知ることによって、組織において検出された電気生理学的信号の厳密な位置を知ることができる。埋込み型デバイスの位置を判定しその位置を検出された電気生理学的信号に関連付けることによって、組織をより局所化された点において特性評価または監視することが可能になる。インテロゲータ上の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設されてもまたは２つ以上の異なるトランスデューサアレイ上に配設されてもよく、埋込み型デバイスから後方散乱超音波を収集することができる。同じ埋込み型デバイスから生じた後方散乱波形間の差および各トランスデューサの既知の位置に基づいて、埋込み型デバイスの位置を判定することができる。これは、たとえば三角測量またはクラスタリングおよび最尤法によって行うことができる。後方散乱における差は、応答後方散乱波に基づいても、非応答後方散乱波に基づいても、またはそれらの組合せに基づいてもよい。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、埋込み型デバイスの位置または速度を判定するために使用される。たとえば、デバイスの位置または移動をある期間にわたって判定することによって速度を判定することができる。埋込み型デバイスの位置は、インテロゲータ上のトランスデューサに対する位置などの相対位置とすることができる。埋込み型デバイスの位置または移動を知ることによって、組織において検出された電気生理学的信号の厳密な位置を知ることができる。埋込み型デバイスの位置を判定しその位置を検出された電気生理学的信号に関連付けることによって、組織をより局所化された点において特性評価または監視することが可能になる。インテロゲータ上の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設されてもまたは２つ以上の異なるトランスデューサアレイ上に配設されてもよく、埋込み型デバイスから後方散乱超音波を収集することができる。同じ埋込み型デバイスから生じた後方散乱波形間の差および各トランスデューサの既知の位置に基づいて、埋込み型デバイスの位置を判定することができる。これは、たとえば三角測量またはクラスタリングおよび最尤法によって行うことができる。後方散乱における差は、応答後方散乱波に基づいても、非応答後方散乱波に基づいても、またはそれらの組合せに基づいてもよい。

いくつかの実施形態では、インテロゲータは、埋込み型デバイスの移動を追跡するために使用される。インテロゲータによって追跡できる埋込み型デバイスの移動は、横方向および角度方向の移動を含む。そのような移動は、たとえば、肝臓、胃、小腸もしくは大腸、腎臓、膵臓、胆嚢、膀胱、卵巣、子宮、または脾臓などの１つもしくは複数の器官の移動（たとえば対象の呼吸もしくは移動の結果である場合がある）または（パルスなどによる）血流の変動に起因して生じることがある。したがって、いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは器官の移動または脈拍数を追跡する場合に有用である。埋込み型デバイスの移動は、たとえば、非応答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、埋込み型デバイスの移動は、第１の時点における埋込み型デバイスの相対位置と第２の時点における埋込み型デバイスの相対位置を比較することによって判定される。たとえば、上述のように、埋込み型デバイスの位置は、インテロゲータ上の複数のトランスデューサ（単一のアレイ上であってもまたは２つ以上のアレイ上であってもよい）を使用して判定することができる。第１の時点において埋込み型デバイスの第１の位置を判定することができ、第２の時点において埋込み型デバイスの第２の位置を判定することができ、第１の時点における第１の位置および第２の時点における第２の位置に基づいて移動ベクトルを判定することができる。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスはクロックを含み、このクロックは、インテロゲータによって較正するかまたは同期させることができる。たとえば、インテロゲータは、クロックを設定するかまたは同期させる送られた超音波を使用して信号を送ることができる。信号を複数の埋込み型デバイスに同時に送ることができ、それによって、複数の埋込み型デバイスのクロックを同期させる。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスからの後方散乱は、クロックに基づくタイムスタンプを符号化する。タイムスタンプは、イベント（放射を発見することなど）の時間（または相対時間）を示すことができる。このことは、たとえば、２つ以上の埋込み型デバイスと放射を発見する相対時間を比較するために使用することができる。

埋込み型デバイス
図６は、ＡＳＩＣに接続された小型超音波トランスデューサ（「圧電体」として特定されている）の一実施形態を示す。ＡＳＩＣは、電源回路と任意の変調回路（または「後方散乱回路」）とを含む。電源回路はエネルギー蓄積キャパシタ（「ｃａｐ」）を含む。さらに、埋込み型デバイスは、刺激回路（たとえば、デジタル回路）を含み、この回路は、電源回路および電極を動作させることができる。電極は、刺激すべき組織に埋め込まれるかまたは接触して配置される。

埋込み型デバイスは小型化され、それによって、埋込み型デバイスに伴うことが多い組織の炎症を制限しつつ快適で長期的な埋込みが可能になる。本体は小型埋込み型デバイス（たとえば、超音波トランスデューサおよび集積回路）のコアを形成し、電極は本体から分岐し、組織に係合し電気パルスを給送して組織を刺激する。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの本体の最長寸法は、長さが約５ｍｍ以下、約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．３ｍｍ以下である。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの本体の最長寸法は、デバイスの最長寸法において約０．２ｍｍ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、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの本体の最長寸法は、長さが約０．２ｍｍ～約５ｍｍ、長さが約０．３ｍｍ～約４ｍｍ、長さが約０．５ｍｍ～約３ｍｍ、長さが約１ｍｍ～約３ｍｍ、または長さが約２ｍｍである。

いくつかの実施形態では、電極のうちの１つまたは複数が、たとえば、デバイスの本体上のパッドとして本体上に位置する。いくつかの実施形態では、電極のうちの１つまたは複数は、埋込み型デバイスの本体から任意の所望の長さだけ延び、組織内に任意の深度に埋め込むことができる。いくつかの実施形態では、電極は、長さが約０．１ｍｍ以上であり、たとえば、長さが約０．２ｍｍ以上、約０．５ｍｍ以上、約１ｍｍ以上、約５ｍｍ以上、または約１０ｍｍ以上などである。いくつかの実施形態では、電極は、長さが約１５ｍｍ以下であり、たとえば、長さが約１０ｍｍ以下、約５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または約０．５ｍｍ以下などである。いくつかの実施形態では、第１の電極は、埋込み型デバイスの本体上に配設され、第２の電極は、埋込み型デバイスの本体から延びる。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、体積が約５ｍｍ^３以下（約４ｍｍ^３以下、約３ｍｍ^３以下、約２ｍｍ^３以下、または約１ｍｍ^３以下）である。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、体積が約０．５ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約１ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約２ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、約３ｍｍ^３～約５ｍｍ^３、または４ｍｍ^３～約５ｍｍ^３である。埋込み型デバイスのサイズが小さいと、生検針を使用してデバイスを埋め込むことが可能になる。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは対象に埋め込まれる。対象は、たとえば哺乳類などの動物とすることができる。いくつかの実施形態では、対象は、人間、犬、猫、馬、牛、豚、羊、ヤギ、鶏、猿、ネズミ、またはハツカネズミである。いくつかの実施形態では、対象は植物である。植物に埋め込まれる埋込み型デバイスは、たとえば、農作物の状態を監視するために使用することができる。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの一部（小型超音波トランスデューサおよび集積回路など）は、生体適合材料（生体適合ポリマーなど）、たとえば、Ｎ－ビニル－２－ピロリジノン（ＮＶＰ）とｎ－ブチルメタクリレート（ＢＮＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、パリレン、ポリイミド、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ニオビウム、またはハイドロキシアパタイトのコポリマーによって封入される。炭化ケイ素は非晶質炭化ケイ素または結晶性炭化ケイ素とすることができる。生体適合材料は好ましくは、デバイス内の電子回路への損傷または干渉を回避するために水に対して不浸透性を有する。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの一部は、セラミック（たとえば、アルミナもしくはチタニア）または金属（たとえば、鋼もしくはチタン）によって封入される。いくつかの実施形態では、電極または電極の一部は、生体適合材料によって封入されない。

いくつかの実施形態では、小型超音波トランスデューサおよびＡＳＩＣはプリント基板（ＰＣＢ）上に配設される。電極は、場合によってはＰＣＢ上に配設することができ、または場合によっては、集積回路に接続することができる。図７Ａおよび図７Ｂは、ＰＣＢを含む埋込み型デバイスの例示的な構成を示す。図７Ａは、ＰＣＢ８０８の第１の面８０６上に配設された圧電トランスデューサ８０２およびＡＳＩＣ８０４を示す。第１の電極８１０および第２の電極８１２は、ＰＣＢ８０８の第２の面８１４上に配設される。図７Ｂは、ＰＣＢ８１８の第１の面８１６上の圧電トランスデューサ８１４、およびＰＣＢ８１８の第２の面８２２上のＡＳＩＣ８２０を示す。第１の電極８２４はＰＣＢ８１８の第１の面８１６上に位置し、第２の電極８２６はＰＣＢ８１８の第２の面８２２上に位置する。第１の電極８２４および第２の電極８２６は、ＰＣＢ８１８から延び、組織を通して互いに電気的に接続されるように構成することができる。

埋込み型デバイスの小型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とすることができる。バルク圧電トランスデューサは、結晶、セラミック、またはポリマーなどの任意の天然材料または合成材料とすることができる。例示的なバルク圧電トランスデューサ材料には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ０３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ Ｎ）、石英、ベルリナイト（ＡＩＰＯ４）、トパーズ、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯｉ４）、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰ０４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂ０３）、タングステン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｗ０３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅ０３）、（二）フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、およびニオブ酸マグネシウム鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）が含まれる。

いくつかの実施形態では、小型バルク圧電トランスデューサは、概ね立方体である（すなわち、アスペクト比が約１：１：１（長さ：幅：高さ））。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサはプレート状であり、アスペクト比が長さアスペクトまたは幅アスペクトのいずれにおいても約５：５：１以上、たとえば約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、小型バルク圧電トランスデューサは長さが長く、幅が狭く、アスペクト比は約３：１：１以上であり、最長寸法は搬送超音波の伝播方向に揃えられる。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（λ）は、トランスデューサの駆動周波数または共振周波数に対応する波長の２分の１に等しい。共振周波数として、トランスデューサのいずれかの面に当たった超音波は１８０°の位相シフトを受けて逆位相に到達し、２つの面間に最大変位を生じさせる。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～約１０００μｍ（約４０μｍ～約４００μｍ、約１００μｍ～約２５０μｍ、約２５０μｍ～約５００μｍ、または約５００μｍ～約１０００μｍなど）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（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など）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、長さが約２０μｍ以上（約４０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約４００μｍ、約５００μｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、約３ｍｍ以上、または約４ｍｍ以上など）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、最長寸法において長さが約５ｍｍ以下（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、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は、最長寸法において長さが約２０μｍ以上（約４０μｍ以上、約１００μｍ以上、約２５０μｍ以上、約４００μｍ、約５００μｍ以上、約１ｍｍ以上、約２ｍｍ以上、約３ｍｍ以上、または約４ｍｍ以上など）である。

小型超音波トランスデューサは２つの電極に接続され、第１の電極はトランスデューサの第１の面に取り付けられ、第２の電極はトランスデューサの第２の面に取り付けられ、第１の面と第２の面は、一次元に沿ったトランスデューサの互いに対向する面である。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（導電性ＰＤＭＳまたはポリイミドなど）、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化面（すなわち、電極）間の軸がトランスデューサの運動に直交するせん断モードで動作する。

埋込み型デバイスの製造
埋込み型デバイスは、圧電トランスデューサの第１の面上の第１の電極に小型超音波トランスデューサ（バルク圧電トランスデューサなど）を取り付け、圧電トランスデューサの第２の面に第２の電極を取り付けることによって製造することができ、この場合、第１の面と第２の面は圧電トランスデューサの互いに対向する面上に位置する。第１の電極と第２の電極は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に取り付けることができ、ＡＳＩＣは、プリント基板（ＰＣＢ）上に配設されてもよい。構成要素のＰＣＢへの取付けには、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含めることができる。ＡＳＩＣは１つまたは複数のセンサーを含むことができる。

可変厚さの金属化ＰＺＴシート（たとえば、ＰＳＩ－５Ａ４Ｅ、Ｐｉｅｚｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｗｏｂｕｒｎ、ＭＡ、またはＰＺＴ ８４１、ＡＰＣ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓ、ペンシルバニア州マッキービル）などのいくつかの圧電材料が市販されている。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シングし、ダイシングされ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シングする。セラミックブレードを有するダイシングソーを使用して圧電材料をダイシングし、圧電材料のシートを個々の圧電トランスデューサに切断することができる。いくつかの実施形態では、レーザカッタを使用して圧電材料をダイシングまたは個片化する。いくつかの実施形態では、パターンエッチングを使用して圧電材料をダイシングまたは個片化する。

電極は、圧電トランスデューサの面の頂部および底部に取り付けることができ、電極間の距離は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（導電性ＰＤＭＳまたはポリイミドなど）、またはニッケルのうちの１つまたは複数を含む。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めっきするかまたは真空堆積させ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、適切なはんだおよびフラックスを使用して電極を圧電トランスデューサ上にはんだ付けする。いくつかの実施形態では、エポキシ（銀エポキシなど）または低温はんだ付け（はんだペーストを使用することなど）を使用して電極を圧電トランスデューサに取り付ける。

例示的な実施形態では、ＡＳＩＣをＰＣＢに取り付ける前または取り付けた後に、はんだペーストをプリント基板（ＰＣＢ）上のパッドに塗布する。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ことができる。単に一例として、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とすることができる。パッドは埋込み型デバイス用の第１の電極として働く。圧電材料（パッドよりも大きくてもよい）をパッド上に配置し、塗布されたはんだペーストによってパッドに保持し、圧電ＰＣＢアセンブリを得る。圧電ＰＣＢアセンブリを加熱してはんだペーストを硬化し、それによって圧電トランスデューサをＰＣＢに接着する。圧電材料がパッドよりも大きい場合、たとえば、ウエハダイシングソーまたはレーザカッタを使用して圧電材料を所望のサイズに切断する。圧電材料非接着部分（たとえば、パッドを覆っていなかった圧電材料の部分）を除去する。たとえば、圧電トランスデューサの頂部とＰＣＢとの間にワイヤボンドを形成することによって圧電トランスデューサおよびＰＣＢに第２の電極を取り付け、回路を完成する。ワイヤボンドは、アルミニウム、銅、銀、または金などの任意の導電材料から作られたワイヤを使用して作製される。

集積回路および小型超音波トランスデューサをＰＣＢの同じ面またはＰＣＢの互いに対向する面に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、ＰＣＢは可撓性のＰＣＢであり、集積回路および超音波トランスデューサがＰＣＢの同じ面に取り付けられ、ＰＣＢが折り畳まれ、集積回路と超音波トランスデューサがＰＣＢの互いに対向する面上に位置する埋込み型デバイスが得られる。

場合によっては、デバイスまたはデバイスの一部を生体適合材料（生体適合ポリマーなど）、たとえば、Ｎ－ビニル－２－ピロリジノン（ＮＶＰ）とｎ－ブチルメタクリレート（ＢＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、たとえば、Ｓｙｌｇａｒｄ １８４、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ、ミシガン州ミッドランド）、パリレン、ポリイミド、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、アルミナ、ニオビウム、ハイドロキシアパタイト、または炭化ケイ素のコポリマーによって封入する。炭化ケイ素は、非晶質炭化ケイ素または結晶性炭化ケイ素とすることができる。いくつかの実施形態では、生体適合材料（非晶質炭化ケイ素など）をプラズマ援用化学蒸着（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では、Ｓ１Ｈ４およびＣＨ４などの前駆体を使用して炭化ケイ素を生成してもよい。いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの一部を医療埋め込みに適したセラミック（たとえば、アルミナもしくはチタニア）または金属（たとえば、鋼もしくはチタン）に密封する。

図８は、本明細書で説明する埋込み型デバイスを製造する例示的な方法を示す。ステップ９０２において、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）をＰＣＢに取り付ける。ＰＣＢは、組織内の電気生理学的信号を検出するための２つ以上の電極を含むことができる。ＰＣＢに（たとえば、ＰＣＢ上に配設された第１のパッドに）はんだ（銀エポキシなど）を塗布することができ、このはんだ上にＡＳＩＣを配置することができる。たとえばＡＳＩＣを含むＰＣＢを加熱することによって、はんだを硬化することができる。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣを含むＰＣＢを約５０℃～約２００℃、たとえば約８０℃～約１７０℃、または約１５０℃で加熱する。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣを含むＰＣＢを約５分～約６００分間、たとえば約１０分～約３００分間、約１０分～約１００分間、約１０分～約６０分間、約１０分～約３０分間、または約１５分間加熱する。

場合によっては、ＡＳＩＣに追加のはんだを被覆する。ステップ９０４において、圧電トランスデューサ（図８における「圧電体」）をＰＣＢに取り付ける。ＰＣＢに（たとえば、ＰＣＢ上に配設された第２のパッドに）はんだ（銀エポキシなど）を塗布することができ、このはんだ上に圧電材料を配置することができる。圧電材料は、完全に形成された（すなわち、ダイシングされた）圧電トランスデューサとすることができ、またはＰＣＢに取り付けられた圧電トランスデューサを形成するように切断される圧電材料シートとすることができる。たとえば圧電材料を含むＰＣＢを加熱することによって、はんだを硬化することができる。いくつかの実施形態では、圧電材料を含むＰＣＢを約５０℃～約２００℃、約８０℃～約１７０℃、または約１５０℃に加熱する。いくつかの実施形態では、圧電材料を含むＰＣＢを約５分～約６００分間、たとえば約１０分～約３００分間、約１０分～約１００分間、約１０分～約６０分間、約１０分～約３０分間、または約１５分間加熱する。圧電材料は、鋸またはレーザカッタを使用して所望の寸法に切断することができる。いくつかの実施形態では、圧電材料は、ゾルゲル（ＰＺＴゾルゲルなど）であり、トランスデューサ材料は、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって形作ることができる。図８は、ステップ９０４において圧電材料をＰＣＢに取り付ける前のステップ９０２におけるＡＳＩＣのＰＣＢへの取付けを示すが、当業者には、ＡＳＩＣおよび圧電材料を任意の順序で取り付けることができることが諒解されよう。ステップ９０６において、ＡＳＩＣおよび圧電トランスデューサをＰＣＢにワイヤボンディングする。図８に示す方法は、ＡＳＩＣおよび圧電トランスデューサをＰＣＢに取り付けた後のＰＣＢに対するＡＳＩＣおよび圧電トランスデューサを示すが、当業者には、ＡＳＩＣをＰＣＢに取り付けた後にＰＣＢにワイヤボンディングすることができ、圧電トランスデューサを取り付ける前でもまたは取り付けた後でもワイヤボンディングすることができることが諒解されよう。

同様に、ＡＳＩＣをＰＣＢに取り付けるかもしくはワイヤボンディングする前でもまたはＡＳＩＣをＰＣＢに取り付けるかもしくはワイヤボンディングした後でも圧電トランスデューサをＰＣＢにワイヤボンディングすることができる。ステップ９０８において、デバイスの少なくとも一部に生体適合材料を被覆する。好ましくは、少なくとも圧電トランスデューサおよびＡＳＩＣに生体適合材料を被覆する。いくつかの実施形態では、センサーに生体適合材料を被覆せず、またはセンサーの少なくとも一部に生体適合材料を被覆しない。たとえば、いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスは、生体適合材料を被覆しない電極の対を備え、それによって、電極が電気生理学的信号を検出するのが可能になる。いくつかの実施形態では、たとえば、ＵＶ光への露光または加熱によって生体適合材料を硬化する。

いくつかの実施形態では、埋込み型デバイスまたは埋込み型デバイスの一部を非晶質炭化ケイ素（ａ－ＳｉＣ）膜に封入する。図９は、ａ－ＳｉＣ膜に封入された埋込み型デバイスを製造する方法を示す。ステップ１００２において、滑らかな表面にポリイミド層を塗布する。ステップ１００４において、ポリイミド層にａ－ＳｉＣ層を塗布する。このことは、たとえばＳｉＨ４およびＣＨ４を前駆体として使用するプラズマ援用化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を使用して行うことができる。ステップ１００６において、ａ－ＳｉＣ層に１つまたは複数のポートをエッチングする。いくつかの実施形態では、ポリイミド層にもポートをエッチングする。これらのポートは、埋込み後に組織に接触するセンサーまたは電極の部分など、ａ－ＳｉＣによって封入されない埋込み型デバイスの部分への接近を可能にする。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。ステップ１００８において、埋込み型デバイスをａ－ＳｉＣ層に取り付ける。埋込み型デバイスをａ－ＳｉＣ層に取り付ける前に組み立てておいてもよく、またはａ－ＳｉＣ上で組み立ててもよい。いくつかの実施形態では、プリント基板（ＰＣＢ）、小型超音波トランスデューサ、およびセンサーをａ－ＳｉＣ層に取り付ける。小型超音波トランスデューサおよびセンサーは、ＰＣＢに取り付けられてもよいので、ａ－ＳｉＣ層に直接接触する必要がない。小型超音波トランスデューサまたはセンサーのＰＣＢの取付けは、ＰＣＢのａ－ＳｉＣ層への取付けの前に行われてもよくまたは取付けの後に行われてもよい。いくつかの実施形態では、小型超音波トランスデューサまたはセンサーのＰＣＢへの取付けは、小型超音波トランスデューサまたはセンサーを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、センサーは、ａ－ＳｉＣ層にエッチングされたポートと相互作用する部分を含む。いくつかの実施形態では、ＡＳＩＣがＰＣＢに取り付けられ、このことは、ＰＣＢをａ－ＳｉＣ層に取り付ける前に行われてもよくまたは取り付けた後に行われてもよい。ステップ１０１０において、埋込み型デバイスの露出された部分にａ－ＳｉＣ層を被覆する。いくつかの実施形態では、ＰＥＣＶＤを使用して埋込み型デバイスの露出された部分にａ－ＳｉＣ層を被覆する。ステップ１０１２において、封入された埋込み型デバイスをエンボス加工し、それによって、埋込み型デバイスをＳｉＣ層から剥離する。

アンカー損失に起因するエネルギー損失を低減させるための電極の配置
図１０Ａは、超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に完全に「固着」された（すなわち、立方晶系圧電結晶の全面が基板に固着された）立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップを示す。図１０Ａに示すように、この構成では、立方晶系圧電結晶がこのように基板に固着されることに起因して立方晶系圧電結晶の限定された変形（すなわち、限定された振動）が可能である。

これに対して、図１０Ｂは、立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置された電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップである。図１０Ｂに示すように、固着電極に起因して立方晶系圧電結晶の面の角部において立方晶系圧電結晶の変形を限定することが可能であるが、立方晶系圧電結晶の残りの部分は、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられるときよりも自由に振動または発振することができる。すなわち、角電極は立方晶系圧電結晶の角部における変形／振動を制限する一方、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられる場合と比較して立方晶系圧電結晶の他の部分ではより大きい変形を可能にする。

図１１Ａは、図１０Ｂと同様に、立方晶系圧電結晶の一面の角部に配置された電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップである。

図１１Ｂは、立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の角部に電極をどのように配置すればよいかの例を示す。図１１Ｂに示すように、各々が長さ「Ｌ」を有する４つの電極が、立方晶系圧電結晶の面の４つの角部に配置される。すなわち、圧電結晶を直接超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けずに圧電結晶を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けるには、図１１Ｂに示す４つの電極を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けてもよい。

図１１Ｃは、各角電極（図１１Ｂに示す）の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。図１１Ｃに示すように、圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）は一般に、角部電極の長さが長くなるにつれて低くなる。

図１１Ｄは、ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する角部電極（図１１Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた１ｘ１ｘ１ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。各角電極長さ「Ｌ」についてのピークは、（たとえば、圧電結晶の共振周波数において）各角電極長さ「Ｌ」についての圧電結晶によって生成される最大エネルギーまたは電圧に対応する。図１１Ｄに示すように、長さ「Ｌ」が最も短い（１００μｍ）角電極に取り付けられた圧電結晶が最高のピークエネルギーまたは電圧を有し、一方、長さ「Ｌ」が最も長い（３５０μｍ）角電極に取り付けられた圧電結晶が最低のピークエネルギーまたは電圧を有する。

図１１Ｅは、ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する角部電極（図１１Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた０．７５×０．７５×０．７５ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。各角電極長さ「Ｌ」についてのピークは、（たとえば、圧電結晶の共振周波数において）各角電極長さ「Ｌ」についての圧電結晶によって生成される最大エネルギーまたは電圧に対応する。図１１Ｅに示すように、長さ「Ｌ」が最も短い（１００μｍ）角電極に取り付けられた圧電結晶が最高のピークエネルギーまたは電圧を有し、一方、長さ「Ｌ」が最も長い（３００μｍ）角電極に取り付けられた圧電結晶が最低のピークエネルギーまたは電圧を有する。

図１２Ａは、立方晶系圧電結晶の一面の縁部に配置された電極または複数の電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップである。図１２Ａに示すように、固着電極に起因して立方晶系圧電結晶の面の縁部において立方晶系圧電結晶の変形を限定することが可能であるが、立方晶系圧電結晶の残りの部分は、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられるときよりも自由に振動または発振することができる。すなわち、縁電極は立方晶系圧電結晶の縁部における変形／振動を制限する一方、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられる場合と比較して立方晶系圧電結晶の他の部分ではより大きい変形を可能にする。

図１２Ｂは、立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の角部に電極をどのように配置すればよいかの例を示す。図１２Ｂに示すように、立方晶系圧電結晶の面の縁部が電極に取り付けられ、一方、立方晶系圧電結晶の面の中心が電極に接触しないように（すなわち、立方晶系圧電結晶の面の縁部が「固着」されるが、立方晶系圧電結晶の面全体が完全に固着されるとは限らないように）、長さ「Ｌ」を有する方形または矩形の中心開口部を有する方形または矩形の電極が立方晶系圧電結晶の面に取り付けられる。すなわち、圧電結晶を直接超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けずに圧電結晶を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けるには、図１２Ｂに示す縁電極を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けてもよい。

図１２Ｃは、図１２Ｂに示す電極の中心開口部の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。図１１Ｃに示すように、圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）は一般に、図１２Ｂに示す電極の中心開口部の長さが長くなるにつれて高くなる。

図１２Ｄは、ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する中心開口部を有する縁電極（図１２Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた０．７５×０．７５×０．７５ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。各縁電極中心開口部長さ「Ｌ」についてのピークは、（たとえば、圧電結晶の共振周波数において）各縁電極中心開口部長さ「Ｌ」についての圧電結晶によって生成される最大エネルギーまたは電圧に対応する。図１２Ｄに示すように、長さ「Ｌ」が最も長い（５００μｍ）中心開口部を有する縁電極に取り付けられた圧電結晶が最高のピークエネルギーまたは電圧を有し、一方、長さ「Ｌ」が最も短い（１００μｍ）縁電極に取り付けられた圧電結晶が最低のピークエネルギーまたは電圧を有する。

図１３Ａは、立方晶系圧電結晶の一面の中心に配置された電極または複数の電極によって超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に固着された立方晶系圧電結晶における例示的な変形を示すヒートマップである。図１３Ａに示すように、固着電極に起因して立方晶系圧電結晶の面の中心において立方晶系圧電結晶の変形を限定することが可能であるが、立方晶系圧電結晶の残りの部分は、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられるときよりも自由に振動または発振することができる。すなわち、中心電極は立方晶系圧電結晶の中心における変形／振動を制限する一方、基板が立方晶系圧電結晶の全面に直接取り付けられる場合と比較して立方晶系圧電結晶の他の部分ではより大きい変形を可能にする。

図１３Ｂは、立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の中心に電極をどのように配置すればよいかの例を示す。図１３Ｂに示すように、電極が概ね立方晶系圧電結晶の面の中心に配置されるように、長さ「Ｌ」を有する方形または矩形の電極が立方晶系圧電結晶の面に取り付けられる。すなわち、圧電結晶を直接超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けずに圧電結晶を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けるには、図１３Ｂに示す中心電極を超音波ワイヤレス埋込み型デバイスの基板に取り付けてもよい。

図１３Ｃは、中心電極（図１３Ｃに示す）の長さ「Ｌ」を長くしたときの圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）の変化を示す例示的なグラフである。図１３Ｃに示すように、圧電結晶の機械的品質係数（Ｑ）は一般に、中心電極の長さが長くなるにつれて低くなる。

図１３Ｄは、ある周波数範囲において、様々な長さ「Ｌ」（および対応する様々な機械的係数（Ｑ））を有する様々な中心電極（図１３Ｂに示す）を介して超音波ワイヤレス埋込み型デバイスに取り付けられた１×１×１ｍｍ^３圧電結晶によって生成されるエネルギーまたは電圧の正規化された振幅を示す例示的なグラフである。各中心電極長さ「Ｌ」についてのピークは、（たとえば、圧電結晶の共振周波数において）各中心電極長さ「Ｌ」についての圧電結晶によって生成される最大エネルギーまたは電圧に対応する。図１３Ｄに示すように、長さ「Ｌ」が最も短い（１００μｍ）中心電極に取り付けられた圧電結晶が最高のピークエネルギーまたは電圧を有し、一方、長さ「Ｌ」が最も長い（７００μｍ）角電極に取り付けられた圧電結晶が最低のピークエネルギーまたは電圧を有する。

図１４Ａは、（たとえば、図１１Ｂに示すように）立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の角部に電極をどのように配置すればよいかの例を示し、電極の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較して示している。図１４Ａに示すように、各々が長さ「Ｌ」を有する４つの電極が、立方晶系圧電結晶の面の４つの角部の各々に配置され、立方晶系圧電結晶の各面は長さ「Ｌ_ｐ」を有する。

図１４Ｂは、（たとえば、図１２Ｂに示すように）立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の縁部に電極をどのように配置すればよいかの例を示し、電極の中心開口部の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較して示している。図１４Ｂに示すように、長さ「Ｌ」を有する中心開口部を有する方形または矩形の電極が、立方晶系圧電結晶の面に取り付けられ、立方晶系圧電結晶の各面は長さ「Ｌ_ｐ」を有する。

図１４Ｃは、（たとえば、図１３Ｂに示すように）立方晶系圧電結晶の一面を基板に取り付けるには立方晶系圧電結晶の一面の中心に電極をどのように配置すればよいかの例を示し、中心電極の長さと立方晶系圧電結晶の面の長さを比較して示している。図１４Ｃに示すように、電極が概ね立方晶系圧電結晶の面の中心に配置されるように、長さ「Ｌ」を有する方形または矩形の電極が、立方晶系圧電結晶の面に取り付けられ、立方晶系圧電結晶の各面は長さ「Ｌ_ｐ」を有する。

図１４Ｄは、様々な圧電結晶厚さ（「Ｌ_ｐ」）およびＬ／Ｌ_ｐの様々な比についての電極のタイプごと（角、縁、および中心）の例示的な機械的品質係数（Ｑ）のチャートである。たとえば、図１４Ｄに示すように、長さが０．１ｍｍの角電極を介して埋込み型超音波ワイヤレスデバイスの基板に取り付けられた１×１×１ｍｍ^３圧電結晶（すなわち、Ｌ／Ｌ_ｐ比が０．１ｍｍ／１．０ｍｍ＝０．１）では、機械的品質係数（Ｑ）は１７０になる。これに対して、図１４Ｄに示すように、長さが約０．１ｍｍの中心開口部を有する縁電極を介して埋込み型超音波ワイヤレスデバイスの基板に取り付けられた０．７５×０．７５×０．７５ｍｍ^３圧電結晶（すなわち、Ｌ／Ｌ_ｐ比が０．１ｍｍ／０．７５ｍｍ＝約０．１３４）では、機械的品質係数（Ｑ）は７になる。

したがって、図１４Ｄに示すデータに基づいて、Ｌが立方晶系圧電結晶の面に接触する電極表面積のサイズに対応する電極（たとえば、角電極および中心電極）では、より高い機械的品質係数（Ｑ）は、より低いＬ／Ｌ_ｐ比に関連するようである。同様に、図１４Ｄに示すデータに基づいて、Ｌが立方晶系圧電結晶の面に接触する電極の開口部の表面積に対応する電極（たとえば、縁電極）では、より高い機械的品質係数（Ｑ）は、より高いＬ／Ｌ_ｐ比に関連するようである。したがって、より少ない量の電極表面積が立方晶系圧電結晶の面に接触することは、より高い機械的品質係数（Ｑ）に対応するようである。さらに、図１１Ｄ、図１１Ｅ、図１２Ｄ、および図１３Ｄに関して説明したように、より高い機械的品質係数（Ｑ）は、圧電結晶の振動または発振エネルギーによって生成されるエネルギーおよび／または電圧のより高い最大振幅に対応するようである。したがって、立方晶系圧電結晶の全面がワイヤレス超音波埋込み型デバイスの基板に直接取り付けられる場合と比較して、任意の量の電極表面積が立方晶系圧電結晶の全面の表面積よりも小さい圧電結晶の面に接触する場合、一般に、圧電結晶についての機械的品質係数（Ｑ）が高くなり、したがって、有利には、圧電結晶の振動または発振エネルギーによって生成されるエネルギーおよび／または電圧の最大振幅がより高くなる。

効率的な小型インプラント用の超音波電力およびデータリンクの設計
図１５Ａおよび図１５Ｂは、パッケージングされた１×１×１ｍｍ^３チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電結晶（ＡＰＣ８４１）を示す。金で被覆された銅電極を有する厚さ４００μｍのＦＲ４ＰＣＢ上にパッケージを組み立てた。パッケージを組み立てるために、導電エポキシを用いて銀電極を有する圧電体をＰＣＢ電極に固着した。次いで、ＵＶ硬化可能エポキシを使用して、３Ｄ印刷されたハウジングをＰＣＢに取り付け、同じエポキシによって密封した。最後に、圧電体頂面を厚さ約２０μｍのＰＤＭＳで覆い、周囲から絶縁した。

共振器Ｑ値は、発振周期当たりに消散されるエネルギーに対する蓄積されるエネルギーの比として定義される。共振器において高いＱ値を実現するには、エネルギーの消散（損失）を最小限に抑えるべきである。圧電共振器におけるエネルギー損失は一般に、流体減衰、アンカー損失、および固有損失（結晶自体内の損失）から生じる。これらの損失メカニズムのうちで、水性環境で動作する圧電体については、圧電体から流体へのエネルギー損失を生じさせる流体減衰が支配的である。ここで、軟組織と同様の音響インピーダンスを有する（約１．５ＭＲａｙｌ）水中で圧電体を試験した。圧電体Ｑ値に対する流体減衰の影響を最小限に抑えるために、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すハウジングを使用して結晶側壁を液体環境から隔離した。

流体減衰を最小限に抑えたので、エネルギー損失の他の主要源、すなわちアンカー損失の圧電体Ｑ値に対する影響を特定することができた。アンカー損失は、アンカーから基板への機械的な波動伝播によって生じる。既存の超音波インプラントでは、圧電結晶は、圧電体底面を完全に覆うアンカー（電極）を介してパッケージ基板に直接取り付けられ、圧電体が基板に強固に結合され、したがって、大きいアンカー損失が生じる。これに対して、ここでは単一の大きいアンカーではなく小さいアンカーを使用する。動作時の変形が最小になる圧電領域にアンカーを取り付けた。固定－自由圧電結晶の頂部および底部に垂直なバルク励起によって圧電体を動作させる基本モードのＦＥＭシミュレーションによって、最大の変形が圧電体底面および頂面の中心で生じることがわかる（図１５Ｃ）。完全整合層（ＰＭＬ）を吸収層として使用してアンカー損失を数値的にシミュレートした（図１５Ｃ）。なお、シミュレーション結果の精度を高めるにはＰＭＬ特性を適切に選択すべきである。

大気中で測定された正規化アドミタンス曲線（図１６Ａ）は、２つの重要な結果、すなわち、ｉ）１×１ｍｍ^２単一電極を有する圧電体の基本バルクモードが、アンカー損失に起因して消失すること（他のモードが圧電体の振動を抑制する）、ｉｉ）角電極のサイズを小さくするとアンカー損失を低減し、したがって、圧電共振Ｑ値（Ｑ_ｒ）が向上し、共振時のアドミッタンスが高くなる。図１６Ｂは、サイズの異なる角電極による大気中の圧電体についての測定Ｑ_ｒ値および理論Ｑ_ｒ値を示し、これらの圧電体は同様の傾向を示す。測定結果と理論上の結果の差は主として、電極の製造上の欠陥に起因することがあり、その場合、同じ電極間でサイズおよび位置が一致せず（図１５Ａ）、電極上の圧電体の配置がずれる。理論Ｑ_ｒ ^－１値はＱ_１ ^－１＋Ｑ_ａ ^－１に等しく、この場合、Ｑ_ｉとＱ_ａはそれぞれ、圧電体固有損失およびアンカー損失によって決定される品質係数である。固有品質を取り込むために、アンカーなしで２本のワイヤによって懸垂された圧電体のアドミッタンス曲線を大気中で測定し、Ｑ_ｉは１４５であった。アンカー損失シミュレーションによってＱ_ａ値を決定した。図１６Ｂにおける理論値は、圧電体Ｑ_ｒ値が、電極サイズが≦２００μｍである場合固有損失によって支配され、かつ電極＞２００μｍの場合アンカー損失が固有損失よりも優位になるので、圧電Ｑ_ｒ値が、電極サイズが大きくなるにつれて小さくなることを示す。

ＴＡＢＬＥ Ｉ． 水中で試験された圧電結晶の動作パラメータおよび材料パラメータ

図１６Ｃは、水中で測定されたアドミッタンス曲線を示し、これによって、流体減衰が存在する場合、より小さいアンカーを有する圧電体が依然としてより高いＱ_ｒ値を示すことがわかる。水中における角電極を有する圧電体の動作パラメータは、Ｔａｂｌｅ Ｉに詳しく示されているが、ＦＥＭシミュレーションおよび以下の数式４における解析モデルを通じて得られている。なお、単一電極を有する圧電体の縦バルクモードは他のモードによって抑制され、共振が見えなくなるので、単一電極を有する圧電体の動作パラメータを得ることはできない。興味深いことに、アンカーサイズを小さくすることによっても、システム電気機械結合（κ^２）が向上することがわかった。この理由は、より小さいアンカーを有する圧電体の縦バルクモードは、より高いＱ_ｒ値を有するので、高次モードからの横移動との結合が弱くなるからである。

ここで、圧電結晶は、音響圧力波によって誘起される機械的ひずみの方向は（表面電極に垂直な）電気分極方向と同一であるので３３モードで動作する。縦ｚ－方向における励起力Ｆ（ｔ）に対する圧電応答は、以下の支配方程式によってモデル化することができる。

上式で、ｚ（ｔ）、ｍ_ｅｑ、ω_ｒ、およびＱ_ｒは、時間ｔにおける圧電体の縦変位、透過有効質量、共振周波数、および共振時の品質係数である。点は時間微分を表し、ｖ_ｐ（ｔ）は圧電体にわたる電圧であり、θは電気機械結合項であり、Ｃ_ｐは圧電内部容量であり、Ｚ_ｃｉｒは電気負荷インピーダンスである。数式１および数式２はそれぞれ、圧電体の機械的挙動および電気的挙動を表し、この２つのドメインは結合項θを通じて電気機械的に結合される（図１９Ａ）。ここで、Ｚ_ｃｉｒは、負荷容量（Ｃ_ｃｉｒ）と抵抗（Ｒ_ｃｉｒ）の並列組合せであり、Ｆ（ｔ）（＝ｐ（ｔ）×Ａ）は、圧電体の自由端表面に加えられる入射音圧ｐ（ｔ）によって生成される（Ａ：表面積）。圧電体は、測定において外部トランスデューサの焦点深度を越えた位置に配置され、したがって、ｐ（ｔ）振幅は、微分において圧電体表面にわたって一様であると仮定される。

ｚ（ｔ）＝ｚｅ^ｊωｔ、ｖ_ｐ（ｔ）＝ｖ_ｐｅ^ｊωｔ、およびＦ（ｔ）＝Ｆｅ^ｊωｔを数式１および数式２に代入し、これらの数式を定常状態における連立方程式として解き、各項を再整理することによって、次式のようにＲ_ｃｉｒに給送される電力を得ることができる。

上式において、ｋ_ｅｑは、等価剛性であり、圧電体

を決定し、無次元項が定義され、すなわち、κ^２＝θ／（Ｃ_ｐｋ_ｅｑ）はシステム結合項であり、α＝ω_ｒＲ_ｃｉｒＣ_ｐおよびγ＝ω_ｒＲ_ｃｉｒＣ_ｃｉｒは時定数であり、

は正規化された励起周波数である。圧電体の電力収集効率はη＝Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎとして定義され、ここで、Ｐ_ｉｎは、ｐ^２／（ρ_０ｃ_０）×Ａに等しい圧電体表面における総音響出力であり、ρ_０およびｃ_０は、媒質の密度および音速である。

圧電性能をよりよく理解できるように、圧電体と電気負荷との間のインピーダンス整合効率η_{ｍａｔｃｈ}＝Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_{ａｖ，ｅｌ}を解析する。ここで、Ｐ_{ａｖ，ｅｌ}はシステムにおいて利用可能な電力である。Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_{ａｖ，ｅｌ}＝｜ＺＬ｜^２／（Ｒ_ｃｉｒ×Ｒｅ｛Ｚ_Ｌ＋Ｚ_Ｓ｝）であるη_{ｍａｔｃｈ}についての数式を導出するために圧電体のテブナン等価回路モデル（図１９Ｂ）を使用することができる。ここで、Ｚ_Ｌ＝Ｚ_ｃｉｒ｜｜Ｃ_ｐであり、Ｚ_Ｓは圧電動インピーダンスである。Ｚ_Ｓは、項

を作動電流入力－ｉ（ｔ）＝Ｉｅ^ｊωｔによって置き換えることによって、Ｆ（ｔ）がない場合に励起電圧ｖ（ｔ）＝Ｖｅ^ｊωｔによって駆動される圧電体の場合、数式１および数式２から次のように導出することができる。

η_{ｍａｔｃｈ}は、数式４を次のように使用して導出することができる。

圧電結晶を水槽構成（図２０）において特性評価した。この場合、外部トランスデューサが圧力波を生成し、圧電体までのトランスデューサ距離を３ｃｍに設定し、遠距離動作を確保した。それぞれに異なるアンカーサイズを使用することによる、収集効率ηに対する圧電体パラメータの効果を評価するために、２００×２００μｍおよび４００×４００μｍ角電極上にパッケージングされた圧電体をそれぞれに異なる負荷抵抗（Ｒ_ｃｉｒ）を用いて圧電体の共振周波数（ω_ｒ）において動作させた。図１７Ａは、測定されたηとＲ_ｃｉｒの対比を示し、上記の解析モデルから予測されたηとの完全な一致を示す。最適なＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}＝１／ω_ｒＣ_ｐ（κ^４Ｑ_ｒ ^２＋１＋Ｃ_ｃｉｒ／Ｃ_ｐ）は、数式３をＲ_ｃｉｒに関して微分し、得られる数式をゼロに等しくすることによって得られ、ω_ｒにおける最大η（η_ｍａｘ）を与える。なお、Ｃ_ｃｉｒは約６ｐＦであり、約１２．２ｐＦのＣ_ｐよりも小さい、測定における配線およびプローブ容量からの避けられない寄生容量を含む。２００μｍアンカーを用いて強く結合された高Ｑ_ｒ値の圧電体の場合、Ｒ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}は、κ^４Ｑ_ｒ ^２＞＞１＋Ｃ_ｃｉｒ／Ｃ_ｐに起因して１／（κ^２Ｑ_ｒω_ｒＣ_ｐ）に簡略化され、システム結合κ^２から独立したη_ｍａｘ≒Ｐ_ｉｎ ^－１×（ω_ｒ／ｋ_ｅｑ×Ｑ_ｒ／４）が得られる。４００μｍアンカーを用いて弱く結合された低Ｑ_ｒ値の圧電体の場合、η_ｍａｘもκ^２に依存し、κ^２が小さくなると、Ｒ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ} ^１７においてη_ｍａｘ≒Ｐ_ｉｎ ^－１×（ω_ｒ／ｋ_ｅｑ×Ｑ_ｒ／４）が得られる。したがって、アンカーサイズを小さくするとＱ_ｒとκ^２の両方が向上するのでω_ｒおよびＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}においてより小さいアンカーを有する圧電体は実質的により高いηｍａｘを与える。

図２１Ａおよび図２１Ｂは、異なるサイズのアンカーを有する圧電体について様々なＲ_ｃｉｒで得られる電力収集効率と正規化された励起周波数（

）との対比を示す。Ｒ_ｃｉｒが大きくなるにつれて、電気機械結合に起因して圧電共振周波数がω_ｒから反共振ω_ａに変化する。２００μｍアンカーを有する圧電体の場合、同様のη値を有する２つのピーク、すなわち、ω_ｒにおけるピークとω_ａにおけるピークが決定されたが、４００μｍアンカーを有する圧電体の場合、ω_ｒとω_ａの間に１つのピークのみが観測された。この理由は、より大きいアンカーを有する圧電体は、実質的に低いκ^２およびＱ_ｒを有するので弱く結合されるからである。概して、より小さいアンカーを有する圧電体は、強く結合されより高いＱ_ｒ値を有するので、ω_ｒとω_ａの間の範囲においてより高いηを与える。さらに、１×１ｍｍ^２単一電極（図Ｓ４）を有する圧電体によって得られるηは、試験された周波数範囲において２００μｍアンカーを有する圧電体によってω_ｒにおいて実現されるηよりも５．４×を超える量だけ低い。

図１７Ｂは、ω_ｒにおける圧電体の予測整合効率（η_{ｍａｔｃｈ}）を示す。数式５から、

であり、η_ｍａｘおよびη_{ｍａｔｃｈ，ｍａｘ}を実現するためのＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}を決定するパラメータが異なるらしいことがわかる。したがって、η_ｍａｘとη_{ｍａｔｃｈ，ｍａｘ}は、ω_ｒにおいて動作する圧電体について異なるＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}で生じる場合がある（図３Ａおよび図３Ｂ）。最大電力伝送は、負荷インピーダンスとソースインピーダンス（図Ｓ１（ｂ）におけるＺ_ＳとＺ_Ｌ）が整合し、η_{ｍａｔｃｈ}＝０．５が得られるときに生じる。強く結合された高Ｑ_ｒ値圧電体の場合、η_{ｍａｔｃｈ}＝０．５である２つの交差点があり、第１の点は、ω_ｒにおいてη_ｍａｘをもたらすＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}に相当し、第２の点は、ω_ａにおいてη_ｍａｘをもたらす別のＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}を示す（図２１Ａ参照）。この観測は、ω_ｒおよびω_ａにおいて同様のη_ｍａｘを有する２つのピークを示す（図２１Ａ参照）。弱く結合された低Ｑ_ｒ値圧電体の場合、η_{ｍａｔｃｈ}値は任意のＲ_ｃｉｒ値において０．５よりも小さく、完全インピーダンス整合が実現不可能であり、最大電力伝送が、η_{ｍａｔｃｈ，ｍａｘ}（η_{ｍａｔｃｈ}＝０．５に最も近い）をもたらすＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}において生じることを示す。ここで、η_{ｍａｔｃｈ，ｍａｘ}をもたらすＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}は、ω_ｒにおいてη_ｍａｘをもたらすＲ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}とは異なる。このことは、η_{ｍａｔｃｈ，ｍａｘ}をもたらし、したがって同時にη_ｍａｘをもたらす（図２１Ｂ）Ｒ_{ｃｉｒ，ｏｐｔ}においてω_ｒとω_ａとの間に単一のηピークが観測されることを説明する。

圧電境界における音響反射係数ΓがＺ_ｃｉｒの関数であり、すなわち、Ｐ_ｒ＝Γ（Ｚ_ｃｉｒ）^２×Ｐ_ｉｎであるので、後方散乱振幅変調は、負荷インピーダンス（Ｚ_ｃｉｒ）を変化させることによって実現される。この場合、Ｐｒは、圧電体表面から反射される音響出力である。最大変調深度は、未変調信号に対する変調済み信号と未変調信号との振幅差の比として定義され、共振（ω_ｒ）時に得られる。ここで、それぞれに異なるアンカーサイズおよびそれぞれに異なるＲ_ｃｉｒ値を有する圧電体について、ω_ｒにおけるΓに対するシステムパラメータの影響を調査した。Γは、テブナン等価回路モデル（図１８および図１９Ｂ）を使用してω_ｒにおいて次のように予測することができる。

上式において、Ｚ_Ｌ＝Ｚ_ｃｉｒ｜｜Ｃ_ｐである。数式６は、Γが（αおよびγを介して）Ｒ_ｃｉｒに依存するだけでなく、品質係数Ｑ_ｒおよびシステム結合項κ^２にも依存することを示す。

図１８は、２００μｍアンカーおよび４００μｍアンカーを有する圧電体の測定Γおよび予測Γを示し、実験データが数式６を使用する予測データとうまく一致することを示している。なお、測定Γは、収集されたデータポイントを数式

に挿入することによって得られており、この場合、Ｖ_ｂは外部トランスデューサによって検出された後方散乱信号である。Ｒ_ｃｉｒが大きくなるにつれて、強く結合された高Ｑｒ値圧電体の場合、Γは１に近づくが、弱く結合された低Ｑ_ｒ値圧電体の場合、Γは１に達することができない。ω_ｒにおけるΓに対するＱ_ｒおよびκ^２の個々の影響は図２３Ａおよび図２３Ｂに示されており、Ｑ_ｒまたはκ^２のいずれかが小さくなると、Γ曲線は右に移動し、最大実現可能Γ値が小さくなる。したがって、Ｑ_ｒまたはκ^２のいずれかが小さくなるとまた、変調深度（ＭＤ）が浅くなり、したがって音響リンク信号対雑音比が低下し、システムアップリンク性能が低下する。たとえば、Ｒ_ｃｉｒを５００Ωと１００ｋΩとの間で変調すると、弱く結合された低Ｑ_ｒ値圧電体の場合、ＭＤが約１０％になり、強く結合された高Ｑ_ｒ値圧電体によって実現されるＭＤ（約２３０％）よりも著しく低くなる（図２４Ａおよび図２４Ｂ）。

したがって、本明細書ではｍｍスケールおよびサブｍｍスケール医療インプラントにおいて使用される圧電結晶のための取付け方法が提供される。この方法は、励起モード変位が最小限である圧電結晶領域に小さいアンカーを配置することに依存し、この手法はアンカー損失を低減させ、圧電結晶のＱ係数を最大にする。この調査の結果はまた、小さいアンカーを使用すると、システム結合が最大になることを示す。この調査はさらに、小さい角電極を有する強く結合された高Ｑ値圧電体が、共振時に、同じ励起周波数で操作された（圧電結晶の底面のすべてを覆う）単一電極を有する圧電体の電力収集効率よりも約１０×高い電力収集効率η（約４８％）を実現する（図２１Ａ、図２１Ｂ、および図２２）ことを示す。さらに、調査では、強く結合された高Ｑ値圧電体が、共振時に大きい後方散乱変調深度を実現し、強固なアップリンクを示すことが示される。概して、これらの結果は、本明細書で説明するようにパッケージングされた圧電結晶が、最適なＲ_ｌｏａｄを用いて操作されたときに、超小型超音波インプラントを有するワイヤレスシステムに利点をもたらすことを示す。

さらに、本明細書で説明する方法および技法のいずれかまたはその一部は、実施されるときに、磁気ディスク、レーザディスク、光ディスク、半導体メモリ、バイオロジカルメモリ、その他のメモリデバイス、またはその他の記憶媒体、コンピュータもしくはプロセッサのＲＡＭもしくはＲＯＭなどの、１つもしくは複数の非一時的有形コンピュータ可読記憶媒体またはメモリに記憶されたソフトウェアを実行することによって実施されてもよい。

もちろん、本明細書で説明するシステム、方法、および技法の用途および利点は、上記の例のみに限定されない。本明細書で説明するシステム、方法、および技法を使用することによって多くの他の用途および利点が実現可能になる。

例示的な実施形態
実施形態１
埋込み型デバイスであって、基板と、基板に取り付けられた集積回路と、集積回路に電力を供給する超音波を受け取るように構成された超音波トランスデューサとを備え、超音波トランスデューサが、１つまたは複数の電極を介して基板に取り付けられ、超音波トランスデューサに接触する総電極表面積が、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の表面積よりも小さい、埋込み型デバイス。

実施形態２
１つまたは複数の電極の各々は、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面のそれぞれの角部に配置される、実施形態１に記載の埋込み型デバイス。

実施形態３
１つまたは複数の電極の各々は、１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の縁部に配置される、実施形態１または２に記載の埋込み型デバイス。

実施形態４
１つまたは複数の電極は、単一の電極を備え、単一の電極は、単一の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の中心に配置される、実施形態１から３のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態５
１つまたは複数の電極は、超音波トランスデューサの面と基板との間に開口部を有する電極を含む、実施形態１から４のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態６
超音波トランスデューサは立方体形状を有する、実施形態１から５のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態７
超音波トランスデューサは矩形のプリズム形状を有する、実施形態１から６のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態８
１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面は矩形形状を有する、実施形態１から７のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態９
１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の長さに対する１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．１未満である、実施形態１から８のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１０
１つまたは複数の電極が取り付けられた超音波トランスデューサの面の長さに対する１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．２未満である、実施形態１から９のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１１
超音波トランスデューサは、超音波後方散乱を放出するようにさらに構成される、実施形態１から１０のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１２
超音波トランスデューサは、１つまたは複数の追加の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータから超音波を受け取るように構成される、実施形態１から１１のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１３
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１２のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１４
埋込み型デバイスは対象に埋め込まれる、実施形態１から１３のいずれか記載の埋込み型デバイス。

実施形態１５
対象は人間である、実施形態１から１４のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１６
対象は動物または植物である、実施形態１４または実施形態１５に記載の埋込み型デバイス。

実施形態１７
埋込み型デバイスは、最長寸法において長さが約５ｍｍ以下である、実施形態１から１６のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１８
埋込み型デバイスは、体積が約５ｍｍ^３以下である、実施形態１から１７のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態１９
埋込み型デバイスは、生体適合材料によって少なくとも部分的に封入される、実施形１から１８のいずれかに記載の埋込み型デバイス。

実施形態２０
実施形態１から１９のいずれかに記載の１つもしくは複数の埋込み型デバイスと、１つもしくは複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは１つもしくは複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成された１つまたは複数の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータとを備えるシステム。

実施形態２１
インテロゲータは、１つまたは複数の超音波トランスデューサアレイを備え、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備える、実施形態２０に記載のシステム。

実施形態２２
システムは複数の埋込み型デバイスを備える、実施形態２０または実施形態２１に記載のシステム。

実施形態２３
インテロゲータは、送られた超音波をビーム操作し、選択的に、送られた超音波を複数の埋込み型デバイスの第１の部分に集束させるか、または送られた超音波を複数の埋込み型デバイスの第２の部分に集束させるように構成される、実施形態２０から２２のいずれかに記載のシステム。

実施形態２４
インテロゲータは、少なくとも２つの埋込み型デバイスから同時に超音波後方散乱を受け取るように構成される、実施形態２０から２３のいずれかに記載のシステム。

実施形態２５
インテロゲータは、時分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を使用して、複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成される、実施形態２０から２４のいずれかに記載のシステム。

実施形態２６
インテロゲータは、対象によって装着できるように構成される、実施形態２０から２５のいずれかに記載のシステム。

２０２ トランスデューサ
２０４ スイッチ
２０６ プロセッサ
３０２ プリント基板
３０４ ワイヤレス通信システム
３０６ 電池
３０８ 超音波トランスデューサアレイ
３１０ ワイヤ
３１２ インテロゲータ
３１４ ハーネス
３１６ 組立て済みインテロゲータ
３１８ 基板
３２０ ビア
３２２ トランスデューサ
３２４ 金属化ポリエステル膜
３２６ 吸収バッキング層
８０２ 圧電トランスデューサ
８０４ ＡＳＩＣ
８０６ 第１の面
８０８ ＰＣＢ
８１０ 第１の電極
８１２ 第２の電極
８１４ 第２の面
８１６ 第１の面
８１８ ＰＣＢ
８２０ ＡＳＩＣ
８２２ 第２の面
８２４ 第２の電極
８２６ 第２の電極

Claims (26)

1. 埋込み型デバイスであって、
   基板と、
   前記基板に取り付けられた集積回路と、
   前記集積回路に電力を供給する超音波を受け取るように構成された超音波トランスデューサとを備え、前記超音波トランスデューサが、１つまたは複数の電極を介して基板に取り付けられ、前記超音波トランスデューサに接触する総電極表面積が、前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの面の表面積よりも小さい、埋込み型デバイス。
2. 前記１つまたは複数の電極の各々は、前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面のそれぞれの角部に配置される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
3. 前記１つまたは複数の電極の各々は、前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面の縁部に配置される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
4. 前記１つまたは複数の電極は、単一の電極を備え、前記単一の電極は、前記単一の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面の中心に配置される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
5. 前記１つまたは複数の電極は、前記超音波トランスデューサの前記面と前記基板との間に開口部を有する電極を含む、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
6. 前記超音波トランスデューサは立方体形状を有する、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
7. 前記超音波トランスデューサは矩形のプリズム形状を有する、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
8. 前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面は矩形形状を有する、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
9. 前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面の長さに対する前記１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．１未満である、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
10. 前記１つまたは複数の電極が取り付けられた前記超音波トランスデューサの前記面の長さに対する前記１つまたは複数の電極の各々の長さの比は０．２未満である、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
11. 前記超音波トランスデューサは、超音波後方散乱を放出するようにさらに構成される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
12. 前記超音波トランスデューサは、１つまたは複数の追加の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータから前記超音波を受け取るように構成される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
13. 前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、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
14. 前記埋込み型デバイスは対象に埋め込まれる、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
15. 前記対象は人間である、請求項１４に記載の埋込み型デバイス。
16. 前記対象は動物または植物である、請求項１４に記載の埋込み型デバイス。
17. 前記埋込み型デバイスは、最長寸法において長さが約５ｍｍ以下である、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
18. 前記埋込み型デバイスは、体積が約５ｍｍ^３以下である、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
19. 前記埋込み型デバイスは、生体適合材料によって少なくとも部分的に封入される、請求項１に記載の埋込み型デバイス。
20. 請求項１に記載の１つもしくは複数の埋込み型デバイスと、前記１つもしくは複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは前記１つもしくは複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成された１つまたは複数の超音波トランスデューサを備えるインテロゲータとを備えるシステム。
21. 前記インテロゲータは、１つまたは複数の超音波トランスデューサアレイを備え、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備える、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記システムは複数の埋込み型デバイスを備える、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記インテロゲータは、送られた超音波をビーム操作し、選択的に、前記送られた超音波を前記複数の埋込み型デバイスの第１の部分に集束させるか、または前記送られた超音波を前記複数の埋込み型デバイスの第２の部分に集束させるように構成される、請求項２０に記載のシステム。
24. 前記インテロゲータは、少なくとも２つの埋込み型デバイスから同時に超音波後方散乱を受け取るように構成される、請求項２０に記載のシステム。
25. 前記インテロゲータは、時分割多重化、空間多重化、または周波数多重化を使用して、前記複数の埋込み型デバイスに超音波を送るかまたは前記複数の埋込み型デバイスから超音波後方散乱を受け取るように構成される、請求項２０に記載のシステム。
26. 前記インテロゲータは、対象によって装着できるように構成される、請求項２０に記載のシステム。

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