JP7240334B2 - 粒子と移植可能デバイスを制御する方法およびシステム - Google Patents
粒子と移植可能デバイスを制御する方法およびシステム Download PDFInfo
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Description
この出願は、2017年6月26日に出願された米国仮特許出願第62/524,650号の利益を主張し、その優先日がここに主張されている。
・内部バッテリーは、特にサブmmスケールでの貯蔵容量が大幅に制限されている。
・臨床的安全性の要件により、バッテリー設計における材料の選択が大幅に制限される。
・燃料として体内で生物学的に利用可能な材料を獲得する効率が大幅に制限されている。
・アクチュエータ
・応答素子
・センサ、および
・電子回路を含み、
○アクチュエータは、応答素子を制御して動作させ、
○電子回路は、アクチュエータを制御し、かつ
○センサは、遠隔ユニットによって送信された信号を受信する。
・埋め込みロジックと様々なMEMコンポーネントを含む1以上のナノ粒子またはマイクロ粒子、
・粒子を送達および/または回収するように構成された送達および/または回収モジュール、
・外部信号発生器、
・粒子を監視するように構成された画像化モジュール、および
・他のモジュールから入力を受け取り、他のモジュールに出力制御コマンドを提供するように構成された統合モジュールを含むプラットフォームであって、
○モジュールは、相互に対話/通信するように構成されており、
○モジュールは、内部制御、外部制御、またはその両方が行われ、
かつプラットフォームは、試験管内で、生体内で、および/または患者内で、粒子の能動的な所定の完全に制御された、精密な送達を提供する。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成され、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成される、提供することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号であって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含む信号を送信および/または受信することと、を含む。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成され、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている、提供することと、
・デバイスを被験者に挿入することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号あって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含み、
被験者の治療動作に使用される信号を送信および/または受信することと、を含む。
・アクチュエータ、
・応答素子、
・センサ、および
・電子回路を含み、
○アクチュエータは、応答素子を制御して動作させ、
○電子回路は、アクチュエータを制御し、かつ
○センサは、遠隔ユニットによって送信された信号を受信する。
・埋め込みロジックと様々なMEMコンポーネントを含む1以上のナノ粒子またはマイクロ粒子、
・粒子を送達および/または回収するように構成された送達および/または回収モジュール、
・外部信号発生器、
・粒子を監視するように構成された画像化モジュール、および
・他のモジュールから入力を受け取り、他のモジュールに出力制御コマンドを提供するように構成された統合モジュールを含むプラットフォームであって、
○モジュールが、相互に対話/通信するように構成されており、かつ
○モジュールは、内部制御、外部制御、またはその両方が行われ、
そして、プラットフォームが、試験管内で、生体内で、および/または患者内で、粒子の能動的な所定の完全に制御された、精密な送達を提供する。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成され、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている、提供することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号であって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含む信号を送信および/または受信することと、を含む。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成され、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている、提供することと、
・デバイスを被験者に挿入することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号であって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含み、
被験者の治療動作に使用される信号を送信および/または受信することと、を含む。
・外部信号発生器によって種々の方式で発生された、外部刺激に応答するナノ粒子、マイクロ粒子、または複数の粒子であって、例えば、内部MEMコンポーネントと集積回路を動作させるための電力を獲得し、その環境を通って能動的に動き、知覚活動のために、アクチュエータまたはその環境の局所的機械的操作のための貨物を運搬し放出し、通信し、その環境から貨物を収集し、粒子またはその環境の化学的、物理的または熱的操作のために、その動作環境から粒子を回収する、ナノ粒子、マイクロ粒子、または複数の粒子、
・例示的であるが、電磁式、超音波式、圧電式、RF、HF、光学式または代替信号発生器に限定されない外部信号発生器。
・音響、無線、電磁、光学ベースのデバイスに例示されるがこれらに限定されない、粒子を監視する画像化モジュール。
・粒子を送達および/または収集するための送達および/または回収モジュール。
・試験管内、生体外、生体内、または患者内の特定の場所への粒子の能動的な所定の送達を確保し、かつそれらの動作を正確に制御するための、それぞれのハードウェアおよびソフトウェアで構成される統合モジュールを含む。
・アクチュエータ
・応答素子
・センサおよび
・電子回路を含み、
○アクチュエータは、応答素子を制御および動作させ、
○電子回路は、アクチュエータを制御し、かつ
○センサは、遠隔ユニットによって送信された信号を受信する。
・埋め込みロジックと様々なMEMコンポーネントを含む1以上のナノ粒子またはマイクロ粒子、
・粒子を送達および/または回収するように構成された送達および/または回収モジュール、
・外部信号発生器、
・粒子を監視するように構成された画像化モジュール、および
・他のモジュールから入力を受け取り、他のモジュールに出力制御コマンドを提供するように構成された統合モジュール、を含むプラットフォームであり、
○モジュールは、相互に対話/通信するように構成されており、かつかつ
○モジュールは、内部制御、外部制御、またはその両方が行われ、
プラットフォームは、試験管内で、生体内で、かつ/または患者内で、粒子の能動的な所定の完全に制御された精密な送達を提供する。
・粒子が、内部コンポーネントの動作のために発生器から完全にまたは部分的に電力を獲得すること、
・粒子が、粒子運動のための電力を獲得すること、
・粒子が、外部信号に応じて貨物を放出または収集すること、
・粒子が、センサ活動を実行すること、
・外部信号が、粒子または周囲の粒子の物理的または化学的操作を提供すること、
・外部信号が、粒子内または粒子上に拠点を置く応答素子をトリガー/操作すること、
・一定の場所から粒子を回収すること、
・粒子が、外部発生器にデータを送信する/外部発生器からデータを受信すること、または
・それらの組み合わせ、から選択される様式で、信号発生器によって発生された外部信号に応答する/外部信号と通信する。
・膜によって一時的に密閉された空洞を含む少なくとも1つの貨物コンテナと、
・少なくとも1つのセンサと、
・電子回路と、
・少なくとも1つの運動素子と、を含み、
○電子回路は、少なくとも1つの応答素子を制御するように構成され、かつ
○センサは、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成されており、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている、提供することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号であって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含む信号を送信および/または受信することと、を含む。
・応答素子は、外部信号(磁気/US)に応じて振動し、かつ
・振動は、ICに電力を供給する。
・応答素子が、可撓性膜の形態であり、
・応答素子が、外部信号(磁気/US)に応じて振動し、かつ
・振動により、ICに電力が供給される。
・ペイロードは、2つの応答素子の間に収容され、
・第2の応答素子は、ペイロードが第1の(密閉)応答素子を開いた空洞位置に押すように、ペイロードを押す/振動するように構成され、
それにより、ペイロードが空洞から放出される。
・ペイロードは、2つの応答素子の間に収容されて、第2の素子を囲み、
・応答素子が、ペイロードを攪拌するように振動するように構成され、
ペイロードが、第1の(密封)応答素子の穿孔を通って空洞から排出される。
○少なくとも1つの応答素子と、
○少なくとも1つのセンサと、
○電子回路と、を備えたMEMデバイスを提供することであって、
■電子回路が、応答素子を制御するように構成され、
■センサが、遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成されている、提供することと、
・デバイスを被験者に挿入することと、
・デバイスへの/デバイスからの信号であって、
○磁気信号、電気信号、またはそれらの組み合わせ、
○音響または超音波信号、
○電磁放射線信号、または
○光信号のうちの1以上を含み、
被験者の治療動作に使用される信号を送信および/または受信することと、を含む。
・特にサブmmスケールでの貯蔵容量が大幅に制限されている内部バッテリー。
・バッテリー設計における材料の選択を大幅に制限する臨床的安全性の要件。
・燃料として体内で大幅に制限されている、生物学的に利用可能な材料を獲得する効率。
・人間の組織へのRF放射の透過が制限されるGHz~THz波長範囲を使用する必要があるサブmmスケールで、RF受信器アンテナを構築する、RFアンテナのサイズと波長の所与の大まかなスケールの類似性、のような様々な制限がある。これにより、サブmmサイズスケールでのワイヤレスRF電力転送が大幅に制限される。同じ理由で、人体中の粒子および移植可能デバイスへのRF通信は、ダウンリンク(粒子/移植可能デバイスへの通信)とアップリンク(粒子/移植可能デバイスからの伝送)の両方で、サブmmスケールで実装するのが困難である。
B=B1+B2 方程式1
B1は推進力コンポーネント(固定振幅)であり、その振幅は十分な推進力を可能にするために、生物学的媒体のレオロジーおよび粒子特性に従って選択される。一般的な値の範囲は0.01~3Tである。BはB1未満にはならない。
B2は、電力転送コンポーネント(変動する振幅)=C2+C2*(cos(wt))である。C2は、粒子への十分な電力転送(通常、5T未満)を可能にするために選択され、wは遠隔電力転送フィールドの周波数(通常はKhz~MHz範囲)である。B2の範囲は0~2*C2(負ではない)、
B1とB2の両方のベクトルは同じ方向にある。
・組み合わされた電磁場B2=C2(1+cos(wt))+C3の発生であって、C2、wは上記のとおりであり、C3は搬送周波数w2でのデータ転送コンポーネントである。wとw2の値は、十分に異なるように選択でき、IC(集積回路)に帯域通過フィルタ処理コンポーネントを組み込んで、周波数w2以外の信号コンポーネントを除去できる。振幅を変調して単一のデータ転送周波数w2を使用すると、AMデータ転送が生じる。この方法は、複数のデータ転送周波数w2、w3、w4、・・・を有するように推定でき、これにより、デジタルFMデータ転送が可能になる。この方法は、ダウンリンクデータ通信と電力伝送の両方に単一のソレノイドS1を使用のみであるため、スペースの点で経済的である。ただし、信号フィルタ処理コンポーネントなど、より精巧なIC設計が必要になる場合がある。
・2つの異なる共振周波数w、w2の2つのRLC回路に接続された2つの個別のソレノイドS1、S2の作成。第1のソレノイドはICに電力を供給するために使用され、第2のソレノイドはICへのダウンリンク通信入力として使用される。
・壁と端部上の絶縁体でのそのコーティング。
・絶縁体の壁と端部の上部の金属メッキ
・メッキされた金属層からコイルを機械加工する(5μmのラインとスペースなど)FIBの使用。
・磁石をイオンビーム中に置くことには問題があるため、磁石を端部に置く(磁化する)こと、を使用して製造できる。
U=Acos(xt)+Bcos(w2*t) 方程式2
Acos(xt)は、電力転送コンポーネントであり、
Bcos(w2*t)は、ダウンリンク通信コンポーネントである。
周波数xとw2の値は、十分に異なるように選択できる。ICに適切な電子帯域通過フィルタ(図6を参照)を組み込むことにより、w2以外の全ての周波数コンポーネントを除去できるため、ダウンリンク通信を正確に受信できる。単一の通信周波数w2を使用すると、AM(振幅変調)信号が作成される。この方法は、ICの複数の周波数フィルタを使用して、複数の周波数(w2、w3、w4・・・)で通信できるように拡張できる。これにより、FM(周波数変調)を使用したデジタル通信が可能になる。代りに、これは、(ICで電子周波数フィルタを使用する代わりに)、各々別個の機械的共振周波数を有する複数の可撓性機械的素子を使用することによって実現できる。
・粒子/移植可能デバイスに含まれるペイロード(薬物など)のトリガーされた放出、
・組織内の粒子を推進するために、粒子に付着した外鞭毛の機械的運動、および
・可撓性外部アームを使用する表面の至るところのクロール運動がある。
・排出用の熱/圧電インクジェットと早期漏出を防止する逆止弁を有する液体ペイロード。
・使い捨て逆止弁を有する複数の液体チャンバー用の複数の熱/圧電インクジェット(ペイロードの徐放制御が可能)。
・熱作動式ニチノールバルブを備えた加圧チャンバー内の液体。
・1つずつ融解する、ペイロードを含む複数の固体ペレット(ICによって制御される熱ヒーターアレイ)。
・ニチノールスプリングにより1つずつ放出される、薬物を含んだPLA固体ペレット。
・マイクロカプセル化されたペイロードを破裂させるのに使用できるヒーターのアレイ(担体膜は熱に敏感)が含まれるが、これらに限定されない。
・医療要件に応じて体内に置かれている複数の粒子または移植可能デバイス。デバイスは相互に通信する必要がある場合がある。
・必要な場合、粒子/移植可能デバイスに遠隔給電するために、体外に置くことができる1以上の遠隔給電デバイス。
・粒子/移植可能デバイスに信号を送信するために、体外に置かれる1以上のダウンリンク通信デバイス。通信デバイスは、磁気誘導、US、または他の方法に基づいていてもよい。通信デバイスは、コンピュータまたは集積回路であり得る集中制御ステーションに接続される。
・体内の粒子/移植可能デバイスからのアップリンクチャネル通信を効果的に記録するために、体外に置かれる複数のアップリンク受信器またはセンサ。受信器は制御ステーションに接続され、制御ステーションはアップリンク信号を増幅およびフィルタ処理してそれを正確に解読する。
・必要な場合、1以上のアップリンク較正変換器を体外に置いて、アップリンクチャネル通信の正確な解読を可能にする。較正変換器は、アップリンク受信器/センサと同じ通信方法を利用し、これは、US、RF、HBC、または任意の他の適用可能な方法であり得る。アップリンク通信チャネルの解読手順については、以下を参照されたい。
・複数のセンサを利用した同じ送信信号の平均化。ガウスノイズの仮定の下で、元の信号Sは外部センサiでF(S)+εiとして測定され、ここで、εi~N(0、σ)(つまり、正規分布の平均ゼロ変数)。F(S)が他の方法(以下の例を参照)を使用して解読できると仮定すると、n個のセンサで信号を平均して結果を得ることができる。
・送信された信号に対する身体の周波数応答を計算し、信号をデコードする逆変換を考案する。
Claims (21)
- プラットフォームであって、
各々が約100nmから約1000μmまでの間のサイズを有し、埋め込みロジックおよび様々なMEMコンポーネントを含み、さらに、外部信号から電力を収集して対応する前記MEMコンポーネントに電力を供給するように構成された遠隔電力収集モジュールを含む1以上の粒子と、
前記粒子を送達および回収するように構成された送達および回収モジュールと、
所定周波数の超音波信号を送信可能な外部信号発生器と、
前記粒子を監視するように構成された画像化モジュールと、
他のモジュールから入力を受信し、他のモジュールに出力制御コマンドを提供するように構成された統合モジュールと、を含むモジュールを備え、
前記モジュールが、相互に対話/通信するように構成されており、かつ内部制御、外部制御、またはその両方が行われることにより、試験管内で、生体内で、かつ/または患者内で、前記粒子の能動的な所定の完全に制御された精密な送達を提供し、
前記遠隔電力収集モジュールは、前記所定周波数に等しい共振周波数を有する可撓性素子と、前記可撓性素子に接続された圧電素子とを備える、プラットフォーム。 - 前記外部信号発生器が、前記粒子を動かすために前記粒子に力を加えるように構成された第1信号と、動作コマンドを前記粒子に送信するように構成され、電磁信号、超音波信号、RF信号、光信号、およびHF信号のうちの1つ以上を含む第2信号との各々を発生するように構成された、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記粒子が、単一もしくは複数の貨物を運搬し前記単一もしくは複数の貨物の放出を制御するか、診断を実行するか、前記粒子の環境の局所的操作を実行するか、またはそれらの組み合わせを行うように構成されている、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記粒子は、
前記粒子が、粒子運動のための電力を獲得すること、
前記粒子が、前記外部信号に応じて貨物を放出または収集すること、
前記粒子が、センサ活動を実行すること、
前記外部信号が、前記粒子または周囲の粒子の物理的または化学的操作を提供すること、
前記外部信号が、前記粒子内または前記粒子上に拠点を置く応答素子をトリガー/動作させること、
一定の場所から粒子を回収すること、
前記粒子が、前記外部信号発生器にデータを送信する/前記外部信号発生器からデータを受信すること、または
それらの組み合わせ、から選択される様式で、前記外部信号発生器によって発生された外部信号に応答する/前記外部信号と通信する、請求項1に記載のプラットフォーム。 - 前記外部信号発生器が、追加の動作コマンドを前記粒子に転送する、請求項4に記載のプラットフォーム。
- 前記外部信号発生器が、前記粒子から通信メッセージを受信するように構成されている、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記画像化モジュールが、音響ベースの画像化システム、超音波ベースの画像化システム、X線ベースの画像化システム、電磁画像化システム、光学ベースの画像化システム、またはそれらの組み合わせ、から選択されたシステムを含む、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記粒子が、治療用貨物または治療を正確に送達するように、または特殊な場所で、かつ/もしくは特定の時間に前記粒子または粒子環境の他の局所的操作を実行するとともに、所定の場所から前記粒子を安全かつ再現可能に回収し収集するように構成されている、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記粒子が、外部刺激に応答して、様々な特殊かつ局所的動作を実行するように構成されている、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記外部刺激が、前記外部信号発生器から送信された信号もしくは遠隔制御コマンド、他の粒子によって通信された信号もしくはコマンド、および/または埋め込みセンサを介して前記粒子によって感知された局所的化学的もしくは物理的刺激、を含む、請求項9に記載のプラットフォーム。
- 前記プラットフォームが、(i)組織の透過、(ii)複雑な3Dおよびストップアンドゴー運動を含む可動性、(iii)特定の貨物もしくはいくつかの薬物の組み合わせの積み降ろしを含む治療効果、(iv)粒子環境からのサンプルの収集、(v)アップリンクおよび/もしくはダウンリンク通信、(vi)知覚、(vii)電力の獲得、(viii)ロジック制御と計算、ならびに/または(ix)動作空間からの粒子の回収に対応するための特殊な区画を含む、請求項1に記載のプラットフォーム。
- 前記粒子が、前記統合モジュールを備えるMEMデバイスを含み、
前記デバイスが、
膜によって一時的に密閉された空洞を含む少なくとも1つの貨物コンテナと、
遠隔ユニットによって送信された信号を受信するように構成された少なくとも1つのセンサと、
前記膜を介した貨物の放出を制御するように、並びに/または前記デバイスの動きを作動および制御するように構成された少なくとも1つの応答素子と、
前記応答素子を制御するように構成された電子回路と、
少なくとも1つの運動素子と、を含む、請求項1に記載のプラットフォーム。 - 前記膜が、微小開口部を含む、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 前記空洞が、立方体、円柱、ピラミッド、管、ボール、箱、非対称形状、部分対称形状または対称幾何学的形状の形態である、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 前記形態が、立方体、チューブ、ボール、箱、円柱、ピラミッド、またはそれらの組み合わせから選択される基本形状または歪んだ形状である、請求項14に記載のプラットフォーム。
- 前記空洞の少なくとも1つの寸法が、マイクロメートル範囲またはナノメートル範囲にある、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 前記運動素子が、ピエゾ素子、カンチレバー、形状記憶素子、膜、鞭毛、腕、関節、またはそれらの組み合わせを含むか、またはそれらである、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 前記応答素子が、第1の端部および第2の端部を含む、細長い素子を含む、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 前記第1の端部が、固定され、前記第2の端部が、自由であり、または
前記第1の端部と前記第2の端部の両方が、固定されている、請求項18に記載のプラットフォーム。 - 前記運動素子が、剛性、または可撓性である、請求項12に記載のプラットフォーム。
- 請求項1に記載のプラットフォームと、
送信器、受信器またはそれらの組み合わせを含む遠隔ユニットであって、
前記プラットフォームと通信するように構成されている遠隔ユニットと、を含む、システム。
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