(57)【要約】ハウジングと、伝搬周波数を有し、ハウジングの一部分に接続される超音波トランスデューサとを備える植え込み型医療機器が提供される。ハウジングは伝搬周波数で共振し、包装体がハウジングに接続されて、超音波トランスデューサを覆って配置される。包装体は、超音波トランスデューサの変形を曲げモードで増幅させ、そして曲げモーメントをハウジングに伝達するように適合される。上側部分及び下側部分を有するハウジングを備える植え込み型医療機器が提供される。第１超音波トランスデューサは第１接続ロッドに接続され、かつ第１接続ロッドと同軸に設けられる。第１超音波トランスデューサ及び第１接続ロッドが上側部分と下側部分との間に配置されるので、第１超音波トランスデューサは上側部分及び下側部分を同時に振動させるように適合されることができる。植え込み型医療機器の超音波トランスデューサ及びハウジングを最適化する方法が提供される。
2009544366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
伝搬周波数を有し、かつ前記伝搬周波数で共振するハウジングの一部分に接続される超音波トランスデューサと、
前記ハウジングに接続され、前記超音波トランスデューサを覆って配置される包装体とを備え、前記包装体は、前記超音波トランスデューサの変形を曲げモードで増幅し、曲げモーメントをハウジングに伝達するように適合されている、植え込み型医療機器。
【請求項２】
パルス発生器を備える、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項３】
前記超音波トランスデューサは圧電材料を含む、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項４】
前記圧電材料は二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）材料を含む、請求項３記載の植え込み型医療機器。
【請求項５】
前記超音波トランスデューサはマグネシウムニオブ酸−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）を含む、請求項３記載の植え込み型医療機器。
【請求項６】
前記圧電材料はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）材料を含む、請求項３記載の植え込み型医療機器。
【請求項７】
前記超音波トランスデューサは円形形状と、約２５．４ミリメートル以下の直径と、約３ミリメートル以下の厚さとを有する、請求項６記載の植え込み型医療機器。
【請求項８】
前記包装体は、約２５．４ミリメートル超の直径と、約４ミリメートル未満の高さと、約０．２〜１ミリメートルの表層厚さと、約３〜６ミリメートル未満の壁厚とを有する、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項９】
前記超音波トランスデューサは、約２０キロヘルツ超の機械共振周波数を有する、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項１０】
前記超音波トランスデューサは、約４０キロヘルツの機械共振周波数を有する、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項１１】
前記ハウジングは、ハウジングのほとんどの部分よりも薄い断面を有する薄厚化領域を含み、前記超音波トランスデューサは薄厚化領域に隣接して配置される、請求項１記載の植え込み型医療機器。
【請求項１２】
前記薄厚化領域は環状形を有する、請求項１１記載の植え込み型医療機器。
【請求項１３】
前記薄厚化領域は波形状または皺形状を有する、請求項１１記載の植え込み型医療機器。
【請求項１４】
上側部分及び下側部分を有するハウジングと、
第１接続ロッドに接続され、前記第１接続ロッドと同軸に設けられる第１超音波トランスデューサと
を備え、  前記第１超音波トランスデューサは前記上側部分及び下側部分を同時に振動させるように適合されるように、前記第１超音波トランスデューサ及び前記第１接続ロッドが前記上側部分と下側部分との間に配置される、植え込み型医療機器。
【請求項１５】
前記第１超音波トランスデューサ及び前記第１接続ロッドと同軸に設けられ、前記上側部分と下側部分との間に配置される第２超音波トランスデューサを更に備える、請求項１４記載の植え込み型医療機器。
【請求項１６】
前記第１超音波トランスデューサ及び前記第１接続ロッドと同軸に設けられ、前記上側部分と下側部分との間に配置される第２接続ロッドを更に備える、請求項１４記載の植え込み型医療機器。
【請求項１７】
第２接続ロッドと第２超音波トランスデューサとを更に備え、前記第２接続ロッド及び第２超音波トランスデューサは、前記第１超音波トランスデューサ及び第１接続ロッドと同軸に設けられ、前記上側部分と下側部分との間に配置される、請求項１４記載の植え込み型医療機器。
【請求項１８】
前記第１接続ロッドと前記第１超音波トランスデューサとの厚さの合計は、約６〜７ミリメートルである、請求項１４記載の植え込み型医療機器。
【請求項１９】
前記第１超音波トランスデューサは約１センチメートルの直径と約１ミリメートルの高さとを有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）材料を含み、前記接続ロッドは、約６ミリメートルの高さと約１センチメートルの最小直径と約２．５センチメートルの最大直径と約３ミリメートルの高さから始まる先細り部分とを有し、ハウジングの厚さは０．３〜２ミリメートルであり、ハウジングの幅は約２．５〜５センチメートルである、請求項１４記載の植え込み型医療機器。
【請求項２０】
植え込み型医療機器の超音波トランスデューサ及びハウジングを最適化する方法であって、
超音波トランスデューサに関するシステムレベル要件を決定するステップと、
第１超音波トランスデューサを、システムレベル要件に基づいて選択するステップと、
第１の有限要素法分析を行なって、前記第１超音波トランスデューサの実現可能性を検証するステップと、
第２の有限要素法分析及び水槽実験を行なって、前記ハウジングと超音波トランスデューサとが目標超音波伝搬周波数において所望の振動モードを有するかどうかについて判断するステップと、
前記超音波トランスデューサまたは前記ハウジングの構造を、前記第１及び第２の有限要素法分析と水槽実験を行なった結果とに基づいて最適化するステップと、
前記最適化された超音波トランスデューサの共振周波数及び振幅を、有限要素法分析及び水槽実験を利用して検証するステップと、
最終的な超音波トランスデューサ及びハウジング構造を、前記検証するステップの結果に基づいて選択するステップと
を備える方法。
【請求項２１】
第２の有限要素法分析及び水槽実験を行なうステップは、水槽実験を行なうステップ、及び走査型レーザ振動計（ＳＬＶ）を利用した測定を行なうステップの内の少なくとも一つのステップを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記検証するステップは、水槽実験を行なうステップ、及び走査型レーザ振動計（ＳＬＶ）を利用した測定を行なうステップの内の少なくとも一つのステップを含む、請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植え込み型医療機器と組み合わせて使用されることにより無線通信を、植え込み型医療機器と体内に植え込まれる遠隔操作用器具との間で行なうトランスデューサに関するものである。本発明は更に詳細には、金属製キャビティを備える植え込み型医療機器と組み合わせて使用される超音波トランスデューサに関するものである。
【０００２】
本出願は、２００６年７月２１日出願の仮出願第６０／８２０，０５５号の優先権を主張するものであり、当該仮出願を本明細書において参照することにより、当該仮出願の内容全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
植え込み型医療機器は多くの場合、種々の症状を治療するために使用される。植え込み型医療機器の例として、薬剤投与器具、鎮痛装置、及び心臓不整脈を治療する器具を挙げることができる。心臓不整脈を治療するために使用される植え込み型医療機器の一例が心臓ペースメーカであり、心臓ペースメーカは普通、患者の体内に埋め込まれることにより除脈（すなわち、異常に遅い心臓の拍動）を治療する。ペースメーカはパルス発生器及び複数のリード線を含み、これらのリード線は、パルス発生器と心臓との間の電気接続を形成する。植え込み型除細動器（ＩＣＤ）を使用して頻脈（すなわち、異常に速い心臓の拍動）を治療する。ＩＣＤもパルス発生器及び複数のリード線を含み、これらのリード線は、電気エネルギーを心臓に供給する。パルス発生器は通常、バッテリ及び電気回路を収容する金属ハウジングと、そしてリード線をパルス発生器に接続するヘッダと、を含む。
【０００４】
植え込み型医療機器は、心不全の治療にも有用である。心臓再同期療法（ＣＲＴ）（普通、両室ペーシングとも表記される）は、心不全に対する新しい治療法であり、この治療法では、右心室及び左心室の両方を刺激して血流効率及び心拍出量を上げる。心不全及び心臓不整脈の治療は、遠隔操作用の植え込み型器具を使用することにより向上させることができる。このような遠隔操作用器具の一つの例が脈管系内に配置される圧力センサである。植え込み型医療機器と遠隔操作用器具との間で通信することによって、センサデータを臨床医がダウンロードすることができ、センサデータを使用して、植え込み型医療機器、または両方の器具によって行なわれる治療を変更する。従って、遠隔操作用の植え込み型器具との通信を行なうトランスデューサを含む植え込み型医療機器が必要になる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態による本発明は植え込み型医療機器であり、植え込み型医療機器は、ハウジングと、そして伝搬周波数を有し、かつハウジングの一部分に接続される超音波トランスデューサとを備える。ハウジングは伝搬周波数で共振し、そして包装体がハウジングに接続され、かつ超音波トランスデューサを覆って配置される。包装体は、超音波トランスデューサの変形を曲げモードで拡大させ、そして曲げモーメントをハウジングに伝達するように適合される。
【０００６】
別の実施形態による本発明は植え込み型医療機器であり、植え込み型医療機器は、上側部分及び下側部分を有するハウジングを備える。第１超音波トランスデューサが第１接続ロッドに接続され、かつ第１接続ロッドと同軸に設けられる。第１超音波トランスデューサ及び第１接続ロッドを上側部分と下側部分との間に配置して、第１超音波トランスデューサが上側部分及び下側部分を同時に振動させるように適合される。
【０００７】
更に別の実施形態による本発明は、植え込み型医療機器の超音波トランスデューサ及びハウジングを最適化する方法である。本方法は、超音波トランスデューサに関するシステムレベルの要件を規定するステップと、そして第１超音波トランスデューサを、システムレベルの要件に基づいて選択するステップとを含む。第１の有限要素法分析を行なって、第１トランスデューサの実現可能性を検証し、そして第２の有限要素法分析及び水槽実験を行なって、ハウジング及び超音波トランスデューサが目標超音波伝搬周波数において所望の振動モードを有するかどうかについて判断する。超音波トランスデューサを、またはハウジングの構造を、第１及び第２の有限要素法分析、及び水槽実験を行なった結果に基づいて最適化する。最適化された超音波トランスデューサの共振周波数及び振幅を、有限要素法分析及び水槽実験を利用して検証する。最終的な超音波トランスデューサ及びハウジングの構造を、検証ステップの結果に基づいて選択する。
【０００８】
複数の実施形態が開示されるが、本発明の更に別の実施形態が存在することは、この技術分野の当業者には、以下の詳細な記載から明らかであり、以下の詳細な記載では、本発明の例示としての実施形態が示され、そして記載される。従って、図面及び詳細な記述は本質的に例示として捉えられるべきであり、本発明を制限するものとして捉えられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態による植え込み型医療機器の断面透視図である。
【図２】本発明の１つの実施形態による図１の植え込み型医療機器の内部の正面図である。
【図３】図Ａ，Ｂは、図２の植え込み型医療機器の種々の図を示している。
【図４】図Ａ，Ｂは、本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図５】図Ａ，Ｂは、本発明の更に別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図６】本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の断面図である。
【図７】図Ａ，Ｂは、本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図８】本発明の更に別の実施形態による植え込み型医療機器の断面図である。
【図９】図Ａ，Ｂは、本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図１０】図Ａ，Ｂは、本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図１１】図Ａ，Ｂは、本発明の別の実施形態による植え込み型医療機器の種々の図である。
【図１２】本発明の更に別の実施形態による植え込み型医療機器の断面図である。
【図１３】本発明の更に別の実施形態による植え込み型医療機器の断面図である。
【図１４】本発明による超音波トランスデューサを有する植え込み型医療機器を最適化する例示としての方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は種々の変形物及び代替形態に変更することができるが、特定の実施形態が例示として図面に示されており、そして以下に詳細に記載される。しかしながら、本発明を、記載される特定の実施形態に制限しようと意図するのではない。そうではなく、本発明は、全ての変形物、等価物、及び代替物を、添付の請求項に規定される本発明の技術的範囲に含まれるものとして包含するものである。
【００１１】
図１は、植え込み型医療機器（ＩＭＤ）１０の透視図である。ＩＭＤ１０はパルス発生器１２と、そして心臓リード線１４と、を含む。リード線１４は、電気信号を心臓１６とパルス発生器１２との間で伝送するように機能する。リード線１４の近位端１８はパルス発生器１２に接続され、そして遠位端２０は心臓１６に接続される。リード線１４は、リード近位端１８からリード遠位端２０に延びるリード線本体１７を含む。
【００１２】
心臓１６は、右心房２２と、右心室２４と、そして肺動脈２６と、を含む。三尖弁２８は右心房２２と右心室２４との間に位置し、かつ右心房２２から右心室２４への血流を制御する。肺動脈弁３０は右心室２４と肺動脈２６との間に位置し、かつ右心室２４から肺動脈２６への血流を制御する。心臓１６は更に、左心房３２と、左心室３４と、そして大動脈３６と、を含む。僧帽弁３８は左心房３２と左心室３４との間に位置し、かつ左心房３２から左心室３４への血流を制御する。大動脈弁４０は左心室３４と大動脈３６との間に位置し、かつ左心室３４から大動脈３６への血流を制御する。１つの実施形態では、ＩＭＤ１０は複数のリード線１４を含む。例えば、ＩＭＤ１０は、電気信号をパルス発生器１２と左心室３４との間で伝送するように適合された第１リード線１４と、そして電気信号をパルス発生器１２と右心室２４との間で伝送するように適合された第２リード線１４とを含む。
【００１３】
図１に示す実施形態では、螺旋電極４２が右心室２４の心内膜４３を貫通し、そして心臓１６の心筋４４に埋め込まれる。上記のように配置される場合、電極４２を使用することにより、心臓１６の電気的活動を検出する、または刺激パルスを右心室２４に印加することができる。他の実施形態では、本発明の心臓リード線１４は、この技術分野では公知の如く、心臓１６の他のいずれかの部分に埋め込むこともできる。例えば、リード線１４は、右心房２２、右心室２４、肺動脈２６、左心室３４に、または冠状静脈に埋め込むことができる。１つの実施形態では、ＩＭＤ１０は複数の電極４２を含み、これらの電極は、電気的活動を検出し、そして／または治療を心臓１６の左側及び右側の両方に行なうように配置される。１つの実施形態では、リード線１４は心外膜リード線とすることができ、この場合、電極４２が心外膜４５を貫通する。
【００１４】
図１に示すように、遠隔操作用器具４６は肺動脈２６内に配置される。別の構成として、遠隔操作用器具４６は右心室２４内、大動脈３６内に配置することができ、また心臓１６内または脈管系内の、或いは心臓１６または脈管系の近傍の他のいずれかの位置に配置することができる。図１に示す遠隔操作用器具４６は圧力センサを含む。図１に示す遠隔操作用器具４６を使用することにより、肺動脈２６内の圧力を測定することができる。１つの実施形態では、遠隔操作用器具４６は、収縮終期圧を肺動脈２６内で測定する。検出される血圧を利用して、心不全患者の代償不全を予測する、またはペーシング治療または除細動治療を最適化することができる。圧力を測定するように適合された圧力センサの一例が、Ｗｏｌｉｎｓｋｙらによる米国特許第６，７６４，４４６号明細書に開示されている。
【００１５】
図１に示すＩＭＤ１０は心臓ペースメーカを備えるが、ＩＭＤ１０は体内埋め込みに適する他のいずれかの医療器具を備えることができる。例えば、ＩＭＤ１０は薬剤投与器具または鎮痛装置を備えることができる。遠隔操作用器具４６は、治療を行なうように、または生物学的機能をモニタリングするように適合されたいずれかのタイプの長期体内埋植器具またはリモートセンサを含むことができる。遠隔操作用器具４６は、所望の生物学的パラメータを検出する、または治療を行なうために適合する体内のいずれの位置にも配置することができる。例えば、遠隔操作用器具４６は、ボリュームセンサを含む、または最高血圧または最低血圧のような他のいずれかの心臓パラメータを検出する、或いは血圧勾配のような心臓パラメータの微分を計算することができる。他の実施形態では、遠隔操作用器具４６は、グルコースレベルモニタ、肺音センサ、衛星を介してデータ伝送を行なうペーシング器具、または他のいずれかのリモートセンシング装置または治療用器具を含むことができる。複数の遠隔操作用器具４６は体内のどこにでも、そして互いに、かつＩＭＤ１０と無線通信するように埋め込むことができる。
【００１６】
図２は、パルス発生器１２の内部の正面図を示している。パルス発生器１２はハウジング４８と、そしてヘッダ５０と、を含む。超音波トランスデューサ５２をハウジング４８の内部に取り付け、そして制御回路（図示せず）に電気的に接続する。超音波トランスデューサ５２はセンサ、アクチュエータとして、またはセンサ及びアクチュエータの両方として使用することができる。図３Ａ，３Ｂはハウジング４８の断面図を示している。超音波トランスデューサ５２は電極５４を含み、そしてハウジング４８の内部に絶縁接着層５５によって接着させることができる。図２に示す実施形態では、超音波トランスデューサ５２は円形形状を有するが、超音波トランスデューサは、矩形、梁状形状、円形、環状形、または三角形のような他のいずれかの形状を採ることができる。
【００１７】
１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は圧電材料を含む。超音波トランスデューサ５２に使用するために適合する圧電材料は、圧電ポリマー材料、圧電結晶材料、または圧電セラミック材料を含む。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）材料を含むことができる。別の実施形態では、超音波トランスデューサ５２はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）材料を含むことができる。更に別の実施形態では、超音波トランスデューサは、マグネシウムニオブ酸−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）のような圧電単結晶材料を含むことができる。他の実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、ｃＭＵＴ（容量型超微細加工超音波）トランスデューサを含むことができる。ＰＺＴ材料が使用される１つの実施形態では、ＰＺＴ材料の厚さは、ハウジング４８の厚さとほぼ同じである。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２はＰＺＴ５Ａ材料を含み、２５．４ミリメートル以下の直径を有し、そして３ミリメートル以下の厚さを有する。
【００１８】
図３Ａ，３Ｂに示すように、一方の電極５４をＡＣ電圧源に接続し、そして他方の電極５４をグランドに接続する（電極５４の厚さはこれらの図では寸法通りには描かれていない）。ＡＣ電圧を超音波トランスデューサ５２に印加することにより、超音波トランスデューサを所望の周波数で振動させることができる。別の構成として、両方の電極５４を、この技術分野の当業者には公知のように、Ｈブリッジによって同時に駆動することができる。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、約２０キロヘルツ超の機械共振周波数を有する。別の実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、約４０キロヘルツの機械共振周波数を有する。更に別の実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、電気共振モードで動作することができる。
【００１９】
１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、約２０キロヘルツ超の周波数を有する超音波を生成し、そして受信するように適合され、０．２５メートル水深での約１００パスカル／ボルトを超える送信感度、または１メートル水深での１マイクロパスカル／ボルトを基準とした（ｒｅ）約１４８デシベル（ｄＢ）を超える送信電圧応答（ＴＶＲ）を有し、約０．５ミリボルト／パスカルを超える受信感度、または１ボルト／マイクロパスカルを基準とした−１８６ｄＢを超える自由音場感度（ｆｒｅｅ−ｆｉｅｌｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：ＦＦＶＳ）を有し、そして約２０ナノファラド以下の合計静電容量を有する。別の実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、約４０キロヘルツ超の周波数を有する超音波を生成し、そして受信するように適合され、０．２５メートル水深での約２００パスカル／ボルトを超える送信感度、または１メートル水深での１マイクロパスカル／ボルトを基準とした約１５４デシベルを超えるＴＶＲを有し、約０．５ミリボルト／パスカルを超える受信感度、または１ボルト／マイクロパスカルを基準とした−１８６ｄＢを超えるＦＦＶＳを有し、そして約８ナノファラド以下の合計静電容量を有する。
【００２０】
超音波トランスデューサ５２は、ＩＭＤ１０と遠隔操作用器具４６との間の無線通信に使用することができる。図３Ｂに示すように、超音波信号はＩＭＤ１０から遠隔操作用器具４６に、ＡＣ電圧を超音波トランスデューサ５２に印加して、または電荷変化を超音波トランスデューサ５２に起こして、超音波トランスデューサ５２が変形し、そしてパルス発生器のハウジング４８が、この変形に応答して振動するようにすることにより伝達される。遠隔操作用器具４６から送信される超音波信号を超音波トランスデューサ５２が受信すると、超音波を照射することによってハウジング４８が機械的に振動するので、電圧変化または電荷密度変化が超音波トランスデューサ５２に発生し、この変化が制御回路（図示せず）によって検出される。
【００２１】
図４Ａ，４Ｂは、包装体６２が超音波トランスデューサ５２を閉じ込める構成の本発明の１つの実施形態を示している。包装体６２は２つの機能を提供する。第１の機能では、包装体６２は、超音波トランスデューサ５２が変形するときに曲がることにより、曲げモーメントをハウジング４８に加える。第２の機能では、包装体６２は、特にハウジング４８が所望の周波数において共振モードを有する場合に超音波トランスデューサ５２の変形を機械的に拡大する。１つの実施形態では、包装体６２は、２５ミリメートル超の直径、４ミリメートル未満の高さ、０．２〜１ミリメートルの表層厚み、及び３〜６ミリメートルの壁厚を有する。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は包装体６２に取り付けられ、そして超音波トランスデューサ５２とハウジング４８との間に隙間または空間を設けることができる。別の実施形態では、超音波トランスデューサ５２はハウジング４８に取り付けられ、そして超音波トランスデューサ５２と包装体６２との間に隙間を設けることができる。
【００２２】
図５Ａ，５Ｂ、及び６は、超音波トランスデューサ５２を有するＩＭＤ１０の別の実施形態を示している。図５Ａ，５Ｂに示すように、ハウジング４８は、ハウジング４８のほとんどの部分よりも細い断面を有する環状領域６４を含む。図５Ａに示す領域６４は「射的の的」を含むが、別の構成として、複数の矩形または円形のような他のいずれかの形状を有することができる。図５Ｂに示すように、超音波トランスデューサ５２が領域６４に隣接することにより、ハウジング４８の振動、移動、及び／又は変形の拡大が可能になる。１つの実施形態では、領域６４の厚さは約０．１２ミリメートルである。図６は、領域６４が、ハウジング４８の内、超音波トランスデューサ５２の下方に位置する皺領域または波形領域の形態を採る別のハウジング４８を示している。図５Ａ，５Ｂ及び６に示す隙間６６は、空気、窒素、他の或る種類のガスを含むことができる、または真空とすることができる。図示のように、図５Ａ，５Ｂ及び６は、図４Ａ，４Ｂに関して説明した包装体６２を含むが、別の実施形態では、包装体６２は設ける必要はない。
【００２３】
図７Ａ，７Ｂは、超音波トランスデューサ５２を有するＩＭＤ１０の別の実施形態を示している。この実施形態では、超音波トランスデューサ５２は環状形を有する。超音波トランスデューサ５２は制限構造として機能し、そして超音波トランスデューサ５２によって領域５６の共振特性が、領域５６の境界条件が設定されることにより定義される。領域５６の共振特性によって、超音波トランスデューサ５２の性能が向上する。領域５６の共振周波数と同じ周波数を有する超音波を領域５６に照射すると、領域５６が振動することにより、超音波トランスデューサ５２が変形する。この変形によって、電圧変化または電荷変化が超音波トランスデューサ５２に発生し、この変化が制御回路によって検出される。超音波トランスデューサ５２を、共振周波数のＡＣ電圧またはＨブリッジを使用して駆動することにより、超音波トランスデューサ５２が周期的に変形する。この変形によって、領域５６が共振周波数で振動するので、超音波が領域５６から所望の周波数で送信される。
【００２４】
超音波トランスデューサ５２の寸法は、ＩＳＢＮ  １−５７５２４−１８４−６に掲載されたＢｌｅｖｉｎｓによる「固有周波数及びモード形状を表わす公式」と題する論文に記載された以下の数式を使用して求めることができ、この論文をここで参照することにより、当該論文の内容全体が本明細書に組み込まれる。
【００２５】
【数１】
2009544366.tif 000003
上の数式の中に使用されるように、ａはプレート半径であり、ｈはプレート厚さであり、Ｅはヤング率であり、νはポアソン比であり、ρは密度であり、γは質量／単位面積またはρ＊ｈであり、そしてλはＢｌｅｖｉｎｓの論文に現われるモード形状によって変わる無次元の周波数パラメータである。
【００２６】
１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２はＰＺＴ材料を含み、そして超音波トランスデューサ５２によって約２０キロヘルツ超の機械共振周波数を有する領域５６が画定される。環状圧電トランスデューサ５２が、４．２ミリメートルの内径、８．４ミリメートルの外径、及び２ミリメートルの厚さを有する場合に、ハウジング４８がチタンを含み、かつモード００の場合にλ＝３．１９であり、Ｅ＝１１６ギガパスカル、ν＝０．３、ｈ＝０．３ミリメートル、及びρ＝４５００ｋｇ／ｍ３、及びａ＝４．２ミリメートルである１つの実施形態では、領域５６の第１モードの固有周波数ｆは４０ｋＨｚに設定される。超音波トランスデューサ５２は、ハウジング４８にエポキシまたは医用接着剤を使用して接着させることができる。Ｂｌｅｖｉｎｓは、更に別の形状及び境界条件に対応する更に別のモード共振周波数の数式を提供している。
【００２７】
図８に示す実施形態では、超音波トランスデューサ５２は非能動的制限構造５８に機械的に接着される。図示のように、制限構造５８は環状形を有し、そして共振領域５６を画定する。非能動的制限構造５８を使用することにより、超音波トランスデューサ５２の送信感度及び受信感度の両方を、共振領域５６が超音波トランスデューサ５２と同じ共振周波数を有する場合に高めることができる。非能動的制限構造５８は変形を、超音波トランスデューサ５２とハウジング４８との間で伝達する。例えば、超音波トランスデューサ５２が受信モードになっている場合、超音波を照射することにより共振領域５６が振動し、そして結果として生じる変形が超音波トランスデューサ５２に非能動的制限構造５８を介して伝達される。超音波トランスデューサ５２が送信モードになっている場合、超音波トランスデューサ５２を作動させることにより、超音波トランスデューサが共振周波数で振動し、次にこの振動がハウジング４８に非能動的制限構造５８を介して伝達されるので、共振領域５６が共振周波数で振動する。非能動的制限構造５８は、チタン、アルミニウム、ステンレス鋼、セラミック材料、または他のいずれかの剛性材料により構成することができる。超音波トランスデューサ５２と共振領域５６との隙間６０には空気、窒素、他の或る種類のガスを充填することができる、または隙間６０は真空とすることができる。
【００２８】
図９Ａ，９Ｂは、ＩＭＤ１０の別の実施形態を示している。図９Ａに示すように、制限構造５８はハウジング４８のコーナー７０に配置され、ほぼ部分円形状を有し、そして共振領域５６を画定する。超音波トランスデューサ５２はハウジング４８に接着させ、そして制限構造５８から延出して共振領域５６に食い込んでいる。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２の長さは、共振領域５６の歪み／応力分布によって決まる。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２の変形は制限構造５８によって制限され、そして超音波トランスデューサ５２は、共振領域５６の半径の半分以下の長さを有する。図９Ｂの断面図に示すように、制限構造５８はハウジングの背面壁７２に届くまで延出することはないが、別の実施形態では、制限構造５８は背面壁７２に届くまで延出することができる。更に別の実施形態では、制限構造５８はハウジング４８の外部に配置することができる。１つの実施形態では、制限構造５８は、ハウジング４８の外部に配置される環状リングの形状を採ることができる。
【００２９】
図１０Ａ，１０Ｂは、本発明の更に別の実施形態を示している。この実施形態では、超音波トランスデューサ５２はハウジング４８のコーナー７０に配置される。図１０Ａに示す市松模様パターンは、約４０キロヘルツのハウジング４８のモード形状を表わす。領域７３は、ハウジング４８の内、Ｚ軸方向に移動している領域を表わす。これらの領域７３は、Ｚ軸に沿った正方向または負方向のいずれの方向にも移動することができる。ドット領域７３は、無ドット領域７３がＺ軸に沿った負正方向に移動することができる状態になっている間に、Ｚ軸に沿った正方向に移動することができる。市松模様パターンのライン７４はノーダル領域を表わす、またはハウジングがＺ軸に対して動かない位置のラインを表わす。図示の実施形態では、コーナー７０は制限構造として機能し、そして共振領域５６を画定するが、他の実施形態では、トランスデューサ５２は、ノーダルライン７４によって共振領域５６が形成される位置の領域７３に配置することができる。図示のように、超音波トランスデューサ５２は上面７６に接着させ、かつ共振領域５６内に配置される。１つの実施形態では、超音波トランスデューサ５２は、応力及び歪みが最大になる領域の内部に配置される。他の実施形態では、ハウジング４８自体の形状を変更して、所望の周波数特性を実現することができる。他の実施形態では、ハウジング４８はエンボス加工することができる、またはハウジング４８に「窪み」を設けることにより、所望の周波数特性を実現することができる。
【００３０】
図１１Ａ，１１Ｂは、本発明のＩＭＤ１０の更に別の実施形態を示している。この実施形態では、ヘッダ５０は制限構造として超音波トランスデューサ５２に作用する。開口７８がヘッダ５０内に配置され、そして開口７８によって共振領域５６が画定される。超音波トランスデューサ５２は共振領域５６の内部にまで延出し、そしてハウジング４８の内部に接着させる。
【００３１】
図１２は、本発明のＩＭＤ１０の別の実施形態の断面図を示している。ＩＭＤ１０はハウジング４８を含み、ハウジング４８は上側部分４８ａ及び下側部分４８ｂを有する。接続ロッド８４を上側部分４８ａに接続し、そして第２の接続ロッド８４を下側部分４８ｂに接続する。超音波トランスデューサ５２は２つの接続ロッド８４の間に挟まれる。接続ロッド８４は図１２ではベル形を有するが、他のいずれかの形状を有することができる。図１２の超音波トランスデューサ５２を作動させる場合、部分４８ａ，４８ｂが振動し、超音波が２つの方向に伝搬する。超音波トランスデューサ５２の厚さは、超音波を生成するハウジング４８の所望の作動変位量に従って調整することができる。
【００３２】
図１３は、超音波トランスデューサ５２を各部分４８ａ，４８ｂに接続し、かつ２つの接続ロッド８４がこれらの超音波トランスデューサ５２の間に挟まれる構成の別の実施形態の断面図を示している。図１３に示す構造によって更に、超音波は２つの方向に同時に伝搬することができる。図１３の構造が対称であるので、超音波トランスデューサ５２及び接続ロッド８４の設計及び作製を容易にすることができる。
【００３３】
図１２及び１３に示す実施形態によって、超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサ群の感度が高くなる。超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサ群５２は、ＰＺＴまたはＰＶＤＦのような圧電材料を含むことができる。図１２及び１３では、部分４８ａ，４８ｂによって予備応力を超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサ群５２に加えることができる。１つの実施形態では、超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサ群５２、及び接続ロッド８４は厚さ方向モードで共振する。別の実施形態では、超音波トランスデューサまたは超音波トランスデューサ群５２、及び接続ロッド８４は動径モードで共振する。１つの実施形態では、接続ロッド８４及び超音波トランスデューサ５２の合計厚さは、伝搬周波数の波長の約半分である。１つの実施形態では、接続ロッド８４及び超音波トランスデューサ５２の合計厚さは、６〜７ミリメートルである。別の実施形態では、単一の接続ロッド８４及び単一の超音波トランスデューサ５２が部分４８ａと４８ｂとの間に挟まれる。１つの実施形態では、単一の超音波トランスデューサ５２は、直径１センチメートル、厚さ１ミリメートルのＰＺＴ材料を含む。接続ロッド８４は、約６ミリメートルの高さ、１センチメートルの最小直径、２．５センチメートルの最大直径、及び約３ミリメートルの高さから始まる先細り部分を有する。１つの実施形態では、ハウジング４８の厚さは０．３〜２ミリメートルであり、そしてハウジング４８の幅は約２．５〜５センチメートルである。
【００３４】
図１４は、超音波トランスデューサ５２、及びＩＭＤ１０を最適化して遠隔操作用器具４６と無線通信する例示としての方法２００を示している。電力消費予定量、トランスデューサ感度、機械的サイズ、材料選択、及び金属製ハウジング４８の振動モードのようなシステムレベル要件を決定する（ブロック２１０）。第１超音波トランスデューサ５２を、システムレベル要件に基づいて選択する（ブロック２２０）。この技術分野の当業者には公知の有限要素法（ＦＥＭ）分析を行なって、簡易構造の第１トランスデューサの実現可能性を検証する（ブロック２３０）。この実施形態では、実現可能性の検証では、超音波トランスデューサ５２のシステムレベル属性がシステムレベル要件の許容範囲内に収まるかどうかについて判断する。ＦＥＭ（有限要素法）及び水槽実験を利用して、金属製ハウジング４８及び超音波トランスデューサ５２が目標超音波伝搬周波数の所望の振動モードを有するかどうかについて判断する（ブロック２４０）。設計は、ハウジング４８の構造を変化させ、包装体６２を組み込み、包装体６２の構造を変更し、寸法を含む超音波トランスデューサ５２の特性を変更する、またはこれらの操作を組み合わせることにより最適化することができる（ブロック２５０）。
【００３５】
一旦、構造が更に微調整されると、超音波トランスデューサ５２の水中共振周波数及び振幅は、有限要素法モデル及び水槽実験を利用して検証することができる（ブロック２６０）。実験は水槽の中で水中聴音器を使用して行なうことができ、そして実験では、走査型レーザ振動計（ＳＬＶ）を利用することができる。一つのこのようなＳＬＶは、ドイツのヴァルトブロンのＰｏｌｙｔｅｃ−Ｐｌａｔｚ  １−７，  Ｄ−７６３３７を所在地とするＰｏｌｙｔｅｃ  ＧｍｂＨ社から入手することができる。設計はこの場合も同じようにして、ハウジング４８の構造、超音波トランスデューサ５２の構造などのようなパラメータを変化させることにより最適化することができる（ブロック２５０）。この最適化を、所望の共振特性が得られ、そして最終形態の超音波トランスデューサ構造が得られるまで繰り返す（ブロック２７０）。
【００３６】
本発明を、ペースメーカ及び除細動器のような植え込み型医療機器に関して説明してきたが、本発明は、インスリンポンプ、神経刺激装置、薬剤投与システム、疼痛管理システム、心拍センサまたは肺音センサのような他のいずれかの植え込み型医療機器に、或いは他のいずれかの埋め込み可能な医療器具における使用に適合されることができる。遠隔操作用器具４６は、治療を行なうように適合された、または生物学的機能をモニタリングするように適合された、圧力センサ、グルコース濃度モニタ、肺音センサ、ボリュームセンサ、衛星を介してデータ伝送を行なうペーシング器具、または他のいずれかの遠隔操作型検出器または治療用器具のようないずれかの種類の長期体内埋植器具またはリモートセンサを含むことができ、そして所望の生物学的パラメータを検出する、または治療を行なうために適合する体内のあらゆる部位に配置することができる。複数の遠隔操作用器具４６は体内のどこにでも、そして互いに、かつＩＭＤ１０と無線通信するように埋め込むことができる。
【００３７】
種々の変更及び追加を、議論した例示としての実施形態に対して、本発明の技術範囲から逸脱しない限り行なうことができる。例えば、上に説明した実施形態は特定の特徴に関して記載されているが、本発明の技術範囲には、複数の特徴の異なる組み合わせを有する実施形態、及び記載の特徴の全てを含む訳ではない実施形態が含まれる。従って、本発明の技術範囲は、このような代替物、変形物、及び変更物の全てを、請求項の全ての等価物を含む請求項の範囲に含まれるものとして包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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