(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信用のデータを受信器に提供する送信器と、
前記送信器により提供される前記データを受信し、前記データの符号化データ信号へのＤＣフリーデータ符号化を実施するデータ符号化器と、
前記符号化データ信号を受信し、前記符号化データ信号を含む増幅された駆動信号を提供するトランスデューサ駆動回路と、
前記増幅された駆動信号に応じて超音波周波数帯域で動作し、水状の体に音響的に結合されて、前記符号化データ信号を含む広帯域超音波データ信号を、前記受信器により受信されるように前記水状の体を通して送信するＣＭＵＴトランスデューサであって、前記広帯域超音波データ信号が送信される前記超音波周波数帯域は、１００ｋＨｚから４０ＭＨｚの間の周波数を含む、ＣＭＵＴトランスデューサと、
前記広帯域超音波データ信号を少なくとも１Ｍｂ／ｓｅｃのデータ転送レートで前記受信器に無線送信するために、前記ＣＭＵＴトランスデューサがコラプスモードで動作するように、前記ＣＭＵＴトランスデューサをつぶすためのバイアス電圧を提供するバイアス回路と
を備える、超音波体内通過通信デバイス。
【請求項２】
前記トランスデューサ駆動回路と前記ＣＭＵＴトランスデューサとの間に結合されたインピーダンス整合回路をさらに備える、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項３】
前記ＣＭＵＴトランスデューサは、１００％を超える帯域幅を有する広帯域超音波データ信号を送信する、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項４】
前記超音波周波数帯域は、４ＭＨｚから８ＭＨｚの間の周波数を含む、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項５】
水状の体に音響的に結合され、前記水状の体を通って伝達された広帯域超音波データ信号を送信器から受信するＣＭＵＴトランスデューサであって、前記広帯域超音波データ信号は符号化データ信号を含み、前記広帯域超音波データ信号は１００ｋＨｚから最高約４０ＭＨｚの間の周波数帯域で送信され、前記送信器から前記広帯域超音波データ信号を少なくとも１Ｍｂ／ｓｅｃのデータ転送レートで無線受信するために、前記ＣＭＵＴトランスデューサがコラプスモードで動作するように、前記ＣＭＵＴトランスデューサをつぶすためのバイアス電圧を加えることによって、前記広帯域超音波データ信号を受信する、ＣＭＵＴトランスデューサと、
前記ＣＭＵＴトランスデューサに結合されて前記バイアス電圧を提供するバイアス回路と、
前記ＣＭＵＴトランスデューサに結合され、受信された前記広帯域超音波データ信号を増幅する増幅器と、
増幅された前記広帯域超音波データ信号を受信し、前記受信された広帯域超音波データ信号から、前記符号化データ信号を抽出する受信器と、
ＤＣフリーデータ符号化を用いて、前記符号化データ信号から情報データ信号を復号する復号器と
を備える、超音波体内通過通信デバイス。
【請求項６】
前記受信器はデータ相関をさらに実施する、請求項５に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項７】
前記ＣＭＵＴトランスデューサと前記増幅器との間に結合されたインピーダンス整合回路をさらに備える、請求項５に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項８】
前記受信器が、
所望の周波数の超音波信号に応じて、前記受信器を、前記受信された広帯域超音波データ信号を処理するために完全な作動状態にするウェークアップ回路
をさらに備える、請求項５に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項９】
水状の体に音響的に結合されるＣＭＵＴトランスデューサであって、前記ＣＭＵＴトランスデューサはさらに、前記水状の体を通して第１の広帯域超音波データ信号を送信し、前記水状の体を通して伝達された第２の広帯域超音波データ信号を送信器から受信し、前記ＣＭＵＴトランスデューサは、前記第１の広帯域超音波データ信号を１００ｋＨｚから最高約４０ＭＨｚの間の周波数帯域で送信する、ＣＭＵＴトランスデューサと、
データを受信器に提供する送信器と、
前記送信器により提供される前記データを受信し、前記データの符号化データ信号へのＤＣフリーデータ符号化を実施するデータ符号化器と、
前記符号化データ信号を受信し、前記ＣＭＵＴトランスデューサに、増幅された駆動信号を提供するトランスデューサ駆動回路と、
前記ＣＭＵＴトランスデューサに結合されて、前記第１の広帯域超音波データ信号を少なくとも１Ｍｂ／ｓｅｃのデータ転送レートで無線送信するために、コラプスモードで動作するように前記ＣＭＵＴトランスデューサをつぶすためのバイアス電圧を提供するバイアス回路と、
受信した前記第２の広帯域超音波データ信号を増幅する、前記ＣＭＵＴトランスデューサに結合された増幅器と、
増幅された前記第２の広帯域超音波データ信号を受信し、受信した前記第２の広帯域超音波データ信号から前記符号化データ信号を抽出する受信器と、
前記ＤＣフリーデータ符号化を用いて、前記符号化データ信号から情報データ信号を復号する復号器と
を備える、超音波体内通過通信送受信器。
【請求項１０】
前記ＣＭＵＴトランスデューサが、超音波撮像データを提供する超音波撮像システムのトランスデューサであり、前記第１の広帯域超音波データ信号が、前記超音波撮像データを含む、請求項９に記載の超音波体内通過通信送受信器。
【請求項１１】
前記データ符号化器は、前記送信器により提供される前記データにマンチェスター符号化を適用する、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項１２】
前記送信器、前記データ符号化器、前記トランスデューサ駆動回路、前記ＣＭＵＴトランスデューサ、又は前記バイアス回路のうちの少なくとも１つに電圧を提供する電池をさらに備え、前記電圧は約１Ｖ〜約５Ｖの間である、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項１３】
前記送信器、前記データ符号化器、前記トランスデューサ駆動回路、前記ＣＭＵＴトランスデューサ、及び前記バイアス回路は、血管内撮像カテーテルの遠位部に配置され、前記受信器への送信用に提供される前記データは、超音波撮像データを含む、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【請求項１４】
前記トランスデューサ駆動回路は、前記増幅された駆動信号を前記超音波周波数帯域で提供する、請求項１に記載の超音波体内通過通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信媒体として液状媒体を使用する通信システムに関し、詳細には、小型化された広帯域の体内通過超音波通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人の体内に位置するデバイスと通信することが所望の場合がよくある。例えば、ペースメーカなどの植え込まれたデバイス、又は植え込まれた心臓除細動器から、情報を受け取ることが所望のことがある。医師は、電池の充電又はパルス送達情報など、デバイスの状況を知りたいはずである。また、デバイスの設定を再プログラミングする、又は変更するためになど、植え込まれたデバイスに体外から情報を送ることが所望のこともある。また、カテーテルによるステントの留置中など、カテーテルが患者の血管系に位置する間に、カテーテルと通信することが所望のこともある。例えば、処置中に、画像又は測定値が担当医に供給される必要がある。生検又はアブレーション処置中に、針の先端から情報を受け取ることが所望のこともある。医師に伝達される情報は、針の留置に関する、又は周囲の物質の状態に関するデータを含むことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アブレーション処置においては、処置の進度を判定するために、温度及び組織密度情報を受け取ることが重要である。この情報は、カテーテル、生検針、又はアブレーションデバイス内のワイヤを通して伝達できる場合もあるが、カテーテル、針、又はアブレーションデバイスは小型であるため、デバイス自体の機能に対しても配線が必要とされる場合は特に、通信回線に対して限られたスペースしか提供できないことが多い。このような状況においては、無線通信が、デバイスを通る通信導体の必要性をなくすことになる。しかし、高周波通信など一般の無線技法は、通信を行う必要のある環境によって制約を受けることがしばしばある。電気的又は電磁的な送信は、体によって大きく減衰する可能性があり、また体内通過高周波通信に対してノイズの多い環境を生成する磁気共鳴システム及びペースメーカなど、他の医療機器からの干渉を受ける可能性がある。さらに高周波及び電磁通信は、組織を通って動作するとき、帯域制限されるおそれがある。超音波トランスデューサを無線通信に対してｋＨｚの周波数範囲で使用する植え込み可能なデバイスが、ＷＯ２００８／０１１５７０で知られている。このようなデバイスのデータ転送レートは限られている。したがって、体の内部から有効に動作することができ、また帯域制限されない無線の体内通過通信システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の原理によれば、超音波を使用し、体を通してデータを伝達する広帯域の体内通過通信システムが述べられる。有用な周波数帯域内の超音波は、体を通る高周波及び電磁通信で遭遇する制限及び制約を受けることなく、組織などの液状媒体を通過することができる。このような通信のための好ましい超音波トランスデューサは、ＭＥＭＳ又は静電型超音波マイクロトランスデューサ（ＣＭＵＴ）であり、それらは、製造及び実装中に制御されて、動作周波数の広い帯域幅（例えば、８０％を超える）を示すことができる。最も好ましくは、ＣＭＵＴデバイスは、コラプスモード（つぶれモード、ｃｏｌｌａｐｓｅｄ  ｍｏｄｅ）で動作し、その感度、及び動作帯域は、デバイスに対する適切なバイアス電圧を選択することにより設定される。送信する場合、超小型電子技術のＣＭＵＴデバイスは、増幅器／駆動回路、及び任意選択のデータ符号化器を備えた超小型電子送信回路により動作される。受信する場合、超小型電子回路がＣＭＵＴに結合されて、受信信号の増幅、及び任意選択の復号を提供する。１つ又は複数のＣＭＵＴデバイスが、超小型電子通信回路と同じダイ上で製作されることが好ましい。組立体は、専用の送信器若しくは受信器、又は送受信器とすることができる。構成された実施形態では、このような組立体は、ヒト組織により示されるものなど液状媒体を通して、最高で８０ｃｍまで通信した。
【０００５】
本発明は、広い帯域幅及び様々な動作周波数などのＣＭＵＴトランスデューサ特性と、超小型電子回路符号化機能との独自の組合せを提供する。本発明による広帯域の体内通過通信システムに対するデータ転送レートは、Ｍｂ／ｓｅｃもの高速に達することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の超音波通信システムが人体などの液状の体を通して通信できるいくつかのやり方を示す図である。
【図２】本発明の原理に従って構成された体内通過超音波送信システムを示す図である。
【図３】本発明の原理に従って構成された体内通過超音波受信システムを示す図である。
【図４】典型的なＣＭＵＴトランスデューサセルの横断面図である。
【図５】印加されたバイアス電圧を含む典型的なＣＭＵＴセルの電気的な接続の概略図である。
【図６】本発明の原理によるコラプスモード動作に対して構成されたＣＭＵＴセルの横断面図である。
【図７】コラプス状態へとバイアスされたときの図６のＣＭＵＴセルを示す図である。
【図８】セルのメンブレンが、セルの上部に作られたレンズによりコラプス状態に保持されたときの図６のＣＭＵＴセルを示す図である。
【図９】本発明の超音波ＣＭＵＴ通信システムの典型的な広帯域応答特性を示す図である。
【図１０】本発明の超音波ＣＭＵＴ通信システムで使用するのに適した超小型電子送受信器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
植え込み可能な医療デバイスの数及び機能の増加に伴い、信頼性のある、高い処理能力をもった安全な体内通過通信システムに対する必要性が表面化している。高周波、磁気、又は超音波通信など、この必要性に役立つことのできるいくつかの技術的な選択肢が存在する。この手法の適合性は、信号の各タイプに対する通信チャネル（人体）の特性、実装形態の必要なサイズ、及び達成可能な電力／性能比により判断される。さらに、信号の各タイプに対して、体内で使用できる信号振幅及びデューティサイクルに対する安全限度が存在する。これらの考慮が行われた場合、超音波通信は、小さい形状因子及びエネルギー消費量にもかかわらず、最良の信号伝播を提供する。
【０００８】
超音波通信は機械的な性質のものである。ＣＭＵＴとして知られる音響的トランスデューサを駆動する電気信号は、メンブレンの機械的な運動を生じさせ、メンブレンは、次いで、周囲の媒体を通して圧力波を伝播する。伝播特性は、圧力、周波数に関しては音波の特性に依存し、また伝播媒体の特性に依存する。体内通過伝播の場合、様々な組織が、超音波を異なる形で伝播し、反射し、且つ吸収する。以下で述べる効率的な送信原理が、適正な受信を保証するために必要である。超音波トランスデューサは、変調された超音波データ信号を生成し、且つ受信することができる。超音波トランスデューサは、通常、その物理的な寸法及び実装形態に依存する一定の共振周波数を有する。所望のＣＭＵＴ実装形態は、中心周波数に対する動作の動作周波数範囲の比で、８０％又は１００％帯域幅を超える４から８ＭＨｚの中心周波数を用いて送信することができる。これは、１０％から５０％の典型的な帯域幅を有する従来の圧電性トランスデューサとは対照的である。ＣＭＵＴトランスデューサで達成可能な広い帯域幅により、広帯域デジタル信号の送信が可能になる。
【０００９】
体の超音波送信特性は、約１００ｋＨｚから最高約４０ＭＨｚの周波数範囲にある。１００ｋＨｚ未満など、低い超音波周波数を用いた通信では、（超音波回折により）空間解像度が劣ってしまう上に、ＣＭＵＴトランスデューサの寸法が増加することにもなる。より高い周波数では、信号の減衰が増加し、したがって、低パワーデバイスで達成できる最大の通信距離が減少する。本明細書で述べる超音波体内通過通信では、体内に配置された、又は体表面と良好な音響接触状態にある超音波トランスデューサを介して、信号が送信される。図１で示されるように、いくつかの使用態様を、通信媒体に対する送受信器の物理的位置に関して規定することができる。図１ａ）では、液状の体５０内の超音波体内通過通信デバイス５２が、その媒体を通して、体５０の外側にあり、且つ体と音響接触状態にある別の超音波体内通過通信デバイス５４へと通信している。図１ｂ）では、液状の体５０の外側の超音波体内通過通信デバイス５２が、体媒体と音響接触状態にあり、且つ体媒体を通して、体５０の外側にあり、且つ体と音響接触状態にある別の超音波体内通過通信デバイス５４に送信している。図１ｃ）では、液状の体５０内の超音波体内通過通信デバイス５２は、その媒体を通して、これも液状の体５０の内側にある別の超音波体内通過通信デバイス５４に送信している。図１で示される超音波体内通過通信デバイスは、アンテナとして超音波トランスデューサを備えるアクティブな送信器／受信器／送受信器だけを示している。実際には、通信デバイスは、スタンドアロンの、電池で電力が供給されるデバイスとすることができ、又は通信デバイスを外部デバイスに接続するカテーテル及び他の器具に取り付けることができる。概して、本発明のデバイスを用いると、データは、体外のデバイスから体内のデバイスに、体内から体外に、又は体外のデバイスから体を通して、且つ／又は体内のデバイスから互いに転送することができる。データ通信は、単一のトランスデューサから単一の受信器に向けて送ることに限定されず、データは、複数のトランスデューサから送られて、複数の受信器により受信することができる。データのタイプは、個別の用途に依存する。最も多くの実装形態では、データは、デジタル情報を含む。
【００１０】
図２及び図３は、ＣＭＵＴベースの超音波通信チャネルの主な構成要素を示すブロック図を示しており、送信チャネルが図２で示され、また受信チャネルが図３で示される。チャネルの好ましい動作周波数範囲は、１００ｋＨｚと４０ＭＨｚの間である。以下の図１０は、送受信器構成に組み合わされたこれらの概念を示している。図２で示すように、送信器６２により生成されたデータは、ＤＣフリー符号化を可能にするデータ符号化器６４によりまず符号化される。送信に使用されるＣＭＵＴの容量性の性質に対処するために、マンチェスター符号化が好ましいが、他のタイプのＤＣフリー符号化もまた、使用することができる。非ＤＣフリー符号化方式では、符号化された信号のＤＣ値は、送信されるデータに依存する。したがって、何らかのさらなるＤＣ信号がＣＭＵＴに印加されるバイアス電圧に加えられ、その動作周波数における望ましくない変化を生ずるおそれがあるので、ＤＣフリー符号化は、ＣＭＵＴトランスデューサの容量性の性質に対処する。この実装形態では、符号化された信号をＣＭＵＴデバイス６０に直接加えることはできない。ＣＭＵＴ６０は、十分大きな音響信号を生成するために、大きな電圧励起を必要とするので、符号化された信号は、まず増幅される必要がある。構成された実施形態では、送信器６２により生成された２００ｍＶ（ピークツーピーク）信号が、５０ｄＢ高周波増幅器（駆動回路）により増幅される。さらに、ＣＭＵＴデバイスを好ましいコラプスモードで動作させるために、バイアス電圧もまた印加する必要がある。ＣＭＵＴデバイスがコラプスモードで動作しないとき、すなわち、非コラプスモード又は停止モードにあるときに通信を行うこともできる。しかし、非コラプスモードにおける共振周波数は、概して、コラプスモードにおけるものよりも低く、また低く生成された音響パワーは、体を通る所望の距離にわたる通信リンクの有効な動作を妨げるおそれがある。構成された実施形態では、約１００Ｖのバイアス電圧が、ＣＭＵＴデバイスに提供されてバイアスをかけ、コラプスモードで動作させる。バイアス電圧及びＡＣ駆動電圧を送受信器駆動回路からＣＭＵＴデバイス６０に同時に提供するために、バイアスＴ回路が実装された。最後に、インピーダンス整合の出力インピーダンス、バイアス、及び駆動回路／増幅器ブロック６６は、ＣＭＵＴ６０の所望の動作を可能にするために、適正に選択する必要がある。
【００１１】
図３で示される受信側では、ＣＭＵＴデバイス６０は、受信した音響信号を電気信号へと変換する。送信側と同様に、インピーダンス整合回路及びバイアス電圧７２が、受信するＣＭＵＴデバイス６０に印加される。構成された実施形態では、バイアスＴ回路が、所望の周波数範囲に対するその感度を設定するために、約１００Ｖのバイアス電圧をＣＭＵＴデバイスに印加した。ＣＭＵＴデバイス６０により取得された超音波は、したがって、電気信号へと変換される。この信号は、通常、数十ｍＶピークツーピークであって小さいため、復号される前に、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）７４がこの信号をまず増幅する。適切な大きい入力インピーダンスを備えるＬＮＡを選択することにより、インピーダンス整合が行われる。増幅された信号は、次いで、この実施形態では、以下の要素からなる受信器７０に提供される。クロック回復回路７８及びデータ相関回路８０は、受信された通信信号を受け取るように結合され、タイミング発生器７６に応じる。この回路の詳細な動作は、以下の図１０で述べられる。データ相関回路の出力が、次いで、復号器８２に提供され、受信されたデータは、次いで、プロセッサ（図示せず）などの利用デバイスに渡される。
【００１２】
図４を参照すると、典型的な非コラプスＣＭＵＴトランスデューサセル１０が横断面で示されている。ＣＭＵＴトランスデューサセル１０は、シリコンなどの基板１２上で複数の同様の隣接するセルと共に製作される。窒化ケイ素から作ることのできる隔膜又はメンブレン１４は、酸化ケイ素又は窒化ケイ素から作ることのできる絶縁サポート１６により基板の上方で支持される。メンブレンと基板の間の空洞部１８は、空気若しくは気体で充填する、又は全体的に若しくは部分的に真空とすることができる。金などの導電フィルム若しくは層２０が、隔膜上の電極を形成し、同様のフィルム又は層２２が、基板上で電極を形成する。誘電性の空洞部１８によって分離されたこれらの２つの電極は、静電容量を形成する。音響信号がメンブレン１４を振動させたとき、静電容量の変動を検出することができ、それにより、音響波を対応する電気信号へと変換する。反対に、電極２０、２２に加えられたＡＣ信号は、静電容量を変調して、メンブレンを動かし、それにより、音響信号を送信させる。
【００１３】
図５は、図４のＣＭＵＴ１０の動作の電気的な概略図である。ＤＣバイアス電圧ＶＢがバイアス端子２４に印加され、誘導性インピーダンスなど、ＡＣ信号に対して高インピーダンスＺを呈する経路により、メンブレン電極２０に結合される。ＡＣ信号は、信号端子２６からメンブレン電極との間で容量結合される。メンブレン１４上の正電荷は、基板１２上の負電荷に引きつけられると、メンブレンを膨らませる。ＣＭＵＴは、容量性のデバイスの２つの逆に帯電した板が共に可能な限り接近するようにメンブレンが膨らんだとき、最も感度がよくなることが見出された。２つの板を近接させることは、ＣＭＵＴによって音響信号エネルギーと電気信号エネルギーとの間でより大きな結合を生ずることになる。したがって、メンブレン１４と基板１２の間の誘電性スペーシング３２が、動作信号の条件下で維持可能な程度に小さくなるまでバイアス電圧ＶＢを増加させることが望ましい。構成された実施形態では、このスペーシングは、概して１ミクロン以下程度であった。
【００１４】
図６を参照すると、コラプスモードで動作するのに適したＣＭＵＴ素子５の概略的な横断面が示されている。ＣＭＵＴ素子５は、基板層１２、電極２２、メンブレン層１４、及びメンブレン電極リング２８を含む。この例では、電極２２は円形に構成され、基板層１２に埋め込まれている。さらにメンブレン層１４は、基板層１２の上面に対して固定され、またメンブレン層１４と基板層１２の間に球形又は円筒形の空洞部１８を画定するような構成／寸法になっている。セル及びその空洞部１８は、代替的な幾何形状を画定することもできる。例えば、空洞部１８は、長方形及び／又は正方形横断面、六角形横断面、楕円形横断面、又は不規則な横断面を画定することもできる。
【００１５】
底部電極２２は、通常、さらなる層（図示せず）を用いて、その空洞部に向いている面で絶縁されている。好ましい絶縁層は、基板電極上に、且つメンブレン電極の下に形成されるＯＮＯ（ｏｘｉｄｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）誘電層である。ＯＮＯ誘電層は、デバイスの不安定さ、並びに音響出力圧のドリフト及び低下を生ずる電極上の電荷の蓄積を低減するので有利である。ＣＭＵＴ上のＯＮＯ誘電層の製作については、２００８年９月１６日に出願された、「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」と題するＫｌｏｏｔｗｉｊｋ他によるヨーロッパ特許出願第０８３０５５５３．３号で詳細に論じられている。ＯＮＯ誘電層を使用することは、コラプスモードのＣＭＵＴを用いる場合に望ましく、それは、非コラプスデバイスよりも電荷の保持がさらに可能である。開示される構成要素は、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、窒化物（例えば、窒化ケイ素）、酸化物（様々なグレード）、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、ポリシリコンなど、ＣＭＯＳと互換性のある材料から製作することができる。ＣＭＯＳファブ（ｆａｂ）では、例えば、酸化物及び窒化物の層は、化学的な蒸着により形成することができ、またメタライゼーション（電極）層は、スパッタリング工程により作られる。適切なＣＭＯＳプロセスは、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤであり、後者は、４００℃未満の比較的低い動作温度を有する。
【００１６】
開示された空洞部１８を作成するための例示的な技法は、メンブレン層１４の上面を加える前に、メンブレン層１４の最初の部分に空洞部を画定することを含む。他の製作の詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）で見出すことができる。図６で示された例示的な実施形態においては、円筒形の空洞部１８の直径は、円形に構成された電極板２２の直径よりも大きい。電極リング２８は、円形に構成された電極板２２と同じ外径を有することもできるが、このような一致は必要ではない。したがって、本発明の例示的な実施形態では、電極リング２８は、下にある電極板２２と位置合せされるように、メンブレン層１４の上面に対して固定される。
【００１７】
図７は、メンブレン１４が、空洞部１８の床部と接触状態にある事前のコラプス状態へとバイアスされたときの図６のＣＭＵＴセルを示している。これは、電極リング２８に印加された電圧ＶＢと、基板電極２２に印加された基準電位（接地）とにより示されるように、２つの電極にＤＣバイアス電圧を加えることにより達成される。電極リング２８はまた、中心に穴を有しない連続円板として形成することもできるが、図７は、これがなぜ必要ではないかを示している。この図面で示されるように、メンブレン１４がその事前のコラプス状態にバイアスされたとき、メンブレンの中心は、空洞部１８の床部と接触状態にある。したがって、メンブレン１４の中心は、ＣＭＵＴの動作中に動くことはない。代わりに、動くのは、空洞部１８の残りの開いた空所の上にあり、且つ円板、又はリング電極の下にあるメンブレン１４の周辺領域である。メンブレン電極２８をリングとして形成することにより、デバイスの静電容量の上側板の電荷は、ＣＭＵＴがトランスデューサとして動作しているときに運動及び容量性の変動を示すＣＭＵＴの領域の上に位置する。したがって、ＣＭＵＴトランスデューサの結合係数は向上する。コラプスモードでは、ＣＭＵＴセルの共振周波数は、バイアス回路により提供されるバイアス電圧の増加と共に増加する。
【００１８】
メンブレン１４は、通常５０〜１００ボルトの範囲である必要なバイアス電圧を加えることにより、３６で示されるように、空洞部１８の床部と接触しているその事前のコラプス状態にすることができる。電圧を増加させるとき、ＣＭＵＴセルの静電容量が静電容量計で監視される。静電容量の突然の変化は、メンブレンが空洞部の床部へとつぶれたことを示す。メンブレンは、それが、３６で示すように、空洞部の床部にちょうど接触するまで、下方にバイアスさせることができるか、或いは最小の接触を超えて、増加したコラプス状態へとさらに下方にバイアスさせることができる。コラプス動作モードの利点は、ＣＭＵＴセル（トランスデューサ）の動作周波数がバイアス電圧と共に変化され得ることである。
【００１９】
図８は、保持部材４０によるものである、事前のコラプス状態へとメンブレン１４をバイアスさせるための他の技法を示している。メンブレン１４は、図７で示されるように、その事前のコラプス状態へと電気的にバイアスされているが、メンブレンをその事前のコラプス状態に物理的に維持する保持部材４０が、メンブレンの上に配置される、又は形成される。撮像を実施する超音波トランスデューサに対する好ましい実施形態では、構造は、トランスデューサのレンズを形成する。トランスデューサレンズは、通常、３つの要件を満たす。１つは、レンズが、トランスデューサプローブの使用中に生成される摩擦接触に起因する摩耗抵抗に耐える構造を提供することである。実際には、レンズは、超音波トランスデューサを備えるその下にあるトランスデューサアレイを、物理的な摩耗から保護する物理的なカバーを提供する。第２には、レンズが非導電性であることであり、それにより、トランスデューサの電気的な素子と患者との間の電気的な絶縁を提供する。これは、本発明のデバイスなどの人体通信デバイスに対する重要な特性である。第３に、レンズは、プローブのための焦点特性を提供できることである。図８の例では、保持部材４０は、メンブレン１４をその事前のコラプス状態に物理的に保持する第４の利益を提供する。
【００２０】
様々な材料を保持部材用に使用することができる。ＣＭＵＴに対する唯一の要件は、材料は、バイアス電圧が除かれた後に、メンブレンをそのコラプス状態に維持するのに十分な剛性を有するものであることである。１つの適切な材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ又はＲＴＶゴム）である。ＲＴＶ材料は、バイアス電圧ＶＢが、メンブレンをその所望のコラプス状態に保持する間に、ＣＭＵＴの上に注入成形される。ＲＴＶが重合され、且つメンブレンをその事前のコラプス状態に物理的に維持するのに十分な剛性を有した後、バイアス電圧を除去することができ、バイアス電圧は、デバイスが動作のためにバイアスがかけられるまで、再度印加される必要はない。保持部材は、ＣＭＵＴアレイの各メンブレンの周囲の領域に接着されることが好ましい。保持部材４０に適することのできる他の材料は、ウレタンゴム、ビニルプラスチゾル、及び熱可塑性エラストマーを含む。
【００２１】
メンブレンをその事前のコラプス状態に物理的に保持することにより、デバイスの使用中に動作バイアスが加えられるまで、事前のコラプス状態を維持するためのバイアスは必要ではない。このことは、ＣＭＵＴは、低電圧で動作できることを意味しており、それは、人体通信デバイスなどの小型化されたデバイスに対して有利である。さらに、ロット間におけるメンブレン寸法、剛性、又は空洞部深さの変動など、製造及び材料特性の変動性に起因する悪影響をなくすことができる。これらの変動性は、多かれ少なかれ、バイアス電圧が、ＣＭＵＴをその事前のコラプス状態になるようにするために必要であることを意味している。バイアス電圧は、所望のつぶれの程度に従って調整され、次いで、保持部材が、メンブレンをこの状態に保持する。したがって、各ＣＭＵＴアレイは、これらの許容差変動が存在する場合であっても、同じ性能特性に設定する、又はその結合をカスタマイズすることができる。動作電圧範囲、音響インピーダンス、静電容量、及び結合係数などの特性に関して、プローブのより大きな一様性を達成することができる。
【００２２】
図９は、図７及び図８で示されたものなど、コラプスモードのＣＭＵＴトランスデューサの典型的な広い帯域性能のプロットである。加えられた、又は受信されたインパルス９２に対して、典型的なコラプスモードのＣＭＵＴトランスデューサは、曲線９０で示される周波数応答を示すことになる。この曲線の３ｄＢポイントが示すように、４から８ＭＨｚ範囲の周波数に対して、コラプスモードのＣＭＵＴトランスデューサの帯域幅は、１００％に近づく、又はそれを超えており、広帯域通信システムに対して理想的なものにしている。
【００２３】
図１０は、本発明の体内通過超音波通信システムのための送受信器システムを示している。送受信器の送信器サブシステムＴＸは、選択された拡散符号に従って、且つ各送信ビット（送信期間）に対して少なくとも１つの信号送信を有するという要件に従って、他のデジタルビットストリームで送信されるＴＸビットのビットストリームＢＳを符号化する符号化器又は符号化回路（Ｃ）１２０を備える。次いで、このビットストリームは、デジタルバッファ１１０を介して体に結合され、デジタルバッファ１１０はまた、その後のＣＭＵＴ駆動回路で必要となるレベルに信号を上昇させることができる。必要に応じて、デジタルバッファ１１０は、帯域制限を提供することもできる。
【００２４】
受信器サブシステムでは、入力増幅器（例えば、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ））２１４が、ＣＭＵＴ電極２２、２８に対してＤＣ減結合（ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ）されている。ＣＭＵＴ（又は複数のＣＭＵＴ）の増幅された信号は、次いで、データ検出及び同期化のために使用される２つの相関器回路に送られる。示された例では、両方の相関器は、各データ、又は同期化乗算器２１６、２１８における入力信号と、デジタルテンプレート（例えば、同期化のための同期化パターンとして１ビットテンプレート「同期化テンプレート」、及びデータ検出用の基準信号として、１ビットテンプレート「データテンプレート」）のアナログ乗算により実施される。同期化テンプレートが「１」である場合、同期化乗算器２１８により、増幅された信号は、「１」で（すなわち、正の一定の乗算因子で）乗算される。同期化テンプレートが「０」である場合、増幅された信号は、同期化乗算器２１８により、「−１」で（すなわち、負の一定の乗算因子で）乗算される。乗算の結果は、次いで、受信期間（例えば、チップ期間）にわたり、各データ又は同期化積分器２２０、２２２において積分されて、各データ又は同期化相関を実際に計算する。積分出力は、所望するデータ及び同期化情報に対応する。
【００２５】
破線枠で示されたチップレベルの同期化ループを閉じるために、同期化テンプレートと入力信号との間の相関が、サンプリング及びパルス振幅変調（ＰＡＭ）回路（Ｓ／ＰＡＭ）２２４により、積分期間の終わりにサンプリングされる。相関器の積分された出力は、入力信号周波数とローカルテンプレートとの間の差の尺度である。出力が小さくなればなるほど（相関がよくなればなるほど）、同期化誤差は少なくなる。誤差が感度閾値より低くなった後、受信は同期化されたと見なされ、第２のデータ相関が開始する。サンプリングされたＰＡＭ値は次に、入力データに従って正しい極性を保証するために、検出されたデータ（「チップ」）の極性に従って「＋１」又は「−１」により、さらなる乗算器２４６で乗算することができる。同期化シーケンス中、極性選択は、送信器サブシステムにより生成された同期化シーケンスに準拠する固定された同期化パターンの使用により実施することができる。したがって、さらなる乗算器２４６は、検出されたデータ（すなわち、復号された信号）の極性に従って、第２の相関器の出力値の極性を制御する極性制御要素として働く。乗算器２４６からの信号は、ループフィルタ２３４によりフィルタされ、電圧制御発信器（ＶＣＯ）２３６に送られ、電圧制御発信器（ＶＣＯ）２３６は、デジタルコントローラ２３８により制御及びテンプレート信号を生成するためのタイムベース又は時間基準として使用される内部クロック（ｉｎｔ．ｃｌｏｃｋ）を、その入力に基づいて生成する。同期化情報のフィルタリングは、したがって、ループフィルタ２３４により次にフィルタされるサンプリングされた信号に比例するパルス（ＰＡＭ信号）を生成することによって実施される。
【００２６】
データ検出分岐では、データ相関器における相関は、チップレベルで実施され、比較器又は閾値回路２２６を用いることにより、まずデジタルビットストリーム（「チップ」）へと変換されて、デジタル相関器２３２に送ることができ、デジタル相関器２３２は、シンボルレベルの同期化を実施し、且つデジタルコントローラ２３８によるテンプレート生成のために正しい同期化された符号シーケンス（「拡散符号」）を提供する。信頼性の理由で、シンボルレベルのアナログ相関も必要である場合、チップレベル相関器のアナログ出力を、アナログ累算器２２８によりシンボル長にわたりさらに積分することができ、またデジタル相関器２３２は、アナログ相関器リセット信号を生成し、且つそれをアナログ累算器２２８に供給することにより、シンボルにわたる累算時間を制御することができる。シンボルレベルの相関は、次いで、所望のビットストリームＲＸビットを提供するために、比較器又は閾値回路２３０を用いることにより、デジタルへと変換される。信頼性が問題ではない場合、アナログ累算器は除外することができ、デジタル相関器は、シンボルレベル相関に使用することができる。
【００２７】
さらなる選択肢として、アナログのシンボルレベル相関器からの出力ビットストリームＲＸビットと、デジタル相関器により生成される期待ビットストリームとの間の比較を、入力信号の品質の尺度として使用することも可能であり、それは、チップエラーレート信号ＣＥＲ（Ｃｈｉｐ−Ｅｒｒｏｒ−Ｒａｔｅ）として提示することもできる。
【００２８】
図１０の送受信器はまた、アイドルモードにおけるチャネルを感知できる超低電力のウェークアップ検出器を含む。これは、電力を消費する主受信器ブロックをオフに切り換えることを可能にする。チャネルにおいて通信が検出されたとき、主受信器ブロックは、データの受信を開始するためにオンに切り換えられる。ウェークアップ検出器は、（低ノイズ）増幅器入力段２５０と、その後に、通信帯域に設定された狭い帯域通過フィルタ２５２と、エネルギー蓄積器２５４と、比較器又は閾値回路２５６とから構成される。ウェークアップ検出器は、受信された信号を検出すると、送受信器を動作させて、それが生成する情報を処理するプロセッサ（「制御（ＣＯＮＴＲＯＬ）」）に結合されたウェークアップ割込みを用いて主受信器を活性化する。
【００２９】
この構造にいくつかの追加を行えることに留意することは価値がある。例として、チップレベルのアナログ相関器の出力（データ分岐用のものと同期化分岐用のもの）に対して、１ビットのアナログ／デジタル変換を適用する位相回転検出器を追加することができる。得られた２ビット情報は、時間経過と共にその進展を監視することにより、受信側と送信側の間の周波数差の正負符号を検出するために使用することができる。この情報は、同期化システムの同期引込み範囲を増加するために使用することができ、したがって、水晶発振器若しくは同様のものなど、正確な時間基準がない場合であっても、同期化を可能にする。
【００３０】
本発明の体内通過超音波通信デバイスは、以下の利点を示すことができる、すなわち、
１）本発明の超音波通信リンクは、広帯域送受信器アーキテクチャと組み合わせて、広帯域トランスデューサ（ＣＭＵＴなど）を使用することにより、高いデータ処理量を達成することができる。
２）小型の送受信素子を使用することができる。ＣＭＵＴなどのＭＥＭＳデバイスが使用される場合、ＣＭＵＴ送受信素子は、超小型電子送受信器回路と同じダイ上で一体化することができる。したがって、数平方ミリメートルの形状因子を達成することができる。
３）軟組織中の弱い音響散乱は、データ通信に使用できるロバストな信号伝播を可能にする。水中と同様に、超音波は、高周波又は電磁波よりもはるかに良好に、体を通って伝播する。したがって、本発明の通信リンクは、体内における非常に低いエネルギー消費量、及び低いエネルギー誘導の状態で、Ｍｂ／ｓｅｃのデータ転送レートを達成することができる。
４）本発明の超音波体内通過通信デバイスは、電気的な医療システム（例えば、磁気共鳴撮像、ペースメーカなど）との干渉を回避し、且つ音響ノイズ及び干渉に対するその高い耐性は、（例えば、撮像のために）同時に使用される他の医療デバイスの存在下でロバスト性を提供する。動作周波数帯域内、又はそれに近接する干渉の軽減は、概して必要としない。
５）本発明の実装形態は、ノイズ及び干渉に対して高い耐性を提供し、したがって、非常に低い信号レベルで通信が可能になる。超音波は、受信器に向けた特定の方向に送信することができる。その場合、超音波体内通過通信デバイスは、アレイ状のいくつかのＣＭＵＴトランスデューサを備える。開口は、特定の幅及び角度（超音波撮像と同様のもの）を用いて、音響ビームを生成するように設計することができる。これは、特定の受信器（いくつかの中から）に向けてデータを送信するために使用することができる。さらに受信器は、特定の、若しくは複数の送信器を待ち受けるように調整することができる。他の選択肢は、複数の角度で超音波を送信／受信することである。これは、エネルギー効率、及び通信リンクのロバスト性を高める。
６）従来技術のデバイスと比較して、本発明の実装形態は、２つ以上の体内通過通信デバイスの間の通信を可能にし、さらにこのようなデバイスの２つの超音波トランスデューサ間の双方向通信を可能にする。
７）エネルギー消費量は、受信器に対してウェークアップ回路を使用することにより最小化される。
【００３１】
上記で述べた、構成された実施形態は、体内通過超音波通信が、少なくとも３０ｃｍの距離にわたって可能であることを示している。
【００３２】
本発明の体内通過通信デバイスは、特に、以下の用途で使用することができる。
【００３３】
Ａ．ペースメーカ
図１０で示されるものなど、広帯域の通信送受信器に接続されたＣＭＵＴデバイスを通常使用する超音波送受信器は、ペースメーカで実施することができる。したがって、患者に植え込まれた後にペースメーカを構成するなど、いくつかの機能を使用可能にすることができる。他の機能は、ペースメーカがその現在の状況（例えば、その内蔵電池の状況、及び送達されるパルスレート）に関する情報を提供できるようにすることである。したがって、ペースメーカの正しい動作を確認する容易なやり方が提供される。
【００３４】
さらに前に述べたように、ペースメーカに組み込まれた超音波送受信器と、外部に設けられた体表面の超音波送受信器の間の通信リンクは、他の電気的な医療システム（例えば、磁気共鳴撮像システムなど）からの干渉による影響を受けることはない。したがって、ロバストな通信リンクがまた、病院環境で達成できる。
【００３５】
ペースメーカで実施される超音波通信デバイスは、低いバイアス電圧で動作するように設計することができる。ペースメーカなどのインプラントでは、通常、リチウムイオン電池が使用される。このタイプの電池は、通常１〜５ボルトの範囲の供給電圧を提供する。したがって、インプラントに一体化されたＣＭＵＴデバイスは、このような低いＡＣ電圧で正しく動作できる必要がある、すなわち、それは、適切な周波数帯域幅（すなわち、送受信器の周波数帯域幅）で十分な音響エネルギーを生成できる必要がある。これらの特性（周波数帯域幅、バイアス電圧など）は、国際特許公開ＷＯ２０１００９７７２９Ａ１で述べられるように、ＣＭＵＴデバイスを設計するときに設定することができる。代替的には、数十ボルトまでのバイアス電圧の局所的な昇圧は、電圧ブースタを用いて電子的に実現することができる。
【００３６】
ペースメーカの実施形態は、超音波体内通過通信システムから構成され、超音波体内通過通信システムは、
体内に植え込まれたペースメーカと、
ペースメーカの中に組み込まれた超音波体内通過通信デバイスとを備え、また
体を通過する超音波で、符号化されたデータを送信又は受信する超音波トランスデューサと、
超音波トランスデューサに結合されたトランスデューサ駆動回路及び増幅器と、
トランスデューサ駆動回路、増幅器、及びペースメーカに結合された送受信器とを備え、
超音波体内通過通信デバイスは、ペースメーカを囲む体を通してデータを送信及び受信する。
【００３７】
この実施形態では、超音波トランスデューサは、ＣＭＵＴトランスデューサをさらに含むことができる。超音波体内通過通信システムは、超音波体内通過通信デバイスに電力を供給するために、１〜５ボルトの範囲の電圧を提供する電池をさらに備える。さらに、データは、ペースメーカ構成データ、又は電池状況データの一方をさらに含む。
【００３８】
Ｂ．血管内カテーテル
本発明のデバイスの他の用途は、体腔内超音波撮像の分野、特に血管内超音波（ＩＶＵＳ）の分野に存在し、その場合、小型化された超音波トランスデューサアレイを備えたカテーテルが、血管の内壁を撮像するために使用される。超音波撮像システムは、集積回路に結合された超音波トランスデューサのアレイを備え、超音波ビーム形成機能を可能にする。ＩＶＵＳカテーテルは、一般にステント留置処置で使用される。ＩＶＵＳカテーテルは、狭い静脈に達することができるように、可能な限り細くする必要があり、より細いカテーテルは、より広い範囲の用途及び処置を生み出す。
【００３９】
ＩＶＵＳカテーテルでは、超音波トランスデューサにより取り込まれた撮像データは、カテーテルを通るワイヤにより、撮像データが処理され、表示される撮像システムへと電子的に移送される。トランスデューサが多くの素子を有するほど、超音波画像はよくなる。あらゆる超音波素子のデータが、カテーテルを通って処理され、且つ送られる必要があるので、カテーテルを通してデータを送る前に、カテーテルを通るワイヤの量と、カテーテル先端におけるデータの多重化の量との間の妥協が行われる。しかし、カテーテルにおける多重化は、熱生成及び寸法制限により制限される。撮像データを、体外にある受信器に送信するために、超音波通信リンクを使用することは、良好な画像品質をなお提供しながら、カテーテル内のワイヤ量を制限する魅力的な方法を提供する。超音波撮像は、一般に、１ＭＨｚから最高で４０ＭＨｚまでの超音波周波数範囲で実施される。したがって、本発明は、通信デバイスを超音波撮像システムに実装することを可能にし、超音波撮像に使用されるアレイ状のＣＭＵＴ素子と同じものをまた、データ通信トランスデューサとして使用できるようにする。この実施形態では、撮像と通信を、時間インターリーブ式に実施することができる。他の実装形態は、いくつかの素子を撮像用として、他の素子を通信用として同時に使用すること、並びに撮像及び通信のために異なる周波数を用いることを含む。このような超音波システムの利点は、本発明が、超音波を用いて、超音波撮像と無線データ交換との二重のＣＭＵＴ素子の機能を可能にすることである。素子の動作（又は共振）周波数は、印加されるバイアス電圧により調整されて、トランスデューサの帯域幅及び感度を拡大することができる。
【００４０】
血管内カテーテルの実施形態は、超音波体内通過通信システムを備え、超音波体内通過通信システムは、
体の血管系により体内に導かれるカテーテルと、
カテーテル内に組み込まれた超音波体内通過通信デバイスとを備え、また
体を通過する超音波で、符号化されたデータを送信又は受信するＣＭＵＴトランスデューサと、
超音波トランスデューサに結合されたトランスデューサ駆動回路と、
トランスデューサ駆動回路及びカテーテルに結合された送信器とを備え、
超音波体内通過通信デバイスが、カテーテルを囲む体を通してデータを送信する。
【００４１】
さらに他の実施形態では、カテーテルは、超音波撮像トランスデューサをさらに備え、
超音波体内通過通信デバイスの超音波トランスデューサは、カテーテルの超音波撮像トランスデューサをさらに備える。
【００４２】
さらに、データは、カテーテルの超音波撮像トランスデューサにより取得された超音波画像データをさらに含むことができる。
【００４３】
Ｃ．介入処置
本発明のデバイスの他の用途は、生体物質（例えば、生検処置）を抽出するために、麻酔若しくは薬物送達など医療物質を投与するために、又は熱アブレーションを実施するために、人体に一時的に挿入されるデバイスを使用する介入処置におけるものである。これらのデバイスは、極端に小さいはず（例えば、針）であり、且つ物質が、体内の非常に小さい目標部位から抽出され、投与され得るように、非常に高い位置決め精度を必要とする。これらのプロセスは、体内の針先端又はアブレーション装置の位置と、その温度又は組織密度など、すぐ近くの環境の性質とを求める技術により、容易に行うことができる。さらにこれらのデバイスは、その機能を調整できる制御信号から利益を得ることができる。針は、ケーブルを組み込むには小さ過ぎる可能性があるので、これらのシステムは、本発明の超音波通信デバイスにより提供されるものなど、体内動作に適した無線通信から利益を得ることができる。ＣＭＵＴを用いる超音波通信は、非常に小さい形状因子で実現できるので、このような通信デバイスは、体内に一時的に挿入される針又は他のデバイスに一体化することができる。通信は、位置特定ビーコン、設定移送として、又は環境の局所的パラメータを送信するために使用することができる。
【００４４】
介入的な実施形態は超音波体内通過通信システムを含み、超音波体内通過通信システムは、
体内へ導かれる介入デバイスと、
介入デバイスに組み込まれる超音波体内通過通信デバイスとを備え、また
体を通過する超音波で、符号化されたデータを送信する超音波トランスデューサと、
超音波トランスデューサに結合されたトランスデューサ駆動回路と、
超音波駆動回路及び介入デバイスに結合された送信器とを備え、
超音波体内通過通信デバイスが、介入デバイスを囲む体を通してデータを送信及び受信する。
【００４５】
この実施形態では、介入デバイスは、生検針及び／又はアブレーションデバイスをさらに含むことができ、また超音波トランスデューサは、ＣＭＵＴトランスデューサをさらに含むことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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