(57)【要約】埋め込み可能なおよびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワーク間に信号を超音波送信するシステムおよび方法を提供する。デバイスは、１以上の埋め込み可能なノード、それは感知および／または作動ユニットを包含し、少なくとも１つのゲートウェイノード、および少なくとも１つのアクセスポイントノードを包含する。超音波信号は、アクセスポイントノードへのおよびそれからの送信用に、埋め込み可能なノードによってゲートウェイノードへおよびそれから身体を介して送信され得る。アクセスポイントノードは、インターネットへ接続され得る。このように、遠隔指示は埋め込み可能なノードへ送信され得、埋め込み可能なノードで得られたデータは遠隔サイトへ送信され得る。
2018509951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋め込み型およびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワークの間で信号を超音波で送信するためのシステムであって：
感知ユニットまたは作動ユニットと、生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、通信インターフェースおよび感知ユニットまたは作動ユニットと通信するコアユニットとを含む、体内埋め込み型ノードと；
生体組織を介して超音波信号を送受信し、空気を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、前記通信インターフェースと通信するコアユニットとを含む身体にウエアラブルなゲートウェイノードと； および
少なくともゲートウェイノードからの空気を介して送信された超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースを包含するアクセスポイントノードと；
を含む、前記システム。
【請求項２】
埋め込み型ノードの人体ネットワークをさらに含み、ネットワークの各埋め込み型ノードが、感知ユニットまたは作動ユニット、および生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースを含み、ここで、第１の埋め込み型ノードは感知ユニットを包含し、および第２の埋め込み型ノードは作動ユニットを包含し、および第１の埋め込み型ノードと第２の埋め込み型ノードが超音波通信することによって、作動ユニットは、感知ユニットによって得られたデータに応答して作動可能である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方のコアユニットが、感知ユニットまたは作動ユニットを制御するための１以上の論理デバイスを含み、１以上の論理デバイスは、小規模の集積回路、プログラミング可能な論理アレイ、プログラミング可能な論理デバイス、マスクされたプログラミングされたゲートアレイ、フィールドプログラミング可能なゲートウェイ、ならびに特定アプリケーション向け集積回路を包含する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方のコアユニットが、マイクロコントローラ・ユニット、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはマイクロコントローラ・ユニットおよび通信、処理およびネットワーキングタスクを実行するように動作するＦＰＧＡとの両方を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
コアユニットが、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、通信インターフェース、感知ユニットまたは作動ユニット、ならびにメモリ間の通信を制御するための、シリアル周辺機器インターフェース（ＳＰＩ）およびインター集積回路（Ｉ２Ｃ）インターフェースの一方または両方を包含する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
マイクロコントローラ・ユニットが、超音波通信を可能にするためのプロトコルスタックの上位層で動作可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
マイクロコントローラ・ユニットが、前方エラー訂正、媒体アクセス制御の一方または両方を提供するデータリンク層において動作可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
マイクロコントローラが、コンテンツセントリックアドレス指定、またはＩＰヘッダー圧縮およびＩＰパケットのフラグメント化を提供するネットワーク層において動作可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
マイクロコントローラ・ユニットが、リアルタイムオペレーティングシステムを包含する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
ＦＰＧＡが、超音波通信を可能にするプロトコルスタックの物理層で動作可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項１１】
ＦＰＧＡが、マイクロコントローラからのビットストリームを変調し、通信インターフェースのデジタル−アナログ転換器へ調節されたビットストリームを渡すように動作する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１２】
ＦＰＧＡが、通信インターフェースからの入力デジタル信号を復調し、入力デジタル信号上の同期化およびチャンネル推定信号処理を実行するように動作する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１３】
ＦＰＧＡが、デジタル信号上の相関、フーリエ変換または逆フーリエ変換を行うか、フィルター動作をする、請求項４に記載のシステム。
【請求項１４】
ＦＰＧＡが、入出力データをバッファするための先入れ先出し方式のメモリキューを包含する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１５】
ＦＰＧＡが、システムクロックよりも高いかまたは低い周波数でクロック信号を合成するためのフェーズロックループモジュールを包含する、請求項４に記載のシステム。
【請求項１６】
ＦＰＧＡが、感知ユニットまたは作動ユニットを制御するようためにプログラミング可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項１７】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の通信インターフェースが、１以上の超音波変換器を含み、および送信機チェーンおよび受信機チェーンが１以上の超音波変換器を通って信号を送信するように動作し、ここで、送信機チェーンおよび受信機チェーンは、生体組織を介して超音波送信のために結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
ゲートウェイノードが、アクセスポイントノードとの空気を介した超音波送信のために結合された通信のための追加の送信機チェーンおよび追加の受信機チェーンを含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
１以上の超音波変換器が、１以上の微細加工された圧電式または静電式の変換器を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
通信インターフェースが、無線周波数通信を送受信するためのラジオ周波数トランシーバをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
埋め込み型ノードが、感知ユニットまたは作動ユニットを取り付けるためのインターフェースを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
インターフェースが、複数のピンヘッダーを包含するインターフェース回路基板を含み、感知ユニットまたは作動ユニットが、インターフェース回路基板のピンヘッダーに接続可能なドーターボードを包含する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
ゲートウェイノードが、感知ユニット、作動ユニットもしくは感知ユニットまたは作動ユニットのためのインターフェースをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の感知ユニットが、生物学的パラメータを感知するように動作するセンサを含み、感知ユニットが、動作センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心臓リズムモニタ、心拍モニタ、脈拍モニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、睡眠センサ、レム睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１以上の生体分子用センサ、１以上の医薬品または医薬品製剤成分用のセンサ、溶解したガスまたはイオン用センサ、およびｐＨ、イオン強度または浸透圧用センサからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の作動ユニットが、生物学的方法を作動させるように動作するアクチュエータを含み、埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の作動ユニットが、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置からなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
埋め込み型ノードが、身体に埋め込まれ、ゲートウェイノードが、身体に着用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方が、電源ユニットをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
電源ユニットが電池を含み、および、電池に加えて高電圧電源を生成するためにエネルギーを貯蔵するように動作するチャージポンプ回路をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
電源ユニットが、電池を充電するために超音波電源送信機を利用するように動作する無線エネルギー転送ユニットをさらに含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
電源ユニットが、さらに心拍または声の残響からの振動エネルギーを採取するように動作するヒトエネルギー採取ユニットを含み、ヒトエネルギー採取ユニットは、超音波変換器を含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
アクセスポイントノードが、インターネット接続を包含するコンピューティングデバイス上に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
アクセスポイントノードが、超音波通信を送受信するための超音波トランシーバ、および無線周波数通信を送受信するためのラジオ周波数トランシーバの一方または両方を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３３】
生体組織を介して超音波信号を送信するシステムであって、
身体内に埋め込み型ノードの少なくとも第１部分と、身体にウエアラブルなノードの少なくとも第２部分の複数のノードを含むネットワークであって、ノードの各々は、感知ユニットを通って生物学的パラメータを感知するように動作可能であり、または、作動ユニットを通って生物学的方法を作動させるように動作可能な前記ネットワーク；および
埋め込み型ノードのうちの少なくとも１つ、または構成可能ノードを含むウエアラブルなノードのうちの少なくとも１つを含み、構成可能ノードは、
感知ユニットまたは作動ユニットのための感知／作動インターフェースと、
生体組織を介して送信された超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、および
感知ユニットおよび超音波通信インターフェースと通信するコアユニットであって、コアユニットは、センシング／作動インターフェースで接続された感知ユニットまたは作動ユニットのための構成可能ノードを構成するための指示を受信するように動作するプロセッサとメモリとを含む、前記コアユニット
を含む前記システム。
【請求項３４】
プロセッサは、少なくともマイクロコントローラと、通信、処理およびネットワーキングタスクを実行するように動作可能なプログラミング可能な論理デバイスとを含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
マイクロコントローラ・ユニットは、超音波通信を可能にするプロトコルスタックのデータリンク層、ネットワーク層、トランスポート層、およびアプリケーション層のうちの１以上で動作可能である、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
プログラミング可能な論理デバイスが、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
コアユニットが、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、通信インターフェース、感知ユニットまたは作動ユニット、およびメモリ間の通信を制御するためのシリアル周辺機器インターフェース（ＳＰＩ）およびインター集積回路（Ｉ２Ｃ）インターフェースの一方または両方を包含する、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
ＦＰＧＡが、感知ユニットを制御するためにプログラミング可能であって、感知ユニットが、動作センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心臓リズムモニタ、心拍モニタ、脈拍モニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、睡眠センサ、レム睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１以上の生体分子のセンサ、１以上の医薬品または医薬品製剤成分のためのセンサ、溶解したガスまたはイオン用のセンサ、およびｐＨ、イオン強度または浸透圧用のセンサからなる群から選択され;
ここで、ＦＰＧＡは作動ユニットを制御するためにプログラム可能で、作動ユニットは、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置からなる群から選択される、
請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
感知／作動インターフェースが、感知ユニットまたは作動ユニットのドーターボードに接続可能な複数のピンヘッダーを包含するインターフェース回路基板を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４０】
埋め込み型およびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワーク間で信号を超音波送信する方法であって、
少なくとも1つの埋め込み型ノード、それは身体に埋め込まれ、身体にウエアラブルなゲートウェイノード、および空気中のアクセスポイントノードを提供し、ノードの各々は、生体組織を介して、または空気中で超音波信号を送受信するように動作し得る超音波通信インターフェースを含み、少なくとも埋め込み型ノードはさらに感知ユニットまたは作動ユニットを包含し；および
埋め込み型ノードとゲートウェイノード間の、または埋め込み型ノードとアクセスポイントノード間の超音波信号を送信すること、
を含む、前記方法。
【請求項４１】
さらに、ゲートウェイノードまたはアクセスポイントノードから埋め込み型ノードへの指示を超音波で送信し、所望の生物学的パラメータを感知する感知ユニットを構成し、または所望の生物学的方法を作動する作動ユニットを構成し、ここで、指示は、埋め込み型ノードにおいてプログラミング可能な論理デバイスをプログラミングする指示を含む、請求項４０に記載する方法。
【請求項４２】
さらに、埋め込み型ノードへの指示が、遠隔デバイスからアクセスポイントノードによって受信され、アクセスポイントノードはゲートウェイノードへの指示を送信する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
埋め込み型ノードで感知ユニットによって得られたデータをゲートウェイノードへ超音波送信し；
ゲートウェイノードからのデータをアクセスポイントノードへ超音波送信し；
アクセスポイントノードからのデータを遠隔デバイスへ送信し；および
アクセスポイントノードからのデータを遠隔デバイスへインターネットで超音波送信する、
ステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
インターネットを介してアクセスポイントノードで遠隔デバイスからの指示を受信し、作動ユニットを作動することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
ゲートウェイノードとアクセスポイントノード間に無線周波数信号を送信することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、２０１５年１月２６日提出米国仮出願番号62/107,737、名称：Ｕウエア：ウエアラブルデバイス用のソフトウエアの定義付けされた超音波ネットワーキングの35 § 119(e)の下の優先権を主張し、その開示は、参照してここに組み入れられる。
【０００２】
［連邦援助研究開発に関する陳述］
本発明は、国立科学基金から許可番号CNS-1253309の財政支援で開発された。米国政府は、本発明の幾分かの権利を有する。
【０００３】
無線能力を有するウエアラブル医療感知デバイスは、健康情報を獲得し、および処理することによって主要な疾病を予知し、処置することに見込みがある、多くのデジタル健康適用の土台となって来た。既存の無線のウエアラブルデバイスは、ブルートゥース（登録商標）またはＷｉ−Ｆｉなどの規格に基づき、ラジオ周波数処理（ＲＦ）電磁波搬送波を介して接続される。しかしながら、これらの解決法は、ヒトの身体に特有の特徴、プライバシー、および患者のセキュリティ要求に注意を殆んどまたは全く払わずに、従来の無線技術を身体環境に縮小する傾向にある。
【発明の概要】
【０００４】
生物学的パラメータの制御および手順を提供するために、超音波通信プラットフォームを使用する、埋め込み型およびウエアラブル装置のインターネット連動型ネットワークが提供される。より詳細には、１つ以上の埋め込み型ノード、少なくとも１つのゲートウェイノード、および生物学的データの遠隔測定、保存および管理、ならびに生物学的手順の制御およびデバイスの柔軟な構成可能性を提供することができる、少なくとも１つのアクセスポイントノードを包含する、埋め込み型およびウエアラブル生物学的デバイスのネットワーク間で超音波信号を送信するためのシステムおよび方法が提供される。
【０００５】
方法およびシステムのその他の側面は、以下を包含する：
１．  埋め込み可能なおよびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワークの間で超音波信号を送信するためのシステムであって：
感知ユニットまたは作動ユニットと、生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、通信インターフェースと、および感知ユニットまたは作動ユニットと通信するコアユニットとを含む、体内に埋め込み可能な埋め込み型ノードと；
生体組織を介して超音波信号を送受信し、空気を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、前記通信インターフェースと通信するコアユニットとを含む身体にウエアラブルなゲートウェイノードと； および
少なくともゲートウェイノードからの空気を介して送信された超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースを包含するアクセスポイントノードと；
を含む、前記システム。
【０００６】
２．埋め込み型ノードの人体ネットワークをさらに含み、ネットワークの各埋め込み型ノードが、感知ユニットまたは作動ユニット、および生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースを含む、項目１のシステム。
３．第１の埋め込み型ノードが感知ユニットを包含し、第２の埋め込み型ノードが作動ユニットを包含し、第１の埋め込み型ノードと第２の埋め込み型ノードとが超音波通信し、それによって、作動ユニットは、感知ユニットによって得られたデータに応答して作動可能である、項目２のシステム。
４．コアユニットが、感知ユニットまたは作動ユニットを制御する１以上の論理デバイスを含む、項目１〜３のいずれか一項のシステム。
５．１以上の論理デバイスが、小規模集積回路、プログラミング可能な論理アレイ、プログラミング可能な論理デバイス、マスクされたプログラミングされたゲートアレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、ならびに特定アプリケーション向け集積回路を包含する、項目１〜４のシステム。
【０００７】
６．１以上の論理デバイスが、算術論理ブロック、レジスタ、有限ステートマシーン、マルチプレクサ、アキュムレータ、カウンタ、ルックアップテーブルを包含する、項目４〜５のいずれか一項のシステム。
７．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの１または両方のコアユニットが、通信、処理およびネットワーキング・タスクを実行するように動作するマイクロコントローラ・ユニットおよびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む、項目１〜６のいずれか一項のシステム。
８．コアユニットが、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、通信インターフェース、感知ユニットまたは作動ユニット、ならびにメモリ間の通信を制御するためのシリアル周辺機器インターフェース（ＳＰＩ）およびインター集積回路（Ｉ２Ｃ）の１方または両方を包含する、項目７のシステム。
９．マイクロコントローラ・ユニットが、超音波通信を可能にするプロトコルスタックの上部層で動作可能である、項目７〜８のいずれか一項のシステム。
１０．マイクロコントローラ・ユニットが、超音波通信を可能にするプロトコルスタックのデータリンク層、ネットワーク層、トランスポート層、およびアプリケーション層のうちの１以上で動作可能である、項目７〜９のいずれか一項のシステム。
【０００８】
１１．マイクロコントローラ・ユニットが前方誤り訂正を提供するデータリンク層で動作可能である、項目７〜１０のいずれか一項のシステム。
１２．マイクロコントローラ・ユニットが媒体アクセス制御を提供するデータリンク層で動作可能である、項目７〜１１のいずれか一項のシステム。
１３．マイクロコントローラ・ユニットがコンテンツセントリックアドレス指定を提供するネットワーク層で動作可能である、項目７〜１２のいずれか一項のシステム。
１４．マイクロコントローラ・ユニットがＩＰヘッダー圧縮およびＩＰパケットのフラグメント化を提供するネットワーク層で動作可能である、項目７〜１３のいずれか一項のシステム。
１５．マイクロコントローラ・ユニットがリアルタイムオペレーティングシステムを包含する、項目７〜１４のいずれか一項のシステム。
１６．ＦＰＧＡが、超音波通信を可能にするプロトコルスタックの物理層で動作可能である、項目７〜１５のいずれか一項のシステム。
【０００９】
１７．マイクロコントローラからのビットストリームを変調し、通信インターフェースのデジタル−アナログ変換器へ調節されたビットストリームを渡すように動作する、項目７〜１６のいずれか一項のシステム。
１８．ＦＰＧＡが、通信インターフェースからの入力デジタル信号を復調し、入力デジタル信号に同期化及びチャンネル推定信号処理を実行するように動作する、項目７〜１７のいずれか一項のシステム。
１９．ＦＰＧＡが、デジタル信号上の相関、フーリエ変換または逆フーリエ変換、またはフィルタリング操作を行う、項目７〜１６のいずれか一項のシステム。
２０．ＦＰＧＡが、入出力データをバッファするための先入れ先出し方式のメモリキューを包含する、項目７〜１９のいずれか一項のシステム。
２１．ＦＰＧＡが、システムクロックよりも高いかまたは低い周波数でクロック信号を合成するためのフェーズロックループモジュールを包含する、項目７〜２０のいずれか一項のシステム。
２２．ＦＰＧＡが、感知ユニットまたは作動ユニットを制御するためにプログラミング可能である、項目７〜２１のいずれか一項のシステム。
２３．コアユニットが、５ｍｍ２に等しいか、５ｍｍ２より小さい面積を有する、項目７〜２２のいずれか一項のシステム。
２４．コアユニットは、アイドリング時にゼロに等しいかまたは実質的に等しい静的電力消費を有する、項目７〜２３のいずれか一項のシステム。
【００１０】
２５．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の通信インターフェースが、１以上の超音波トランスデューサを含み、および送信機チェーンおよび受信機チェーンが１以上の超音波トランスデューサを通って信号を送信するように動作する、項目１〜２４のいずれか一項のシステム。
２６．送信機チェーンおよび受信機チェーンが、生体組織を介して超音波送信のために結合している、項目２５のシステム。
２７．受信機チェーンが、入力信号を増幅するための低ノイズ増幅器、および入力信号をデジタル信号に変換するためのデジタル−アナログ変換器を包含する、項目２５〜２６のいずれか一項のシステム。
２８．送信機チェーンが、出力信号を増幅する電力増幅器、および出力信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換器を包含する、項目２５〜２７のいずれか一項のシステム。
２９．ゲートウェイノードが、空気を介してアクセスポイントノードと超音波送信するために結合された通信のための、追加の送信機チェーンおよび追加の受信機チェーンを含む、項目２５〜２８のいずれか一項のシステム。
３０．１以上の超音波トランスデューサが、１以上の圧電式または静電式のトランスデューサを含む、項目２５〜２９のいずれか一項のシステム。
【００１１】
３１．１以上の超音波トランスデューサが、微細加工された超音波トランスデューサを含む、項目２５〜３０のいずれか一項のシステム。
３２．通信インターフェースが、ラジオ周波数通信を送受信するために、ラジオ周波数トランシーバを含む、項目１〜３１のいずれか一項のシステム。
３３．ラジオ周波数トランシーバが、ラジオ周波数を短波長範囲に渡って無線で送受信するように動作する、項目３２のシステム。
３４．ラジオ周波数トランシーバが、産業、科学、医療（ＩＳＭ）無線帯域、または医療埋め込み通信サービス（ＭＩＣＳ）帯域の一方または両方において動作する、項目３２〜３３のいずれか一項のシステム。
３５．埋め込み型ノードが、感知ユニットまたは作動ユニットを取り付けるためのインターフェースを含む、項目１〜３４のいずれか一項のシステム。
【００１２】
３６．感知ユニットまたは作動ユニットが、インターフェースに取り外し可能に取り付け可能である、項目３５のシステム。
３７．インターフェースは、複数のピンヘッダーを包含するインターフェース回路基板を含み、感知ユニットまたは作動ユニットは、インターフェース回路基板のピンヘッダーに接続可能なドーターボードを包含する、項目３５のシステム。
３８．ゲートウェイノードが、感知ユニット、作動ユニット、または感知ユニットまたは作動ユニットのためのインターフェースをさらに含む、項目１〜３７のいずれか一項のシステム。
３９．ゲートウェイノードが、感知ユニットまたは作動ユニットのためのインターフェースを包含し、該インターフェースが複数のピンヘッダーを包含するインターフェース回路基板を含み、感知ユニットまたは作動ユニットが、インターフェース基板の複数のピンヘッダーに接続可能なドーターボードを包含する、項目１〜３８のいずれか一項のシステム。
４０．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の感知ユニットが、生物学的パラメータを感知するように動作するセンサを含む、項目１〜４０のいずれか一項のシステム。
【００１３】
４１．感知ユニットが、動作センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心臓リズムモニタ、心拍モニタ、脈拍モニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、睡眠センサ、レム睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１以上の生体分子用センサ、１以上の医薬品または医薬品製剤成分用のセンサ、溶解したガスまたはイオン用センサ、およびｐＨ、イオン強度または浸透圧用センサからなる群から選択される、項目４０のシステム。
【００１４】
４２．１以上の生体分子用センサが、１以上のペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド、蛋白質、糖蛋白質、抗体、抗原、核酸、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、糖、二糖類、三糖類、オリゴ糖類、多糖類、脂質、糖脂質、蛋白脂質、サイトカイン、ホルモン、神経伝達物質、代謝産物、グリコサミノグリカンおよびプロテオグリカンを含む、項目４１のシステム。
【００１５】
４３．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方が、生物学的方法を作動するように動作するアクチュエータを含む、項目１〜４２のいずれか一項のシステム。
４４．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方の作動ユニットが、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置からなる群から選択される、項目４３のシステム。
４５．埋め込み型ノードが、身体に埋め込まれる、項目１〜４４のいずれか一項のシステム。
４６．ゲートウェイノードが身体に着用される、項目１〜４５のいずれか一項のシステム。
４７．埋め込み型ノードおよびゲートウェイノードの一方または両方が、電源ユニットをさらに含む、項目１〜４６のいずれか一項のシステム。
【００１６】
４８．電源ユニットが少なくとも１．５Ｖの名目電圧にて動作する、項目４７のシステム。
４９．電源ユニットが電池を含む、項目４７または４８のシステム。
５０．電池に加えて、高電圧電源を生成するためにエネルギーを貯蔵するように動作するチャージポンプ回路をさらに含む、項目４９のシステム。
５１．電源ユニットが、電池を充電するために超音波電源送信を利用するように動作する無線エネルギー転送ユニットをさらに含む、項目４９〜５０のいずれかのシステム。
５２．  電源ユニットが、さらに心拍または声の残響からの振動エネルギーを採取するように動作するヒトエネルギー採取ユニットを含み、ヒトエネルギー採取ユニットは、超音波トランスデューサを含む、項目４７〜５１のいずれか一項のシステム。
５３．アクセスポイントノードが、インターネット接続を包含するコンピューティングデバイス上に配置される、項目１〜５２のいずれか一項のシステム。
５４．コンピューティングデバイスが、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、デスクトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ、スマートウォッチ、スマートグラス、またはスマートクロスを含む、項目５３のシステム。
【００１７】
５５．コンピューティングデバイスが、有線または無線のインターネット接続を包含する、項目５３または５４のシステム。
５６．アクセスポイントノードが、ゲートウェイノードからの超音波通信、またはラジオ周波数無線通信を受信するために十分なゲートウェイの範囲内の空気中に配置される、項目１〜５５のいずれか一項のシステム。
５７．アクセスポイントノードが、超音波通信を送受信するための超音波トランシーバ、およびラジオ周波数通信を送受信するためのラジオ周波数トランシーバの一方または両方を含む、項目１〜５６のいずれか一項のシステム。
５８．アクセスポイントノードが、空気中超音波通信を送受信するための超音波トランシーバを含む、項目１〜５７のいずれか一項のシステム。
５９．アクセスポイントノードが、ゲートウェイノードおよび埋め込み型ノードの一方または両方からの信号を受信し、受信信号をインターネットに接続する外部デバイスにさらに送信するように動作する、項目１〜５８のいずれか一項のシステム。
６０．さらなる外部デバイスが、コンピューティングデバイス、サーバー、または記憶装置を含む、項目５９のシステム。
【００１８】
６１．アクセスポイントノードが、インターネットに接続するさらなる外部デバイスからの指示を受信し、受信された指示をゲートウェイノードおよび埋め込み可能なノードの一方または両方に送信するように動作する、項目１〜６０のいずれか一項のシステム。
６２．埋め込み可能なノードが、インターネットを通じて遠隔デバイスからアクセスポイントノードにて受信された指示によって構成可能または作動可能である、項目１〜６１のいずれか一項のシステム。
６３．埋め込み可能なおよびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワークが、身体に埋め込み可能である複数の埋め込み可能なノードを含み、埋め込み可能なノードの各々が感知ユニットまたは作動ユニット、生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェース、および通信インターフェースおよび感知ユニットまたは作動ユニットと通信するコアユニットを含む、項目１〜６２のいずれか一項のシステム。
６４．埋め込み可能なおよびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワークが、身体にウエアラブルな複数のゲートウェイノードを含み、ゲートウェイノードの各々が、感知ユニットまたは作動ユニット、生体組織を介して超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェース、および通信インターフェースおよび感知ユニットまたは作動ユニットと通信するコアユニットを含む、項目１〜６３のいずれか一項のシステム。
【００１９】
６５．生体組織を介して超音波信号を送信するシステムであって、
身体内に埋め込み可能なノードの少なくとも第１部分と、身体にウエアラブルなノードの少なくとも第２部分の複数のノードを含むネットワークであって、ノードの各々は、感知ユニットを通って生物学的パラメータを感知するように動作可能であり、または、作動ユニットを通って生物学的方法を作動させるように動作可能である前記ネットワーク；および
埋め込み可能なノードのうちの少なくとも１つ、または構成可能ノードを含むウエアラブルなノードのうちの少なくとも１つを含み、構成可能ノードは、
感知ユニットまたは作動ユニットのための感知／作動インターフェースと、
生体組織を介して送信された超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースと、および
感知ユニットおよび超音波通信インターフェースと通信するコアユニットであって、コアユニットは、感知／作動インターフェースで接続された感知ユニットまたは作動ユニットのための構成可能なノードを構成するための指示を受信するように動作するプロセッサとメモリとを含む、
を含む前記システム。
【００２０】
６６．プロセッサは、少なくともマイクロコントローラと、通信、処理およびネットワーキングタスクを実行するように動作するプログラミング可能な論理デバイスとを含む、項目６５のシステム。
６７．マイクロコントローラ・ユニットが、超音波通信を可能にするためのプロトコルスタックの上位層で動作する、項目６７のシステム。
６８．マイクロコントローラ・ユニットは、超音波通信を可能にするプロトコルスタックのデータリンク層、ネットワーク層、トランスポート層、およびアプリケーション層のうちの１以上で動作する、項目６６または６７のシステム。
６９．プログラミング可能な論理デバイスが、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む、項目６６〜６８のいずれか一項のシステム。
【００２１】
７０．コアユニットが、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、通信インターフェース、感知ユニットまたは作動ユニット、およびメモリ間の通信を制御するためのシリアル周辺機器インターフェース（ＳＰＩ）およびインター集積回路（Ｉ２Ｃ）インターフェースの一方または両方を包含する、項目６９のシステム。
７１．ＦＰＧＡが、超音波通信を可能にするプロトコルスタックの物理層で動作する、項目６９または７０のシステム。
７２．ＦＰＧＡが、感知ユニットを制御するためにプログラミング可能であって、感知ユニットは、動作センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心臓リズムモニタ、心拍モニタ、脈拍モニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、睡眠センサ、レム睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１以上の生体分子のセンサ、１以上の薬剤または薬剤製剤成分のためのセンサ、溶解したガスまたはイオン用のセンサ、およびｐＨ、イオン強度または浸透圧用のセンサからなる群から選択される、項目６９〜７１のいずれか一項のシステム。
７３．１以上の生体分子用センサが、１以上のペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド、蛋白質、糖蛋白質、抗体、抗原、核酸、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、糖、二糖類、三糖類、オリゴ糖類、多糖類、脂質、糖脂質、蛋白脂質、サイトカイン、ホルモン、神経伝達物質、代謝産物、グリコサミノグリカンおよびプロテオグリカンを含む、項目７２のシステム。
【００２２】
７４．ＦＰＧＡが、作動ユニットを制御するためにプログラミング可能で、作動ユニットは、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置からなる群から選択される、項目６９〜７３のいずれか一項のシステム。
７５．感知／作動インターフェースが、感知ユニットまたは作動ユニットのドーター基板に接続可能な複数のピンヘッダーを包含するインターフェース回路基板を含む、項目６５〜７４のいずれか一項のシステム。
７６．インターフェースに着脱可能に取り付けられた感知ユニットまたは作動ユニットをさらに含む、項目７５のシステム。
７７．構成可能のノードが、電源ユニットをさらに包含する、項目６５〜７６のいずれか一項のシステム。
【００２３】
７８．埋め込み可能なおよびウエアラブルな生物学的デバイスのネットワーク間で信号を超音波送信する方法であって、
少なくとも1つの埋め込み可能なノード、それは身体に埋め込まれ、身体にウエアラブルなゲートウェイノード、および空気中のアクセスポイントノードを提供し、ノードの各々は、生体組織を介して、または空気中で超音波信号を送受信するように動作する超音波通信インターフェースを含み、少なくとも埋め込み可能なノードはさらに感知ユニットまたは作動ユニットを包含し；および
埋め込み可能なノードとゲートウェイノード間の、または埋め込み可能なノードとアクセスポイントノード間の超音波信号を送信すること、
を含む、前記方法。
７９．さらに、ゲートウェイノードまたはアクセスポイントノードから埋め込み可能なノードへの指示を超音波で送信し、所望の生物学的パラメータを感知する感知ユニットを構成し、または所望の生物学的手順を作動する作動ユニットを構成し、ここで、指示は、埋め込み可能なノードにおいてプログラミング可能な論理デバイスをプログラミングする指示を含む、項目７８の方法。
【００２４】
８０．さらに、埋め込み可能なノードへの指示が、遠隔デバイスからアクセスポイントノードによって受信され、アクセスポイントノードはゲートウェイノードへの指示を送信する、項目７９の方法。
８１．指示が、インターネットに接続された遠隔デバイスからの送信からアクセスポイントノードによって受信される、項目８０の方法。
８２．アクセスポイントノードから埋め込み型ノードへの指示を超音波的に送信し、所望の生物学的パラメータを感知する感知ユニットを構成し、または所望の生物学的手順を作動する作動ユニットを構成することを含み、ここで、指示は、埋め込み可能なノードにおいてプログラミング可能な論理デバイスをプログラミングする指示を含む、項目７８〜８１のいずれか一項の方法。
８３．指示が、インターネットに接続された遠隔デバイスからの送信からアクセスポイントノードによって受信される、項目８２の方法。
８４．埋め込み型ノードにおいて感知ユニットによって得られたデータを超音波でゲートウェイノードに送信することをさらに含む、項目７８〜８３のいずれか一項のシステム。
【００２５】
８５．ゲートウェイノードからのデータをアクセスポイントノードへ超音波送信することをさらに含む、項目８４の方法。
８６．アクセスポイントノードからのデータを遠隔デバイスへ超音波送信することをさらに含む、項目８５の方法。
８７．アクセスポイントノードからのデータをインターネットを通じて遠隔デバイスへ送信することを含む、項目８５〜８６のいずれかの方法。
８８．遠隔デバイスが、コンピューティングデバイス、サーバー、または記憶装置を含む、項目８６〜８７のいずれかの方法。
８９．アクセスポイントノードで遠隔デバイスからの作動ユニットを作動する指示を受信することをさらに含む、項目７８〜８８のいずれかの方法。
【００２６】
９０．インターネットを通じて遠隔デバイスから指示を受信することをさらに含む、項目８９の方法。
９１．ゲートウェイノードとアクセスポイントノード間のラジオ周波数信号を送信することをさらに含む、項目７８〜９０のいずれかの方法。
９２．アクセスポイントノードからゲートウェイノードへの指示を送信し、およびゲートウェイノードから埋め込み可能なノードへの指示を送信することをさらに含む、項目７８〜９１のいずれかの方法。
９３．埋め込み可能なノードで感知ユニットによって得られたデータを、身体に埋め込まれたさらなる埋め込み可能なノードに送信することを含み、および得られたデータに応答して作動ユニットを作動させる作動ユニットを含む、項目７８〜９２のいずれかの方法。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明は、以下の添付図面と併せて捉えられる以下の詳細の説明からより十分に理解されるであろう。
【図１】図１は、ウエアラブルなデバイス間のデータの超音波送信のための超音波通信システムの略図である。
【図２】図２は、超音波通信システムのネットワークのフレームワークの概略ブロック図である。
【図３】図３は、超音波通信システムのハードウエア態様の概略ブロック図である。
【図４】図４は、超音波通信システムのプロトタイプの図である。
【図５】図５は、超音波通信システムのソフトウエアのアーキテクチャ態様の概略ブロック図である。
【図６】図６は、超音波通信システムを使用した、心拍数およびＲＲ間隔モニタ（上）および足踏みおよびＧＤＴモニタ（下）のプリミティブブロックの略図である。
【図７】図７は、超音波通信システムのソフトウエアのアーキテクチャの態様の概略ブロック図である。
【図８】図８は、物理層（左）、ＭＡＣ層（中央）およびアプリケーション層（右）のための図式的なユーザー・インターフェースの態様の略図である。
【図９】図９は、視野のニアライン（ｎＬＯＳ）実験セットアップの態様の略図である。
【００２８】
【図１０】図１０は、視野ライン（ＬＯＳ）（上）のための超音波空中ＣＩＲ、胸部-手ｎＬＯＳ（中央）および脚部-手ｎＬＯＳ（下）のグラフである。
【図１１】図１１は、異なる符号化率に対する信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の関数としてのＬＯＳにおけるダウンリンク（上）およびアップリンク（下）のビットエラー率（ＢＥＲ）のグラフである。
【図１２】図１２は、異なる符号化率に対するＳＮＲの関数としての胸部−手（上）および脚部−手のアップリンクのＢＥＲのグラフである。
【図１３】図１３は、異なるレベルのＳＮＲおよび符号化率（上）に対するノード数の関数としての、および非適応および適応シナリオに対するＳＮＲの関数としてのポーリングデータ配信遅延のグラフである。
【図１４】図１４は、ポーリングと比較した、異なるＢｍａｘに対するノード数の関数としてのＡＬＯＨＡデータ配信遅延のグラフである。
【図１５】図１５は、複数の埋め込み型ノードがインターネットに接続されるシステム構成の概略図である。
【図１６】図１６は、埋め込み型ノードのハードウエアアーキテクチャの概略図である。
【図１７】図１７は、埋め込み型ノードのネットワーキングフレームワークの概要の概略図である。
【図１８】図１８は、埋め込み可能なノードのソフトウエアアーキテクチャの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
発明の詳細な説明
超音波通信システムおよび方法が、人体に埋め込み可能なデバイスおよびウエアラブルなデバイスのネットワークを相互接続するために提供され、医療分野のＩｏＴ（ＩｏＭＴ）能力を提供し、およびデバイスのコンフィギュアビリティを増大する。
【００３０】
医療分野のＩｏＴ（ＩｏＭＴ）プラットフォームは、埋め込み可能なセンサによって測定される患者の生物学的パラメータのクラウド上の遠隔測定、記憶、管理、および刺激装置、注入およびペーシング装置などの患者の身体に配置される作動装置の遠隔制御を可能にし、ならびに閉鎖ループフィードバック・アプリケーションができるようにする。遠隔測定法を介してそのプラットフォームは、患者の生命に関する、種々の埋め込み可能なセンサによって測定されるような生物学的パラメータを測定し、記憶し、ならびに身体外へ送達することを可能にし、それはまた、刺激装置、ペーサー、ならびに薬物ポンプを包含する、患者の身体に埋め込まれる作動装置の体外からの遠隔制御を可能にし得る。さらに、超音波ＩｏＭＴプラットフォームは、全くの身体間通信リンクを介して埋め込みから埋め込みへの相互作用を支援し得る。これは、アクチュエータが身体の何処かに埋め込まれたセンサによって捕捉された生理学的データに基づく作用（刺激等）を実行する、閉鎖ループアプリケーションを可能にし得る。
【００３１】
いくつかの態様において、システムは、身体に埋め込み可能な複数のノードの人体ネットワークを包含し得る。各ノードは、１以上のセンサ、および／または１以上のアクチュエータを包含する埋め込み可能なデバイスを含む。埋め込み可能なノードは、１以上のゲートウェイノードと超音波を介して通信し得、各々は、患者の身体に沿って配置された超音波デバイスを含む。ゲートウエイノードは、人体ネットワークからアクセスポイントノードへの通信を可能にし、各々は、超音波を介して、またはラジオ周波数ベースの技術を介して超音波デバイスを含む。アクセスポイントノードは、インターネットなどの外部ネットワークにシステムを接続し、例えば、ゲートウェイおよび埋め込み可能なノードの遠隔監視、ゲートウェイおよび埋め込み可能なノードの制御、ならびに遠隔サーバー上のデータのクラウドストレージを可能にする。埋め込み可能なノードは、また、必要とされるアクセスポイントノードと直接に通信し得る。
【００３２】
１．埋め込み可能なおよびウエアラブルなデバイスのための超音波通信システム
上に言及した通り、通信システムは、埋め込み可能なおよびウエアラブルなデバイス間の通信のために、ラジオ周波数通信の代わりに、またはいくつかの態様においてはそれを伴って、超音波通信を採用する。ラジオ周波数技術には、埋め込み可能なおよびウエアラブルなデバイスにするようにされる場合、多くの制限がある。まず、ＲＦ周波数スペクトルは、互いに邪魔する多くのデバイスと、まれに、厳しく制限されて、およびすでに一杯である。したがって、ＲＦ−ベースの技術は、ウエアラブルなネットワークの信頼性およびセキュリティ、究極的には患者の安全性を意図せずむしばみ得る、既存のＲＦ通信システムからの潜在的な干渉に関する深刻な懸念を上げる。また、ＲＦ通信は、容易に故障し得、すなわち、人為的に生成された干渉によって意図的に中断されたり、悪意のあるエージェントによって盗聴されたりする。
【００３３】
これは、ウエアラブルなネットワークの主要なプライバシーおよびセキュリティの懸念、および患者のリスクを上げる。加えて、医学界は、未だヒトの組織が連続してＲＦ放射に曝露することによって引き起こされるリスクに対して意見が分かれる。したがって、ＲＦウエアラブルデバイスの身体への大量の配置は、患者に対して潜在的なリスクを意味し得る。さらに、ヒトの身体の誘電的特質は、また、身体上のアンテナと身体自体との間の結合に影響を及ぼす。特に、アンテナのゲインおよび放射パターンは、ヒトの身体との接触または近傍の故に悪化するが、アンテナの共振周波数および入力インピーダンスは、それらの公称値からシフトし得る。
【００３４】
本件システム、および方法は、超音波を採用し、それはヒトの聴取のための上部閾値（通常２０ｋＨｚ）よりも高い周波数を有する音波である。本願の超音波通信システムは、ＲＦ通信に基づく従来のネットワーキングのフレームワークに対していくつかの利点を有する。該システムは、いかなる既存のＲＦ通信システムおよび過密な環境との潜在的な衝突を回避する。超音波周波数スペクトルは、現在、無秩序で、超音波スペクトル割り当てに関して該システムに高い柔軟性を付与する。該システムは、ノードが、占有周波数を、許容可能な同一チャンネル干渉の最大レベル、最大許容チャンネルマルチパスおよび当該チャンネルにおけるドップラー拡散、およびアプリケーション層で必要とされる最小データレートなどの特定の要件に柔軟に適合することを可能にする。ＲＦ波に比べて、超音波は、固体材料に容易に浸透せず、空気中で遠くまで伝播せず、したがって、超音波通信システムは、近接を要求する盗聴および干渉攻撃に関して、本質的により安全である。
【００３５】
過去数十年の医学的経験は、組織内の音響力拡散が予め定められた安全レベルに制限される限り、超音波が基本的に安全であることを示している。超音波トランスデューサを有するウエアラブルなデバイスを装着することによって、本願システムは、無線電池充電機能を可能にする超音波電力送信スキームを実装し得る。オンボードの超音波トランスデューサは、また、音響的局所化とトラッキング機能を可能にするように使用され得、それは、空気中の音の伝播速度が遅いことに起因して、ＲＦベースのシステムよりも良好な精度を有する。音の低い伝播速度は、マルチパス間の伝播速度における高い相違の故に、ＲＦ波に関して強いマルチパスが存在していても検出を容易にする。
【００３６】
該システムは、超音波人体ネットワークとインターフェースされ得、身体間センサと外界との橋として作用し得る。ソフトウエアで定義されたフレームワークは、汎用ハードウエアを実行し得る。こうして、それは、スマートフォン、ラップトップ、およびスマートＴＶなどの商用デバイスを可能にし得、商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）スピーカーおよびマイクロフォンを用いて、近超音波域、すなわち１５または１７ｋＨｚ〜２０または２２ｋＨｚの超音波においてウエアラブルなデバイスで通信し得る。ソフトウエアで定義された超音波ネットワーキング機能は、再構成され得、アプリケーション要求に適合され、ブルートゥース（登録商標）またはＷｉＦｉなどのハードウエアによりもっぱら実行される従来のＲＦベースのネットワーキングシステムに関してより柔軟性を提供する。
【００３７】
該システムは、プロトコルスタックの異なる層、すなわち物理（ＰＨＹ）、データリンク、ネットワークおよびアプリケーション層においてリアルタイム再構成の可能性を提供する、超音波ウエアラブルデバイスをネットワーク化するために調整されたソフトウエア定義の一連のクロスレイヤー機能を包含する。より具体的には、該システムは、超音波ウエアラブル装置間の情報を最適にネットワーク化するために、アプリケーションおよびシステム要件に柔軟に適応できる一連のＰＨＹ、データリンクおよびネットワーク機能を包囲する。該システムはまた、医療アプリケーションを開発するための柔軟なプラットフォームを提供するために、アプリケーション層でリアルタイムの再構成を提供する。特に、該システムは、ユーザーの要求に適合するように新しい感知アプリケーションを作成するために任意に構成し得る基本ビルディングブロックに分解し得る、ネットワークのノードで実行するセンサデータ処理アプリケーションを包含する。
【００３８】
システムおよび方法の態様は、空気中の超音波の伝播特性によってもたらされる制限を克服するために、プロトコルスタックの異なる層での観点を採用する。例えば、２つのシグナリング方式（ＧＭＳＫおよび直交周波数分割多重性（ＯＦＤＭ）、以下でさらに説明する）は、その高い周波数利用性およびマルチパスに対する復元力のために、適切に使用し得る。マルチパスまたはドップラー効果による影響を強く受けるチャンネルのために、２つの異なる同期化モードを代替的かつ好適に使用し得る。上層のプロトコルと機能は、正確なタイミングを妨げ得る空気中の超音波の長い伝播遅延によって引き起こされる課題に対処するために選択し得る。
【００３９】
２．超音波身体間および空気中通信
超音波は、ヒトの聴取の上限、すなわち２０ｋＨｚを上回る周波数にて弾性媒体を介して伝播する機械的圧力波である。
【００４０】
減衰
２つの主機構は、組織の超音波減衰、すなわち吸収と拡散に貢献する。初期圧力Ｐ０は、距離ｄで低下する
Ｐ（ｄ）＝Ｐ０ｅ−αｄ
式中、α（［Ｎｐ・ｃｍ−１］）は、超音波からのエネルギーの散逸を起こす効果のすべてを捕捉する増幅減衰係数である。パラメータαはα＝ａｆｂを介して搬送波周波数に依存し、ここで、ｆはＭＨｚの搬送波周波数を表わし、ａ（［Ｎｐｍ−１  ＭＨｚ−ｂ］における）およびｂは、組織を特徴付ける減衰パラメータである。
【００４１】
２つの機構は、主に、空気中の音響的減衰、すなわち、拡散損失および吸収損失に貢献する。前者は球状の拡散を包含し、すなわち音圧が、球の表面積に比例して低下する。後者は主に、音波の大気の気体分子との相互作用によって引き起こされる、大気吸収に関連し、周波数、温度および湿度に依存する。
送信距離ｄ［ｍ］に渡る周波数ｆ［Ｈｚ］における信号に対して、減衰は［ｄＢ］で
ＡｄＢ＝２０ｌｏｇ１０（ｄ）＋ｄ  α（ｆ）
で表され、ここで、α（ｆ）［ｄＢ／ｍ］は吸収係数であり、周波数とともに二次的に増加するが、しかしまた周囲大気圧、温度、およびモル濃度または水蒸気、すなわち湿度に依存する。
【００４２】
伝播速度
超音波伝播は、ＲＦよりも高い振幅オーダーである、伝播遅延によって影響される。生体組織中の音波の伝播速度は、ＲＦ波に対して２×１０８ｍ／ｓに比べて、約１５００ｍ／ｓである。
空気中の音波の伝播速度は、ＲＦ電磁波に対して３×１０８ｍ／ｓに比べて、２０℃の温度、１０１．３２５ｋＰａの大気圧において約３４３ｍ／ｓである。空気中の音速は、０℃の温度および１０％相対湿度において３３１ｍ／ｓから３０℃の温度、９０％の相対湿度において３５１ｍ／ｓまで温度と湿度で増大する。
【００４３】
オペレーティング周波数
オペレーティング周波数を決定する際の考察は、（ｉ）減衰係数の周波数依存性、および（ｉｉ）超音波トランスデューサのビーム拡散の周波数依存性（それは、放射面積の直径と波長の比に逆比例する）である。したがって、高周波数は、トランスデューサの大きさを小さく保つのを助けるが、高い信号減衰をもたらす。ほとんどの生物医学的感知アプリケーションは、方向性のトランスデューサを要するので、小さいサイズのトランスデューサおよび求められる信号帯域幅と適合する最も低い可能な周波数において動作する必要がある。数ｃｍオーダーの伝播速度に対してオペレレーション周波数は１０ＭＨｚを超えるべきではない。
【００４４】
ドップラー拡散
ドップラー拡散は、ソースと受信機間の相対動作によって起こされるドップラーシフトの結果として起こり、それらの相対速度に比例する。ドップラー拡散は、信号に２つの異なる効果を生成し：単純周波数移動、および記号間干渉（ＩＳＩ）を生成する周波数の連続拡散であり、こうして通信性能の低下を起こす。音速は、電磁波の速度より数オーダー低いので、もたらされるドップラー効果は、比較的低速でさえも重大である。
【００４５】
反射と散乱
ヒトの身体は、異なるサイズ、密度、ならびに音速の、異なる器官および組織からなる。したがって、反射器と散乱器の広がる存在の環境としてモデル化され得る。反射波の方向と大きさは、境界面の方向性と組織の音的インピーダンスに依存し、一方で、音波がその波長に関して比較的小さい対象または不定形の表面を有する組織と遭遇するとき、散乱反射は起こる。結果的に、受信信号は、送信信号の多くの減衰した、場合によってゆがんだ、および遅延したバージョンの総和として得られる。
【００４６】
身体上の超音波チャンネルは、空気と人体間、空気と身体上のおよび身体近傍の対象物間のいくつかのインターフェースからなる。この不均一なパターンのために、身体上チャンネルは、反射器と散乱器の蔓延する存在の環境としてモデル化され得る。反射波の方向と大きさは、境界面の方向性と関与する異なる媒体の音的インピーダンスに依存する。音波がその波長に関して比較的小さい対象または不定形の表面を有する組織と遭遇するとき、散乱反射は起こる（音のインピーダンスは、媒体ｐの密度と媒体ｃ中の音速との積として定義される）。結果的に、受信信号は、送信された信号の多くの減衰した、場合によってゆがんだ、および遅延したバージョンの総和として得られる。
【００４７】
超音波トランスデューサ
超音波トランスデューサは、電気信号を超音波信号に、およびその逆に変換する装置である。超音波トランスデューサは、変換を可能にする物理機構に基づいて２つのメインクラス、すなわち、圧電式、および帯電式トランスデューサに分類され得る。圧電式トランスデューサは、外的電圧変動下で薄い圧電素子を介して機械振動を生成し、および外部機械振動下の電圧変動を生成する。帯電式トランスデューサは、基本的機構は、帯電力下の薄板の振動である。
【００４８】
音が２つの材料間のインターフェースを通過するとき、一部は送信され、一部は反射される。トランスデューサによって放射される音エネルギーを最大にするために、放射面の音のインピーダンスは、伝播媒体の音のインピーダンスと合致すべきである。今日、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術が顕微鏡的圧電式および帯電式トランスデューサの製作、すなわち、いわゆる微細機械加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を可能にした。ＭＵＴで、音のインピーダンスは、デバイスの大きさを操作することによって、外部媒体と合致するように制御され得る。この特徴は、ＭＵＴを空気結合アプリケーションに好適にする。
【００４９】
超音波通信のオペレーティング周波数が近超音波周波数範囲、すなわち、１５〜１７ｋＨｚから２０〜２２ｋＨｚに納まるとき、音波はマイクやスピーカーなどのコンポーネントを使用して記録され、生成され得、それは、商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）コンポーネントであり得る。ＣＯＴＳコンポーネントが低周波数、すなわち０〜１７ｋＨｚで動作するようにしばしばデザインされていても、それらは、低効率的に近超音波周波数波であっても、感知し、生成し得る。多くの商用デバイス、とりわけスマートフォン、タブレット、およびラップトップなどがオーディオインターフェースを搭載しているので、それらは、いくつかの態様において、追加のハードウエアなしに近超音波通信を支援し得る。
【００５０】
３．システムアーキテクチャ
システムは、一連のソフトウエアの定義されたマルチレイヤー機能を含み、それは、とりわけマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはＦＰＧＡなどの汎用の処理ユニット上で実装され得、空気中超音波接続性、すなわち、空気結合の超音波トランスデューサ、および感知能力、すなわちセンサを搭載したウエアラブルなデバイス間のネットワーク操作を可能にする。
【００５１】
図２は、フレームワークアーキテクチャの概観の態様を示し、および図３は、ハードウエア・アーキテクチャの態様を示す。システムは、処理ユニット４０を実行し、それはハードウエア特定システムアプリケーション・プログラミング・インターフェース（ＡＰＩ）４４を介してハードウエア  アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）およびデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）４２にアクセスし得る。送信チェーン（Ｔｘ）において、ＤＡＣ４２ａは、デジタル出力を収集し、デジタル−アナログ変換する、すなわち、処理ユニットによって作られた波形がこれらを通信ユニット４６へ渡す前に、送信される。受信（Ｒｘ）チェーンにおいて、ＡＤＣ４２ｂは、通信ユニット４６から来る受信波形をアナログ−デジタル変換し、処理ユニットへ渡す。
【００５２】
通信ユニットは、超音波トランシーバ、例えば超音波トランスデューサ４８および増幅ステージ、すなわちＲｘチェーンにおける予備増幅器５２およびＴｘチェーンにおける電力増幅器５４を包含する。処理ユニットは、また感知ユニット５６から来るアナログ−デジタル変換データを収集する。処理ユニットにおける通信フレームワークは、（ｉ）物理層（ＰＨＹ）機能、例えば変調および同期化、（ｉｉ）前方誤り制御または媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルを包含するデータリンク層機能、（ｉｉｉ）ネットワーク層機能、例えばＩＰｖ４およびＩＰｖ６サポート、およびコンテンツセントリックネットワーキング、（ｉｖ）アプリケーション層機能、すなわち再構成可能な感知データ処理およびユーザーインターフェースを含む。
【００５３】
３．１物理層
通信フレームワークＰＨＹ層は、信号化スキーム、チャンネル推定、等化、同期化、ならびに前方誤り訂正（ＦＥＣ）機能を定義する。
３．１．１信号化スキーム
いくつかの態様において、フレームワークは、２つの完全機能の信号化スキーム、ガウス最小偏移変調（ＧＭＳＫ）に基づく狭帯域スキーム、および直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）に基づく広帯域スキームを採用し得る。さらに、フレームワークは、ソフトウエアにより定義されたプリミティブブロック、例えば、とりわけプログラミング可能なフィルター、および高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュールであり、追加の信号化スキームを実装するために使用し得る。
【００５４】
狭帯域ＧＭＳＫ
ＧＭＳＫは、ＧＭＳセルシステムに使用される連続位相変調（ＣＰＭ）である。周波数偏移変調（ＦＳＫ）および位相周波数偏移変調（ＰＳＫ）において、情報は、搬送波周波数または搬送波位相のそれぞれの変化において符号化される。周波数および位相の切り替えは、即座に起こるので、ＦＳＫおよびＰＳＫ信号は、連続相を有さない。位相不連続性は、帯域外電力を発生させて、低い周波数利用効率に導く。その上に、ＣＯＴＳスピーカーおよびマイクに基づく近超音波送信において、帯域外電力は、可聴騒音（カチッという音）を取り込み、それはヒトに通信を知覚可能にする。
【００５５】
ＧＭＳＫはその代わりに位相連続性を有し、各記号は初期値から最終値まで記号の持続期間、すなわち位相軌跡に渡る位相変化で表される。こうして、各記号の初期位相は、全ての前の記号の累積総位相変化によって決定される、すなわち位相メモリがある。ガウシアンフィルターは、位相軌跡を円滑化し、周波数利用性を改善するために使用される。信号バンド幅Ｂと記号時間Ｔの間の積は、スキームの周波数利用効率の基準である。より低いＢＴ積は、より高い周波数利用効率を導くが、記号間干渉（ＩＳＩ）を増加させる。これらの特徴に基づいて、ＧＭＳＫは、近超音波周波数範囲における狭帯域通信のための好適な信号化スキームであり、それは例えばＣＯＴＳスピーカーおよびマイクを使用し得る。その位相連続性のために、ＧＭＳＫはクリック音のない送信を可能にし、それは、周波数シフトキー（ＦＳＫ）および位相シフトキー（ＰＳＫ）などの不連続位相変調に対して有利になり得る。
【００５６】
広帯域ＯＦＤＭ
ＯＦＤＭは、長い遅延拡散を有する周波数選択性チャンネルに対してロバスト性を提供する。ＯＦＤＭの原理は、大量の間隔の狭い直交するサブ搬送波を、各サブ搬送波に対してチャンネルが平坦フェージングに付されるように、使用することである。各搬送波において、Ｍ−ＰＳＫおよびＭ−直交振幅変調（ＱＡＭ）など従来の変調スキームが使用され得る。ＯＦＤＭは、狭帯域共チャンネル干渉、記号間干渉（ＩＳＩ）、ならびにマルチパスフェージング効果に対して高い周波数利用効率とロバスト性を提供する。これらの特徴は、ＯＦＤＭを広帯域トランスデューサに基づく超音波通信に好適にする。
【００５７】
３．１．２同期化
通信フレームワークにおける同期化は、２ステップで達成され得る。まず、エネルギー収集アプローチは、任意の受信パケット、すなわち粗い同期化を同定する。一旦パケットが検出されると、受信機がまさに始点を同定する微細な同期化動作を実行する。微細な同期化は、受信信号をプレアンブルの局所コピー、すなわち各パケットに先立つシーケンス、それはパケットの始めのサンプルに対応するピークを出力する、と相関させることによって達成される。
２つの同期化モードは、本通信フレームワークに好適に使用され得る。
【００５８】
ＰＮ−シーケンス・モード
疑似ノイズ・シーケンス・モードは、プレアンブルとしてＰＮ−シーケンス、すなわち、決定論的に生成され得る、シャープな自己相関ピークおよび低い相互相関ピークを有する２進シーケンスを使用する。一態様において、最長シーケンス（ＭＬＳ）、ＰＮ−シーケンスの特定のファミリーが使用される。ＭＬＳは、線状フィードバックシフト登録（ＬＦＳＲ）を介してソフトウエアとハードウエアで作られ得る。所望の相関する特徴のために、ＰＮ−シーケンスは、体内および空気中の超音波通信におけるように、マルチパスに対して強い復元力を可能にするために好適である。
【００５９】
チャープベース・モード
チャープベース・モードは、チャープ信号をプレアンブル、すなわち、ある時間Ｔ内に初期周波数ｆ０から最終周波数ｆ１まで周波数が変化する正弦波形として使用する。チャープ信号は、ドップラー効果に対する良好な自己相関およびロバスト性を提供する。周波数シフトしたチャープは、低い振幅と時間シフトしたピークを有するが、元のチャープと良く相関する。この特徴は、チャープの同期化を厳しいドップラー効果条件下、例えば性能監視のための競技者によって着用された迅速な動きセンサノードの超音波空気中通信に対して所望どおりにする。ドップラーロバスト性のコストは、マルチパス効果に低い復元力をもたらすＰＮ−シーケンスに比べて、より高い相互相関ピークである。
【００６０】
３．１．３  チャンネル推定および等化
上記の超音波空気中通信は、マルチパスおよびドップラー拡散によって強く影響され、受信機におけるビット回復操作を損なう周波数選択性および記号間干渉（ＩＳＩ）を招く。本フレームワークは、チャンネルインパルス応答（ＣＩＲ）を推定し、チャンネルによって生じる歪みを緩和するために、チャンネル推定および等化機能を実装する。
【００６１】
チャンネル推定
通信システムは、送信されたパケットにおいて先験的に知られているトレーニングシーケンスの存在を必要とするトレーニングベースのチャンネル推定アプローチを利用することができる。特に、システムは、２．１．２節で記した同期化プレアンブルシーケンスの良好な自己相関特性を利用してＣＩＲを推定する。チャンネルの出力、すなわち受信信号を、入力、すなわち既知のプレアンブルシーケンスと相関させることによって、時間領域ＣＩＲの推定が得られ得る。
【００６２】
ゼロフォーシング等化
本システムは、チャンネルによって生成されるＩＳＩ信号歪みを最小限に抑えることを目的とする線形等化技術、ゼロフォーシング（ＺＦ）等化を実装し得る。ＺＦ等化器は、Ｎ次の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターであり、各入力記号に対して、２Ｎ個の隣接記号によって導入されたＩＳＩコンポーネントを強制してゼロにする。フィルタータップは、ＣＩＲの推定値から開始して数値的に計算され、ＩＳＩ効果も考慮される。
【００６３】
３．１．４  前方誤り訂正
本システムは、リードソロモン（ＲＳ）符号に関するいくつかの態様に基づく前方誤り訂正（ＦＥＣ）機能を包含し得る。ＲＳ符号は、データ記憶およびデータ送信システムで使用される線形のブロックエラー訂正符号である。ＲＳエンコーダは、情報記号ｋを取り、等価記号ｔを加えて、ｎ−記号ブロックにする。したがって、ｔ＝ｎ−ｋオーバーヘッド記号がある。一方で、ＲＳデコーダは、受信したｎ記号ブロックを脱コードすることができ、チャンネル変動または干渉パケットとの衝突による潜在的なエラーを含有し得るｔ／２個までのデータ記号を訂正し得る。ＲＳ符号化率は、メッセージ長とブロック長との比、すなわちｋ／ｎとして定義することができる。
【００６４】
３．２  データリンク層
データリンク層は、多重ノードが効率的に共有の媒体、すなわちネットワーク構成、多重アクセスプロトコル、およびＰＨＹ層適応にアクセスすることを可能にする、一連の機能を、上のセクション２で記したように、超音波体内および空気中チャンネル、とりわけ長い遅延伝播によって課された課題の下、提供する。
【００６５】
３．２．１  ネットワーク構成
システムは、ウエアラブルデバイスをマスター／スレーブまたはピアツーピア（Ｐ２Ｐ）構成においてネットワークし得る。両方の構成は、ハイブリッドの構成で同じネットワークに共存し得る。例えば、図１を参照すると、マスター／スレーブ構成はノード間の実線で示され、ピアツーピア構成は斜線で示される。
【００６６】
マスター／スレーブ構成
マスター／スレーブ構成において、１つのノードがマスター、すなわちネットワークコーディネータの役を取り、残存するノードがスレーブとして動作する。このシナリオにおいて、ネットワーク制御は、典型的には加工、メモリ、電力および接続性などのより高い入手可能の資源を有するマスターノードに集中する。例えば、Ｍ／Ｓ構成は、連続監視システムにおいて使用され得、ノード２０でウエアラブルセンサによって収集されたデータを取りに行き、分析し、表示するために、マスター処理ノード３０、例えばスマートフォン、またはラップトップなどが使用され得る。無線および有線インターネット接続性は、マスターノードが例えば患者のデータが保存され、遠隔で分析し得る医療センターとウエアラブルネットワークとを接続することを可能にし得る。
【００６７】
ピアツーピア構成
Ｐ２Ｐ構成において、全てのネットワークウエアラブルノード２０は、ピアとして処理される。このシナリオは、とりわけ閉鎖フィードバックループ監視およびタスク作動のためのノード間の分配調整を必要とするアプリケーションに適する。例えば、これは、薬品ポンプが測定のためにセンサを動作させ、同様にセンサが測定のあとに薬品注射のための薬品ポンプを動作させる、皮膚パッチ薬品送達システムを包含する。
【００６８】
３．２．２  媒体アクセス制御プロトコル
システムは、例えばポーリング、ＡＬＯＨＡ、および衝突回避（ＣＡ）を具備する搬送波感知多重アクセス（ＣＳＭＡ）などの十分に機能的な多重アクセスプロトコル、および、アイドル聴取、ランダム・バックオフまたはチェックサムベースのエラー制御機構などのカスタムプロトコルを実装するためのプリミティブ機能を採用し得る。
【００６９】
ポーリングプロトコル
ポーリングは、Ｍ／Ｓネットワーク構成のための決定論的アクセスプロトコルである。ポーリングスキームにおいて、マスターノードは、チャンネルアクセスに対して完全な制御を有するが、他方で、各スレーブノードは、ラウンドロビン方式で媒体にアクセスを許可する。
【００７０】
ＡＬＯＨＡ
ＡＬＯＨＡは、送信前にチャンネルがビジーステートかアイドルステートかをノードがチェックしないランダムアクセス・プロトコルである。データを単に送信したいノードが、チャンネルにアクセスし、データを送信する。衝突が起こると、ノードはランダム時間間隔の後に再送信を試みる。
【００７１】
搬送波感知多重アクセス
ＣＳＭＡ／ＣＡは、搬送波検出に基づく多重アクセス技術であり、多重ノードが同時送信を回避することによってチャンネルを共有することを可能にし、したがって、送信パケット間の衝突を回避する。ノードがデータをパケットに送信したいとき、それは先ずチャンネルに聞く。チャンネルが固定時間間隔中にアイドルステートとして感知された場合、ノードは送信し、さもなくは、新しい送信を試みる前にバックオフ時間を待つ。
【００７２】
いくつかの態様において、分配された媒体アクセス制御調整は、論理的制御チャンネルの情報を交換することによって達成し得、他方で、データパケットは論理的データチャンネルを超えて送信される。送信機ＴＸと受信機ＲＸ間のユニキャスト送信は、以下のように考えられる。
【００７３】
ＴＸがパケットを送信する必要がある場合、先ず、ＲＸに専用チャンネルを予約する必要がある。接続は、共通の制御チャンネルを介して両方向のハンドシェーク手順を使用して開放される。いくつかの態様において、例えばＯＦＤＭ変調スキームを使用して、制御チャンネルが固定制御チャンネルを使用して実装され得、いくつかの態様において、ランダム制御チャンネルを使用して実装され得る。固定制御チャンネルアプローチにおいて、固定数の予め定められた搬送波が送受信制御情報に割り当てられる。制御サブ搬送波において、通信がネットワークデバイスによって知られ共有された独特の時間ホッピングシーケンスに従う。全てのノードは、固定制御チャンネルに聞いて、送信ノードからのリクエストを待つ。制御チャンネルは、コンテンション位相を介してアクセスされる。
【００７４】
ランダム制御チャンネルアプローチにおいては、制御チャンネルは周波数ホッピング方式で実装される。すなわち、制御チャンネルのサブ搬送波割り当ては時間的に擬似ランダムに変化する。送信機が一定の時間内にすべてのチャンネルを使用することを保証することにより、送信ノードと受信ノードとの間の同期化が可能となり、受信機は、ランダムチャンネルを選び、そのチャンネル上で有効なデータを聞くことによって送信機チャンネルを見つけることができる。
【００７５】
双方向ハンドシェーク手順においては、ＴＸは自身のＩＤを含むＲＸへリクエスト−送信（Ｒ２Ｔ）パケットを送信する。ＲＸがアイドルステートの場合、クリア−送信（Ｃ２Ｔ）制御パケットがＴＸに送り返される。失敗と、その後のタイマー時間切れの場合、ＴＸはＮＲ時間の最大の間、ランダムバックオフ時間の後、新しい送信を試みる。Ｃ２Ｔパケットを受信した後、送信機は、擬似ランダムシーケンスジェネレータにそれ自身のＩＤをシードすることによって、それ自体の周波数および時間ホッピングシーケンスを計算することによって専用チャンネルに切り替える。結果として、ＴＸとＲＸの両方が共通チャンネルを離れ、専用チャンネルに切り替える。受信機ＲＸは、最適な送信戦略、すなわちサブ搬送波の数、時間ホッピング枠長、ＦＥＣ符号化率、および変調を計算する。この情報は、ＡＣＫまたはＮＡＣＫパケットにピギーバックされる。
【００７６】
一旦通信が確立されると、ＲＸは共通制御チャンネルを離れることはない。その代わりに、専用の制御チャンネルと共通の制御チャンネルの両方を同時に‘聞く’ことを保持する。専用制御チャンネルでは、ＲＸは、次の送信に使用される最適戦略情報をＴＸに送信する。共通制御チャンネルでは、ＲＸは許容可能な干渉のレベルに関する情報を他の共通の場所にある受信機と交換する。
【００７７】
３．２．３  ＰＨＹ層適応
システムは、プロトコルスタックの上位層、例えば、データリンクまたはネットワーク層からのＰＨＹ層パラメータのリアルタイム再構成を可能にする、一連のクロスレイヤー機能を定義する。上位層のプロトコルは、ソフトウエア定義のアーキテクチャの柔軟性を活用することによって、変調、信号帯域幅、ＦＥＣ符号化率などのオンザフライのＰＨＹ層パラメータを再構成し得る。再構成機能は、下層の通信リンクをチャンネル変動または上位層のプロトコル要件に適合させるために、反応性または先制的な制御アルゴリズムの開発を可能にする。
【００７８】
３．３  ネットワーク層
３．３．１  ＩＰｖ４およびＩＰｖ６サポート
システムは、ＩＰｖ４およびＩＰｖ６プロトコルサポートを一体化するアダプテーション層を定義することによって、インターネットによる相互運用を提供し得る。アダプテーション層は、ネットワークプロトコルの正確なタイミングを潜在的に防止する長い伝播遅延で超音波ウエアラブル・ネットワークに対して最適化された、ＩＰヘッダー圧縮およびＩＰパケットフラグメント化機能を提供することによって、伝統的なＩＰネットワーク層をデータリンク層とインターフェースする一連の機能を含む。例えば、クロスレイヤーヘッダー情報を活用することによって、長いＩＰｖ４およびＩＰｖ６ヘッダーは、小さな情報パケットを交換するときに、ネットワーク遅延およびエネルギー消費を低減するように短縮され得る。
【００７９】
３．３．２  コンテンツ−セントリック・ネットワーキング
システムは、ネットワークコンテンツを直接的にアドレス可能にし、ルーティン化を可能にするコンテンツ−セントリック・ネットワーキング（ＣＣＮ）機能を提供し得る。各センサデータまたは作動コマンド、すなわち各コンテンツ・オブジェクトは、名前でラベル化され、この名前を介してアクセスし得る。ノードは、リクエスト・メッセージを放送することによって、コンテンツ・オブジェクトを要求し得る。一致が見出されると、すなわちコンテンツがネットワーク・ノード上に見つけられると、要望されたコンテンツを含有する応答メッセージが送り返される。
【００８０】
３．４  アプリケーション層
３．４．１  再構成可能なおよびモジュラーのデータ処理
システムは、センサノードにおいてプリミティブブロックへ実行するデータ処理アプリケーションを分解するアイデアを採用し、アプリケーション層でリアルタイムの再構成可能性を提供し得る。感知アプリケーションは、所望の医療パラメータを抽出するためにセンサデータ上で実行される一連の基礎的操作を含む。リアルタイムモジュラー再構成は、３つの主要な利点を提供する。先ず、ネットワークコーディネータは、ランタイムでセンサノード上に新しいアプリケーションを必要に応じて無線で設置することができる。これに基づき、資源はアプリケーションが要望されたときにのみ割り当てられ、こうして背景で連続的に実行する静的なアプリケーションのために、処理および記憶のオーバーヘッドを減少させる。
【００８１】
第二に、モジュラー再構成は、プログラマーが、所望の実行シーケンスにおけるプリミティブ・ビルディング・ブロックを並べることによって、容易に新しいアプリケーションを創出することを可能にする。結果として、新しい医療用パラメータがセンサから来る生データから抽出され得、一方でコードの再利用性を最大化する。最後に、既知のテンプレートとＥＣＧトレースとを一致させることによるＥＣＧ異常検出などのテンプレート・マッチング・アプリケーションの場合、追加または更新するテンプレートは、再構成可能なアプリケーション層によって単純になる。
【００８２】
新しいアプリケーションを定義することは、入力、プリミティブブロックのチェーン、出力を特定することを含む。入力は、加速度計または心電図（ＥＣＧ）などのデータを作り出す物理センサである。出力は、測定されたパラメータを保存するための局所メモリか、別のノードに測定パラメータを送るための送信である。出力は、その値が付与範囲に納まるか、周期的な場合、パケットを送信するか、基準を保存するなどの事象を起こさせることと関連付けされ得る。各アプリケーションに対して、サンプリング速度、すなわち入力センサデータを如何に頻繁にサンプリングするか、およびサンプリング間隔、すなわちデータをどのくらい長く処理するかを定義づけする。一連のプリミティブブロックは、３つのメインクラス、フィルター、データ操作、および検出器に分割される。フィルターは、オフセット、センサのドリフト、および外部電源から来る任意のその他のノイズコンポーネントを除去するための生データのフィルタリングを可能にする。データ操作は、センサデータ上で行われる共通の信号処理操作、例えば、とりわけテンプレートとの相関関係、およびＦＦＴである。検出器は、例えば、とりわけピーク、パターン、時間距離などの処理信号における特定の要素を検出することによって、所望のパラメータを測定することを可能にする。
【００８３】
３．４．２  データ収集
アプリケーション層は、データを交換し、収集するために、二つの異なる様式：フェッチモードおよびプッシュモードにおいて動作し得る。
フェッチモード
フェッチモードは、アプリケーション層がネットワークからコンテンツを要求し、およびノードがこのデータをフェッチするためにリクエストマスクを送信するときに、使用される。ノードは、要望されたコンテンツを有する１以上のノードからの応答を待つ。応答が、正しく受信されるとき、全ての要望されたエンティティが受信されたとき、ノードはアイドルステートに戻る。
【００８４】
プッシュモード
プッシュモードは、例えば、血液中の高グルコースレベルなど、感知されたデータを別のノードにプッシュする必要がある場合、またはインスリン注入や神経刺激を引き起こすような、いくつかの作動操作を達成するためにノードが別のノードを必要とする場合に使用される。コマンドを作動させる場合、プッシュパケットは、要求された動作、例えば、注射するインスリンの量または神経刺激のパターンに関するさらなる情報を包含し得る。
【００８５】
４．プロトタイプ
上のセクション２で記したフレームワークを実装する２つのプロトタイプが構築されている。第１のプロトタイプは、ウエアラブルノードと呼ばれるカスタムハードウエアプラットフォームに基づくウエアラブル超音波センサノードである。第２のプロトタイプは、ウエアラブルマスタと呼ばれるｉＯＳ市販のスマートフォンデバイスに基づくウエアラブル超音波コーディネータである。
【００８６】
４．１ウエアラブルノード・プロトタイプ
４．１．１  ハードウエアデザイン
図３は、ウエアラブルノード２０のハードウエアアーキテクチャの一態様を説明する。コアユニット６０は、処理ユニット４０、例えばマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、メモリユニット６２、例えばＲＡＭまたはフラッシュメモリ、およびデジタル−アナログ、アナログ−デジタル変換器４２ａ、４２ｂを包含する。コアユニットは、感知されたデータのサンプリング、処理および保存を担当し、超音波ネットワーキング操作の指揮を担当する。具体的には、処理ユニットは、セクション２で記したシステム機能を実行する。通信ユニット４６は、電力および低ノイズ増幅器５４、５２および空気結合超音波トランスデューサ４８を埋め込むことによって超音波無線接続を可能にする。電源ユニット７０は、ウエアラブルノードに電力を供給するためのバッテリ７２を包含し得る。オプションの無線エネルギー転送ユニット７４を設置して、ノードのバッテリを無線で充電するために超音波電力送信を活用し得る。感知および／または作動ユニット８０は、とりわけ、加速度計、ＥＣＧ、薬物ポンプおよび神経刺激装置などの特定のアプリケーション設計に従って、いくつかのセンサおよびアクチュエータを組み込むことができる。
【００８７】
プロトタイプの図３におけるアーキテクチャは、Teensy3.1プラットフォーム、マイクロコントローラ開発ボードに基づいて、実装された。ウエアラブルノードは、商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）スピーカーおよびマイクを空気結合された超音波トランスデューサとして用いて、近超音波能力を提供する。図４は、ハンダレスブレッドボード１０２上のウエアラブルノード・プロトタイプの基本回路設計を示す。このプロトタイプは、Teensy3.1、即ち、コアユニット１０４、電力増幅器１０６、マイク１０８、および小型オーディオスピーカー１１２、すなわち通信ユニットを含有する。図には含有されていないリチウムイオンポリマー電池がブレッドボードのバスストリップに接続され、電子部品に電力を供給する。これらのプロトタイプ・ハードウエア部品は、カスタマイズされたＰＣＢに埋め込み得ること理解されよう。
【００８８】
Teensy  3.1
Teensy 3.1は、小さな設置面積、すなわち約３．５×１．８ｃｍで、３２ビットARM Cortex-M4に基づくブレッドボードを使いやすい、安価な開発ボードである。それは、ＲＡＭの６４Ｋ、フラッシュの２５６Ｋ、１２ビットＤＡＣ、デュアルＡＤＣおよびＵＳＢ接続が付属している。Teensy 3.1は、Arduino統合開発環境（ＩＤＥ）のカスタマイズバージョンTeensyduinoを使用してＣおよびＣ＋＋としてプログラミングすることができ、Arduino向けに設計された多くのコードライブラリ、Teensy用に特別に設計されたその他のものをサポートする。Teensy 3.1は、USBを通じて、またはＶｉｎとＧＮＤピンに接続された外部バッテリーを介して給電され得る。
【００８９】
Teensy 3.1は、USRP N210、Raspberry Pi、Arduino Unoなどの他の利用可能なＣＯＴＳプラットフォームの中から選択された。Teensy 3.1とArduino Unoは、外部または内部マイクロプロセッサで動作するオペレーティングシステム上でソフトウエア操作が実行される、USFE N210およびRaspberry Piと比較して、ハードウエア周辺機器の低レベル制御を提供する低電力マイクロコントローラの周りに設計されている。マイクロコントローラベースのプラットフォームは、ワイヤレスウエアラブル機器の設計要件に適合する高いハードウエアの柔軟性と計算効率を提供する。最終的に、より強力なマイクロコントローラと、２２ｋＨｚまでの音響周波数に対して４４．１ｋＨｚなど、超音波通信範囲に適合する高い音声サンプリングレートをサポートし得るより大きい利用可能メモリのために、Teensy 3.1がArduino Unoよりも選択された。Teensy 3.1は、ウエアブルノードのプロトタイプ作成プロセスを大幅に簡素化できるArduinoライブラリをサポートしている。
【００９０】
電力増幅器
ウエアラブルノードは、３．３Ｖ  ＤＣの電圧供給と最大８０％の効率で、４オームインピーダンススピーカーに最大１Ｗを供給できる小型で効率的なクラスＤオーディオアンプを包含する。静止時には２ｍＡ未満の電流を消費し、スタンバイモードでは２μＡ未満を消費する。図４では、電力アンプの右チャンネルはＤＡＣピンを通じてTeensyに接続され、スピーカーには３．５ｍｍネジ端子ブロックを通じて接続されている。ＶｃｃピンとＧＮＤピンはバスストリップに接続され、デバイスに電力を供給する。
【００９１】
マイク
ウエアラブルノードの入力は、ＡＤＭＰ４０１  ＭＥＭｓマイクおよび低ノイズ増幅器を埋め込んだ極小のブレークアウトボードである。ＡＤＭＰ４０１は、ほぼ平坦な帯域幅、すなわち、１００Ｈｚと１５ｋＨｚとの間の−３ｄＢロールオフ、無指向性感度パターンを提供し、１．５Ｖと３．３Ｖ  ＤＣとの間の供給電圧を必要とする。より広い帯域幅のマイクがよりよく実行できるが、プロトタイピングを容易にするＣＯＴＳブレークアウトボードパッケージのために、選択された解決法が望ましい。さらに、低感度であっても、ＡＤＭＰ４０１は２２ｋＨｚまでの高周波数の音響波を検出することができる。マイクは、Teensy 3.1で使用可能なアナログピン（ＡＤＣ）の1つに接続され、ＶｃｃピンとＧＮＤピンをバスストリップに接続することで給電される。
【００９２】
オーディオスピーカー
ウエアラブルリモートの出力は、小型でコンパクトなＣＯＴＳスピーカー、Dayton Audio CE28A-4Rであり、４Ωインピーダンス、４Ｗ最大出力電力サポート、１００Ｈｚと１５ｋＨｚとの間の平坦な周波数応答を有する。スピーカーは、３．５ｍｍねじ端子ブロックを使用して電力アンプに接続されている。
ハードウエア・アーキテクチャは、図４のプロトタイプと関連して描かれたものより、その他のハードウエア部品と実装され得る。
【００９３】
４．１．２  ソフトウエア・アーキテクチャ
システムフレームワークは、Teensy ３．１で実装され、ウエアラブルノードのハードウエアプロトタイプ上で超音波無線接続とのネットワーキングを可能にした。図５は、（ｉ）ＰＨＹ層での同期化、チャンネル推定、等化、およびＦＥＣ機能を備えた狭帯域ＧＭＳＫトランシーバと、（ｉｉ）データリンク層でのポーリング、およびＦＥＣ速度反応性適合を備えるＡＬＯＨＡ多重アクセスプロトコル、（ｉｉｉ）ネットワーク層でのコンテンツ・セントリック・アドレス指定、および（ｉｖ）アプリケーション層でのフェッチおよびプッシュ・サポートによるデータ処理再構成を包含する、ウエアラブルノード・ソフトウエア・アーキテクチャの態様のブロック図を示す。
【００９４】
ウエアラブルノードの機能は、Arduino IDEのアドオンであるTeensyduinoを使用して実装され、Arduinoプラットフォームで使用できる多くのコードライブラリを活用していた。超音波はより高い周波数での音波であるため、ＰＨＹ層の信号処理はTeensy 3.1用に特別に設計されたオーディオライブラリに基づいていた。Teensyオーディオライブラリは、４４．１ｋＨｚでサンプリングされたオーディオの録音、処理、および再生を可能にする一連のオブジェクトを包含する。オブジェクトは、波形シンセサイザおよび有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターなどの特定のオーディオ機能を例示化し、一方で、新しいオブジェクトを作成することによって新しい機能を有効にすることができる。オブジェクトのカスケードは、入力に対して一連の操作を実行して所望の出力を生成する処理チェーンを形成する。チェーン内の各オブジェクトは、オーディオの２．９ミリ秒に対応する１２８オーディオサンプルのチャンク上でパイプライン動作する。オーディオの連続性を保証するには、各ブロックが２．９ｍｓ以内に処理動作を実行する必要がある。
【００９５】
ウエアラブルノード実装において、特定の信号処理操作を実装するカスタムメイドのオブジェクトが作られた。いくつかのコンピュータ的に高価な操作は、２．９ｍｓのオーディオライブラリの制約時間を超過するので、これらは、オーディオライブラリ外で実装された。これらは、オフ・ザ・チェーンオブジェクトと呼ばれる。
【００９６】
物理Ｔｘ
ＰＨＹ層Ｔｘチェーン１２２の第１のオブジェクトは、ＦＥＣエンコーダ１２４である。ここで、データリンク層から来た各データパケットは、セクション３．１．４で記したとおり、オーバーヘッドの記号はオリジナルのパケットに添付され、ｎ＝２５５記号および等価記号ｔを選択し、とりわけ１／２、２／３などの異なる符号化率を達成する。ＲＳ符号化の計算の複雑さのために、ＦＥＣエンコーダは、オフ・ザ・チェーンオブジェクトとして実装される。次に、符号化されたパケットは、処理チェーン内のオーディオストリームを入力するシンボルマッピングオブジェクト１２６に渡される。ここで、符号化されたパケットは直列化され、すなわちビットのストリームに変換され、差動符号化され、ゼロ復帰しない（ＮＲＺ）信号に変換される。ＮＲＺ信号は次に、ＧＭＳＫ変調器オブジェクト１２８によってＧＭＳＫ変調され、アップミキサーオブジェクト１３２によって搬送波周波数にアップコンバートされる。変調されてアップコンバートされた波形は、オーディオ出力オブジェクト１３４、すなわち埋め込みＤＡＣ（４２ａ、図３）でシステムをインターフェースするシステムＡＰＩに渡され、デジタル−アナログ変換され、電力増幅器（５４、図３）およびオーディオスピーカー（４８、図３）を介して送信される。
【００９７】
物理Ｒｘ
受信した音響信号は、ＭＥＭＳマイクによって電気信号に変換される。信号は、ＬＮＡ（５２、図３）によって増幅され、Teensy 3.1 ＡＤＣによって４４．１ ｋＨｚでアナログ−デジタル変換される。オーディオインプットオブジェクト１５１は、埋め込まれたTeensy 3.1  ＡＤＣとシステムとをインターフェースし（図３、４２ｂ参照）、音響ストリームをＰＨＹ層Ｒｘチェーン１４２へ入力するシステムＡＰＩである。受信デジタル信号は、先ず、ハイパスフィルターオブジェクト１４４によってハイパスフィルターされ、低周波ノイズおよび干渉、すなわち外部のヒトの声ならびに環境ノイズを排除する。パケット検出器１４６は、入力信号を処理し、予期される搬送波周波数にエネルギーがあるか否かをチェックするためのエネルギーベースのアプローチを使用して、入ってくるパケットを検出する。入って来るパケットは、Down Mixer 148でダウンコンバートされ、すなわち複合の同相／直角位相ベース帯信号へ変換し、ダウンコンバージョン操作の非線形性によって導入された所望しない高周波数ハーモニクスを排除するために、フィルター１５２でローパスフィルタリングされる。
【００９８】
チャンネル推定、同期化、および等化操作は、通常、ダウンコンバートに従い、複素ベースバンド信号に適用される。しかし乍ら、これらの操作は、コンピュータ的に高価で、それらの実行は２．９ｍｓのオーディオライブラリの制約時間を超過する。この制限を克服するために、複素ベースバンド信号がＧＭＳＫ復調器オブジェクト１５４で復調され、符号化情報ビットを運ぶ位相変化を抽出する。その後、コンピュータ的に高価な操作はオフ・ザ・チェーンで行われる。チャンネル推定器オブジェクト１５６は、セクション３．１．３で記したように、ＣＩＲをトレーニングシーケンスとしてパケットプレアンブルを使用して推定され、その間に、シンクロナイザーオブジェクト１５８が、セクション３．１．２で記したＰＮ−ベースモードを介して微細な同期化を達成する。
【００９９】
ＺＦ等化器オブジェクト１６２は、セクション３．１．３で記したようにＩＳＩ回復のための入力をフィルターにかける。等化された記号は、デマッパー１６４でビットストリームヘデマッピングされ、パケット構造へ回収され、ＦＥＣデコーダ・オブジェクトへ渡される。ここで、ＦＥＣデコーディング操作は、セクション３．１．４で記したように、潜在的なビットエラーの訂正を試みる。最後に、エラー訂正パケットは、データリンク層１７０へ渡される。
【０１００】
データリンク層
ウエアラブルノード・データリンク層１７０の一態様は、セクション３．２で記したＭＡＣプロトコルの２つ、ポーリングおよびＡＬＯＨＡを包含する、有限ステートマシーン（ＦＳＭ）ブロック１７２で実装される。ポーリングは、専有的にＭ／Ｓ構成において使用され得、一方で、ＡＬＯＨＡは、Ｍ／ＳおよびＰ２Ｐ構成の両方において動作する。ウエアラブル遠隔データリンク層はまた、ＰＨＹ層適応１７４を実装し、再送信数を最小化するＦＥＣ符号化率を最適に選択する。ＭＡＣプロトコルＦＳＭ１７２は、また、ＰＨＹ層の送受信操作を調整することを担当する。パケット通信の最中に、ＭＡＣ  ＦＳＭは上層プロトコルからのデータを収集し、データリンク層パケットを創出する。
【０１０１】
パケットは、粗い、および微細な同期化を可能にし、受信機が入ってくるパケットを検出し、正確にパケット開始時間を同定することを許容するプレアンブルの後に、開始する。パケット・ペイロードの後に、パケットが正しく受信されたか同定するために受信機で使用される１６ビットのチェックサムが続く。パケットは、その後、ＰＨＹ層Ｔｘチェーン１２２に続き、そこで、送信される前に、デジタル波形で符号化される。受信機側で、ＭＡＣ  ＦＳＭがパケット検出器ブロック１４６から来る情報に基づいて、受信パケットを検出し、ＰＨＹ層１４２が受信波形を処理することを開始するように、動作させる。ＭＡＣ  ＦＳＭは、また、パケットチェックサムをチェックすることを担当し、受信データを上層へ転送する。
【０１０２】
ネットワーク層
ウエアラブルノード・ネットワーク層１８０の一態様は、セクション２．３で記したコンテンツセントリックアドレス指定スキーム１８２を実装し得る。各コンテンツオブジェクトは、２値マスクへマップされ得、そこでは、“心拍数”コンテンツに対して‘０００１’、“歩数”コンテンツに対して‘００１０’、および‘０１００’などのマスク中のビット位置によって表される。２値マスクは、可変の長さを有し、ネットワークで入手可能なエンティティ数と一致するように調整し得る。
【０１０３】
Ｍ／Ｓ構成において、ネットワークに参加するノードは、マスターノードと先ず対になる。マスターは、新規のノードにおいて入手可能のコンテンツを２値マスクへマッピングし、ネットワークの全てのノードにアップデートしたマッピングを送信する。各ノードは、それが所有するエンティティに基づいて、ローカルマスクを建てる。エンティティに要求するために、マスターは、所望のコンテンツにマッピングされた位置に‘１’のリクエストマスクを含有するリクエストメッセージを送信する。例えば、心拍数および歩数のコンテンツを検索するために、‘００１１’リクエストマスクがネットワーク内で送信される。スレーブノードは、リクエストマスクとローカルマスクとを比較し、一致するコンテンツがあれば転送する。Ｐ２Ｐ構成では、ペアリング操作は発見操作に置き換えられ、２値マスクはネットワーク内で分散して維持される。新しいノードがネットワークに参加するとき、それは隣接ピアノードから現在のマスクマッピングを要求し、それが保持するコンテンツで更新し、更新されたマッピングを送信する。
【０１０４】
アプリケーション層
一態様において、ウエアラブルノード・アプリケーション層１９０は、セクション２．４で記したように、リアルタイムモジュラー再構成の機能１９２を実装し得、フェッチ・アンド・プッシュデータ収集操作の両方を支援し得る。以下は、このプロトタイプ中で実装されるプリミティブブロックのいくつかの例のリストである：
●fir_filter：フィルター仕様、すなわちカットオフ周波数を定義するパラメータを受け入れるＦＩＲフィルター
●find_peaks：閾値を与えられた１次元データシーケンスのピークを見つける。
●find_next _extr：ピークの後または前に、次のローカル極値、すなわち最大値または最小値に戻す。
●calculate_distance：時間的瞬間、例えばピーク−ツー−ピーク間の距離を計算する。
●average and std,：入力データの平均および標準偏差に戻す。
●count_eents：事象のカウンタ、例えば、値が所与の閾値を何回超えるかを実装する。
【０１０５】
このモジュラーアプローチに基づき、アプリケーションは２進シーケンスのチェーン、すなわち、キーによって表わし得る。各プリミティブ機能が、２進キーにマッピングされる。キーの集中は、操作の集中を表わし、したがってアプリケーションを表わす。アプリケーションは、再構成パケットにカプセル化され、オーバー・ザ・エアで送信される。受信ノードは、２進キーを抽出し、そしてこれらを各ステートがプリミティブブロック・ファンクションを表わす、ＦＳＭにフィードする。連続したファンクションキーをペアリングさせることによって、ＦＳＭは、ステートからステートへ、処理入力および生産出力を移行する。各ファンクションの入力および出力は、２進キーにも同様にマッピングされ、アレイへのポインターを含有するC-struc output_strucで実装され、２進キーは可変である。入力および出力キーは、ファンクション間のデータをパラメータ的に渡すことを可能にする。絶対入力は、これらは感知ハードウエアから来るが、２進キーでまた表わされ、アプリケーションチェーンの第１ブロックへ通常フィードされ得る。最後に、ファンクション・パラメータは、直列化され、また、２進ストリングの形態で渡される。
コンセプトの証明として、いくつかのアプリケーションは、上記のプリミティブに基づいて開発される。
【０１０６】
心電図（ＥＣＧ）処理
信号−電極ＥＣＧ信号を考慮せよ。図６は、５つのラベル付けされた特徴的波形、すなわちＰ、Ｑ、Ｒ、ＳおよびＴを有するテンプレート信号を示し、それは、１心拍間の３つの電気的事象に対応し、すなわち、心房収縮（Ｐ）、心室収縮（ＱＲＳ）および心室回復（Ｔ）である。第１のアプリケーションは、１分当たりのビートの心拍数（ｂｐｍ）を測定する。これは２つの異なるアプローチに続いて行われる。第１のアプローチ、ここではＲ法は、Ｒ波のピーク数をカウントし、６秒出力で、結果を１０倍する。第２のアプローチ、ここではＲＲ法は、ＲＲ間隔期間の平均を逆にして１秒当たりの心拍数を見出し、すなわちＲＲ間隔期間は、出力内の２つの結果のＲ波形間の距離で、これを６０倍する。
【０１０７】
この手法は、Ｒ法に関してより複雑であるが、より高い分解能、すなわちＲ法の１０ｂｐｍに対して１ｂｐｍをもたらす。第２のアプリケーションは、ＥＣＧにおける電気的事象間の時間的分離の平均および標準偏差を測定する。例えば、ピーク間の距離、すなわちＲ波は、ＲＲ間隔持続時間を与える。ＲＲ間隔の平均および標準偏差は、潜在的な心臓不整脈または他の機能不全についての重要な情報を与える。図６（上）は、Ｒ法の心拍数検出器とＲＲ間隔監視アプリケーションの単純化されたプリミティブ・ブロック・シーケンスを示す。
【０１０８】
加速度計処理
図６の加速度計出力は、ｘ軸２１２上の正面加速度、ｙ軸２１４上の垂直加速度、ｚ軸２１６上の横加速度を示す。２つの主な事象が、足が地面に接触する瞬間、および足が地面を離れる瞬間にそれぞれ対応する踵接地（hell strike, ＨＳ）および足趾離地（toe-off, ＴＯ）の１つのステップの間に起こるｙ軸にラベル付けされる。これに基づいて、第１のアプリケーションは、３軸コンポーネントからの加速度の大きさを計算し、高周波ノイズを除去するために、それにローパスフィルタリングを行い、得られた信号のピーク数、すなわちＨＳの数をカウントする。
【０１０９】
時間間隔内のピークは、患者によって実行された歩数を表す。２番目のアプリケーションは、加速度計の出力における事象間の平均距離を測定する。例えば、加速度の大きさにおける不連続ピーク間の距離は、歩行サイクル時間（ＧＣＴ）、すなわち同じ足の連続するＨＳ（踵接地）間の時間を与える。ＧＣＴは、パーキンソン病に侵された患者の運動低下の尺度を提供する。図６（下）は、歩数カウンタとＧＣＴモニタアプリケーションの単純化されたプリミティブ・ブロック・シーケンスを示す。
【０１１０】
４．２  ウエアラブルマスタープロトタイプ
ウェアラブルマスターノードプロトタイプの態様は、Apple iPhone（登録商標）スマートフォンのためのｉＯＳ８プラットフォーム上に実装された。このプロトタイプはマルチレイヤー機能を実装するiPhone（登録商標）のスマートフォンで実行するアプリを含む。図７は、ウエアラブル・マスター・プロトタイプのソフトウェア・アーキテクチャの態様を示しており、これは、（ｉ）ＰＨＹ層での同期化、チャンネル推定、等化、およびＦＥＣ機能を有する狭帯域ＧＭＳＫトランシーバ、（ｉｉ）データリンク層で、ＦＥＣ符号化率応答性適応を有するポーリングおよびＡＬＯＨＡ多重アクセスプロトコル、（ｉｉｉ）ネットワーク層でのコンテンツセントリックネットワーキング、および（ｉｖ）ユーザーがウエアラブル・ネットワークと対話できるようにするアプリケーション層でのグラフィック・ユーザー・インターフェース（ＧＵＩ）および音声認識機能を包含する。
【０１１１】
ｉＯＳプロトタイプは、携帯電話の内蔵マイクとスピーカーを使用して、超音波狭帯域ＧＭＳＫリンクを介してウエアラブルノードと無線で通信し得る。ソフトウエア・プロトタイプは、Ｘｃｏｄｅ６統合開発環境（ＩＤＥ）を活用してオブジェクト指向−Ｃプログラミング言語で開発され、グラフィック・ユーザー・インターフェイス（ＧＵＩ）の開発のためにXcodeストーリーボード機能を活用する。（ｉ）デジタル信号処理（ＤＳＰ）操作を実装するiOS AccelerateフレームワークのvDSPライブラリ、（ｉｉ）録音／再生オーディオ機能を可能にする高性能オーディオライブラリであるNovocaine、および（ｉｉｉ）音声認識サービスを提供するwit.aiフレームワークが、また使用された。
【０１１２】
ｖＤＳＰライブラリ
ｖＤＳＰライブラリは、iOSで利用可能なAccelerateフレームワークの一部であり、ベクトル演算や行列演算、フーリエ変換、畳み込み演算、実数データ型または複素数データ型間の相関演算を包含する、いくつかのＤＳＰ機能を提供する。ｖＤＳＰ機能を活用して、ＰＨＹ層の実数ベクトルと複素数ベクトルの算術演算と相関を実行し得る。
【０１１３】
Ｎｏｖｏｃａｉｎｅ
Ｎｏｖｏｃａｉｎｅは、iOSのための高性能オーディオ処理ライブラリである。Ｎｏｖｏｃａｉｎｅは、低レベルのオーディオ実装の詳細をすべて隠し、オーディオが入って来たとき、およびオーディオが外に出る必要があるときに、呼び出される単純なブロックベースのコールバックを与える。具体的には、Ｎｏｖｏｃａｉｎｅオブジェクト、すなわちオーディオマネージャーはInputBlockおよびOutputBlockコールバックを提供し、その内部でＤＳＰコードを入力および出力データの処理のために単に配置し得る。
【０１１４】
Wit.aiフレームワーク
Wit.aiは、システム内で音声コマンドを統合するために使用される、マルチプラットフォームＡＰＩの形態で自然言語処理を提供する。Wit.aiは、開発者がコマンドを作成し、これらのコマンドを意図と一致させ得る。コマンドは、ユーザーが操作を引き起こすと言うもので、一方で、意図は操作自体を表す。音声コマンドはWit.ai・サーバーに送信され、最大の信頼度を持つ意図が応答として返される。Wit.aiは要求を提出して応答を受信するためにインターネット接続を必要とするため、音声コマンドはインターネット接続を有するウエアラブルマスターを介してのみ入手可能である。しかし乍ら、ウェアラブルノードに直接音声コマンドをアドレス指定することを可能にするために、軽量の埋め込み可能なバージョンのWit.aiを提供し得る。
【０１１５】
ＰＨＹ層  Ｔｘ／Ｒｘ
ＰＨＹ層Ｔｘ２２２およびＲｘ２４２は、PHYLayerTxおよびPHYLayerRxとそれぞれ言う名前の２つのクラスにより実行される。ここで、ノボカイン・オーディオ・マネージャーは、InputBlock 232およびOutputBlock 251コールバックを録音再生し、およびｖＤＳＰファンクションが入力および出力データを処理するように動作させる。送信機で、PHYLayerTxクラスはデータリンク層２７０からのデータを獲得し、ＧＭＳＫ波形を発生し、およびその後それをオーディオマネージャーへ渡す。後者はスピーカーを介してＧＭＳＫ波形を送信する。受信機で、PHYLayerRxにおける操作がセクション３．１．２（図３も参照）で記したウエアラブルノードＰＨＹ層２４２により実行されるものと一致する。あまり厳密ではないメモリとｉＯＳプラットフォームの処理の制約のため、ここで、パケットは、検出された後にメモリに完全に格納され、直後に復号される。さらに、チャンネル推定、同期化、ならびに等化操作は、ダウンコンバートに続き、複素ベースバンド信号に適用される。
【０１１６】
データリンクおよびネットワーク層
ウエアラブルなマスターデータリンク層２７０は、ポーリングおよびＡＬＯＨＡ ＭＡＣプロトコル、ならびにＦＥＣ符号化率適合を実行し得る。ＭＡＣ機能は、ＭＡＣプロトコル操作を実行するMACLayerというクラスにより実行され得る。ウェアラブルマスターネットワーク層２８０は、ウェアラブル・ノード・プロトタイプにおける場合と同様に、同一の媒体アクセスアドレス指定スキームを実行することができるが、ここでは集中化マッピング機能も実行される例外を伴う。
【０１１７】
アプリケーション層
ウェアラブル・マスター・アプリケーション層２９０は、グラフィカル・ユーザー・インタフェース（ＧＵＩ）と、システムマルチレイヤー機能との交信を可能にするWit.ai・コマンドのセットとを含み得る。一態様においては、ＧＵＩの主要な要素は、３つのタブのTabViewControllerクラスである。図８（左）に示す第１のタブ３０２は、PHYViewControllerオブジェクトを含有する。ｉＯＳの基本ビューコントローラであるUIViewControllerを継承し、ＰＨＹ層の性能をテストするために実行されている。PHYViewControllerは、ランダムデータの送受信を可能にする２つのUIButton３０４，３０６、および送信されたパケットと、受信したパケットのＢＥＲ情報を表示するコンソールのようなUITextView308とを収容する。
【０１１８】
第２のタブ３１２は、UIViewControllerから継承し、配置されたウェアラブル・ノードから来る感知データを要求し、受信し、視覚化することによって、ユーザーがＭＡＣ層機能をテストすることを可能にする、MACViewControllerオブジェクトを含有する。MACViewControllerは、感知されたデータを表すオブジェクトの収集物であるUICollectionViewを埋め込む。図８（中央）には、歩数、睡眠時間数、心拍数、呼吸数および１分間の呼吸容量、血液中のグルコースレベルおよび拡張期／収縮期血圧に関連する収集物内の６つのオブジェクト３１４が示されている。UIBarButtonItemリフレッシュ・オブジェクト３１６は、全ての監視データを取り出すことを可能にする。Wit.ai・フレームワークに定義されたWITMicButton318は、音声コマンド処理を可能にする。
【０１１９】
現在のインプリメンテーションは、監視された医療データのいずれか、たとえば’血圧を測って’または’昨夜、何時間眠ったか’などの音声コマンドをサポートする。第３のタブ３２０は、セクション２．４で記したアプリケーション層再構成機能にアクセスを付与する、APPViewControllerオブジェクトを含有する。APPViewControllerでは、アプリケーションが、加速度計およびＥＣＧなどの必要な入力データを提供する感知ユニットに基づいてグループ化される。各UIButton322は、アプリケーションのグループを表し、そのグループ内の利用可能なアプリケーション３２４を示すPopViewControllerオブジェクトにアクセスを付与する。ユーザーはウェアラブルノードで実行するアプリケーションを選択し得る。例えば、図８（右）は、ＥＣＧを装備したウエアラブルなリモコンに心拍数またはＲＲ間隔モニタをどのように設置するかを選択し得るかを示す。
【０１２０】
５．性能評価
ウエアラブル機器の超音波通信の実現可能性をテスト実験で実証し、セクション３で論じたプロトタイプの性能を評価する。先ず、プロトタイプの物理層性能は、（ｉ）受信機における信号対ノイズ比（ＳＮＲ）、および（ｉｉ）ＦＥＣ符号化率の関数としてＢＥＲに関して評価される。次に、システムＭＡＣプロトコルがどのようにネットワーク・ノードが共存することを可能にし、一方で、ユーザーが感知された医療パラメータに効率的にアクセスができるようにするかを示す。最後に、システムの再構成可能なデータ処理を活用して、一連のプリミティブブロックを使用して構築された３つのアプリケーションをインストールして実行する。３つのアプリケーションは、処理精度、すなわち得られた出力と期待される出力との間の変位に関して評価される。
【０１２１】
５．１  ＰＨＹ層性能
実験のセットアップ
実験のセットアップは、視線（ＬＯＳ）と視線近く（ｎＬＯＳ）の２つの異なるシナリオで、ウエアラブル・マスターと双方向に通信するウエアラブルノードからなる。ＬＯＳシナリオにおいて、反射と散乱を最小限に抑えるために、２つのデバイスが５０ｃｍ離れた位置に、その間に障害物がないように配置される。ｎＬＯＳシナリオにおいて、ウエアラブルノード４２０は、図９に示すように、ユーザーの身体４１０に沿って、胸部および右脚に配置される。スマートフォンに配置されたウエアラブルマスターノード４３０は、ユーザーの右手に保持される。この設定では、伝播領域内のオブジェクトが反射や散乱を引き起こし、ＩＳＩを導入して通信性能を低下させる。
【０１２２】
図１０は、上記の３つのシナリオのアップリンクＣＩＲを示す。ＬＯＳシナリオにおいて、ＣＩＲは単一の支配的なコンポーネントを含有する。ｎＬＯＳシナリオにおいて、マルチパスのために、受信機でＩＳＩ変形に寄与する多数コンポーネントがある。特に、胸部−手セットアップでは、ＣＩＲは明らかに第２の経路を提示するが、これはおそらくユーザーの手からの反射のためであり、脚部−手セットアップでは最大６つの経路をカウントすることができ、ユーザーの体幹および手からの多重反射によっておそらく起こされる。これらの３つのシナリオにおけるコヒーレンス帯域幅は、それぞれ約２１ｋＨｚ、１４ｋＨｚ、および６ｋＨｚである。
【０１２３】
各ＢＥＲ測定のために、疑似乱数の生成された生データを含有する、３２ビットの６００パケットまで、すなわち２５６キロビットが、送信される。実験は、温度が２１℃、相対湿度が約３０％のインドアの部屋で行われた。物理層は、各ＧＭＳＫ記号が１６サンプルで表されるように、構成された。サンプルレートは、使用するオーディオ・ハードウエアによって要求されるように４４．１ｋＨｚにセットされる。これに基づき、サンプルレートと記号あたりのサンプルとの比として得られる、生の物理層データレートは、約２．７６ｋｂｉｔ／ｓである。ＧＭＳＫ  ＢＴ積は０．７に固定され、それは、ＩＳＩ歪みと周波数利用効率との間の良好なトレードオフを表す。得られる信号帯域幅は約２ｋＨｚであり、これは３つの実験セットアップのコヒーレンス帯域幅よりも低く、したがって狭帯域送信スキームの定義に従う。
【０１２４】
中心周波数は１８ｋＨｚに設定されているが、可聴周波数範囲にあるものの、低聴力、公平な伝搬効率、および公平な音響生成とＣＯＴＳマイクと使用のスピーカーの検出との間の良好なトレードオフを表す。具体的には、使用されるマイクおよびスピーカーのスペクトル応答が与えられると、１８ｋＨｚが最も高い周波数であることが分かった。これは、信頼性の高い通信が得られること、すなわち、１ｍまでの興味のある距離範囲における比較的低いＢＥＲが得られ得る。同時に、信号送信は、装置を装着するユーザーによってほとんど聞こえない。６４ビットＰＮシーケンスは、同期化およびチャンネル推定のためのプレアンブルとして使用される。
【０１２５】
ＬＯＳにおけるＢＥＲ性能
図１１（上）は、ダウンリンク、すなわちウエアラブルマスターからウエアラブルノードまでのＢＥＲ結果を示しており、符号化されていない送信スキームの性能は、符号化率が｛８／９，４／５，２／３，１／２｝である４つの符号化された送信と比較される。５つの送信スキームの情報レートは、符号化されていない送信に対して２．７６ｋｂｉｔ／ｓから符号化率が８／９に対しては２．４５ｋｂｉｔ／ｓ、符号化率が４／５に対しては２．２０ｋｂｉｔ／ｓ、符号化率２／４に対しては１．８４ｋｂｉｔ／ｓ、符号化率１／２に対しては１．３８ｋｂｉｔ／ｓである。図１１（下）は、アップリンク、すなわちウエアラブルノードからウエアラブルマスターへの同じ比較を示す。ＳＮＲは、受信された平均信号電力と、増幅およびハイパスフィルタリングの後に測定された平均ノイズ電力との比として、受信機で計算される。測定されたＳＮＲは、送信機スピーカーを駆動する信号電力を低減することによって変化する。ダウンリンクにおいては、これはスマートフォンスピーカーの音量を下げることによって行われ、アップリンクにおいては、増幅器の入力で信号フルスケールが低減される。最大電力は、送信されたサウンド結果が送信機の近くにいる人にとって聞き取れないように選択される。
【０１２６】
図１１から観察されるように、ＢＥＲはＳＮＲの減少ファンクションであり、ＦＥＣスキームは、チャンネル誤差の一部を回復することによってチャンネル歪みを緩和することが分かる。５ｄＢのＳＮＲでは、ＦＥＣが通信性能に影響を及ぼすにはＢＥＲが高すぎる。５ｄＢを超えるＳＮＲでは、高い符号化率送信の方がはるかに優れた緩和性能を有し、こうして、低いＢＥＲを有する。
【０１２７】
ウエアラブルノード増幅器の出力における電力を測定することによって、送信電力２０ｍＷ、すなわち受信機での１３ｄＢ ＳＮＲを用いて、プロトタイプが、１０−５ＢＥＲで、符号化されないアップリンク送信上に、どのようにして２．７６ｋｂｉｔ／ｓを達成するかを示し得る。送信電力は、より低いＦＥＣ符号化率で補償することによって低下させることができ、こうして情報レートを低下させ得る。例えば、現在の実行においては、１０ｍＷの送信電力、すなわち７ｄＢのＳＮＲに対して、プロトタイプは、１／２の符号化率を使用して１０−５ＢＥＲで１．３８ｋｂｉｔ／ｓを達成する。
近超音波周波数範囲のＧＭＳＫスキームを初めて使用することによって、プロトタイプは比較的高いデータレートを達成し、セクション２．１．１で記したＧＭＳＫ位相連続性のために事実上聞こえないクリックフリーの送信を保証する。
【０１２８】
ｎＬＯＳにおけるＢＥＲ性能
図１２は、ＬＯＳシナリオの胸部−手セットアップ（上）および脚部手セットアップ（下）における、アップリンク送信のＢＥＲ性能を示す。曲線はＬＯＳシナリオと同じパターンに従うが、より悪いチャンネル条件のために、対応するＢＥＲレベルがより高いことが分かる。胸部−手のシナリオにおけるＢＥＲは、ＬＯＳのものよりもわずかに高く、すなわち、同じＢＥＲに対して約１ｄＢ多くのＳＮＲが必要とされる。言い換えると、脚部−手のシナリオでは、ＬＯＳシナリオと同じＢＥＲ性能を達成するために４ｄＢのＳＮＲの増加が必要である。胸部−手のアップリンクにおいては、送信電力４５ｍＷ、すなわち受信機で約１３ｄＢのＳＮＲを使用する１０−５ＢＥＲでプロトタイプが２．７６ｋｂｉｔ／ｓを達成し、４５ｍＷの送信電力で同じＢＥＲが得られ、すなわち、受信機で約９ｄＢのＳＮＲとなり、ＦＥＣ符号化を介してデータレートを半分にする。脚部−手アップリンクにおいては、１０−５ＢＥＲが、送信電力２５０ｍＷ、すなわち受信機で約１８ｄＢのＳＮＲで、符号化されない送信で２．７６ｋｂｉｔ／ｓに対して、および送信電力の１３０ｍＷ、すなわち、１．７８ｋｂｉｔ／ｓ符号化された送信に対して、受信機で約１２ｄＢのＳＮＲで得られる。
【０１２９】
これらの結果は、ユーザーの衣服によって引き起こされるマルチパス効果およびより高い減衰が、ＬＯＳシナリオと比較してより高い電力送信をどのように必要とするかを示す。超音波信号は固体材料によってさらに減衰されても、それらは衣服を介する短距離での通信にも使用し得る。一般に、より広い平坦帯域幅を有するスピーカーおよびマイク、または特注の最適化された超音波トランスデューサを使用することによって、送信電力を低減し得る。実際、超音波周波数付近で効率的に動作するように設計されていないプロトタイプに使用されるＣＯＴＳスピーカーとマイクの電気音響変換の間に、送信電力のかなりの部分が失われる。
【０１３０】
５．２  ＭＡＣ層性能
プロトタイプ、すなわちポーリングおよびＡＬＯＨＡに実行されたＭＡＣ層プロトコルの性能は、データ配信遅延、およびネットワーク内のノード数の関数としてのパケットドロップ率に関して評価された。
【０１３１】
実験セットアップ
デバイス層が２次元表面上のｎＬＯＳに横たわり、および各ウエアラブルノードがウエアラブルマスターから４０ｃｍ離れた位置に配置されている、Ｍ／Ｓ構成が設定された。実験では、ポーリングまたはＡＬＨＯＡ  ＭＡＣプロトコルを使用して、最大４つまでのウエアラブルノードからウエアラブルマスターでデータを収集した。フェッチされ得る６つの異なるパラメータが考慮され、これらは４つのウエアラブルノード、すなわちノード１における歩数および睡眠時間数、ノード２における心拍数および拡張期／収縮期血圧、ノード３における呼吸数／１分間の呼吸容積、およびノード４における血液中のグルコースレベルの間に分布される。各パケットは、１０バイトの情報を、すなわちＦＥＣ符号化の前に含有していた。
【０１３２】
適合ポーリング
ポーリングプロトコルを使用して、ウエアラブルマスターが、あるノードから一度にデータをフェッチし、ウエアラブルノードはノードＩＤなどの物理アドレスを介してアドレス指定された。ＰＨＹ層の適合化は、ウエアラブルマスターで経験したパケットドロップ率に基づいてＦＥＣ符号化率を反応的に適応させ、連続する再送信の数を最小にすることを可能にした。具体的には、ウエアラブルマスターがフェッチパケットを再送するたびに、より低い符号化率が｛８／９，４／５，２／３，１／２｝において使用された。各フェッチコマンドのための最大再送信数は、４に固定された。プロトコルは、ウエアラブルマスターによって最初のフェッチパケットが送信された瞬間から最後のデータパケットがウエアラブルマスターで正しく受信される瞬間までの時間として定義されたデータ配信遅延に関して評価された。
【０１３３】
図１３（上）は、ウエアラブルマスターで測定されたＳＮＲの２つのレベル、すなわち１０ｄＢおよび１４ｄＢ、および２つの符号化率、８／９および４／５に対するネットワーク内のノード数の関数としてのポーリングデータ配信遅延を示す。予想通り、平均して各ノードは、同じ送信時間が与えられるため、配信遅延はネットワーク内のノードの数と共に直線的に増加することが分かる。さらに、再送信はチャンネル条件のみに起因するものであり、すなわち、異なるユーザー間で衝突がないため、ＳＮＲまたは符号化率を増加させることによって配信遅延が減少する。
【０１３４】
図１３（下）は、２つの固定符号化率、すなわち８／９と４／５に対するＳＮＲと適応シナリオに対するＳＮＲの関数としての配信遅延を示す。より低いＳＮＲでは、８／９の符号化率は、ＰＨＹ層におけるより高いＢＥＲに起因する頻繁な再送信のために、符号化率４／５よりも高い配信遅延を与えたことが分かる。反対に、より高いＳＮＲに対して、４／５の符号化率は、必要以上にオーバーヘッドをもたらし、８／９の符号化率よりも高い配信遅延を与える。予想通り、適応シナリオは、２つの固定符号化率シナリオの間に配信遅延をもたらした。
【０１３５】
ＡＬＯＨＡ
ＡＬＯＨＡで、セクション３．１．２で記したコンテンツセントリックアドレス指定スキームが使用された。したがって、ウエアラブルマスターは、複数のウエアラブルノードからデータをフェッチする要求メッセージを送信する。ウエアラブルノードは、利用可能ならば、ランダムにチャンネルにアクセスすることによって、要求されたデータを送信した。最後に、送信の間のバックオフ時間を０から最大バックオフＢｍａｘまで選択し、実験中に変化させ、一方で、ＳＮＲを１４ｄＢに、ＦＥＣ符号化率を８／９に固定した。図１４は、Ｂｍａｘの２つの異なる値、すなわち１．５秒および３秒の間のネットワーク内のノードの数の関数としてのデータ配信遅延を示す。
【０１３６】
結果は、１４ｄＢのＳＮＲと８／９の符号化率のポーリングプロトコルによって経験されたデータ配信遅延と比較された。ネットワーク内のノードの数が３よりも少ない場合、Ｂｍａｘ＝１．５ｓはＢｍａｘ＝３ｓよりも少ない遅延を与えることが分かる。ここで、Ｂｍａｘが高いほど、より高いバックオフ時間を選択する確率が高くなり、チャンネルの過少利用が生じる。一方、３以上のノード数に対しては、Ｂｍａｘ＝１．５ｓは衝突確率が高く、こうして再送信による遅延が多い。
【０１３７】
５．３  データ処理性能
アプリケーション層再構成機能の有効性をテストするために、得られた出力間、すなわち与えられたセンサトレース上でアプリケーションが読み取るものと期待されるもの、すなわちアプリケーションが与えられたセンサトレース上で読み取るべきものとの間の変位に関して、データ処理精度を評価した。２つのＥＣＧを備えたセンサノード、すなわち心拍数モニタ、ＥＣＧ  ＲＲ間隔モニタ上で動作する、および１つの加速度計付きセンサノード、すなわち歩数計上で動作する３つのアプリケーションが検討された。
【０１３８】
ＥＣＧ処理
公平な比較を示すために、アプリケーション層のデータ処理は、外部記録され、次いでウエアラブルノードメモリにロードされた参照生センサデータで供給された。ＥＣＧベースのアプリケーションに対して、重大な不整脈がないと見出された患者からのＥＣＧ記録を収集する、MIT-BIH Normal Sinus Rhythm Databaseからの出力が使用された。ＭＩＴ−ＢＩＨデータベースは、参照として使用できる出力の心拍数およびＲＲ間隔も特定する。出力は１２８Ｈｚでサンプリングされた。１０個のＭＩＴ−ＢＩＨデータベースからの１分間の出力を取り出し、ウエアラブルノードにロードした。表１は、セクション３．１．２で記したＲ法、第２列、ＲＲ法、第３列を用いたウエアラブルノードの心拍数推定を示す。これらを、ＭＩＴ−ＢＩＨデータベース第４欄により提供された心拍数基準と比較した。最初の欄には、データベースの出力ＩＤを示す。Ｒ法とＲＲ法の両方が基準心拍数の良好な推定値を示し、それぞれ９６．１％と９８．７％の平均精度を提供することが分かる。
【０１３９】
表２は、ウエアラブルノード、第２および第４の欄によって推定されたＲＲ間隔平均μおよび標準偏差σを示し、これらをＭＩＴ−ＢＩＨデータベースの第３および第５欄によって提供されるＲＲ間隔参照統計と比較する。ウエアラブルノードは、ＲＲ間隔の平均、すなわち約９９．６％の精度で正確に推定することが分かる。標準偏差σについては、２つの理由：（ｉ）比較的低いサンプリングレートは８ ｍｓの感度を与え、これは標準偏差のような少量の測定に影響し得、 および（ｉｉ）ピーク検出アルゴリズムの失敗も測定に影響した、からより低い精度、すなわち８３．６％が得られた。高いサンプリングレ−トおよび異常値検出技術が、標準偏差測定を向上させるために使用し得る。
【０１４０】
【表１】
2018509951.tif 000003
【０１４１】
【表２】
2018509951.tif 000004
【０１４２】
加速度計処理
センサログ、デバイスからセンサデータを読み取り、それらを文字区切り値（ＣＳＶ）形式でエクスポートできるｉＯＳアプリを使用して、１０個の３次元加速度計出力を６０Ｈｚのサンプルレートで記録した。センサログは、ｉＯＳデバイスによってカウントされた歩数に関する情報も提供する。これは、ウエアラブルノードの歩数計カウンタ・アプリケーションの精度を評価するための参照として使用された。
【０１４３】
表３は、ウエアラブルノード、第２欄によって推定された歩数カウントを示し、ｉＯＳデバイス、第３欄の歩数推定値、およびステップ、第４欄を実行している間のユーザーによってカウントされた実歩数と比較する。第１欄は、３つの歩行出力、３つの実行出力および３つの階段登り出力、すなわち、下向き、上向きおよび下向き／上向きを列挙する出力名を示す。ウエアラブルノードは、平均して、ｉＯＳデバイスと同じ精度、すなわち、ユーザーによってカウントされたステップ数に対して約９４％で、歩数をカウントすることが分かる。
【０１４４】
【表３】
2018509951.tif 000005
【０１４５】
６．医療分野のＩоＴ
図１５は、複数の埋め込み可能なノード５２０が、身体５１０（点線で示す）の内側と身体（ダッシュ線で示す）上に配置されたゲートウェイノード５３０との両方で通信するシステム構成の態様を示す。ゲートウェイノードは、任意の情報をアクセスポイントノード５４０（実線で示す）に導くことができ、それは、このシナリオでは、インターネットに接続されたスマートフォンにより実行される。システムは、上に記した超音波通信システムの側面を包含することができ、以下の説明では詳細は繰り返さない。
【０１４６】
６．１  埋め込み型ノード
上で注記した通り、埋め込み型ノードは、１以上の生物学的パラメータを測定し、および／または刺激付与、ペーシング、および薬物注射などの操作を実施するために、体内に配置される、超音波感知および／または作動デバイスを包含する。
【０１４７】
６．１．１  ハードウエア
埋め込み型ノードは、いくつかの側面を具現化し得る。１つの側面においては、埋め込み型ノードは、柔軟な感知／処理／ネットワーキングプラットフォームとなり得る。通信、ネットワーキング、感知／作動、処理などの機能は、再構成可能で、ソフトウエアで定義し得る。別の側面においては、埋め込み型ノードは、チップ集積化における、および所望の機能の現状と適合する小型でコンパクトなフォームファクタを使用し得る。例えば、いくつかの態様において、埋め込み可能なノードは、１センチメートル直径の小さなディスクによって実行され得る。別の側面においては、埋め込み型ノードは、超低電力、高度に統合された、再プログラミング可能なコンポーネントで作ることができる。さらなる側面において、埋め込み型ノードは、超音波無線充電およびエネルギー収集能力を包含し得る。例えば、埋め込み型ノードは、トランシーバおよびエネルギーハーベスタとして小型化された超音波トランスデューサを埋め込み得る。
【０１４８】
図１６は、埋め込み型ノードのハードウエア態様の高レベル機能アーキテクチャを示す。ハードウエアは、コアユニット６１０、通信インターフェース６３０、電源ユニット６５０、およびプラグ−アンド−センスインターフェースとも呼ばれる感知ユニットおよび／または作動ユニットのためのインターフェース６７０を包含し得る。
【０１４９】
いくつかの態様において、埋め込み型ノードのコアユニットは、ｍｍサイズの低電力のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を包含し得る。ＦＰＧＡは、異なる物理層プロトコル、エネルギー効率を犠牲にすることなく処理することを伴う実験のサポートにおける柔軟なハードウエアの再構成を可能にする。コアユニットは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）を包含し得る。ＦＰＧＡとＭＣＵの組み合わせは、パッケージングが小さく、エネルギー消費量の少ないハードウエアとソフトウエアの再プログラミングの可能性を提供し得る。埋め込み可能なノードは、センサおよび／またはアクチュエータのためのインターフェースを包含する。柔軟な‘プラグ−アンド−センス’インターフェースは、再構成やユーザーの介入なしに、異なる感知および作動ユニットに対応するために使用し得る。
【０１５０】
例えば、圧力およびグルコースレベルセンサ、または電気刺激のためのリード線を使用し得る。超音波を介する通信および音響エネルギー収集は、埋め込まれた小型のトランスデューサによって可能になり得る。埋め込み型ノードは、高集積度、高エネルギー変換効率、および集束およびビーム形成能力を有する超音波トランスデューサのアレイを埋め込み得る。埋め込み型ノードは、電池で電力供給され、音響振動を介するエネルギー収集および超音波無線エネルギー転送を包含する。
【０１５１】
６．１．１．１  コアユニット
いくつかの態様において、コアユニット６１０は、ソフトウエアで定義された通信、処理およびネットワーク機能を実行することができる２つのｍｍサイズの低電力処理ユニット、ＭＣＵ６１４およびＦＰＧＡ６１２と、センサからのデータを格納し得、ＦＰＧＡの再構成を可能にする、不揮発性メモリ６１６とを包含する。小型化されたＦＰＧＡは、物理層（ＰＨＹ）およびいくつかのタイム・クリティカルなデータリンクまたは媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層機能をホストすることができ、ＭＣＵからのコンピュータ的に高価な操作の負荷軽減を助ける。物理層での再構成可能性は、非標準の通信技術に基づく実験および研究プラットフォームにおいて有用である。
【０１５２】
埋め込み型商用デバイスにおいて、インプラントの寿命が５〜１０年またはそれ以上になり得るため、処理の再構成可能性やＰＨＹ機能も有用であるが、一方で、無線標準チップセットは１．５年の寿命を有し、すぐに時代遅れになる可能性がある。システムはまた、アイドリング時には低い、理想的にはゼロの静的な電力消費を使用することができ、必要に応じて起動することができる。システムは、通信機能を実装するのに十分な論理セルを包含することができる。これらの要件は結合されており、本システムにおいて統合された方法で対処し得る。
【０１５３】
ＦＰＧＡ
ＦＰＧＡ６１２は、物理（ＰＨＹ）層機能をホストすることができ、ＭＣＵからのコンピュータ的に高価な操作の負荷を軽減し得る。ＦＰＧＡはハードウエアの再構成を可能にし、研究感知のプラットフォームにおいて有用である柔軟性のレベルを提供し得る。埋め込まれたＦＰＧＡは、プリント回路基板（ＰＣＢ）の占有面積を減らすために、例えば数平方ミリメートルのオーダーのように小さくなり得る。ＦＰＧＡは、システムがアイドリングステートにあるとき、例えば、進行中の送信または感知がないときのエネルギー消費を最小にするために、低い静的な電力消費を有し得る。さらに、ＦＰＧＡは、必要な通信およびネットワーク機能を実装するために十分なハードウエア資源、例えばロジックセルまたはロジック要素を提供し得る。これら３つの要件は結合されており、好ましくは、本システムにおいて統合された方法で対処される。
【０１５４】
ＭＣＵ
埋め込可能なノードＭＣＵ６１４は、ソフトウエアが定義された機能の実行を担当し、ＭＡＣ、ネットワーク、トランスポートおよびアプリケーションなどの柔軟で再構成可能な上位層プロトコルを実装する。数平方ミリメートルのオーダー、および低電力消費などの小さなパッケージは、システムで対処できる要件である。しかし、リアルタイムの動作システム（ＲＴＯＳ）上で比較的複雑なプロトコルおよび制御アルゴリズムを容易に実装できるようにするために、サイズとエネルギーの消費を性能のために交換し得る。
【０１５５】
６．１．１．２  通信インターフェース
いくつかの態様において、通信インターフェース６３０は、データトランスデューサ、電力および低ノイズ増幅器、および変換器を介して超音波無線接続を可能にする。通信インターフェースは、受信機（Ｒｘ）チェーンおよび送信機（Ｔｘ）チェーンを包含する。Ｒｘチェーンには、受信信号を増幅してデジタル変換する低ノイズアンプとアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を包含する。Ｔｘチェーンは、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、送信前にデジタル波形をアナログ変換して増幅する電力増幅器とを包含し得る。ＴｘおよびＲｘチェーンは、超音波トランスデューサを介してデータを送受信することを担当し得る。コアユニットと通信インターフェースとの間の通信は、シリアルまたはパラレル通信を介して行い得る。
【０１５６】
データ変換器
データ変換器、すなわち、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）およびデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）は、受信機チェーンの受信信号をアナログ−デジタル変換し、および送信機チェーンで送信前に、デジタル波形をデジタル−アナログ変換するために、それぞれ使用される。ＡＤＣおよびＤＡＣコンポーネントは、埋め込み型ノードの通信要件に基づいて選択され得る。
【０１５７】
増幅ステージ
増幅ステージは、受信機チェーン内の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）と送信機チェーン内の電力増幅器（ＰＡ）とを包含し得る。適切な増幅コンポーネントを選択することは、いくつかの要因の考慮に基づき得る。第１に、上記の通信要件、すなわち信号帯域幅および中心周波数は、増幅器の周波数応答を制限する。第２に、感度および送信応答などの使用中の超音波トランスデューサの特徴は、増幅利得要件に影響を与える。第３に、意図された通信範囲は、特定のアプリケーションシナリオに依存し、電力および利得要件にも影響する。第４に、電力消費とＰＣＢ面積占有率を最小限に抑えるべきである。
【０１５８】
受信機側で、超音波トランスデューサの高出力インピーダンス（１００ＭΩのオーダーの）が運用上の増幅器（オペアンプ）、その入力インピーダンスは、ＧΩオーダー）を受信機増幅器としての使用に好適にする。さらに、受信信号は通常、広い動的範囲を有するので、ノイズが懸念である。トランスデューサおよび増幅器のノイズフロアは、受信機の感度を制限する。
【０１５９】
送信機側で、超音波トランスデューサの高入力能力は、トランスデューサを駆動する際の困難さを表わす。実際、容量性負荷と関連して増幅器出力抵抗は、周波数応答における振動およびピークなどの不安定性を起こし得る、増幅器の転送機能における追加のポールを形成する。いくつかの増幅器は、本質的に容量性負荷駆動能力を有するが、一般に、高容量値に対しては、整合回路などの補償技術を用い得る。代替的に、より高い送信電力が必要とされる場合、トランスデューサの高い入力インピーダンスは、電圧供給より高い電圧入力を必要とすることがあり得、バッテリの電力供給設計においては、１．８Ｖと５Ｖとの間にあり得る。この場合、埋め込み型ノードは、充電ポンプ迂回、すなわちエネルギーを貯蔵するため、電圧供給を超える電圧を生成するためのキャパシタを使用する回路を埋め込み得る。
【０１６０】
超音波トランスデューサ
超音波は、約２０ｋＨｚの人間の聴力の上限を超える周波数で弾性媒体を介して伝播する機械的圧力波である。超音波トランスデューサは、電気信号を超音波信号に変換する、またはその逆の装置である。いくつかの態様において、超音波トランスデューサは、変換を可能にする物理的機構に基づいて、圧電性または静電性であり得る。圧電トランスデューサは、外部の電圧変動によって圧電素子を介して機械的に振動させ、外部の機械的な振動下で電圧変動を生じさせる。静電トランスデューサにおいて、基本的な機構は、静電力の下での薄いプレートの振動である。微細機械加工された超音波トランスデューサは、小型を提供し、音響インピーダンスの整合性を制御するために使用し得る。
【０１６１】
いくつかの態様において、システムは、空間的フィルタリング能力を有する指向性通信、すなわちビーム形成を可能にする。超音波アレイは、多重の、独立した活性化要素を有するトランスデューサである。各アレイ要素によって送信される信号を時間内に遅延させることによって、超音波ビームは特定の方向に駆動され、一方で、受信機で空間的フィルタリングが、好ましい方向から来るが、他の方向は抑制する信号を受信するために、使用し得る。ビームフォーミングとして既知のこのプロセスは、トランスデューサの放射パターンを動的に適応させるために活用し得る。
【０１６２】
ＲＦ冗長チップ
埋め込み型ノードは、低電力超音波通信が利用できない場合、例えば、ゲートウェイノードが正しく配置されていない場合など、にシステムに冗長性を提供するために使用できるＲＦトランシーバを埋め込み得る。ＲＦチップは、産業、科学、医療（ＩＳＭ）無線帯域、および医療インプラント通信サービス（ＭＩＣＳ）帯域において、操作させ得る。ＲＦチップは、ブルートゥース（登録商標）、Wi-Fi、またはZigBee機能、および独自の通信方式およびプロトコルを実装し得る。ＲＦチップは、緊急のステートで作動させることができ、埋め込み型ノードをインターネットアクセスポイントに直接接続できる長距離無線通信を可能にし得る。
【０１６３】
６．１．１．３  感知および作動ユニット  インターフェース
いくつかの態様において、埋め込み可能なノードは、異なる感知または作動ユニット、例えば、圧力およびグルコースレベルセンサ、ならびに、作動ユニット、例えば電気的刺激またはマイクロニードルのためのリードなどを収容するための柔軟なインターフェースシステム６７０を包含し得る。埋め込み可能なノードボードは、取り外し可能で、異なる交換可能なボード、すなわちドーターボードを接続できる、小型のピンヘッダーを使用し得る。各ドーターボードは、異なる感知または作動ユニットを収容することができ、埋め込み可能なノードを、多くのアプリケーションで動作可能な柔軟な感知および作動医療プラットフォームにする。埋め込み型ノードのメインボードとドーターボードとの間の通信は、ＭＣＵまたはＦＰＧＡによって、シリアルまたはパラレル接続を介して操作し得る。また、感知および／または作動ユニットを埋め込み可能なノードに配線接続することができることも理解されよう。
【０１６４】
感知ユニットは、例えば、限定なしに、運動センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心調律モニタ、心拍モニタ、パルスモニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、ＲＥＭ睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１つ以上の生体分子のためのセンサ、１つ以上の医薬品または医薬品薬剤成分のためのセンサ、溶解したガスまたはイオンのセンサ、およびｐＨ、イオン強度または浸透圧のセンサを包含する。１つ以上の生体分子のためのセンサは、１つ以上のペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド、タンパク質、糖タンパク質、抗体、抗原、核酸、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、砂糖、二糖類、三糖類、オリゴ糖類、多糖類、脂質、糖脂質、プロテオリピド、サイトカイン、ホルモン、神経伝達物質、代謝産物、グリコサミノグリカン、およびプロテオグリカンを包含する。
作動ユニットは、例えば、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置を包含することができるが、これらに限定されない。
【０１６５】
６．１．１．４  電源ユニット
いくつかの態様において、電源ユニット６５０は、装置に電力を供給するための電池要素を収容し得る。低電力および低電圧構成コンポーネントを使用するいくつかの態様において、公称電圧が１．５〜３Ｖの小型で薄いバッテリを使用し得る。電源ユニットには、人間のエネルギー収集と超音波エネルギー伝達機能を管理する２つの集積回路を埋め込むこともできる。前者は、体内で利用可能な振動エネルギー、例えば、心拍または人の声の残響を収集することを可能にする。後者は、体外超音波源から転送された超音波からのエネルギーの収集を可能にする。
【０１６６】
６．１．２  ソフトウエア
埋め込み型ノードソフトウェアアーキテクチャは、アプリケーションおよび情報を効率的に分配するためのシステム要件に柔軟に適応し得る、一連のＰＨＹ、データリンク、およびネットワーク層機能を取り囲むソフトウエア定義のネットワークフレームワークを包含し得る。埋め込み型ノードフレームワークは、アプリケーション層でリアルタイムの再構成可能性を提供し、医療アプリケーションを開発するための柔軟なプラットフォームを提供し得る。特に、ノード内で実行するセンサデータ処理アプリケーションは、ユーザー要件に適合する新しい感知アプリケーションを作成するために任意に配置し得るプリミティブ・ビルディング・ブロックに分解することができる。
【０１６７】
図１７は、上に記載した図２と実質的に同様のフレームワークの高レベルの概要を示す。それは、（ｉ）インパルス送信のための変調および同期化を包含するＰＨＹ層機能、（ｉｉ）前方誤り制御と媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルを包含するデータリンク層機能、（ｉｉｉ）ＩＰｖ４およびＩＰｖ６サポートおよびコンテンツセントリックネットワーキングなどのネットワーク層機能、および（ｉｖ）アプリケーション層機能、すなわち、再構成可能な感知データ処理およびユーザーインターフェースを包含する。いくつかの態様において、これらの機能を２つの異なる処理ユニットに分割することができる。データリンク、ネットワーキング、およびアプリケーション層の機能はＭＣＵ上で実行可能で、コンピュータ的に求められる操作をＦＰＧＡにオフロードし得る。
【０１６８】
ＩＰ集積
埋め込み型ノードネットワーキングフレームワークは、ＩＰｖ４およびＩＰｖ６プロトコルサポートを統合する適合層を定義することによって、インターネットとの相互運用性を提供する。適合層は、超音波ネットワークに最適化されたＩＰヘッダー圧縮とＩＰパケットフラグメント化機能を介して、伝統的なＩＰネットワーク層を埋め込み型ノードＭＡＣ層とインターフェースする一連の機能を包含する。ＴＣＰまたはＵＤＰなどの標準プロトコル、またはカスタムプロトコルは、トランスポート層で実装できる。
【０１６９】
図１８は、埋め込み可能なノードソフトウェアアーキテクチャがＦＰＧＡ６１２とＭＣＵ６１４との間で分割される態様を示す。ＦＰＧＡロジック設計は、ＦＰＧＡチップをＭＣＵおよび周辺機器（ＤＡＣ、ＡＤＣ、メモリ、センサ）と接続するために、ＰＨＹ層通信機能、ならびにＳＰＩおよびＩ２Ｃなどのインターフェースを実装する。ＭＣＵソフトウエアの設計は、リアルタイム動作システム（ＲＴＯＳ）に基づき、上位層の通信機能とプロトコルを実行し得る。ＭＣＵソフトウエア設計は、ＭＣＵと周辺機器（ＦＰＧＡ、ＤＡＣ、ＡＤＣ、メモリ、ならびにセンサ）間のデータ交換を可能にするために、ＳＰＩやＩ２Ｃなどのインターフェースを定義することもなし得る。
【０１７０】
６．１．２．１  ＦＰＧＡ論理的設計
ＦＰＧＡトップレベル・モジュールは、一連の先入れ先出し（ＦＩＦＯ）メモリ・キュー・ブロックである、ＰＨＹ層通信機能、および最終的にフェーズロックループ（ＰＬＬ）ブロックを実装するＴｘおよびＲｘチェーン・ブロックを例示化し得る。ロジックは、ＦＰＧＡのピンの１つに入力される外部システムクロック信号によって駆動される。
【０１７１】
Ｔｘ／Ｒｘチェーン
ＴｘおよびＲｘチェーンブロックは、それぞれ、送信機および受信機ＰＨＹ層の機能を実装する。このブロックは、ＳＰＩを介してＭＣＵから来るバイトのストリームを入力として受け取り、変調ビットを表すＰＨＹデジタル波形を出力する。デジタル波形は、次に、ＳＰＩを介してＤＡＣに渡され、デジタル−アナログ変換され、ＰＡによって増幅され、次に超音波トランスデューサから送信される。
【０１７２】
受信機側では、受信機超音波トランスデューサによって捕捉された信号は、まずＬＮＡによって増幅され、次にＡＤＣによってアナログ−デジタル変換される。デジタル波形は、ＲｘチェーンにＳＰＩを介して入力される。このブロックは、入力波形上に、同期化、チャンネル推定、復調などのデジタル信号処理操作を実行し得る。このブロックの出力は、ＳＰＩを通じてＭＣＵに渡し得るバイトのストリームとなるであろう。
ＴｘチェーンおよびＲｘチェーンの両方は、ＰＨＹ層機能を実装するために必要なコンピュータ的に複雑な演算、例えば、とりわけ相関、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、またはデジタルフィルタリングを実行することができる。
【０１７３】
ＦＩＦＯ
ＦＩＦＯブロックは、順序付けられたデータの記憶および検索を可能にする、先入れ先出しメモリ・キューを実装する。一態様において、ＦＩＦＯブロックは、機能的ロジックによって処理される前に、ＦＰＧＡから出入りするデータを外部周辺機器およびＭＣＵにバッファすることができる。ＦＩＦＯはまた、マルチクロックドメインデータ交換、すなわち異なる周波数を有するクロック信号によって駆動される論理間のデータフローを操作するために使用されてもよい。
ＰＬＬ
フェーズロックループ（ＰＬＬ）モジュールは、システムクロックよりも高いまたは低い周波数のクロック信号を合成することを可能にする。
【０１７４】
６．１．２．２  ＭＣＵソフトウエア
ＭＣＵソフトウェアアーキテクチャは上位層のネットワーキング機能とプロトコルを実装する。ソフトウエア設計は、リアルタイム性能を提供すると同時に、小さく構成可能な設置面積を提供するリアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）に基づいている。具体的には、所望のＲＴＯＳは、資源が制約された環境で動作する。ＲＴＯＳは低電力機能を提供し、ＳＰＩおよびＩ２Ｃドライバをサポートして外部周辺機器（ＦＰＧＡ、ＤＡＣ、ＡＤＣ、メモリ、およびセンサ）との通信を可能にする。ＲＴＯＳはＴＣＰ／ＩＰスタックを統合して、埋め込み型ノードがもののインターネット（ＩｏＴ）アプリケーションをサポートできるようにし得る。ＲＴＯＳは、検知または作動操作に関連するアプリケーション層処理を実行することができる。ＦｒｅｅＲＴＯＳやｕＴａｓｋｅｒなど、多くの商用またはオープンソースのＲＴＯＳを使用できる。
【０１７５】
６．２  ゲートウェイ  ノード
超音波ゲートウェイノードは、身体に沿って配置され、埋め込み型ノードの人体ネットワークを外界と橋渡しする。ゲートウェイノードは、必要に応じて、例えば心電図リードなどの検知能力をも収容し得る。
６．２．１  ハードウエア
ゲートウェイノードのハードウエア設計は、いくつかの異なるコンポーネントを除いて埋め込み可能なノードのハードウエア設計と同様である。ゲートウェイノードは、小型でコンパクトなフォームファクタ、例えば、１辺の長さが２センチメートル以下の柔軟な感知／処理／ネットワーキングプラットフォームであり、低エネルギー消費を提供することができ、身体の組織や空気中の超音波やＲＦを介してワイヤレスで通信する。ゲートウェイノードは、貼り付け式スキンパッチに取り付け得る、スリムな形状因子を提供するようにパッケージングし得る。
【０１７６】
ゲートウェイノードのハードウエア・アーキテクチャは、図１６に示す埋め込み可能なノードの１つと類似し得る。ゲートウェイノードのハードウエア設計は、小型パッケージで低エネルギー消費なハードウエアとソフトウエアを提供する、ｍｍサイズおよび低電力フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または／およびマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）に基づき得る。ゲートウェイノードは、身体表面上で測定可能な、ＥＣＧ信号などの生物医学的パラメータを測定するための検知能力を任意に提供し得る。身体組織内の埋め込み可能なノードと、空気中のアクセスポイントノードとの両方と、超音波を介しての通信が、小型の圧電トランスデューサを使用することによって行い得る。
【０１７７】
例えば、いくつかの態様において、ゲートウェイノードは、高集積だけでなく、身体組織および空気中の超音波伝播を強化する能力をフォーカスし、およびビーム形成することを提供する、小型超音波トランスデューサの２つのアレイを埋め込み得る。２つのアレイは、空気中および身体組織内のそれぞれ通信をサポートするために、外部媒体と異なって結合される。ゲートウェイノードは、アクセスポイントノードとの通信をＲＦを通じて可能にする低電力ＲＦトランシーバを埋め込み得る。ゲートウェイノードは、身体からノードを取り外した後に再充電できる、小型で薄い充電式バッテリによって電力供給される。ゲートウェイノードは、デバイスのバッテリ寿命を延ばすのに役立つ、人間のエネルギー収集または超音波無線エネルギー伝達機能も提供する。
【０１７８】
６．２．１．１  通信インターフェース
通信インターフェースは、データ変換器、電力および低ノイズ増幅器、およびトランスデューサを介しての超音波無線接続を可能にする。通信インターフェースは、２つの受信機（Ｒｘ）チェーンおよび２つの送信機（Ｔｘ）チェーンを包含する。Ｒｘチェーンは、受信信号を増幅してデジタル変換するための低ノイズ増幅器およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を包含し得る。Ｔｘチェーンは、送信前にデジタル波形をアナログ変換して増幅するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と電力増幅器とを包含し得る。ＴｘおよびＲｘチェーンは、超音波トランスデューサを介してデータを送受信することを担当し得る。第１のＴｘ／Ｒｘチェーン対は、埋め込み可能なノードとの組織内通信に使用され、一方で、第２のＴｘ／Ｒｘチェーン対は、アクセスポイントノードとの空気中通信に使用される。コアユニットと通信インターフェースとの間の通信は、シリアル通信またはパラレル通信を介して行い得る。
【０１７９】
ＲＦトランシーバ
ゲートウェイノードは、アクセスポイントノードとのＲＦを通じて通信を可能にする、低電力ＲＦトランシーバを埋め込み得る。ＲＦチップは、産業、科学、医療（ＩＳＭ）無線帯域、および医療インプラント通信サービス（ＭＩＣＳ）帯域で操作し得る。ＲＦチップは、ブルートゥース（登録商標）、Wi-FiまたはZigBeeなどの無線近距離通信またはローカルエリアネットワーク通信規格、ならびに独自の通信方式およびプロトコルを実装し得る。
６．２．１．２  電源ユニット
電源ユニットは、デバイスに電力を供給するためのバッテリ素子を収容し得る。ゲートウェイノードの電源ユニットは、超音波エネルギーを埋め込み可能なノードに無線伝達するための超音波電力送信ユニットを埋め込み得る。
【０１８０】
６．３  アクセスポイントノード
アクセスポイントノードは、身体の周囲に配置され、インターネットとシステムを橋渡しし得る。アクセスポイントノードはスタンドアローンデバイス、すなわち、患者の周りに配置された無線または有線のボックスであり得、無線で、または有線を介して、インターネットアクセスポイントに接続するものであり得、またはタブレットまたはスマートフォンなどのスマートデバイス上のソフトウエアによって実装し得る。
【０１８１】
アクセスポイントノードは、複数の通信インターフェースを提供し得る。無線または有線通信インターフェースは、アクセスポイントノードをインターネット、例えば、Wi-Fiまたはイーサネット（登録商標）に接続する。２つの無線インターフェースは、アクセスポイントノードを空気中の超音波および空気中のＲＦ波を介してゲートウェイノードと接続する。アクセスポイントノードは、感知シンクおよびインターネットゲートウェイとして動作する。アクセスポイントノードは、ゲートウェイノードからのデータを収集し、処理して圧縮し、インターネットを通じてクラウドに送信する。同様に、アクセスポイントノードは、遠隔制御コマンドを受信し、それらをゲートウェイノードに、次に埋め込み可能なノードに転送し得る。
【０１８２】
センサおよび／または作動ユニット８０は、生物学的または医療的手順を作動させるために生物学的パラメータまたはアクチュエータを感知するために様々なセンサを使用し得る。
いくつかの態様において、センサは、運動センサ、ジャイロスコープ、加速度計、心調律モニタ、心拍モニタ、脈拍モニタ、血圧センサ、グルコースセンサ、薬物ポンプモニタ、睡眠センサ、ＲＥＭ睡眠持続時間センサ、スチルカメラ、ビデオカメラ、１つ以上の生体分子のセンサ、１つ以上の医薬品または医薬品薬剤成分のセンサ、溶解したガスまたはイオンのセンサ、またはｐＨ、イオン強度または浸透圧のためのセンサを含む。
【０１８３】
いくつかの態様において、１以上の生物分子用のセンサは、１以上のペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド、タンパク質、糖タンパク質、抗体、抗原、核酸、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、糖類、二糖類、三糖類、オリゴ糖、多糖類、脂質、糖脂質、プロテオリピッド、サイトカイン、ホルモン、神経伝達物質、代謝産物、グリコサミノグリカン、およびプロテオグリカンを含む。
いくつかの態様において、アクチュエータは、薬物ポンプ、心臓刺激装置、心臓ペースメーカー、骨成長刺激装置、深部脳刺激装置、神経刺激装置、および神経筋電気刺激装置を含み得る。
【０１８４】
本明細書に記載するシステムおよび方法は、ヒト、および非人的動物で使用し得、および医療的および獣医学分野において使用し得る。
本明細書で記載される処理ユニットおよび通信ユニットは、本明細書で記載されるウエアラブルデバイス間で超音波データを送信するためのシステムを制御するためのプログラミングを実行するコンピュータシステムの一部であり得る。コンピューティングシステムは、コンピューティングデバイスが、アプリケーション層を実行することを可能にするか、またはさもなければ様々な処理タスクを実行することを可能にする、ハードウエア、ソフトウエア、およびファームウエアの組み合わせを包含するコンピューティングデバイスを実装し得るか含み、前記アプリケーション層には、上記アプリケーション層を包含する。コンピューティングデバイスには、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバー、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、モバイルデバイス、ハンドヘルドデバイス、ワイヤレスデバイス、スマートフォン、ウエアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートクロス、埋め込みデバイス、マイクロプロセッサベースのデバイス、マイクロコントローラベースのデバイス、プログラミング可能な家電製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータを包含するが、それらに限定はされない。
【０１８５】
コンピューティングデバイスは、ハードウエアコンポーネントを管理し、ハードウエアとソフトウエアとの間のインターフェースを調整し、起動などの基本動作を管理するソフトウエアとして基本入出力システム（ＢＩＯＳ）およびオペレーティングシステムを包含し得る。コンピューティングデバイスは、コンピューティングデバイスに基本機能を提供するために、オペレーティングシステムと協働する１つ以上のプロセッサおよびメモリを包含し得る。オペレーティングシステムは、アプリケーション層およびその他の処理タスクのためにサポート機能を提供する。コンピューティングデバイスは、様々なハードウエア、ソフトウエア、およびファームウエアコンポーネント間および任意の外部デバイスとの通信を提供するためのシステムバスまたは他のバス（メモリバス、ローカルバス、周辺バス、または同様なものなど）を包含し得る。コンポーネントが互いに通信し相互作用することを可能にする任意の他のタイプのアーキテクチャまたはインフラストラクチャを使用し得る。
【０１８６】
処理タスクは、１つ以上のプロセッサによって実行し得る。シングルプロセッサまたはマルチプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、マルチコアプロセッサ、並列プロセッサまたは分散型プロセッサを包含する、様々なタイプの処理技術を使用し得る。グラフィックス（例えば、グラフィックス処理ユニットまたはＧＰＵ）、ビデオ、マルチメディア、または数学的処理能力などの追加の特殊な処理資源を提供して、特定の処理タスクを実行し得る。処理タスクは、コンピューティングデバイスによって実行されるアプリケーションプログラムまたは他のプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令で実装し得る。アプリケーションプログラムおよびプログラムモジュールは、特定のタスクを実行するかまたはデータに作動するルーチン、サブルーチン、プログラム、ドライバ、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを包含し得る。
【０１８７】
プロセッサは、以下に限定されないが、小規模集積回路、プログラマブルロジックアレイ、プログラマブルロジックデバイス、マスクプログラムドゲートアレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの１つ以上のロジックデバイスを包含し得る。ロジックデバイスは、算術論理ブロックおよび演算子、レジスタ、有限ステートマシーン、マルチプレクサ、アキュムレータ、コンパレータ、カウンタ、ルックアップテーブル、ゲート、ラッチ、フリップフロップ、入力および出力ポート、キャリーインおよびアウトポート、およびパリティジェネレータ、ならびに論理ブロック、論理ユニットおよび論理セルのための相互接続資源を包含し得る。
特定の態様は、上記されているようにＦＰＧＡを利用するが、いくつかの態様においては、プログラマブルロジックデバイスおよび特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を包含する他のロジックデバイスを使用し得ることが理解されよう。
【０１８８】
コンピューティングデバイスは、システムバスまたは他の方法によってアクセスし得るメモリまたはストレージを包含する。メモリは、制御ロジック、指示、および／またはデータを格納し得る。メモリは、キャッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、メインメモリ、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、およびメモリスタ・メモリセルなどの一時メモリを包含し得る。メモリは、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）および消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）などの、ファームウエアまたはマイクロコード用の格納を包含し得る。メモリは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、メモリチップ、およびメモリスタ・メモリセルなどの非一時的または不揮発性または永続メモリを包含し得る。非一時的メモリは、外部記憶装置に設け得る。コンピュータ読み取り可能の媒体は、本明細書で記載される方法およびシステムの態様を実装するためにプロセッサによって後に使用され得る指示を符号化および／または格納する能力のある任意の物理的媒体を包含し得る。これらの態様においては、指示および／またはデータをプロセッサに提供し得る任意の他のタイプの有形の非一時的記憶装置を使用し得る。
【０１８９】
コンピューティングデバイスは、入力デバイスおよび出力デバイスをコンピューティングデバイスの様々な他のコンポーネントに接続するための１つ以上の入出力インターフェースを包含し得る。入出力装置は、キーボード、マウス、ジョイスティック、マイク、ディスプレイ、タッチスクリーン、モニタ、スキャナ、スピーカー、およびプリンタが包含されるが、これらに限定されない。インターフェースは、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート、シリアルポート、パラレルポート、ゲームポートなどを含み得る。他のハードウエアコンポーネントおよびデバイスは、コンピューティングデバイスとインターフェースし得る。本明細書で使用される場合、‘トランシーバ’という用語は、共通回路、ハウジング、または回路基板を共有するかどうか、または分離された回路、ハウジング、または回路基板上に分配されているかどうかの信号を送信および受信の両方をする１つ以上のデバイスを包含し、および送信機−受信機を包含し得る。
【０１９０】
コンピューティングデバイスは、コンピューティングデバイスに電気通信能力を提供するネットワーク接続を通じてネットワークにアクセスし得る。ネットワーク接続は、コンピューティングデバイスが、通信リンクを介して、リモートデバイス、リモートネットワーク、およびリモートエンティティと通信し、交信することを可能にする。通信リンクは、有線または無線リンクを含むがこれに限定されない任意のタイプの通信リンクであり得る。例えば、ネットワーク接続は、コンピューティングデバイスが、有線および／または無線ネットワークであり得、イントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、企業全体のネットワーク、中規模エリアネットワーク、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、セルラーネットワークなどの任意の組み合わせを包含するネットワークを通じてリモートデバイスと通信することを可能にし得る。制御ロジックおよび／またはデータは、ネットワーク接続を介してコンピューティングデバイスとの間で送信し得る。
【０１９１】
コンピューティングデバイスは、ユーザーが通信リンクを通じてウェブサーバーによって提供されるページまたは他のコンテンツをブラウズしおよび閲覧することを可能にするブラウザおよびディスプレイを包含し得る。ウェブサーバー、サーバー、およびデータベースは、同一または異なる場所に配置することができ、同じコンピューティングデバイス、異なるコンピューティングデバイスの部分であるか、またはネットワークの全域で分配し得る。データセンターは、遠隔地に配置され、ネットワークを通じてコンピューティングデバイスによってアクセスされ得る。
【０１９２】
本明細書で使用されるように、’から本質的になる’は、請求項の基本的かつ新規な特徴に実質的に影響を与えない材料またはステップを包含することを可能にする。’含む’という用語の本明細書における、特に組成物のコンポーネントまたは装置の要素の記載における、任意の記述は、’本質的にからなる’または’からなる’と交換し得る。
【０１９３】
本明細書に記載された態様の様々な特徴は、様々な方法で組み合わせ得ることが理解されよう。例えば、ある態様に関連して記載された特徴は、その態様に関連して明示的に記載されていなくても、別の態様に包含されてもよい。
【０１９４】
本発明を特定の好ましい態様と共に記載した。本発明は、示され記載された構成、動作、まさにその材料または態様のまさにその詳細に限定されず、本明細書に開示された態様に対するさまざまな変更、等価物の置換、組成物の変更、およびその他の変更があることは当業者には明らかであろうことを理解されるべきである。
【図１】
2018509951.tif 000006
【図２】
2018509951.tif 000007
【図３】
2018509951.tif 000008
【図４】
2018509951.tif 000009
【図５】
2018509951.tif 000010
【図６】
2018509951.tif 000011
【図７】
2018509951.tif 000012
【図８】
2018509951.tif 000013
【図９】
2018509951.tif 000014
【図１０】
2018509951.tif 000015
【図１１】
2018509951.tif 000016
【図１２】
2018509951.tif 000017
【図１３】
2018509951.tif 000018
【図１４】
2018509951.tif 000019
【図１５】
2018509951.tif 000020
【図１６】
2018509951.tif 000021
【図１７】
2018509951.tif 000022
【図１８】
2018509951.tif 000023
【国際調査報告】
2018509951.tif 000024
2018509951.tif 000025
2018509951.tif 000026