JP2016512443A - 小型化された埋め込み型電気化学センサデバイス - Google Patents
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Abstract
通信システムと、センサと、モノリシック基板とを備える埋め込み型デバイスについて説明する。モノリシック基板は、センサからの入力を通信システムが搬送できる形式に処理するように構成された集積センサ回路を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、小型化された埋め込み型電気化学センサデバイスに関する。
[関連出願の相互参照]
本願は、2013年2月6日付け出願の米国仮特許出願第61/761,504号の優先権を主張し、その開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。本願は、2013年12月13日付け出願の米国特許出願第14/106,701に関連し、その開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
本願は、2013年2月6日付け出願の米国仮特許出願第61/761,504号の優先権を主張し、その開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。本願は、2013年12月13日付け出願の米国特許出願第14/106,701に関連し、その開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
生物学的指標の測定は、様々な医学的障害において、関心の対象である。埋め込み型デバイスを介して様々な動物(例えば、哺乳動物)の生体内の生物学的指標を測定するために、多様なシステムが開発されている。
既存の埋め込み型デバイスは、生体内で高い局在温度を発生させる可能性がある。度々、外部源から供給される電力によって、埋め込み型デバイス周辺の局所温度が上昇してしまう。度々、埋め込み型デバイスからの情報の伝送によって、その埋め込み型デバイス周辺の局所温度が上昇してしまう。
しかしながら、生体は、高い内部温度に耐えることができない。高い内部温度は、多くの場合、組織の死滅をもたらす(Seese著、「組織形態、血管形成及び慢性加熱における筋肉組織の適応応答の温度の特徴(Characterization of tissue morphology, angiogenesis, and temperature in the adaptive response of muscle tissue in chronic heating)」、研究調査、1998;78(12):1553〜62)。
埋め込み型デバイスが直面する別の問題に、埋め込み型デバイス周辺の生体組織内に、異物カプセル(foreign body capsule)が形成されるということがある。フィブリノゲン及び他のタンパク質は、埋め込み後直ちに、生物付着として知られる工程によりデバイス表面に結合する。マクロファージは、成長因子β及び他の炎症性サイトカインを放出するこれらのプロテイン上の受容体に結合する。プロコラーゲンは、細胞外空間への分泌後に合成され、密集した繊維質の異物カプセルの形成に徐々に寄与する架け橋となる。密集したカプセルによって、埋め込み型デバイスが生体に接続することが妨げられ、それによって、度々、埋め込み型デバイスの作動が妨げられる(Ward著、「皮下に移植されたデバイスの異物応答の評価:生物付着及び繊維症におけるマクロファージ及びサイトカインの役割(A Review of the Foreign-body Response to Subcutaneously-implanted Devices: The Role of Macrophages Cytokines in Biofouling and Fibrosis)」、糖尿病科学技術学会誌(Journal of Diabetes Science and Technology)、Vol.2、Is.5、2008年9月)。
一実施形態において、本発明は、通信システムと、センサと、モノリシック基板とを備える埋め込み型デバイスに関し、モノリシック基板は、センサからの入力を通信システムが搬送できる形式に処理するように構成された集積センサ回路と、外部電源からエネルギーを受けるように構成された集積電源装置とを備える。
代替的な実施形態において、本発明は、埋め込み型デバイスを作動させるための方法に関し、該方法は、埋め込み型デバイスにおいて第1の時間間隔でパルス化した電力を受けるステップと、埋め込み型デバイスから第2の時間間隔でパルス化した情報を送信するステップとを含む。
本発明の埋め込み型デバイスの多様な実施形態では、埋め込み型デバイス周辺の局所温度を低く維持したまま、外部デバイスからの電力を受け、外部デバイスに情報を送信する。本発明の埋め込み型デバイスの多様な実施形態では、異物カプセルの形成が最小になる。
添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本発明の一以上の実施形態を例示し、例示的な実施例の記載と併せて本発明の原理及び実施態様を説明するために用いられる。
一実地形態において、本発明は、通信システムと、センサと、モノリシック基板とを備える埋め込み型デバイスに関し、モノリシック基板にはセンサ回路及び電源がモリシックに集積され、ここでは、通信システムは、モノリシック基板の第1の面上に配置され、集積センサは、第1の面と反対側のモノリシック基板の第2の面上に配置される。
用語「通信システム」は、当該分野での通常の意味を持つことを意図する。多様な実施形態において、通信システムは、センサ回路から外部のデバイスに情報を送信するために、単一の構成要素又は複数の構成要素を備えることができる。例えば、本発明に係る多様な実施形態において、通信システムは、LED、レーザ又はRFアンテナを備えていてもよい。実施形態では、通信システムは、センサ回路によって出力される電流に応じた信号を送信してもよい。本発明の代替的な実施形態において、通信システムは、より入り組んだ形式を採用することができる。例えば、通信システムは、変調器と、出力ドライバと、伝送システムとを備えることができる。通信システムは、送信する信号を変調するために使用することができるパルスコード変調器をさらに備えることができる。
「モノリシック基板」は、その上に構成要素がモノリシックに集積された基板であり、従って、その構成要素は、基板に機械的手段を介して接着及び/又は固定されていない。本発明に係る多様な実施形態では、モノリシック基板は、CMOS技術又は当該分野において公知の他の製造技術を用いた工程の成果物を用いることができる。モノリシック基板は、複数の面、少なくとも第1の面及び第2の面を持つことが理解される。第1及び第2の面は、第1及び第2の面がモノリシック基板の他の面より広いという点で、モノリシック基板の他の面から区別することができる。
用語「センサ」は、特定の生物学的指標を検出するための専用デバイスの部分を指す。例えば、グルコースをモニタリングするある実施形態において、センサインタフェースはある部分を指し、その部分では、生物学的試料(例えば、血液又は間質液)又はその一部が酵素(例えば、グルコースオキシダーゼ)と接触し、生物学的試料(又はその一部)の反応によって反応生成物の形成を生じ、これによって、生物学的試料におけるグルコースレベルを判断することが可能になる。本発明の多様な実施形態では、センサは、本明細書で後述するような「機能層」をさらに備える。本発明の多様な実施形態において、センサは、モノリシック基板にモノリシックに集積することができる。本発明の多様な実施形態では、モノリシックに集積されたセンサは、モノリシック基板の電源とは異なる面に配置することができる。これは、多様な実施形態で、後述する方法と同様に例えば高表面電極をモノリシック基板のシリコン面上に形成し、高表面電極を電源を備えたモノリシック基板の他方の面と相互接続することにより行うことができる。
用語「電源」は、当該分野での通常の意味を持つことを意図する。本発明に係る多様な実施形態において、電源は、外部のエネルギーを受けるために、RFアンテナ又は太陽電池を備えることができる。
本発明に係る多様な実施形態は、異なるサイズであってもよい。多様な実施形態において、デバイスは、1mm未満の長さ、1mm未満の幅及び200マイクロ未満の高さとなる。多様な他の実施形態では、デバイスは、200又は100マイクロ以下の高さを有し、500マイクロ以下の長さ及び幅を有する。
多様な実施形態において、本発明に係るデバイスは、センサ回路を備えていてもよい。センサ回路は、センサからの信号を通信システムが容易に搬送できる形式に処理する回路を備えていてもよい。多様な実施形態において、センサ回路は、ポテンショスタットから構成されていてもよい。代替的な実施形態において、図1に示すように、センサ回路102は、ポテンショスタット107及びカレントミラー108を備えてもよい。
本開示において理解されるような変調器は、センサ回路によって供給される変調器の入力(例えば、変調信号)の変化に応じて周期的な波長の一以上の特性を変化させる回路を指す。本発明に係る多様な実施形態において、変調器は、センサ回路102の出力(例えば、電流出力)に応じて、デバイスから(例えば、変調器の入力へ)送られたパルスの幅を増やすパルス幅変調器104を備えることができる。
本発明の多様な実施形態は、出力ドライバを備える。本発明に係るある実施形態では、埋め込み型デバイスの伝送システムによって変調器の出力の許容可能な電力レベルでの伝送を可能にするために、出力ドライバは、変調器の出力によって供給される電流を増加させることができる。多様な実施形態において、出力ドライバ105は、パルス幅変調器104によって供給される電流を増加させた大電流を扱うことができる一以上のトランジスタを備えていてもよい。
本開示を通じて記載されるような伝送システムは、レーザ(例えば、VCSEL)、LED、RFアンテナを備えていてもよい。
ここで使用される用語「ポテンショスタット」は、通常の意味に限定されるものではなく、現在の値で少なくとも3つの電極セルである作用電極と基準電極間との間の電位を制御する電気的システムを含む。要求されるセル電圧及び電流が、ポテンショスタットの動作限界を超えない限り、それは、所望の電位を維持するために、作用電極と対極との間に流れる電流を制御する。
ポテンショスタット回路107の一例を図1に示す。ポテンショスタット回路は、作用電極WE、基準電極RE及び対極CEへの電気的接続を含む。本発明に係る多様な実施形態では、図2に示すように、複数の作用電極WEは、トランジスタのスイッチングを介して使用することができる。図2では、トランジスタのスイッチングは、各スイッチW1、W2、Wnに供給される別個の電圧によりスイッチW1、W2、Wnを開閉することで、n作用電極(例えば、WE1、WE2、WEn)間を切り替えるために使用される。多様な実施形態では、トランジスタスイッチW1、W2及びWnを開くスイッチング電圧は、外部電源(例えば、太陽電池)から供給されてもよい。作用電極WEに印加される電圧及び基準電極REに印加される電圧は、作用電極WEと基準電圧REとの間に印加される電圧差が、一定値に維持又は値(例えば、電圧)間で掃引されるように、設定される。電流が基準電極REを通じて流れないように作用電極WEを通過する電流のバランスをとるために、対極CEは、対極CEでの電圧を変化させることで、作用電極WEにより測定される量と等しい電流値を有するように構成される。これは、基準電極RE及び対極CEの両方に接続され、負帰還ループに構成されたオペアンプ(OP AMP)110によって成し遂げることができる。オペアンプ110のVセンサのための入力電流は、本発明に係る多様な実施形態において、生成することができ、図2に示すように、電源202自体又は独立したフォトダイオード203から生成することができる。
カレントミラーは、当業者に公知な回路であり、回路に存在する負荷とは独立した電流出力を制御するために使用される。カレントミラーの一例は、図1の108に見ることができる。この例示的な実施形態におけるカレントミラーは、ポテンショスタット107を実際にロードせずに、ポテンショスタット107からのセンサ電流を複製し、それによって、その性能を隔離させている。本発明の図1に示すこの例示的な実施形態において、ポテンショスタット107からの電流(Iセンサ)は、カレントミラー108によって、マッチングトランジスタを介してミラーされる。
制御回路によって、埋め込み型デバイスの様々な構成要素の通電を制御することができる。本発明の多様な実施形態では、制御回路103は、デバイスの動作を制御するために提供することができ、一方で、代替的な実施形態では、センサミラー108からの電流は、パルス幅変調器104へ直接に流れ込むことができる。本発明の一実施形態では、制御回路103は、カレントミラー108及び制御線(制御)からの電流を受ける。制御線から制御回路103のトランジスタへ流れる電流によって、カレントミラー108からの電流が、パルス幅変調器104、入力ドライバ105及び伝送システムに入力することが可能になる。制御回路103は、制御線を介して「制御」がイネーブルの場合は変調器の動作をイネーブルにするスイッチとして機能し、それにより、デバイスによってデータが伝送される。制御線は、図3の301で示すような発振器又は図3の302で示すような光電池に接続することができる。発振器301のタイミングは、トランジスタセット(例えば、x及びy)の相対比により制御することができる。発振器301は、図3のグラフに示すような間隔に関し、一定の短い間隔で制御線(制御)に電圧を供給することができる。多様な実施形態では、302での光電池は、埋め込み型デバイス上の電源又は他の光電池の波長とは別の波長によって活性化することができ、それによって、パルス幅変調器104、入力ドライバ105及び伝送システム106のアクティブ状態の制御を提供する。パルス幅変調器104、入力ドライバ105及び伝送システム106のオン時間を制限することで、埋め込み型デバイスは、デバイスで発生する熱の量を制限することができる。温度は、制御回路(存在する場合)の制御の下で伝送システム106が送信する電力を制限することにより、制限される。温度が制限されるのは、なぜなら、上記システムはある時間周期でアクティブにならないため、パルス幅変調器104及び出力ドライバ105によって発生する熱が最小限になるためである。
パルス幅変調器は、カレントミラー108及び制御回路103からの電流を一連のパルスに変換するために、多様な回路を備えることができる。本発明の一実施形態によれば、カレントミラー108及び制御回路103からの電流に応じて、パルス幅変調器104は、内部発振器109を経て生成するパルスの幅を変化させる。その後、パルス幅変調器104は、パルスを入力ドライバ105及び伝送システム106に供給する。「制御」信号の制御の下、デバイスがアクティブになっている間、制御回路が、センサ回路からの電流(例えば、カレントミラー)を変調器104の下部に供給し、それによって、下部がイネーブルとなることで電流が上部から変調器104の下部に流れることが可能になり、変調器の動作がイネーブルになることに留意されたい。
通信システム9、センサ7、電源3及びセンサ回路4の機能及び相互関係が、本開示の図4の本発明の例示的な実施形態として図示されている。この実施形態では、電源3は、通信システム9、センサ回路4及びセンサ7に動作可能に接続されている。通信システム9は、センサ7に動作可能に接続されたセンサ回路4から処理された信号を受信する。
本発明に係る例示的な実施形態において、通信システム9は、変調器5と、出力ドライバ6と、伝送システム8とを備える。このような実施形態では、電源3は、変調器5、出力ドライバ6、伝送システム8、センサ回路4及びセンサ7に動作可能に接続される。センサ回路4は、変調器5に動作可能に接続され、変調器5はセンサ回路4からの情報を変調する。情報は、出力ドライバ6に送信され、ここで、変調された情報に対応する電力が高められ、その後、埋め込み型デバイスの伝送システム8に送信のために供給される。
作用電極は、関心のある反応が発生する電気化学システム内の電極である。作用電極は、多くの場合、三電極システムにおいて、対極及び基準電極と共に使用される。一般の作用電極は、例えば金、銀及び白金のような、貴金属から構成することができる。本発明における例示的な作用電極は、高表面領域電極をさらに含む。
基準電極は、安定性及び公知の電極電位を有する電極である。例示的な基準電極は、例えば金、銀、白金及び銀/塩化銀のような、不活性金属で作製された電極を含む。
対極は、ボルタンメトリー分析のための三電極システムにおいて、一般に使用される電極である。三電極システムでは、対極は、電流の印加又は測定のいずれかを行う回路を提供するために用いることができる。対極の電位は、通常測定せず、作用電極での反応のバランスをとるように調整することができる。多様な実施形態における対極は、例えば金、白金又は炭素のような、様々な化学的不活性材料で製造することができる。
多様な実施形態では、埋め込み型デバイスは、1、2、3、4又はそれ以上の図2に関連して本開示で前述したような作用電極を備えることができる。グルコースの検出において、実施形態では、グルコースオキシダーゼは、グルコースから過酸化水素を生成するために使用され、それによって、センサを駆動する酸素が生成される。しかしながら、グルコースオキシダーゼは、体内に移植された場合、例えば熱的、化学的変性並びにプロテアーゼ分解のような様々な機構により、分解することがある。以下の本発明のさらなる実施形態によれば、新規な保護作用電極が提供され、これにより、本発明に係る埋め込み型デバイスの総寿命を向上させることができる。
多様な実施形態において、少なくとも1つの電極は、タイムフレームのために電極を保護するような生分解性ポリマーを用いて被覆することができる。生分解性ポリマーは、非毒性で、分解速度の制御が可能であり、また、分解するまで良好な機械的完全性を可能にするものである。生分解性ポリマーの適切な例として、ポリグリコリド(PGA)、ポラクチド(PLA)及びポリカプロラクトン(PCL)が挙げられる。上記ポリマーは、電極を表示するデバイスの一部にピペッティングすることで、デバイスに加えることができる。
光起電力装置は、光に曝すと電流を生成する電源であり、これは、光電効果と関連する。材料表面上に光が入射すると、価電子帯に存在する電子は、エネルギーを吸収して励起し伝導帯にジャンプして自由になる。これらの高励起で非熱的な電子は拡散し、一部は接合部に到達し、ここで、それらはビルトインポテンシャルによって加速されて、別の材料に向かう。これによって、起電力が発生し、従って、光エネルギーの一部が電気エネルギーに変換される。モノリシック基板上の光起電力装置の実装例として、例えば、p−n接合太陽電池が挙げられる。
CMOSダイは、CMOS工程のために設計されたダイである。市販のCMOSの例として、TSMC250nm及びIBM250nmによるダイが挙げられる。当業者は、モノリシック集積のために使用することができる他の技術及び工程を知っているだろう。
多様な実施形態では、モノリシック基板の第1の側からモノリシック基板の第2の側へ貫通する孔を備える。孔は、様々な異なる方法を使用して作製することができる。UVレーザアブレーションは、対応する波長によって誘電体及びシリコン層の両方を除去することができ、孔を作製するのに用いることができる。ガスによるエッチングも用いることができる。疑似ボッシュ(Pseudo-Bosch)プロセスは、プラズマ処理の一例である。疑似ボッシュプロセスにより得られた孔は、図5に見ることができ、ここでは、30マイクロサイズの孔が示される。
多様な実施形態において、孔607又は孔(複数)は、孔に合う金属、繊維又はポリマーに基づくインサートを介し、埋め込み型デバイスを、骨又は様々な他の組織に固定することを可能にするために使用することができる。多様な実施形態において、孔(単一)又は孔(複数)は、基板の異なる領域に配置することができる。多様な実施形態では、1、2、3、4又はそれ以上の孔を設けることができる。
多様な実施形態では、孔によって、液体がデバイスを通過することが可能になる。液体がデバイスを通過することを可能にする孔によって、デバイスは、異物カプセルを最小化することができ、さらに、多様な例において、たとえデバイスが循環導管に溜まった場合でも、循環流体が通過することを可能にすることで、循環システムが詰まることを防ぐことができる。
相互接続によって、例えば埋め込み型デバイスの異なる面のような、埋め込み型デバイスの2つの領域をリンクすることができる。図6中に示す相互接続608は、例えば銅のような、導電性材料であり、異なる構成要素に接続することができ、又は、モノリシック基板601上の構成要素内の接続を提供することができる。
通信システム及びセンサ回路606、センサ602、電源609の相関関係の一例を、図6に見ることができる。図6において、通信システム606は、モノリシック基板601の第1の面上にあり、センサ602は、モノリシック基板601の第2の面上に配置されている。図6において、センサは、3つの電極を備える:単一の対極603、単一の基準電極604及び単一の作用電極605である。図6において、モノリシック基板601は、孔607を備える。センサ602は、相互接続を介し、通信システム及びセンサ回路606に接続され、この相互接続によって、モノリシック基板の第1の面と、モノリシック基板の第2の面のとは、電気的にリンクする。
高表面領域電極は、その表面が典型的な寸法を超える表面領域を有する電極を意味する。さらに、高表面領域電極に関連する開示を、2013年12月13日付け出願の米国特許出願第14/106,701内に見つけることができ、参照によりここに全てが組み込まれる。本発明に係る多様な実施形態では、高表面領域は、ピラーによって形成することができる。
本発明に係る例示的な実施形態では、ピラーの設計は、市販のソフトウェアを用いて行うことができる。PMMA 950 A4は、所望の分解能を達成しつつ、クリーンなリフトオフを成し得るために用いることができる。5分間180℃のベークに続いて、レジストを1分間4000rpmで回転させることができる。Leica EBPG 5000+光学システムでパターンを描くために、1200μc/cm2の用量を使用することができる。パターンは、脱イオン水で濯いだ後、20秒間、MIBK及びIPAの1:3の溶液中で現像することができる。その後、5分間、酸素プラズマ中でアルミニウムを堆積させることにより、Temescal TES BJD―1800 DC反応スパッタシステムにおいて、50nmアルミナマルクをスパッタコーティングすることができる。最後に、マスクリフトオフを、2分間、超音波浴のジクロロメタン中で行うことができる。光学顕微鏡によってパターニングが成功したことを確認した(図示せず)。
本発明に係る例示的な実施形態では、次にパターニングを、MA−N 2403レジストを用いて行うことができる。ピラーは、ドライプラズマ(Cl2:BCl3)と、UNAXIS RIEマシンを使用して金属パッドの部分をエッチング除去するためのウェットエッチング液(例えば、TMAH)との両方を用いて製造された。ドライプラズマ(Cl2:BCl3)エッチングでは、25℃に設定され、RIE電力は120ワットに設定された。Cl2の流速は4SCCMに設定され、BCl3の流速は20SCCMに設定された。ウェットTMAHエッチングでは、表面を10分間常温の液体中に浸した。上述の工程を用いた本発明に係る例示的な実施形態の結果は、図7に見ることができる。形成された構造の寸法及び均一性において、成功したことが分かる。
本発明に係る例示的な実施形態では、コンフォーマルなコーティングを行うために、金属堆積スパッタリングを使用することができる。まず、堆積の等方性を向上させるために、高密度の20mTorrのアルゴンプラズマを使用した。5nmのTi接着層がDCスパッタリングされ、その後、50nm又は100nmのAu膜又はPt膜がDCスパッタリングされた。上述の工程を用いた本発明に係る例示的な実施形態の結果は、図8及び9に見ることができる。特別なステージが使用され、これにより、入射される金属原子に対し試料を90°まで傾けることができた。次に、ステージは120rmpまでの速度で回転することができた。プラズマパラメータ(20mTorr付近の高圧)に合った傾き及び回転によって、非常に均一に制御されたコンフォーマルな側壁がもたらされた。
電極及びレーザを除いたデバイス全体を実質的に覆う材料は、当該分野の様々な技術により、様々な形状において、成し得ることができる。多様な実施形態において、SU8、パリレン、PDMS又はシリコーンが使用される。パリレンは、真空蒸着法を用いて加えられる。
図10は、電極の「機能層(1001及び1005)」を保護するための材料1002を有する埋め込み型デバイスの実施形態を示す。この例示的な実施形態において、材料1002は、第1の機能作用電極(1005の下)及び第2の機能作用電極(1001の下)の両方を囲む。さらに、対極1004及び基準電極1003のための材料1002によって、ウェルが形成されている。ウェルは、電極の異なる構成に応じて異なる形状にすることができる。多様な実施形態において、材料は、電極を除く埋め込み型デバイスを覆い、それによって、機能化マトリックス(図示せず)を支持する。多様な実施形態において、材料は、電極及び伝送システム(図示せず)を除く埋め込み型デバイスを実質的に覆う。
本発明に係る一例示的な実施形態では、相溶性ポリマーを含む材料を実質的に覆うために、5分間95℃でのベークに続く1分間2000rpmでのスピンによって、SU8をデバイスの全表面に加えることができる。次に、Carl Suss マスクアライナシステムで電極に対応するパターンを描くために、6秒間、365nmでのU.V.光の線量を使用することができる。露光後、デバイスを5分間95℃で再びベークすることができる。パターンは、水で濯いだ後、5分間SU8現象液中で、現象することができる。
多様な実施形態において、電極は、関心のあるターゲットに特異性を提供する「機能層」によって覆われる。用語「機能層」は、任意のメカニズム(例えば、酵素的又は非酵素的)を備える層を意味し、これにより、関心のあるターゲットをデバイスのための電気信号として検出することができる。例えば、本発明のある実施形態では、グルコース濃度を判定するために、グルコースからグルコン酸への変換(グルコース+O2→グルコン酸+H2O2)を触媒するグルコースオキシダーゼのゲルを含む機能層を利用することができる。なぜなら、各グルコース分子がグルコン酸に変換されるため、共反応O2及び生成物H2O2に比例的変化があり、共反応又は生成物のいずれかの電流変化をモニタリングすることで、グルコース濃度を判定することができるためである。本発明の多様な実施形態において、機能層は、酵素(例えば、グルコースオキシダーゼ)を装填したヒドロゲル(例えば、BSA)を含むことができる。本発明の多様な代替的な実施形態では、機能層は、酵素(例えば、グルコースオキシダーゼ)を装填したポリマー(例えば、ポリピリジン)をさらに含むことができる。
本発明に係る多様な実施形態において、対極は、作用電極よりも大きい又はそれ以上の数のオーダーにすることができる。対極は、どのような方法でも作用電極を制限しないようにするために、従って、セルのインピーダンスを制限しないようにするために、より大きくすることができる。多様な実施形態では、作用電極と対極との間の電位は、パルス化される。グルコースを検出する場合、埋め込み型デバイスの作用電極及び対極は、ある実施形態において酸素を要求する。電極の上方の機能層内において、グルコースから過酸化水素を生成するために酸素が要求される。グルコースオキシダーゼの反応から生成された過酸化水素は、作用電極の表面でさらに反応し、2つの電子を生成する。この反応の生成物は、2つの陽子(2H+)、2つの電子(2e―)及び1つの酸素分子(O2)である。作用電極付近の酸素濃度は、グルコースオキシダーゼの反応中に消費され、作用電極での第2の反応によって補充されるため、従って、酸素の純消費量は、ゼロになる。対極では、電子受容体として酸素を使用する。このシステムにおいて最も好ましい還元性種は、酸素又はペルオキシダーゼにより生成される酵素である。対極で酸素が消費される2つの主な経路がある。これらは、水酸化物を生成する4電子経路と、過酸化水素を生成する2電子経路とである。酸素は、グルコースオキシダーゼによって対極の上方でさらに消費される。
多様な実施形態において、デバイスの作用電極は、様々な対称性の度合いで配置させることができる。図11は、複数の作用電極WEによる実施形態を示す。構成905において、3つの作用電極(903)は、対極901及び基準電極902から等しい距離で配置されている。構成904において、8つの作用電極(903)は、八角形の対極901内に配置され、各作用電極(903)は、基準電極902及び対極901の同等の表面距離から等しい距離で配置されている。904のような構成では、各作用電極903が、代替的な作用電極903と空間的に同様に現れるため、再較正の必要性を最小限にすることができる。電極の間隔差が反応の性能に影響を及ぼす場合、異なる形状において再較正が要求される。さらに、図11に示すような対称的な構成を使用することで、1つの作用電極から別の作用電極への埋め込み型デバイスのスイッチとして電子機器を使用することが可能になる。このようなスイッチングは、例えばグルコースオキシダーゼ分解及び生分解性コーティングの劣化による代替の電極の露出のような、様々な必要性に応じることができる。
本発明の一実地形態では、埋め込み型デバイスを作動させるための方法が提供され、該方法は、埋め込み型デバイスにおいて第1の時間間隔で電力を受けるステップと、埋め込み型デバイスから第2の時間間隔で情報を送信するステップとを含む。
多様な実施形態において、埋め込み型デバイスで受けられた電力は、例えば電磁的(光)、機械的、熱的、振動的(音波)、又は電気的のような、形式を含む。一例示的な実地形態において、電力は、光学的なもの(例えば、近赤外線700nmから1000nm)である。
多様な実施形態において、(例えば、埋め込み型デバイスによって)電力を受ける時間間隔は、マイクロ秒から数10秒、約0.1秒より大きく5秒未満又は約0.5秒より大きく2秒未満にわたることができる。埋め込み型デバイスの実施形態では、埋め込み型デバイスは、少なくとも変調器を備えるため、電力を受ける時間間隔は、ミリ秒を超えることができる。
時間間隔における送信情報(例えば、埋め込み型デバイスの検出信号に対応する情報、グルコースのレベルに対応する情報)は、マイクロ秒から数10秒、約0.1秒より大きく5秒未満又は約0.5秒より大きく2秒未満にわたる期間における送信情報を含むことができる。
本発明に係る多様な実施形態において、第1の時間間隔は、第2の時間間隔と実質的に等しくすることができる。このような構成は、ポテンショスタット107が、出力ドライバ105に直接接続され、従って、伝送システム106に接続されている場合に、見ることができる。本発明に係る多様な実施形態では、第2の時間間隔は、第1の時間間隔内に含むことができる。
いずれの電子デバイスでも、デバイスの回路を駆動するために必要とされる最小限の電力量を有し、さらに、埋め込み型デバイスを取り囲む局在領域では、埋め込み型デバイスに継続的に供給される上記電力によって、高温がもたらされる可能性がある。生体の組織内の高温は、その組織にダメージをもたらす可能性がある。高温を避けるために提案される本発明に係る有望な解決策は、特定の間隔で電力を受信し、さらに特定の間隔で情報を送信することであり、又は、本発明の代替的な実施形態では間隔の区間毎に行うことである。RF及び光学的電力パルスによる電力に対する時間を算出した。結果を図12に示す。図12において、エネルギーのパルス(1202、1204)間で、デバイスが継続的な電力に関連する定常状態の温度に到達せずに、デバイスが、電力量を受けることができることが分かる(1201及び1203参照)。エネルギーの所定量に関連する定常状態の温度と、電力がパルス化されている場合に見出される温度との差は、1205に見ることができる。従って、本発明に係る多様な実施形態では、短いパルスで、電力供給及び情報送信を行うことができ、従って、定常状態とパルス化された動作との間の温度差を最大化し、その一方で、埋め込み型デバイスの電力供給が可能になり、センサでモニタリングされた反応状態を理解するために十分な情報(つまり、グルコースの濃度)を提供する。
多くの場合にデバイスは完全に安定化するために長期間を要求するため(例えば、あるレーザの波長は、継続的な電力供給後から定常状態に到達する前に、変化することがある)、このような短いパルスの使用は、一般的な慣行に反することがある。より短い電力供給による定常状態の温度からのデバイスの動作温度に関連するこの変動は、本発明の温度の利点を実現する前に性能が重要である医用用途において望ましくない。
電力を受ける期間に対応する時間間隔のみでデバイスに電力供給することは、電力を受けない時間では、デバイスがパワーダウンすることを意味し、それによって、(例えば、バックグラウンド光からの)バックグラウンド供給電力に相当する定常状態になる。
多様な実施形態では、1秒の何分の一かで十分に、外部デバイスにデータを保存するための本発明に係る光学的読み出しを行うことができる。このような実施形態は、例えば、システムがパルス通信方式のために設計されている場合に、得ることができる。例えば、生物学的センシングのための電気化学的波長において、最速の走査速度(例えば、サイクリックボルタンメトリー又はクロノアンペロメトリー測定)は、最大でも数Hzである。従って、KHzで動作するように設計されたシステムは、リアルタイムでこのデータを容易に保存(送信/受信)することができる。同様のことは、このような変化の遅い信号を検出するために使用されるRF及び音響法についても言える。
多様な実施形態において、パルス間隔は、能動的伝送システム又は受動的通信方式において使用することができ、この場合、集束入力ビームは、通信システムによって変調される。
多様な実施形態において、受信する信号は、時間間隔で行う情報の送信を開始するために受ける電力から区分され、これにより、デバイスに電力供給する電源を与えることができ、さらに、内部デバイスが所望する場合において情報の流れを制御するために、外部デバイスからの信号を区分することが可能になる(例えば、外部デバイスによって、デバイスの電力供給後から血糖値を送信するまでに、期間を設定することが可能になる。)。
多様な実施形態において、受けた電力の波長は、その電力が送られたときの波長とは異なる。これにより、送信信号の干渉を低減することができ、外部デバイスでの波長に基づくフィルタリングが可能になる。
本発明の一実施形態では、システムを提供し、該システムは、上述のような埋め込み型デバイスと、外部デバイスとを備え、外部デバイスは、電力送信機と、電源に接続されたプロセッサとを有し、プロセッサは、特定の間隔のみで電力送信機をアクティブにするように構成される。
多様な実施形態において、外部デバイスは、電源1501と、プロセッサ1502と、検出器1503と、送信機1506と、ディスプレイ1504と、通信リンク1505とを備える。他の実施形態において、これらの構成要素は、多様な構成要素をさらに備えることができる(例えば、電源1501は、太陽電池1510と、電力管理チップ1511と、バッテリ1512とを備える。)。多様な実施形態において、外部デバイスは、例えばプッシュスイッチ1507、ブザー1508及び/又はタッチセンサ1509のような、追加の構成要素を備えることができる。
プロセッサ1502は、システムの基本的な演算、論理及び入力/出力操作を行うことにより、コンピュータプログラムの命令を実行する構成要素である。多様な実施形態において、プロセッサは、単一の集積回路に全ての機能を組み込んだマイクロプロセッサとすることができる。システムのプロセッサは、的確に変えることができる。本発明の多様な実施形態では、プロセッサチップ1502は、フリースケール・セミコンダクタ(Freescale Semiconductor)のK20P64M72SF1とすることができ、図15Bに示すように、ディスプレイ1504、パルススイッチ1507、ブザー1508、通信リンク1505、電力送信機1506、タッチセンサ1509、検出器1503及び電力管理チップ1511に動作可能に接続される。このような実施形態では、プロセッサ1502は、電力管理チップ1511からの電力を受け、タイミングプログラムを実行し、それによって、電力送信機1506をパルシングする。さらに、プロセッサは、接続を介して、電力をディスプレイ1504、パルススイッチ1507、ブザー1508、通信リンク1505、電力送信機1506、タッチセンサ1509及び検出器1503に提供する。プロセッサ1502は、検出器1503からの情報を処理し、ディスプレイ1504に上記情報を表示する。プロセッサは、パルススイッチ1507を介し、デバイスの電源を入れる。プロセッサ1502は、通信リンク1505を介し、検出器1503に関する情報を送信する。
プロセッサは、エネルギーが所定の時間間隔で電力送信機により送信されるもののみである本発明の全ての実施形態において、アプリケーションを実行する。多様な実施形態では、電力を送信するための時間間隔は、マイクロ秒から数10秒、約0.1秒より大きく5秒未満又は約0.5秒より大きく2秒未満にわたることができる。
多様な実施形態において、電源1501は、様々な構成要素を備えることができる。例えば、一部の近代の腕時計に見られるように、外部デバイスの動きを電流に変換することによって、電力を供給ことができる。代替的な実施形態では、電源は、バッテリ又は太陽電池を備えることができる。多様な実施形態では、電源は、例えば電力管理チップ1511(例えば、フリースケール・セミコンダクタのMC34704AEPR2)、太陽電池1510(例えば、サンヨー・エネルギー(Sanyo Energy)のAM―1801CA)及びバッテリ1512(例えば、ML621S/ZTn)のような、構成要素の組み合わせを備えることができる。このような構成の一実施形態では、電力管理チップ1511は、動作可能に接続される。
多様な実施形態において、電力送信機1506は、様々な構成要素を備えることができる。多様な実施形態において、電力送信機は、レーザ又はLEDとすることができる。多様な実施形態において、電力送信機は、図15Bに示すように、プロセッサ1502に動作可能に接続されたLED ダブルドライバ(W/driver)1506を有することができる(例えば、ライティング・サイエンス・グループ・コーポレーション(Lighting Science Group Corporation)のNT−41A0−0482)。
本発明の多様な実施形態において、外部デバイスは、プロセッサ1502に動作可能に接続されたパルススイッチ1507を有することができ、パルススイッチ1507には、例えば、イースイッチ(E-switch)のTL3315NF250A又は当業者に公知である他のものを用いることができる。本発明の多様な実施形態において、外部デバイスは、プロセッサに1502に動作可能に接続されたタッチセンサ1509を有することができ、タッチセンサ1509には、例えば、フリースケール・セミコンダクタのTSSELECTRODEE VM−ND又は当業者に公知である他のものを用いることができる。本発明の多様な実施形態において、外部デバイスは、プロセッサ1502に動作可能に接続されたブザー1508を備えることができ、ブザーには、例えば、Tianer TechnologyのTE−HCS0503A−H2.5を用いることができる。ブザー1508によって、プロセッサ1502からの信号を介して警告することができ、これにより、低グルコースレベルのユーザに注意を促すことができる。ブザー1508が使用により外部デバイスのインターフェースで検出されるような使用のプロセッサを起動させない場合、本発明の多様な実施形態において、外部デバイスは、ユーザに援助を提供するために、通信リンク1505を介して直接的に又は(iPhoneを介して)間接的に、当局(例えば、911)に信号を送信することができる。
多様な実施形態において、検出器1503は、単一のCCD又は複数のCCDのアレイとすることができる。多様な実施形態において、検出器1503は、例えばテキサス・インスツルメンツ(Texas Instruments)のTC341−30―NDのような、アレイとすることができ、これは、図15Bに示すように、プロセッサチップ1502に動作可能に接続される。
検出器は、埋め込まれたデバイスによって送信された信号を検出することになる。埋め込まれたデバイスによって送信された信号は、バックグラウンドノイズ(例えば、波長)と比較して弱くなることがあるため、検出器は、特に電力送信波長やバックグラウンド光といった、他の波長をフィルタリングすることができなければならない。バックグラウンドのフィルタリングは、埋め込み型デバイスが信号を送信していない期間の光を計測し、信号から上記光を差し引くことで、行うことができる。本発明の多様な実施形態において、バックグラウンドのフィルタリングは、物理的フィルタによる手段でも成し遂げることができる。
ある実施形態において、検出器は、(例えば、複数の検出器の)アレイであろう。埋め込み型デバイス及び外部デバイスが検出器に対してずれている場合、アレイによって、検出器が、埋め込まれたデバイスの通信システムからの信号を検出することが可能になる。アレイの一要素のサイズは、信号対ノイズ比を最適化し、通信信号から最大電力を受信するようなサイズにすることができる。このようなアレイは、身体の異なる領域における組織の散乱応答に基づく異なる用途のために、異なる設計であってもよい。さらに、特定の実施形態における検出器は、潜在的に弱い信号を検出するために、低ノイズ高ゲインのフロントエンドを有するだろう。
多様な実施形態において、システムの外部デバイスのディスプレイ1504は、時計盤面、LCD、OLED又はユーザが理解できるようにプロセッサからの情報を提示する他の手段(例えば、カラーディスプレイ、機械式腕時計)を備えることができる。多様な実施形態において、ディスプレイ1504は、例えば京セラ・インダストリアル・セラミックス・コーポレーション(Kyosera Industrial Ceramics Corporation)のC−51847NFJ−SLW−AENのような、LCDディスプレイとすることができ、これは、図15Bに示すように、プロセッサチップ1502に動作可能に接続される。
本発明に係る通信リンク1505は、例えば限定ではないがBluetooth、USB及びWi−Fiのような、通信手段を備えることができる。多様な実施形態において、通信リンク1505は、例えばテキサス・インスツルメンツのLMX9839のような、Bluetoothモジュールとすることができ、これは、図15Bに示すように、プロセッサチップ1502に動作可能に接続される。
家電用電子デバイスは、日常使用を意図した電子機器である。例として、MP3プレーヤ、ビデオレコーダ、デジタルカメラ及び携帯電話が挙げられる。多様な実施形態において、家電用電子デバイスは、カメラ部品と同様にフラッシュを有する携帯電話であることがある。そのような携帯電話の寸法は、1フット未満の長さ、約6インチ未満の幅及び4インチの高さであると理解される。
電力送信機1403、検出器1402、ディスプレイ1302、電源1303、プロセッサ1304及び通信リンク1305の様々な特別な構成による本発明の例示的な実施形態を、図13及び14に見ることができる。ディスプレイ1302は、外部デバイスの上面1301にあり、プロセッサ1304、電源1303及び通信リンク1305の側面に配置されている。検出器1402及び電力送信機1403は、外部デバイスの下側にある。電力送信機1403は、それらの干渉を潜在的に避けるために、検出器1402から離れて配置される。
[実施例]
[光学的試験]
発明者らは、5mmの鶏皮及び組織を通じた光学的電力及び光学的通信を試験した。デバイスは、図15に示すように、皮及び組織試料の後に配置された。デバイスは、ファンクションジェネレータに接続された。皮及び組織試料の前に、電力レーザ(.8w,800nm)及び検出器(化合物半導体)が配置された。電力レーザの前には、機械的シャッターが配置された。機械的シャッターは、3ミリ秒の時間期間は開き、1ミリ秒の時間期間は閉まるようにプログラムされた。デバイスは、組織試料を通して電力レーザから電力を受けた。供給された電力を使用して、図16に示すように、デバイスは、鶏皮及び組織を通過して正弦波1601を送信し、上記信号は、検出器により、1602として受信された。
[光学的試験]
発明者らは、5mmの鶏皮及び組織を通じた光学的電力及び光学的通信を試験した。デバイスは、図15に示すように、皮及び組織試料の後に配置された。デバイスは、ファンクションジェネレータに接続された。皮及び組織試料の前に、電力レーザ(.8w,800nm)及び検出器(化合物半導体)が配置された。電力レーザの前には、機械的シャッターが配置された。機械的シャッターは、3ミリ秒の時間期間は開き、1ミリ秒の時間期間は閉まるようにプログラムされた。デバイスは、組織試料を通して電力レーザから電力を受けた。供給された電力を使用して、図16に示すように、デバイスは、鶏皮及び組織を通過して正弦波1601を送信し、上記信号は、検出器により、1602として受信された。
パルシング及び光学電力の効果をさらに評価した。具体的には、組織を通じたレーザ伝送の温度効果をモデル化した。埋め込み型デバイスは、組織内部の深さ3.5mmでシミュレーションした。図17において、垂直及び水平軸は、0を埋め込み型デバイスの配置場所とした、マイクロでの距離を表している。図17の横スケールは、濃淡に関連付けられた摂氏での温度を表している。特定の場合に、1mmの正方形のスポット上における1秒程度の期間の805nmの近赤外波長での1Wレーザ放射は、安全であることが分かった。1Wレーザが、埋め込み型デバイスから3500マイクロより大きくなるように、組織の上方に配置された。電力供給量と同様となる数10秒程度の時間で、組織にダメージをもたらす可能性がある温度が発生することが分かった。
[グルコース試験]
ビーカ内のリン酸緩衝生理食塩水を用いて、グルコース試験を行った。センサの一部のみが溶液に曝されるように、センサは、溶液に注意深く浸された。材料が埋め込み型デバイスを実質的に覆うように、絶縁エポキシ(5分エポキシ)を使用した。センサを除くどこにでもエポキシを配置させるために、小さなデバイスを使用した。0mM−20mMの生理的範囲で、異なるグルコース濃度の溶液が作成された。これらの溶液にデバイスが浸され、センサから生じた電流が測定された。複数のセンサにおいて、実験を複数回繰り返し行った。センサは、動作を確認するために、外部機器(外部ポテンショスタット)にさらに接続された。小時間間隔でのグルコース試験におけるデバイスの性能は、図18に示す0mM(1801)、1mM(1802)、2mM(1803)及び10mM(1804)の3つの異なる濃度で確認された。デバイスの性能と外部基準ポテンショスタットCHI 1242Bの性能との比較を図19に示す。
ビーカ内のリン酸緩衝生理食塩水を用いて、グルコース試験を行った。センサの一部のみが溶液に曝されるように、センサは、溶液に注意深く浸された。材料が埋め込み型デバイスを実質的に覆うように、絶縁エポキシ(5分エポキシ)を使用した。センサを除くどこにでもエポキシを配置させるために、小さなデバイスを使用した。0mM−20mMの生理的範囲で、異なるグルコース濃度の溶液が作成された。これらの溶液にデバイスが浸され、センサから生じた電流が測定された。複数のセンサにおいて、実験を複数回繰り返し行った。センサは、動作を確認するために、外部機器(外部ポテンショスタット)にさらに接続された。小時間間隔でのグルコース試験におけるデバイスの性能は、図18に示す0mM(1801)、1mM(1802)、2mM(1803)及び10mM(1804)の3つの異なる濃度で確認された。デバイスの性能と外部基準ポテンショスタットCHI 1242Bの性能との比較を図19に示す。
[生物学試験−異物デバイスの移植における異物カプセルの測定]
生体内の異物材料への免疫システムの応答によって、異物カプセルが形成される。通常生じる異物カプセルは、密に織られたコラーゲン線維のカプセル形状であり、これは、生体内に外科的に取り付けられた異物の存在への免疫システムによって生成される。
生体内の異物材料への免疫システムの応答によって、異物カプセルが形成される。通常生じる異物カプセルは、密に織られたコラーゲン線維のカプセル形状であり、これは、生体内に外科的に取り付けられた異物の存在への免疫システムによって生成される。
デバイス移植の際の異物カプセルの有無を試験するために、3匹のマウスに、500マイクロ×500マイクロ×200マイクロの本発明のデバイスを皮下挿入して試験した。その後、30匹のマウスの第2のセットに、4000マイクロ×4000マイクロ×200マイクロのデバイスを皮下挿入して試験した。術後、マウスの腹部に配置されたインプラントの初期形状及び配向を評価するために、動物をマイクロCTスキャンライブ(マイクロフォトニクス(Microphotonics)によるSkyScan1176)を用いて画像化した。安全性評価は、デバイスへの生物学的応答を評価すること、及び、マイクロCTスキャンライブを用いることに基づいて行うことができ、マイクロCTスキャンライブは、0日、3日、6日、12日、15日及び18日でのデバイスの配向、移植デバイスを取り囲む瘢痕組織形状又は異物カプセルの存在を判断するために使用することができる。
その後、30日で、マウスは、異物カプセルの存在を検査するために、他のライブスキャンを行うことができ、その後、マウスは、デバイスを取り囲む組織を検査するために、外稙を行うことができる。
その後、移植の潜在的な局所効果は、インプラントを取り囲む異物カプセル組織の顕微鏡的評価によって、及び、この組織の組織学的及び細胞性形態学的解析によって、外稙時の異常な組織反応において評価することができる。
[生物学的試験―被膜拘縮組織の組織診断]
移植したデバイスの潜在的な局所効果は、インプラントを取り囲む異物カプセル組織の顕微鏡的評価によって、及び、この組織の組織学的及び細胞性形態学的解析によって、外稙時の異常な組織反応において評価することができる。切除した組織カプセルの組織診断では、炎症性細胞の存在を調べることにより、形成されたカプセルに正常な創傷治癒応答が現れる場合を示すことができ、さらにこれらを点数化することができる(0から5の範囲において0及び1の点数は、400倍の視野で目に見える細胞が0である)。炎症性細胞は、好中球、リンパ球及びマクロファージを含むことができ、さらに、組織学的及び細胞性形態学的解析によって分類することができる。さらに、浮腫、うっ血、壊死、出血又は組織細胞の顆粒化を見るために、顕微鏡検査を使用することができる。組織診断に続いてこれを行うことにより、変性、細菌感染又はカプセルが存在する場合にカプセルのいずれかの悪性腫瘍の兆候を探すことができる。
移植したデバイスの潜在的な局所効果は、インプラントを取り囲む異物カプセル組織の顕微鏡的評価によって、及び、この組織の組織学的及び細胞性形態学的解析によって、外稙時の異常な組織反応において評価することができる。切除した組織カプセルの組織診断では、炎症性細胞の存在を調べることにより、形成されたカプセルに正常な創傷治癒応答が現れる場合を示すことができ、さらにこれらを点数化することができる(0から5の範囲において0及び1の点数は、400倍の視野で目に見える細胞が0である)。炎症性細胞は、好中球、リンパ球及びマクロファージを含むことができ、さらに、組織学的及び細胞性形態学的解析によって分類することができる。さらに、浮腫、うっ血、壊死、出血又は組織細胞の顆粒化を見るために、顕微鏡検査を使用することができる。組織診断に続いてこれを行うことにより、変性、細菌感染又はカプセルが存在する場合にカプセルのいずれかの悪性腫瘍の兆候を探すことができる。
[生物学的試験―組織カプセルの厚さ]
デバイスにわたる組織カプセルの厚さは、2グループのマウスによって検査することができ、デバイス全体にわたるカプセルの厚さと一致しえる。埋め込み型デバイスにわたるカプセルの厚さは、2グループのマウスにわたる範囲と予期することができ、2つのグループは、500マイクロ×500マイクロ×200マイクロのデバイスを有するマウスと、4000マイクロ×4000マイクロ×200マイクロのデバイスを有するマウスである。血管新生床の相対的サイズを、インプラント/組織の界面から通常の組織及び通常の血管の特性を有する影響のない領域までの領域幅を評価することによって点数化した。これは、外稙デバイスを取り囲む組織の移植の30日後に行う。
デバイスにわたる組織カプセルの厚さは、2グループのマウスによって検査することができ、デバイス全体にわたるカプセルの厚さと一致しえる。埋め込み型デバイスにわたるカプセルの厚さは、2グループのマウスにわたる範囲と予期することができ、2つのグループは、500マイクロ×500マイクロ×200マイクロのデバイスを有するマウスと、4000マイクロ×4000マイクロ×200マイクロのデバイスを有するマウスである。血管新生床の相対的サイズを、インプラント/組織の界面から通常の組織及び通常の血管の特性を有する影響のない領域までの領域幅を評価することによって点数化した。これは、外稙デバイスを取り囲む組織の移植の30日後に行う。
4000マイクロ×4000マイクロ×200マイクロより小さい500マイクロ×500マイクロ×200マイクロを有するマウスの方が、より小さい異物カプセルの形成を有することが発見されるだろう。
本発明については、複数の実施形態に基づいて記述した。けれども、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な改変がされ得ることが理解されよう。従って、他の実施形態も次の特許請求の範囲に包含される。
上述の例により、本発明の全範囲に対応付けられる実施形態の作成及び使用する方法の完全な開示及び説明が当業者に提供され、また、上述の例は、発明者らが本発明とみなす範囲を制限することを意図しない。
ここに開示された方法及びシステムを実行するために、上記形態の修正は、当業者にとって明らかであり、この修正も、次の特許請求の範囲内であることが意図される。明細書内で言及される全ての特許及び刊行物は、本発明に属する当業者の技術レベルを示すものである。本明細書で引用された全ての参考文献は、参照により同程度に組み込まれ、各参考文献は、参照によりその全てが個々に組み込まれる。
本発明は、特定の方法又はシステムに限定されないことが理解され、これは、当然に変更することができる。また、本明細書の用語は、特定の実施形態のみを説明する目的で使用されることが理解され、限定を意図するものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、「ある」、「一つ」及び「前記」は、その性質に反しない限り、複数の指示対象を含む。用語「複数」は、要旨が明らかに指示しない限り、二以上の指示対象を含む。定義されない限り、ここで使用される技術用語及び科学用語は、当業者によって通常に理解されるものと、同じような意味を有する。
Claims (26)
- 通信システムと、
センサと、
モノリシック基板と、を備え、
前記モノリシック基板は、前記センサからの入力を前記通信システムが搬送できる形式に処理するように構成された集積センサ回路と、外部電源からエネルギーを受けるように構成された集積電源装置と、を備える、
埋め込み型デバイス。 - 請求項1に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記センサは集積センサであり、前記モノリシック基板は該集積センサをさらに備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項1又は2に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記通信システムは前記モノリシック基板の第1の面上に配置され、前記センサは前記モノリシック基板の第2の面上に配置される、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記モノリシック基板は、200マイクロ未満の高さを有し、さらに500マイクロ未満の長さ及び幅を有する、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記通信システムは、変調器と、出力ドライバと、伝送システムとを備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項5に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記変調器は、制御回路と、パルス幅変調器とを備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記センサは、少なくとも1つの作用電極と、少なくとも1つの基準電極と、少なくとも1つの対極とを備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記センサは、対極と、基準電極と、少なくとも2つの作用電極とを備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記集積電源装置は太陽電池装置である、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記モノリシック基板はCMOSダイである、埋め込み型デバイス。
- 請求項3から10のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記モノリシック基板の前記第1の面から前記モノリシック基板の前記第2の面へと貫通する孔をさらに備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項7から11のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記電極は高表面領域電極である、埋め込み型デバイス。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記通信システムはレーザを備える、埋め込み型デバイス。
- 請求項7から12のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスにおいて、前記電極を除く前記埋め込み型デバイスの全体を実質的に覆う材料をさらに備える、埋め込み型デバイス。
- 埋め込み型デバイスを作動させるための方法であって、
前記埋め込み型デバイスにおいて第1の時間間隔でパルス化した電力を受けるステップと、
前記埋め込み型デバイスから第2の時間間隔でパルス化した情報を送信するステップと、
を含む方法。 - 請求項15に記載の方法において、
前記埋め込み型デバイスがエネルギーを受ける期間に対応する時間間隔で前記埋め込み型デバイスに電力供給するステップをさらに含む、方法。 - 請求項15又は16に記載の方法において、
前記第2の時間間隔で前記パルス化された情報の前記送信を開始するために前記受けた電力から受信する信号を区分するステップをさらに含む、方法。 - 請求項15から17のいずれか一項に記載の方法において、前記電力は、10秒未満の期間で受けられる、方法。
- 請求項15から18のいずれか一項に記載の方法において、前記受けた電力は、光学的電力である、方法。
- 請求項15から19のいずれか一項に記載の方法において、前記送信された電力は、光学的電力である、方法。
- 請求項20に記載の方法において、前記受けた電力は、前記送信された電力とは異なる波長である、方法。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載の埋め込み型デバイスと、外部デバイスとを備えるシステムであって、
前記外部デバイスは、
電源と、
電力送信機と、
前記電力送信機及び前記電源に接続され、時間間隔のみでアクティブ状態の前記電力送信機が前記埋め込み型デバイスに電力をパルシングするように構成されたプロセッサと、
前記埋め込み型デバイスの前記通信システムから情報を受信する検出器と、を備える、システム。 - 請求項22に記載のシステムにおいて、前記埋め込み型デバイスからの情報を送信し、さらに、直接に又は前記プロセッサを介して、前記検出器に動作可能にリンクされた通信リンクをさらに備える、システム。
- 請求項22又は23に記載のシステムにおいて、前記プロセッサに動作可能に接続されたディスプレイをさらに備える、システム。
- 請求項22から24のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記検出器は、検出器のアレイである、システム。
- 請求項22から25のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記外部デバイスは、市販の電子機器である、システム。
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