JP2018509951A - インターネット連動型超音波ネットワーク - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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は、超音波通信システムのプロトタイプの図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (45)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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Families Citing this family (33)
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---|---|---|---|---|
US11452153B2 (en) | 2012-05-01 | 2022-09-20 | Lisnr, Inc. | Pairing and gateway connection using sonic tones |
JP6492004B2 (ja) | 2012-05-01 | 2019-03-27 | エルアイエスエヌアール・インコーポレーテッド | コンテンツ配信および管理のためのシステムおよび方法 |
EP4215884A1 (en) | 2013-03-15 | 2023-07-26 | Mueller International, LLC | Systems for measuring properties of water in a water distribution system |
CA2964769A1 (en) | 2014-10-15 | 2016-04-21 | William Knauer | Inaudible signaling tone |
US10849503B2 (en) * | 2015-01-26 | 2020-12-01 | Northeastern University | Internet-linked ultrasonic network for medical devices |
US11041839B2 (en) | 2015-06-05 | 2021-06-22 | Mueller International, Llc | Distribution system monitoring |
US10171969B2 (en) * | 2015-12-31 | 2019-01-01 | Cho Wing Lam | System including alternation of sensor connection and transmission mechanism for motion sensing garment |
US10637951B2 (en) * | 2016-04-08 | 2020-04-28 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for managing data proxies |
US10142196B1 (en) | 2016-04-15 | 2018-11-27 | Senseware, Inc. | System, method, and apparatus for bridge interface communication |
GB2554894B (en) * | 2016-10-12 | 2020-06-03 | Dst Innovations Ltd | Electronic Biometric Devices and Methods of Construction |
JP7034155B2 (ja) | 2016-10-31 | 2022-03-11 | ノースイースタン・ユニバーシティ | 超音波電力制御およびテレメトリのための再構成可能埋め込み型医療システム |
US10238301B2 (en) | 2016-11-15 | 2019-03-26 | Avidhrt, Inc. | Vital monitoring device, system, and method |
US10545219B2 (en) * | 2016-11-23 | 2020-01-28 | Chirp Microsystems | Three dimensional object-localization and tracking using ultrasonic pulses |
US11189295B2 (en) | 2017-09-28 | 2021-11-30 | Lisnr, Inc. | High bandwidth sonic tone generation |
WO2019092674A1 (en) | 2017-11-13 | 2019-05-16 | University Of Pretoria | Asthma warning/prevention system and device |
US10826623B2 (en) * | 2017-12-19 | 2020-11-03 | Lisnr, Inc. | Phase shift keyed signaling tone |
TWI667860B (zh) * | 2018-02-09 | 2019-08-01 | 鉅旺生技股份有限公司 | 植入式醫材遠距離無線充電強化結構 |
WO2019195208A1 (en) * | 2018-04-02 | 2019-10-10 | Bionet Sonar | The internet of medical things through ultrasonic networking technology |
WO2020078842A1 (en) * | 2018-10-16 | 2020-04-23 | Koninklijke Philips N.V. | On-body communication system and method of commissioning the same |
CN109431538A (zh) * | 2018-11-24 | 2019-03-08 | 广西中医药大学附属瑞康医院 | 一种应用于超声成像设备的基因检测方法和设备 |
AU2020204710A1 (en) * | 2019-01-04 | 2021-06-03 | Iota Biosciences, Inc. | Ultrasound-based protocol for operating an implantable device |
WO2020163482A1 (en) * | 2019-02-06 | 2020-08-13 | Bionet Sonar | Secured intrabody networks and interfaces for the internet of things and multiple uses of ultrasound wideband |
US11346941B2 (en) * | 2019-03-26 | 2022-05-31 | Texas Instruments Incorporated | Shaped ultrasonic transmission and echo processing with coding |
US11848090B2 (en) * | 2019-05-24 | 2023-12-19 | Axonics, Inc. | Trainer for a neurostimulator programmer and associated methods of use with a neurostimulation system |
FR3099256B1 (fr) * | 2019-07-26 | 2021-08-06 | Amadeus Sas | Passerelle cloud |
EP3789125A1 (de) * | 2019-09-03 | 2021-03-10 | BIOTRONIK SE & Co. KG | Implantierbarer ultraschallwandler |
US11569863B2 (en) * | 2019-09-27 | 2023-01-31 | Case Western Reserve University | Acoustic sensing nodes and related systems and methods |
CN111130700B (zh) * | 2019-12-30 | 2022-10-18 | 浙江大华技术股份有限公司 | 数据发送方法及装置、存储介质、电子装置 |
US10972316B1 (en) * | 2020-02-06 | 2021-04-06 | The Aerospace Corporation | Channel estimation using a chirp signal and the Fractional Fourier Transform |
CN113359120B (zh) * | 2020-03-06 | 2024-04-26 | 华为技术有限公司 | 用户活动距离的测量方法、设备和电子设备 |
US11725366B2 (en) | 2020-07-16 | 2023-08-15 | Mueller International, Llc | Remote-operated flushing system |
CN117279690A (zh) * | 2021-04-19 | 2023-12-22 | 索诺生物股份有限公司 | 包含用于递送治疗剂的可摄取超声装置的*** |
WO2022266777A1 (en) * | 2021-06-25 | 2022-12-29 | Eleven-X Incorporated | Method and system for authenticating encrypted communication |
Family Cites Families (40)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5799091A (en) * | 1996-05-24 | 1998-08-25 | Lsi Logic Corporation | Single chip solution for multimedia GSM mobile station systems |
US6695885B2 (en) * | 1997-02-26 | 2004-02-24 | Alfred E. Mann Foundation For Scientific Research | Method and apparatus for coupling an implantable stimulator/sensor to a prosthetic device |
US6477200B1 (en) | 1998-11-09 | 2002-11-05 | Broadcom Corporation | Multi-pair gigabit ethernet transceiver |
US6547730B1 (en) * | 1998-12-31 | 2003-04-15 | U-Systems, Inc. | Ultrasound information processing system |
US20040015079A1 (en) * | 1999-06-22 | 2004-01-22 | Teratech Corporation | Ultrasound probe with integrated electronics |
DE50013558D1 (de) * | 2000-02-23 | 2006-11-16 | Tektronix Berlin Gmbh & Co Kg | Vorrichtung zum Aufbau eines Protokoll-Stacks und zugehöriges Verfahren |
US7035932B1 (en) | 2000-10-27 | 2006-04-25 | Eric Morgan Dowling | Federated multiprotocol communication |
US6826235B2 (en) * | 2002-01-04 | 2004-11-30 | Itran Communications Ltd. | Robust communications system utilizing repetition code and cumulative decoder associated therewith |
US7061381B2 (en) * | 2002-04-05 | 2006-06-13 | Beezerbug Incorporated | Ultrasonic transmitter and receiver systems and products using the same |
US7945064B2 (en) * | 2003-04-09 | 2011-05-17 | Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Intrabody communication with ultrasound |
US7743151B2 (en) * | 2004-08-05 | 2010-06-22 | Cardiac Pacemakers, Inc. | System and method for providing digital data communications over a wireless intra-body network |
US20060224048A1 (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-05 | Aware Technologies, Inc. | Wearable personal area data network |
US7733224B2 (en) * | 2006-06-30 | 2010-06-08 | Bao Tran | Mesh network personal emergency response appliance |
US8323189B2 (en) | 2006-05-12 | 2012-12-04 | Bao Tran | Health monitoring appliance |
US7539533B2 (en) | 2006-05-16 | 2009-05-26 | Bao Tran | Mesh network monitoring appliance |
DE102008031583A1 (de) * | 2007-08-01 | 2009-02-05 | Borgwarner Inc., Auburn Hills | Drehmomentübertragungsvorrichtung mit verminderter Drehmomentschwankung |
US7830918B2 (en) * | 2007-08-10 | 2010-11-09 | Eaton Corporation | Method of network communication, and node and system employing the same |
CN101933247B (zh) | 2008-03-11 | 2013-12-18 | 美国博通公司 | 在无线网络中实现双模操作的方法和*** |
JP5195637B2 (ja) * | 2009-05-21 | 2013-05-08 | 富士通株式会社 | Ban用センサの無線通信装置及び方法 |
KR101379983B1 (ko) * | 2009-09-18 | 2014-04-10 | 한국전자통신연구원 | 초음파를 이용한 통신 시스템 |
JP5479173B2 (ja) * | 2010-03-17 | 2014-04-23 | キヤノン株式会社 | 情報処理装置および情報処理方法 |
US8509882B2 (en) * | 2010-06-08 | 2013-08-13 | Alivecor, Inc. | Heart monitoring system usable with a smartphone or computer |
US8301232B2 (en) * | 2010-06-08 | 2012-10-30 | Alivecor, Inc. | Wireless, ultrasonic personal health monitoring system |
WO2012122553A2 (en) * | 2011-03-09 | 2012-09-13 | Lawrence Ganeshalingam | Biological data networks and methods therefor |
EP2683291B1 (en) * | 2011-03-11 | 2019-07-31 | Proteus Digital Health, Inc. | Wearable personal body associated device with various physical configurations |
EP2806787A1 (en) * | 2012-01-26 | 2014-12-03 | Alivecor, Inc. | Ultrasonic digital communication of biological parameters |
US9084530B2 (en) | 2012-04-12 | 2015-07-21 | Elwha Llc | Computational methods and systems for reporting information regarding appurtenances to wound dressings |
US10226212B2 (en) * | 2012-04-12 | 2019-03-12 | Elwha Llc | Appurtenances to cavity wound dressings |
WO2013165474A1 (en) | 2012-04-30 | 2013-11-07 | Yingchang Yang | Continuously wearable non-invasive apparatus for detecting abnormal health conditions |
US20140019830A1 (en) * | 2012-07-16 | 2014-01-16 | Broadcom Corporation | Joint application-layer forward error/erasure correction (FEC) and video coding |
US20140128754A1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-08 | Aliphcom | Multimodal physiological sensing for wearable devices or mobile devices |
US20140180111A1 (en) | 2012-12-21 | 2014-06-26 | IneedMD, Inc. | Remote controlled telemedical ultrasonic diagnostic device |
US20140279528A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Motorola Mobility Llc | Wearable Authentication Device |
US20150018660A1 (en) * | 2013-07-11 | 2015-01-15 | Alivecor, Inc. | Apparatus for Coupling to Computing Devices and Measuring Physiological Data |
US9450812B2 (en) * | 2014-03-14 | 2016-09-20 | Dechnia, LLC | Remote system configuration via modulated audio |
US9838969B2 (en) * | 2014-12-16 | 2017-12-05 | Sony Mobile Communications Inc. | Method, device and system for setting operation modes of communication devices in a communication network |
WO2016097166A1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-06-23 | Ventana Medical Systems, Inc. | Diffusion monitoring protocol for optimized tissue fixation |
EP3234581B1 (en) * | 2014-12-17 | 2020-09-23 | Ventana Medical Systems, Inc. | Obtaining a diffusivity constant |
US10849503B2 (en) * | 2015-01-26 | 2020-12-01 | Northeastern University | Internet-linked ultrasonic network for medical devices |
US9514066B1 (en) | 2015-09-09 | 2016-12-06 | Motorola Solutions, Inc. | Reconfigurable interface and method of configuring a reconfigurable interface |
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