JP2023504766A - 埋込型システムの光通信 - Google Patents

Abstract

例示的な一実施形態において、光通信システムは、埋込型光送信機および外部の光受信機を備える。送信機は、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源、および光学素子が配置されたハウジングを含む。各ドライバは、デジタルデータ信号を変調信号に変換して発光源を駆動する。各発光源は、対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させる。各光ビームが寄与して、１つの光信号が形成される。光学素子は、光ビーム同士をハウジングから、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満の状態で出射させるように案内する。光受信機は、発光源から発せられた光を検出する少なくとも１つのフォトダイオードを含むとともに、再構成データ信号を生成する。

Description

関連出願

本願は、２０１９年１０月１６日付出願の米国仮特許出願第６２／９１５，９６７号の利益を主張する。同出願の全教示内容は、参照をもって本明細書に取り入れたものとする。

人体への埋込用に設計されたモニタリング装置には、収集したデータを外部の装置に送信することで当該収集したデータの処理を行うことができるようにするための手段が必要となる。典型的に、このような埋込型装置は、光通信や電波通信を用いる。

本開示の実施形態は、生体組織を介した高いスループットおよび高い透過深度の安全かつ堅牢なデータ光伝送を、優れた耐ミスアライメント性を達成しつつ、光パワー密度や組織温度上昇を抑えながら可能にするという技術に向けられている。

例示的な一実施形態は、埋め込み密閉ハウジング内に複数の光源が一定距離で離設されているとともに、複数の薄型でかつ頑健な光窓により、前記密閉ハウジングから光を出射させて生体組織内に当該光を安全に入射させることが可能となっている。前記光窓の形状および／または表面特性は、組織内の光伝播に良好な影響を与えるように調節され得る。少なくとも１つのフォトダイオードが、光信号を同組織の反対側で受信し、受信した光信号を電気信号に変換する。当該電気信号は、少なくとも１つの増幅器で増幅されて、クロックデータリカバリ段に出力される。

例示的な一実施形態では、経皮光通信システムが、埋込型光送信装置と、外部の光受信装置と、を備える。

前記埋込型光送信装置は、空洞、遠位端および近位端を有する密閉ハウジングを含むものであり得て、前記空洞に、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源、および光学素子が配置されている。前記少なくとも１つのドライバのそれぞれは、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されている。各発光源は、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成される。前記光学素子は、前記光ビーム同士を前記密閉ハウジングの前記近位端から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成である。

前記外部の光受信装置は、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成するように構成された少なくとも１つのフォトダイオード、前記外部検出信号を増幅するように構成された増幅回路、および増幅された前記検出信号を受け取るように接続されているとともに再構成データ信号を生成するように構成されたクロックデータリカバリ回路を含み得る。

例示的な一実施形態では、経皮光通信方法が、埋込型光送信装置を用いて、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換する過程と、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させる過程であって、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成される、過程と、前記光ビーム同士を前記埋込型光送信装置から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する過程と、を備える。

前記方法は、さらに、少なくとも１つの前記光ビームを検出するように位置決めされた外部の光受信装置を用いて、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成する過程と、前記外部検出信号を増幅する過程と、増幅された前記検出信号を受け取って再構成データ信号を生成する過程と、を備え得る。

例示的な一実施形態では、埋込型装置が、空洞、遠位端および近位端を有する密閉ハウジング、を備え、前記空洞に、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源、および光学素子が配置されている。前記少なくとも１つのドライバのそれぞれは、（生理信号を表す）デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されている。各発光源は、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成される。前記光学素子は、前記光ビーム同士を前記密閉ハウジングの前記近位端から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成である。

前記埋込型装置は生体組織内に埋設されるように構成され得て、前記第１の距離および前記第２の距離は前記生体組織の特性に基づいている。

例示的な一実施形態において、前記第１の距離は０．５ミリメートル超、前記第２の距離は５０ミリメートル未満であり得る。

例示的な一実施形態では、前記光学素子が、複数の光窓を有している。前記複数の光窓のそれぞれは、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備し得る。

前記埋込型装置は、さらに、前記ハウジングの前記近位端に設置されて前記複数の光窓を収容するように構成されたフェルール、を備え得て、前記フェルールは、前記複数の光窓に対して位置が揃えられた複数の開口部を有しており、前記複数の光窓は、前記フェルールの上面から凹入している。

前記複数の発光源はＮ個の発光源からなり得て、前記複数の光窓はＭ個の光窓からなり得て、ＮはＭ以上である。

例示的な一実施形態では、前記光学素子が、単一の光窓を有している。前記単一の光窓は、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備し得る。

前記埋込型装置は、さらに、前記ハウジングの前記近位端に設置されて複数の開口部を有するフェルールを含み得て、前記単一の光窓は、前記ハウジングの前記近位端から少なくとも前記フェルールの肉厚だけ凹入している。

前記複数の発光源はＮ個の発光源からなり得て、前記複数の開口部はＭ個の開口部からなり得て、ＮはＭ以上である。

前記少なくとも１つのドライバは、オンオフ変調および／または振幅偏移変調に基づいて動作するように構成され得る。

前記埋込型装置は、さらに、生理信号を前記デジタルデータ信号に変換するように構成されたアナログフロントエンド回路、を備え得る。

例示的な一実施形態では、経皮光通信システムが、外部の光送信装置と、埋込型光受信装置と、を備える。

前記外部の光送信装置は、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源および光学素子が配置されたハウジングを含み得る。前記少なくとも１つのドライバのそれぞれは、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されている。各発光源は、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成される。前記光学素子は、前記光ビーム同士を前記ハウジングから、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成である。

前記埋込型光受信装置は、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成するように構成された少なくとも１つのフォトダイオード、前記外部検出信号を増幅するように構成された増幅回路、増幅された前記検出信号を受け取るように接続されているとともに再構成データ信号を生成するように構成された受信部、前記再構成データ信号を制御部信号に変換するように構成された制御部、および前記制御部信号に基づいて刺激信号を生成するように構成された刺激発生部を含み得る。

前述の内容は、添付の図面に示す例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになる。異なる図をとおして、同一の参照符号は同一の構成／構成要素を指すものとする。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ、実施形態を示すことに重点が置かれている。
経皮光通信システムの概念図である。 経皮光通信システムの第１の実施形態を示すブロック図である。 一実験構成における、光学ファントムを通過した後の光ビームの形状を示す図である。 他の実験構成における、光学ファントムを通過した後の光ビームの形状を示す図である。 光学素子の一構成例を示す図である。 光学素子の他の構成例を示す図である。 光学素子のさらなる他の構成例を示す図である。 光学素子のさらなる他の構成例を示す図である。 ４つの発光源が用いられた場合の、光学素子の一構成例を示す図である。 ４つの発光源が用いられた場合の、光学素子の他の構成例を示す図である。 光窓の一例に対する衝突物の一構成例を示す図である。 光窓の一例に対する衝突物の一構成例を示す他の図である。 複数の窓およびフェルールの一構成例を詳細に示す図である。 複数の窓およびフェルールの同構成例を詳細に示す他の図である。 経皮光通信システムの第２の実施形態を示すブロック図である。

以下では、例示的な実施形態について説明する。

図１は、経皮通信システム１００の概念図である。システム１００は、マスターインプラントニューロコミュニケータ（ＭＩＮ）１０５と、外部のヘッドピース（ＨＰ）または装着可能な装置１１０と、データ処理装置（ＮＣＤ）１１５と、を備える。同概念図に示すように、ＭＩＮ１０５は、患者の頭皮下に埋め込まれるとともに、患者の大脳皮質の一部に接する皮質電極１２５と接続された信号線１２０を具備している。ＭＩＮ１０５は、信号線１２０で受け取った生理信号を光信号１３０に変換し、光信号１３０は、頭皮を介してＨＰ１１０に送信される。ＨＰ１１０は、その光信号を頭皮の反対側で受信し、受信した光信号を電気信号に変換する。当該電気信号は、少なくとも１つの増幅器で増幅されて、クロックデータリカバリ段に出力されることで、再構成データ信号が生成される。ＮＣＤ１１５は、当該再構成データ信号に対してデータ処理機能を発揮するように構成されている。ＨＰ１１０は、コイル１３５，１４０を介してＭＩＮ１０５の給電と制御を行うように構成されている。

図２は、経皮通信システム２００の例示的な第１の実施形態を示すブロック図である。システム２００は、埋込型装置またはマスターインプラントニューロコミュニケータ（ＭＩＮ）２０５と、外部の装着可能な装置２１０と、を備える。ＭＩＮ２０５は、密閉ハウジング（図示せず）を含む。当該密閉ハウジングは、ＡＤ変換部（ＡＤＣ）２２０、プログラマブルなデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）２２５、少なくとも１つのドライバ２３０、複数の発光源２３５、および複数の窓を有する集積光学素子２４０を具備している。電極２１５は、患者の皮質領域２８２に取り付けられたとき、アナログ生理信号をＡＤＣ２２０に供給する。身体のそれ以外の領域への使用も、ＭＩＮ２０５の機能や構成要素に基づいて実施形態を構成することで想定可能になると理解されたい。

ＭＩＮ２０５は、さらに、センサ２５５、メモリ２６５、ＭＩＮ２０５を設定（構成）する制御部（controller, コントローラ）２７０、ＭＩＮ２０５の給電を行う無線受電部２７５、バッテリ２８０、および誘導コイル２９５を含み得る。

センサ２５５には、温度センサ、湿度センサ、電圧電流センサ、加速度計などが含まれ得る。センサ２５５は、ＭＩＮ２０５の監視や安全性の確保に役立てられる。

メモリ２６５は、埋込物（前記インプラント）の構成および／またはファームウェアおよび／または埋込物および／または患者の情報（例えば、名前、シリアルナンバー等）を記憶するように、かつ／あるいは、データ（例えば、バッテリ電圧、温度、湿度、時刻、イベント等）を記録するように設けられたものであり得る。

制御部２７０は、データ取得、ＤＳＰ２２５および前記ドライバを設定（構成）するように設けられたプログラマブルなマイクロコントローラであり得る。制御部２７０は、そのほかに、センサ２５５の読取り、メモリ２６５の書込み／読取り、装着物２１０との通信の管理、および前記埋込物のファームウェアの更新を行うように構成されたものであり得る。

無線受電部２７５は、誘導コイル２９５からの交流電圧を整流・安定化したクリーンな（直流）電圧に変換し、前記埋込物の電子部品に給電するように構成されている。

一部の実施形態において、バッテリ２８０は、停電時に使用するエネルギーや、装着物２１０が存在しない場合にＭＩＮ２０５に電力を供給して一部の機能を動かし続けるためのエネルギーを蓄えるものであり得る。

誘導コイル２９５は、交流磁界を交流電気信号に変換するように構成されている。

装着可能な装置２１０は、少なくとも１つのフォトダイオード２４５、少なくとも１つの増幅段２５０、およびクロックデータリカバリ回路２６０を含む。

装着可能な装置２１０は、さらに、誘導コイル２８７、無線送電部２８９、および制御部（controller, コントローラ）２９１を含む。

動作時、ＡＤＣ２２０は、電極２１５から受け取った前記アナログ生理信号をデジタル信号に変換する。前記ＡＤＣの機能は、例えば、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）チップが提供し得る。ＤＳＰ２２５は、前記デジタル信号を処理する。ＤＳＰ２２５は、ＡＤＣ２２０を制御し、ＡＤ変換の結果を読み出し、データをヘッダおよびチェックサムでカプセル化することで当該データの完全性を確保し、当該データを少なくとも１つのドライバ２３０に送信する。ＤＳＰ２２５の出力が少なくとも１つのドライバ２３０に接続されて、当該ドライバ２３０が前記デジタル信号を少なくとも１つの変調信号に変換し複数の発光源２３５を駆動する。発光源（複数）２３５から発せられた光ビーム（複数）が寄与して、１つの光信号が形成される。集積光学素子２４０は複数の薄型でかつ頑健な光窓を有しており、これにより、前記密閉ハウジングから当該光信号を出射させて生体組織２０７内に当該光信号を安全に入射させることが可能となっている。装着可能な装置２１０では、少なくとも１つのフォトダイオード２４５が、その光信号を同組織の反対側で受信し、受信した当該光信号を電気信号に変換する。代替的な実施形態では、フォトダイオード２４５の代わりに、別の種類の光受信機が用いられる。前記電気信号は、少なくとも１つの増幅器２５０で増幅されて、クロックデータリカバリ段、すなわち、クロック・データ再構成段２６０に出力される。再構成後のデータ信号（再構成データ信号）は、装着可能な装置２１０から送り出されて（２６２）さらなる処理を受ける。

装着可能な装置２１０は、無線送電部２８９から誘導コイル２８７，２９５を介してＭＩＮ２０５の無線受電部２７５に電力を伝送するように構成されたものとされ得る。また、装着可能な装置２１０は、制御部２９１から誘導コイル２８７，２９５を介してＭＩＮ２０５の制御部２７０をプログラムしたり制御部２７０と通信したりするように構成されたものとされ得る。

（目標データ転送速度）

埋込型装置の最新用途では、患者の組織を介して大量の情報を運ぶ必要があり、要求されるチャネル数、サンプリングレートおよび分解能を踏まえると、２５Ｍｂｐ超のデータ転送速度で典型的に行われることになり得る。

（皮膚の厚さ）

組織内を通過させなければならない光パワーは、組織の厚さや種類に左右される。例えば、患者の頭部に埋め込まれる装置の場合、組織の厚さは、典型的に平均７～８ｍｍ、かつ、最大１２ｍｍまたはそれ以上に達し得る。

（波長）

皮膚吸収係数および皮膚拡散係数は、波長によって異なり、一定ではない。光が生体組織を透過する能力は、色素類、メラニン、脂肪、水分および酸素化／脱酸素化血液などの組織成分にも左右される。そのため、透過エネルギーを最大限まで高めることができるように波長が選択される一方、皮膚のあらゆる多様性に対応する十分な融通性および寛容性を有するリンクが構築される。

多くの刊行物が、生体組織における６００ｎｍ～１３００ｎｍの「近赤外線ウィンドウ」を特定している。この波長域では、メラニンと水分と血液との組合せによる光の吸収が、短い波長域や長い波長域よりも少なくなる。また、波長が長くなると、生体組織の拡散係数が小さくなる。一部の実施形態において、波長は、４００ｎｍ～１４００ｎｍの範囲内とされ得る。

（発光源）

この単方向の光通信リンクは、ドライバの駆動によるデジタルデータ変調を受ける高速赤外線発光源を、パワー調節および冗長性（ならびに複数の光源間でパワーを散らばらせることによるパワー密度低減）のために複数設けたものに基づく。発光源が調節可能であること、さらに、受信部の感度が調節可能であることにより、頭皮の厚さ、吸収特性および拡散特性を補償することが可能となる。これにより、消費電力を最小限に抑えながらビット誤り率を最適化することが可能となる。

発光源２３５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり得る。どちらの種類の発光源も、小さいフォームファクタで赤外線を発することが可能である。ＬＥＤは典型的に２０Ｍｂｐｓと限られているが、ＶＣＳＥＬは数Ｇｂｐｓものデータ転送速度を達成することが可能である。

（ドライバ）

一実施形態において、少なくとも１つのドライバ２３０は、電力効率の良い単純なオンオフ（ＯＯＫ）変調で前記ＶＣＳＥＬの電流を変調するように使用される極めて簡素な高速トランジスタであり得る。前記複数の発光源は、振幅偏移（Ｍ－ＡＳＫ）を使って駆動されることも可能である。

（装着型のフォトダイオード）
フォトダイオード２４５は、例えば、Ｈａｍａｍａｔｓｕ社製のＳ６９６７フォトダイオード（帯域幅：５０ＭＨｚ、感度：約０．６２Ｗ／Ａ（８５０ｎｍ）、受光面積：２６．４ｍｍ^２、視野角：１２０°超（広視野角））であり得る。フォトダイオード２４５を皮膚に可能な限り近付けて配置すると、視野角が広がるほか、前記発光源とのアライメントにも役立つという利点が得られる。目標は、皮膚の表面に達した拡散光を、光子が著しい入射角度で届けられたとしてもすべて捕集できるようにすることである。前記フォトダイオードには、捕集する光子を増やしたり対象の波長のみを選定したりするための光学系（例えば、フレネルレンズ、レンズ、フィルタ等）（図示せず）が追加されてもよい。

（増幅段）
フォトダイオード２４５は、受光した光パワーに比例した電流を送出する。少なくとも１つの増幅段２５０が、この電流を電圧に変換する。

本明細書に記載した埋込型装置のコンセプトを実際に確かめるための実験構成では、中実な光学ファントムを使うことで、組織の光学特性を模擬的に再現した。光学特性および組織厚には、基準となる例と極端な例（２ｍｍと１５ｍｍが組織厚の上限下限を成す）を採用した。

図３Ａおよび図３Ｂに、前記実験構成における、光学ファントムを通過した後のビームの形状を示す。図３Ａは光学ファントムＡ２（厚み：２ｍｍ）の結果を表し、図３Ｂは光学ファントムＡ５．５（厚み：５．５ｍｍ）の結果を表す。ファントムＡ２では、４つの発光源からの別々の光ビームを目視で区別することができる。ファントムＡ５．５などの厚みが２ｍｍを超えるファントムでは、図３Ｂに示すように、拡散効果でビームが交わって１つのピークを形成するように合体している。つまり、複数の光源を設けるというコンセプトにより、皮膚の薄いところではアライメント許容範囲が増加し、皮膚の厚いところでは、４つのビームの合成によって総合的にビームが形成されるとともに、拡散係数でアライメント許容範囲が広がる可能性がある。

様々な厚さの生体組織２０７（図２）に対応するために、前記発光源同士は、前記密閉ハウジングから出射する各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満のパターンの分布になるように離設される。例えば、前記第１の距離は０．５ｍｍ超であり得て、前記第２の距離は５０ｍｍ未満であり得る。

集積光学素子２４０は、例えば、サファイアまたは他の適切な材料から形成されたものであり得る。図４Ａ～図４Ｄに、光学素子２４０のいくつかの構成例を示す。図４Ａでは、前記光学素子が、平凹レンズなどのレンズ４０２を具備している。図４Ｂでは、光学素子２４０の表面に、反射を低減して透過エネルギーを増大させる反射防止コーティング４０４（例えば、薄膜、厚膜等）が適用されている。図４Ｃでは、光学素子２４０の表面に、艶消し面などの拡散層４０６が適用されている。図４Ｄでは、光学素子２４０が、微細構造面または微細加工面４０８を具備している。

図５Ａおよび図５Ｂに、４つの発光源２３５ａ～２３５ｄが用いられた場合の、光学素子２４０の２種類の構成例を示す。図５Ａでは、前記光学素子が単一の窓５０２を有しており、単一の窓５０２は、単一の開口部５０９ａを有するフェルール５０４によって定位置に保持されている。図５Ｂでは、前記光学素子が４つの窓５０６ａ～５０６ｄを有しており、４つの窓５０６ａ～５０６ｄは、４つの対応する開口部５１０ａ～５１０ｄを有するフェルール５０８によって定位置に保持されている。複数の光窓のそれぞれ５０６ａ～５０６ｄは、一部の赤外線発光源２３５ａ～２３５ｄを覆っているので、単一の窓がすべての光源を覆っている場合よりも小径となり得る。厚みが同じである場合、複数の窓は、単一の大窓のときよりも径－厚みの比が低くなって機械的に頑健になる。同様に、支持フェルールの表面から窓の表面までの凹入距離が同じで、かつ、衝突物の凹面も同じである場合、複数の小窓の表面には同衝突物がぶつからなくても、単一の大窓の表面には同衝突物が直接ぶつかる可能性がある。言い換えると、同じ凹面を有する同じ衝突物との衝突を単一の大窓が避けるには、その表面を複数の小窓のときよりも奥に凹入させる必要がある。衝突物６０２（半径：２５ｍｍ）を描いた図６および図７で、この概念を示す。図６では、大窓５０２（径：６．８５ｍｍ）の凹入が０．２３６ｍｍとなっている。対照的に、図７では、衝突物６０２を避けるのに、小窓５０６（径：１．８０ｍｍ）の凹入が０．０１６ｍｍだけで済む。凹入が小さくなる小窓５０６には、埋込型装置の梱包を小型化することができるという利点がある。

径－厚みの比が高い場合に直接衝突が加わると、窓の損傷可能性が増し、密閉性が損なわれる可能性がある。これを避けるには、凹入距離および／または窓の厚みを増大させる必要があるが、いずれの選択肢も「薄型」特長を妨げることになる。

図８Ａおよび図８Ｂは、複数の窓－フェルールの一構成例を詳細に示す図である。図８Ａは、サファイア製の４つの窓８１０を保持しているフェルール８０５を示す平面図である。フェルール８０５は、チタンまたは他の適切な材料から形成されたものであり得る。窓８１０の中心－中心間は、距離８３０が空けられている。線Ａ－Ａの切断面Ａ－Ａに沿った（図８Ｂの）断面図に示すように、窓８１０は前記フェルールの上部８３５から距離８８５だけ凹入している。本実施形態では、窓８１０が前記フェルールの下部８２５から凹入していないが、他の実施形態では、当該窓が同下部からも凹入していてよい。前記フェルールは、例えば純金ロウ付け等による密封シール８２０で各窓８１０に接合されており、かつ、当該フェルールを前記ハウジングに着座させるためのフランジ８４０を有している。窓８１０の中心－中心間の距離８３０は、当該窓８１０とのアライメント対象となる１つ以上の発光源２３５（図２）の配置と一致するように選択されている。

図９は、経皮光通信システムの例示的な第２の実施形態を示すブロック図である。同システム９００での光通信は、装着可能な装置９１０から埋込型装置９０５の方向に行われる。このようなシステム９００は、組織の一領域に刺激信号を内部で届けるように構成されたものであり得る。システム９００は、さらに、埋込型装置９０５のパラメータをプログラムし、かつ／あるいは更新し、かつ／あるいは変更するサービス信号を生成するように構成されたものであり得る。

埋込型装置９０５は、密閉ハウジング（図示せず）を含む。当該密閉ハウジングは、少なくとも１つのフォトダイオード９４５、少なくとも１つの増幅段９５０、受信部９６０、制御部（controller）９７８、および刺激発生部９９８を具備している。電極９１５は、患者の一組織領域に取り付けられている際に、刺激発生部９９８からのアナログ生理信号を適用する。

埋込型装置９０５は、さらに、センサ９５５、メモリ９６５、埋込型装置９０５を設定（構成）する制御部（controller, コントローラ）９７０、埋込型装置９０５の給電を行う無線受電部９７５、バッテリ９８０、および誘導コイル９９５を含み得る。

センサ９５５には、温度センサ、湿度センサ、電圧電流センサ、加速度計などが含まれ得る。センサ９５５は、埋込型装置９０５の監視や安全性の確保に役立てられる。

メモリ９６５は、埋込物の構成および／またはファームウェアおよび／または埋込物および／または患者の情報（例えば、名前、シリアルナンバー等）を記憶するように、かつ／あるいは、データ（例えば、バッテリ電圧、温度、湿度、時刻、イベント等）を記録するように設けられたものであり得る。

制御部９７０は、制御部９７８を設定（構成）するように設けられたマイクロコントローラであり得る。制御部９７０は、そのほかに、センサ９５５の読取り、メモリ９６５の書込み／読取り、装着物９１０との通信の管理、および前記埋込物のファームウェアの更新を行うように構成されたものであり得る。

無線受電部９７５は、誘導コイル９９５からの交流電圧を整流・安定化したクリーンな（直流）電圧に変換し、前記埋込物の電子部品に給電するように構成されている。

一部の実施形態において、バッテリ９８０は、停電時に使用するエネルギーや、装着物９１０が存在しない場合に埋込型装置９０５に電力を供給して一部の機能を動かし続けるためのエネルギーを蓄えるものであり得る。

誘導コイル９９５は、交流磁界を交流電気信号に変換するように構成されている。

装着可能な装置９１０は、少なくとも１つのドライバ９３０、複数の発光源９３５、および複数の窓を有する集積光学素子９４０を含む。

装着可能な装置９１０は、さらに、誘導コイル９８７、無線送電部９８９、および制御部（controller）９９１を含む。

動作時、制御部９９１がデジタル信号を少なくとも１つのドライバ９３０に供給し、当該ドライバ９３０が当該デジタル信号を少なくとも１つの変調信号に変換し複数の発光源９３５を駆動する。発光源（複数）９３５から発せられた光ビーム（複数）が寄与して、１つの光信号が形成される。集積光学素子９４０は複数の薄型でかつ頑健な光窓を有しており、これにより、装着可能な装置９１０から当該光信号を出射させて生体組織９０７内に当該光信号を安全に入射させることが可能となっている。埋込型装置９０５では、少なくとも１つのフォトダイオード９４５が、その光信号を同組織の反対側で受信し、受信した当該光信号を電気信号に変換する。当該電気信号は、少なくとも１つの増幅器９５０で増幅されて、受信部９６０に出力される。再構成後のデータ信号（再構成データ信号）は、刺激発生部９９８を制御して刺激信号を組織９８２に供給するようにプログラムされた制御部９７８に接続される。

装着可能な装置９１０は、無線送電部９８９から誘導コイル９８７，９９５を介して埋込型装置９０５の無線受電部９７５に電力を伝送するように構成されたものとされ得る。また、装着可能な装置９１０は、制御部９９１から誘導コイル９８７，９９５を介して制御部９７０をプログラムするように構成されたものとされ得る。

例示的な実施形態について具体的に図示説明してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される実施形態の範囲から逸脱しない範疇で形態や細部に様々な変更が施されてもよいことを理解するであろう。

Claims (51)

1. 埋込型光送信装置と、外部の光受信装置と、を備える、経皮光通信システムであって、
   前記埋込型光送信装置が、空洞、遠位端および近位端を有する密閉ハウジングを含み、前記空洞に、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源、および光学素子が配置されており、前記少なくとも１つのドライバのそれぞれが、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されており、各発光源が、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成され、前記光学素子が、前記光ビーム同士を前記密閉ハウジングの前記近位端から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成であり、
   前記光受信装置が、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成するように構成された少なくとも１つのフォトダイオード、前記外部検出信号を増幅するように構成された増幅回路、および増幅された前記検出信号を受け取るように接続されているとともに再構成データ信号を生成するように構成されたクロックデータリカバリ回路を含む、システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記埋込型光送信装置が生体組織内に埋設されるように構成されており、前記第１の距離および前記第２の距離が前記生体組織の特性に基づいている、システム。
3. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記第１の距離が０．５ミリメートル超であり、前記第２の距離が５０ミリメートル未満である、システム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記光学素子が、複数の光窓を有している、システム。
5. 請求項４に記載のシステムにおいて、前記複数の光窓のそれぞれが、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備している、システム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記レンズが平凹レンズである、システム。
7. 請求項４に記載のシステムにおいて、前記埋込型光送信装置が、さらに、前記ハウジングの前記近位端に設置されて前記複数の光窓を収容するように構成されたフェルールを含み、そのフェルールが、前記複数の光窓に対して位置が揃えられた複数の開口部を有しており、前記複数の光窓が、前記フェルールの上面から凹入している、システム。
8. 請求項４に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源がＮ個の発光源からなり、前記複数の光窓がＭ個の光窓からなり、ＮがＭ以上である、システム。
9. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記光学素子が、単一の光窓を有している、システム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記単一の光窓が、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備している、システム。
11. 請求項９に記載のシステムにおいて、前記埋込型光送信装置が、さらに、前記ハウジングの前記近位端に設置されて複数の開口部を有するフェルールを含み、前記単一の光窓が、前記ハウジングの前記近位端から少なくとも前記フェルールの肉厚だけ凹入している、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源がＮ個の発光源からなり、前記複数の開口部がＭ個の開口部からなり、ＮがＭ以上である、システム。
13. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源のそれぞれが、発光ダイオードおよび垂直共振器面発光レーザのいずれかからなる、システム。
14. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源のうちの第１の群が垂直共振器面発光レーザからなり、前記複数の発光源のうちの第２の群が発光ダイオードからなる、システム。
15. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源が、４００ｎｍ～１４００ｎｍで動作するように構成されている、システム。
16. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の発光源が、６００ｎｍ～１３００ｎｍで動作するように構成されている、システム。
17. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのドライバが、オンオフ変調に基づいて動作するように構成されている、システム。
18. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのドライバが、振幅偏移変調に基づいて動作するように構成されている、システム。
19. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記埋込型光送信装置が、さらに、生理信号を前記デジタルデータ信号に変換するように構成されたアナログフロントエンド回路を含む、システム。
20. 埋込型光送信装置を用いて、
    デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換する過程と、
    複数の発光源のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させる過程であって、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成される、過程と、
    前記光ビーム同士を前記埋込型光送信装置から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する過程と、
    を備える、経皮光通信方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、さらに、
    少なくとも１つの前記光ビームを検出するように位置決めされた外部の光受信装置を用いて、
    少なくとも１つのフォトダイオードが、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成する過程と、
    前記外部検出信号を増幅する過程と、
    増幅された前記検出信号を受け取って再構成データ信号を生成する過程と、
    を備える、方法。
22. 請求項２０に記載の方法において、前記埋込型光送信装置が生体組織内に埋設されるように構成されており、前記第１の距離および前記第２の距離が前記生体組織の特性に基づいている、方法。
23. 請求項２２に記載の方法において、前記第１の距離が０．５ミリメートル超であり、前記第２の距離が５０ミリメートル未満である、方法。
24. 請求項２０に記載の方法において、案内する前記過程が、複数の光窓を有する光学素子によって行われる、方法。
25. 請求項２０に記載の方法において、案内する前記過程が、単一の光窓を有する光学素子によって行われる、方法。
26. 請求項２０に記載の方法において、前記複数の発光源のそれぞれが、発光ダイオードおよび垂直共振器面発光レーザのいずれかからなる、方法。
27. 請求項２０に記載の方法において、前記複数の発光源のうちの第１の群が垂直共振器面発光レーザからなり、前記複数の発光源のうちの第２の群が発光ダイオードからなる、方法。
28. 請求項２０に記載の方法において、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させる前記過程が、オンオフ変調に基づいて行われる、方法。
29. 請求項２０に記載の方法において、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させる前記過程が、振幅偏移変調に基づいて行われる、方法。
30. 請求項２０に記載の方法において、さらに、
    生理信号を前記デジタルデータ信号に変換する過程、
    を備える、方法。
31. 空洞、遠位端および近位端を有する密閉ハウジング、を備える、埋込型装置であって、
    前記空洞に、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源、および光学素子が配置されており、前記少なくとも１つのドライバのそれぞれが、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されており、各発光源が、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成され、前記光学素子が、前記光ビーム同士を前記密閉ハウジングの前記近位端から、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成である、埋込型装置。
32. 請求項３１に記載の埋込型装置において、当該装置が生体組織内に埋設されるように構成されており、前記第１の距離および前記第２の距離が前記生体組織の特性に基づいている、埋込型装置。
33. 請求項３２に記載の埋込型装置において、前記第１の距離が０．５ミリメートル超であり、前記第２の距離が５０ミリメートル未満である、埋込型装置。
34. 請求項３１に記載の埋込型装置において、前記光学素子が、複数の光窓を有している、埋込型装置。
35. 請求項３４に記載の埋込型装置において、前記複数の光窓のそれぞれが、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備している、埋込型装置。
36. 請求項３５に記載の埋込型装置において、前記レンズが平凹レンズである、埋込型装置。
37. 請求項３４に記載の埋込型装置において、さらに、
    前記ハウジングの前記近位端に設置されて前記複数の光窓を収容するように構成されたフェルール、
    を備え、前記フェルールが、前記複数の光窓に対して位置が揃えられた複数の開口部を有しており、前記複数の光窓が、前記フェルールの上面から凹入している、埋込型装置。
38. 請求項３４に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源がＮ個の発光源からなり、前記複数の光窓がＭ個の光窓からなり、ＮがＭ以上である、埋込型装置。
39. 請求項３１に記載の埋込型装置において、前記光学素子が、単一の光窓を有している、埋込型装置。
40. 請求項３９に記載の埋込型装置において、前記単一の光窓が、レンズ、反射防止コーティング、拡散層、微細構造面、またはこれらの任意の組合せを具備している、埋込型装置。
41. 請求項３９に記載の埋込型装置において、さらに、
    前記ハウジングの前記近位端に設置されて複数の開口部を有するフェルールを含み、前記単一の光窓が、前記ハウジングの前記近位端から少なくとも前記フェルールの肉厚だけ凹入している、埋込型装置。
42. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源がＮ個の発光源からなり、前記複数の開口部がＭ個の開口部からなり、ＮがＭ以上である、埋込型装置。
43. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源のそれぞれが、発光ダイオードおよび垂直共振器面発光レーザのいずれかからなる、埋込型装置。
44. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源のうちの第１の群が垂直共振器面発光レーザからなり、前記複数の発光源のうちの第２の群が発光ダイオードからなる、埋込型装置。
45. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源が、４００ｎｍ～１４００ｎｍで動作するように構成されている、埋込型装置。
46. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記複数の発光源が、６００ｎｍ～１３００ｎｍで動作するように構成されている、埋込型装置。
47. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記少なくとも１つのドライバが、オンオフ変調に基づいて動作するように構成されている、埋込型装置。
48. 請求項４１に記載の埋込型装置において、前記少なくとも１つのドライバが、振幅偏移変調に基づいて動作するように構成されている、埋込型装置。
49. 請求項４１に記載の埋込型装置において、さらに、
    生理信号を前記デジタルデータ信号に変換するように構成されたアナログフロントエンド回路、
    を備える、埋込型装置。
50. 外部の光送信装置と、埋込型光受信装置と、を備える、経皮光通信システムであって、
    前記埋込型光送信装置が、少なくとも１つのドライバ、複数の発光源および光学素子が配置されたハウジングを含み、前記少なくとも１つのドライバのそれぞれが、デジタルデータ信号を少なくとも１つの変調信号に変換して前記発光源のうちの少なくとも１つを駆動するように構成されており、各発光源が、前記少なくとも１つの変調信号のうちの対応する１つの変調信号に応じて光ビームを発生させるように構成されており、各光ビームが寄与して１つの光信号が形成され、前記光学素子が、前記光ビーム同士を前記ハウジングから、各光ビームの光強度のピーク位置と隣接する光ビームの光強度における対応するピーク位置との間が第１の距離以上第２の距離未満になるパターンの分布で出射させるように案内する構成であり、
    前記埋込型光受信装置が、前記複数の発光源から発せられた光を検出しこれに応じて外部検出信号を生成するように構成された少なくとも１つのフォトダイオード、前記外部検出信号を増幅するように構成された増幅回路、増幅された前記検出信号を受け取るように接続されているとともに再構成データ信号を生成するように構成された受信部、前記再構成データ信号を制御部信号に変換するように構成された制御部、および前記制御部信号に基づいて刺激信号を生成するように構成された刺激発生部を含む、システム。
51. 請求項５０に記載のシステムにおいて、前記埋込型光受信装置が生体組織内に埋設されるように構成されており、前記第１の距離および前記第２の距離が前記生体組織の特性に基づいている、システム。

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