CN113226455A - 用于操作可植入设备的基于超声的协议 - Google Patents

Abstract

描述了用于使用超声波来操作可植入受试者中的设备的方法和系统实施例。在一些实施例中，在可植入设备处执行一种方法以接收包括操作模式命令的超声波。然后，可植入设备基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置为多个预定操作模式中的一个操作模式。

Description

用于操作可植入设备的基于超声的协议

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月4日提交的美国临时申请号为62/788,390的优先权权益，为了所有目的将该美国临时申请并入本文。

技术领域

本公开总体涉及操作可植入设备，更具体地涉及使用超声波操作可植入设备。

背景技术

已经开发了用于治疗患者的各种身体状况的侵入性方法。这些方法可能涉及将例如心脏或神经生物植入物的可植入医疗设备(Implantable Medical Device，IMD)插入患者体内。以无线方式操作这种可植入设备对于许多生物医学应用仍然是技术挑战。这部分地是因为使用射频(Radio Frequency，RF)来控制无线设备的传统方法在生物医学背景下具有许多限制并且可能对患者造成健康危害。例如，处理RF所需的RF天线可能具有大的形状因数，并且将使得使用RF天线的可植入设备太大而不能安全且舒适地放置在体内的许多位置处。

而且，生物组织易于从RF载波频率吸收能量，这可能限制可植入设备的可植入深度。另外，由于RF能量的高吸收率，生物组织更可能过热并对患者造成健康危害。

本文所引用的所有出版物、专利和专利申请的公开内容各自以引证的方式整体并入本文。就以引证的方式并入的任何参考文献与本公开冲突来说，应以本公开为准。

发明内容

如上所述，需要具有较小形状因数(例如，毫米和亚毫米尺寸)的可植入设备，以增加生物相容性并减少由使用例如RF控制的较大可植入设备引起的侵入性和不适。在一些实施例中，为了实现这种较小的形状因数，可植入设备可以被配置成使用超声波来操作和供电，超声波可在可植入设备的一个或多个超声换能器处接收。

在一些实施例中，使用超声波来操作和供电可植入设备可以比其它方法有利，因为生物组织具有比例如RF波的其它类型的波显著更低的超声波吸收率。超声波的这种特性可以允许设备可植入到受试者中的更大深度处，而且减少由于组织吸收的能量而引起的组织加热。

在一些实施例中，为了解决上述需要，一种可植入在受试者中的设备包括：超声换能器，其被配置成接收包括操作模式命令的超声波；和控制器电路，其被配置成基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置成多个操作模式中的一个操作模式。

在一些实施例中，多个操作模式包括用于从所接收的超声波下载数据的下行链路模式、或用于使用所接收的超声波将在可植入设备处生成的数据上传到外部设备的上行链路模式中的一个或多个。在一些实施例中，多个操作模式包括下行链路模式和上行链路模式。

在一些实施例中，超声波从询问器接收。

在一些实施例中，超声波从另一可植入设备接收。

在一些实施例中，方法包括：确定操作模式命令对应于多个预定图案中的图案；以及基于所确定的图案来设置操作模式。

在一些实施例中，确定操作模式命令对应于图案包括：确定操作模式命令的第一部分对应于所确定的图案。

在一些实施例中，第一部分包括指示操作模式命令的开始的单个脉冲。在一些实施例中，第一部分包括两个或更多个脉冲的序列。

在一些实施例中，多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间、多个对应的振幅、或多个对应的相位或频率变化。

在一些实施例中，多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间，并且脉冲持续时间中的一个或多个基于所接收的超声波的载波信号周期来设置。

在一些实施例中，确定操作模式命令对应于图案包括：将超声波转换成包括操作模式命令的表示的电信号；以及对电信号的第一部分与预定义电压电平交叉的实例的数量进行计数，并且实例的数量对应于所确定的图案。

在一些实施例中，所确定的图案与上传数据相关联，并且操作模式命令包括不同于第一部分的第二部分，并且方法包括：将操作模式设置成上行链路模式，其用于上传与上行链路模式相关联的设备数据；以及反向散射超声波，反向散射的超声波在操作模式命令的第二部分的反向散射中编码设备数据。

在一些实施例中，上行链路模式包括应答模式，并且设备数据包括可植入设备从第二超声波成功提取操作指令的应答，第二超声波由可植入设备接收。

在一些实施例中，上行链路模式包括生理状况报告模式，并且设备数据包括与在生理状况报告模式中由可植入设备检测到的生理状况相关联的信息。

在一些实施例中，上行链路模式包括神经活动报告模式，并且设备数据包括与在神经活动报告模式中由可植入设备检测到的电生理信号相关联的信息。

在一些实施例中，设备数据包括与由可植入设备发射的电脉冲相关联的信息，并且电脉冲被配置成调制目标神经的活动。

在一些实施例中，可植入设备被配置成当可植入设备的操作模式被设置成下行链路模式时，响应于从由可植入设备接收的第二超声波提取的操作指令而发射电脉冲。

在一些实施例中，所确定的图案与下载数据相关联，操作模式命令包括不同于第一部分的第二部分，并且方法包括：将操作模式设置成下行链路模式，其用于从操作模式命令的第二部分提取数据。

在一些实施例中，所提取的数据与测量生理状况相关联，并且方法包括：响应于提取数据，测量生理状况。

在一些实施例中，生理状况包括温度、脉搏率、血压、pH水平、分析物的存在或分析物的浓度。在一些实施例中，生理状况包括分析物的浓度，并且分析物是氧或葡萄糖。

在一些实施例中，所提取的数据与记录电生理信号相关联，并且可植入设备包括两个或更多个电极，其与受试者的神经电通信，并且两个或更多个电极被配置成记录电生理信号。在一些实施例中，方法包括响应于从第二部分提取的数据来记录电生理信号。

在一些实施例中，所提取的数据与刺激神经相关联，可植入设备包括与受试者的神经电通信的两个或更多个电极，并且方法包括：响应于从第二部分提取的数据，使用两个或更多个电极发射被配置成调制神经的活动的一个或多个电脉冲。

在一些实施例中，方法包括：基于操作逻辑来维持可植入设备的当前操作状态，操作逻辑定义操作状态之间的转变，其中，可植入设备被配置成根据当前操作状态来操作；基于操作模式命令从操作逻辑的当前操作状态转变到下一操作状态；以及配置可植入设备以根据下一操作状态来操作。

在一些实施例中，操作逻辑由可植入设备的微处理器或微控制器来实现。在一些实施例中，操作逻辑由有限状态机(Finite State Machine，FSM)来实现。

在一些实施例中，使用超声波操作的可植入设备包括：超声换能器，其被配置成接收包括操作模式命令的超声波；和控制器电路，其被配置成基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置成多个操作模式中的一个操作模式。

本文进一步描述了根据任何前述方法实施例的用于使用超声波来操作可植入设备的各种系统实施例。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解前面的概述以及下面的实施例的详细描述。为了说明本公开的目的，附图示出了本公开的示例实施例；然而，本公开不限于所公开的具体方法和装置。在附图中：

图1例示了根据一些实施例的用于使用超声波来操作可植入设备的系统；

图2例示了根据一些实施例的包括询问器的系统，其被配置成使用超声波来操作一个或多个可植入设备；

图3例示了根据一些实施例的面板，其示出了用于操作可植入设备的所发射的超声波的部分；

图4例示了根据一些实施例的面板，其示出了询问器如何处理在询问器处接收的超声反向散射；

图5A、图5B和图5C例示了根据一些实施例的面板，其示出了对操作模式命令进行编码的超声波；

图6A和图6B例示了根据一些实施例的用于使用超声波来操作可植入设备的方法；

图7例示了根据一些实施例的图，其示出了可植入设备的示例操作逻辑；以及

图8例示了根据一些实施例的被配置成与受试者的神经相互作用的可植入设备的图。

具体实施方式

本文描述了用于使用超声波来操作可植入受试者内的设备的系统和方法。如上所述，超声波的使用可以使可植入设备能够保持小的形状因数和更大的可植入深度并且能够安全地操作。在一些实施例中，为了使这样的可植入设备能够被无线地操作，可植入设备可以被配置成包括超声换能器，其被配置成接收包括操作模式命令的超声波。可植入设备还可以包括控制器电路，其被配置成基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置为多个存储的操作模式中的一个操作模式。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成基于操作模式命令的第一部分来确定操作模式命令是否对应于多个预定图案中的图案。然后，可植入设备可以基于所确定的图案来设置与操作模式相对应的操作状态。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成根据所确定的图案以多个操作模式中的上行链路模式操作或者多个操作模式中的下行链路模式操作。

在一些实施例中，在上行链路模式中，可植入设备可以被配置成在操作模式命令的第二部分的反向散射中编码设备信息。示例上行链路模式可以包括用于上传传感器数据(例如，设备信息)的模式，传感器数据例如为神经活动、检测到的温度、pH水平、分析物的浓度等。另一示例上行链路模式可以包括发送对先前接收的数据的应答(例如，设备信息)的模式。另一示例上行链路模式可以包括用于发送在可植入设备处生成的功率信息(例如，设备信息)的模式。

在一些实施例中，在下行链路模式中，可植入设备可以被配置成解码来自操作模式命令的第二部分的数据。示例下行链路模式可以包括用于从所接收的超声波下载设备参数的模式。另一示例下行链路模式可以是用于基于解码的数据来选择下一操作模式的模式。

图1例示了根据一些实施例的用于使用超声波来操作可植入设备104的系统100。在一些实施例中，可植入设备104可以由从询问器102发送的超声波无线供电和操作，如下面将关于图2进一步描述的。在一些实施例中，可植入设备104可以被配置成通过超声通信与询问器102无线通信。在一些实施例中，可植入设备104可以被配置成通过超声通信与一个或多个其他可植入设备无线通信。在一些实施例中，可植入设备104可以被植入在例如患者的受试者内，并且询问器102可以是在受试者外部(即，非植入)或完全植入到受试者中的单独设备。

在一些实施例中，为了使可植入设备104能够使用超声波来操作，可植入设备104可以包括以下设备组件：超声换能器电路106、调制解调电路112、刺激电路114、检测电路116、控制器电路120和电源电路130。在一些实施例中，这些设备组件中的一个或多个可以根据其操作而被实现为数字电路、模拟电路或混合信号集成电路。例如，控制器电路120可以包括微处理器、有限状态机(FSM)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或微控制器。

在一些实施例中，超声换能器电路106包括耦合到匹配网络110的超声换能器108。在一些实施例中，超声换能器电路106不包括匹配网络110。在一些实施例中，超声换能器108可以被配置成从询问器102接收超声波，并且将来自所接收的超声波的能量转换成电信号，以向可植入设备104的一个或多个设备组件供电。在一些实施例中，电信号可以由超声换能器108生成，因为由所接收的超声波引起的超声换能器108的振动在超声换能器108的电端子两端引起电压，这引起电流流动。

在一些实施例中，如上所述，来自所接收的超声波的功率可以由可植入设备104用于向其设备组件供电；因此，这些超声波在本文中有时被称为供电超声波。在一些实施例中，所接收的超声波可以编码信息，其包括用于操作可植入设备的操作模式命令；因此，这些超声波在本文中有时被称为通信超声波。在一些实施例中，类似于可以如何处理供电超声波，通信超声波可以由超声换能器108接收，以生成具有流过超声换能器108的电流的电信号。在一些实施例中，所生成的电信号将操作模式命令编码在电流中。在一些实施例中，相同的超声波可以被配置成既为可植入设备104供电又编码用于发送到可植入设备104的信息。在一些实施例中，如下面将关于图3进一步描述的，各个操作模式命令可以包括一个或多个超声脉冲，并且各个超声脉冲可以包括超声波的一个或多个载波周期。

在一些实施例中，超声换能器电路106包括耦合到多个对应匹配网络的多个超声换能器。根据一些实施例，通过包括至少两个超声换能器，可植入设备104可以被配置成由至少两个超声换能器生成的电信号供电，以更高效且一致地提取由询问器102提供的功率。在一些实施例中，可植入设备104可以被配置成从选自多个超声换能器中的一个或多个超声换能器采集功率。例如，可植入设备104可以选择提供最高功率或最一致功率的超声换能器。

例如，许多因素，例如超声换能器的方位或在超声换能器108与超声波源询问器102之间的介入生物材料，可以显著地降低在超声换能器108处可接收的功率。通过添加一个或多个附加超声换能器，在单个超声换能器(例如，超声换能器108)处可接收的降低的功率不太可能不利地影响可植入设备104的操作。

在一些实施例中，包括至少两个超声换能器可以使得能够使用超声波来更可靠地控制可植入设备102。例如，可植入设备102可以被配置成比较至少两个超声换能器的信号强度，并且选择具有最高信号强度的信号来操作可植入设备102。在一些实施例中，可植入设备102可以使用所选的超声换能器来接收通信(即，在下行链路期间)和反向散射信息(即，在上行链路期间)。在一些实施例中，可植入设备102可以选择至少两个超声换能器中的第一超声换能器来接收用于下行链路超声通信的超声通信，并且选择至少两个超声换能器中的第二超声换能器来反向散射编码用于上行链路超声通信的信息。在一些实施例中，可植入设备102可以被配置成用至少两个超声换能器执行波束成形，以改善上行链路和下行链路超声通信的信噪比。在一些实施例中，这些超声换能器中的一个或多个可以是微机械超声换能器，例如电容式微机械超声换能器(Capacitive Micro-machined UltrasonicTransducer，CMUT)或压电式微机械超声换能器(Piezoelectric Micro-machinedUltrasonic Transducer，PMUT)，或者可以是体压电换能器。下面关于图8描述超声换能器108的另外的实现方式。

在一些实施例中，匹配网络110可以是电子电路，其被配置成选择超声换能器108的电阻抗与可植入设备104(例如，功率电路130)的电阻抗之间的阻抗匹配，以减少信号反射。在一些实施例中，匹配网络110可以以一个或多个电路元件的各种配置来实现，电路元件例如为电感器、电容器、电阻器、二极管、晶体管或其任意组合。例如，匹配网络110可以被实现为多个电容器，其并联连接并且耦合到多个对应开关。通过控制开关中的哪个断开或闭合，匹配网络110可以控制如何对多个电容器充电以选择阻抗。在一些实施例中，匹配网络110可以被配置成使由超声换能器108生成的电信号能够经由单独的导线绕过多个电容器，该单独的导线由开关控制。

在一些实施例中，为了使可植入设备104能够使用超声波来供电，电源电路130可以包括电耦合到调节电路138的功率恢复电路132。在一些实施例中，功率恢复电路132可以被配置成接收和处理由超声换能器电路106生成的电信号。在一些实施例中，功率恢复电路132可以包括整流电路(例如，有源整流器)，以将AC形式的电信号转换成DC形式，其中，转换的电信号可以与第一电压(即，所接收的超声波的电源电压)相关联。

在一些实施例中，由于在通过受试者的生物组织传播高功率波时的健康危害，政府规章可以限制由询问器102所发送的超声波提供的功率量(例如，720mW/cm²)。因此，源自所接收的超声波的第一电压可能不够高以操作可植入设备104的电子组件。例如，在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)技术中使用的晶体管可能需要最少大约2伏来操作晶体管。

在一些实施例中，为了提供较高的第一电压来操作可植入设备102的电子组件，供电超声波可以作为脉宽调制(Pulse Width Modulated，PWM)信号发送。在一些实施例中，通过将供电超声波作为PWM信号发送，询问器102可以被配置成提供短的高强度脉冲，使得平均强度保持在调节限制内，并且提供更高的瞬时功率，以生成更高的第一电压。在一些实施例中，询问器可以被配置成控制PWM信号的瞬时强度和/或脉冲宽度(例如，示例超声波设置)，以控制由供电超声波提供的功率。

在一些实施例中，为了使可植入设备104能够由这些超声波供电，功率输送电路134可以包括电荷泵，其被配置成将第一电压转换成大于第一电压的第二电压。在一些实施例中，电荷泵可以包括多个耦合电容器，其由一个或多个开关控制以生成第二电压。在一些实施例中，电荷泵可以实现至少1倍、2倍、3倍或4倍的转换增益。在一些实施例中，可以基于一个或多个开关的开关频率来控制第二电压的大小。

如上所述，由于许多因素，包括例如可植入设备104的植入深度或超声换能器108与超声波源(例如询问器102)之间的介入生物材料，由所接收的超声波提供的功率可能是不一致的。因此，在一些实施例中，为了向可植入设备104提供更一致的功率，功率恢复电路132可以包括耦合到功率输送电路134的能量存储设备136。在一些实施例中，能量存储设备包括电池或存储电容器。在一些实施例中，为了保持可植入设备104的小形状因数，能量存储设备可以被配置为存储电容器。

在一些实施例中，存储电容器可以具有至少0.1μF、至少0.25μF、至少0.5μF、至少1μF、至少2μF、至少4μF或至少8的电容。在一些实施例中，存储电容器可以具有小于10μF、小于8μF、小于4μF、小于2μF、小于1μF、小于0.5μF或小于0.25μF的电容。例如，存储电容器可以具有在0.1-10μF范围内的电容，例如在0.5-2μF范围内的电容。在一些实施例中，存储电容器可以具有大约1μF的电容。

在一些实施例中，能量存储设备136可以被配置成以至少两种功率模式操作，以使可植入设备104能够更高效地利用所接收的超声波的功率并提供更一致的功率。在一些实施例中，功率模式包括充电模式，其中，所接收的超声波的功率的一部分可被输送到能够存储能量的能量存储设备136。在一些实施例中，功率输送电路134可以被配置成基于所生成的第一电压对能量存储设备136充电。在一些实施例中，功率模式包括放电模式，其中，存储在能量存储设备136处的能量的一部分被放电，以从能量存储设备136输送功率，从而向可植入设备104的其他设备组件(例如，刺激电路114、检测电路116或控制器电路120等)提供附加的功率。在一些实施例中，到和来自能量存储设备136的功率流可以通过功率输送电路134被路由。

在一些实施例中，调节电路138可以被配置成调节由功率输送电路134生成的输出电压(例如，第二电压)，以向可植入设备104的一个或多个电路负载提供调节后的电压。在一些实施例中，在功率输送电路134包括电荷泵的情况下，调节电路138可以被配置成去除或减少由操作电荷泵的开关引起的潜在电压纹波。在一些实施例中，调节电路138包括DC电压调节器(例如，低压降(LDO)调节器)，以调节供应给可植入设备104的数字电路负载的电压。在一些实施例中，调节电路138包括DC电压调节器(例如，低压降(Low-Dropout，LDO)调节器)，以调节供应给可植入设备104的数字电路负载的电压。在一些实施例中，调节电路138包括AC电压调节器(例如，低压降(LDO)调节器)，以调节供应给可植入设备104的模拟电路负载的电压。

在一些实施例中，调制解调电路112可以包括解调电路，其被配置成解调由超声换能器电路106生成的电信号，以提取编码在所接收的超声波中的信息。在一些实施例中，解调电路可以将包括指令的所提取的信息发送到控制器电路120，其被配置成基于指令控制可植入设备104如何操作。

在一些实施例中，为了使可植入设备104能够与询问器102无线传送信息，调制解调电路112可以包括调制电路，其被配置成使用超声反向散射对信息进行编码。该信息由可植入设备104生成，并且为了便于说明，在以下描述中有时将被称为设备信息。

通常，当可植入设备104被嵌入受试者内时，由询问器102的超声收发器发射的超声波(包括载波)将在由可植入设备104的超声换能器电路106接收之前穿过生物组织。如上所述，载波引起超声换能器108(例如，体压电换能器)上的机械振动，以生成超声换能器108两端的电压，该电压然后给予电流，以流动到可植入设备104的其余部分。在一些实施例中，流过超声换能器108的电流使超声换能器电路106发射与所接收的超声波相对应的反向散射超声波。

在一些实施例中，调制电路可以被配置成调制流过超声换能器108的电流，以对设备信息进行编码，这使得所得到的超声反向散射波也对设备信息进行编码。因此，从可植入设备104发射的超声反向散射可以编码与可植入设备104有关的设备信息。在一些实施例中，调制电路可以包括一个或多个开关，例如通/断开关或场效应晶体管(Field-EffectTransistor，FET)。可以与可植入设备104的一些实施例一起使用的示例FET包括金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。在一些实施例中，调制电路可以被配置成改变流过超声换能器108的电流的阻抗，并且流动的电流的变化对信息进行编码。

如下面将关于图2进一步描述的，根据一些实施例，超声反向散射可以由询问器102接收，并且被解密以提取在超声反向散射中编码的设备信息。在一些实施例中，超声反向散射可以由询问器接收，该询问器可以与发送由超声换能器108接收的超声波的询问器102相同或不同。

在一些实施例中，检测电路116可以被配置成与一个或多个传感器140A-C接口连接，以测量或检测受试者的一个或多个生理状况。在一些实施例中，检测电路116可以包括驱动器，其被配置成向一个或多个传感器140A-C提供电流，并且从一个或多个传感器140A-C接收所生成的信号。在一些实施例中，所接收的信号可以包括信息，其表示检测到的生理状况或表示所测量的生理状况。在一些实施例中，检测电路116可以被配置成将信息发送到控制器电路120。

在一些实施例中，传感器140A-C中的一个或多个可以位于可植入设备104内部或者耦合到可植入设备104的外部。在一些实施例中，可植入设备104包括至少两个传感器140A-C。在一些实施例中，一个或多个生理状况可以包括温度、pH、压力、心率、应变、氧张力、分析物的存在或分析物的量。例如，分析物可以是氧或葡萄糖。

在一些实施例中，传感器140A-C可以包括光学传感器。在一些实施例中，光学传感器包括光源和光学检测器。在一些实施例中，光学传感器检测血压或脉搏。在一些实施例中，光学传感器包括基质，其包括荧光团或发光探针，并且其中，荧光团的荧光强度或荧光寿命取决于分析物的量。在一些实施例中，光学传感器被配置成执行近红外光谱。在一些实施例中，光学传感器检测葡萄糖。

在一些实施例中，传感器140A-C可以包括电位式化学传感器或电流式化学传感器。在一些实施例中，传感器检测氧、pH或葡萄糖。

在一些实施例中，传感器140A-C可以包括温度传感器。在一些实施例中，温度传感器是热敏电阻、热电偶、或与绝对温度成比例(Proportional to Absolute Temperature，PTAT)电路。

在一些实施例中，传感器140A-C可以包括压力传感器。在一些实施例中，压力传感器是微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)传感器。在一些实施例中，检测电路116被配置成测量血压或脉搏。

在一些实施例中，传感器140A-C可以包括应变传感器。

在一些实施例中，检测电路116可以被配置成与例如传感器140C接口连接，以检测来自神经或神经内的神经纤维的目标子集的电生理信号，如将在下面关于图8进一步说明的。在一些实施例中，传感器140C可以包括电极极板，其可以与由刺激电路114操作的电极极板142相同或不同。在一些实施例中，检测电路116可以被配置成基于检测到的电生理信号记录神经或神经纤维的目标子集的神经活动。

在一些实施例中，例如计算建模(例如，有限元模型)、逆源估计、多极(例如，三极)神经记录、速度选择性记录或波束成形的一种或多种技术，可以由检测电路116(单独地或与控制器电路120结合)实现，以选择性地以神经纤维的子集为目标。参见，例如，Taylor等人，Multiple-electrode nerve cuffs for low-velocity and velocity selectiveneural recording,Medical&Biological Engineering&Computing,第42卷,第634-643页(2004年)；和Wodlinger等人,Localization and Recovery of Peripheral NeuralSources with Beamforming Algorithms,IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitation Engineering,第17卷,第5期,第461-468页(2009年)。

在一些实施例中，检测电路116可以被配置成操作传感器140C的多个电极，以用于电生理信号的目标检测。例如，传感器140C可以是从可植入设备104延伸的弯曲构件，如下面关于图8进一步描述的。在一些实施例中，检测电路116可以分析由所有电极极板或电极极板的子集检测到的电生理信号，以确定神经内的发送电生理信号的神经纤维的子集。某些神经可以发送复合电生理信号(或复合动作电位)，其是由神经纤维的两个或更多个不同子集同时发送的电生理信号(或动作电位)的总和。基于由多个电极极板检测到的电生理信号，检测电路116可以能够确定神经纤维的哪个子集发送哪个电生理信号。在一些实施例中，从询问器102接收的数据(例如温度数据、或与分析物浓度或其他生理状况有关的数据)进一步用于确定神经纤维的哪个子集发送电生理信号。

例如，在一些实施例中，检测电路116可以被配置成使用速度选择性记录来选择性地检测来自神经纤维的目标子集的电生理信号，该速度选择性记录可以与多极(例如，三极)记录(其可以包括一个或多个弯曲构件上的多个电极内的任何数量的三极)组合。

波束成形可以另外地或替代性地用于检测来自神经纤维的目标子集的电生理信号。一个或多个弯曲构件的电极极板的一部分或全部可以检测来自神经的电生理信号，并且检测电路116可以基于由一个或多个弯曲构件的电极极板的一部分或全部检测到的电生理信号的差异来确定所发送的信号在神经内的横截面位置。

在一些实施例中，在与可植入设备104的位置分离的位置处的一个或多个神经的刺激可以导致在可植入设备104的位置处的电生理信号的调制。在与可植入设备104的电极极板(例如，电极极板142)电通信的神经内的神经纤维的不同子集处检测到的电生理信号的调制可以是不同远端神经中的刺激的结果。例如，脾神经的刺激可以导致从迷走神经内的神经纤维的第一子集检测到的电生理信号的调制，并且肾神经的刺激可以导致从迷走神经内的神经纤维的第二子集检测到的电生理信号的调制。因此，定位在迷走神经上的可植入设备可以检测来自神经纤维的第一子集的电生理信号，以监测脾神经的刺激，并且检测来自神经纤维的第二子集的电生理信号，以监测肾神经的刺激。

在一些实施例中，刺激电路114可以被配置成通过选择性地激活连接到神经纤维的子集的一个或多个电极极板142来向神经内的神经纤维的子集发射目标电脉冲。在一些实施例中，可植入设备104可以包括一个或多个弯曲构件，其将刺激电路114电连接到电极极板142，如将在下面关于图8进一步描述的。

在一些实施例中，刺激电路114可以由控制器电路120控制，以操作电极极板142或选择性地激活电极极板142。选择性激活可以包括例如激活一个或多个弯曲构件的多个电极极板142内的电极极板的一部分和/或不同地激活一个或多个弯曲构件的多个电极极板142内的电极极板的全部或一部分。因此，可以操作多个电极以将由多个电极极板142发射的电脉冲引导到神经纤维的目标子集。根据一些实施例，可以使用例如电场干扰或多极刺激(例如，三极刺激)的技术来使电脉冲对准神经内的神经纤维的子集。参见，例如，Grossman等人，Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally InterferingElectrical Fields,Cell,第169卷,第1029-1041页(2017年)。一个或多个弯曲构件内的电极极板142可由控制器电路120选择性地激活，以使所发射的电脉冲对准神经纤维的子集。

由所发射的电脉冲对准的神经纤维的子集可以与检测电路116从其检测电生理信号的神经纤维的子集相同或不同。被配置成发射目标电脉冲的一个或多个弯曲构件可以与被配置成检测电生理信号的可植入设备104上的一个或多个弯曲构件相同或不同。所发射的目标电脉冲可以刺激可植入设备104的位置处的神经。由电脉冲对准的神经纤维的子集可以是选择性地检测电生理信号的神经纤维的相同或不同子集。

由可植入设备104发射的电脉冲对准的神经纤维的子集可以是例如神经内的一个或多个(例如，2个、3个、4个或更多个)神经纤维束、或一个或多个(例如，2个、3个、4个或更多个)神经纤维束的一部分。在一些实施例中，神经纤维的子集包括神经内的传入神经纤维或神经内的传入神经纤维的子集，或由其构成。在一些实施例中，神经纤维的子集包括神经内的传出神经纤维或神经内的传出神经纤维的子集，或由其构成。在一些实施例中，神经纤维的子集包括神经内的两个或更多个神经纤维束内的传出神经纤维或神经内的两个或更多个神经纤维束内的传入神经纤维，或由其构成。

通过向神经纤维的子集发射目标电脉冲而对神经纤维的子集进行目标刺激可以导致对远离神经位置的位置处的神经的刺激。由可植入设备104刺激的远端神经取决于由该设备发射的电脉冲对准的可植入设备104的位置处的神经子集。在一些实施例中，可植入设备104定位在第一神经位点处，并且被配置成通过向与第二神经位点相关联的第一神经位点内的神经纤维子集发射目标电脉冲来刺激第二神经位点。在一些实施例中，第一神经位点和第二神经位点被一个或多个神经分支点或一个或多个突触分开。在一些实施例中，第二神经位点相对于第一神经位点接近大脑，并且在一些实施例中，第二神经位点相对于第一神经位点远离大脑。在一些实施例中，神经纤维的目标子集包括传入神经纤维或由其构成。在一些实施例中，神经纤维的目标子集包括传出神经纤维或由其构成。

在一些实施例中，控制器电路120包括命令处理器122、功率监测器124、模式检测器126和存储器150。在一些实施例中，存储器150包括非瞬态储存存储器，例如寄存器存储器、处理器高速缓存或随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)。在一些实施例中，控制器电路120可以是数字电路、模拟电路或混合信号集成电路。控制器电路120的示例可以包括微处理器、有限状态机(FSM)、现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器。

在一些实施例中，模式检测器126可以被配置成从由超声换能器108接收的超声波确定操作模式命令。在一些实施例中，模式检测器126可以在确定与多个预定图案156的图案的对应性时确定操作模式命令，这些预定图案存储在存储器150中。例如，该图案可以是具有特定超声波特性的一个或多个脉冲的序列，特定超声波特性例如是超声脉冲持续时间。在该示例中，模式检测器126可以将操作模式命令的一部分与预定图案156中的一个或多个进行匹配，以确定匹配图案。在另一示例中，图案可以对应于超声特性，例如脉冲持续时间、振幅、或者相位或频率变化。在该示例中，模式检测器126可以分析该部分的超声特性(例如，脉冲持续时间)，以确定与图案的对应性。在一些实施例中，操作模式命令的该部分可以是指示操作模式命令的开始的单个脉冲。在其它实施例中，该部分可以是超声脉冲序列。在一些实施例中，控制器电路120可以被配置成分别执行图6A至图6B的方法600A-B，以确定操作模式命令，如下面将进一步描述的。

在一些实施例中，模式检测器126可以接收超声波作为电信号，该电信号已经由调制解调电路112基于在超声换能器电路106中接收的超声波而生成(例如，解调)。在一些实施例中，模式检测器126可以包括一个或多个检测电路，其被配置成从电信号检测一个或多个超声波特性。在一些实施例中，这些检测电路中的一个可以包括过零电路，其被配置成确定操作模式命令中的每个超声脉冲的脉冲持续时间。例如，过零电路可以被配置成计数和存储电信号的第一部分在预定数量的时钟周期内与预定义电压电平相交的实例的数量，以确定脉冲持续时间。在一些实施例中，预定义电压电平是接近0V(例如，小于10mV、小于50mV、小于100mV或小于200mV)的电压。

在一些实施例中，命令处理器122可以被配置成基于由模式检测器126确定的操作模式命令，将可植入设备104的操作模式设置为多个预定操作模式152中的一个操作模式，如将在下面关于图6A至图6B进一步描述的。在一些实施例中，命令处理器122可以将所接收的操作模式命令和相关联的指令存储在例如指令寄存器的存储器150中。在一些实施例中，命令处理器122可以被配置成基于所存储的操作模式命令，来控制可植入设备104进入对应于操作模式的操作状态。例如，命令处理器122可以作为FSM或微控制器中的程序植入，该FSM或微控制器中的程序基于当前操作状态和一个或多个检测到的输入来控制可植入设备104的操作状态，检测到的输入例如为一个或多个所接收的操作模式命令、一个或多个传感器值或其组合。

在一些实施例中，命令处理器122可以被配置成从操作模式命令的一部分提取信息，以配置各种参数或选择操作模式。在由询问器发射的超声波中编码并由闭环可植入设备接收的信息可以包括：例如用于开始或停止神经调制的指令、一个或多个校准指令、对操作软件的一个或多个更新、和/或一个或多个模板(例如模板电生理信号、一个或多个模板电生理信号、和/或一个或多个模板刺激信号)。在一些实施例中，命令处理器122可以被配置成处理所接收的指令并将其存储在存储器150中。在一些实施例中，命令处理器122可以基于一个或多个所接收的操作模式命令而进入多个操作模式中的操作模式，如下面将关于图6A到图6B进一步描述的。在一些实施例中，多个操作模式可以包括例如刺激神经的模式、记录神经活动的模式或确定一个或多个生理状况的模式，如下面将关于图7至图8进一步描述的。例如，如果操作模式命令指示可植入设备104应当进入神经刺激模式，则控制器电路120可以被配置成控制刺激电路114刺激神经的特定神经纤维或部分。

在一些实施例中，当命令处理器122控制可植入设备104进入神经活动记录模式或确定一个或多个生理状况的模式时，命令处理器122可以控制检测电路116检索设备信息(例如，神经记录或所检测/测量的生理状况)。在一些实施例中，命令处理器122可以被配置成检索与当前操作模式152相关联的命令154，以控制可植入设备104的操作。例如，在神经活动记录模式中，命令处理器122可以接收对应于神经活动记录模式的命令154，并且发出命令154，以控制检测电路116对神经的神经活动(例如，设备信息的示例)进行采样。在一些实施例中，在检索设备信息时，命令处理器122可以被配置成基于命令154来控制调制解调电路112，以在超声反向散射中编码设备信息，如上所述。

在一些实施例中，为了向可植入设备104提供功率控制和校准，功率监测器124可以被配置成监测可植入设备104的可用功率和功耗。在一些实施例中，可用功率可以包括由在超声换能器108处接收的超声波提供的供应功率，并且包括存储在可植入设备104上的可存取功率。例如，可存取功率可以包括从存储多余能量的能量存储设备136存取的功率。在一些实施例中，功率监测器124可以基于由功率输送电路134生成的输出电压来确定功耗。

在一些实施例中，当命令处理器122控制可植入设备进入功率校准模式时，命令处理器122可以被配置成基于可用功率和由功率监测器124监测的消耗功率生成信息，其指示是应该向可植入设备104发送更多功率还是更少功率。例如，命令处理器122可以接收对应于操作模式152(例如，功率校准模式)的命令154，其被发送到其它组件，例如功率监测器124和调制解调电路112，以生成和发送功率信息。在一些实施例中，控制器电路120可以被配置成根据命令154控制调制解调电路112，以在超声反向散射中编码所生成的信息。

图2例示了根据一些实施例的包括询问器202的系统200，其被配置成使用超声波来操作一个或多个可植入设备240。在一些实施例中，询问器202可以是如上关于图1所述的询问器102的示例。

在一些实施例中，询问器202包括电源203、计算电路210、信号生成电路220和超声换能器电路204。如图所示，电源203可以被配置成向计算电路210和信号生成电路220供电。在一些实施例中，电源203可以提供1.8V，单可以使用任何合适的电压。例如，电源203可以包括一个或多个电池，以供应1.8V。

在一些实施例中，信号生成电路220包括被配置成向一个或多个通道224供电的电荷泵222。在一些实施例中，电荷泵222可以被配置成增加由电源203提供的电压。例如，电荷泵222可以将由电源203供应的1.8V增加到32V。

在一些实施例中，各个通道224耦合到换能器电路204的对应超声换能器208并控制其操作。在一些实施例中，连接到通道224的超声换能器208可以被配置成仅接收或仅发送超声波，在这种情况下，开关229可以可选地从通道224省略。在一些实施例中，各个通道224可以包括以下电子组件：延迟控制部226、电平移位器228和开关229。

在一些实施例中，延迟控制部226可以被配置成控制由超声换能器208发送的超声波的波形和/或信号。在一些实施例中，延迟控制部226可以基于来自控制器电路212的命令来控制例如相移、时间延迟、脉冲频率、波形(包括振幅和波长)或其组合，以生成发送波形。在一些实施例中，表示各个通道的波形和频率的数据可以存储在延迟控制部226或存储器216中存储的“波表”中。这可以允许各个通道224上的发送波形不同。

在一些实施例中，延迟控制部226可连接到电平移位器228，其被配置成将来自延迟控制部226的输入脉冲移位到较高电压，该较高电压由超声换能器208用来发送超声波。在一些实施例中，延迟控制部226和电平移位器228可以被配置成用于将数据串流成到换能器阵列206的实际发送信号。在一些实施例中，各个通道224的发送波形可以直接由微控制器或其他数字系统的高速串行输出产生，并且通过电平移位器228或高压放大器发送到换能器元件(例如，超声换能器208)。

在一些实施例中，通道224的开关229可以配置对应的超声换能器208，以接收例如超声反向散射的超声波。在一些实施例中，所接收的超声波由超声换能器208(设置在接收模式中)转换成电流，并且被发送到数据处理器211，以处理在所接收的超声波中捕获的数据。在一些实施例中，可以包括放大器、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)、可变增益放大器或补偿组织损失的时间增益控制的可变增益放大器和/或带通滤波器，以处理所接收的超声波。

在一些实施例中，上述通道224不包括T/Rx开关229，而是包含独立的Tx(发送)和Rx(接收)，其中高压Rx(接收电路)采用具有良好饱和恢复的低噪声放大器的形式。在一些实施例中，T/Rx电路包括环行器。在一些实施例中，换能器阵列206包括比处理通道224更多的换能器元件(例如，超声换能器208)，并且询问器202可以被配置成包括复用器，以针对各个脉冲选择不同组的发送元件。例如，64个发送/接收通道可以经由3:1复用器连接到192个物理换能器元件，其中在给定脉冲上仅有64个换能器元件是有效的。

在一些实施例中，计算电路210可以是数字电路、模拟电路或混合信号集成电路。计算电路210的示例可以包括微处理器、有限状态机(FSM)、现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器。在一些实施例中，询问器202可以包括易失性存储器，其可以由计算电路210访问。

在一些实施例中，计算电路210包括控制器电路212、数据处理器211和用户界面213。在一些实施例中，控制器电路212包括命令生成器214和存储超声波设置218的存储器216。

在一些实施例中，命令生成器214可以被配置成生成指令，以控制延迟控制部226的操作，从而将一个或多个操作模式命令发送到一个或多个可植入设备240，以操作一个或多个可植入设备240。在一些实施例中，如下面将关于图6B进一步描述的，操作模式命令可指示接收操作模式命令的可植入设备(例如，可植入设备242)上传某些设备数据或下载在操作模式命令中编码的数据。下面将关于图5A至图5C进一步描述这种操作模式命令及其波形格式的示例。

在一些实施例中，由数据处理器211接收和处理的设备数据可以包括功率信息。在这些实施例中，命令生成器214可以被配置成基于从例如可植入设备242接收的设备信息来设置或选择超声波设置，以控制所发送的超声波的输出功率。例如，所接收的设备信息可以指示应当向可植入设备242发送更多的功率。在该示例中，命令生成器214可以选择波形的超声波设置218，例如更高的脉冲宽度或更高的瞬时强度，以增加由超声换能器电路204发送的超声波的功率。

在一些实施例中，换能器电路204包括一个或多个超声换能器208，其被配置成发送超声波，以向例如可植入设备242的可植入设备240供电。在一些实施例中，如图2所示，换能器电路204包括具有多个超声换能器208的换能器阵列206。在一些实施例中，换能器阵列206包括1个或多个、2个或更多个、3个或更多个、5个或更多个、7个或更多个、10个或更多个、15个或更多个、20个或更多个、25个或更多个、50个或更多个、100个或更多个、250个或更多个、500个或更多个、1000个或更多个、2500个或更多个、5000个或更多个、或10000个或更多个超声换能器。在一些实施例中，换能器阵列206包括100000个或更少、50000个或更少、25000个或更少、10000个或更少、5000个或更少、2500个或更少、1000个或更少、500个或更少、200个或更少、150个或更少、100个或更少、90个或更少、80个或更少、70个或更少、60个或更少、50个或更少、40个或更少、30个或更少、25个或更少、20个或更少、15个或更少、10个或更少、7个或更少或5个或更少的超声换能器。换能器阵列206可以是例如包括50个或更多个超声换能器像素的芯片。

如图2所示，换能器电路204包括单个换能器阵列206；然而，根据一些实施例，换能器电路204可以包括1个或多个、2个或更多个、或3个或更多个单独的换能器阵列。在一些实施例中，换能器电路204包括10个或更少的换能器阵列(诸如9、8、7、6、5、4、3、2或1个换能器阵列)。在一些实施例中，单独的换能器阵列可以被放置在受试者的不同点处，并且可以与相同或不同的可植入设备240通信。在一些实施例中，换能器阵列可以位于例如可植入设备242的可植入设备的相对侧上。

在一些实施例中，询问器202的换能器阵列206的具体设计取决于换能器阵列206内的各个超声换能器208的期望穿透深度、孔径尺寸和尺寸。换能器阵列206的瑞利距离R被计算为：

其中，D是孔径的尺寸，λ是传播介质(即组织)中的超声波的波长。如本领域所理解的，瑞利距离是完全形成由换能器阵列206辐射的波束的距离。即，压力场在瑞利距离处会聚到自然焦点，以最大化所接收的功率。因此，在一些实施例中，可植入设备240可以与换能器阵列206相距与瑞利距离近似相同的距离。

换能器阵列206中的各个超声换能器208可以被调制，以通过波束成形或波束控制的过程来控制由换能器阵列206发射的超声波的波束的瑞利距离和位置。例如线性约束最小方差(Linearly Constrained Minimum Variance，LCMV)波束成形的技术可用于将多个可植入设备240(例如，可植入设备242)与外部超声收发器通信。参见，例如，Bertrand等人,Beamforming Approaches for Untethered,Ultrasonic Neural Dust Motes forCortical Recording:a Simulation Study,IEEE EMBC(2014年8月)。在一些实施例中，通过调节由换能器阵列206中的超声换能器208发射的超声波的功率或相位来执行波束控制。

在一些实施例中，询问器202(例如，计算电路210)包括用于使用一个或多个超声换能器208对超声波进行波束控制的指令、用于确定一个或多个可植入设备240的相对位置的指令、用于监测一个或多个可植入设备240的相对移动的指令、用于记录一个或多个可植入设备240的相对移动的指令、以及用于对来自多个可植入设备240的反向散射进行去卷积的指令中的一个或多个。

在一些实施例中，用户界面213可以被配置成允许用户(例如，医师或患者)控制询问器202的操作，以向可植入设备240供电或操作可植入设备240或与可植入设备240通信。在一些实施例中，用户界面213可以包括向询问器202提供输入的输入设备，例如触摸屏或监视器、键盘、鼠标或语音识别设备。在一些实施例中，用户界面213可以包括输出设备，例如提供输出的任何合适的设备，例如触摸屏、监视器、打印机、磁盘驱动器或扬声器。

在一些实施例中，可以使用单独的计算机系统(未示出)来控制询问器202，计算机系统例如为移动设备(例如，智能电话或平板电脑)。计算机系统可以例如通过网络连接、射频(RF)连接或蓝牙与询问器202无线通信。计算机系统可以例如打开或关闭询问器202或分析在由询问器202接收的超声波中编码的信息。

在一些实施例中，询问器202与多个可植入设备240通信。这可以例如使用多输入多输出(Multiple-input,Multiple output，MIMO)系统理论来执行。例如，询问器202与多个可植入设备240之间的通信可以使用时分复用、空间复用或频率复用来执行。询问器202可以接收来自多个可植入设备240的组合超声反向散射，其可以被去卷积，从而从各个可植入设备242提取信息。在一些实施例中，询问器202可以被配置成通过波束控制来将从换能器阵列206发送的超声波聚焦到特定的可植入设备。例如，询问器202可以将发送的超声波聚焦到第一可植入设备(例如，可植入设备242)，接收来自第一可植入设备的反向散射，将所发送的超声波聚焦到第二可植入设备，并且接收来自第二可植入设备的反向散射。在一些实施例中，询问器202将超声波发送到多个可植入设备240，然后接收来自多个可植入设备240的超声反向散射。

在一些实施例中，询问器202或一个或多个超声换能器208是可佩戴的。例如，询问器202或一个或多个超声换能器208可以通过带条或粘合剂固定到受试者的身体。在另一个示例中，询问器202可以是棒，其可以由用户(例如健康护理专业人员)持有。在一些实施例中，询问器202可以通过缝合、简单的表面张力、基于衣服的固定设备(例如布包、袖套、弹性带)或通过皮下固定而保持到身体上。在一些实施例中，询问器202的一个或多个超声换能器208或换能器阵列206可以与询问器202的其余部分分开定位。例如，换能器阵列206可以在第一位置处(例如，接近一个或多个植入设备)固定到受试者的皮肤，并且询问器202的其余部分可以位于第二位置处，其中，导线将超声换能器208或换能器阵列206拴系到询问器202的其余部分。

图3例示了根据一些实施例的面板3A-C，其示出了用于操作可植入设备的所发射的超声波的部分。例如，在面板3A-C中示出的超声波可以由图1的询问器102或图2的询问器202发射。在一些实施例中，所发射的超声波可以被配置成由一个或多个其他可植入设备发射。

面板3A示出了所发射的超声波包括一系列超声波命令，例如超声波命令302A和302B。在一些实施例中，各个超声波命令可以包括一个或多个超声波脉冲(即，也称为超声脉冲)。例如，面板3B示出了超声波命令302B的放大视图，其可以包括六个超声脉冲(例如，脉冲304A-B)的序列。仅为了说明的目的，超声波命令302B中的各个脉冲的振幅(即，压力振幅)和脉冲宽度(即，也称为脉冲长度或脉冲持续时间)被示出为相同，但是，情况可能不是这样。在一些实施例中，各个超声脉冲的振幅或脉冲宽度可由询问器所实现的超声波协议规定。因此，脉冲的振幅和脉冲宽度可以不同。在一些实施例中，各个超声脉冲可以包括一个或多个载波周期(即，也称为振动或振荡周期)。如在本文的本公开中使用的，载波周期可以对应于超声波的单个振荡。例如，面板3C示出了包括五个载波周期(例如，超声周期306A-B)的超声脉冲304A的放大视图，载波周期包括超声脉冲304A的脉冲持续时间308。

图4例示了根据一些实施例的面板4A-E，其示出了询问器如何处理在询问器处接收的超声反向散射。在一些实施例中，可植入设备(例如，图1的可植入设备104)可以被配置成响应于接收超声波(例如上面关于图3的面板3A描述的那些超声波)而发射超声反向散射，如面板4A所示。

面板4A示出了从可植入设备接收的超声反向散射。在一些实施例中，超声反向散射可以对应于发送到可植入设备的超声波的反向散射，如图3的面板3A所示。如面板4A所示，超声反向散射可以包括反向散射部分402A-B，其对应于面板3A的所发送的超声波的操作模式命令部分的反向散射。在一些实施例中，在发送周期结束时，询问器可以被配置成控制开关(例如，开关229)，以断开发送模块，并且连接接收模块以接收超声反向散射。

面板4B示出了单个超声脉冲404的反向散射的放大视图，该反向散射可以被分析，以提取在反向散射404中编码的数据。例如，如面板4C所示，可以对超声反向散射404进行滤波。如面板4C所示，滤波后的反向散射可以包括四个不同的区域406A-D，其对应于由机械边界引起的反射：区域406A对应于来自封装可植入设备的生物相容性材料的反射；区域406B对应于来自小型化超声换能器的顶面的反射；(3)区域406C对应于来自印刷电路板与小型化超声换能器之间的边界的反射；并且区域406D对应于来自可植入设备的印刷电路板的背面的反射。从小型化换能器的表面反射的反向散射波的振幅作为返回到小型化超声换能器的电流的阻抗的变化的函数而变化，并且可以被称为“响应反向散射”，因为该反向散射的区域对在可植入设备处生成的信息进行编码。例如，面板4C示出了取决于可植入设备是否处于用于刺激神经的操作模式中的滤波后的反向散射的振幅的差异。对滤波后的反向散射的进一步分析可以包括：对超声反向散射进行整流，如面板4D所示；以及对整流的信号进行积分以对数据进行解码，如面板4E所示。

图5A至图5C例示了根据一些实施例的面板，其示出了对操作模式命令进行编码的超声波。

在超声通信中，飞行时间(Time of Flight，TOF)是指发送超声波的询问器与接收超声波的可植入设备之间的双向行进时间。飞行时间可以取决于询问器相对于可植入设备的距离。在一些实施例中，飞行时间可以约束如何生成操作模式命令，因为通过在超声波的反向散射中编码信息来启用数据上行链路。因此，如果询问器在之前发送的超声波被反向散射的同时发送载波，则在发送的载波与超声反向散射之间可能存在串扰。

图5A例示了根据一些实施例的面板502-506，其示出了与数据上行链路相关联的操作模式命令的时序要求和数据结构。面板502示出了由超声询问器(例如，询问器102或询问器202)发送的操作模式命令502A的示例超声包络。操作模式命令502A可具有总时间或周期T_cmd，并包括具有脉冲持续时间T_{sync_up}的第一部分502B、具有持续时间T_up的第二部分502C、具有持续时间T_power的第三部分502D、以及具有持续时间T_D的第四部分502E。

第一部分502B可以包括操作模式命令502A的第一脉冲，其使可植入设备的模式检测器能够确定操作模式命令的类型。在一些实施例中，模式检测器可以被配置成确定第一部分502B的脉冲持续时间对应于上行链路图案T_{sync_up}，以确定操作模式命令502A与上行链路相关联。上行链路图案可以与所接收的超声波的载波频率相关联。例如，T_{sync_up}可以是载波频率的倍数。

在一些实施例中，使用第一部分502B的脉冲持续时间来区分操作模式命令502A可以允许可植入设备在多个操作模式下操作以及使用超声波作为可调节PWM信号来供电。如上面关于图1所讨论的，发送超声波作为PWM信号可以使得能够使用超声波来充分地为可植入设备供电，同时控制超声波的平均强度以保持在政府法规内。然而，使用具有变化脉冲宽度的PWM信号将致使使用所限定的时序结构的传统通信协议方法无效。这部分地是因为PWM信号的脉冲宽度可以基于可植入设备的功率需求而动态地调节，所以具有特定时间间隔的载波的不存在或存在可以不必指示任何指令或命令。如上所述，第一部分502B的使用解决了使用用于通信协议的传统方法将遇到的问题。

第二部分502C可包括使可植入设备能够上传设备数据的通信超声波，并且持续时间T_up对应于可植入设备必须调制载波以上传设备数据的时间。持续时间T_power的第三部分502D对应于超声波，其可由例如可植入设备104使用以为其各种组件(例如功率输送电路134或能量存储设备136)供电。最后，第四部分502E可对应于死区时间T_D，其中没有载波被发送。在第四部分502E期间，询问器可以被配置成进入接收模式，以允许接收超声反向散射。在一些实施例中，第二部分和第三部分502C-D的总持续时间被配置成保持在飞行时间内，使得串扰不会发生。在一些实施例中，死区时间可以至少与T_up一样长，但是可以更长，这取决于需要由第三部分502D提供多少功率。

如上所述，模式检测器可以被配置成分析第三部分的持续时间，以确定超声波是否与功率传输相关联。在一些实施例中，第三部分502C中的超过上行链路图案(例如，T_{sync_up})且超过下行链路图案(例如，T_{sync_down})的脉冲的持续时间可指示将从超声波提取功率。

面板504示出了用于在可植入设备处接收的操作模式命令502A的超声包络。如图所示，在操作模式命令502A被发送的一段时间(即，TOF的一半)之后，可植入设备可以接收操作模式命令502A，作为操作模式命令504A。如上所述，所接收的操作模式命令504A包括与操作模式命令502A的部分502B-E相对应的部分504B-E。面板506示出了在询问器处接收的第二部分504C的超声反向散射。如图所示，超声反向散射具有持续时间T_up，并且需要在第四部分502E的死区时间期间被接收，以确保不会发生串扰，使得询问器可以成功地从超声反向散射提取数据。

图5B例示了根据一些实施例的面板508-512，其示出了与数据上行链路相关联的操作模式命令的时序要求和数据结构。面板508示出了由超声询问器(例如，询问器102或询问器202)发送的操作模式命令508A的示例超声包络。操作模式命令508A可具有总时间或周期T_cmd，并且包括具有脉冲持续时间T_{sync_up}的第一部分508B、具有持续时间T_up的第二部分502C、具有持续时间T_power的第三部分502D、以及具有持续时间T_D的第四部分502E。与如图5A所示的操作模式命令502A相反，包括供电超声波的第三部分508D可在第四部分508E的死区时间之后被发送。在一些实施例中，这种配置使持续时间T_up能够延长，并且对于在第一部分508B之后的超声波传输，使持续时间T_up能够停留在飞行时间的持续时间内。因此，如果可植入设备的功率需求要求持续时间T_power增加，使得第二部分和第三部分502C-D的组合持续时间(如面板502所示)超过飞行时间，则供电超声波可以被配置成在死区时间之后发送。

面板510示出了用于在可植入设备处接收的操作模式命令508A的超声包络。如图所示，在操作模式命令508A被发送的一段时间(即，飞行时间的一半)之后，可植入设备可以接收操作模式命令508A，作为操作模式命令510A。如上所述，所接收的操作模式命令510A包括与操作模式命令508A的部分508B-E相对应的部分510B-E。面板512示出了在询问器处接收的第二部分510C的超声反向散射。如图所示，超声反向散射具有持续时间T_up，并且需要在第四部分508E的死区时间期间被发送，以确保不会发生串扰，使得询问器可以成功地从超声反向散射提取数据。

图5C例示了根据一些实施例的面板514-516，其示出了与数据下行链路相关联的操作模式命令的时序要求和数据结构。面板514示出了由超声询问器(例如，询问器102或询问器202)接收的操作模式命令514A的示例超声包络。操作模式命令514A可具有总时间或周期T_cmd，并且包括具有脉冲持续时间T_{sync_down}的第一部分514B和具有持续时间T_{data_transfer}的第二部分514C。在一些实施例中，模式检测器可以被配置成确定第一部分514B的脉冲持续时间对应于与数据下行链路相关联的T_{sync_down}。在一些实施例中，T_{sync_down}的值可以不同于T_{sync_up}，但是小于T_power的值。例如，T_{sync_down}可以被设置为载波频率的第一倍数(例如，T_{sync_down}＝5*T_c)，并且T_{sync_up}可以被设置为载波频率的第二倍数(例如，T_{sync_up}＝T_c)。在一些实施例中，超过T_{sync_down}和T_{sync_up}的脉冲持续时间可以将可植入设备配置成从超声波提取功率(例如，T_power>5*T_c)。

在一些实施例中，在确定第一部分514B指示下行链路模式时，可植入设备可以被配置成从第二部分514C提取数据。在一些实施例中，可以使用脉宽调制幅移键控(Pulse-width Modulated Amplitude-shift Keying，PWM-ASK)编码方案在第二部分514C中编码数据。例如，如面板516所示，脉冲编码逻辑0可以具有比脉冲编码逻辑1更高的振幅。另外，脉冲编码逻辑0可以具有波形，其具有周期T0(例如，T₀＝10*T_c)，其后是T_notch(例如，T_notch＝5*T_c)，而脉冲编码逻辑1可以具有波形，其具有周期T1(例如，T₁＝15*T_c)，其后是T_notch(例如，T_notch＝5*T_c)。如果按顺序发送逻辑0的多个数据值，则PWM-ASK的使用可以确保在部分514C中发送足够的功率。在一些实施例中，可以使用例如脉冲间隔编码(Pulse-intervalEncoding，PIE)、频移键控(Frequency-shift Keying，PSK)或相移键控(Phase-shiftKeying，PSK)的另一编码方案在操作模式命令514A中对数据进行编码。

图6A例示了根据一些实施例的用于使用超声波来操作可植入设备的方法600A。在一些实施例中，可植入设备可以是图1的可植入设备104的示例。为了便于解释，方法600的以下各个步骤可以参考如关于图1描述的可植入设备104的组件。

在步骤602中，可植入设备接收包括操作模式命令的超声波。在一些实施例中，可植入设备的超声换能器(例如，超声换能器108)可以被配置成接收超声波并将来自所接收的超声波的能量转换成包括操作模式命令的电气表示的电信号。在一些实施例中，超声波由例如图1的询问器102或图2的询问器202的询问器发送。在一些实施例中，超声波可以由另一个可植入设备发送。在一些实施例中，操作模式命令可以对应于超声波的一个或多个脉冲，如上面关于图3的面板3B描述的。在一些实施例中，步骤602包括步骤602A。

在步骤602A中，可植入设备确定操作模式命令对应于多个预定图案中的图案。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成通过确定操作模式命令的第一部分与图案之间的对应性来确定对应性。例如，可植入设备可以将第一部分与多个预定图案中的一个或多个图案进行比较，以确定对应性。在一些实施例中，第一部分可以包括操作模式命令的单个脉冲。例如，第一部分可以是操作模式命令的初始脉冲。在一些实施例中，第一部分可以包括操作模式命令的两个或更多个脉冲的序列。

在一些实施例中，多个预定图案可以是具有不同特性的多个对应脉冲。在一些实施例中，多个预定图案可以是与脉冲的特性相关联的多个对应值。例如，脉冲特性可以包括脉冲持续时间、脉冲振幅、或者相位或频率变化。在一些实施例中，多个图案中的每个预定图案可以包括与两个或更多个脉冲特性相对应的唯一的一组值。在一些实施例中，多个图案中的每个预定图案可以包括唯一的脉冲序列。

在一些实施例中，多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间，如上面关于图1描述的。在一些实施例中，基于所接收的超声波的载波信号周期来预先确定脉冲持续时间中的一个或多个。

在一些实施例中，可植入设备的模式检测器(例如，模式检测器126)可以被配置成对电信号的第一部分与预定义电压电平交叉的实例的数量进行计数，以确定操作模式命令是否对应于图案。在一些实施例中，预定义电压电平可以是接近0V(例如，小于10mV、小于50mV、小于100mV或小于200mV)的电压值。在一些实施例中，实例的数量可以对应于操作模式命令的脉冲持续时间。

在一些实施例中，模式检测器可以被配置成连续地监测超声波，以确定是否接收到操作模式命令。例如，如果确定操作模式命令的第一部分对应于多个预定图案中的图案，则模式检测器可以确定接收到操作命令。

在步骤604中，可植入设备基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置为多个预定操作模式中的一个操作模式。在一些实施例中，操作模式可以包括刺激模式、神经活动记录模式或传感器模式，如上面关于图1描述的。在一些实施例中，设置操作模式可以包括步骤604A。

在步骤604A中，可植入设备基于所确定的图案来设置与操作模式相对应的操作状态。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成实现和维持操作逻辑，其包括多个操作状态和在操作状态之间定义的转变。在一些实施例中，可植入设备的控制器电路(例如，控制器电路120)可以被配置成实现和维持操作逻辑，以基于所确定的图案来设置操作状态。在一些实施例中，控制器电路可以包括有限状态机(FSM)来实现操作逻辑。在一些实施例中，控制器电路可以包括微处理器来实现操作逻辑。在其它实施例中，控制器电路可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或微控制器来实现。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成维持当前操作状态,并且基于操作模式命令将可植入设备从当前操作状态i转变到下一操作状态。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成根据下一操作状态来操作，该下一操作状态变为新的当前操作状态。例如，可植入设备可以基于与所设置的操作模式相关联的一个或多个命令来控制其组件中的一个或多个。在一些实施例中，多个操作状态(例如，操作模式152)与多个对应命令(例如，命令154)之间的关联可以存储在存储器(例如，存储器150)中。

在一些实施例中，如上面关于步骤602描述的，模式检测器可以被配置成连续地监测所接收的超声波，以确定是否接收到操作模式命令。在这些实施例中，可植入设备可以被配置成基于检测到的操作模式命令来重置操作。

图6例示了根据一些实施例的用于使用超声波来操作可植入设备的方法600B。在一些实施例中，可植入设备可以是图1的可植入设备104的示例。为了便于解释，方法600的以下各个步骤可以参考如关于图1描述的可植入设备104的组件。

在步骤612中，可植入设备接收包括操作模式命令的超声波。在一些实施例中，步骤612对应于如上面关于图6A描述的步骤602。在一些实施例中，步骤612包括步骤612A，其可以对应于图6A的步骤602A。

在步骤612A中，可植入设备分析操作模式命令的第一部分，以确定与多个预定图案中的图案的对应性。在一些实施例中，可植入设备响应于确定第一部分对应于所确定的图案而确定操作模式命令对应于图案。例如，如上面关于步骤602A描述的，第一部分可以是指示操作模式命令的开始的单个脉冲。在其它示例中，第一部分可以包括操作模式命令的两个或更多个脉冲的序列。

在步骤614中，可植入设备基于操作模式命令将可植入设备的操作模式设置为多个预定操作模式中的一个操作模式。在一些实施例中，多个操作模式包括用于从所接收的超声波下载数据的下行链路模式，并且包括用于使用步骤612的所接收的超声波将在可植入设备处生成的数据上传到外部设备的上行链路模式。在一些实施例中，多个操作模式包括多个下行链路模式，其用于对下载的数据执行不同的操作，如上面关于图1描述的。在一些实施例中，多个操作模式包括多个上行链路模式，其用于将不同类型的设备上传到询问器，如上面关于图1描述的。

在一些实施例中，步骤614对应于如上面关于图6A描述的步骤604。在一些实施例中，步骤614包括步骤614A。在步骤614A中，可植入设备基于所分析的第一部分来设置与操作模式相对应的操作状态。例如，可植入设备可以基于步骤612A的确定图案来设置操作状态。在可植入设备实现FSM的一些实施例中，表示与所确定的图案的对应性的数据可以用作FSM的输入，以设置操作状态。

在一些实施例中，所确定的与图案的对应性可以配置可植入设备，以将操作模式设置为下行链路模式，其用于从所接收的超声波提取数据。例如，可植入设备可以被配置成从操作模式命令的第二部分提取数据。在一些实施例中，所确定的与图案的对应性可以配置可植入设备，以将操作模式设置为上行链路模式，其用于使用所接收的超声波将设备数据上传到询问器。

在步骤616中，可植入设备根据与操作模式对应的所设置的操作状态操作。在一些实施例中，步骤616包括步骤616A-D中的一个或多个。

在一些实施例中，对于与下行链路618A相关联的操作状态，步骤616包括步骤616A-B。在步骤616A中，可植入设备从操作模式命令的第二部分提取数据。在一些实施例中，第二部分包括操作模式命令的一个或多个脉冲的序列。在一些实施例中，第二部分在第一部分之后并且不与第一部分重叠。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成解码第二部分以提取数据。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成使用脉宽调制幅移键控(PWM-ASK)编码方案来解码第二部分。在一些实施例中，所提取的数据可以包括选择操作模式的指令。在一些实施例中，所提取的数据可以包括与记录神经活动相关联的一个或多个参数(例如，PGA增益)。在一些实施例中，所提取的数据可以包括与刺激神经相关联的一个或多个参数。

在步骤616B中，可植入设备基于所提取的数据配置可植入设备。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成基于所提取的数据生成一个或多个命令，以控制一个或多个组件。在一些实施例中，基于如步骤614A中设置的当前操作状态生成一个或多个命令(例如，命令154)。

在一些实施例中，对于与上行链路618B相关联的操作状态，步骤616包括步骤616C-D。在步骤616C中，可植入设备基于操作状态确定要发送的设备数据。在一些实施例中，设备数据包括在可植入设备处生成的数据。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成基于操作状态从存储器(例如，存储器150)检索设备数据。

在一些实施例中，操作状态可以对应于生理状况报告模式(即，上行链路模式的示例)，其中，设备数据可以包括与由可植入设备在生理状况报告模式中检测或测量的生理状况相关联的信息。例如，生理状况可以包括温度、脉搏率、血压、pH水平、分析物的存在或分析物的浓度。在一些实施例中，分析物可以包括氧或葡萄糖。

在一些实施例中，操作状态可以对应于神经活动报告模式(即，上行链路模式的示例)。在该操作状态中，可植入设备可以被配置成生成设备数据，其包括与在神经活动报告模式中由可植入设备检测到的电生理信号相关联的信息，如将在下面关于图8进一步描述的。

在一些实施例中，操作状态可以对应于应答模式(即，上行链路模式的示例)，其中，设备数据可以包括可植入设备成功地从先前接收到的超声波提取操作指令的应答。

在步骤616D中，可植入设备在操作模式命令的第二部分的反向散射中编码设备数据。如上面关于步骤616A描述的，第二部分可包括操作模式命令的一个或多个脉冲的序列。在一些实施例中，第二部分在第一部分之后并且不与第一部分重叠。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成调制从步骤612的接收的超声波生成的电流，以编码数据。在一些实施例中，可植入设备的一个或多个超声换能器可以被配置成发射超声波的超声反向散射，其中，反向散射的超声波对设备数据进行编码。

因此，基于方法600B，可植入设备可以被配置成基于在超声波中接收的操作模式命令在上行链路模式或下行链路模式中操作。

图7例示了根据一些实施例的图700，其示出了可植入设备(例如，可植入设备104)的示例操作逻辑。如上所述，可植入设备的控制器电路(例如，控制器电路120)可以被配置成实现有限状态机(FSM)，以控制可植入设备的操作。例如，图700示出了Moore状态机。如图700所示，FSM可以包括多个操作状态702A-O。在一些实施例中，可植入设备包括多个操作模式，其可以各自对应于多个操作状态702A-O的唯一子集。虽然FSM被示出为Moore机器，但是可植入设备可以根据其他类型的FSM配置成控制其操作逻辑。例如，代替Moore机器，FSM可以被实现为Mealy状态机、Harel状态机或统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)状态机。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成基于所接收的超声波中的操作模式命令而从当前操作状态转变到下一操作状态，如上面关于图6A至图6B描述的。在一些实施例中，可植入设备可以被配置成将对应于操作模式命令的信息与多个预定图案中的一个或多个图案进行比较，以设置FSM中的操作模式和相关联的操作状态。例如，如图700所示，操作模式命令可以与超声脉冲持续时间(例如，T_us)相关联，该超声脉冲持续时间可以匹配上行链路图案(例如，时间段T_{sync_up})或下行链路图案(例如，时间段T_{sync_down})。上行链路图案可以与将可植入设备转变到用于上传数据的操作状态相关联，并且下行链路图案可以与将可植入设备转变到用于下载数据的操作状态相关联。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成通过超声通信上传和下载数据。虽然以下描述可以关于与询问器通信的可植入设备来描述，但是应当理解，根据一些实施例，可植入设备可以类似地使用超声波来与另一可植入设备通信。如上面关于图6B描述的，每当可植入设备转变到与数据下行链路相关联的操作状态时，可植入设备可以被配置成对从询问器接收的超声波的一部分进行解码，以提取用于操作可植入设备的操作模式命令。如上面关于图6B描述的，每当可植入设备转变到与数据上行链路相关联的操作状态时，可植入设备可以被配置成对要在所接收的超声波的一部分的反向散射中发送的设备数据进行编码。然后，询问器可以被配置成接收超声反向散射，并且解码在超声反向散射中编码的设备数据。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成在对应于上电操作模式的操作状态702A中开始。在操作状态702A中，可植入设备可以被配置成使用在一个或多个超声换能器处接收的超声波来对可植入设备的一个或多个能量存储设备(例如，能量存储设备136)充电。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成连续地监测所接收的超声波，以确定操作模式命令是否被包括在所接收的超声波中。如图700所示，当操作模式命令对应于上行链路图案(即，T_us＝T_{sync_up})时，可植入设备可以转变到对应于广播操作模式的操作状态702B。在操作状态702B中，可植入设备可以向询问器发送设备ID。

在一些实施例中，可植入设备可以被配置成在操作状态702B中重新发送设备ID，直到检测到与下行链路图案相对应的下一操作模式命令(例如，T_us＝T_{sync_down})为止。然后，可植入设备可以转变到与功率校准操作模式相对应的操作状态702C。在操作状态702C中，可植入设备可以向询问器发送功率信息。例如，功率信息可以包括可用功率或消耗功率，如上面关于图1描述的。在一些实施例中，在接收到功率信息时，询问器可以被配置成基于功率信息来调节一个或多个超声波设置(例如，功率脉冲强度或脉冲宽度)。因此，可以基于由可植入设备发送到询问器的功率信息来调节由询问器提供的功率。

如图700所示，当下一操作模式命令对应于下行链路图案(即，T_us＝T_{sync_down})时，可植入设备可以从操作状态702C转变到与模式选择操作模式相对应的操作状态702D。在操作状态702D中，可植入设备可以从所接收的操作模式命令的第二部分提取数据。在一些实施例中，所提取的数据可以包括选择可植入设备的操作模式的信息。

当下一操作模式命令对应于上行链路图案(即，T_us＝T_{sync_up})时，可植入设备可以从操作状态702D转变到与模式应答操作模式相对应的操作状态702E。在操作状态702E中，可植入设备可以向询问器发送应答，其指示成功地接收到与选择操作模式相关联的选择信息。

当下一操作模式命令对应于上行链路模式(即，T_us＝T_{sync_up})时，可植入设备可以基于先前在操作状态702D中接收的选择信息来确定进入一个或多个报告操作模式中的哪一个。例如，报告操作模式可以与发送与各种生理状况相关联的信息相关联，生理状况例如为温度、脉搏率、pH水平、或特定分析物的存在或浓度。例如，如图700所示，可植入设备可以转变到对应于温度操作模式704C的操作状态702N。在一些实施例中，可以上传的信息量是有限的(例如，4位的信息)。因此，如图700所示，温度操作模式704C可以包括用于发送所测量的温度的多个操作状态702N-O。在一些实施例中，当下一操作模式命令对应于下行链路图案(即，T_us＝T_{sync_up})时，可植入设备可以从操作状态702O转变回操作状态702C，以重新校准来自询问器的功率传输。

返回到操作状态702E，当下一操作模式命令对应于下行链路模式(即，T_us＝T_{sync_down})时，可植入设备可以基于先前在操作状态702D中接收的选择信息来确定是进入神经活动记录模式704A还是神经刺激模式704B。

在一些实施例中，当选择信息指示神经活动记录模式704A时，可植入设备可以从操作状态702E转变到神经活动记录模式704A的操作状态702F。在神经活动记录模式704A中，可植入设备可以被配置成在操作状态702F中接收参数，并且在操作状态702G-H中发送神经活动数据。例如，参数可以包括可编程增益放大器(Programmable-gain Amplifier，PGA)增益，其配置可植入设备，以控制将检测到的神经活动信号放大多少。如上面关于温度操作模式704C描述的，例如神经活动记录的设备数据可能太大而不能在操作模式命令的第二部分的反向散射中发送。因此，神经活动记录模式704A可以包括多个操作状态702G-H，其用于发送整个神经活动记录。下面关于图8提供了可以如何采样和记录神经活动的另外细节在。在一些实施例中，当下一操作模式命令对应于下行链路图案(即，T_us＝T_{sync_up})时，可植入设备可以从操作状态702H转变回操作状态702C，以重新校准来自询问器的功率传输。

在一些实施例中，当选择信息指示神经刺激模式704B时，可植入设备可以从操作状态702E转变到神经刺激模式704B的操作状态702I。在神经刺激模式704B中并且如图700所示，可植入设备可以被配置成在操作状态702I中接收刺激参数，并且基于连续接收的操作模式命令在操作状态702J中发送所接收的参数的应答。

在操作状态702J中，可植入设备的电荷检测器可以被配置成确定刺激电容器是否被充分充电以用于刺激神经。如果电荷检测器指示足够的电荷(即，电荷指示＝1)，则可植入设备转变到操作状态702L，否则可植入设备保持在操作状态702K，其中，刺激电容器基于从询问器接收的超声波继续被充电。在操作状态702L中，可植入设备可以通过向一个或多个所选神经发射电脉冲来刺激一个或多个所选神经，如下面将关于图8进一步描述的。

当操作模式命令对应于上行链路图案时，可植入设备可以转变到对应于应答操作模式的操作状态702M，以发送如在操作状态702L中执行的刺激的状态。当操作模式命令对应于下行链路图案时，可植入设备可以转变回操作状态702K以重复刺激，或者转变回操作状态702C以重新校准可植入设备，以进入其它操作模式，这取决于在操作模式命令中包括的数据。例如，从操作模式命令提取的指令可以请求重复的刺激，这将导致可植入设备转变到操作状态702K，以对刺激电容器再充电。

图8例示了根据一些实施例的被配置成与受试者的神经814相互作用的可植入设备811的图800。在一些实施例中，可植入设备811可以是如上面关于图1描述的可植入设备104的示例实现方式。如图800所示，可植入设备811可以植入在神经814上，并且包括一个或多个弯曲构件，例如从主体812延伸的弯曲构件802。可植入设备811的主体812可以包括集成电路824(包括例如调制解调电路112、刺激电路114、检测电路116或控制器电路120)、非瞬态存储器826(例如存储器180)、电源电路828(例如电源电路130)和超声换能器830(例如超声换能器108或超声换能器电路106)。在一些实施例中，主体812包括多个超声换能器，其包括超声换能器830。因此，应当理解，如图800所示，超声换能器830可以表示多个超声换能器。

在一些实施例中，超声换能器830可以被配置成接收由询问器(例如，图1的询问器102或图2的询问器202)发送的超声波，并且将超声波的机械能转换成具有电能的电信号。在一些实施例中，超声波可以包括一个或多个操作模式命令，其由集成电路824检测，以将可植入设备811的操作模式设置为多个操作模式中的一个操作模式。在一些实施例中，电信号包括一个或多个操作模式命令的电气表示。

在一些实施例中，电信号的一部分可以由电源电路828处理，以向可植入设备811的组件供电。在一些实施例中，电源电路828可以包括功率输送电路(例如，功率输送电路134)，其被配置成将具有第一电压的电信号转换成具有第二电压的第二信号，以向集成电路824的各个组件供电。在一些实施例中，电源电路828可以包括整流电路(例如，有源整流器)，以将AC形式的电信号转换成DC形式，其中，转换的电信号可以与第一电压相关联。在一些实施例中，功率输送电路可以包括电荷泵，以生成大于第一电压的第二电压。在一些实施例中，电源电路828可包括能量存储设备(例如，能量存储设备136)，其被配置成存储由电信号提供的多余能量，并且在询问器所供应的功率不足时作为二次电源操作。在一些实施例中，功率输送电路可以被配置成控制是向能量存储设备输送功率还是从能量存储设备输送功率，这分别有效地对能量存储设备充电或放电。在一些实施例中，功率输送电路可以被配置成除了控制功率流动的方向(例如，正向流动或反向流动)之外，还控制输送功率的时间量(例如，时钟周期的数量)。

在一些实施例中，集成电路824包括控制器电路(例如，控制器电路120)，其被配置成基于在超声波中接收的操作模式命令来设置可植入设备811的操作模式，如上面关于图1描述的。

在一些实施例中，操作模式命令可以指示可植入设备811进入功率校准模式，其中，控制器电路可以生成信息，其指示应该向询问器发送更多功率还是更少功率。在一些实施例中，控制器电路可以被配置成基于如由电源电路828供应的可用功率和由集成电路824消耗的功率而生成该功率信息。在一些实施例中，可用功率包括由超声换能器830提供的供应功率和由电源电路828的能量存储设备提供的可存取功率。在一些实施例中，控制器电路可以被配置成控制超声换能器830，以向询问器发送所生成的功率信息，以便使询问器控制所发送的超声波的波功率。在一些实施例中，所消耗的功率可以由控制器电路基于可植入设备811的操作模式来确定，如上面关于图1描述的。

在一些实施例中，操作模式命令可以指示可植入设备811进入神经刺激模式或检测模式，各个模式可以操作弯曲构件802上的电极极板818。在一些实施例中，检测模式可以是与向例如询问器的其它设备发送设备数据相关联的上行链路模式的示例，如上面关于图6B至图7描述的。

在一些实施例中，在检测模式中，电极极板818被配置成检测电生理信号，并且基于电生理信号的检测信号由集成电路824接收。由集成电路824接收的检测信号可以在由控制器电路接收之前由检测电路(例如，由检测电路116)处理(例如，放大、数字化和/或滤波)。在一些实施例中，控制器电路可以访问非瞬态存储器(例如，存储器180)，以存储与检测到的电生理信号有关的数据。在一些实施例中，在检测模式中，控制器电路可以被配置成操作超声换能器830，以发射所接收的超声波的反向散射，其中，反向散射的超声波对与检测到的电生理信号有关的数据进行编码。

在一些实施例中，操作模式命令可以指示可植入设备811进入神经刺激模式。在刺激模式中，控制器电路可以基于检测信号生成刺激信号，并且基于刺激信号操作一个或多个电极极板818，以向神经814发射电脉冲。在一些实施例中，控制器电路可以访问非瞬态存储器(例如，存储器180)，以存储与发射到神经814的刺激信号或电脉冲有关的数据。在一些实施例中，在刺激模式中，控制器电路可以被配置成操作超声换能器830，以发射所接收的超声波的反向散射，其中，反向散射的超声波对与刺激的状态有关的数据进行编码。

存储在非瞬态存储器上的数据可以通过由超声换能器830发射的超声反向散射波无线地发送。如上面关于图1描述的，为了使用超声反向散射来发送数据，超声换能器830可以首先接收超声波，并且生成流过调制电路的电流。然后，控制器电路可以访问存储器，并且操作调制电路以调制流过调制电路的电流，以便编码数据。通过这种处理，由超声换能器830发射的超声反向散射波可以编码数据。

在一些实施例中，如图800所示，弯曲构件802可以包括在点816处由主体812桥接的第一部分802a和第二部分802b。在一些实施例中，第一部分802a和第二部分802b直接连接，并且弯曲构件802通过连接构件附接到主体812。弯曲构件802可以包括在弯曲构件802的内表面上的多个电极极板818，并且电极极板818可以围绕平行于神经814的长度的轴线径向地定位。第一部分202a与第二部分202b之间的间隔820沿着弯曲构件802存在(其可类似地存在于可植入设备811的其它弯曲构件中)。在一些实施例中，可植入设备811可以通过以下方式来植入：向外折曲弯曲构件802的第一部分802a和第二部分802b，从而扩大间隔的尺寸，并且允许神经814或其它丝状组织穿过间隔820并配合在由弯曲构件802形成的圆柱形空间内。弯曲构件802的第一部分802a和第二部分802b可被释放，这允许弯曲构件802围绕神经814或其它丝状组织缠绕。

如图8所示的多个电极极板818在神经814的外部，但是与神经814的神经外膜直接接触。神经814可以包括若干神经纤维束822。在一些实施例中，弯曲构件802内的电极极板818可以被操作用于电脉冲到一个或多个神经纤维束822或神经纤维的其他子集的目标发射，和/或被操作用于由一个或多个神经纤维束822或神经纤维的其他子集发送的电生理信号的目标检测。例如，电极极板818可以由容纳在主体812内的集成电路824内的控制器电路选择性地激活，以发射对准到一个或多个神经纤维束822的电脉冲。在另一示例中，电极极板818由控制器电路操作，以检测由神经814内的一个或多个神经纤维束822发送的电生理信号。在一些实施例中，弯曲构件802可以被配置成检测由神经814或神经纤维的子集发送的电生理信号，向神经814发射电脉冲或使电脉冲对准神经纤维的子集，或者既检测由神经814或神经纤维的子集发送的电生理信号又向神经814发射电脉冲或使电脉冲对准神经纤维的子集。例如，可植入设备811可以包括多个弯曲构件(包括弯曲构件802)，其中，第一弯曲构件可以被配置成检测由神经814或神经纤维的子集发送的电生理信号，并且第二弯曲构件可以被配置成向神经814发射电脉冲或使电脉冲对准神经纤维的子集。

在一些实施例中，弯曲构件802的尺寸可以被设计成接合所选神经814或包含神经814的纤维组织。神经814可以是脊髓或外周神经。在一些实施例中，神经814是自主神经或躯体神经。在一些实施例中，神经814是交感神经或副交感神经。在一些实施例中，神经814是迷走神经、肠系膜神经、脾神经、坐骨神经、胫神经、阴部神经、腹腔神经节、骶神经或其任何分支。

可植入设备811上的弯曲构件802的尺寸、形状和间距可取决于可植入设备811接合的组织的类型和尺寸。在一些实施例中，可植入设备811的两个或更多个弯曲构件被隔开约0.25mm或更多(例如约0.5mm或更多、约1mm或更多、约2mm或更多、约3mm或更多、约4mm或更多、约5mm或更多、约6mm或更多、或约7mm或更多)。在一些实施例中，两个或更多个弯曲构件被隔开约8mm或更小(例如约7mm或更小、约6mm或更小、约5mm或更小、约4mm或更小、约3mm或更小、约2mm或更小、约1mm或更小、或约0.5mm或更小)。以示例的方式，两个或更多个弯曲构件可以被隔开约0.25mm至约0.5mm、约0.5mm至约1mm、约1mm至约2mm、约2mm至约3mm、约3mm至约4mm、约4mm至约5mm、约5mm至约6mm、约5mm至约7mm、或约7mm至约8mm。弯曲构件802的宽度也可根据可植入设备811的应用或由可植入设备811接合的组织而变化。在一些实施例中，弯曲构件802的宽度为约100μm或更大(例如约150μm或更大、约250μm或更大、约500μm或更大、约1mm或更大、或约1.5mm或更大)。在一些实施例中，弯曲构件502的宽度为约2mm或更小(例如约1.5mm或更小、约1mm或更小、约500μm或更小、约250μm或更小、或约150μm或更小。在一些实施例中，弯曲构件502的宽度为约100μm至约2mm(例如约100μm至约150μm、约150μm至约250μm、约250μm至约500μm、约500μm至约1mm、约1mm至约1.5mm、或约1.5mm至约2mm)。弯曲构件802的内表面形成神经814和/或丝状组织通过的圆柱形空间。由弯曲构件802形成的圆柱形空间的直径取决于可植入设备811将接合的目标神经和/或丝状组织。在一些实施例中，弯曲构件802形成圆柱形空间，其直径为约50μm至约15mm(例如约50μm至约100μm、约100μm至约250μm、约250μm至约500μm、约500μm至约1mm、约1mm至约1.5mm、约1.5mm至约2.5mm、约2.5mm至约5mm、约5mm至约10mm、或约10mm至约15mm)。

在一些实施例中，可植入设备811包括一个或多个附加的固定构件，其被配置成将可植入设备811固定到丝状组织。这种固定构件可包括例如用于将可植入设备缝合到解剖结构(例如丝状组织或神经、或围绕丝状组织或神经的其它组织)的环、销或夹具。例如，可植入设备811可以缝合到丝状组织或神经814或围绕丝状组织或神经的组织，以一旦植入就限制可植入设备811的移动。

在一些实施例中，可植入设备811的弯曲构件802可以包括金属、金属合金、陶瓷、硅或非聚合材料。弯曲构件802可以是柔性的，并且优选地是装有弹簧的，使得弯曲构件802可以围绕神经814和/或丝状组织定位。在一些实施例中，弯曲构件802或弯曲构件802的一部分涂布有弹性体涂层或非弹性体涂层，其优选为生物惰性的，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅酮、聚氨酯聚合物、聚(对二甲苯)聚合物(例如以商品名

销售的聚(对二甲苯)聚合物)或聚酰亚胺。弯曲构件802可以包括在内表面上的多个电极极板818。在一些实施例中，弯曲构件802的内表面上的电极极板818未涂布有弹性体涂层或非弹性体聚合物涂层，但内表面可以涂布有导电材料(例如，电镀有PEDOT聚合物或金属，以改善电极极板的电特性)。因此，在一些实施例中，仅弯曲构件802的外表面涂布有涂层。可选地，涂层还涂布主体812的壳体。

在一些实施例中，多个电极极板818可以包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个电极极板，例如在约3个至约50个电极极板之间、在约3个至约5个电极极板之间、在约5个至约10个电极极板之间、在约10个至约25个电极极板之间或在约25个至约50个电极极板之间。在一些实施例中，多个电极极板818内的电极极板可以由控制器电路选择性地激活，这允许目标电脉冲发射，如本文进一步描述的。

在一些实施例中，电极极板818可以包括任何合适的导电材料，例如钨、铂、钯、金、铱、铌、钽或钛中的一种或多种(或者一种或多种的合金)。检测电极极板和刺激电极极板的材料可以相同或不同。电极极板818的尺寸和形状也可以相同或不同。例如，给定弯曲构件802上的电极极板818可以具有相同或不同的尺寸，并且不同弯曲构件上的电极极板可以具有相同或不同的尺寸。

在一些实施例中，可植入设备811的电极极板818通过弯曲构件802定位，以与神经814电通信。在一些实施例中，电极极板818不与神经814直接接触(例如在神经814外部并且不与神经814间接接触)，而是与神经814电通信。在一些实施例中，电极极板818定位在神经814的约2mm内(例如，约1.8mm内、约1.6mm内、约1.4mm内、约1.2mm内、约1.0mm内、约0.8mm内、约0.6mm内、约0.4mm内或约0.2mm内)。在一些实施例中，电极极板818被配置成在一个或多个位置处穿透神经814的神经外膜。例如，电极极板818可以是针形的，这允许穿透神经外膜。在一些实施例中，电极极板818直接接触神经814，例如神经814的神经外膜。

在一些实施例中，主体812包括壳体，其可以包括基部、一个或多个侧壁和顶部。壳体可以包围超声换能器830和集成电路824。壳体可以被密封封闭(例如通过焊接或激光焊接)，以防止间质液与超声换能器830或集成电路824接触。壳体优选由生物惰性材料制成，例如生物惰性金属(例如钢或钛)或生物惰性陶瓷(例如二氧化钛或氧化铝)。壳体(或壳体的顶部)可以较薄，以允许超声波穿透壳体。在一些实施例中，壳体的厚度为约100微米(μm)或更小，例如约75μm或更小、约50μm或更小、约25μm或更小、或约10μm或更小。在一些实施例中，壳体的厚度为约5μm至约10μm、约10μm至约25μm、约25μm至约50μm、约50μm至约75μm、或约75μm至约100μm。

在一些实施例中，可植入设备811的主体812相对较小，这允许舒适且长期的植入，同时限制通常与可植入医疗设备相关联的组织炎症。在一些实施例中，主体812的最长尺寸为约10mm或更小，例如约5mm至约9mm、或约6mm至约8mm。

在一些实施例中，主体812包括在壳体内的材料，例如聚合物。材料可以填充壳体内的空的空间，以减少壳体外部的组织与壳体内的组织之间的声阻抗失配。因此，根据一些实施例，主体812优选地没有空气或真空。

在一些实施例中，超声换能器830可以包括微机械超声换能器，例如电容式微机械超声换能器(CMUT)或压电式微机械超声换能器(PMUT)，或者可以包括体压电换能器。体压电换能器可以是任何天然或合成材料，例如晶体、陶瓷或聚合物。示例体压电换能器材料可以包括钛酸钡(BaTiO₃)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZO)、氮化铝(AlN)、石英、块磷铝矿(AlPO₄)、黄玉、硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄)、正磷酸镓(GaPO₄)、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、铌酸钾(KNbO₃)、钨酸钠(Na₂WO₃)、铁酸铋(BiFeO₃)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)。

在一些实施例中，体压电换能器近似为立方体的(即，纵横比为约1:1:1(长度：宽度：高度))。在一些实施例中，压电换能器是板状的，在长度或宽度方面具有约5:5:1或更大的纵横比，例如约7:5:1或更大、或约10:10:1或更大。在一些实施例中，体压电换能器是长且窄的，具有大约3:1:1或更大的纵横比，其中最长尺寸与超声反向散射波的方向(即，偏振轴)对齐。在一些实施例中，体压电换能器的一个尺寸等于与换能器的驱动频率或谐振频率对应的波长(λ)的一半。在谐振频率下，撞击在换能器的任一面上的超声波将经历180°的相移，以达到相反的相位，这引起两个面之间的最大位移。在一些实施例中，压电换能器的高度为约10μm至约1000μm(例如约40μm至约400μm、约100μm至约250μm、约250μm至约500μm、或约500μm至约1000μm)。在一些实施例中，压电换能器的高度为约5mm或更小(例如约4mm或更小、约3mm或更小、约2mm或更小、约1mm或更小、约500μm或更小、约400μm或更小、250μm或更小、约100μm或更小、或约40μm或更小)。在一些实施例中，压电换能器的高度在长度上为约20μm或更大(例如约40μm或更大、约100μm或更大、约250μm或更大、约400μm或更大、约500μm或更大、约1mm或更大、约2mm或更大、约3mm或更大、或约4mm或更大)。

在一些实施例中，超声换能器830在最长尺寸上具有约5mm或更小(例如约4mm或更小、约3mm或更小、约2mm或更小、约1mm或更小、约500μm或更小、约400μm或更小、250μm或更小、约100μm或更小、或约40μm或更小)的长度。在一些实施例中，超声换能器830在最长尺寸上具有约20μm或更大(例如约40μm或更大、约100μm或更大、约250μm或更大、约400μm或更大、约500μm或更大、约1mm或更大、约2mm或更大、约3mm或更大、或约4mm或更大)的长度。

在一些实施例中，超声换能器830连接到两个电极，以允许与集成电路824电通信。第一电极附接到超声换能器830的第一面，并且第二电极附接到超声换能器830的第二面，其中第一面和第二面在超声换能器830的沿着一个尺寸的相对侧上。在一些实施例中，电极包括银、金、铂、铂黑、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、导电聚合物(例如导电PDMS或聚酰亚胺)或镍。在一些实施例中，超声换能器830的电极之间的轴线与超声换能器830的运动正交。

前面的描述阐述了示例性方法、参数等。然而，应认识到，这样的描述并不旨在作为对本公开的范围的限制，而是作为对示范性实施例的描述而提供。上述说明性实施例不是穷举的，也不是要将本公开限制到所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例以最好地解释所公开的技术的原理及其实际应用。从而，本领域的其他技术人员能够最好地利用具有适于所考虑的特定用途的各种修改的技术和各种实施例。

尽管已经参考附图充分描述了本公开和示例，但是应当注意，各种改变和修改对于本领域技术人员将变得明了。这样的改变和修改将被理解为包括在由权利要求限定的本公开和示例的范围内。在本公开和实施例的前述描述中，参考了附图，在附图中通过例示示出了可以实践的具体实施例。应当理解，可以实践其他实施例和示例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行改变。

尽管前面的描述使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。

本文提及的“约”或“大约”值或参数包括(和描述)涉及该值或参数本身的变化。例如，提及“约X”的描述包括“X”的描述。

应当理解，本文所述的本发明的方面和变化包括由方面和变化“构成”和/或“基本上构成”。

术语“可植入的”和“植入的”是指物体完全可植入或完全植入受试者内，使得物体的任何部分都不会破坏受试者的表面。

术语“基本上”是指90％或更多。例如，基本上围绕神经的横截面的弯曲构件是指围绕神经的横截面的90％或更多的弯曲构件。

术语“受试者”和“患者”在本文中可互换使用，是指脊椎动物，例如人。

术语“治疗(treat)”、“治疗(treating)”和“治疗(treatment)”在本文中同义地使用，是指向患有病情或病症的受试者提供益处的任何动作，包括通过减轻、抑制、压制或消除至少一种症状来改善病症，延迟疾病或病症的进展，延迟疾病或病症的复发，或抑制疾病或病症。

在提供值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的各个中间值、以及在该规定范围内的任何其它规定的或中间值，被包含在本公开的范围内。当所述范围包括上限或下限时，排除那些包括的限值中的任一个的范围也包括在本公开中。

另外，还应当理解，除非上下文另外明确指出，否则在前述描述中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。还应当理解，本文使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在本文中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或单元的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件、单元和/或其组的存在或添加。

术语“如果”可以被解释为意味着“当……时”或“在……时”或“响应于确定”或“响应于检测到”，这取决于上下文。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到【所述条件或事件】”可以被解释为意味着“在确定时”或“响应于确定”或“在检测到【所述条件或事件】时”或“响应于检测到【所述条件或事件】”，这取决于上下文。

上面关于“实施例”描述的特征和偏好是不同的偏好，并且不仅限于该特定实施例；在技术可行的情况下，它们可以与来自其它实施例的特征自由地组合，并且可以形成特征的优选组合。提供该描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且该描述是在专利申请及其要求的上下文中提供的。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员将是容易明了的，并且本文的一般原理可以应用于其它实施例。因此，本发明不旨在限于所示的实施例，而是要符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。

Claims (54)

1.一种用于使用超声波来操作可植入设备的方法，包括：

在所述可植入设备处：

接收包括操作模式命令的超声波；以及

基于所述操作模式命令将所述可植入设备的操作模式设置为多个操作模式中的一个操作模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个操作模式包括用于从所接收的超声波下载数据的下行链路模式、或用于使用所接收的超声波将在所述可植入设备处生成的数据上传到外部设备的上行链路模式中的一个或多个。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个操作模式包括所述下行链路模式和所述上行链路模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波由询问器发送。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波由另一可植入设备发送。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，包括：

确定所述操作模式命令对应于多个预定图案中的图案；以及

基于所确定的图案来设置所述操作模式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述操作模式命令对应于所述图案包括：确定所述操作模式命令的第一部分对应于所确定的图案。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分包括指示所述操作模式命令的开始的单个脉冲。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分包括两个或更多个脉冲的序列。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间、多个对应的振幅、或多个对应的相位或频率变化。

11.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间，并且其中，所述脉冲持续时间中的一个或多个基于所接收的超声波的载波信号周期来设置。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定所述操作模式命令对应于所述图案包括：

将所述超声波转换成包括所述操作模式命令的表示的电信号；以及

对所述电信号的第一部分与预定义电压电平交叉的实例的数量进行计数，其中，所述实例的数量对应于所确定的图案。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所确定的图案与上传数据相关联，并且其中，所述操作模式命令包括与所述第一部分不同的第二部分，所述方法包括：

将所述操作模式设置为上行链路模式，其用于上传与所述上行链路模式相关联的设备数据；以及

反向散射所述超声波，其中，所反向散射的超声波在所述操作模式命令的所述第二部分的反向散射中对所述设备数据进行编码。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述上行链路模式包括应答模式，并且所述设备数据包括所述可植入设备从第二超声波成功提取操作指令的应答，第二超声波由所述可植入设备接收。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述上行链路模式包括生理状况报告模式，并且其中，所述设备数据包括与在所述生理状况报告模式中由所述可植入设备检测到的生理状况相关联的信息。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述上行链路模式包括神经活动报告模式，并且其中，所述设备数据包括与在所述神经活动报告模式中由所述可植入设备检测到的电生理信号相关联的信息。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述设备数据包括与由所述可植入设备发射的电脉冲相关联的信息，并且其中，所述电脉冲被配置成调制目标神经的活动。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述可植入设备被配置成当所述可植入设备的所述操作模式被设置成下行链路模式时，响应于从由所述可植入设备接收的第二超声波提取的操作指令而发射所述电脉冲。

19.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所确定的图案与下载数据相关联，并且其中，所述操作模式命令包括与所述第一部分不同的第二部分，所述方法包括：

将所述操作模式设置为下行链路模式，其用于从所述操作模式命令的所述第二部分提取数据。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所提取的数据与测量生理状况相关联，并且其中，所述方法包括：响应于提取所述数据，测量所述生理状况。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述生理状况包括温度、脉搏率、血压、pH水平、分析物的存在或分析物的浓度。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述生理状况包括分析物的浓度，并且其中，所述分析物是氧或葡萄糖。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所提取的数据与记录电生理信号相关联，其中，所述可植入设备包括两个或更多个电极，其与受试者的神经电通信，并且其中，所述两个或更多个电极被配置成记录所述电生理信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，包括响应于从所述第二部分提取的所述数据来记录所述电生理信号。

25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所提取的数据与刺激神经相关联，其中，所述可植入设备包括与受试者的神经电通信的两个或更多个电极，并且其中，所述方法包括：

响应于从所述第二部分提取的所述数据，使用所述两个或更多个电极发射被配置成调制所述神经的活动的一个或多个电脉冲。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其特征在于，包括：

基于定义操作状态之间的转变的操作逻辑来维持所述可植入设备的当前操作状态，其中，所述可植入设备被配置成根据所述当前操作状态来操作；

基于所述操作模式命令从所述操作逻辑的所述当前操作状态转变到下一操作状态；以及

配置所述可植入设备，以根据所述下一操作状态进行操作。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述操作逻辑由微处理器、微控制器或有限状态机(FSM)实现。

28.一种使用超声波操作的可植入设备，包括：

超声换能器，其被配置成接收包括操作模式命令的超声波；和

控制器电路，其被配置成基于所述操作模式命令将所述可植入设备的操作模式设置为多个操作模式中的一个操作模式。

29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述多个操作模式包括用于从所接收的超声波下载数据的下行链路模式、或用于使用所接收的超声波将在所述可植入设备处生成的数据上传到外部设备的上行链路模式中的一个或多个。

30.根据权利要求29所述的设备，其特征在于，所述多个操作模式包括所述下行链路模式和所述上行链路模式。

31.根据权利要求28至30中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声换能器被配置成从询问器接收所述超声波。

32.根据权利要求28至31中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声换能器被配置成从另一可植入设备接收所述超声波。

33.根据权利要求28至32中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制器电路被配置成：

确定所述操作模式命令对应于多个预定图案中的图案；以及

基于所确定的图案来设置所述操作模式。

34.根据权利要求33所述的设备，其特征在于，为了确定所述操作模式命令对应于所述图案，所述控制器电路被配置成确定所述操作模式命令的第一部分对应于所确定的图案。

35.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述第一部分包括指示所述操作模式命令的开始的单个脉冲。

36.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述第一部分包括两个或更多个脉冲的序列。

37.根据权利要求33所述的设备，其特征在于，所述多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间、多个对应的振幅、或多个对应的相位或频率变化。

38.根据权利要求33所述的设备，其特征在于，所述多个预定图案包括多个对应的脉冲持续时间，并且其中，所述脉冲持续时间中的一个或多个基于所接收的超声波的载波信号周期来设置。

39.根据权利要求33至38中任一项所述的设备，其特征在于，为了确定所述操作模式命令对应于所述图案：

所述超声换能器被配置成将所述超声波转换成包括所述操作模式命令的表示的电信号；以及

所述控制器电路被配置成对所述电信号的第一部分与预定义电压电平交叉的实例的数量进行计数，其中，所述实例的数量对应于所确定的图案。

40.根据权利要求33至39中任一项所述的设备，其特征在于，所确定的图案与上传数据相关联，其中，所述操作模式命令包括与所述第一部分不同的第二部分，

其中，所述控制器电路被配置成将所述操作模式设置为上行链路模式，其用于上传与所述上行链路模式相关联的设备数据；并且

其中，所述超声换能器被配置成反向散射所述超声波，其中，所反向散射的超声波在所述操作模式命令的所述第二部分的反向散射中对所述设备数据进行编码。

41.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，所述上行链路模式包括应答模式，并且所述设备数据包括所述可植入设备从第二超声波成功提取操作指令的应答，第二超声波由所述可植入设备接收。

42.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，所述上行链路模式包括生理状况报告模式，并且其中，所述设备数据包括与在所述生理状况报告模式中由所述可植入设备检测到的生理状况相关联的信息。

43.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，所述上行链路模式包括神经活动报告模式，并且其中，所述设备数据包括与在所述神经活动报告模式中由所述可植入设备检测到的电生理信号相关联的信息。

44.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，所述设备数据包括与由所述可植入设备发射的电脉冲相关联的信息，并且其中，所述电脉冲被配置成调制目标神经的活动。

45.根据权利要求44所述的设备，其特征在于，包括：

刺激电路，其被配置成当所述可植入设备的所述操作模式被设置成下行链路模式时，响应于从由所述可植入设备接收的第二超声波提取的操作指令而发射所述电脉冲。

46.根据权利要求33至39中任一项所述的设备，其特征在于，所确定的图案与下载数据相关联，其中，所述操作模式命令包括与所述第一部分不同的第二部分，并且其中，所述控制器电路被配置成将所述操作模式设置成下行链路模式，其用于从所述操作模式命令的所述第二部分提取数据。

47.根据权利要求46所述的设备，其特征在于，所提取的数据与测量生理状况相关联，并且其中，所述设备包括检测电路，其被配置成响应于所提取的数据来测量所述生理状况。

48.根据权利要求47所述的设备，其特征在于，所述生理状况包括温度、脉搏率、血压、pH水平、分析物的存在或分析物的浓度。

49.根据权利要求47所述的设备，其特征在于，所述生理状况包括分析物的浓度，并且其中，所述分析物是氧或葡萄糖。

50.根据权利要求46所述的设备，其特征在于，所提取的数据与记录电生理信号相关联，其中，所述设备包括两个或更多个电极，其与受试者的神经电通信，并且其中，所述两个或更多个电极被配置成记录所述电生理信号。

51.根据权利要求50所述的设备，其特征在于，所述两个或更多个电极被配置成响应于从所述第二部分提取的所述数据来记录所述电生理信号。

52.根据权利要求46所述的设备，其特征在于，所提取的数据与刺激神经相关联，其中，所述设备包括与受试者的神经电通信的两个或更多个电极，其中，所述两个或更多个电极被配置成响应于从所述第二部分提取的所述数据而发射被配置成调制所述神经的活动的一个或多个电脉冲。

53.根据权利要求28至52中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制器电路被配置成：

基于定义操作状态之间的转变的操作逻辑来维持所述可植入设备的当前操作状态，其中，所述可植入设备被配置成根据所述当前操作状态来操作；

基于所述操作模式命令从所述操作逻辑的所述当前操作状态转变到下一操作状态；以及

配置所述可植入设备，以根据所述下一操作状态进行操作。

54.根据权利要求53所述的设备，其特征在于，所述操作逻辑由微处理器、微控制器或有限状态机(FSM)实现。

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