Første millimeterskala trådløs transceiver til elektroniske piller

Denne uge, på ISSCC 2020 (16.-20. februar, San Francisco), imec, et verdensførende forsknings- og innovationsknudepunkt inden for nanoelektronik og digitale teknologier, præsenterer den første mm-skala trådløse transceiver til smarte indsættelige piller. Det er et første gennembrud i imecs ambition om at realisere autonome indtagelige sensorer, der kan måle sundhedsparametre såsom tarmsundhed og i realtid overføre data uden for kroppen.

Fordøjelsesprocesser og mave-tarmsygdomme er svære at diagnosticere. Nuværende procedurer som endoskopisk inspektion og afføringsprøveanalyse er ubehagelige og giver kun engangsobservationer. Indtagelige sundhedssporere, lille nok til at blive sluget, kunne indsamle oplysninger over længere tid og overføre dataene uden for kroppen. I øvrigt, fiksering af de indtagelige sensorer langs mave-tarmkanalen, muliggør længere optagelser på bestemte steder af interesse. Også, dette ville øge patientens komfort, da han eller hun kunne blive ude af hospitalet, mens data indsamles og sendes i realtid til lægen.

Op til 30 gange mindre volumen end det nyeste

En af udfordringerne ved at realisere elektroniske piller er at udvikle en trådløs forbindelse, der opfylder mængden, strøm- og ydeevnebegrænsninger for pålidelig datatransmission i den periode, hvor sensoren indsamler data inde i kroppen. Imecs nye trådløse transceiver understøtter de medicinske 400 MHz frekvensbånd såsom MICS (Medical Implant Communication Service), MEDS (Medical Data Service) eller MedRadio (Medical Device Radiocommunications Service). Den trådløse transceiver er implementeret i 40 nm CMOS og inkluderer on-chip tunable matching network (TMN), der muliggør en miniature 400 MHz antenne, og som sådan undgår ydre og omfangsrige matchende komponenter. Hele transceivermodulet inklusive antenne optager en volumen på <55 mm ³ , som er op til 30 gange mindre end avancerede enheder. Hele det trådløse modul optager et areal på 3,5 x 15 mm ² , inklusive en 3,5 x 3,8 mm ² PCB og en miniature 400MHz antenne. Den lille formfaktor er realiseret takket være en ny krystalfri transceiver-arkitektur, lindrer behovet for en off-chip krystal enhed, og en 2 mm ² transceiver IC med on-chip TMN. Lille areal opnås yderligere af et TX/RX-delt matchende netværk med kun én on-chip-induktor og en enkelt-grenet fasesporing RX.

Pålidelig dataoverførsel uden for kroppen

Mens pillerne er inde i kroppen, dækkes mine flere lag af væv. Derfor, et trådløst system, der opererer i 400MHz medicinske bånd er at foretrække på grund af lavere vævsdæmpning sammenlignet med højere frekvensbånd og sikrer en pålidelig og interferensfri kanal for implantaterne. Desuden, det on-chip tunable matching netværk ved hjælp af selvkalibrering udvider impedansmatching op til et VSWR (voltage standing wave ratio) på 4,8, dækker en bred vifte af impedansvariationer i kroppen, svarende til en fyldt og tom mave. For at opnå krystalfri drift, imec implementerede en over-the-air netværksassisteret transportørgendannelse til store frekvensforskydninger på op til 320 ppm.

"Smarte indtagelige piller og smarte implantater giver uendelige muligheder i, hvad der kan måles og behandles i kroppen. Denne trend udnytter miniaturiseringsrevolutionen inden for nanoelektronik, der muliggør smart, små og lette enheder med minimalt strømforbrug og maksimal patientkomfort. Imidlertid, udviklingen af ​​sådanne enheder medfører et specifikt sæt udfordringer, " sagde Chris Van Hoof, vicepræsident forbundet sundhed hos imec og general manager for OnePlanet forskningscenter. "Gennem vores mangeårige lederskab inden for mikrochipteknologi og dybtgående ekspertise inden for software og IKT, vi er i en fremragende position til at udvikle de nødvendige byggesten til smarte medicinske implantater, relateret til sansning, aktivering, strømforsyning, trådløs kommunikation, biokompatibilitet og databehandling. Our R&D activities range from early research developments to clinical validation of prototypes."