Deze week, op ISSCC 2020 (16-20 februari, San Francisco), imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum op het gebied van nano-elektronica en digitale technologieën, presenteert de eerste draadloze transceiver op mm-schaal voor slimme inbrengbare pillen. Het is een eerste doorbraak in het streven van imec om autonome, opneembare sensoren te realiseren die gezondheidsparameters zoals darmgezondheid kunnen meten en in realtime de gegevens naar buiten het lichaam kunnen verzenden.

Spijsverteringsprocessen en gastro-intestinale aandoeningen zijn moeilijk te diagnosticeren. Huidige procedures zoals endoscopische inspectie en analyse van ontlastingsmonsters zijn ongemakkelijk en bieden slechts eenmalige observaties. Opneembare gezondheidstrackers, klein genoeg om te worden ingeslikt, informatie over een langere periode kunnen verzamelen en de gegevens buiten het lichaam kunnen doorgeven. Bovendien, fixeren van de opneembare sensoren langs het maagdarmkanaal, maakt langere opnames op specifieke interessante plaatsen mogelijk. Ook, dit zou het comfort van de patiënt verhogen, omdat hij of zij uit het ziekenhuis kan blijven terwijl gegevens worden verzameld en in realtime naar de arts worden verzonden.

Tot 30 keer kleiner volume dan de state-of-the-art

Een van de uitdagingen bij het realiseren van elektronische pillen is het ontwikkelen van een draadloze verbinding die voldoet aan het volume, vermogens- en prestatiebeperkingen voor betrouwbare gegevensoverdracht gedurende de periode dat de sensor gegevens in het lichaam verzamelt. Imec's nieuwe draadloze transceiver ondersteunt de medische 400 MHz-frequentiebanden zoals MICS (Medical Implant Communication Service), MEDS (Medical Data Service) of MedRadio (Medical Device Radiocommunication Service). De draadloze transceiver is geïmplementeerd in 40 nm CMOS en bevat een on-chip Tunable Matching Network (TMN) dat een miniatuur 400 MHz-antenne mogelijk maakt, en vermijdt als zodanig externe en omvangrijke bijpassende componenten. De hele zendontvangermodule inclusief antenne beslaat een volume van <55 mm ³ , die tot 30 keer kleiner is dan de modernste apparaten. De hele draadloze module beslaat een oppervlakte van 3,5 bij 15 mm ² , inclusief een 3,5 bij 3,8 mm ² PCB en een miniatuur 400MHz antenne. De kleine vormfactor wordt gerealiseerd dankzij een nieuwe kristalvrije transceiver-architectuur, het verlichten van de behoefte aan een off-chip kristalapparaat, en een 2 mm ² transceiver IC met de on-chip TMN. Een klein gebied wordt verder bereikt door een TX/RX gedeeld matching-netwerk met slechts één inductor op de chip en een fasevolgende RX met één aftakking.

Betrouwbare gegevensoverdracht buiten het lichaam

Terwijl in het lichaam de pillen mijn meerdere lagen weefsel bedekt. Daarom, een draadloos systeem dat werkt in de medische banden van 400 MHz heeft de voorkeur vanwege de lagere weefselverzwakking in vergelijking met hogere frequentiebanden en zorgt voor een betrouwbaar en storingsvrij kanaal voor de implantaten. Verder, het on-chip afstembare matching-netwerk met behulp van zelfkalibratie breidt de impedantie-aanpassing uit tot een VSWR (staande golfverhouding) van 4,8, die een breed scala aan impedantievariaties in het lichaam dekt, gelijk aan een gevulde en lege maag. Om een ​​kristalvrije werking te realiseren, imec implementeerde een over-the-air netwerk-ondersteunde carrier recovery voor grote frequentie-offsets tot 320 ppm.

"Slimme inneembare pillen en slimme implantaten bieden eindeloze mogelijkheden in wat kan worden gemeten en behandeld in het lichaam. Deze trend maakt gebruik van de miniaturisatierevolutie in nano-elektronica, die slimme, kleine en lichtgewicht apparaten met minimaal stroomverbruik en maximaal patiëntcomfort. Echter, de ontwikkeling van dergelijke apparaten brengt een aantal specifieke uitdagingen met zich mee, " verklaarde Chris Van Hoof, vice-president verbonden gezondheid bij imec en algemeen directeur van het OnePlanet-onderzoekscentrum. "Door ons jarenlange leiderschap in microchiptechnologie en diepgaande expertise in software en ICT, we zijn uitstekend gepositioneerd om de nodige bouwstenen te ontwikkelen voor slimme medische implantaten, in verband met voelen, bediening, aandrijven, draadloze communicatie, biocompatibiliteit en gegevensverwerking. Our R&D activities range from early research developments to clinical validation of prototypes."