Denna vecka, på ISSCC 2020 (16–20 februari, San Francisco), imec, ett världsledande forsknings- och innovationsnav inom nanoelektronik och digital teknik, presenterar den första trådlösa transceivern i mm-skala för smarta insättbara piller. Det är ett första genombrott i imecs strävan att realisera autonoma intagbara sensorer som kan mäta hälsoparametrar som tarmhälsa och i realtid överföra data utanför kroppen.

Matsmältningsprocesser och gastrointestinala sjukdomar är svåra att diagnostisera. Nuvarande procedurer som endoskopisk inspektion och avföringsprovanalys är obekväma och ger endast engångsobservationer. Otätliga hälsospårare, liten nog att sväljas, skulle kunna samla in information under en längre tid och överföra uppgifterna utanför kroppen. Dessutom, fixering av de intagbara sensorerna längs mag -tarmkanalen, möjliggör längre inspelningar på specifika platser av intresse. Också, detta skulle öka bekvämligheten för patienten, eftersom han eller hon kan stanna utanför sjukhuset medan data samlas in och skickas i realtid till läkaren.

Upp till 30 gånger mindre volym än den senaste

En av utmaningarna med att förverkliga elektroniska piller är att utveckla en trådlös länk som möter volymen, effekt- och prestandabegränsningar för tillförlitlig dataöverföring under den tidsperiod som sensorn samlar in data inuti kroppen. Imecs nya trådlösa transceiver stöder de medicinska 400 MHz-frekvensbanden som MICS (Medical Implant Communication Service), MEDS (Medical Data Service) eller MedRadio (Medical Device Radiocommunications Service). Den trådlösa transceivern är implementerad i 40 nm CMOS och inkluderar on-chip tunable matching network (TMN) som möjliggör en miniatyr 400 MHz antenn, och som sådan undviker externa och skrymmande matchande komponenter. Hela sändtagarmodulen inklusive antenn upptar en volym på <55 mm ³ , som är upp till 30 gånger mindre än toppmoderna enheter. Hela den trådlösa modulen upptar en yta på 3,5 x 15 mm ² , inklusive en 3,5 x 3,8 mm ² PCB och en miniatyr 400MHz antenn. Den lilla formfaktorn realiseras tack vare en ny kristallfri transceiverarkitektur, lindra behovet av en off-chip kristallenhet, och en 2 mm ² transceiver IC med on-chip TMN. Litet område uppnås ytterligare genom ett delat matchande TX/RX-nätverk med endast en induktor på chipet och en enkelgrenad fasspårnings-RX.

Tillförlitlig dataöverföring utanför kroppen

Medan inne i kroppen täcks pillerna av mina flera vävnadsskikt. Därför, ett trådlöst system som arbetar i 400MHz medicinska band är att föredra på grund av lägre vävnadsdämpning jämfört med högre frekvensband och säkerställer en pålitlig och störningsfri kanal för implantaten. Vidare, det avstämbara matchningsnätverket på chipet som använder självkalibrering utökar impedansmatchningen upp till ett VSWR (voltage standing wave ratio) på 4,8, täcker ett brett spektrum av impedansvariationer i kroppen, motsvarar en fylld och tom mage. För att uppnå kristallfri drift, imec implementerade en över-the-air nätverksassisterad operatörsåterställning för stora frekvensförskjutningar på upp till 320 ppm.

"Smarta ätbara piller och smarta implantat erbjuder oändliga möjligheter i vad som kan mätas och behandlas i kroppen. Denna trend utnyttjar miniatyriseringsrevolutionen inom nanoelektronik, som möjliggör smart, små och lätta enheter med minimal strömförbrukning och maximal patientkomfort. Dock, utvecklingen av sådana enheter medför en specifik uppsättning utmaningar, " sa Chris Van Hoof, vice president för ansluten hälsa på imec och general manager för OnePlanet forskningscenter. "Genom vårt mångåriga ledarskap inom mikrochipteknologi och djupgående expertis inom mjukvara och IKT, vi har en utmärkt position att utveckla de nödvändiga byggstenarna för smarta medicinska implantat, relaterat till avkänning, aktivering, driva, trådlös kommunikation, biokompatibilitet och databehandling. Våra FoU-aktiviteter sträcker sig från tidig forskningsutveckling till klinisk validering av prototyper."