Télémétrie capacitive pour des dispositifs implantables

RÉSUMÉ Ce travail vise à concevoir un système de transfert de données bidirectionnel et capacitif. Une introduction couvrant l'histoire des liens de communication dédiés aux implants médicaux est tout d’abord présentée. Ensuite, nous développons une revue de la littérature des télémétries de données qui se basent sur l'approche capacitive ainsi que celles basées sur la modulation de changement de charge. Deux systèmes de transfert de données à base capacitive sont présentés : le premier est unidirectionnel et se base sur la modulation de la position spatiale de la porteuse. Le second est bidirectionnel et utilise une modulation spatiale de la position du pulse pour la liaison descendante et la modulation par déplacement de charge pour la liaison ascendante. Le premier système a été testé sur un cuir chevelu de mouton et a atteint un débit de 20 Mb/s en utilisant des composants discrets. Le système a été modélisé sur COMSOL afin de comprendre le comportement du champ électrique dans ce type de tissu. Les défis du premier système ont été réglés par la conception du deuxième système. Les contributions apportées ont résolu les limitations suivantes : le problème de différence de masse sur l’émetteur et le récepteur, la grande taille des plaques nécessaire pour obtenir une capacité d'isolation valide et finalement l’ajustement automatique du seuil de détection du récepteur en ajoutant une cinquième plaque commune. Une analyse détaillée des paramètres qui affectent le rapport signal sur bruit pour la liaison descendante (de la partir externe du système vers l’implant) est réalisée avec un modèle électrique correspondant à la peau de la joue humaine. La capacité est calculée en utilisant les variables paramétriques du système. La modulation sur la liaison ascendante est analysée en mettant en évidence les compromis nécessaires sur la liaison descendante. Un débit de 10 Mb/s est réalisé sur la liaison ascendante et un débit de 20 Mb/s sur la liaison descendante. Finalement, nous proposons une nouvelle modulation qui utilise le complément de la SPPM et permet une augmentation de 50 % dans le débit binaire en ajoutant un bit aux deux bits transmis par impulsion formant des codes à 3 bits chacun.----------ABSTRACT This work aims to design a bidirectional capacitive data link. An introduction covering the history of communication links used for medical implants is introduced along with a literature review covering the data telemetries using the capacitive approach and some of the other types of telemetries using load shift keying modulation. Two capacitive based telemetry systems are presented; the first is a unidirectional using spatial carrier position modulation and the second is a bidirectional transceiver using spatial pulse position modulation for the downlink and load shift keying for the uplink. The first system achieved a data rate of 20 Mb/s experimentally using discrete components, four plate geometry and sheep head skin. COMSOL modeling has been implanted to understand the behavior of the electric field in this type of tissue. The challenges of the first system were sorted by the design of the second transceiver which solved the different ground on the transmitter and the receiver, the big plate size required to achieve a valid insulation capacitance and most importantly the autonomy of the receiver detection threshold by adding a fifth common plate. A detailed analysis of the parameters that affect the signal to noise ratio for the downlink is made along with an electrical model that fits the human cheek skin. The capacity is computed using the parametric variables of the system. Load shift keying system analysis is done while highlighting the tradeoffs required for implementing on the uplink along with the downlink. A data rate of 10 Mb/s is achieved on the uplink and a 20 Mb/s on the downlink. A new modulation is implemented that uses the complement of the SPPM and allows a 50% increase in the bit-rate by adding a bit to the two transmitted bits per pulse for a total of three

Bidirectional Parallel Capacitive Data Links: Modeling and Experimental Results

We present, in this paper, a bidirectional capacitive data link. Enhancement of the spatial pulse position modulation used on the downlink is introduced, and a load-shift keying modulation is implemented for the uplink. Different grounds on the transmitter and the receiver are discussed, and a compatible solution is proposed. A human skin electrical model is extracted using the agilent impedance analyzer 4294A while doing in vivo measurements on cheek skin and then applying curve fitting to the data between 2 and 20 MHz. Multiple geometries for the link are analyzed, and a 5-mm × 5-mm plate size is used for the design of the transceiver. The signal-to-noise ratio along with the capacity of the channel is analyzed theoretically while computing the limits for the downlink and the valid operating frequency to highlight the core parameters that affect the crosstalk interference between channels. The tradeoff in using the uplink on the same channel as the downlink is also discussed and analyzed. The operating frequency is 10 MHz, a bit-rate of 20 Mb/s is demonstrated on the uplink, and 10 Mb/s is demonstrated on the downlink. An in vivo human skin model for a 5-mm × 5-mm plate size with 21.2-mm separation is extracted, and the capacity's equation of the channel is computed using the equations for the analysis of the system.This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Canada. The authors would like to acknowledge the financial support from the Canada Research Chair in Smart Medical Devices and the design tools from CMC Microsystems.Scopu

Bidirectional parallel capacitive data links: Modeling and experimental results

ABSTRACT: We present, in this paper, a bidirectional capacitive data link. Enhancement of the spatial pulse position modulation used on the downlink is introduced, and a load-shift keying modulation is implemented for the uplink. Different grounds on the transmitter and the receiver are discussed, and a compatible solution is proposed. A human skin electrical model is extracted using the agilent impedance analyzer 4294A while doing in vivo measurements on cheek skin and then applying curve fitting to the data between 2 and 20 MHz. Multiple geometries for the link are analyzed, and a 5-mm × 5-mm plate size is used for the design of the transceiver. The signal-to-noise ratio along with the capacity of the channel is analyzed theoretically while computing the limits for the downlink and the valid operating frequency to highlight the core parameters that affect the crosstalk interference between channels. The tradeoff in using the uplink on the same channel as the downlink is also discussed and analyzed. The operating frequency is 10 MHz, a bit-rate of 20 Mb/s is demonstrated on the uplink, and 10 Mb/s is demonstrated on the downlink. An in vivo human skin model for a 5-mm × 5-mm plate size with 21.2-mm separation is extracted, and the capacity's equation of the channel is computed using the equations for the analysis of the system

A Wireless, High-Voltage Compliant, and Energy-Efficient Visual Intracortical Microstimulator

RÉSUMÉ L’objectif général de ce projet de recherche est la conception, la mise en oeuvre et la validation d’une interface sans fil intracorticale implantable en technologie CMOS avancée pour aider les personnes ayant une déficience visuelle. Les défis majeurs de cette recherche sont de répondre à la conformité à haute tension nécessaire à travers l’interface d’électrode-tissu (IET), augmenter la flexibilité dans la microstimulation et la surveillance multicanale, minimiser le budget de puissance pour un dispositif biomédical implantable, réduire la taille de l’implant et améliorer le taux de transmission sans fil des données. Par conséquent, nous présentons dans cette thèse un système de microstimulation intracorticale multi-puce basée sur une nouvelle architecture pour la transmission des données sans fil et le transfert de l’énergie se servant de couplages inductifs et capacitifs. Une première puce, un générateur de stimuli (SG) éconergétique, et une autre qui est un amplificateur de haute impédance se connectant au réseau de microélectrodes de l’étage de sortie. Les 4 canaux de générateurs de stimuli produisent des impulsions rectangulaires, demi-sinus (DS), plateau-sinus (PS) et autres types d’impulsions de courant à haut rendement énergétique. Le SG comporte un contrôleur de faible puissance, des convertisseurs numérique-analogiques (DAC) opérant en mode courant, générateurs multi-forme d’ondes et miroirs de courants alimentés sous 1.2 et 3.3V se servant pour l’interface entre les deux technologies utilisées. Le courant de stimulation du SG varie entre 2.32 et 220μA pour chaque canal. La deuxième puce (pilote de microélectrodes (MED)), une interface entre le SG et de l’arrangement de microélectrodes (MEA), fournit quatre niveaux différents de courant avec la valeur maximale de 400μA par entrée et 100μA par canal de sortie simultanément pour 8 à 16 sites de stimulation à travers les microélectrodes, connectés soit en configuration bipolaire ou monopolaire. Cette étage de sortie est hautement configurable et capable de délivrer une tension élevée pour satisfaire les conditions de l’interface à travers l’impédance de IET par rapport aux systèmes précédemment rapportés. Les valeurs nominales de plus grandes tensions d’alimentation sont de ±10V. La sortie de tension mesurée est conformément 10V/phase (anodique ou cathodique) pour les tensions d’alimentation spécifiées. L’incrémentation de tensions d’alimentation à ±13V permet de produire un courant de stimulation de 220μA par canal de sortie permettant d’élever la tension de sortie jusqu’au 20V par phase. Cet étage de sortie regroupe un commutateur haute tension pour interfacer une matrice des miroirs de courant (3.3V /20V), un registre à décalage de 32-bits à entrée sérielle, sortie parallèle, et un circuit dédié pour bloquer des états interdits.----------ABSTRACT The general objective of this research project is the design, implementation and validation of an implantable wireless intracortical interface in advanced CMOS technology to aid the visually impaired people. The major challenges in this research are to meet the required highvoltage compliance across electrode-tissue interface (ETI), increase lexibility in multichannel microstimulation and monitoring, minimize power budget for an implantable biomedical device, reduce the implant size, and enhance the data rate in wireless transmission. Therefore, we present in this thesis a multi-chip intracortical microstimulation system based on a novel architecture for wireless data and power transmission comprising inductive and capacitive couplings. The first chip is an energy-efficient stimuli generator (SG) and the second one is a highimpedance microelectrode array driver output-stage. The 4-channel stimuli-generator produces rectangular, half-sine (HS), plateau-sine (PS), and other types of energy-efficient current pulse. The SG is featured with low-power controller, current mode source- and sinkdigital- to-analog converters (DACs), multi-waveform generators, and 1.2V/3.3V interface current mirrors. The stimulation current per channel of the SG ranges from 2.32 to 220μA per channel. The second chip (microelectrode driver (MED)), an interface between the SG and the microelectrode array (MEA), supplies four different current levels with the maximum value of 400μA per input and 100μA per output channel. These currents can be delivered simultaneously to 8 to 16 stimulation sites through microelectrodes, connected either in bipolar or monopolar configuration. This output stage is highly-configurable and able to deliver higher compliance voltage across ETI impedance compared to previously reported designs. The nominal values of largest supply voltages are ±10V. The measured output compliance voltage is 10V/phase (anodic or cathodic) for the specified supply voltages. Increment of supply voltages to ±13V allows 220μA stimulation current per output channel enhancing the output compliance voltage up to 20V per phase. This output-stage is featured with a high-voltage switch-matrix, 3.3V/20V current mirrors, an on-chip 32-bit serial-in parallel-out shift register, and the forbidden state logic building blocks. The SG and MED chips have been designed and fabricated in IBM 0.13μm CMOS and Teledyne DALSA 0.8μm 5V/20V CMOS/DMOS technologies with silicon areas occupied by them 1.75 x 1.75mm2 and 4 x 4mm2 respectively. The measured DC power budgets consumed by low-and mid-voltage microchips are 2.56 and 2.1mW consecutively