Langattomat paristottomat implantoitavat laitteet

Perinteiset lääketieteelliset implantit vaativat lisätoimenpiteitä, kun vanhat paristot korvataan uusilla. Lisäksi perinteiset implantit ovat suuria. Nämä asiat tekevät näistä implanteista epäkäytännöllisiä ja lisäävät riskejä potilaille. Langattomat ja paristottomat implantit eivät vaadi paristoja sekä niiden kokoa voidaan huomattavasti pienentää paristollisiin implantteihin verrattuna. Työn tavoite on selvittää langattomien ja paristottomien lääketieteellisten implanttien sovelluksia, haasteita, historiaa, ja vertailla implanttien toimintaperiaatteita, kokoja ja valmistusmenetelmiä. Työ myös pohtii ja selvittää tulevaisuuden näkymät. Työ on kirjallisuuskatsaus ja perustuu aiempaan kirjallisuuteen. Työssä on selvitetty toimintaperiaatteista lupaavimmat, eli induktiiviset kytkennät, magneettiresonanssikytkennät ja kapasitiiviset kytkennät. Työssä myös selvitettiin, mikä tekee kytkennästä sopivan implanttien toiminnan kannalta. Kytkennöistä selvitettiin niiden hyötysuhteita, kantamaa, läpäisevyyttä, taajuuden vaihteluväliä ja minkälaisia rajoituksia on kytkennöillä. Implanttien kokoja vertailtiin keskenään ja selvitettiin, mistä arvot johtuvat ja kuinka paljon ne eroavat. Työ osoittaa, että langattomat ja paristottomat implantit voivat mullistaa lääketiedettä tarjoamalla uusia tapoja seurata ja hoitaa potilaita ilman vaarallisia toimenpiteitä tai suurikokoisia implantteja. Nämä implantit ovat kuitenkin vielä uusia ja lisää tutkimusta ja kehitystä on tehtävä. Suosituin menetelmä korvata paristoja on induktiivinen kytkentä, koska induktiivinen kytkentä kykenee saavuttamaan yli 90 % hyötysuhteen ja tällä menetelmällä implantin koko riippuu eniten kytkennän kelasta. Induktiivisella kytkennällä on kuitenkin pieni kantama ja läpäisevyys, kuten muillakin tässä työssä esitetyillä menetelmillä. Implanttien kokoja on kuitenkin saatu pienennettyä millimetrien kokoisiksi, koska mikroelektroniikan ja langattoman teknologian läpimurrot ovat mahdollistaneet implanttien koon optimointia

Transiently Powered Computers

Demand for compact, easily deployable, energy-efficient computers has driven the development of general-purpose transiently powered computers (TPCs) that lack both batteries and wired power, operating exclusively on energy harvested from their surroundings. TPCs\u27 dependence solely on transient, harvested power offers several important design-time benefits. For example, omitting batteries saves board space and weight while obviating the need to make devices physically accessible for maintenance. However, transient power may provide an unpredictable supply of energy that makes operation difficult. A predictable energy supply is a key abstraction underlying most electronic designs. TPCs discard this abstraction in favor of opportunistic computation that takes advantage of available resources. A crucial question is how should a software-controlled computing device operate if it depends completely on external entities for power and other resources? The question poses challenges for computation, communication, storage, and other aspects of TPC design. The main idea of this work is that software techniques can make energy harvesting a practicable form of power supply for electronic devices. Its overarching goal is to facilitate the design and operation of usable TPCs. This thesis poses a set of challenges that are fundamental to TPCs, then pairs these challenges with approaches that use software techniques to address them. To address the challenge of computing steadily on harvested power, it describes Mementos, an energy-aware state-checkpointing system for TPCs. To address the dependence of opportunistic RF-harvesting TPCs on potentially untrustworthy RFID readers, it describes CCCP, a protocol and system for safely outsourcing data storage to RFID readers that may attempt to tamper with data. Additionally, it describes a simulator that facilitates experimentation with the TPC model, and a prototype computational RFID that implements the TPC model. To show that TPCs can improve existing electronic devices, this thesis describes applications of TPCs to implantable medical devices (IMDs), a challenging design space in which some battery-constrained devices completely lack protection against radio-based attacks. TPCs can provide security and privacy benefits to IMDs by, for instance, cryptographically authenticating other devices that want to communicate with the IMD before allowing the IMD to use any of its battery power. This thesis describes a simplified IMD that lacks its own radio, saving precious battery energy and therefore size. The simplified IMD instead depends on an RFID-scale TPC for all of its communication functions. TPCs are a natural area of exploration for future electronic design, given the parallel trends of energy harvesting and miniaturization. This work aims to establish and evaluate basic principles by which TPCs can operate

WAVEFORM-OPTIMIZED WIRELESS POWER TRANSFER FOR IMPLANTABLE MEDICAL DEVICES

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Digital ADCs and ultra-wideband RF circuits for energy constrained wireless applications by Denis Clarke Daly.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 173-183).Ongoing advances in semiconductor technology have enabled a multitude of portable, low power devices like cellular phones and wireless sensors. Most recently, as transistor device geometries reach the nanometer scale, transistor characteristics have changed so dramatically that many traditional circuits and architectures are no longer optimal and/or feasible. As a solution, much research has focused on developing 'highly digital' circuits and architectures that are tolerant of the increased leakage, variation and degraded voltage headrooms associated with advanced CMOS processes. This thesis presents several highly digital, mixed-signal circuits and architectures designed for energy constrained wireless applications. First, as a case study, a highly digital, voltage scalable flash ADC is presented. The flash ADC, implemented in 0.18 [mu]m CMOS, leverages redundancy and calibration to achieve robust operation at supply voltages from 0.2 V to 0.9 V. Next, the thesis expands in scope to describe a pulsed, noncoherent ultra-wideband transceiver chipset, implemented in 90 nm CMOS and operating in the 3-to-5 GHz band. The all-digital transmitter employs capacitive combining and pulse shaping in the power amplifier to meet the FCC spectral mask without any off-chip filters. The noncoherent receiver system-on-chip achieves both energy efficiency and high performance by employing simple amplifier and ADC structures combined with extensive digital calibration. Finally, the transceiver chipset is integrated in a complete system for wireless insect flight control.(cont.) Through the use of a flexible PCB and 3D die stacking, the total weight of the electronics is kept to 1 g, within the carrying capacity of an adult Manduca sexta moth. Preliminary wireless flight control of a moth in a wind tunnel is demonstrated.Ph.D

Desarrollo de sistemas de transmisión inalámbrica de potencia miniaturizados para actuadores electromecánicos en aplicaciones médicas e industriales

Los recientes desarrollos en los sistemas de transmisión inalámbrica de potencia, combinados con las nuevas técnicas de microfabricación, abren un gran abanico de posibilidades en el área médica en cuanto al desarrollo de herramientas que permiten realizar cirugías mínimamente invasivas o desarrollar dispositivos implantables de dimensiones reducidas que monitorean constantes dentro del cuerpo humano, facilitando la detección temprana de enfermedades o controlando la salud de pacientes con enfermedades crónicas. La principal dificultad en el desarrollo de estos sistemas radica en diseñar antenas de dimensiones reducidas con alta eficiencia y capaces de trabajar a una frecuencia baja en la cual la absorción de energía electromagnética del cuerpo humano no sea elevada, ya que cuanto menor es el tamaño, por norma general la frecuencia de resonancia de las antenas es mayor, y peor es su rendimiento. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un sistema de transmisión inalámbrica miniaturizado de potencia orientado a energizar un microactuador de dimensiones submilimétricas para diversas aplicaciones médicas desarrollado en el proyecto H2020 UWIPOM2. Este sistema está compuesto por antenas de dimensiones reducidas, con frecuencias de resonancia que las hacen adecuadas para operar dentro del cuerpo humano, y un controlador encargado de transformar la energía captada por las antenas en las señales requeridas por el microactuador. Para ello, se han diseñado, simulado, fabricado y ensayado antenas de dos morfologías diferentes: una antena plana de espiral de Arquímedes de 1.1 mm de diámetro y 0.537 mm de altura, con frecuencia de resonancia en 4.9 GHz y ganancia de -42.3 dBi, y dos antenas de hélice de 0.352 mm de diámetro y 6.1 mm de longitud, y de 0.8 mm de diámetro y 6.2 mm de longitud, con frecuencias de resonancia en 4.7 GHz y ganancia de -4.7 dBi, y frecuencia de resonancia en 1.52 GHz y ganancia de -14.73 dBi, respectivamente. Se comprobó su correcto funcionamiento y se midieron sus parámetros fundamentales, que coincidían con los obtenidos en simulación. Ha sido necesario desarrollar mecanismos de microfabricación y ensayo adaptados a las dimensiones micrométricas de las antenas. Asimismo, se simularon y ensayaron las antenas rodeadas por tejidos orgánicos similares a los humanos, observando una disminución en la frecuencia de resonancia en estas situaciones. También, se presentan los resultados de la caracterización de dos rectenas, ensayadas en una cámara semianecoica en condiciones de espacio libre y rodeadas por tejidos orgánicos. Se demuestra que una de las rectenas es capaz de entregar la energía suficiente como para energizar el microactuador inalámbricamente, y se analizan diferentes escenarios de operación dentro del cuerpo humano