Rectenna circuits for RF energy harvesting in miniature DBS devices.

 Development of an optimum rectenna for radio frequency energy harvesting in miniature head-mountable deep brain stimulation (DBS) devices. The designed miniature rectenna can operate a DBS device without battery for murine preclinical research. The battery-less operation of the device eliminates battery related difficulties

Design and Development of Smart Brain-Machine-Brain Interface (SBMIBI) for Deep Brain Stimulation and Other Biomedical Applications

Machine collaboration with the biological body/brain by sending electrical information back and forth is one of the leading research areas in neuro-engineering during the twenty-first century. Hence, Brain-Machine-Brain Interface (BMBI) is a powerful tool for achieving such machine-brain/body collaboration. BMBI generally is a smart device (usually invasive) that can record, store, and analyze neural activities, and generate corresponding responses in the form of electrical pulses to stimulate specific brain regions. The Smart Brain-Machine-Brain-Interface (SBMBI) is a step forward with compared to the traditional BMBI by including smart functions, such as in-electrode local computing capabilities, and availability of cloud connectivity in the system to take the advantage of powerful cloud computation in decision making. In this dissertation work, we designed and developed an innovative form of Smart Brain-Machine-Brain Interface (SBMBI) and studied its feasibility in different biomedical applications. With respect to power management, the SBMBI is a semi-passive platform. The communication module is fully passive—powered by RF harvested energy; whereas, the signal processing core is battery-assisted. The efficiency of the implemented RF energy harvester was measured to be 0.005%. One of potential applications of SBMBI is to configure a Smart Deep-Brain-Stimulator (SDBS) based on the general SBMBI platform. The SDBS consists of brain-implantable smart electrodes and a wireless-connected external controller. The SDBS electrodes operate as completely autonomous electronic implants that are capable of sensing and recording neural activities in real time, performing local processing, and generating arbitrary waveforms for neuro-stimulation. A bidirectional, secure, fully-passive wireless communication backbone was designed and integrated into this smart electrode to maintain contact between the smart electrodes and the controller. The standard EPC-Global protocol has been modified and adopted as the communication protocol in this design. The proposed SDBS, by using a SBMBI platform, was demonstrated and tested through a hardware prototype. Additionally the SBMBI was employed to develop a low-power wireless ECG data acquisition device. This device captures cardiac pulses through a non-invasive magnetic resonance electrode, processes the signal and sends it to the backend computer through the SBMBI interface. Analysis was performed to verify the integrity of received ECG data

تصميم هوائي مع دائرة تقويم لتطبيقات حصاد طاقة الميكروويف

ABSTRACT Energy harvesting technology has received a lot of attention as the demand of long life span of energy source increase. Towards that, Rectenna (Rectifier Antenna) or Energy Harvesting system is designed in the current work and it consists of antenna, matching circuit and a rectifier circuit. Microstrip patch antenna where designed to harvest GSM signals. Single-patch antenna and array antennas are designed at 900 MHz for this purpose. The designed antenna has good return loss performance and the array antennas are designed to achieve higher gain and hence more captured energy. The design and optimizing of the performance of the proposed antenna are performed by using Computer Simulation Technology software CST studio design. The rectifier circuit is a 7 stage voltage doubler circuit using Schottky diodes and it is designed to convert the RF energy into a DC output. A matching circuit has been designed from a single stub to match the complex input impedance of the rectifier circuit to the standard 50 Ω. The design of the rectifier circuits is performed by using NI Multisim 14 software and the output voltage of rectifier was 2.283V. A single stage rectifier circuit along with matching circuit are fabricated on an FR-4 substrate.تكنولوجيا حصاد الطاقة لاقت الكثير من الاهتمام، من حيث زيادة الطلب لإطالة العمر الافتراضي لمصادر الطاقة. لذلك، في هذا المشروع تم تصميم نظام لحصاد الطاقة، وهذا النظام يتكون من ثلاثة دوائر، في الدائرة الأولى تم تصميم هوائي يعمل على تردد شبكات الاتصالات الخلوية الجوال التي تعمل بنظام ال GSM بتردد 900 ميجا هيرتز حيث تنبعث من هذا الهوائي طاقة كهرومغناطيسية مترددة صغيرة جدا يمكن استغلالها في حصاد الطاقة ولزيادة هذه الطاقة المنبعثة تم تصميم اثنين من هذه الهوائيات بنظام سلسلة Array للحصول على طاقة منبعثة عالية نوعا ما وتم التصميم باستخدام برنامج المحاكاة الحاسوبي CST microwave studio. الدائرة الثانية هي عبارة عن دائرة تعديل مع مضاعفة الجهد للطاقة المستقبلة من الهوائي في الدائرة الأولى وتتكون هذه الدائرة من سبع مستويات في كل مستوى تم استخدام اثنين من ثنائيات شوتكي Schottky diode HSMS-2850 حيث تم تحويل طاقة ترددات الراديو المستقبلة الى تيار كهربائي مستمر ومضاعفته سبع مرات بعدد مستويات الدائرة والحصول على جهد يقدر ب 2.283Volts باستخدام برنامج المحاكاة الحاسوبي NI Multisim 14. الدائرة الثالثة هي عبارة عن دائرة تتوسط الدائرتين السابقتين تسمى دائرة التوافق تعمل على التوفيق ما بين الجهد المستقبل من الهوائي الذي يعمل بنظام ال 50 اوم ودائرة تعديل ومضاعفة الجهد التي تعمل بنظام الجهد الكهربائي وحصد أكبر طاقة ممكنة من خلال تمرير كل الطاقة المستقبلة من الهوائي لدائرة التعديل ومضاعفة الجهد. في هذا المشروع، عمليا تم تصميم دائرة التوافق مع مستوى واحد من دائرة مضاعفة الجهد لعدم توفر مكونات التصميم في السوق لتصميم الدائرة كاملة ولم نتمكن من اختبارها لعدم توفر أجهزة القياس المراد استخدامها بفعل الحصار والتضييق

A Review on Antenna Technologies for Ambient RF Energy Harvesting and Wireless Power Transfer: Designs, Challenges and Applications

Radio frequency energy harvesting (RFEH) and wireless power transmission (WPT) are two emerging alternative energy technologies that have the potential to offer wireless energy delivery in the future. One of the key components of RFEH or WPT system is the receiving antenna. The receiving antenna's performance has a considerable impact on the power delivery capability of an RFEH or WPT system. This paper provides a well-rounded review of recent advancements of receiving antennas for RFEH and WPT. Antennas discussed in this paper are categorized as low-profile antennas, multi-band antennas, circularly polarized antennas, and array antennas. A number of contemporary antennas from each category are presented, compared, and discussed with particular emphasis on design approach and performance. Current design and fabrication challenges, future development, open research issues of the antennas and visions for RFEH and WPT are also discussed in this review

Advances in closed-loop deep brain stimulation devices

BACKGROUND: Millions of patients around the world are affected by neurological and psychiatric disorders. Deep brain stimulation (DBS) is a device-based therapy that could have fewer side-effects and higher efficiencies in drug-resistant patients compared to other therapeutic options such as pharmacological approaches. Thus far, several efforts have been made to incorporate a feedback loop into DBS devices to make them operate in a closed-loop manner. METHODS: This paper presents a comprehensive investigation into the existing research-based and commercial closed-loop DBS devices. It describes a brief history of closed-loop DBS techniques, biomarkers and algorithms used for closing the feedback loop, components of the current research-based and commercial closed-loop DBS devices, and advancements and challenges in this field of research. This review also includes a comparison of the closed-loop DBS devices and provides the future directions of this area of research. RESULTS: Although we are in the early stages of the closed-loop DBS approach, there have been fruitful efforts in design and development of closed-loop DBS devices. To date, only one commercial closed-loop DBS device has been manufactured. However, this system does not have an intelligent and patient dependent control algorithm. A closed-loop DBS device requires a control algorithm to learn and optimize the stimulation parameters according to the brain clinical state. CONCLUSIONS: The promising clinical effects of open-loop DBS have been demonstrated, indicating DBS as a pioneer technology and treatment option to serve neurological patients. However, like other commercial devices, DBS needs to be automated and modernized

Wireless power transfer for combined sensing and stimulation in implantable biomedical devices

Actuellement, il existe une forte demande de Headstage et de microsystèmes intégrés implantables pour étudier l’activité cérébrale de souris de laboratoire en mouvement libre. De tels dispositifs peuvent s’interfacer avec le système nerveux central dans les paradigmes électriques et optiques pour stimuler et surveiller les circuits neuronaux, ce qui est essentiel pour découvrir de nouveaux médicaments et thérapies contre des troubles neurologiques comme l’épilepsie, la dépression et la maladie de Parkinson. Puisque les systèmes implantables ne peuvent pas utiliser une batterie ayant une grande capacité en tant que source d’énergie primaire dans des expériences à long terme, la consommation d’énergie du dispositif implantable est l’un des principaux défis de ces conceptions. La première partie de cette recherche comprend notre proposition de la solution pour diminuer la consommation d’énergie des microcircuits implantables. Nous proposons un nouveau circuit de décalage de niveau qui convertit les niveaux de signaux sub-seuils en niveaux ultra-bas à haute vitesse en utilisant une très faible puissance et une petite zone de silicium, ce qui le rend idéal pour les applications de faible puissance. Le circuit proposé introduit une nouvelle topologie de décaleur de niveau de tension utilisant un condensateur de décalage de niveau pour augmenter la plage de tensions de conversion, tout en réduisant considérablement le retard de conversion. Le circuit proposé atteint un délai de propagation plus court et une zone de silicium plus petite pour une fréquence de fonctionnement et une consommation d’énergie donnée par rapport à d’autres solutions de circuit. Les résultats de mesure sont présentés pour le circuit proposé fabriqué dans un processus CMOS TSMC de 0,18- mm. Le circuit présenté peut convertir une large gamme de tensions d’entrée de 330 mV à 1,8 V et fonctionner sur une plage de fréquence de 100 Hz à 100 MHz. Il a un délai de propagation de 29 ns et une consommation d’énergie de 61,5 nW pour les signaux d’entrée de 0,4 V, à une fréquence de 500 kHz, surpassant les conceptions précédentes. La deuxième partie de cette recherche comprend nos systèmes de transfert d’énergie sans fil proposé pour les applications optogénétiques. L’optogénétique est la combinaison de la méthode génétique et optique d’excitation, d’enregistrement et de contrôle des neurones biologiques. Ce système combine plusieurs technologies telles que les MEMS et la microélectronique pour collecter et transmettre les signaux neuronaux et activer un stimulateur optique via une liaison sans fil. Puisque les stimulateurs optiques consomment plus de puissance que les stimulateurs électriques, l’interface utilise la transmission de puissance par induction en utilisant des moyens innovants au lieu de la batterie avec la petite capacité comme source d’énergie.Notre première contribution dans la deuxième partie fournit un système de cage domestique intelligent basé sur des barrettes multi-bobines superposées à travers un récepteur multicellulaire implantable mince de taille 1×1 cm2, implanté sous le cuir chevelu d’une souris de laboratoire, et unité de gestion de l’alimentation intégrée. Ce système inductif est conçu pour fournir jusqu’à 35,5 mW de puissance délivrée à un émetteur-récepteur full duplex de faible puissance entièrement intégré pour prendre en charge des implants neuronaux à haute densité et bidirectionnels. L’émetteur (TX) utilise une bande ultra-large à impulsions radio basée sur des approches de combinaison, et le récepteur (RX) utilise une topologie à bande étroite à incrémentation de 2,4 GHz. L’émetteur-récepteur proposé fournit un débit de données de liaison montante TX à 500 Mbits/s double et un débit de données de liaison descendante RX à 100 Mbits/s, et est entièrement intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm d’une taille totale de 0,8 mm2 . La puissance peut être délivrée à partir d’un signal de porteuse de 13,56-MHz avec une efficacité globale de transfert de puissance supérieure à 5% sur une distance de séparation allant de 3 cm à 5 cm. Notre deuxième contribution dans les systèmes de collecte d’énergie porte sur la conception et la mise en oeuvre d’une cage domestique de transmission de puissance sans fil (WPT) pour une plate-forme de neurosciences entièrement sans fil afin de permettre des expériences optogénétiques ininterrompues avec des rongeurs de laboratoire vivants. La cage domestique WPT utilise un nouveau réseau hybride de transmetteurs de puissance (TX) et des résonateurs multi-bobines segmentés pour atteindre une efficacité de transmission de puissance élevée (PTE) et délivrer une puissance élevée sur des distances aussi élevées que 20 cm. Le récepteur de puissance à bobines multiples (RX) utilise une bobine RX d’un diamètre de 1 cm et une bobine de résonateur d’un diamètre de 1,5 cm. L’efficacité moyenne du transfert de puissance WPT est de 29, 4%, à une distance nominale de 7 cm, pour une fréquence porteuse de 13,56 MHz. Il a des PTE maximum et minimum de 50% et 12% le long de l’axe Z et peut délivrer une puissance constante de 74 mW pour alimenter le headstage neuronal miniature. En outre, un dispositif implantable intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm a été conçu et introduit qui comprend 64 canaux d’enregistrement, 16 canaux de stimulation optique, capteur de température, émetteur-récepteur et unité de gestion de l’alimentation (PMU). Ce circuit est alimenté à l’intérieur de la cage du WPT à l’aide d’une bobine réceptrice d’un diamètre de 1,5 cm pour montrer les performances du circuit PMU. Deux tensions régulées de 1,8 V et 1 V fournissent 79 mW de puissance pour tout le système sur une puce. Notre dernière contribution est un système WPT insensible aux désalignements angulaires pour alimenter un headstage pour des applications optogénétiques qui a été précédemment proposé par le Laboratoire de Microsystèmes Biomédicaux (BioML-UL) à ULAVAL. Ce système est la version étendue de notre deuxième contribution aux systèmes de collecte d’énergie.Dans la version mise à jour, un récepteur de puissance multi-bobines utilise une bobine RX d’un diamètre de 1,0 cm et une nouvelle bobine de résonateur fendu d’un diamètre de 1,5 cm, qui résiste aux défauts d’alignement angulaires. Dans cette version qui utilise une cage d’animal plus petite que la dernière version, 4 résonateurs sont utilisés côté TX. De plus, grâce à la forme et à la position de la bobine de répéteur L3 du côté du récepteur, la liaison résonnante hybride présentée peut correctement alimenter la tête sans interruption causée par le désalignement angulaire dans toute la cage de la maison. Chaque 3 tours du répéteur RX a été enveloppé avec un diamètre de 1,5 cm, sous différents angles par rapport à la bobine réceptrice. Les résultats de mesure montrent un PTE maximum et minimum de 53 % et 15 %. La méthode proposée peut fournir une puissance constante de 82 mW pour alimenter le petit headstage neural pour les applications optogénétiques. De plus, dans cette version, la performance du système est démontrée dans une expérience in-vivo avec une souris ChR2 en mouvement libre qui est la première expérience optogénétique sans fil et sans batterie rapportée avec enregistrement électrophysiologique simultané et stimulation optogénétique. L’activité électrophysiologique a été enregistrée après une stimulation optogénétique dans le Cortex Cingulaire Antérieur (CAC) de la souris.Our first contribution in the second part provides a smart home-cage system based on overlapped multi-coil arrays through a thin implantable multi-coil receiver of 1×1 cm2 of size, implantable bellow the scalp of a laboratory mouse, and integrated power management circuits. This inductive system is designed to deliver up to 35.5 mW of power delivered to a fully-integrated, low-power full-duplex transceiver to support high-density and bidirectional neural implants. The transmitter (TX) uses impulse radio ultra-wideband based on an edge combining approach, and the receiver (RX) uses a 2.4- GHz on-off keying narrow band topology. The proposed transceiver provides dual-band 500-Mbps TX uplink data rate and 100-Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into 0.18-mm TSMC CMOS process within a total size of 0.8 mm2. The power can be delivered from a 13.56-MHz carrier signal with an overall power transfer efficiency above 5% across a separation distance ranging from 3 cm to 5 cm. Our second contribution in power-harvesting systems deals with designing and implementation of a WPT home-cage for a fully wireless neuroscience platform for enabling uninterrupted optogenetic experiments with live laboratory rodents. The WPT home-cage uses a new hybrid parallel power transmitter (TX) coil array and segmented multi-coil resonators to achieve high power transmission efficiency (PTE) and deliver high power across distances as high as 20 cm. The multi-coil power receiver (RX) uses an RX coil with a diameter of 1 cm and a resonator coil with a diameter of 1.5 cm. The WPT home-cage average power transfer efficiency is 29.4%, at a nominal distance of 7 cm, for a power carrier frequency of 13.56-MHz. It has maximum and minimum PTE of 50% and 12% along the Z axis and can deliver a constant power of 74 mW to supply the miniature neural headstage. Also, an implantable device integrated into a 0.18-mm TSMC CMOS process has been designed and introduced which includes 64 recording channels, 16 optical stimulation channels, temperature sensor, transceiver, and power management unit (PMU). This circuit powered up inside the WPT home-cage using receiver coil with a diameter of 1.5 cm to show the performance of the PMU circuit. Two regulated voltages of 1.8 V and 1 V provide 79 mW of power for all the system on a chip. Our last contribution is an angular misalignment insensitive WPT system to power up a headstage which has been previously proposed by the Biomedical Microsystems Laboratory (BioML-UL) at ULAVAL for optogenetic applications. This system is the extended version of our second contribution in power-harvesting systems. In the updated version a multi-coil power receiver uses an RX coil with a diameter of 1.0 cm and a new split resonator coil with a diameter of 1.5 cm, which is robust against angular misalignment. In this version which is using a smaller animal home-cage than the last version, 4 resonators are used on the TX side. Also, thanks to the shape and position of the repeater coil of L3 on the receiver side, the presented hybrid resonant link can properly power up the headstage without interruption caused by the angular misalignment all over the home-cage. Each 3 turns of the RX repeater has been wrapped up with a diameter of 1.5 cm, in different angles compared to the receiver coil. Measurement results show a maximum and minimum PTE of 53 % and 15 %. The proposed method can deliver a constant power of 82 mW to supply the small neural headstage for the optogenetic applications. Additionally, in this version, the performance of the system is demonstrated within an in-vivo experiment with a freely moving ChR2 mouse which is the first fully wireless and batteryless optogenetic experiment reported with simultaneous electrophysiological recording and optogenetic stimulation. Electrophysiological activity was recorded after delivering optogenetic stimulation in the Anterior Cingulate Cortex (ACC) of the mouse.Currently, there is a high demand for Headstage and implantable integrated microsystems to study the brain activity of freely moving laboratory mice. Such devices can interface with the central nervous system in both electrical and optical paradigms for stimulating and monitoring neural circuits, which is critical to discover new drugs and therapies against neurological disorders like epilepsy, depression, and Parkinson’s disease. Since the implantable systems cannot use a battery with a large capacity as a primary source of energy in long-term experiments, the power consumption of the implantable device is one of the leading challenges of these designs. The first part of this research includes our proposed solution for decreasing the power consumption of the implantable microcircuits. We propose a novel level shifter circuit which converting subthreshold signal levels to super-threshold signal levels at high-speed using ultra low power and a small silicon area, making it well-suited for low-power applications such as wireless sensor networks and implantable medical devices. The proposed circuit introduces a new voltage level shifter topology employing a level-shifting capacitor to increase the range of conversion voltages, while significantly reducing the conversion delay. The proposed circuit achieves a shorter propagation delay and a smaller silicon area for a given operating frequency and power consumption compared to other circuit solutions. Measurement results are presented for the proposed circuit fabricated in a 0.18-mm TSMC CMOS process. The presented circuit can convert a wide range of the input voltages from 330 mV to 1.8 V, and operate over a frequency range of 100-Hz to 100-MHz. It has a propagation delay of 29 ns, and power consumption of 61.5 nW for input signals 0.4 V, at a frequency of 500-kHz, outperforming previous designs. The second part of this research includes our proposed wireless power transfer systems for optogenetic applications. Optogenetics is the combination of the genetic and optical method of excitation, recording, and control of the biological neurons. This system combines multiple technologies such as MEMS and microelectronics to collect and transmit the neuronal signals and to activate an optical stimulator through a wireless link. Since optical stimulators consume more power than electrical stimulators, the interface employs induction power transmission using innovative means instead of the battery with the small capacity as a power source