Advances in Microelectronics for Implantable Medical Devices

Implantable medical devices provide therapy to treat numerous health conditions as well as monitoring and diagnosis. Over the years, the development of these devices has seen remarkable progress thanks to tremendous advances in microelectronics, electrode technology, packaging and signal processing techniques. Many of today’s implantable devices use wireless technology to supply power and provide communication. There are many challenges when creating an implantable device. Issues such as reliable and fast bidirectional data communication, efficient power delivery to the implantable circuits, low noise and low power for the recording part of the system, and delivery of safe stimulation to avoid tissue and electrode damage are some of the challenges faced by the microelectronics circuit designer. This paper provides a review of advances in microelectronics over the last decade or so for implantable medical devices and systems. The focus is on neural recording and stimulation circuits suitable for fabrication in modern silicon process technologies and biotelemetry methods for power and data transfer, with particular emphasis on methods employing radio frequency inductive coupling. The paper concludes by highlighting some of the issues that will drive future research in the field

High-performance wireless power and data transfer interface for implantable medical devices

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps).In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps)

Modulation Techniques for Biomedical Implanted Devices and Their Challenges

Implanted medical devices are very important electronic devices because of their usefulness in monitoring and diagnosis, safety and comfort for patients. Since 1950s, remarkable efforts have been undertaken for the development of bio-medical implanted and wireless telemetry bio-devices. Issues such as design of suitable modulation methods, use of power and monitoring devices, transfer energy from external to internal parts with high efficiency and high data rates and low power consumption all play an important role in the development of implantable devices. This paper provides a comprehensive survey on various modulation and demodulation techniques such as amplitude shift keying (ASK), frequency shift keying (FSK) and phase shift keying (PSK) of the existing wireless implanted devices. The details of specifications, including carrier frequency, CMOS size, data rate, power consumption and supply, chip area and application of the various modulation schemes of the implanted devices are investigated and summarized in the tables along with the corresponding key references. Current challenges and problems of the typical modulation applications of these technologies are illustrated with a brief suggestions and discussion for the progress of implanted device research in the future. It is observed that the prime requisites for the good quality of the implanted devices and their reliability are the energy transformation, data rate, CMOS size, power consumption and operation frequency. This review will hopefully lead to increasing efforts towards the development of low powered, high efficient, high data rate and reliable implanted devices

Recent Advances in Neural Recording Microsystems

The accelerating pace of research in neuroscience has created a considerable demand for neural interfacing microsystems capable of monitoring the activity of large groups of neurons. These emerging tools have revealed a tremendous potential for the advancement of knowledge in brain research and for the development of useful clinical applications. They can extract the relevant control signals directly from the brain enabling individuals with severe disabilities to communicate their intentions to other devices, like computers or various prostheses. Such microsystems are self-contained devices composed of a neural probe attached with an integrated circuit for extracting neural signals from multiple channels, and transferring the data outside the body. The greatest challenge facing development of such emerging devices into viable clinical systems involves addressing their small form factor and low-power consumption constraints, while providing superior resolution. In this paper, we survey the recent progress in the design and the implementation of multi-channel neural recording Microsystems, with particular emphasis on the design of recording and telemetry electronics. An overview of the numerous neural signal modalities is given and the existing microsystem topologies are covered. We present energy-efficient sensory circuits to retrieve weak signals from neural probes and we compare them. We cover data management and smart power scheduling approaches, and we review advances in low-power telemetry. Finally, we conclude by summarizing the remaining challenges and by highlighting the emerging trends in the field

Neurostimulateur hautement intégré et nouvelle stratégie de stimulation pour améliorer la miction chez les paraplégiques

RÉSUMÉ Une lésion de la moelle épinière est un problème dévastateur médicalement et socialement. Pour la population des États-Unis seulement, il y a près de 10 000 nouveaux cas chaque année. A cause des nombreux types de lésions possibles, divers degrés de dysfonctionnement du bas appareil urinaire peuvent en découler. Une lésion est dite complète lors d’une perte totale des fonctions sensorielles et motrices volontaires en dessous du niveau de la lésion. Une lésion incomplète implique que certaines activités sensorielles et/ou motrices soient encore présentes. Si la lésion se produit au dessus du cône médullaire, la vessie développera une hyperréflexie qui se manifeste par des contractions réflexes non-inhibées. Ces contractions peuvent être accompagnées d’une augmentation de l’activité du sphincter externe. Par conséquent, cela mène à un état d’obstruction fonctionnelle de la vessie, qui induit une forte pression intravésicale à chacune des contractions réflexes et qui peut potentiellement endommager le haut appareil urinaire. Dans ce contexte, la neurostimulation est l'une des techniques les plus prometteuses pour la réhabilitation de la vessie chez les patients ayant subi une lésion de la moelle épinière. Le seul neurostimulateur implantable commercialisé, ciblant l'amélioration de la miction et ayant obtenu des résultats satisfaisants, nécessite une rhizotomie (section de certains nerfs) afin de réduire la dyssynergie entre la vessie et le sphincter. Cependant, la rhizotomie est irréversible et peut abolir les réflexes sexuels, de défécation ainsi que les sensations sacrales si encore présents dans le cas de lésions incomplètes. Afin d'éviter la rhizotomie, nous proposons une nouvelle stratégie de stimulation multi-site appliquée aux racines sacrées, et basée sur le blocage de la conduction des nerfs à l'aide d'une stimulation à haute fréquence comme alternative à la rhizotomie. Cette approche permettrait une meilleure miction en augmentant sélectivement la contraction de la vessie et en diminuant la dyssynergie. Huit expériences en phase aigüe ont étés menées sur des chiens pour vérifier la réponse de la vessie et du sphincter urétral externe à la stratégie de stimulation proposée. Le blocage à haute-fréquence (1 kHz) combiné à la stimulation basse-fréquence (30 Hz), a augmenté la différence de pression intra-vésicale/intra-urétrale moyenne jusqu'à 53 cmH2O et a réduit la pression intra-urétrale moyenne jusqu'à hauteur de 86 % relativement au niveau de référence. Dans l’objectif de tester la stratégie de neurostimulation proposée avec des expériences animales en phase chronique, un dispositif de neurostimulation implantable est requis. Un prototype discret implémentant cette stratégie de stimulation a été réalisé en utilisant uniquement des composants discrets disponibles commercialement. Ce prototype est capable de générer des impulsions à une fréquence aussi basse que 18 Hz tout en générant simultanément une forme d’onde alternative à une fréquence aussi haute que 8.6 kHz, et ce sur de multiples canaux. Lorsque tous les étages de stimulation et leurs différentes sorties sont activés avec des fréquences d’impulsions (2 mA, 217 μs) et de sinusoïdes de 30 Hz et 1 kHz respectivement, la consommation de puissance totale est autour de 4.5 mA (rms). Avec 50 mW de puissance inductive disponible par exemple et 4.5 mA de consommation de courant, le régulateur haute-tension peut être réglé à 10 V permettant ainsi une stimulation de 2 mA avec une impédance nerf-électrode de 4.4 kΩ. Le nombre effectif de sorties activées et le maximum réalisable des paramètres de stimulation sont limités par l’énergie disponible fournie par le lien inductif et l’impédance des interfaces nerf-électrode. Cependant, une plus grande intégration du neurostimulateur devient de plus en plus nécessaire à des fins de miniaturisation, de réduction de consommation de puissance, et d’augmentation du nombre de canaux de stimulation. Comme première étape vers une intégration totale, nous présentons la conception d’un neurostimulateur hautement intégré et qui peut être assemblé sur un circuit imprimé de 21 mm de diamètre. Le prototype est basé sur trois circuits intégrés, dédiés et fabriqués en technologie CMOS haute-tension, ainsi qu’un FPGA miniature à faible puissance et disponible commercialement. En utilisant une approche basée sur un abaisseur de tension, où la tension induite est laissée libre jusqu’à 20 V, l’étage d’entrée de récupération de puissance inductive et de données est totalement intégré.----------ABSTRACT Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition medically and socially. For the population of USA only, the incidence is around 10 000 new cases per year. SCI leads to different degrees of dysfunction of the lower urinary tract due to a large variety of possible lesions. With a complete lesion, there is a complete loss of sensory and motor control below the level of lesion. An incomplete lesion implies that some sensory and/or motor activity is still present. Most patients with suprasacral SCI suffer from detrusor over-activity (DO) and detrusor sphincter dyssynergia (DSD). DSD leads to high intravesical pressure, high residual urine, urinary tract infection, and deterioration of the upper urinary tract. In this context, neurostimulation is one of the most promising techniques for bladder rehabilitation in SCI patients. The only commercialized implantable neurostimulator aiming for improved micturition and having obtained satisfactory results requires rhizotomy to reduce DSD. However, rhizotomy is irreversible and may abolish sexual and defecation reflexes as well as sacral sensations, if still present in case of incomplete SCI. In order to avoid rhizotomy, we propose a new multisite stimulation strategy applied to sacral roots, and based on nerve conduction blockade using high-frequency stimulation as an alternative to rhizotomy. This approach would allow a better micturition by increasing bladder contraction selectively and decreasing dyssynergia. Eight acute dog experiments were carried out to verify the bladder and the external urethral sphincter responses to the proposed stimulation strategy. High-frequency blockade (1 kHz) combined with low-frequency stimulation (30 Hz) increased the average intravesical-intraurethral pressure difference up to 53 cmH2O and reduced the average intraurethral pressure with respect to baseline by up to 86 %. To test the proposed neurostimulation strategy during chronic animal experiments, an implantable neurostimulateur is required. A discrete prototype implementing the proposed stimulation strategy has been designed using commercially available discrete components. This prototype is capable of generating a low frequency pulse waveform as low as 18 Hz with a simultaneous high frequency alternating waveform as high as 8.6 kHz, and that over different and multiple channels

A Three – tier bio-implantable sensor monitoring and communications platform

One major hindrance to the advent of novel bio-implantable sensor technologies is the need for a reliable power source and data communications platform capable of continuously, remotely, and wirelessly monitoring deeply implantable biomedical devices. This research proposes the feasibility and potential of combining well established, ‘human-friendly' inductive and ultrasonic technologies to produce a proof-of-concept, generic, multi-tier power transfer and data communication platform suitable for low-power, periodically-activated implantable analogue bio-sensors. In the inductive sub-system presented, 5 W of power is transferred across a 10 mm gap between a single pair of 39 mm (primary) and 33 mm (secondary) circular printed spiral coils (PSCs). These are printed using an 8000 dpi resolution photoplotter and fabricated on PCB by wet-etching, to the maximum permissible density. Our ultrasonic sub-system, consisting of a single pair of Pz21 (transmitter) and Pz26 (receiver) piezoelectric PZT ceramic discs driven by low-frequency, radial/planar excitation (-31 mode), without acoustic matching layers, is also reported here for the first time. The discs are characterised by propagation tank test and directly driven by the inductively coupled power to deliver 29 μW to a receiver (implant) employing a low voltage start-up IC positioned 70 mm deep within a homogeneous liquid phantom. No batteries are used. The deep implant is thus intermittently powered every 800 ms to charge a capacitor which enables its microcontroller, operating with a 500 kHz clock, to transmit a single nibble (4 bits) of digitized sensed data over a period of ~18 ms from deep within the phantom, to the outside world. A power transfer efficiency of 83% using our prototype CMOS logic-gate IC driver is reported for the inductively coupled part of the system. Overall prototype system power consumption is 2.3 W with a total power transfer efficiency of 1% achieved across the tiers

Remote Powering and Data Communication Over a Single Inductive Link for Implantable Medical Devices

RÉSUMÉ Les implants médicaux électroniques (Implantable Medical Devices - IMDs) sont notamment utilisés pour restaurer ou améliorer des fonctions perdues de certains organes. Ils sont capables de traiter des complications qui ne peuvent pas être guéries avec des médicaments ou par la chirurgie. Offrant des propriétés et des améliorations curatives sans précédent, les IMDs sont de plus en plus demandés par les médecins et les patients. En 2017, le marché mondial des IMD était évalué à 15,21 milliards de dollars. D’ici 2025, il devrait atteindre 30,42 mil-liards de dollars, soutenu par un taux de croissance annuel de 9,24% selon le nouveau rapport publié par Fior Markets. Cette expansion entraîne une augmentation des exigences pour as-surer des performances supérieures, des fonctionnalités supplémentaires et une durée de vie plus longue. Ces exigences ne peuvent être satisfaites qu’avec des techniques d’alimentation avancées, un débit de données élevé et une électronique miniaturisée robuste. Construire des systèmes capables de fournir toutes ces caractéristiques est l’objectif principal d’un grand nombre de chercheurs. Parmi plusieurs technologies sans fil, le lien inductif, qui consiste en une paire de bobines à couplage magnétique, est la technique sans fil la plus largement utilisée pour le transfert de puissance et de données. Cela est dû à sa simplicité, sa sécurité et sa capacité à transmettre à la fois de la puissance et des données de façon bidirectionnelle. Cependant, il existe encore un certain nombre de défis concernant la mise en œuvre d’un tel système de transfert d’énergie et de données sans fil (Wireless Power and Data Transfer - WPDT system). Un défi majeur est que les exigences pour une efficacité de transfert d’énergie élevée et pour une communication à haut débit sont contradictoires. En fait, la bande passante doit être élargie pour des débits de données élevés, mais réduite pour une transmission efficace de l’énergie. Un autre grand défi consiste à réaliser un démodulateur fonctionnant à haute vitesse avec une mise en œuvre simple et une consommation d’énergie ultra-faible. Dans ce projet, nous proposons et expérimentons un nouveau système WPDT dédié aux IMD permettant une communication à haute vitesse et une alimentation efficace tout en maintenant une faible consommation d’énergie, une petite surface de silicium et une mise en œuvre simple du récepteur. Le système proposé est basé sur un nouveau schéma de modulation appelé "Carrier Width Modulation (CWM)", ainsi que sur des circuits de modulation et de démodulation inédits. La modulation consiste en un coupe-circuit synchronisé du réservoir LC primaire pendant un ou deux cycles en fonction des données transmises.----------ABSTRACT Implantable Medical Devices (IMDs) are electronic implants notably used to restore or en-hance lost organ functions. They may treat complications that cannot be cured with medica-tion or through surgery. O˙ering unprecedented healing properties and enhancements, IMDs are increasingly requested by physicians and patients. In 2017, the worldwide IMD market was valued at USD 15,21 Billion. By 2025, it is expected to attain USD 30.42 Billion sus-tained by a compound annual growth rate of 9.24% according to a recent report published by Fior Markets. This expansion is bringing-up more demand for higher performance, additional features, and longer device lifespan and autonomy. These requirements can only be achieved with advanced power sources, high-data rates, and robust miniaturized electronics. Building systems able to provide all these characteristics is the main goal of many researchers. Among several wireless technologies, the inductive link, which consists of a magnetically-coupled pair of coils, is the most widely used wireless technique for both power and data transfer. This is due to its simplicity, safety, and ability to provide simultaneously both power and bidirectional data transfer to the implant. However there are still a number of challenges regarding the implementation of such Wireless Power and Data Transfer (WPDT) systems. One main challenge is that the requirements for high Power Transfer Eÿciency (PTE) and for high-data rate communication are contra-dictory. In fact, the bandwidth needs to be widened for high data rates, but narrowed for eÿcient power delivery. Another big challenge is to implement a high-speed demodulator with simple implementation and ultra-low power consumption. In this project, we propose and experiment a new WPDT system dedicated to IMDs allow-ing high-speed communication and eÿcient power delivery, while maintaining a low power consumption, small silicon area, and simple implementation of the receiver. The proposed system is based on a new Carrier Width Modulation (CWM) scheme, as well as novel modu-lation and demodulation circuits. The modulation consists of a synchronized opening of the primary LC tank for one or two cycles according to the transmitted data. Unlike conventional modulation techniques, the data rate of the proposed CWM modulation is not limited by the quality factors of the primary and secondary coils. On the other hand, the proposed CWM demodulator allows higher-speed demodulation and simple implementation, unlike conven-tional demodulators for a similar modulation scheme. It also o˙ers a wide range of data rates under any selected frequency from 10 to 31 MHz

Ultra-Low Power Wake Up Receiver For Medical Implant Communications Service Transceiver

This thesis explores the specific requirements and challenges for the design of a dedicated wake-up receiver for medical implant communication services equipped with a novel “uncertain-IF†architecture combined with a high – Q filtering MEMS resonator and a free running CMOS ring oscillator as the RF LO. The receiver prototype, implements an IBM 0.18μm mixed-signal 7ML RF CMOS technology and achieves a sensitivity of -62 dBm at 404MHz while consuming \u3c100 μW from a 1 V supply