SkinnySensor: Enabling Battery-Less Wearable Sensors Via Intrabody Power Transfer

Tremendousadvancement inultra-low powerelectronics and radiocommunica tionshas significantly contributed towards the fabrication of miniaturized biomedical sensors capable of capturing physiological data and transmitting them wirelessly. However, most of the wearable sensors require a battery for their operation. The battery serves as one of the critical bottlenecks to the development of novel wearable applications, as the limitations offered by batteries are affecting the development of new form-factors and longevity of wearable devices. In this work, we introduce a novel concept, namely Intra-Body Power Transfer (IBPT), to alleviate the limitations and problems associated with batteries, and enable wireless, batteryless wearable devices. The innovation of IBPT is to utilize the human body as the medium to transfer power to passive wearable devices, as opposed to employingon-boardbatteries for each individual device. The proposed platform eliminates the on-board rigid battery for ultra-low power and ultra-miniaturized sensors such that their form-factor can be flexible, ergonomically designed to be placed on small body parts. The platform also eliminates the need for battery maintenance (e.g., recharging or replacement) for multiple wearable devices other than the central power source. The performance of the developed system is tested and evaluated in comparison to traditional Radio Frequency based solutions that can be harmful to human interaction. The system developed is capable of harvesting on average 217µW at 0.43V and provides an average sleep/high impedance mode voltage of 4.5V

Advanced sensors technology survey

This project assesses the state-of-the-art in advanced or 'smart' sensors technology for NASA Life Sciences research applications with an emphasis on those sensors with potential applications on the space station freedom (SSF). The objectives are: (1) to conduct literature reviews on relevant advanced sensor technology; (2) to interview various scientists and engineers in industry, academia, and government who are knowledgeable on this topic; (3) to provide viewpoints and opinions regarding the potential applications of this technology on the SSF; and (4) to provide summary charts of relevant technologies and centers where these technologies are being developed

Reliable and Energy Efficient Network Protocols for Wireless Body Area Networks

In a wireless Body Area Network (WBAN) various sensors are attached on clothing, on the body or are even implanted under the skin. The wireless nature of the network and the wide variety of sensors offers numerous new, practical and innovative applications. A motivating example can be found in the world of health monitoring. The sensors of the WBAN measure for example the heartbeat, the body temperature or record a prolonged electrocardiogram. Using a WBAN, the patient experiences a greater physical mobility and is no longer compelled to stay in a hospital. A WBAN imposes the networks some strict and specific requirements. The devices are tiny, leaving only limited space for a battery. It is therefore of uttermost importance to restrict the energy consumption in the network. A possible solution is the development of energy efficient protocols that regulate the communication between the radios. Further, it is also important to consider the reliability of the communication. The data sent contains medical information and one has to make sure that it is correctly received at the personal device. It is not allowed that a critical message gets lost. In addition, a WBAN has to support the heterogeneity of its devices. This thesis focuses on the development of energy efficient and reliable network protocols for WBANs. Considered solutions are the use of multi-hop communication and the improved interaction between the different network layers. Mechanisms to reduce the energy consumption and to grade up the reliability of the communication are presented. In a first step, the physical layer of the communication near the human body is studied and investigated. The probability of a connection between two nodes on the body is modeled and used to investigate which network topologies can be considered as the most energy efficient and reliable. Next, MOFBAN, a lightweight framework for network architecture is presented. Finally, CICADA is presented: a new cross layer protocol for WBANs that both handles channel medium access and routing

Agile and Bright Intracardiac Catheters

Intracardiac imaging catheters represent unique instruments to diagnose and treat a diseased heart. While there are imminent advances in medical innovation, many of the commercially available imaging catheters are outdated. Some of them have been designed more than 20 years and therefore they lack novel sensor technology, multi-functionality, and often require manual assembly process. Introduction chapter of this thesis discusses clinical needs and introduces new technological concepts that are needed to progress the functionality and clinical value of the intracardiac catheters along with efficient and simple designs to make the catheters affordable for the patients. The following chapters are grouped into two parts that explore complementary transducer technology and a novel optical fiber-link solution for catheter-based intracardiac imaging. _Part I_ focuses on developing a new intracardiac catheter that has an advanced functionality, which provides clinician with high penetration or close-up high resolution ultrasound imaging in a single device. This agile ultrasound visualization is enabled by a capacitive-micromachined ultrasound transducer (CMUT), operated in collapse-mode, of which the operating frequency can be tuned. Acoustic performance of a fabricated CMUT is modelled and measured. Imaging performance of the CMUT array is quantified on a tissue-mimicking phantom and demonstrated both ex vivo and in vivo experiments. It is found that the combination of the forward-looking design, frequency-tuning and agile deflectability of the catheter allow for visualizing intracardiac structures of various sizes at different distances relative to the catheter tip, providing both wide overviews and detailed close-ups. _Part II_ is devoted to a novel optical technology for transmitting signals and transferring power inside catheters. A novel concept of an all-optical fiber link is introduced. A key insight obtained is that a blue light-emitting diode (LED) may be used as a photo-voltaic converter. Used in reverse under illumination with violet light, it converts significant amount of photonic energy to electricity and at the same time it may emit blue light back, which makes it a unique miniature power and communication channel for catheters. A pressure-sensing catheter prototype is built to demonstrate the concept of transmitting signals and delivering power using a single optical fiber and an LED. The potential of the power and signal fiber link solution is exploited further for ultrasound imaging. A bench-top demonstrator scalable to catheter dimensions is built, in which electrical wires for ultrasound-sensor signal and power tra

Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems

El principal motivo por el cual los sistemas de comunicación en el entrono corporal se desean con el objetivo de poder obtener y procesar señales biométricas para monitorizar e incluso tratar una condición médica sea ésta causada por una enfermedad o el rendimiento de un atleta. Dado que la base de estos sistemas está en la sensorización y el procesado, los algoritmos de procesado de señal son una parte fundamental de los mismos. Esta tesis se centra en los algoritmos de tratamiento de señales en tiempo real que se utilizan tanto para monitorizar los parámetros como para obtener la información que resulta relevante de las señales obtenidas. En la primera parte se introduce los tipos de señales y sensores en los sistemas en el entrono corporal. A continuación se desarrollan dos aplicaciones concretas de los sistemas en el entorno corporal así como los algoritmos que en las mismas se utilizan. La primera aplicación es el control de glucosa en sangre en pacientes con diabetes. En esta parte se desarrolla un método de detección mediante clasificación de patronones de medidas erróneas obtenidas con el monitor contínuo comercial "Minimed CGMS". La segunda aplicacióin consiste en la monitorizacióni de señales neuronales. Descubrimientos recientes en este campo han demostrado enormes posibilidades terapéuticas (por ejemplo, pacientes con parálisis total que son capaces de comunicarse con el entrono gracias a la monitorizacióin e interpretación de señales provenientes de sus neuronas) y también de entretenimiento. En este trabajo, se han desarrollado algoritmos de detección, clasificación y compresión de impulsos neuronales y dichos algoritmos han sido evaluados junto con técnicas de transmisión inalámbricas que posibiliten una monitorización sin cables. Por último, se dedica un capítulo a la transmisión inalámbrica de señales en los sistemas en el entorno corporal. En esta parte se estudia las condiciones del canal que presenta el entorno corporal para la transmisión de sTraver Sebastiá, L. (2012). Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16188Palanci

Contribuciones a la caracterización del cuerpo humano como medio de transmisión en las técnicas de comunicaciones intracorporales.

Falta palabras claveLa necesidad de bio-dispositivos de reducido consumo, tamaño y costo ha motivado la investigación de nuevas tecnologías de comunicaciones inalámbricas de corto alcance, entre las que se encuentran las técnicas de comunicaciones intracorporales (IBC). Estas utilizan el cuerpo humano como medio de transmisión de señales eléctricas para la conexión de dispositivos colocados sobre la superficie corporal, cercanos a esta e implantados. Las ventajas de esta técnica residen en el uso de señales de baja frecuencia y amplitud que se acoplan mediante pequeños electrodos al cuerpo, favoreciendo la disminución del consumo y la minimización de las interferencias con otros dispositivos. Sin embargo, aún existen importantes retos científico-técnicos a solventar con el fin de obtener una metodología de diseño de los sistemas IBC sistemática y precisa. Para ello es fundamental avanzar en el conocimiento de los verdaderos mecanismos de transmisión del cuerpo humano como canal de comunicación. El objetivo de esta tesis doctoral es profundizar en la caracterización del cuerpo humano como medio de transmisión de señales tanto desde una perspectiva teórica como experimental. De esta forma, se han propuesto diferentes modelos de canal: un modelo de la piel como símil de línea de transmisión, un modelo computacional 3D del brazo humano y un modelo físico circuital phantom. También se han implementado montajes de medida armonizados para la determinación de la atenuación corporal para ambos tipos de acoplamiento galvánico y capacitivo, así como para analizar diferentes cuestiones técnicas de interés como estrategias de aislamiento de tierras, influencia de la resistencia de carga y efectos de cables y conectores. Los resultados abarcan la simulación y validación de los modelos propuestos, incluyendo atenuación, dispersión, tasa binaria y de error para diferentes esquemas de modulación digitales. Se han simulado también variables eléctricas como bioimpedancia, campo eléctrico y corriente a través de los tejidos. Por último, se ha realizado un conjunto exhaustivo de medidas de atenuación estudiándose variables como longitud de canal, distancia inter-electrodo, tipo de electrodo, diferentes partes del cuerpo, etc. Como principales conclusiones, se ha avanzado en el entendimiento de algunos de los mecanismos de transmisión a través del cuerpo humano y la piel, lo que a su vez nos ha permitido identificar el rango de operación de cada uno de los tipos de acoplamiento, así como definir un conjunto de especificaciones prácticas para la implementación de esquemas de medida IBC más precisos