A programmable microsystem using system-on-chip for real-time biotelemetry

A telemetry microsystem, including multiple sensors, integrated instrumentation and a wireless interface has been implemented. We have employed a methodology akin to that for System-on-Chip microelectronics to design an integrated circuit instrument containing several "intellectual property" blocks that will enable convenient reuse of modules in future projects. The present system was optimized for low-power and included mixed-signal sensor circuits, a programmable digital system, a feedback clock control loop and RF circuits integrated on a 5 mm × 5 mm silicon chip using a 0.6 μm, 3.3 V CMOS process. Undesirable signal coupling between circuit components has been investigated and current injection into sensitive instrumentation nodes was minimized by careful floor-planning. The chip, the sensors, a magnetic induction-based transmitter and two silver oxide cells were packaged into a 36 mm × 12 mm capsule format. A base station was built in order to retrieve the data from the microsystem in real-time. The base station was designed to be adaptive and timing tolerant since the microsystem design was simplified to reduce power consumption and size. The telemetry system was found to have a packet error rate of 10<sup>-</sup><sup>3</sup> using an asynchronous simplex link. Trials in animal carcasses were carried out to show that the transmitter was as effective as a conventional RF device whilst consuming less power

General Purpose Wireless Communication System Using Data Acquisition

A sensor-enabled and RFID-integrated, Wireless Data Acquisition System (WDAS) that has similar functionality as multiple input multiple output (MIMO) systems for health-care applications has been developed, simulated and imple-mented. The system can accept various measurements via sensors placed on patients or elders and transmit information wirelessly to base station at a remote location. A microcontroller is used to control and process the signals submitted from sensor-enabled RFID devices using sequential logic. Processed signals are then sent to single receiver and trans-mitter pair instead of conventional MIMO antenna systems. This reduces the cost significantly in comparison to existing systems. It has been shown that the data transmitted from measurement locations can be acquired at the base station located 20 mile away. Data acquisition system (DAQ) is used to determine the measured value, apply the required sta-tistics and display information to health-care professional at the base station. The system developed can be used for health-care applications including nursing homes in rural areas where access is difficult

Unmanned aerial vehicle-to-wearables (UAV2W) indoor radio propagation channel measurements and modeling

In this paper, off-body ultra-wide band (UWB) channel characterization and modeling are presented between an unmanned aerial vehicle (UAV) and a human subject. The wearable antenna was patched at nine different body locations on a human subject during the experiment campaign. The prime objective of this work was to study and evaluate the distance and frequency dependent path loss factors for different bandwidths corresponding to various carrier frequencies, and also look into the time dispersion properties of such unmanned aerial vehicle-to-wearables (UAV2W) system. The environment under consideration was an indoor warehouse with highly conductive metallic walls and roof. Best fit statistical analysis using Akaike Information Criteria revealed that the Log-normal distribution is the best fit distribution to model the UWB fading statistics. The study in this paper will set up a road map for future UAV2W studies to develop enhanced retail and remote health-care monitoring/diagnostic systems

Biomedical Engineering

Biomedical engineering is currently relatively wide scientific area which has been constantly bringing innovations with an objective to support and improve all areas of medicine such as therapy, diagnostics and rehabilitation. It holds a strong position also in natural and biological sciences. In the terms of application, biomedical engineering is present at almost all technical universities where some of them are targeted for the research and development in this area. The presented book brings chosen outputs and results of research and development tasks, often supported by important world or European framework programs or grant agencies. The knowledge and findings from the area of biomaterials, bioelectronics, bioinformatics, biomedical devices and tools or computer support in the processes of diagnostics and therapy are defined in a way that they bring both basic information to a reader and also specific outputs with a possible further use in research and development

Investigation of high bandwith biodevices for transcutaneous wireless telemetry

PhD ThesisBIODEVICE implants for telemetry are increasingly applied today in various areas applications. There are many examples such as; telemedicine, biotelemetry, health care, treatments for chronic diseases, epilepsy and blindness, all of which are using a wireless infrastructure environment. They use microelectronics technology for diagnostics or monitoring signals such as Electroencephalography or Electromyography. Conceptually the biodevices are defined as one of these technologies combined with transcutaneous wireless implant telemetry (TWIT). A wireless inductive coupling link is a common way for transferring the RF power and data, to communicate between a reader and a battery-less implant. Demand for higher data rate for the acquisition data returned from the body is increasing, and requires an efficient modulator to achieve high transfer rate and low power consumption. In such applications, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulation has advantages over other schemes, and double the symbol rate with respect to Binary Phase Shift Keying (BPSK) over the same spectrum band. In contrast to analogue modulators for generating QPSK signals, where the circuit complexity and power dissipation are unsuitable for medical purposes, a digital approach has advantages. Eventually a simple design can be achieved by mixing the hardware and software to minimize size and power consumption for implantable telemetry applications. This work proposes a new approach to digital modulator techniques, applied to transcutaneous implantable telemetry applications; inherently increasing the data rate and simplifying the hardware design. A novel design for a QPSK VHDL modulator to convey a high data rate is demonstrated. Essentially, CPLD/FPGA technology is used to generate hardware from VHDL code, and implement the device which performs the modulation. This improves the data transmission rate between the reader and biodevice. This type of modulator provides digital synthesis and the flexibility to reconfigure and upgrade with the two most often languages used being VHDL and Verilog (IEEE Standard) being used as hardware structure description languages. The second objective of this thesis is to improve the wireless coupling power (WCP). An efficient power amplifier was developed and a new algorithm developed for auto-power control design at the reader unit, which monitors the implant device and keeps the device working within the safety regulation power limits (SAR). The proposed system design has also been modeled and simulated with MATLAB/Simulink to validate the modulator and examine the performance of the proposed modulator in relation to its specifications.Higher Education Ministry in Liby

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

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