MEDICOS - Medical Implant Communication System

KURZBESCHREIBUNG

Ziel der MEDICOS-Nachwuchsforscher ist es, hochinnovative Methoden zur Energiereduzierung in intelligenten Implantaten zu entwickeln. Das beinhaltet die Konzeption und Umsetzung neuer Strategien für minimal-invasive und gleichzeitig hoch performante, biokompatible Signalverarbeitungs- und -Übertragungssysteme. Im Hinblick auf die Umsetzung und den Einsatz intelligenter Implantate besteht heute vielschichtiger Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Maßgebliche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu intelligenten Implantaten umfassen neben einer Verkleinerung, höheren Bioverträglichkeit und Langzeitstabilität vor allem eine bessere Datenanbindung und Implantatvernetzung. Gerade vor dem Hintergrund, dass mehr Informationen erfasst werden sollen, eine Einheit von Diagnose und Therapie angestrebt ist und lange Lebenszeiten gefordert werden, genügen die vorhandenen Systeme weder in der inhaltlichen Performance noch in der Energieeffizienz den gestellten Anforderungen. Um das diagnostische und therapeutische Potential intelligenter Implantate voll zu erschließen, müssen daher hochenergieeffiziente und performante minimal und nicht-invasive Systeme entwickelt werden. Genau das ist das Ziel der Forschergruppe MEDICOS. MEDICOS möchte extrem energieeffiziente, adaptive, drahtlose Biosignalverarbeitungs- und Kommunikationssysteme entwickeln, welche genügend Performance bieten, um komplexe Biosignale verarbeiten zu können und den invasiven Eingriff auf ein Minimum reduzieren.

PROJEKTLAUFZEIT

Zeitraum: 01.09.2018 bis 30.11.2021

ERGEBNISSE

An der Professur für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie wurde im Rahmen des Projektes ein extrem leistungseffizientes Hochfrequenz-Frontend mit adaptiven Datenraten bis zu 1 Mbit/s sowie eines extrem stromsparender und hochempfindlicher Wake-up-Empfänger entworfen.

Der entwickelte 401-406 MHz On-Off-Keying (OOK)-Transceiver (TRX) mit analogem Frontend ist für den MICS-Standard optimiert und erreicht die höchste Datenrate im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik. Für die einzelnen Baublöcke wurden zuerst Spezifikationen erarbeite um diese dann mit neuartigen Schaltungstechniken zu erreichen. Die Messungen zeigen, dass die PLL-Frequenz über das gesamte MICS-Band mit einer Frequenzauflösung von 0,33 MHz eingestellt werden kann. Das Phasenrauschen beträgt -100 dBc/Hz bei 1 MHz Offsetfrequenz. Der Sendepfad (TX) zeigt eine maximale Ausgangsleistung von 4,6 dBm. Das Empfangspfad (RX) erreicht eine Rauschzahl unter 8,4 dB und eine hohe Umwandlungsverstärkung von 75 dB. TX und RX verbrauchen eine DC-Leistung von je 23mW bzw. 27,5mW.

R. Ma, N. El Agroudy, M. Becker, N. Joram and F. Ellinger, "A 401-406 MHz Wireless Transceiver Analogue Front-End for Medical Implantable Applications," 2021 19th IEEE International New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), 2021, pp. 1-4, doi: 10.1109/NEWCAS50681.2021.9462780.

Zur weiteren Reduktion des Systemenergiebedarfs wurde der Wake-up-Empfänger spezifiziert und entworfen. Eine Duty-Cycling-Technik wird eingesetzt, um den Stromverbrauch des analogen WuRX-Frontends zu reduzieren. Darüber hinaus wurde ein 31-Bit-Korrelator imdigitale Backend des WuRX implementiert, um die Empfindlichkeit des WuRX um 4 dB zu verbessern. Die Messergebnisse zeigen, dass der komplette WuRX eine Empfindlichkeit von -84,5 dBm bei einer Wake-up-Fehlerrate von 10^-3 aufweist. Die Leistungsaufnahme beträgt nur 193 nW bei einer minimalen Datenrate von 64 bps und einer Trägerfrequenz von 402 MHz. Die gezeigte Leistung des entworfenen WuRX ist in hohem Maße wettbewerbsfähig mit den modernsten WuRXs. Durch die Nutzung der vorgestellten Arbeit kann der elektrische Energiebedarf von drahtlosen Sensornetzwerken erheblich reduziert werden, was einen großen Beitrag zur umweltbewussten und nachhaltigen drahtlosen Kommunikation leistet.

R. Ma, F. Protze and F. Ellinger, "A 193-nW Wake-Up Receiver Achieving -84.5-dBm Sensitivity For Green Wireless Communications," in IEEE Transactions on Green Communications and Networking, doi: 10.1109/TGCN.2021.3101902.
R. Ma, F. Protze, J. Pliva, M. Kreißig and F. Ellinger, "A Low-Power Fast Settling 5.4—8.4 GHz Digitally Controlled Oscillator in 45 nm RFSOI CMOS," 2020 IEEE 63rd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2020, pp. 113-116, doi: 10.1109/MWSCAS48704.2020.9184569.
R. Ma, N. E. Agroudy, N. Joram and F. Ellinger, "A 405-MHz 850-μW Low-Noise Amplifier with 53.5-dB Voltage Gain and 100-ns Settling Time," 2020 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), 2020, pp. 669-671, doi: 10.1109/APMC47863.2020.9331707.

Abschließend wurde gemeinsam mit den Projektpartnern ein Demonstrationssystem entwickelt. Ein kompaktes Leiterplattensystem aus Frontend, Mikrokontroller und Stromversorgung zeigt die batterie-gestützte Datenübertragung aus einem dem menschlichen Oberkörper nachempfunden Phantom. Das am Institut für Biomedizinische Technik entwickelte Phantom emuliert dabei die dielektrischen Eigenschaften des biologischen Gewebes und ermöglicht damit einfache, aber präzise Tests. Für die kabellose Übertragung kommen speziell für den Einsatz im Gewebe optimierte und stark verkleinerte Antennen zum Einsatz welche an der Professur für Hochfrequenztechnik entwickelt wurden. Die gewonnenen Daten können entweder direkt auf dem System oder auf einer externen Basisstation mit den ebenfalls im Projekt entstandenen Algorithmen ausgewertet werden.

Abbildung 1: Alexander Hammer/TU Dresden

Pressemitteilung:

„Junge Wissenschaftler:innen der TU Dresden optimieren intelligente Implantate, um Herzinfarkte zukünftig besser zu erkennen“, Pressemeldung, 13. Januar 2022, https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/junge-wissenschaftler-innen-der-tu-dresden-optimieren-intelligente-implantate-um-herzinfarkte-zukuenftig-besser-zu-erkennen

QUERSCHNITTSAUFGABEN

Gleichstellung von Frauen und Männern, Chancengleichheit und Nichtdiskriminierung

Die Nachwuchswissenschaftler:innen in diesem Projekt kommen aus drei verschiedenen Ländern (und auch von drei verschiedenen Kontinenten). Die Nachwuchsforschergruppe bestand aus bis zu vier Männern und einer Frau. Die Familien der Nachwuchswissenschaftler:innen profitierten von der Kinderbetreuung an der TU Dresden und in der Stadt Dresden.

Umwelt- und Ressourcenschutz

MEDICOS leistet einen wichtigen Beitrag zum Umwelt- und Ressourcenschutz indem der Leistungsverbrauch für die Sensorkommunikation massiv gesenkt wurde. Neben der Energieeinsparung reduziert die längere Lebenszeit der Implantate zusätzlich den Ressourcenverbrauch.

Umsetzung sozialer Innovation

Die in MEDICOS implementierten Implantat-Technologien bieten die Möglichkeiten zur Erfassung von Vitaldaten über lange Zeiträume und Entfernungen.

Die entwickelten Analysemethoden ermöglichen eine digitalisierte Medizin und bergen Potential für zukünftig wesentlich effizientere Diagnose- und Therapieverfahren. Durch die mögliche Verlegung der posttherapeutischen Überwachung in das häusliche Umfeld der Patienten kann die Lebensqualität gesteigert werden. Dies stellt gerade in Anbetracht der alternden Bevölkerung mit chronischen und degenerativen Erkrankungen eine wesentliche soziale Innovation dar, mit der neben wirkungsvolleren gleichzeitig auch kosteneffizientere Gesundheitslösungen angeboten werden können.