Questa settimana, all'ISSCC 2020 (16-20 febbraio, San Francisco), imeco, un polo di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nella nanoelettronica e nelle tecnologie digitali, presenta il primo ricetrasmettitore wireless in scala mm per pillole inseribili intelligenti. È una prima svolta nell'aspirazione di imec di realizzare sensori ingeribili autonomi in grado di misurare parametri di salute come la salute dell'intestino e trasmettere in tempo reale i dati all'esterno del corpo.

I processi digestivi e le malattie gastrointestinali sono difficili da diagnosticare. Le procedure attuali come l'ispezione endoscopica e l'analisi del campione di feci sono scomode e forniscono solo osservazioni una tantum. Tracker per la salute ingeribili, abbastanza piccolo da essere inghiottito, potrebbe raccogliere informazioni per un periodo di tempo più lungo e trasmettere i dati all'esterno dell'organismo. Inoltre, fissando i sensori ingeribili lungo il tratto gastrointestinale, consente registrazioni più lunghe in luoghi di interesse specifici. Anche, questo aumenterebbe il comfort del paziente, in quanto potrebbe rimanere fuori dall'ospedale mentre i dati vengono raccolti e inviati in tempo reale al medico.

Volume fino a 30 volte inferiore rispetto allo stato dell'arte

Una delle sfide nella realizzazione di pillole elettroniche è lo sviluppo di un collegamento wireless che soddisfi il volume, limiti di potenza e prestazioni per una trasmissione dati affidabile durante il periodo di tempo in cui il sensore raccoglie dati all'interno del corpo. Il nuovo ricetrasmettitore wireless di Imec supporta le bande di frequenza mediche a 400 MHz come MICS (Medical Implant Communication Service), MEDS (Medical Data Service) o MedRadio (Medical Device Radiocommunications Service). Il ricetrasmettitore wireless è implementato in CMOS da 40 nm e include una rete di corrispondenza sintonizzabile su chip (TMN) che consente un'antenna in miniatura da 400 MHz, e come tale evita componenti abbinabili esterni e ingombranti. L'intero modulo ricetrasmettitore, inclusa l'antenna, occupa un volume di <55 mm ³ , che è fino a 30 volte più piccolo dei dispositivi all'avanguardia. L'intero modulo wireless occupa un'area di 3,5 x 15 mm ² , incluso un 3,5 per 3,8 mm ² PCB e un'antenna miniaturizzata da 400 MHz. Il fattore di forma ridotto è realizzato grazie a una nuova architettura del ricetrasmettitore priva di cristalli, alleviare la necessità di un dispositivo di cristallo off-chip, e un 2 mm ² ricetrasmettitore IC con il TMN su chip. La piccola area è ulteriormente ottenuta da una rete di abbinamento condivisa TX/RX con un solo induttore su chip e un RX a tracciamento di fase a ramo singolo.

Trasmissione affidabile dei dati all'esterno del corpo

Mentre all'interno del corpo le pillole sono ricoperte dai miei molteplici strati di tessuto. Perciò, è preferibile un sistema wireless operante nelle bande medicali a 400MHz a causa della minore attenuazione dei tessuti rispetto alle bande a frequenza più elevata e garantisce un canale affidabile e privo di interferenze per gli impianti. Per di più, la rete di adattamento sintonizzabile su chip che utilizza l'autocalibrazione espande l'adattamento di impedenza fino a un VSWR (rapporto d'onda stazionaria di tensione) di 4,8, coprendo un'ampia gamma di variazioni di impedenza nel corpo, equivalente a uno stomaco pieno e vuoto. Per realizzare un funzionamento senza cristalli, imec ha implementato un ripristino della portante assistito dalla rete via etere per grandi offset di frequenza fino a 320 ppm.

"Le pillole ingeribili intelligenti e gli impianti intelligenti offrono infinite possibilità in ciò che può essere misurato e trattato nel corpo. Questa tendenza fa leva sulla rivoluzione della miniaturizzazione nella nanoelettronica, che consente intelligenti, dispositivi piccoli e leggeri con un consumo energetico minimo e il massimo comfort per il paziente. Però, lo sviluppo di tali dispositivi comporta una serie specifica di sfide, " ha dichiarato Chris Van Hoof, vicepresidente connesso alla salute presso imec e direttore generale del centro di ricerca OnePlanet. "Grazie alla nostra leadership di lunga data nella tecnologia dei microchip e alla profonda esperienza nel software e nell'ICT, siamo in una posizione eccellente per sviluppare gli elementi costitutivi necessari per impianti medici intelligenti, legati al rilevamento, attuazione, alimentazione, comunicazone wireless, biocompatibilità e trattamento dei dati. Le nostre attività di ricerca e sviluppo spaziano dai primi sviluppi della ricerca alla convalida clinica dei prototipi."