Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas

Implantables.

Dr. Alfredo ArnaudDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad Católica del Uruguayhttp://die.ucu.edu.uy/microdie

I.I. IntroducciónIntroducción

Bloques de un sistema Bloques de un sistema implantable.implantable.

A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.

Esquema general un dispositivo médico implantable.

Unidad de control (CPU)

Funciones deSensado

Funciones deEstímulo

Telemetría

Esquema general un dispositivo médico implantable.

Unidad de control (CPU)

Funciones deSensado

Funciones deEstímulo

Telemetría

ELECTRODOSTEJIDO BIOLÓGICO

SENSORES

- MÉDICO- UNIDAD EXTERNA IMPLANTE

La batería condiciona todo el implantable, tal vez es el punto de partida del diseño.

Funciones de Funciones de

Estímulo y sensado.Estímulo y sensado.

A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.

Funciones de Estímulo - Generalidades

• Se entregan pulsos controlados de corriente o tensión por un electrodo en contacto con el tejido.• Pulsos de hasta algunas decenas de V en casos normales (o 1000V ICD!) por lo que es habitual el uso de tecnología HV en los circuitos integrados.

Stimuli Generator

V I

Switch

Electrode

Tissue

Control

Conecta el tejido con el dispositivo biomédico. Entre el material conductor y tejido hay una INTERFAZ compleja.

Electrodo Marcapasos

Elctrodo tipo cuff, para ENG

Funciones de Estímulo

Electrodo

Funciones de Estímulo - Generalidades

• Pulsos desde 100uA a decenas de mA.

• Se puede tratar de 1 solo pulso, o trenes de pulsos … dede 100s a varios ms de duración

Stimuli Generator

V I

Switch

Electrode

Tissue

Control

• La conducción en el medio biológico se da por iones =>

• La corriente genera un fenómeno de electrólisis que, si es continuo en el tiempo provoca un daño irreversible.

• Todo estímulo en promedio debe ser eléctricamente neutro, la carga que se entrega se retira luego. Concepto de balance de carga.

Funciones de Estímulo

Electrodo – Balance de Carga

Funciones de Estímulo - Generalidades

- Los circuitos para estímulo de sistemas biológicos, son en general secretos muy bien guardados en las empresas. Por la necesidad de tecnología HV pero también porque se evita soluciones complejas , no es un tema de interés en la academia.

- Los circuitos de estímulo se trata de elevadores de tensión, llaves de control de flujo de corriente, fuentes de corriente.

- Todo debe verificar normas de seguridad al interactuar con el cuerpo humano

Ejemplo:HV DAC para estimulo cardiaco (de Wong et al, JSSC 2004)

Ejemplo:Elevador de tensión (de Wong et al, JSSC 2004)

Para generar hasta aprox. 7.5V (x3VDD) a partir de una sola batería de 2.8V nominales.

Estímulo - Balance de carga

- Al estimular tejido, no puedo entregar una corriente (carga) neta, puesto que se producen daños irreversibles (procesos electro-químicos)

SIEMPRE al estimular debo asegurar carga neta 0 al tejido.

- Existen muchas formas de hacer esto … a través de una fase de balance de caga, con un estímulo bipolar, etc. (estudiar literatura, caso marcapasos, etc)

Funciones de sensado en sistemas implantables:

- Se mide o bien señales eléctricas presentes en el cuerpo mediante electrodos , o bien la salida de sensores implantados (ejemplo sensores de movimiento, de presión, ópticos, o químicos como oxígeno en sangre, glucosa).

- Se trata de señales de frecuencia en escala biológica, (DC hasta algunos kHz), en general de muy baja amplitud y a veces inmersas en una señal en modo común muy grande.

- => se deben desarrollar amplificadores y filtros de muy bajo ruido, muy bajo consumo de energía, alto CMRR.

- Variabilidad, no siempre importa una función de transferencia precisa. De un ser humano a otro la amplitud, frecuencia de las señales varía mucho. A veces tengo límites por las normas y otras veces no.

Funciones de sensado: algunas señales usuales

Amplitud pequeña

Amplitud pequeña

Baja frecuenciaBaja frecuencia

Fuente de Fuente de alimentación.alimentación.

A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.

Alimentación:

Alimentación Batería No-recargable

Recargable

Acople inductivo (RF)

IMPORTANTE: La fuente de alimentación,es el punto de partida de todo diseño. ESPECIALMENTE en este caso.

Alimentación:

• Greatbatch

• Quallion

Pocos fabricantes de baterías para productos médicos. (no quiere decir que otras no se puedan usar).

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

• Lo más común es marcapasos, se utilizan baterías de Litio-Yodo de 900mAh a 2500mAh.

• Tensión nominal2.8V

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

• Problema: la impedancia serie de la batería aumenta con el uso de la misma.

• Entender bien la batería antes de diseñar el ASIC!!!

• Elemento muy no lineal, curvas de descarga dependen de la corriente de carga, temperatura, envejecimiento de la batería.

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

Ejemplo de especificaciones de batería comercial para dispositivo médico implantable de 1200mAh.

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

•La capacidad de este tipo de baterías depende del uso.

•En las especificaciones falta información de R(t).

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

• La resistencia interna de las baterías primarias implantables es alta.• Normalmente se utilizan capacitores de filtrado para entregar picos de energía.

RBat

VBat Battery Can

Pace

mak

er

VDD

VSS

CF=47F

IL

Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)

La batería debe durar años sin ser sustituida.Alguna especificaciones para un ASIC de marcapasos (o dispositivo con batería similar):

• Tensión de operación de 2.8 a 2V (aunque por debajo de 2.4V funciones restringidas)

• Consumo medio de corriente < 10A p.ej

• Picos de corriente menores de 5mAx10ms !!

Alimentación:Baterías secundarias (recargable)Baterías recargables:

• Lo más común es de litio, similar a otras recargables en dispositivos portátiles.

• Tensión nominal3.4V – 4.2V

• Soportan consumosde varios mA(incluso Amperes)

Alimentación:Baterías secundarias (recargable)

Ejemplo de especificaciones de batería comercial recargable para dispositivo médico implantable.

Alimentación:Baterías secundarias (recargable)• La recarga se realiza en general por RF,

a través de la piel.

• ASIC cargador debe tener en cuenta normas ( P.Ej. dT < 2ºC )

• La batería debe de durar muucho, lo más posible entre recargas para un producto práctico.

• Los productos comerciales NO usan baterias recargables si pueden evitarlo. (Por confort del paciente)

Telemetría.Telemetría.

A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.

Telemetría:

Telemetría = transmisión / recepción de datos desde y hacia el dispositivo.

• Primer telemetría = 1 imán

• Luego enlaces inductivos

• En la actualidad se utilizan enlaces de varios MHz, ya sea por acople inductivo o con tranceptores controlados por cristal (si es en ambos sentidos). Se utilizan antenas patch pegadas a la carcaza, y otras tecnologías innovadoras.

Telemetría:

• Funcionan bien en marcapasos, antena es una bobina dentro del dispositivo.

• Circuito muy simple pero bajo ratio de transferencia y problemas de ensamblado y ajuste.

Originalmente se utilizaron (y utilizan aun) enlaces inductivos a través de la piel, para transmitir datos, e incluso proveer energía al sistema.

Telemetría:• Transmisión normalmente OOK.

• Circuito muy eficiente desde el punto de vista de la energía

• Existen enlaces de alta frecuencia tambien, caso de prótesis auditivas, pero es en sistemas que proveen tb la energía. ( alta velocidad en 1 sentido normalmente)

Telemetría: Enlaces a HF¿Se pueden realizar enlaces a alta frecuencia?

SI CLARO!!

• Es la tendencia actual.

• Salvar problemas de consumo.

• Salvar problemas de antena.

• A veces es innecesario.

• El circuito es más comlejo , desde el punto de vista del ASIC un enlace de HF implica tecnoogía y packaging particular.

Telemetría: Ejemplo enlace a HFEjemplo: circuitos de Zarlink, específicos para implantables. ZL70250

Telemetría: Enlaces a HFTendencia: Monitoreo remoto del paciente

Problemas: seguridad informática, privacidad

Telemetría: Enlaces a HF – tendencia.

Unidad de control (CPU)

Funciones deSensado

Telemetría

Batería

Esquema general de un registrador de movimiento:

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