Transcutaneous Transmission Systems (TTS) for Active Implantable Medical Devices(AIMD) Εφαρμογές Τηλεπικοινωνιακών Διατάξεων Μάιος 2013 Ευθυμιάδης Ιωάννης

Η αφετηρία του προβλήματος και ο επεμβατικός χαρακτήρας της επιστήμης 2

Early BioMed Engineer 3

4 Cochlear Implant Artificial Heart Retinal Implant

5 o Richard Feynman 1959 o Διάλεξη με τίτλο « There’s plenty of room at the bottom» o Μικροσκοπικά χειρουργικά ρομπότ οδηγούνται μέσω των αιμοφόρων αγγείων στην καρδιά o Εκεί εκτελούν τοπικές χειρουργικές επεμβάσεις o Στέλνουν σήματα σε εξωτερικούς ελεγκτές o Παραμένουν για πάντα ενσωματωμένα στο ανθρώπινο σώμα Το όραμα του Feynman

6  Nanotechnology  Microelectronics  Biomedical Engineering Implantable Medical Devices Implantable Biomedical Microsystems(IBMs)

7 Αντικαθιστά μία εκλιπούσα βιολογική δομή Υποστηρίζει μία κατεστραμμένη βιολογική δομή Ενισχύει μία υπάρχουσα βιολογική δομή Εμφύτευμα (implant) Μία ιατρική συσκευή

8 Μία ενεργή ιατρική συσκευή (active medical device) ορίζεται ως κάθε ιατρική συσκευή που βασίζεται για την λειτουργία της σε μία πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή κάθε άλλη πηγή ενέργειας η οποία δεν προέρχεται απευθείας από το ανθρώπινο σώμα ή τη βαρύτητα. Μία ενεργή εμφυτεύσιμη ιατρική συσκευή(Active Implantable Medical Device - AIMD) ορίζεται ως κάθε ενεργή ιατρική συσκευή η οποία προορίζεται να εισαχθεί μερικώς ή ολικώς, με χειρουργικό ή άλλο ιατρικό τρόπο, στο ανθρώπινο σώμα ή με κάποια ιατρική παρέμβαση σε μία φυσική κοιλότητα, και που προορίζεται να παραμείνει μετά την επέμβαση. COUNCIL DIRECTIVE of 20 June 1990 on the approximation of the laws of the Member States relating to active implantable medical devices (90/385/EEC)

9 Active implantable medical devices Implantable cardiac pacemakers Implantable defibrillators Cochlear implants Implantable nerve stimulators (FES) Limb function stimulation Bladder stimulators Sphincter stimulators Diaphragm stimulators Dropped – Foot stimulator Implantable active monitoring devices

10 Characteristics of Active Implantable Medical Devices(AIMD)  Low Power Consumption  High Reliability  Low Voltage Signals  Low Frequencies  Small Size  High transmission data rate

11 Typical Power Requirements of AIMDs

12 Dana Vollmer Long QT Syndrome

13 Implanted Devices Sensors (measure body temperature, blood pressure, detect respiratory, cardiac and arterial wall movements) Stimulators (Cochlear stimulators, Functional Electrical Stimulators – FES)

14 Το ανθρώπινο σώμα  Πώς ορίζουμε την πληροφορία μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό;  Στο ανθρώπινο σώμα λαμβάνει συνεχώς χώρα η λήψη σημάτων, η μετάδοση της πληροφορίας και η λήψη αποφάσεων  Σύνθετοι ηλεκτροχημικοί μηχανισμοί

15 The Nervous System Central Nervous System BrainSpinal Cord Peripheral Nervous System

16 o Καταγραφή ηλεκτρικής δραστηριότητας των κυττάρων o Συνάψεις μεταξύ των κυττάρων o Μετάδοση των νευρικών ώσεων Ενίσχυση ή αντικατάσταση κατεστραμμένων αισθήσεων και βασικών λειτουργιών Ανθρώπινη Επέμβαση Ανθρώπινη Προστασία

17 Η εξέλιξη των συστημάτων και η σημασία της ασύρματης τεχνολογίας  Ένα εμφύτευμα χρειάζεται ενέργεια για να λειτουργήσει  Πώς θα λάβει αυτήν την ενέργεια ;  Επικοινωνία με τον εξωτερικό κόσμο  Στην πρώιμη μορφή τους οι εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές ήταν συνδεδεμένες μέσω καλωδίων που διαπερνούσαν το δέρμα με αντίστοιχες εξωτερικές Percutaneous transmission (Διαδερμική επικοινωνία)

18 Percutaneous Transmission (artificial heart) Δυσκολία κίνησης του ασθενή Κίνδυνος μόλυνσης Προσθήκη μπαταρίας (pacemaker) Διάρκεια ζωής Μέγεθος Ανάγκη για ασύρματη επικοινωνία Transcutaneous Energy Transfer(TET) System Biomedical Telemetry System – Data transfer Combination of power and data transfer Transcutaneous Implantable Biomedical Microsystem(IBM)

percutaneous transcutaneous 19 Battery - generated Battery less

Transcutaneous Vs. Percutaneous 20

21 o Η ζεύξη υλoποιείται επαγωγικά (inductive link) o Διαδερμικός μετασχηματιστής (transcutaneous transformer) o To πρωτεύον με το δευτερεύον διαχωρίζονται από το ανθρώπινο δέρμα o Διαδερμική, ασύρματη μεταφορά ενέργειας και πληροφορίας o Ο όρος τηλεμετρία αναφέρεται στη μεταφορά δεδομένων System Architecture

22 Το εξωτερικό μέρος αποτελείται από ένα διαμορφωτή (modulator) και έναν ενισχυτή ισχύος (power amplifier) Το εσωτερικό μέρος αποτελείται από ένα ρυθμιστή τάσης(voltage regulator) και έναν αποδιαμορφωτή(demodulator) Δομή ενός συστήματος ασύρματης διαδερμικής μεταφοράς ενέργειας και πληροφορίας  Η ροή της ισχύος έχει μία κατεύθυνση  Η ροή των δεδομένων είναι αμφικατεθυντική(bidirectional)

23  Uplink transmission or reverse data telemetry  Downlink transmission or forward data telemetry

24 Loosely-Coupled Transformer

25 Πώς όμως γίνεται η μετάδοση της πληροφορίας ; Διαμορφώνοντας μία ιδιότητα ενός φέροντος την πληροφορία σήματος  Πλάτος - Amplitude shift keying (ASK)  Συχνότητα - Frequency Shift Keying (FSK)  Φάση - Phase Shift Keying (PSK)

26  Θέλουμε να μεταδώσουμε όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια  Αύξηση συχνότητας  Η διάχυση της ισχύος(power dissipation) στο βιολογικό ιστό είναι ανάλογη του τετραγώνου της συχνότητας  Αύξηση θερμοκρασίας του ιστού  Περιορισμός στην τιμή της συχνότητας  Οι συχνότητες κυμαίνονται στην περιοχή των μερικών δεκάδων MHz

27  Ψηφιακές Τεχνικές Διαμόρφωσης  Μία ακολουθία από bits διαμορφώνει το φέρον σήμα The Federal Communications Commission  Electromagnetic Compatibility  Human Safety

28  Στην περίπτωση των διαδερμικών συστημάτων μετάδοσης, ο θόρυβος είναι μικρός σε βαθμό που δεν επηρεάζει πρακτικά την απόδοση του συστήματος  Η επικρατούσα τεχνική διαμόρφωσης είναι η ASK διαμόρφωση Data-rate-to-carrier-frequency (DRCF) ratio Measure of the amount of data successfully modulated on a certain carrier frequency

29 Binary and ASK signalsFrequency response of primary and secondary coils

30 Οι ενισχυτικές διατάξεις (Power Amplifiers) Ενισχυτές υψηλής απόδοσης

31 Οι βιολογικές επιπτώσεις  Το ανθρώπινο σώμα «αντιδρά» στην παρουσία του μαγνητικού πεδίου  Κίνδυνος να προκληθούν ανεπανόρθωτες βλάβες στους βιολογικούς ιστούς εξαιτίας της αύξησης της θερμοκρασίας

32 Εφαρμογές Various clinical applications or fundamental studies  Neural prostheses (NP) : Αποκατάσταση δυσλειτουργιών που προέρχονται από την απουσία των δυναμικών διέγερσης (action potentials) cochlear prosthesis, artificial vision, cardiac pacemakers, bladder controllers, functional neuromuscular stimulators  Biological Signal Processing and Monitoring

33 The Cochlear Implant

Schematic Diagram of the Cochlear Implant 34

35 The Future Wireless Implantable Microsystems for Neural Recording

36 Brain Wave Communication

37 Πηγές και αναφορές 1.Implantable Biomedical Devices :Wireless Powering and Communication - Anatoly Yakovlev, Sanghoek Kim, and Ada Poon, Stanford University / IEEE Communications Magazine April Transcutaneous Power And High Data Rate Transmission For Biomedical Implants - Ghazi Ben Hmida, Mohamed Dhieb, Hamadi Ghariani & Mounir Samet / 2006 IEEE 3.BIOMEDICAL TELEMETRY:COMMUNICATION BETWEEN IMPLANTED DEVICES AND THE EXTERNAL WORLD - Asimina Kiourti / Opticon1826, Issue 8, Spring COUNCIL DIRECTIVE of 20 June 1990 on the approximation of the laws of the Member States relating to active implantable medical devices (90/385/EEC) - Official Journal L 189, 20/07/1990 P – Transcutaneous Energy Transfer System for Powering Implantable Biomedical Devices - T. Dissanayake, D. Budgett, A.P. Hu, S. Malpas, and L. Bennet / IFMBE Proceedings Vol Wireless Telemetry for Implantable Biomedical Microsystems - Farzad Asgarian and Amir M. Sodagar / 7.Transcutaneous Energy and Information Transfer for Biomedical Implants - Roger P. Gaumond / 1994 IEEE 8.An Inductive Link-Based Wireless Power Transfer System for Biomedical Applications - M. A. Adeeb, A. B. Islam, M. R. Haider, F. S. Tulip, M. N. Ericson, and S. K. Islam / Active and Passive Electronic Components Volume 2012, Article ID , 11 pages 9.Modulation Techniques for Biomedical Implanted Devices and Their Challenges - Mahammad A. Hannan, Saad M. Abbas, Salina A. Samad and Aini Hussain / Sensors 2012, Transcutaneous Inductive Powering Links Based on ASK Modulation Techniques - S. M. Abbas, M. A. Hannan, S. A. Samad, A. Hussain / World Academy of Science, Engineering and Technology

Designing Transcutaneous Inductive Powering Links for Implanted Micro-System Device - Saad Mutashar Abbas, M. A. Hannan, S. A. Samad, and A. Hussain / World Academy of Science, Engineering and Technology Inductive Link Design for Medical Implants - Hussnain Ali, Student Member IEEE, Talha J Ahmad, Shoab A Khan / 2009 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA 2009), October 4-6, 2009, Kuala Lumpur, Malaysia 13.ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ - ΣΕΡΓΙΑΔΗΣ Δ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ / Ιανουάριος A Wideband Frequency-Shift Keying Wireless Link for Inductively Powered Biomedical Implants - Maysam Ghovanloo, Member, IEEE, and Khalil Najafi, Fellow, IEEE / IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I: REGULAR PAPERS, VOL. 51, NO. 12, DECEMBER CCC Medical Devices presentation

39 Περισσότερες πληροφορίες στη σελίδα του μαθήματος radar.ee.auth.gr