Ultrasone communicatie doorheen het menselijk lichaam

Geïmplanteerde of ingeslikte medische apparaatjes helpen bij het gelokaliseerd diagnosticeren of behandelen van verschillende belangrijke ziektes. Bijvoorbeeld, het cochleair implantaat stimuleert een elektrode in uw slakkenhuis, of de endoscopische pil visualiseert de binnenkant van uw spijsverteringskanaal. Deze medische apparaatjes hebben vaak een draadloze communicatieverbinding doorheen het menselijk lichaam om zo monitoring, configuratie en controle van buitenaf mogelijk te maken. Deze communicatieverbinding wordt zorgvuldig geoptimaliseerd om een betrouwbare en veilige link te verkrijgen, waarbij een hoge datasnelheid wordt gecombineerd met een laag energieverbruik.

Er bestaan verschillende technologieën voor deze communicatie doorheen het lichaam, ontstaan door de noodzaak aan verschillende datasnelheden en implantatiedieptes. Ultrasone communicatie heeft een lagere verzwakking in het menselijk lichaam in vergelijking met elektromagnetische golven, en biedt intrinsiek een veiligere verbinding omdat de ultrasone golven binnen het lichaam blijven. Bovendien is het een veilige technologie, wat wordt benadrukt door de geprefereerde manier om aan beeldvorming in de baarmoeder te doen. In vergelijking met andere communicatie technologieën in het lichaam, beloven ultrasone golven een lagere verzwakking van het kanaal en kortere golflengte. Dit leidt tot een beter ontwerp in de trade-off driehoek, gevormd door de transducer/antenne grootte, de data snelheid en de afstand door het lichaam.

De meest recente op ultrasone golven gebaseerde systemen maken echter gebruik van grote transducers die niet geschikt zijn voor implantatie, of ze missen een verificatie op hardware met beperkt energiebudget. Bovendien maken velen gebruik van een niet multipath-tolerante communicatiemodem, terwijl het menselijk lichaam juist veel ultrasoon reflecterende materialen bevat zoals botten en luchtbellen.

Dit werk wil de afstand, betrouwbaarheid en miniaturisering van de communicatie link doorheen het lichaam verbeteren door middel van ultrasone golf technologie. Meer specifiek richt het zich op symmetrische transceiver toepassingen, zoals die in draadloze communicatie in het lichaam, waar een geïmplanteerde sensor communiceert met een andere geïmplanteerde verwerkingseenheid of stimulator. Bij dergelijke toepassingen is de datasnelheid bescheiden (0.1-1Mbps), terwijl de communicatieafstand in het lichaam groter moet zijn dan 10cm.

Dit werk verbetert de communicatie link op vier verschillende ontwerpniveaus. Het menselijk lichaam beweegt voortdurend, waardoor de oriëntatie van de transducer en dus het communicatiekanaal doorheen de tijd veranderen. Daarom stelt dit werk voor om kleine omni-directionele transducers te gebruiken. Bijkomend doet dit echter de multipath in het kanaal toenemen, en verslechtert de ontvangen signaal-ruisverhouding (SNR).

Er bestaan geen kanaalmodellen voor ultrasone communicatie door het lichaam met kleine transducers. Daarom karakteriseert dit werk dergelijke lichaamskanalen door ze realistisch na te bootsen met gelatinefantomen en ex-vivo biomedisch weefsel. De metingen resulteren in een kanaalverzwakking van 55-105dB, inclusief akoestische transducerverliezen, en de multipath spreiding valt binnen een duur van 100-150us. Verder toont een beperkte dynamisch experiment op een verdoofd varken een tijdsstabiliteit van 30ms aan.

Na de karakterisering van het kanaal wordt de communicatiemodem geoptimaliseerd voor hoge datasnelheid en een energie-efficiënte communicatie. De multipath beperkingen in het kanaal worden aangepakt met een op maat gemaakte orthogonale frequentie-delings multiplexings (OFDM) modulatie die geoptimaliseerd is voor de hardware en energie-behoeften van een geminiaturiseerd implantaat. Simulaties tonen een x10 verbetering van de link betrouwbaarheid op moeilijke multipath kanalen t.o.v. een niet-gecompenseerde QAM modem. Ex-vivo metingen op biomedisch weefsel van 10cm lengte bereiken een datasnelheid van 340kbps bij een bit-error ratio (BER) lager dan 1e-4.

Tot slot wordt de miniaturisatie en energiebehoeften van het apparaat aangetoond door de demonstratie van een compacte, eind-tot-eind transceiver geïntegreerde schakeling, die de eerste ultrasone door-lichaam OFDM transceiver ASIC vertegenwoordigt. Deze ASIC is herconfigureerbaar gemaakt d.m.v. een Tx/Rx frond-end met dynamisch bereik van 50dB, een flexibele modulatiediepte en bandbreedte en herprogrammeerbare basisband algoritmes. Ex-vivo communicatie experimenten op een 14cm lang biomedisch weefsel bereiken een 470kbps datasnelheid met een BER van 3e-4. Deze experimenten zijn niet beperkt in SNR aan de ontvanger, maar door multipath in het kanaal, waaruit volgt dat een multipath-tolerante modem, zoals OFDM, noodzakelijk is voor de betrouwbare, energiezuinige, geminiaturiseerde communicatie door het menselijk lichaam.