Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Design of Inductive Coupling for Powering andCommunication of Implantable Medical Devices
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT).
2012 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Technological advances over the years have made it possible to reduce the size and power consumption of electronics. This has led to significant advances for biomedical sensors. It is now possible to reduce the size enough to create implantable sensors. This type of sensors can for instance be used to measure the glucose level of diabetes patients. An implantable sensor can significantly simplify the measurement procedure. Taking a measurement can be as simple as turning on a device, capable of receiving the data sent by the sensor.

Unfortunately, the lifetime of this type of sensors can be limited by the battery of the implanted sensor. To improve the lifetime, the battery has to be replaced. Instead of a battery, energy harvesting can be used. One promising such method is to transfer power from outside the body to the implanted sensor. This thesis focuses on one such way, inductive coupling. Inductive coupling, can be used both to transfer power from an external device to the sensor, and to transfer data from the sensor to the external device.

In this thesis a system for wireless power transfer has been proposed. The system is based on state of the art circuits for inductive powering and communication, for implantable devices. The system is adapted for powering an implantable biomedical sensor including a PIC16LF1823 microcontroller. The system includes asynchronous serial communication, from the microcontroller in the implantable device to the external reader device using load shift keying.

The external device of the system, has been implemented in two different versions, one using a printed circuit board (PCB), and one simplified version using a breadboard. The implantable device has been implemented in three different versions, one on a PCB, one simplified version using a breadboard and finally one application specific integrated circuit (ASIC). All three implementations of the implantable devices use a resistor to simulate the power consumption of an actual biomedical sensor. The ASIC implementation contains only the parts needed for receiving power and transmitting data. The ASIC was designed using a 150nm CMOS process.

The PCB implementations of both devices have been used to measure the system performance. The maximum total power consumption was found to be 107 mW, using a 5 V supply voltage. The maximum distance for powering the implantable device was found to be 4.5 cm in air. The sensor, including the microcontroller, is provided with 648 μW of power at the maximum distance. A raw data rate of 19200 bit/s has been used successfully to transfer data. Additionally, oscilloscope measurements indicates that a data rate close to 62500 bit/s could be possible.

Simulations of the proposed ASIC show that the minimum total voltage drop from the received AC voltage to the regulated output voltage is 430 mV. This is much smaller than for the PCB implementation. The reduced voltage drop will reduce the power dissipation of the implantable device and increase the maximum possible distance between the external device and the implanted devices. The ASIC can provide 648 μW of power at a coupling coefficient k=0.0032.

Abstract [sv]

Tekniska framsteg genom åren har gjort det möjligt att minska storleken och effektforbrukningen hos elektronik. Detta har lett till stora framsteg för biomedicinska sensorer. Det är nu möjligt att tillverka elektronik liten nog att användas i sensor implantat. En sådan sensor skulle till exempel kunna användas for att mäta glukos värden i blodet hos diabetes patienter. Ett sådant Implantat kan forenkla mätningar, genom att endast en mottagare behövs for att kunna få mätvarden från sensorn.

Livslängden för denna typ av sensor kan forbättras genom att undvika att använda ett batteri som energikalla. Istället kan energin överföras från en apparat utanför kroppen till implantatet. Denna rapport handlar om ett sadant sätt, namligen induktiv energiöverföring. Denna teknik kan användas både till att överfora energi till implantatet, och till att överfora data från implantatet till den externa enheten.

I den har rapporten beskrivs ett system for tradlös energiöverforing. Systemet ar baserat på den senaste tekniken for induktiv överforing, och har anpassats for att förse en sensor som inkluderar en PIC16LF1823 mikrokontroller. Systemet inkluderar också asynkron seriell kommunikation från mikrokontrollern i implantatet till den externa enheten genom att använda lastmodulering.

Den externa enheten har implementerats i två versioner. En full version på ett kretskort, samt en förenklad version pa ett kopplingsdäck. Tre versioner av kretsarna for implantatet har använts, en förenklad version på ett kopplingsdäck, en version på kretskort och en applikations specifik integrerad krets. Den applikations specifika integrerade kretsen har simulerats med modeller från en 150 nm CMOS tillverkningsprocess, medans de andra versionerna har konstruerats av diskreta komponenter och använts för mätningar.

Mätresultat från kretskortsimplementationen visar på en maximal räckvidd pa cirka 4,5 cm i luft, med en total effektforbrukning pa 107 mW. Vid det maximala rakvidden mottags 648 μW. En dataöverföringshastighet pa 19200 bitar/s har uppnåtts med kretskorts versionen. Mätningar med oscilloskop visar att det kan vara möjligt att öka överforingshastigheten till 62500 bitar/s.

Simuleringsresultat for den integrerade kretsen visar att det lägsta spänningsfallet från den mottagna växelspanningen till den reglerade likspänningen är 430 mV. Detta ar betydligt mindre for den integrerade kretsen än för kretskorts versionen, vilket resulterar i en lagre effektforbrukning och troligen en längre räckvidd för systemet. Den integrerade kretsen kan leverera 648 μW vid en kopplingsfaktor pa k=0.0032.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. , 79 p.
Series
Trita-ICT-EX, 2012:221
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-105112OAI: oai:DiVA.org:kth-105112DiVA: diva2:570045
Educational program
Master of Science - System-on-Chip Design
Uppsok
Technology
Examiners
Available from: 2012-11-16 Created: 2012-11-16 Last updated: 2012-11-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5106 kB)14986 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5106 kBChecksum SHA-512
2604ce3add497e72e58d46885e450cc862988d7f26ba55a7322ec9abb17310bb3feab5e6ee777cf2ea59e9ca76bcba29f77992eeb2adef81ad217cae653135f2
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Information and Communication Technology (ICT)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 14986 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 61771 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf