Revision: Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches

  Este artículo muestra un C-WPDT resonante, con frecuencia de portadora entre 0.1 y 3.5 MHz hasta 170 kbps para implantes biomédicos a 8mm. En el transmisor se compone de circuito de administración  a de energía, un microcontrolador MSP430F5528, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D. en el receptor usa rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico , parches flexibles, conformables y biocompatibles, alcanzando una potencia de 150 mW y una eficiencia del 54\% en piel de 1,5 a 2 mm de espesor

• Estructura del sistema: El sistema C-WPDT consta de una unidad lateral externa y una unidad lateral del implante, ambas fabricadas en placas de circuito impreso (PCB). La unidad externa incluye componentes como un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D, mientras que la unidad de implante incluye un rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico [1].

• Fases de operación: el sistema funciona mediante redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos flexibles. Incluye una sección de calibración autorresonante para compensar las variaciones de los parámetros de la interfaz en tiempo real. El sistema logra la transferencia simultánea de energía y datos a través del tejido ex vivo para controlar un estimulador eléctrico [2].

• Hardware clave: Entre los componentes de hardware más destacados se incluyen un controlador de potencia de clase D con ajuste automático de resonancia y un decodificador de datos adaptativo en la parte del implante para una recuperación de datos fiable [1] [3].

• Parámetros logrados: El objetivo del sistema es mejorar la eficiencia de la transferencia de energía (PTE) y la pérdida de suministro de energía (PDL) ajustando las frecuencias de resonancia y utilizando parches flexibles, conformes y biocompatibles. Se logra un PTE máximo de 54 a una frecuencia de operación baja de 1,6 MHz [4].

  
  
  

• Información relevante para el diseño: El sistema utiliza una técnica de calibración de la frecuencia portadora sin necesidad de retrotelemetría, lo que proporciona alimentación inalámbrica y capacidades de transferencia de datos. Funciona a bajas frecuencias para gestionar la desintonización resonante de forma eficaz con un presupuesto de energía reducido [5].

• Metodología: La metodología consiste en utilizar redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos, implementar la calibración autorresonante para obtener una compensación en tiempo real y lograr la transferencia inalámbrica de energía y datos a través del tejido [2].

• Resultados: El sistema demuestra satisfactoriamente las capacidades inalámbricas de transferencia de datos y alimentación a través del tejido, lo que permite lograr mejoras significativas en la PTE y la PDL. El sistema funciona de manera eficiente a bajas frecuencias, lo que simplifica los requisitos de diseño [4] [2].

• Conceptos teóricos: El sistema explica conceptos como el ajuste de la frecuencia de resonancia, el ajuste de la red de distribución de energía y el impacto de la flexión en los parámetros de los parches. Destaca la importancia de comprender los parámetros de enlace para la gestión de los cambios de frecuencia [6].

• Aplicaciones: El sistema C-WPDT encuentra aplicaciones para alimentar y controlar estimuladores eléctricos de forma inalámbrica a través del tejido, lo que demuestra su potencial en las tecnologías de implantes biomédicos [2].

El WPDT capacitivo (C-WPDT)

Los parches flexibles y conformables

una técnica de calibración de frecuencia portadora para la estrategia C-WPDT con parches flexibles sin necesidad de retrotelemetría

 Discutimos el modelo de interfaz CWPDT subyacente y el diseño del sistema en la Sección II,

 la configuración experimental y los resultados en la Sección III, 

y las conclusiones en la Sección IV

Usos

 implantes biomédicos a través de un enlace capacitivo resonante.

Materiales

láminas de cobre encapsuladas en Kapton

estructura

 Se adoptan parches flexibles, conformables y biocompatibles con una técnica de calibración automática de frecuencia resonante por primera vez. 

Se han desarrollado una red de retroalimentación de voltaje, un controlador de clase D y un algoritmo personalizado para la calibración de baja sobrecarga. 

Diagrama de bloques del sistema de unidades externas e internas (IMD) para energía inalámbrica y telemetría de datos mediante parches capacitivos

Diseño del sistema El sistema de implante C-WPDT propuesto adopta una red sintonizada resonante mediante el uso de parches capacitivos flexibles con superficie aislada (P1 a P4). El diagrama de bloques del sistema se muestra en la Fig. 3 (a). El lado/unidad externo consta de un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth de baja energía (BLE), un controlador Clase D (un convertidor de puente H que incluye interruptores S1 a S4 junto con inductores de sintonización resonantes L1 y L2) y una red de retroalimentación para una operación automática de calibración de frecuencia resonante. El lado del implante consta de un puente rectificador Schottky, un filtro condensador, un circuito de gestión de energía, un decodificador de datos adaptativo, un microcontrolador de potencia ultrabaja y un estimulador eléctrico. El implante y las unidades externas se realizan en placas de circuito impreso (PCB), como se analiza más adelante en la Sección III

Parametros

Experimentos basados ​​en tejido de piel de pollo ex vivo con parches capacitivos conformables y flexibles de 4 cm2 demostraron el método.  

Los resultados experimentales muestran que la potencia entregada a la carga (PDL) del enlace se extiende hasta 150 mW 

 la máxima eficiencia de transferencia de potencia (PTE) del enlace es del 54%. 

Se ha logrado una transferencia de datos simultánea con una velocidad de hasta 170 kbps 

junto con la transferencia de potencia utilizando tejido de piel biológica de 1,5 a 2 mm de espesor.

Funcionamiento

(a) Diagrama de bloques del sistema de unidades internas y externas (IMD) para telemetría de datos y energía inalámbrica mediante parches capacitivos. (b) La arquitectura de la calibración automática de frecuencia de resonancia junto con la red de retroalimentación. (c) Un algoritmo de detección de picos digitales para la calibración o sintonización automática de frecuencia de resonancia.

Configuración de medición utilizando sondas diferenciales activas (AD) para adquisición de datos PTE y PDL.

 presentó un esquema capacitivo para transferir energía y datos simultáneamente a través de tejidos de piel biológicos in vitro. Los parches capacitivos presentados son flexibles, conformables y biocompatibles, y están hechos de láminas de cobre encapsuladas en Kapton.

 Se ha desarrollado un controlador de potencia basado en amplificador de clase D, una red de retroalimentación y un algoritmo novedoso que presenta calibración y ajuste automáticos de la frecuencia portadora resonante.

 El esquema demostró un enfoque práctico para compensar los cambios en los parámetros del modelo de enlace capacitivo equivalente, sin ningún hardware adicional en el lado del implante o telemetría posterior. También se ha informado de una demostración de aplicación para controlar un estimulador eléctrico implantable a través de una aplicación de teléfono inteligente.

La salida de un solo extremo se alimentó a un ADC de 12 bits en el microcontrolador (MSP430F5528, Texas Instruments, EE. UU.). El firmware lee los datos del ADC mientras recorre un rango de frecuencias portadoras (por ejemplo, 100 kHz a 3,5 MHz; 70 kHz o 48 pasos). El voltaje portador óptimo/más alto posible aparece entre los parches P1 y P2, a una frecuencia de resonancia particular. El microcontrolador registra el voltaje y la frecuencia correspondientes a través del hardware de la red de retroalimentación, así como el algoritmo de detección de picos digital en el software

Bibliografia

[1] S. Nag, A. Koruprolu, S. M. Saikh, R. Erfani, and P. Mohseni, “Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 67, no. 10, pp. 1804–1808, Oct. 2020, doi: 10.1109/TCSII.2019.2955568.