Neuromodulador implantável com alimentação e comunicação sem fios em tecnologia RFCMOS 180 nm

Abstract

Existem diversas patologias associadas ao cérebro que não podem ser tratadas com o recurso a medicamentos. Para estas, é necessária a utilização de outro tipo de abordagens de tratamento. Um exemplo de uma doença neurológica que apresenta resistência a medicamentos é a epilepsia. Vários são os métodos alternativos para o tratamento desta doença, sendo a modulação térmica um deles. Apesar da elevada eficiência deste método, existem poucos dispositivos capazes de realizar este tipo de modulação, sendo que a maioria se encontra em investigação. Posto isto, é necessária a criação de sistemas de controlo para este tipo de modulação. O objetivo desta dissertação passa pela elaboração de um chip que possa ser usado como controlador de um neuromodulador térmico. Este chip controla a saída de uma fonte de corrente, limitando a corrente que atravessa o Peltier. No desenvolvimento do chip considerou-se que o sistema possui uma bateria como elemento armazenador de energia, sendo possível o seu carregamento sem fios, através da técnica de RF powering. Este dispositivo possui também comunicação bidirecional sem fios (com modulação OOK). Tanto as comunicações sem fios como o carregamento foram projetados para operar a uma frequência de 2 GHz. O chip foi fabricado utilizando a tecnologia UMC 0.18 μm CMOS e apresenta as dimensões de 1.5 x 1.5 !!". O seu consumo é de 17 mW quando se encontra com as suas funcionalidades reduzidas (emissor e fonte de corrente desligados) e 222 mW com todas as suas funcionalidades ativas. Este tipo de dispositivos apresenta diversas limitações e devem ser desenvolvidos tendo em conta alguns requisitos tais como: dimensão e capacidade de integração, consumo de energia, elemento armazenador de energia, fonte de energia, comunicação sem fios e o tipo de modulação. O chip desenvolvido, apesar de respeitar todos os requisitos referidos anteriormente, apresenta algumas características que ainda não se encontram otimizadas. Tal será feito numa próxima versão deste sistema. Adicionalmente, este dispositivo será implantado e testado em ratos.

There are several pathologies associated with the brain that cannot be treated with medication. For this type of pathologies, it is necessary to use other approaches. An example of a neurological disease that is drug resistant is epilepsy. There are several alternative methods for the treatment of this disease, with thermal modulation being one of them. Despite of the high efficiency of this method, there are few devices capable of performing this type of modulation, and most are under investigation. Therefore, it is necessary to create control systems for this type of modulation. The aim of this dissertation is to elaborate a chip that can be used as a thermal neuromodulator controller. This chip controls a current source which has its output current regulated, limiting the current that flows through the Peltier. In the development of this chip it was considered that the system has got a battery as the energy storage element, being possible to charge it wirelessly through RF powering. This device also has got bidirectional wireless communication (with OOK modulation). Both wireless communications and charging were designed to operate at a frequency of 2 GHz. The chip was fabricated using UMC 0.18 μm CMOS technology and measures 1.5 x 1.5 !!". Its power draw is 17 mW when it has its functionalities reduced (emitter and current source turned off) and 222 mW with all its functionalities active. This type of device has several limitations and must be developed taking into account certain requirements such as: size and integration capacity, power consumption, energy storage element, power source, wireless communication and type of modulation. The developed chip, despite complying with all the requirements mentioned above, presents some features that are not yet optimized and should be optimized in an upcoming version of it. Furthermore, this device will be implanted and tested in rats.