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Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas
Implantables.
Dr. Alfredo ArnaudDepartamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad Católica del Uruguayhttp://die.ucu.edu.uy/microdie
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I.I. IntroducciónIntroducción
Bloques de un sistema Bloques de un sistema implantable.implantable.
A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.
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Esquema general un dispositivo médico implantable.
Unidad de control (CPU)
Funciones deSensado
Funciones deEstímulo
Telemetría
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Esquema general un dispositivo médico implantable.
Unidad de control (CPU)
Funciones deSensado
Funciones deEstímulo
Telemetría
ELECTRODOSTEJIDO BIOLÓGICO
SENSORES
- MÉDICO- UNIDAD EXTERNA IMPLANTE
La batería condiciona todo el implantable, tal vez es el punto de partida del diseño.
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Funciones de Funciones de
Estímulo y sensado.Estímulo y sensado.
A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.
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Funciones de Estímulo - Generalidades
• Se entregan pulsos controlados de corriente o tensión por un electrodo en contacto con el tejido.• Pulsos de hasta algunas decenas de V en casos normales (o 1000V ICD!) por lo que es habitual el uso de tecnología HV en los circuitos integrados.
Stimuli Generator
V I
Switch
Electrode
Tissue
Control
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Conecta el tejido con el dispositivo biomédico. Entre el material conductor y tejido hay una INTERFAZ compleja.
Electrodo Marcapasos
Elctrodo tipo cuff, para ENG
Funciones de Estímulo
Electrodo
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Funciones de Estímulo - Generalidades
• Pulsos desde 100uA a decenas de mA.
• Se puede tratar de 1 solo pulso, o trenes de pulsos … dede 100s a varios ms de duración
Stimuli Generator
V I
Switch
Electrode
Tissue
Control
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• La conducción en el medio biológico se da por iones =>
• La corriente genera un fenómeno de electrólisis que, si es continuo en el tiempo provoca un daño irreversible.
• Todo estímulo en promedio debe ser eléctricamente neutro, la carga que se entrega se retira luego. Concepto de balance de carga.
Funciones de Estímulo
Electrodo – Balance de Carga
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Funciones de Estímulo - Generalidades
- Los circuitos para estímulo de sistemas biológicos, son en general secretos muy bien guardados en las empresas. Por la necesidad de tecnología HV pero también porque se evita soluciones complejas , no es un tema de interés en la academia.
- Los circuitos de estímulo se trata de elevadores de tensión, llaves de control de flujo de corriente, fuentes de corriente.
- Todo debe verificar normas de seguridad al interactuar con el cuerpo humano
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Ejemplo:HV DAC para estimulo cardiaco (de Wong et al, JSSC 2004)
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Ejemplo:Elevador de tensión (de Wong et al, JSSC 2004)
Para generar hasta aprox. 7.5V (x3VDD) a partir de una sola batería de 2.8V nominales.
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Estímulo - Balance de carga
- Al estimular tejido, no puedo entregar una corriente (carga) neta, puesto que se producen daños irreversibles (procesos electro-químicos)
SIEMPRE al estimular debo asegurar carga neta 0 al tejido.
- Existen muchas formas de hacer esto … a través de una fase de balance de caga, con un estímulo bipolar, etc. (estudiar literatura, caso marcapasos, etc)
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Funciones de sensado en sistemas implantables:
- Se mide o bien señales eléctricas presentes en el cuerpo mediante electrodos , o bien la salida de sensores implantados (ejemplo sensores de movimiento, de presión, ópticos, o químicos como oxígeno en sangre, glucosa).
- Se trata de señales de frecuencia en escala biológica, (DC hasta algunos kHz), en general de muy baja amplitud y a veces inmersas en una señal en modo común muy grande.
- => se deben desarrollar amplificadores y filtros de muy bajo ruido, muy bajo consumo de energía, alto CMRR.
- Variabilidad, no siempre importa una función de transferencia precisa. De un ser humano a otro la amplitud, frecuencia de las señales varía mucho. A veces tengo límites por las normas y otras veces no.
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Funciones de sensado: algunas señales usuales
Amplitud pequeña
Amplitud pequeña
Baja frecuenciaBaja frecuencia
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Fuente de Fuente de alimentación.alimentación.
A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.
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Alimentación:
Alimentación Batería No-recargable
Recargable
Acople inductivo (RF)
IMPORTANTE: La fuente de alimentación,es el punto de partida de todo diseño. ESPECIALMENTE en este caso.
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Alimentación:
• Greatbatch
• Quallion
Pocos fabricantes de baterías para productos médicos. (no quiere decir que otras no se puedan usar).
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
• Lo más común es marcapasos, se utilizan baterías de Litio-Yodo de 900mAh a 2500mAh.
• Tensión nominal2.8V
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
• Problema: la impedancia serie de la batería aumenta con el uso de la misma.
• Entender bien la batería antes de diseñar el ASIC!!!
• Elemento muy no lineal, curvas de descarga dependen de la corriente de carga, temperatura, envejecimiento de la batería.
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
Ejemplo de especificaciones de batería comercial para dispositivo médico implantable de 1200mAh.
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
•La capacidad de este tipo de baterías depende del uso.
•En las especificaciones falta información de R(t).
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
• La resistencia interna de las baterías primarias implantables es alta.• Normalmente se utilizan capacitores de filtrado para entregar picos de energía.
RBat
VBat Battery Can
Pace
mak
er
VDD
VSS
CF=47F
IL
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Alimentación:Baterías primarias (no-recargable)
La batería debe durar años sin ser sustituida.Alguna especificaciones para un ASIC de marcapasos (o dispositivo con batería similar):
• Tensión de operación de 2.8 a 2V (aunque por debajo de 2.4V funciones restringidas)
• Consumo medio de corriente < 10A p.ej
• Picos de corriente menores de 5mAx10ms !!
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Alimentación:Baterías secundarias (recargable)Baterías recargables:
• Lo más común es de litio, similar a otras recargables en dispositivos portátiles.
• Tensión nominal3.4V – 4.2V
• Soportan consumosde varios mA(incluso Amperes)
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Alimentación:Baterías secundarias (recargable)
Ejemplo de especificaciones de batería comercial recargable para dispositivo médico implantable.
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Alimentación:Baterías secundarias (recargable)• La recarga se realiza en general por RF,
a través de la piel.
• ASIC cargador debe tener en cuenta normas ( P.Ej. dT < 2ºC )
• La batería debe de durar muucho, lo más posible entre recargas para un producto práctico.
• Los productos comerciales NO usan baterias recargables si pueden evitarlo. (Por confort del paciente)
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Telemetría.Telemetría.
A.Arnaud – M.Miguez, “Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”.
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Telemetría:
Telemetría = transmisión / recepción de datos desde y hacia el dispositivo.
• Primer telemetría = 1 imán
• Luego enlaces inductivos
• En la actualidad se utilizan enlaces de varios MHz, ya sea por acople inductivo o con tranceptores controlados por cristal (si es en ambos sentidos). Se utilizan antenas patch pegadas a la carcaza, y otras tecnologías innovadoras.
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Telemetría:
• Funcionan bien en marcapasos, antena es una bobina dentro del dispositivo.
• Circuito muy simple pero bajo ratio de transferencia y problemas de ensamblado y ajuste.
Originalmente se utilizaron (y utilizan aun) enlaces inductivos a través de la piel, para transmitir datos, e incluso proveer energía al sistema.
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Telemetría:• Transmisión normalmente OOK.
• Circuito muy eficiente desde el punto de vista de la energía
• Existen enlaces de alta frecuencia tambien, caso de prótesis auditivas, pero es en sistemas que proveen tb la energía. ( alta velocidad en 1 sentido normalmente)
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Telemetría: Enlaces a HF¿Se pueden realizar enlaces a alta frecuencia?
SI CLARO!!
• Es la tendencia actual.
• Salvar problemas de consumo.
• Salvar problemas de antena.
• A veces es innecesario.
• El circuito es más comlejo , desde el punto de vista del ASIC un enlace de HF implica tecnoogía y packaging particular.
![Page 33: Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables. Dr. Alfredo Arnaud Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Católica del](https://reader033.vdocuments.co/reader033/viewer/2022061305/54aebd01497959435e8b4c91/html5/thumbnails/33.jpg)
Telemetría: Ejemplo enlace a HFEjemplo: circuitos de Zarlink, específicos para implantables. ZL70250
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Telemetría: Enlaces a HFTendencia: Monitoreo remoto del paciente
Problemas: seguridad informática, privacidad
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Telemetría: Enlaces a HF – tendencia.
Unidad de control (CPU)
Funciones deSensado
Telemetría
Batería
Esquema general de un registrador de movimiento:
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