Die Lösung sind meist dünne Nabelkabel zum Schädel.
Diese Kabel müssen sehr flexibel sein, da das Gehirn im Schädel fixiert ist, sondern in der Flüssigkeit (Liquor cerebrospinalis – „CSF“) in der Schädelhöhle „schwebt“.
Der Spalt beträgt einige Millimeter und das Kabel muss diesen überqueren und gleichzeitig eine relative Bewegung zwischen Gehirn und Schädel ermöglichen.
Wie viel besser lässt sich diese Lücke drahtlos schließen – und das ist es, was Forscher zu tun versuchen.
Vorgestellt auf der ISSCC, der International Solid-State Ccuits Converence
Diese Woche war ein Schritt in diese Richtung, wo das Forschungslabor Imec mithilfe von Ultraschall Energie auf ein Nervenimplantat durch den Liquor strahlt.
Warum Ultraschall?
Weil es die Energie in dieser Umgebung effizienter überträgt als elektromagnetische Wellen.
Hier ist die Leistung knapp (siehe weiter unten), weshalb Imec selbst bei dieser kurzen Reichweite die Strahlsteuerung einsetzt, anstatt eine breite Ultraschallausbreitung auszustrahlen, um Gehirnbewegungen und die Unwägbarkeiten einer Operation bei der Installation des Implantats zu berücksichtigen.
Die in diesem ISSCC-Artikel beschriebene Arbeit ist nicht das erste Mal, dass eine Ultraschallstrahllenkung für diese Anwendung vorgeschlagen wurde, aber das Forschungsteam hat die Energieeffizienz auf die nächste Stufe gehoben, indem es die Leistung, die sein piezoelektrisches Wandlerarray viele Male zuvor antreibt, wiederverwendet hat wird als Wärme abgegeben – sogenanntes „adiabatisches“ Fahren.
Es gibt 16 piezoelektrische Elemente in einer Reihe auf dem Array (es steuert in einer Dimension), und um einen Strahl zu bilden, müssen diese in Mustern aktiviert werden. Da piezoelektrische Wandler im Wesentlichen Kondensatoren sind, bedeutet dies, dass 16 Kapazitäten mit genau gesteuertem Timing geladen und entladen werden müssen.
Zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs muss bei einigen Wandlern Ladung hinzugefügt werden, während bei anderen Ladung entzogen werden muss.
Der Trick hierbei besteht darin, für diesen Moment Wandlerpaare zu identifizieren, die denselben Ladezustand haben müssen, derzeit aber gleich weit von diesem Ladezustand entfernt sind, jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Werden diese kurzzeitig kurzgeschlossen, erreichen beide den korrekten Ladezustand, ohne Energie von den Stromschienen zu beziehen.
Ein Teil der Entwicklung von Imec bestand darin, einen Strahlformungsalgorithmus zu entwickeln, bei dem diese Paare sehr häufig auftreten, was die Energieeinsparung maximiert und auch die externen Kondensatoren eliminiert, die einige adiabatische Systeme erfordern – Platz ist knapp.
Es handele sich um ein quantisiertes Schema, bei dem nur fünf mögliche Ladungsniveaus verwendet würden, wodurch theoretisch bis zu 75 % der Energie recycelt werden könnten, sagte Imec, dessen Forscher außerdem eine Ultraschallfrequenz von 8 MHz und 116 μm Abstand wählten, damit die Wandler gut über den Kurzschluss fokussieren können Betriebsabstand.
Um noch mehr Energie zu sparen, nutzen die Fahrer selbst eine ähnliche Form der Ladungsteilung.
Ohne Stapelung nehmen der IC und das Wandlerarray zusammen 8 x 5.3 mm ein.
Warum müssen Energie und Größe gespart werden?
Diese Ultraschallverbindung soll Teil eines größeren Systems sein, bei dem der Ultraschall-Leistungssender und die gesamte zugehörige Elektronik in einem etwa 6 mm dicken Loch in der Dicke des Schädels installiert werden. Die Kommunikation mit der Außenwelt erfolgt über ein zweites (kein Ultraschall). ) drahtlose Verbindung durch die Kopfhaut.
Das kleine Knochenloch erklärt die Notwendigkeit einer Miniaturisierung, während die strenge Leistungsbegrenzung auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, die lokale Gewebeerwärmung unter 1 °C zu halten.
Imec Niederlande arbeitete mit Imec Belgien und der Universität Delft zusammen Technologie.
ISSCC 2024-Papier 6.2: „Ein ultraschallbetriebener Tx mit einem globalen adiabatischen Ladungsumverteilungsantrieb, der eine Leistung von 69 % erreicht.“
Reduzierung und maximaler Strahllenkungswinkel von 53° für implantierbare Anwendungen.
ISSCC
Die jährliche International Solid-State Circuits Conference in San Francisco ist das weltweite Schaufenster für Fortschritte bei Schaltkreisen für ICs – sie sind auf dem neuesten Stand der Technik.