Dunne navelstrengkabels naar de schedel zijn meestal de oplossing.
Deze kabels moeten zeer flexibel zijn omdat de hersenen vastzitten in de schedel, maar 'zweven' in vloeistof (cerebrospinale vloeistof – 'CSF') in de schedelholte.
De opening bedraagt enkele millimeters en de kabel moet deze overschrijden, terwijl er relatieve beweging tussen hersenen en schedel mogelijk is.
Hoeveel beter is het om deze kloof draadloos te overbruggen – en dat is wat onderzoekers proberen te doen.
Onthuld op ISSCC, de International Solid-State Ccuits Converence
deze week was een stap in deze richting, waarbij onderzoekslaboratorium Imec met behulp van echografie stroom naar een neuraal implantaat via het hersenvocht stuurt.
Waarom echografie?
Omdat het in deze omgeving energie efficiënter overdraagt dan elektromagnetische golven.
Stroom is hier van het grootste belang (zie later), waardoor Imec zelfs op dit korte bereik gebruik maakt van straalsturing, in plaats van een brede verspreiding van echografie uit te zenden, om hersenbewegingen en de grillen van een operatie mogelijk te maken wanneer het implantaat wordt geïnstalleerd.
Dit werk dat in dit ISSCC-artikel wordt gerapporteerd, is niet de eerste keer dat ultrasone straalsturing voor deze toepassing wordt voorgesteld, maar het onderzoeksteam heeft de energie-efficiëntie naar een hoger niveau getild door de kracht die de piëzo-elektrische transducerarray aandrijft vele malen eerder te hergebruiken. wordt afgevoerd als warmte – zogenaamd 'adiabatisch' rijden.
Er zijn 16 piëzo-elektrische elementen in een lijn op de array (deze stuurt in één dimensie), en om een straal te vormen moeten deze in patronen worden geactiveerd. Omdat piëzo-elektrische transducers in wezen condensatoren zijn, betekent dit het opladen en ontladen van 16 capaciteiten met nauwkeurig gecontroleerde timing.
Op elk moment tijdens de werking zal aan sommige transducers lading moeten worden toegevoegd, terwijl deze aan andere moet worden onttrokken.
De truc hier is om op dat moment paren transducers te identificeren die zich in dezelfde ladingstoestand moeten bevinden, maar zich momenteel even ver van die ladingstoestand bevinden, maar in tegengestelde richtingen. Als deze kort met elkaar worden kortgesloten, bereiken ze allebei de juiste laadtoestand, zonder energie uit de stroomrails te halen.
Een deel van de ontwikkeling van Imec was het creëren van een bundelvormend algoritme waarbij deze paren zeer vaak voorkomen, waardoor de energiebesparing wordt gemaximaliseerd, en dat ook de externe condensatoren elimineert die sommige adiabatische schema's nodig hebben – ruimte is schaars.
Het is een gekwantiseerd schema, waarbij slechts vijf mogelijke oplaadniveaus worden gebruikt, waardoor theoretisch tot 75% van de energie kan worden gerecycled, zei Imec, wiens onderzoekers ook een ultrasone frequentie van 8 MHz en een pitch van 116 μm kozen zodat de transducers goed konden scherpstellen over de korte afstand. operationele afstand.
Om nog meer energie te besparen, maken de chauffeurs zelf gebruik van een soortgelijke vorm van charge-sharing.
Zonder stapeling bezetten het IC en de transducerarray samen 8 x 5.3 mm.
Waarom de noodzaak om kracht en afmetingen te besparen?
Deze ultrasone verbinding is bedoeld om deel uit te maken van een groter geheel, waarbij de ultrasone krachtzender en alle bijbehorende elektronica binnen de dikte van de schedel in een gat van ~6 mm worden geïnstalleerd. De communicatie met de buitenwereld zal via een tweede (niet-ultrasone) verbinding plaatsvinden. ) draadloze verbinding via de hoofdhuid.
Het kleine botgat verklaart de noodzaak van miniaturisatie, terwijl de strikte vermogenslimiet te wijten is aan de noodzaak om de lokale weefselverwarming onder de 1°C te houden.
Imec Nederland werkte samen met Imec België en de Universiteit van Delft Technologie.
ISSCC 2024 paper 6.2: 'Een ultrasoon werkende Tx met een wereldwijde adiabatische aandrijving voor ladingsherverdeling die een vermogen van 69% bereikt
reductie en een maximale straalstuurhoek van 53° voor implanteerbare toepassingen'.
ISSCC
De jaarlijkse International Solid-State Circuits Conference in San Francisco is 's werelds etalage voor vooruitgang op het gebied van circuits gericht op IC's – ze zijn state-of-the-art.