Remote Powering and Data Communication Over a Single Inductive Link for Implantable Medical Devices

Les implants médicaux électroniques (Implantable Medical Devices - IMDs) sont notamment utilisés pour restaurer ou améliorer des fonctions perdues de certains organes. Ils sont capables de traiter des complications qui ne peuvent pas être guéries avec des médicaments ou par la chirurgie. Offrant des propriétés et des améliorations curatives sans précédent, les IMDs sont de plus en plus demandés par les médecins et les patients. En 2017, le marché mondial des IMD était évalué à 15,21 milliards de dollars. D'ici 2025, il devrait atteindre 30,42 mil-liards de dollars, soutenu par un taux de croissance annuel de 9,24% selon le nouveau rapport publié par Fior Markets. Cette expansion entraîne une augmentation des exigences pour as-surer des performances supérieures, des fonctionnalités supplémentaires et une durée de vie plus longue. Ces exigences ne peuvent être satisfaites qu'avec des techniques d'alimentation avancées, un débit de données élevé et une électronique miniaturisée robuste. Construire des systèmes capables de fournir toutes ces caractéristiques est l'objectif principal d'un grand nombre de chercheurs. Parmi plusieurs technologies sans fil, le lien inductif, qui consiste en une paire de bobines à couplage magnétique, est la technique sans fil la plus largement utilisée pour le transfert de puissance et de données. Cela est dû à sa simplicité, sa sécurité et sa capacité à transmettre à la fois de la puissance et des données de façon bidirectionnelle. Cependant, il existe encore un certain nombre de défis concernant la mise en œuvre d'un tel système de transfert d'énergie et de données sans fil (Wireless Power and Data Transfer - WPDT system). Un défi majeur est que les exigences pour une efficacité de transfert d'énergie élevée et pour une communication à haut débit sont contradictoires. En fait, la bande passante doit être élargie pour des débits de données élevés, mais réduite pour une transmission efficace de l'énergie. Un autre grand défi consiste à réaliser un démodulateur fonctionnant à haute vitesse avec une mise en œuvre simple et une consommation d'énergie ultra-faible. Dans ce projet, nous proposons et expérimentons un nouveau système WPDT dédié aux IMD permettant une communication à haute vitesse et une alimentation efficace tout en maintenant une faible consommation d'énergie, une petite surface de silicium et une mise en œuvre simple du récepteur. Le système proposé est basé sur un nouveau schéma de modulation appelé "Carrier Width Modulation (CWM)", ainsi que sur des circuits de modulation et de démodulation inédits. La modulation consiste en un coupe-circuit synchronisé du réservoir LC primaire pendant un ou deux cycles en fonction des données transmises.

Abstract

Implantable Medical Devices (IMDs) are electronic implants notably used to restore or en-hance lost organ functions. They may treat complications that cannot be cured with medica-tion or through surgery. O˙ering unprecedented healing properties and enhancements, IMDs are increasingly requested by physicians and patients. In 2017, the worldwide IMD market was valued at USD 15,21 Billion. By 2025, it is expected to attain USD 30.42 Billion sus-tained by a compound annual growth rate of 9.24% according to a recent report published by Fior Markets. This expansion is bringing-up more demand for higher performance, additional features, and longer device lifespan and autonomy. These requirements can only be achieved with advanced power sources, high-data rates, and robust miniaturized electronics. Building systems able to provide all these characteristics is the main goal of many researchers. Among several wireless technologies, the inductive link, which consists of a magnetically-coupled pair of coils, is the most widely used wireless technique for both power and data transfer. This is due to its simplicity, safety, and ability to provide simultaneously both power and bidirectional data transfer to the implant. However there are still a number of challenges regarding the implementation of such Wireless Power and Data Transfer (WPDT) systems. One main challenge is that the requirements for high Power Transfer Eÿciency (PTE) and for high-data rate communication are contra-dictory. In fact, the bandwidth needs to be widened for high data rates, but narrowed for eÿcient power delivery. Another big challenge is to implement a high-speed demodulator with simple implementation and ultra-low power consumption. In this project, we propose and experiment a new WPDT system dedicated to IMDs allow-ing high-speed communication and eÿcient power delivery, while maintaining a low power consumption, small silicon area, and simple implementation of the receiver. The proposed system is based on a new Carrier Width Modulation (CWM) scheme, as well as novel modu-lation and demodulation circuits. The modulation consists of a synchronized opening of the primary LC tank for one or two cycles according to the transmitted data. Unlike conventional modulation techniques, the data rate of the proposed CWM modulation is not limited by the quality factors of the primary and secondary coils. On the other hand, the proposed CWM demodulator allows higher-speed demodulation and simple implementation, unlike conven-tional demodulators for a similar modulation scheme. It also o˙ers a wide range of data rates under any selected frequency from 10 to 31 MHz.