Elektronik Drahtlose Energieversorgung für minimalinvasive Implantate

Anbieter zum Thema

imec Interuniversity Micro Electronics Centre

FAULHABER Antriebssysteme

CAQ AG Factory Systems

PIA AUTOMATION HOLDING GMBH

Imec hat eine kompakte und drahtlose Energieversorgung mit niedrigem Stromverbrauch vorgestellt. Die neuartige ultraschallgestützte Technologie bahnt den Weg zu miniaturisierten und minimalinvasiven neuronalen Implantaten, die der Medizintechnik neue Möglichkeiten eröffnen.

Imec, Anbieter von Nanoelektronik und digitalen Technologien, präsentiert auf der International Solid-State Circuits Conference (IEEE ISSCC 2024) vom 18. bis 22. Februar ein ultraschallbasiertes Proof-of-Concept für die kabellose Stromversorgung von Implantaten. Die vorgestellte Lösung mit einer Größe von 8 mm x 5,3 mm ermöglicht eine präzise Strahlsteuerung (bis zu einem Winkel von 53 Grad) und benötigt 69 Prozent weniger Strom – damit ist sie die kleinste drahtlose Ultraschall-Stromversorgungseinheit mit dem geringsten Stromverbrauch unter den modernen Systemen. Das Konzept eines adiabatischen Treibers mit globaler Ladungsverteilung beseitigt die Problematiken herkömmlicher Kabelverbindungen oder Batterien und ebnet den Weg für minimalinvasive, drahtlose (neurale) Implantate.

Kabellose Energieversorgung ist gefragt

Intrakortikale neuronale Aufzeichnungen, die für das Verständnis und die Behandlung neurologischer Erkrankungen von entscheidender Bedeutung sind, stehen vor dem Problem der Energieversorgung. Die herkömmliche invasive Verdrahtung birgt das Risiko von Komplikationen wie Narbenbildung und Infektionen, während die Integration von Batterien (wodurch die Notwendigkeit einer Kabelverbindung entfällt) Risiken hinsichtlich Größe und chemischer Lecks mit sich bringt.

Im Gegensatz zu invasiven Eingriffen oder klobigen Komponenten haben Imec und die Technische Universität Delft im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierten Projekts „Intranet of Neurons“ eine Ultraschalltechnologie entwickelt, mit der neuronale Implantate drahtlos mit Strom versorgt werden können und dabei erfolgreich Entfernungen vom Schädel bis zum Kortex des Gehirns überwinden.

Um dies zu erreichen, führten die Forscher eine adiabatische Antriebstechnik ein, die auf dem Konzept der „globalen Ladungsumverteilung“ (engl. Global Charge Redistribution, GCR) basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen adiabatischen Antriebsmethoden nutzt dieser Ansatz die parasitären Kapazitäten des Ultraschallwandler-Arrays selbst und recycelt Ladungen. Dies macht externe Kondensatoren zur Umverteilung der Ladungen verzichtbar und ermöglicht ein kompakteres Design. Der in 65 nm CMOS gefertigte Chip verfügt über eine vollständig integrierte 116 μm × 116 μm messende Treibereinheit, die im Vergleich zu konventionellen Class-D-Treibern 69 Prozent Energieeinsparung ermöglicht. Dieses Design macht ihn zur kleinsten adiabatischen Ultraschall-Antriebseinheit mit dem niedrigsten Stromverbrauch unter den modernen Systemen.

Für den Einsatz in vivo ist die Strahlsteuerung bis zu großen Winkeln (> 45˚) entscheidend, um die Leistungsabgabe zu maximieren und Mikrobewegungen und Fehlausrichtungen des Gehirns (wie sie z. B. bei Operationen und der Atmung auftreten) zu kompensieren. Mit der Einführung eines Beam Steering Controllers ermöglicht das GCR-System von Imec eine Strahlsteuerung von bis zu 53 Grad.

„Während viele neurale Implantattechnologien derzeit erhebliche Fortschritte bei der Sensorik und Stimulation machen, gibt es bei den drahtlosen Schnittstellen, die eine der entscheidenden Komponenten der Implantate sind, noch viel Raum für Verbesserungen – insbesondere im Hinblick auf die Energieeffizienz und den Formfaktor. Um diese Lücke zu schließen und das volle Potenzial neuronaler Implantate zu erschließen, nutzen wir unsere einzigartigen Technologien für drahtlose Kommunikation, Stromversorgung und Telemetrie, um minimal-invasive drahtlose Systeme zu entwickeln, die auf miniaturisierte Implantate zugeschnitten sind und auch über intrakortikale neuronale Implantate hinaus Anwendung finden“, betont Yao-Hong Liu, wissenschaftlicher Direktor bei Imec. „Wir sind bestrebt, die praktische Anwendung unserer Technologie unter realen in-vivo-Bedingungen mit unseren laufenden Fortschritten, insbesondere in Bereichen wie der Integration von Mikrosystemen und des Packaging, zu demonstrieren und freuen uns über die Zusammenarbeit mit Medizinern oder Forschern.“

(ID:49918301)