Smart HealthSystem and IC designWearables

10 min

Unieke chip maakt medische ‘pleisters’ mogelijk

Imec-onderzoekers maakten een systeem-op-chip (SoC) dat verschillende medische parameters tegelijk kan meten en analyseren, tot 3 weken autonoom kan werken, encryptie bevat, en data draadloos doorstuurt naar de buitenwereld. 

Tijdens de gerenommeerde ISSCC-conferentie werd de chip voorgesteld aan de research community, tijdens de meer populaire Consumer Electronics Show (CES) werd een medische pleister voorgesteld als demoplatform voor de chip. 

Nick Van Helleputte, R&D Manager biomedical circuits and systems bij imec, vertelt waarom het nu belangrijk is om geïnteresseerde chipfabrikanten te overtuigen om de SoC te produceren zodat producenten van een nieuwe generatie wearables er unieke producten mee kunnen maken. Die producten kunnen tot 10x goedkoper gemaakt worden dankzij deze chip en/of veel kleiner zodat ze nog comfortabeler zijn voor de patiënt. 

Alles-in-één en heel zuinig

De derde generatie van de MUSEIC-chip, zoals hij gedoopt werd door de onderzoekers, bevat bouwblokken die normaal als aparte chips aanwezig zijn in de wearables van vandaag (denk aan Fitbit, Bloomlife, QardioCore, ...). Door alle speciaal ontworpen en geoptimaliseerde bouwblokken te combineren op één chip krijg je een krachtiger, zuiniger en kleiner systeem.

De SoC bevat een hoogperformante analoge front-end die uniek is omdat meerdere gezondheidsparameters tegelijk kunnen uitgelezen worden (en gesynchroniseerd). Er werd gekozen voor twee elektrocardiogram (ECG)- en twee photoplethysmogram (PPG)-kanalen alsook een multi-frequentie bio-impedantie (BIO-Z)-kanaal. Het design is modulair opgebouwd om eenvoudig alternatieve versies van de chip te ontwerpen. Er wordt bijvoorbeeld gedacht om in de toekomst ook core body temperatuur toe te voegen. 

Typisch worden analoge front-ends ontworpen in oudere chiptechnologieën omdat die een betere ruis-, matching- en lekstroom-performantie hebben dan de nieuwere technologiegeneraties. Om co-integratie mogelijk te maken van de frontend met digitale en RF-blokken, werd hier toch gekozen voor de nieuwere 55nm-chiptechnologie, met goede resultaten voor ruis, matching en lekstroom. 

Verder vind je op de chip een digitale signaalprocessor, een cryptografie IP-blok en verschillende interfaces zoals bv. een BLE-radio en USB2-interface. Twee low dropout regulators (LDO) gebruiken de batterij (1.3 tot 2.0V) om een configureerbare spanning te creëren voor de digitale core en een vaste spanning voor de SRAM, BLE, AFE (active front-end) en on-chip PLL (phase locked loop).

track record imec chips for wearables

Imec zet sterk in op chipontwerp en de tape out van deze chips om ze te kunnen testen in prototypes. Onderzoekers testen de nieuwste technologieën en concepten uit zodat de chips zuiniger, efficiënter en goedkoper kunnen gemaakt worden en zo nieuwe producten mogelijk maken. Hier een overzicht van imecs track record van chips voor medische wearables. 

system on chip for wearables

Imecs MUSEIC chip bevat alle componenten die nodig zijn voor een medische wearable zoals een analoge front-end voor verschillende parameters, een microprocessor, cryptografie, en een interface voor BLE en USB2. Dankzij het powermanagement circuit kan de chip tot wel 3 weken werken op basis van bv een ZnAir-batterij. 

Een nieuwe generatie wearables voor dokters

Vandaag wordt een patiënt die zijn bloeddruk of ECG voor langere tijd moet monitoren naar huis gestuurd met een vrij duur en soms ook groot apparaat. Dat moet nadien terug binnengebracht worden bij de dokter en moet door het medisch personeel klaargemaakt worden voor de volgende patiënt (opladen, desinfecteren enz.). Dat is een hele belasting die maakt dat het proces rond wearables voor thuismonitoring nog niet echt aantrekkelijk is voor ziekenhuizen. 

Het gebruik van een nieuwe generatie wearables zou daar verandering in kunnen brengen. Stel dat je je wearable krijgt voorgeschreven door de dokter, gaat afhalen bij de apotheker en na gebruik kan weggooien (nadat je de data hebt doorgestuurd via je gsm), net zoals een zwangerschapstest. Dat wordt mogelijk als er goedkope en milieuvriendelijke materialen gebruikt worden en goedkope chips om de metingen en verwerking te doen. 

De hartpleister als voorbeeld

Imec ontwikkelt in het Nederlandse Holst Centre wearables om lichaamsparameters te meten. Denk aan een EEG-headset voor hersenactiviteit, een horloge voor stressmonitoring, of een pleister voor hart- en longactiviteit. 

Deze prototypes zijn niet bestemd voor productie en gebruik door consumenten. Wel kunnen klinisch onderzoekers ermee aan de slag om bv. eet- of angststoornissen, depressie, autisme enz. te onderzoeken. Door nieuwe tools in handen te krijgen die de juiste vormfactor hebben voor de patiënten en de juiste parameters (tegelijk en synchroon) meten, kunnen nieuwe inzichten bekomen worden. 

Voor imec is het interessant om de feedback van de onderzoekers te krijgen i.v.m. het gebruik, de kwaliteit van de parameters, welke parameters nog ontbreken enz. Door die parallelle ontwikkelingen, kunnen technologische bouwblokken ontwikkeld worden die echt relevant zijn om later door een bedrijf omgezet te worden in een product. 
Naast hun gebruik in klinisch onderzoek, zijn de wearables ook het ideale demoplatform om de unieke eigenschappen van de gebruikte chips te demonstreren. 

De laatste wearable die voorkomt uit de nauwe samenwerking met TNO in het Holst Centre,, is een hartpleister. Het is een waterdichte pleister gemaakt van heel dun, plooibaar en elastisch TPU-materiaal. De droge elektrodes en verbindingen werden gemaakt met geprinte elektronica. En de kern van de pleister is de SoC die hierboven beschreven wordt. 

Gedurende zeven dagen kan de patiënt het volgende meten: de zuurstofverzadiging in het bloed (SpO2), bewegingen (dankzij de accelerometer), hartactiviteit (ECG) en bio-elektrische impedantie. De eerste parameter – SpO2 – is belangrijk om de fysieke gezondheid van de patiënt te kwantificeren aangezien lage SpO2-niveaus op hypoxemie kunnen wijzen. Indien dit niet tijdig behandeld wordt kunnen orgaanfuncties aangetast worden en kan zelfs ademhalings- of hartstilstand optreden. 

Deze hartpleister is een demonstratieplatform voor de MUSEIC SoC die imec maakte. Dankzij samenwerking met verschillende ziekenhuizen, worden dergelijke prototypes ook ingezet voor klinisch onderzoek. De feedback van de onderzoekers maakt dat de chip steeds beter kan gemaakt worden. 

 

Meer weten?

  • Collega Mario Konijnenburg beschreef in een ISSCC-paper de MUSEIC-chip meer in detail. Wil je deze paper graag ontvangen, dan kan je die aanvragen via ons contactformulier.
  • De technische leaflet over de MUSEIC-chip kan je hier downloaden.
  • Imec en Holst Centre publiceerden dit persbericht over de hartpleister die op CES werd voorgesteld.

Over Nick Van Helleputte

Nick Van Helleputte received the MS degree in electrical engineering in 2004 from the Katholieke Universiteit Leuven, Belgium. He received his Ph.D. degree from the same institute in 2009 (MICAS research group). His PhD research focused on low-power ultra-wide-band analog front-end receivers for ranging applications. He joined imec in 2009 as an Analog R&D Design Engineer. He is currently R&D manager of the connected health solutions team. His research focus is on ultra-low-power circuits for biomedical applications. He has been involved in analog and mixed-signal ASIC design for wearable and implantable healthcare solutions. Nick is an IEEE member and served on the technical program committee of VLSI circuits symposium and ISSCC.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies