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F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 1

Circuitos Integrados a Medida para Marcapasos Adaptivos

Aspectos de diseño y confiabilidad

Fernando SilveiraInstituto de Ingeniería Eléctrica, Universidad de la República,

Uruguay

CCC del Uruguay S.A.


Objetivos de esta Presentación

Mostrar necesidades del área de Dispositivos Médicos Implantables para el diseñador de circuitos.

Dar una idea de las técnicas empleadas para circuitos de señal mixta de baja tensión y ultra bajo consumo.

Conceptos básicos de confiabilidad.

Mostrar perspectivas y temas de investigación en el área


Agenda

I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.

II. ASICs: Características y alternativas de diseño.

III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos implantables.

IV. Conceptos básicos de confiabilidad.

V. Conclusiones y perspectivas.


I. Marcapasos Implantables

Estímulo

Canal de Sensado

Microcontrolador

Supervisión de labatería

Sensado de actividad

Seleccióndel “lead”(polaridad)

Telemetría

Amplificación, Filtrado y Detección

Multiplicador de Tensión Programable

0.1VDD a 2-3 VDD


I. Requisitos Generales: Tamaño

Actualmente del orden de 12 cc (5cm x 4cm x 0.6cm) Aprox. el 30 a 40% dado por la batería

Menor consumo = Menor tamaño @ Igual duración

Biotronik

1968- 1998(Fuente: Curso M. Wilkinson: MST for Medical Devices)


I. Requisitos Generales: Alimentación y Consumo

Alimentación– Batería de Litio-Iodo: comienzo de vida: 2.8V, operación hasta 2.0V.– Capacidad: aprox. 1Ah = 114µA / año

Consumo– Duración: 5 a 10 años => consumo entre 22.8µA y 11.4 µA– Consumo promedio debido a estímulo entre 3 y 12 µA

– Consumo propio del circuito menor a aprox. 10µA– Consumo propio del circuito: entre 50 y 75% del consumo total


I. Comentario: Bajo Consumo vs. Micro o Ultra Bajo Consumo

Procesador de "bajo consumo" notebook => del orden del W (corrientes del orden del A)

Microconsumo ("micropower"): consumo del orden de los µW o µA (un millón de veces menor).– Areas tradicionales:

» Relojes pulsera» Dispositivos médicos implantables (marcapasos)

Actualmente: Nanoconsumo o Ultra bajo consumo (ULP: Ultra Low Power).


I. Requisitos Generales: Confiabilidad y Seguridad

Confiabilidad => Frecuencia y probabilidad de ocurrencia de fallas

Seguridad => Una falla simple no puede provocar un evento catastrófico

Alta Confiabilidad => Probabilidad de falla simple baja y falla doble virtualmente imposible.

+Seguridad

=> Probabilidad de mal funcionamiento baja=> Falla catastrófica: virtualmente imposible.


I. Ejemplo de módulos:Canal de Sensado

Objetivo: Detectar la contracción espontánea de las cámaras del corazón

Señal estándar de prueba. Amplitud 0.2mV - 3.0mV (Aurículas)0.4mV – 6.4mV (Ventrículos)

AMPLIFICATION ANDFILTERING

bo..b4

PROGRAMMABLEREFERENCEVOLTAGE

2ms 13ms

COMPARATOR70-200 Hz,

2nd ordenPasabanda,

Ganancia: 700


I. Ejemplo de módulos:Sensado de Actividad

Objetivo:

Ej. Indicador de actividad: Promedio en 3s del valor absoluto de la aceleración en la banda de 0.5 - 7 Hz band.

Sensor 3s AveragingAmplificador / filtro

Rectificador idealAmplitud: decenas a centenas de µV


I. Señales médicas en general Baja frecuencia: de < 1 Hz a algunos kHz (ej. señales nerviosas) Baja amplitud: µV a mV Variabilidad:

– " La mayoría de las cantidades medidas varían con el tiempo, aún cuando todos los factores controlables están fijos. Muchas medidas médicas varían ampliamente entre pacientes normales, aún cuando las condiciones son similares“(Fuente:J. Webster, Medical Instrumentation. Application and Design).

Objetivo: detección básicamente cualitativa para control en loop cerrado.

Ventajas para implementación analógica por consumo


I. ASIC para Marcapasos en Producción


Agenda







II. Tendencias en aplicación de CIs

ASICs (Application Specific Integrated Circuits):– Expansión en su aplicación.– Reducción costo de fabricación.

» Existencia de mecanismos para producción de prototipos a bajo costo» Viabilización de producciones en pequeños volúmenes

Sistemas en un chip => Circuitos mixtos analógico / digitales. Microsistemas = sistema inteligente miniaturizado que incorpora

funciones de sensado de datos, procesamiento y accionamiento en un mismo chip o híbrido multichip.

Bajo consumo y baja tensión de alimentación


II. ASICs: Ventajas y desventajas Ventajas

– gran libertad de diseño» aumento de la funcionalidad» optimizado para la aplicación» posibilidad de innovación» independencia tecnológica de proveedores

– menor número de componentes en el sistema» reducción tamaño/consumo en el sistema => reducción de costo a nivel sistema

(fuentes de alimentación, cajas).» simplificación del proceso de producción => posible reducción de costos.» En algunos casos aumento confiabilidad

Desventajas– costos fijos– tiempo de desarrollo– rigidez del diseño


II.Diseño de CIs: Metodología.

Especificación

DiseñoComportamental

DiseñoEstructural

Diseño Físico

igualfunción ?

igualfunción ?

igual función yperformance ?

Diseño Físico

Descripción máscarasque definen estructura física a nivel de las distintas capas quecomponen el chip.

Diseño“full custom”

Descripción circuitocomo interconexión de bloques de biblioteca

Diseño estilo“standard cells”

Descripción circuitoa nivel de compuertas que se traduce en descripción de las capas de interconexiónde transistores prefabricados.

Diseño estilo“gate array”


II. Costos (diseño Full - Custom).

Desarrollo– algunos meses (6) a algunos años ingeniero

Fabricación prototipos– 2.000 a 3.000 US$

Producción pequeña escala (algunos cientos o mil)– de 10KUS$ a 40KUS$, dependiendo de complejidad (10 a 40 US$ por

chip).

Ejemplo producción en mayor escala– 50000 unidades, baja complejidad: aprox. 1US$ por chip.


Agenda







III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 1) Filtro RC- Activo

R y C integrables: hasta kΩ o M Ω (tecnos especiales) y pF Imprecisión en valores absolutos del orden de +/- 30 o 40%. Buena precisión en apareo (matching) de elementos similares.

Filtro pasabajos

( )s.C.R1R

R

vv

2

12

in

o+

=Vo

Vin

+

-

C

R1

R2


III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 2) Filtros a capacitores conmutados

Sistema en tiempo discreto analógico R2 ≅ 1/(fclk.C2) => 1/R2.C = fclk.C2/C => determinado por

precisión en fclk y apareo entre C2 y C. +++ operación a baja frecuencia, -- consumo operacionales,-- antialiasing

VoVin

+

-C

R1

R2

VinVo Vin

Vo

+

-

R1

1

+

-

C1

2

21

VinVo

2

+

-

C11

C

2 1

1

C2 22

1


III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 3) Filtros de tiempo continuo Gm-C

v+

v-

+

-

gm io = gm(v+ - v-)

BA A B

+

-

gm

R

vinVo

+

-

gm

C

+-

gmVoVin

+

-

C

R1

R2

R=1/gm => 1/R2.C = gm2/C => imprecisión => sintonización ++ operación a baja frecuencia (con técnicas especiales para

bajo gm) -- rango lineal a la entrada de transconductores.


III. Ejemplos Canal de Sensado (1)

Chip UR - CCC, RC- Activo, tecno 2.4µm, IDD = 1.3µA Lentola et al, ESSCIRC 2001, RC-Activo + SC, tecno 0.8µm.

IDD = 1µA UR, (Silveira-Flandre, Kluwer 2004), SC, tecno 0.8µm, IDD =

1µA


III. Ejemplos Canal de Sensado (2)

Silveira, Flandre, ISCAS 2002, RC-Activo, tecno FD-SOI 2µm, IDD = 110nA.

Reducción de consumo: mitad debido a tecnología SOI, la otra mitad debido a arquitectura del amplificador.

-

+

R1

C2

Amplifier

Vi

Vbias

-

+

VrefDA

C1

VoComparator

R2

2 stage Miller RC, Class AB output,

IDD=90 nA

Based on symmetrical OTA

IDD=20 nA


III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: amplificador / filtro pasa banda

Característica pasa-alto

Vs

Vf

Señal de entrada

Señal de realimentación

OTA simétrico de doble entrada(DDA)

Vo

Vo=A1Vs+A2Vf


III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: layout y especificaciones

Ganancia 2900

Ruido equivalente de entrada (µVrms)

18

Consumo (µA) 3.4

Area (mm2) 1.82


III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: resultados de test

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180time(s)

card

iac

freq

.(ppm

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

digi

tized

out

put o

f cir

cuit

actual cardiac frequency of healthy patientsimulated pacemaker frequencycircuit output


III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: implementación Gm-C(1)

A. Arnaud (UR), C. Galup (UFSC)

FiltroFiltro--Amplificador 0.5Amplificador 0.5--7Hz7Hz

CC11=550p=550p

VVBiasBias==700mV700mV CC22=50p=50p

VVOutOut11

++

GGm1m1

GGm2m2

GGm3m3

VVININ

SensorSensor

VVlinlin==±±±±±±±±5mV5mVCC33=50p=50p

VVOut2Out2

++

GGm4m4

GGm5m5

GGm6m6

VVlinlin==±±±±±±±±500mV500mV

CC44=250p=250p

G=385G=385

Gm4=21nSGm5=2.5nSGm6=89pS

Ganancia 2a: G2=8.3

Gm4=21nSGm5=2.5nSGm6=89pS

Ganancia Preamplificador: G1=46.4

Totalmente integrado

Ganancia: 390

Ruido entrada: 2.1µVrms

IDD= 290nA


Agenda







IV. Conceptos Básicos de Confiabilidad

Definiciones

Unidades

¿ Cómo medir la confiabilidad ? – Tests de stress, Envejecimiento acelerado

¿ Cómo mejorar la confiabilidad ? – Burn – in.


IV. Equipos médicos:Confiabilidad y Seguridad

Confiabilidad => Frecuencia y probabilidad de ocurrencia de fallas

Seguridad => Una falla simple no puede provocar un evento catastrófico

Alta Confiabilidad => Probabilidad de falla simple baja y falla doble virtualmente imposible.

+Seguridad

=> Probabilidad de mal funcionamiento baja=> Falla catastrófica: virtualmente imposible.


IV. ¿ Cómo Fallan los Circuitos Integrados ?

h(t)Tasa de Fallas

Período de fallastempranas

("mortalidad infantil")Período de tasa de fallas estable

Período de fallas por desgaste

t

Curva de la bañera (“Bath Tub Curve”)

Meses a

un año

10 ... 20 ... 30 años

Tasa de fallas = f(proceso de fabricación, diseño)


IV. Mecanismos de Falla

“Time Dependent Dielectric Breakdown” Electromigración “Hot Electrons” Defectos puntuales. Corrosión Defectos mecánicos en el encapsulado ....


IV. Definiciones

Función distribución de tiempo de vida (“life distribution”)– F(t) =P( tiempo de vida < t ) = Prob. de que una unidad haya fallado a las

t hrs.

Densidad de probabilidad correspondiente a F(t)– f(t)=dF(t)/dt

Tasa de falla (“failure rate”)

Mean Time to Fail” (MTTF))(1

)()).(1(

)()(limt

t)hasta sobreviviót / próximo elen falla(lim)(00 tF

tfttFtFttFPth

tt −=

∆−−∆+=

∆∆=

→∆→∆

∫+∞

=0

).(. dttftMTTF


IV. Unidades de la tasa de fallas h(t)

%/K: porcentaje de unidades que fallan cada 1000 horas

PPM/K: partes por millón que fallan cada 1000 horas

1 PPM/K = 1x10-6 fallas / 1x103 horas = = 1 falla / 109 horas = 1 FIT (“fails in time”) o (“failure unit”).


IV. Modelado de la distribución de tiempos de vida

Distribución exponencial

Estimación de λ

Ejemplo:– 114 FITs = 1 falla / mil unidades / año– 0 falla al final del test– 95 % de confianza

» POH = 26 Mhrs => testear 100 unidades durante 29 años o testear 18000 unidades durante 2 meses !!

λλλ λλ

/1 )(1)( )(==

−== −−

MTTFthetFetf tt

OOOOOOOO NOOOOOOOO ML

Hours"On Power "

testbajo unidades de ro test.númebajo horas fallas de número=

∧λ


IV. Como medir la confiabilidad:Modelos de envejecimiento acelerado

POH equivalentes = Horas de test . Factor de Aceleración Modelo de Arrhenius: Aceleración por temperatura

– Factor de acerelación = ex, con

– Ea: energía de activación en eV (desde 0.3 a 1.3, depende de mecanismo de falla)– k: Constante de Boltzmann (8.617e-5 eV/ºK)– Tuso: temperatura de uso en ºK– Tacel: temperatura en test en ºK

−=

aceluso

a

TTkEx 11


IV. Ej. Envejecimiento acelerado

Ea = 0.6eVTuso= 37ºC = 310ºK => Factor de aceleración: 220Ttest= 135ºC = 408ºK

=> Ej. Anterior (114 FITs, 0 falla, 95% de confianza)

=> Testear 81 unidades (muestra del proceso) durante 2 meses.


h(t)Tasa de Fallas

Período de fallastempranas

("mortalidad infantil")Período de tasa de fallas estable

Período de fallas por desgaste

t

IV. Como mejorar la confiabilidad:Burn In

Meses a

un año

Test a alta temperatura (100 a 135ºC) durante 160 a 240 hs a todas las unidades para “saltearse” la etapa de mortalidad infantil

Dispositivo

se “libera” acá


Agenda







IV. Perspectivas: dispositivos médicos implantables (1)

Durante décadas: marcapasos, defibriladores e implantes cocleares.– 1998: Tratamiento de Parkinson– Múltiples dispositivos en desarrollo en áreas cardíacas y afines

Otros sistemas médicos no implantables.

Estamos al borde de una explosión: la interacción con el sistemanervioso (Prótesis Neurales).


IV. Perspectivas: dispositivos médicos implantables (2) : Prótesis Neurales

Prótesis Neurales: Set. 2000, Nicolelis, Duke University



Prótesis Neurales: Mar. 2002, Serruya et al, Brown University



Prótesis Neurales: Julio 2004:

Inicia prueba piloto FDA, un paciente tetraplégico implantado.


IV. Conclusiones: ASICs para dispositivos médicos.

Dispositivos biomédicos: El precio no es el principal factor sino la aplicación y el desempeño.– Adecuado para desarrollo de ASICs con producciones de bajo volumen.

Campo muy amplio en fase de fuerte crecimiento => muchas oportunidades de I+D=> el uso de ASICs es en muchos casos determinante de la factibilidad

del producto.

En Uruguay es posible aplicar esta tecnología y existe buena tradición en medicina.

La confiabilidad y la seguridad deben ser una prioridad en las aplicaciones biomédicas.


IIE Grupo de Microelectrónica – Universidad de la República

Más Información

iie.fing.edu.uy/vlsi

[email protected]

Agradecimientos A. Arnaud, M. Barú, G. Picún, O. de Oliveira, C. Rossi, P.

Mazzara, H.Valdenegro, L. Reyes, P. Aguirre, L. Barboni, UR. J. Arzuaga, P.Arzuaga, CCC S.A.


Muchas Gracias !

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