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

Nick Van Helleputte, R&D Manager biomedical circuits and systems bij imec, vertelt waarom het nubelangrijk is om geïnteresseerde chipfabrikanten te overtuigen om de SoC te produceren zodatproducenten van een nieuwe generatie wearables er unieke producten mee kunnen maken. Dieproducten kunnen tot 10x goedkoper gemaakt worden dankzij deze chip en/of veel kleiner zodat zenog 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, bevatbouwblokken die normaal als aparte chips aanwezig zijn in de wearables van vandaag (denkaan Fitbit, Bloomlife, QardioCore, ...). Door alle speciaal ontworpen en geoptimaliseerdebouwblokken te combineren op één chip krijg je een krachtiger, zuiniger en kleiner systeem.

Editie | maart 2019

Smart Health, System and IC design, Wearables

Unieke chip maakt medische‘pleisters’ mogelijkImec-onderzoekers maakten een systeem-op-chip (SoC) datverschillende medische parameters tegelijk kan meten enanalyseren, tot 3 weken autonoom kan werken, encryptie bevat,en data draadloos doorstuurt naar de buitenwereld.

1/5

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

Typisch worden analoge front-ends ontworpen in oudere chiptechnologieën omdat die een betereruis-, 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 gekozenvoor de nieuwere 55nm-chiptechnologie, met goede resultaten voor ruis, matching en lekstroom.

Verder vind je op de chip eendigitale signaalprocessor, een cryptografie IP-blok en verschillende interfaces zoals bv. eenBLE-radio en USB2-interface. Twee low dropout regulators (LDO) gebruiken de batterij (1.3 tot2.0V) om een configureerbare spanning te creëren voor de digitale core en een vaste spanning voorde SRAM, BLE, AFE (active front-end) en on-chip PLL (phase locked loop).

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

2/5

Imecs MUSEIC chip bevat alle componenten die nodig zijn voor een medische wearable zoals eenanaloge front-end voor verschillende parameters, een microprocessor, cryptografie, en eeninterface voor BLE en USB2. Dankzij het powermanagement circuit kan de chip tot wel 3 wekenwerken 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 huisgestuurd met een vrij duur en soms ook groot apparaat. Dat moet nadien terug binnengebrachtworden bij de dokter en moet door het medisch personeel klaargemaakt worden voor de volgendepatiënt (opladen, desinfecteren enz.). Dat is een hele belasting die maakt dat het proces rondwearables voor thuismonitoring nog niet echt aantrekkelijk is voor ziekenhuizen.

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

3/5

De hartpleister als voorbeeld

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

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

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

De laatste wearable die voorkomt uit de nauwe samenwerking met TNO in het Holst Centre,, is eenhartpleister. 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 dekern 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 tekwantificeren aangezien lage SpO2-niveaus op hypoxemie kunnen wijzen. Indien dit niet tijdigbehandeld wordt kunnen orgaanfuncties aangetast worden en kan zelfs ademhalings- ofhartstilstand optreden. https://vimeo.com/309860682Deze hartpleister is een demonstratieplatform voor de MUSEIC SoC die imec maakte. Dankzijsamenwerking met verschillende ziekenhuizen, worden dergelijke prototypes ook ingezet voorklinisch onderzoek. De feedback van de onderzoekers maakt dat de chip steeds beter kan gemaaktworden.

4/5

Meer weten?

• Collega Mario Konijnenburg beschreef in een ISSCC-paper de MUSEIC-chip meer in detail. Wil jedeze 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 werdvoorgesteld.

Over Nick Van Helleputte

Nick Van Helleputte received the MS degreein electrical engineering in 2004 from theKatholieke Universiteit Leuven, Belgium. Hereceived his Ph.D. degree from the sameinstitute in 2009 (MICAS research group). HisPhD research focused on low-power ultra-wide-band analog front-end receivers forranging applications. He joined imec in 2009 asan Analog R&D Design Engineer. He is currentlyR&D manager of the connected healthsolutions 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 andimplantable healthcare solutions. Nick is anIEEE member and served on the technicalprogram committee of VLSI circuits symposiumand ISSCC.

5/5