Drahtlose Telemetrie In den Bauch geschaut

Gekapseltes Endoskopsystem
Gekapseltes Endoskopsystem

Die Kapselendoskopie ist bereits Realität. Allerdings sind diese Kapseln bislang typischerweise mit zwei Kameras ausgestattet. Auf der ISSCC 2018 wurde ein Design mit vier Kameras vorgestellt, das Bilder in VGA-Auflösung mit 80 Mbit/s per Body-Channel-Communication (BBC) drahtlos überträgt.

Das Design wurde von Forschern der Universität KAIST entwickelt. Aus der Sicht von Jaeeun Jang vom KAIST waren bisherige Kapselendoskope in ihrer Anwendbarkeit hauptsächlich durch unzureichende Blickwinkel und schlechte Bildqualität beschränkt. Er bezieht sich dabei auch auf Kameras mit VGA-Auflösung, denn bisherige Systeme litten unter verschwommenen Bildern und blinden Zonen beim Wandern durch den Verdauungstrakt, sodass die Gesamtfehlerrate laut seiner Aussage bis zu 20 Prozent betrug, was für eine wirkungsvolle Diagnose fatal ist.

Mit dem von KAIST entwickelten Kapselendoskop sollen diese Probleme gelöst sein. Das System enthält vier Kameras (VGA-Auflösung), sodass ein 360°-Rundumblick möglich wird. Ein Kapsel­endoskop mit vier Kameras – CapsoCAM – gibt es bereits von Capso­Vision, aber im Vergleich zu diesem Endoskop kann das vom KAIST entwickelte Kapselendoskop auch auftrumpfen. Bei CapsoCAM werden die 360°-Bilder auf einem Flash gespeichert und nach der Untersuchung ausgelesen. KAIST hingegen ermöglicht eine drahtlose Bilderübertragung, eine Bildbetrachtung in Echtzeit und ein Tracking des Kapselendoskops. Und im Vergleich zu anderen Kapselendoskopen, die eine drahtlose Datenübertragung ermöglichen, zeichnet sich das KAIST-System durch eine extrem hohe Datenübertragungsrate aus.

Bei der Entwicklung mussten die Forscher folgende Punkte erfüllen: Ein Volumen von weniger als 4 cm³, wobei auf die Kamera etwa 40 Prozent des Volumens, auf die Batterie 30 Prozent und auf die Antenne rund 20 Prozent entfallen. Bei der Batterielaufzeit war das Ziel, dass das gesamte System mehr als acht Stunden bei 60 mAh läuft. Also musste besonderes Augenmerk auf die drahtlose Datenübertragung gelegt werden, weil diese Funktion die meiste Energie frisst. Darüber hinaus steigt natürlich auch der Energiebedarf, weil eben vier Bildsensoren und 16 LEDs (vier pro Kamera) für die Beleuchtung integriert sind. Aus der Sicht der KAIST-Wissenschaftler ist damit klar, dass für die Datenübertragung weniger als 2 mW bei 80 Mbit/s übrig blieben, und das führt zu einer Effizienz von über 100 pJ/bit.

Das gekapselte KAIST-Endoskop umfasst Dual-Band-HS-BCC-Senderd (Tx: 40-MHz-QPSK, 160-MHz-BPSK), Image-Encoder (DPCM für die Datenkompression), LED-Treiber und LS-BCC-Empfänger (Rx) und erfüllt alle vorgenannten Bedingungen. Es ist 3,2 mm lang und hat einen Durchmesser von 1,2 mm; das Gewicht ist mit weniger als 4 g angegeben. Die Kapsel ist mit zwei symmetrischen Signalelektroden an beiden Enden der Kapsel versehen, die für die Kommunikation benötigt werden. Die Uplink-Kommunikation nutzt HS-BCC (High Speed), die Downlink-Kommunikation LS-BCC (Low Speed).

Dazu kommt noch das dazugehörige Empfängersystem, das über acht Kontaktpunkte – also acht Receiver-Chips, die auf dem Oberkörper verteilt sind – verfügt, die über einen Hub zusammengeführt werden. Jeder Receiver ist mit HS-BCC-Rx, CAC-RSSI (Contact Attenuation Compensated Received Signal Strength Indicator) und LS-BCC-Tx ausgestattet und misst die Signalstärke und die Kontaktimpedanz, sodass das System in der Lage ist, den jeweils besten, sprich: nähesten, Kontaktpunkt auszuwählen.
Die BCC-Transceiver und Receiver (65 nm) belegen eine Fläche von 4 x 4 mm². Die gemessene Datenrate beläuft sich auf 40 Mbit/s sowohl im 40-MHz-Frequenzband als auch im 160-MHz-Frequenzband. Im HS-Mode verbraucht der Sender 0,8 mW bei 1 V Versorgungsspannung und der Receiver 8 mW. Im Vergleich zu früheren BCC- und HF-Sendern erreicht der KAIST-Ansatz laut Jang die niedrigste Leistungsaufnahme – 0,8 bis 1,7 mW – und den niedrigsten Energieverbrauch (0,022 nJ/bit). Das Kapselendoskop kann länger als zwölf Stunden mit zwei Batterien (1,55 V, 55 mAh) arbeiten.

Energieautarke Glukose-Messung

Tragbare physikalisch-chemische Biosensoren bieten eine gute Möglichkeit, die Konzentration von Ionen und Metaboliten in Körperflüssigkeiten wie Schweiß, Speichel oder anderen zu überwachen. Doch bislang benötigen solche Sensorprototypen Batterien und DC/DC-Wandler, was zu großen Formfaktoren und begrenzter Laufzeit führt. Wissenschaftler von der University of California, San Diego, haben jetzt ein drahtloses, physikalisch-chemisches Sensorsystem zur Überwachung von Glukose oder Laktat entwickelt, das über eine enzymatische Biobrennstoffzelle (BFC: Biobrennstoffzellen wandeln die Energie von Glukose oder Laktat in elektrische Leistung um) versorgt wird. Im Gegensatz zu bisherigen BFC-Harvestern mit sperrigen Aufwärtswandlern, die die BFC-Spannung von 0,3 bis 0,4 V auf das erforderliche Niveau konventioneller CMOS-Schaltungen erhöhen, fehlt diese Schaltung in dem präsentierten Design. Stattdessen ist das gesamte System einschließlich eines Sigma-Delta-A/D-Wandlers und eines 920-MHz-Senders so ausgelegt worden, dass es direkt mit der BFC-Spannung arbeiten kann.

Der batterielose, drahtlose Biosensor-Chip wurde mit Hilfe eines 65-nm-CMOS-Prozesses realisiert. Der A/D-Wandler ist robust gegenüber Variationen der Versorgungsspannung und erreicht einen SNR-Wert (Signal-Rausch-Verhältnis) von bis zu 71 dB und einen SNDR-Wert (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) von 65,5 dB bei 0,5 V. Der FoM-Wert des Wandlers ist mit 37 fJ pro Wandlerschritt bei 0,3 V angegeben, was laut Ali Fazli Yeknami, damals noch Wissenschaftler an der University of California in San Diego, jetzt bei GenapSys, um Faktoren besser als bei vergleichbaren Ansätzen ist. Bei einem 1%-Duty-Cycle liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme des A/D-Wandlers und des Senders bei 1,15 µW. Es konnte bereits mit Hilfe von In-Vitro-Messungen gezeigt werden, dass das mit BFC betriebene Sensorsystem Glukose-/Laktatkonzentrationsänderungen zwischen 2,5 und 15 mmol/l entdecken kann.