ISSCC 2020 Millimeter großer Transceiver verbessert Gastroskopie

Das Imec mit einer Demo zum neuen Transceiver.
Das Imec mit einer Demo zum neuen Transceiver.

Das imec hat in einem Vortrag das erste drahtlose Modul mit einer Fläche von 3,5 x 15 mm² gezeigt, mit dem es möglich werden soll, dass ein genau platziertes Kameramodul über einen längeren Zeitraum Daten aus dem Verdauungstrakt des Körpers sendet.

»Schluckbare Pillen mit Kameras sind nichts Neues. Das Problem dabei ist nur, dass diese schnell wieder ausgeschieden werden und dementsprechend nur kurze Zeit Aufnahmen machen können. Außerdem wandern sie durch den Körper, das heißt, es ist schwierig, eine Diagnose von einem speziellen Bereich durchzuführen« erklärt Yao-Hong Liu, Principal Member of Technical Staff beim Imec. Gut wäre also eine Pille, die im Körper platziert und am gastrointestinalen Gewebe befestigt wird, dort ein paar Tage bleibt, Daten sendet und dann wieder ausgeschieden wird. Ein Weg in diese Richtung ist der Funk-Transceiver, den das Imec entwickelt hat.

Geht man davon aus, dass diese einsetzbare Pille mithilfe eines Gastroskops bzw. dessen Arbeitskanal in den Körper eingebracht wird, dann wird schnell klar, dass solch eine Pille extremen Volumenbegrenzungen unterliegt, denn der Durchmesser des Arbeitskanal eines Gastroskops ist gerade mal rund 3,5 mm, also mindestens dreimal kleiner als bisherige schluckbare Kameramodule. Und nachdem diese einsetzbaren Pillen an Stellen zum Einsatz kommen können, die von bis zu 15 cm Gewebe überdeckt sind, ist es besser, ein drahtloses Funksystem zu nutzen, das im MICS-Band (Medical Implant Communication Service) von 402 bis 405 MHz arbeitet. Denn im Vergleich zu höheren Frequenzbändern wie beispielsweise 2,4 GHz ist bei den niedrigen Frequenzen die Gewebedämpfung geringer. Darüber hinaus ist mit MICS gewährleistet, dass Implantaten ein störungsfreier Kanal zur Kommunikation zur Verfügung steht.

Die Volumenbeschränkung stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung für das Design eines MICS-Transceivers dar, da externe Komponenten natürlich möglichst vermieden werden müssen und die Antenne möglichst klein ausfallen muss, was sich wiederum mit der niedrigen Frequenz widerspricht, denn diese erfordert typischerweise große Antennen.

Imec hat all diese Probleme mit seinem Transceiver gelöst: Zum einen ist es dem Unternehmen gelungen eine sehr kleine Antenne zu realisieren, zum anderen läuft der Transceiver ohne Quarz, typischerweise die größte Off-Chip-Komponente. Hiu: »Damit erzeugt unser Transceiver zwar ein weniger genaues Taktsignal, aber das Empfangssystem kalibriert das Taktsignal. Dafür haben wir ein eigenes Protokoll entwickelt. Jedes Mal, wenn Daten gesendet werden, sagt die eingesetzte Pille, dass sie senden will und das Außenteil sendet eine Frequenz, die das Innenteil zur Kalibrierung nutzen kann, um danach seine Daten zu senden.« Und dass kleine Antennen typischerweise deutlich empfindlicher sind, hat das Imec mit Elektronik gelöst, denn damit kann sich die Antenne an veränderte Umgebungsbedingungen anpassen.

Der vom Imec entwickelte Transceiver wurde mithilfe einer 40-nm-CMOS-Technologie gefertigt und belegt eine Fläche von lediglich 2 mm². Die Fläche des drahtlosen Moduls ist mit 3,5 x 15 mm² angegeben, einschließlich einer 3,5 × 3,8 mm² großen Leiterplatte und einer Miniaturantenne auf einem High-k-Substrat (ε=10).