Tecnología inalámbrica mejorada aplicada a sensores e implantes corporales
Los implantes quirúrgicos como los marcapasos o los audífonos contribuyen desde hace decenios a compensar las insuficiencias de distintos órganos. El proyecto WISERBAN está trabajando para mejorar enormemente su desarrollo mediante sistemas de comunicación más inteligentes entre este tipo de dispositivos y una reducción tanto de su tamaño como de la energía que consumen. Dentro de poco los pacientes de Alzheimer, diabetes, pérdida auditiva, insuficiencia cardíaca o incluso amputaciones podrán contar con dispositivos inteligentes y eficientes implantados en su cuerpo o sobre él que faciliten su vida y les permita disfrutarla en mayor medida. El desarrollo de un sistema de comunicación diminuto y de consumo ultra bajo resulta clave para lograrlo, pues permitiría que este tipo de dispositivos informara de cambios en las condiciones del paciente y ajustase los tratamientos en función de ellas. Sin embargo, la autonomía que brindan las tecnologías de comunicación inalámbrica modernas es deficiente debido a su tamaño y a la energía que precisan para su funcionamiento. El proyecto WISERBAN es consciente de que estas limitaciones frenan la aplicación de las «redes inalámbricas de área corporal» (WBAN) al ocio y la biomedicina y por tanto reunió a importantes fabricantes de dispositivos médicos, institutos científicos y fabricantes de microchips a fin de eliminarlas. WISERBAN trabaja en la miniaturización extrema de dispositivos de red de área corporal (BAN), y más en concreto en las comunicaciones por radiofrecuencia (RF), los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los componentes en miniatura, las antenas reconfigurables miniaturizadas y los sistemas integrados en paquetes (SiP) rentables, los sistemas en chip (SoC) de radio basados en MEMS y de consumo ultra bajo, el procesamiento de señales de sensores y protocolos de comunicación flexibles. El coordinador del proyecto, el Dr. Vincent Peiris, relató en una entrevista concedida a la revista de resultados de research*eu la contribución del proyecto a la mejora de la tecnología de vanguardia y cómo sus resultados aumentarán la comodidad y el acceso a las TIC de los afectados por discapacidades y trastornos de cualquier edad. El Dr. Peiris es director de la Sección de Radiofrecuencia y Diseño de Chips Integrados Analógicos en el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) sito en Neuchâtel (Suiza). ¿Cuáles son los objetivos principales del proyecto? Existe una tendencia creciente hacia el empleo de redes inalámbricas de área corporal de nueva generación en dispositivos médicos, sanitarios y de ocio más «inteligentes». Se están desarrollando sensores en red para su implantación en el cuerpo o su instalación sobre el mismo, y uno de los motores de este tipo de tecnología son las comunicaciones inalámbricas diminutas y de consumo ultra bajo. En este contexto, WISERBAN se propone crear un microsistema inalámbrico ultraminiaturizado compuesto por un sistema de radiocomunicación a 2,4 GHz, un microchip para procesar los datos recabados por los sensores y dispositivos MEMS de RF que mejoran el rendimiento de las comunicaciones por radio para a continuación combinarlo en un SiP de cuatro por cuatro por un milímetros cúbicos con un consumo de unos pocos milivatios. El objetivo reside en lograr dispositivos de un tamaño cincuenta veces menor y que consuman una vigésima parte que los productos a la venta en la actualidad, que normalmente se basan en soluciones de comunicación clásicas como Bluetooth. ¿Cuáles son los aspectos innovadores del proyecto y de la forma en la que aborda dichos temas? El consorcio de WISERBAN resulta singular por su configuración federada en torno a cuatro socios industriales de primer orden -SORIN para implantes cardíacos, Siemens Audiology Solutions para audífonos, Debiotech para bombas de insulina y MED-EL para implantes cocleares- que en su conjunto reúnen los rigurosos requisitos comerciales deseados. Sus productos destacan del resto debido a que algunos de ellos van implantados, pero otros simplemente se instalan sobre el organismo. Además, las aplicaciones sanitarias imponen restricciones que difieren de las dedicadas al ocio. Aún así fue posible definir puntos en común en la capa de comunicación inalámbrica que aprovechamos para crear una especificación y una descripción de la arquitectura de radio en las que basar los progresos tecnológicos. Las dos innovaciones más relevantes del dispositivo de WISERBAN son la arquitectura de radio de muy bajo consumo y su tamaño: cuatro por cuatro por un milímetros cúbicos. En lo referente a las radiocomunicaciones, creamos una combinación única de circuitos CMOS (metal-óxido-semiconductor complementario) UDSM y un conjunto heterogéneo de dispositivos MEMS -resonadores de RF BAW («bulk acoustic wave»), filtros de RF SAW («surface acoustic wave») y resonadores de silicio (SiRes) de baja frecuencia-, a diferencia de la tecnología actual, basada sólo en chips CMOS que precisan de componentes pasivos externos y de gran tamaño como cristales y filtros de RF. La combinación de MEMS y CMOS permite lograr integraciones SiP de tamaño mucho menor que las logradas mediante módulos de chips CMOS y generar arquitecturas de radio revolucionarias que aprovechan las ventajas innovadoras de los dispositivos MEMS para compensar las limitaciones de los circuitos CMOS y viceversa. De este modo se logra un tiempo de arranque muy eficiente en la sección del transceptor y, en consecuencia, una activación rápida del componente de radio. Esta característica resulta crucial a la hora de reducir el consumo pues elimina corrientes innecesarias que suelen generarse debido a la lentitud del arranque de las arquitecturas clásicas de radio. En paralelo desarrollamos un método SiP miniaturizado para lograr el objetivo de mantener el tamaño de cuatro por cuatro por un milímetros cúbicos sin que perjudicase su asequibilidad comercial. Las soluciones actuales, como por ejemplo la integración en silicio tridimensional, adolecen de gran complejidad técnica y su implantación en las plantas de fabricación de semiconductores resulta cara. Gracias a WISERBAN, los dispositivos CMOS y MEMS se incrustan en láminas de epoxi muy finas. Estas SiP planas bidimensionales pueden apilarse mediante un sistema de soldado denominado «solder-bumping» con el que lograr SiP tridimensionales de tamaño minúsculo. La rentabilidad y modularidad inherente de esta plataforma de SiP permiten configurarla para que se ajuste fácilmente a las necesidades del usuario. ¿Qué obstáculos se han encontrado hasta ahora y cómo los han solucionado? WISERBAN trata de innovar en distintas tecnologías inalámbricas como las antenas miniaturizadas, los chips de radio, los circuitos de procesamiento digital y los dispositivos MEMS, pero también en el software que controla el sistema y las redes inalámbricas de sensores. La integración del sistema, una labor dedicada a que funcione en un demostrador o producto, resulta por tanto una tarea harto compleja y uno de los principales retos del proyecto. Para ello ha sido necesario describir y especificar el sistema de forma rigurosa y descendente y asegurarse de que cada componente tiene en cuenta las condiciones de su entorno y se comunica con el resto de componentes. Cuando los equipos de investigación se encuentran en distintos países europeos suelen dedicarse a los retos científicos de las partes en las que trabajan de manera individual, por lo que la integración del sistema también ha comportado garantizar que existiesen interacciones eficientes y continuas entre ellos. Crear un entorno propicio y estimulante destinado a una integración adecuada del sistema y a ejercer las funciones de integrador del mismo ha supuesto un gran esfuerzo para CSEM como coordinador del proyecto. Un ejemplo de ello ha sido el logro a la primera del SoC de WISERBAN, el sistema de integración de distintas piezas tecnológicas como los MEMS y los circuitos de radio con un procesador digital de señales (DSP) en una matriz de silicio en una CMOS de sesenta y cinco nanómetros. Por otro lado, el resto de piezas tecnológicas como los MEMS de SiRes han presentado enormes dificultades debido a la absoluta novedad de su proceso de fabricación, procesamiento y encapsulación, circunstancia que ha obligado a consumir más tiempo del esperado para garantizar un rendimiento satisfactorio de los dispositivos. Este tipo de obstáculos se superaron gracias a interacciones sinérgicas con otro proyecto financiado con fondos europeos titulado GO4TIME2 que trata con problemas similares de los MEMS. De esta forma se obtuvieron artículos tecnológicos contingentes para los MEMS de SiRes de WISERBAN. ¿Cuáles son los resultados concretos de la investigación hasta ahora? Uno de ellos es la primera versión del SoC de WISERBAN, que integra en un único chip CMOS de sesenta y cinco nanómetros un transmisor MEMS completo y un procesador de señales digitales perteneciente a la familia icyflex, que además funcionó al primer intento. Los equipos trabajan ahora en la integración de los bloques restantes en la versión final del SoC. Otro resultado de interés es la obtención de los primeros prototipos de antena miniaturizada, en cuyo desarrollo se han tenido en cuenta las estrictas condiciones del entorno y de propagación relacionadas con las carcasas finales (carcasas para audífonos, para implantes cocleares, etc.). En el laboratorio se han desarrollado antenas pasivas y activas. Por activas se entiende que los dispositivos incorporan mecanismos de sintonización que abarcan la banda completa de frecuencia de los 2,4 GHz. A continuación se combinarán con el SoC de WISERBAN y se verificará su funcionalidad en distintas carcasas. Además se desarrollaron y demostraron varios prototipos de MEMS, como los filtros y los resonadores BAW, y los filtros SAW. Los primeros resultados prometedores de los MEMS de SiRes se han observado en sistemas de «wafer-in-air» que aún deben confirmarse en condiciones de vacío. A continuación se estabilizará el sistema de empaquetado de los SiRes, uno de los retos fundamentales en los que trabajamos ahora. En lo referente al software, los socios industriales que ejercerán de usuarios finales de los productos crearon un marco común para la programación de todas las partes del software de control. También se desarrolló y optimizó una pila de protocolos para las redes inalámbricas para su aplicación en redes de comunicación de sensores corporales de bajo consumo. El potencial de este protocolo ya se ha demostrado en una red de sensores en pruebas construida con circuitos de radio ya comercializados como paso previo a la implementación de la red de WISERBAN. ¿Cuándo podrán disfrutar los europeos de los beneficios de esta tecnología? Esta tecnología redundará en beneficio de la población europea cuando todos los componentes de WISERBAND se instalen en productos a la venta. Se espera que esto se produzca en torno a 2015, quizás algo más tarde en los productos relacionados con el ámbito sanitario pues conllevan un proceso de certificación más complejo. Algunos componentes tecnológicos como ciertos circuitos o dispositivos MEMS podrían aplicarse a productos semiconductores ya en 2014. ¿Qué etapas restan del proyecto o qué temas quedan por investigar? Han surgido varios temas de investigación con posterioridad al fin de WISERBAND. En el proyecto nos preocupan las aplicaciones que funcionan con baterías diminutas, por lo que una línea de investigación se dirigiría a lograr una integración del sistema aún mayor a través de su combinación con tecnologías que obtienen energía mediante el movimiento de las extremidades, los latidos o el calor corporal. Otra rama interesante sería la reducción aún mayor del volumen y el tamaño de los microsistemas inalámbricos. Esto se podría lograr mediante el estudio de arquitecturas de radio revolucionarias que empleen tecnologías CMOS de nueva generación (de hasta diez nanómetros) o tecnologías más avanzadas que las CMOS (basadas en nanomateriales). Este tipo de métodos allana el camino hacia el logro de dispositivos prácticamente invisibles y que no consumen energía. Además daría paso a una amplia gama de aplicaciones biomédicas y sanitarias nuevas como piel inteligente para prótesis humanas, dispositivos de observación discretos para aplicaciones de vida y envejecimiento sanos, redes de implantes de asistencia a la cirugía o soluciones diminutas de neuroestimulación implantadas que sirvan para curar afecciones neurológicas. La coordinación del proyecto recayó sobre el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM, Suiza).Para más información, consulte: WISERBAN http://www.wiserban.eu/ Ficha informativa del proyecto CSEM http://www.csem.ch/site/
Países
Países Bajos