Améliorer la technologie sans fil pour les implants et capteurs corporels
Les implants corporels tels que les stimulateurs cardiaques et les appareils auditifs sont utilisés depuis des décennies pour lutter contre les dysfonctionnements d'organes. Le projet WISERBAN a fait un bond de géant dans leur développement: en tentant de fournir des communications plus intelligentes, de taille réduite et avec une consommation d'énergie plus faible Dans un avenir proche, les personnes touchées par des problèmes de santé aussi variés que la maladie d'Alzheimer, le diabète, la perte d'audition, l'insuffisance cardiaque ou même des membres manquants, pourraient tous avoir un point en commun: un dispositif intelligent, efficace, portable ou implantable qui leur facilite et rend plus agréable la vie quotidienne. Le développement des petits dispositifs de communication sans fil, ultra-basse consommation en est la clé. Il permet à ces dispositifs de communiquer tout changement de conditions et d'adapter les traitements en conséquence. Les solutions sans fil actuelles n'offrent qu'une autonomie et une connectivité sans fil limitées en raison de leur taille et consommation d'énergie. Les chercheurs du projet WISERBAN sont conscients du fait que cette limitation empêche actuellement la capacité de réseaux corporels sans fil («wireless body-area network», WBAN) d'être utilisée dans les applications de style de vie et biomédicales, c'est pourquoi ils rassemblent les principaux fabricants de dispositifs médicaux, des instituts de recherche et des fabricants de puces pour tenter de surmonter cet obstacle. WISERBAN met l'accent sur la miniaturisation extrême des dispositifs «body area network» (BAN). Elle concerne les domaines de la communication par radio-fréquence (RF), les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et les composants miniatures, les antennes reconfigurables miniatures, les systèmes en boîtier (system-in-package, SiP) miniaturisés et abordables, une puce microélectronique (SoC) RF à ultra-basse puissance avec des microsystèmes électromécaniques (MEMS) haute-fréquence, le traitement de signaux de capteurs et les protocoles de communication flexibles. Dans un entretien avec le magazine research*eu consacré aux résultats, le coordinateur du projet, le Dr Vincent Peiris nous en dit plus sur la contribution du projet pour l'amélioration de la technologie de pointe et comment les résultats du projet pourront améliorer le confort et l'accès aux TIC aux personnes invalides et handicapées de tout âge. Dr Peiris est le chef de la section RF et de conception IC analogique au Centre Suisse d'électronique et de microtechnique (CSEM) à Neuchâtel, en Suisse. Quels sont les principaux objectifs du projet? On a de plus en plus recours aux réseaux WBAN de prochaine génération pour des dispositifs médicaux, sanitaires et de mode de vie plus intelligents. Des capteurs en réseau portables ou implantables sont en cours d'élaboration et un instrument clé de cette technologie réside dans les systèmes de communication sans fil minuscules et à ultra-faible consommation. Dans ce contexte, le projet WISERBAN cherche à développer un microsystème sans fil ultra-miniature comprenant une radio de 2,4 GHz, un microprocesseur pour le traitement des données des capteurs et des dispositifs MEMS RF pour de meilleures performances radio, le tout combiné dans un système de boîtier de 4 x 4 x 1 mm3 et d'une consommation de puissance de l'ordre de quelques milliwatts. L'objectif est de parvenir à créer des dispositifs 50 fois plus petits consommant 20 fois plus moins que les dispositifs actuels qui reposent généralement sur ??des solutions classiques telles que le Bluetooth. Qu'apporte le projet de nouveau et d'innovant dans sa manière d'approcher l'égalité des genres? Le consortium WISERBAN est unique car il est concentré autour de quatre grands partenaires industriels; SORIN pour les implants cardiaques, Siemens Audiology Solutions pour les appareils auditifs, Debiotech pour les pompes à insuline et MED-EL pour les implants cochléaires, tous avec des exigences strictes et axées sur le marché. Leurs produits sont assez différents car certains sont implantés tandis que d'autres sont portés sur le corps. D'autre part, les soins de santé sous soumis à des contraintes qui ne sont pas nécessairement les mêmes que pour les besoins en style de vie. Il a néanmoins été possible de définir des points communs pour la couche de communication sans fil, nous avons donc pu concevoir une spécification radio et une répartition architecturale dédiées pour piloter les développements technologiques actuels. Les deux principales innovations apportées par le dispositif WISERBAN sont son architecture radio faible puissance unique et sa taille: 4 x 4 x 1 mm3. Au niveau de la radio, nous avons créé une combinaison unique de circuits ultra-submicroniques à semi-conducteurs complémentaires en oxyde métallique (CMOS) avec un ensemble hétérogène de dispositifs MEMS, tels que les des résonateurs RF à «ondes de volume acoustique» (BAW), les filtres de RF et les résonateurs en silicium (SiRes) à basse-fréquence, alors que l'approche actuelle est de s'appuyer sur des puces uniquement CMOS qui nécessitent plusieurs composants passifs externes et encombrants tels que des cristaux et des filtres RF. L'utilisation conjointe de MEMS avec CMOS permet une intégration de système en boîtier beaucoup plus petite par rapport aux modules utilisant des puces CMOS ainsi que la création d'architectures radio perturbatrices qui utilisent les avantages des dispositifs MEMS pour compenser les limitations dans les circuits CMOS - et vice versa. Cela permet un temps de démarrage extrêmement efficace pour la partie émetteur-récepteur et donc un réveil rapide de la radio. Ceci est crucial pour le fonctionnement à faible puissance, car cela élimine la consommation de courant inutile découlant habituellement de la lenteur du démarrage des architectures radio classiques. Nous avons développé, en parallèle, une approche SiP miniaturisée pour la réalisation d'un dispositif 4 x 4 x 1 mm3 restant abordable d'un point de vue commercial. Les solutions actuelles, comme l'intégration en silicium à trois dimensions (3D), souffrent d'une grande complexité technique et leur mise en uvre est assez coûteuse pour les fonderies de silicium. Pour le projet WISERBAN, les dispositifs CMOS et MEMS sont intégrés dans un laminé d'époxy très fin et ces SiP plats en deux dimensions (2D) peuvent ensuite être brasés ensemble pour être transformés en petits systèmes SiP 3D. Grâce à un bonne rentabilité en termes de prix et d'efficacité et à sa modularité inhérente, cette plateforme SiP est facilement configurable pour répondre à une grande variété de besoins des utilisateurs finaux. Quelles difficultés avez-vous rencontrées et comment les avez-vous résolues? WISERBAN apporte de l'innovation dans de nombreuses technologies sans fil, telles que les antennes miniatures, les puces radio, les circuits de traitement numérique et les dispositifs MEMS, mais également les logiciels de commande de systèmes et la mise en réseau de capteurs sans fil. L'intégration système, qui les amenera à travailler ensemble dans un démonstrateur ou produit unique, est donc une tâche très complexe et un défi pour un grand projet. Elle a nécessité le développement d'une spécification verticale et répartition de l'architecture rigoureuses devant veiller à ce que chaque bloc tienne compte de ses conditions environnantes et des interfaces avec les autres composants. Les équipes de recherche de plusieurs pays de l'UE ont naturellement tendance à se concentrer sur les défis scientifiques individuels de leurs propres blocs, l'intégration du système devait donc également assurer des interactions efficaces et régulières entre eux. Créer un environnement favorable et stimulant pour une intégration adéquate du système et tenir le rôle d'intégrateur a été une tâche importante pour le CSEM en tant que coordinateur scientifique du projet. Un exemple concret est la réalisation réussie, dès la première tentative, du WISERBAN SoC qui est l'intégration système de plusieurs technologies «briques» comme les MEMS et les circuits radio avec un «digital signal processor» (processeur de signal numérique ou DSP) sur une seule puce de silicium CMOS de 65 nm . Cependant, d'autres briques technologiques, comme les MEMS SiRes, se sont révélées très difficiles à terminer parce qu'il a fallu inventer de toutes nouvelles méthodes de fabrication, traitement et encapsulation, ce qui a été plus long que prévu avant d'aboutir dans des dispositifs entièrement satisfaisants. Pour résoudre ces problèmes, on a créé une interaction synergique avec un autre projet financé par le 7e PC de l'UE; GO4TIME2 traitant de problèmes de MEMS similaires, pour fournir des articles technologiques d'urgence pour les MEMS SiRes de WISERBAN. Quels sont les résultats concrets jusqu'à présent? Parmi ces résultats, la première version de WISERBAN SoC intégrant, sur une seule puce CMOS de 65 nm, un transmetteur entièrement basé MEMS et un processeur de signal numérique de la famille icyflex, et s'étant avérée fonctionnelle dès la première tentative. Les équipes travaillent actuellement à l'intégration des blocs restants pour la version finale du SoC. Un autre résultat très intéressant est la disponibilité des premiers prototypes d'antennes miniatures qui ont été développés en tenant compte de l'environnement et des conditions de propagation rigoureux liés aux boîtiers de l'utilisateur final (comme, par exemple, les logement des aides auditives ou des implants cochléaires). Des antennes tant passives qu'actives, actives dans le sens où le dispositif incorpore des mécanismes de réglage couvrant la totalité de la bande de fréquence de 2,4 GHz, ont été mises au point et caractérisées avec succès au niveau du laboratoire. La prochaine étape est de les combiner avec le WISERBAN SoC et de vérifier leur bon fonctionnement lorsqu'elles sont implémentées dans les logements sélectionnés. Au niveau du MEMS, plusieurs premiers prototypes ont été développés et présentés avec succès, comme les résonateurs et filtres BAW et les filtres SAW. Les premiers résultats prometteurs pour les MEMS SiRes ont été montrés sur une wafer à l'air, mais doivent encore être confirmés dans un emballage sous vide. Lors de l'étape suivante, il faudra stabiliser le processus de conditionnement des SiRes ce qui représente un défi critique. Côté logiciel, les partenaires utilisateurs finaux industriels ont élaboré un cadre commun pour la construction des éléments des logiciels de commande. Côté réseaux sans fil, une pile de protocoles spécifiques a été développée et optimisée en regard d'une communication de faible puissance pour les réseaux corps-capteurs. Le potentiel de ce protocole a déjà été démontré sur un réseau de capteurs de référence construit avec des circuits radio commerciaux, en prévision de la mise en uvre d'un réseau WISERBAN. Quand pensez-vous que les citoyens européens pourront bénéficier de cette technologie? Les citoyens européens devraient bénéficier de cette technologie dès que la technologie complète de WISERBAN sera installée dans les produits finaux. Ce qui devrait arriver vers 2015, peut-être plus tard, pour les produits qui sont liés aux soins de santé et nécessitent donc plus d'étapes de certification. Les briques technologiques spécifiques, comme certains circuits ou dispositifs MEMS, pourraient être exploités pour des produits semi-conducteurs plus tôt, en 2014. Quelles seront les prochaines étapes du projet ou les nouveaux sujets de vos recherches? Au-delà du projet WISERBAN, plusieurs thèmes ont émergé pour de futures recherches. WISERBAN concerne actuellement des applications fonctionnant avec de minuscules batteries; une première voie de recherche serait donc de pousser plus loin l'intégration système en le combinant avec les technologies émergentes de récupération d'énergie qui pourraient collecter de l'énergie à partir de membres en mouvements, du rythme cardiaque ou de la température du corps. Une autre voie intéressante est une nouvelle réduction du volume et de la taille des microsystèmes sans fil, en explorant les architectures radio perturbatrices en utilisant les technologies CMOS nouvelle génération (par exemple des CMOS diminuant jusqu'à 10 nm) ou au-delà des technologies CMOS (basées sur les nanomatériaux). Ces approches ouvrent la voie vers des dispositifs de communication pratiquement zéro-énergie et invisibles et permettront de nombreuses applications de soins de santé et biomédicales, comme la peau intelligente pour les prothèses humaines, les dispositifs de surveillance discrète pour une vie et un vieillissement sains, les réseaux d'implants pour aider les interventions chirurgicales ou de minuscules solutions de neurostimulation implantées pour soigner les troubles neurologiques. Le projet a été coordonné par le Centre Suisse d'électronique et de microtechnique (CSEM) en Suisse.Pour plus d'informations, consulter: WISERBAN http://www.wiserban.eu/ Fiche d'information du projet CSEM http://www.csem.ch/site/
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Pays-Bas