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Tecnologie wireless migliorate per impianti e sensori corporei

Gli impianti come pacemaker e apparecchi acustici si usano per contrastare le disfunzioni degli organi da decenni. Il progetto WISERBAN sta facendo un enorme passo avanti nel loro sviluppo: il suo scopo è infatti ottenere comunicazioni più intelligenti tra di essi, dimensioni ...

Gli impianti come pacemaker e apparecchi acustici si usano per contrastare le disfunzioni degli organi da decenni. Il progetto WISERBAN sta facendo un enorme passo avanti nel loro sviluppo: il suo scopo è infatti ottenere comunicazioni più intelligenti tra di essi, dimensioni più ridotte e un più basso consumo di energia. Nel prossimo futuro, le persone affette da problemi di salute di vario tipo, come Alzheimer, diabete, perdita dell'udito, insufficienza cardiaca e persino coloro che hanno perso un arto potrebbero tutti avere qualcosa in comune: un dispositivo all'interno del corpo o sul corpo intelligente ed efficiente che renderà la loro vita quotidiana più facile e piacevole. A questo fine, lo sviluppo di sistemi di comunicazione piccolissimi e a bassissimo consumo di energia è fondamentale. Permette infatti a questi dispositivi di comunicare qualsiasi cambiamento delle condizioni e di regolare di conseguenza le terapie. Usando le soluzioni wireless di oggi si possono raggiungere un'autonomia e una connettività wireless limitate a causa delle loro dimensioni e del consumo di energia. Con la consapevolezza che questa limitazione sta attualmente ostacolando la capacità di usare le WBAN (wireless body-area network) in applicazioni biomediche e di lifestyle, il progetto WISERBAN riunisce grandi produttori di dispositivi medici, istituti di ricerca e produttori di chip per superare questo ostacolo. WISERBAN si sta concentrando sull'estrema miniaturizzazione dei dispositivi BAN (body-area network). Coinvolge i settori delle comunicazioni a radio-frequenza (RF), i "sistemi microelettromeccanici" (MEMS) e i componenti miniaturizzati, le antenne miniaturizzate riconfigurabili, system-in-package (SiP) miniaturizzati ed efficienti dal punto di vista economico, sistemi radio su chip (SoC) basati sui MEMS a consumo energetico ultra basso, elaborazione del segnale del sensore e protocolli di comunicazione flessibili. Durante un'intervista a research*eu rivista dei risultati, il coordinatore del progetto, il dott. Vincent Peiris ci parla del contributo del progetto al miglioramento di questa tecnologia all'avanguardia e di come i suoi risultati incrementeranno il comfort e l'accesso alle TIC per le persone disabili di tutte le età. Il dott. Peiris è direttore della Sezione di progettazione di circuiti integrati RF e analogici presso il Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) di Neuchâtel, in Svizzera. Quali sono i principali obiettivi del progetto? Si ricorre sempre più spesso a reti di dispositivi indossabili wireless per avere dispostivi medici, sanitari e di stile di vita più intelligenti. I sensori collegati in rete indossati sul corpo o impiantati nel corpo sono in fase di sviluppo e uno dei fattori determinanti per la fattibilità di questa tecnologia sono sistemi di comunicazione molto piccoli e a bassissimo consumo di energia. In questo contesto, WISERBAN si propone di sviluppare un microsistema ultra miniaturizzato che comprende una radio 2,4GHz, un microprocessore per l'elaborazione dei dati del sensore e dispositivi MEMS a RF per prestazioni radio migliori, tutti montati in un system-in-pakage di 4 x 4 x 1mm3 con un consumo di energia di circa un paio di milliwatt. L'obiettivo è ottenere dispositivi che siano 50 volte più piccoli e che abbiano un fabbisogno di energia 20 volte più basso rispetto ai prodotti esistenti, che in genere si affidano a soluzioni classiche come il Bluetooth. Cosa c'è di nuovo o innovativo nel progetto e nel modo in cui si rivolge a questi problemi? Il consorzio WISERBAN è unico nel senso che è organizzato intorno a partner industriali - SORIN per gli impianti cardiaci, Siemens Audiology Solutions per gli apparecchi acustici, Debiotech per le pompe di insulina e MED-EL per gli impianti cocleari - che insieme portano esigenze precise e orientate al mercato. I loro prodotti sono piuttosto diversi perché alcuni sono impiantati mentre altri si indossano sul corpo. Inoltre occuparsi di dispositivi sanitari comporta limitazioni che non sono necessariamente uguali a quelle dei prodotti di lifestyle. Cionostante, è stato possibile definire caratteristiche comuni per quanto riguarda lo strato di comunicazioni wireless, il che ci ha permesso di creare una specifica radio dedicata e una scomposizione architettonica per guidare gli attuali sviluppi tecnologici. Le due innovazioni principali portate dal dispositivo WISERBAN sono la sua architettura radio a basso consumo di energia e le sue dimensioni: 4 x 4 x 1mm3. A livello radio, abbiamo creato una combinazione unica di circuiti CMOS (semiconduttore metallo ossido complementare) a submicron ultra profondo con un set eterogeneo di dispositivi MEMS - come risonatori BAW (onda acustica in grande quantità) a RF, filtri a RF SAW (onda acustica di superficie) e risonatori in silicio (SiR) - mentre l'approccio attuale si affida a chip CMOS che necessitano diversi componenti esterni e passivi come cristalli e flitri di RF. L'uso congiunto di MEMS e CMOS permette un'integrazione di SiP molto più piccoli se paragonati ai moduli che usano chip CMOS, e la creazione di architetture radio di disturbo che fanno uso di dispositivi MEMS per compensare i limiti dei circuiti CMOS e vice versa. Questo permette un tempo di accensione molto efficiente per la sezione ricetrasmittente, permettendo così un rapido avvio della radio. Questo è fondamentale per un funzionamento a basso consumo di energia perché elimina il consumo di corrente non necessario che normalmente è dovuto a un'accensione lenta di architetture radio classiche. Contemporaneamente abbiamo sviluppato un approccio SiP miniaturizzato per ottenere l'obiettivo dei 4 x 4 x 1mm3 che fosse allo stesso tempo fattibile dal punto di vista commerciale. Le soluzioni attuali, come l'integrazione del silicio tridimensionale (3D), sono molto complesse dal punto di vista tecnico e sono piuttosto costose perché le fonderie le implementino nei loro flussi. Con WISERBAN, i dispositivi CMOS e MEMS sono integrati in laminati epossidici molto sottili e questi SiP piatti e bidimensionali (2D) si possono poi incollare insieme tramite una saldatura con deposizione delle sfere per realizzare piccolissimi SiP 3D. L'efficienza in termini di costi e l'inerente modularità di questa piattaforma SiP ne permette una facile configurazione per soddisfare le diverse esigenze dell'utente finale. Quali difficoltà avete incontrato e come le avete superate? La caratteristica di WISERBAN è promuovere l'innovazione in molte tecnologie wireless, come le antenne in miniatura, i chip radio, i circuiti per l'elaborazione digitale e i dispositivi MEMS, ma anche software per il controllo del sistema e per le reti di sensori wireless. L'integrazione del sistema - che si occupa di fare in modo che funzionino insieme in un dimostratore o prodotto unico - è quindi un compito molto complesso e una delle grandi sfide del progetto. È stato necessario sviluppare una rigorosa specifica dall'alto verso il basso e scomporre l'architettura, assicurandosi che ogni blocco tenesse conto delle condizioni che lo circondavano e le interazioni con gli altri componenti. I team di ricerca in diversi paesi dell'UE naturalmente tendono a concentrarsi sulle difficoltà scientifiche del loro blocco preso singolarmente, quindi l'integrazione del sistema è stata fatta anche per assicurare interazioni efficienti e regolari tra di loro. Creare un ambiente abilitante e stimolante per una giusta integrazione del sistema e ricoprire il ruolo dell'integratore del sistema è stato un importante compito per il CSEM in quanto coordinatore scientifico del progetto. Un esempio concreto è la realizzazione - al primo tentativo - del SoC WISERBAN, che è l'integrazione di sistema di diversi "mattoni" come MEMS e circuiti radio con un "processore di segnale digitale" (DSP) su un singolo dado di silicio in CMOS di 65 nm. Dall'altra parte, altri mattoni tecnologici, come i SiR MEMS, si sono rivelati molto difficili da ottenere perché si è dovuto inventare un flusso di fabbricazione, lavorazione e incapsulamento completamente nuovo e questo ha richiesto più tempo del previsto prima di poter creare dispositivi che avessero prestazioni soddisfacenti. Per risolvere questi problemi, è stata stabilita un'interazione sinergica con un altro progetto finanziato dall'UE - GO4TIME2 che si occupa di simili problemi di MEMS - in modo da fornire elementi tecnologici per i MEMS SiR di WISERBAN. Quali sono i risultati concreti della ricerca fino a questo momento? La prima versione dei SoC WISERBAN, che integra su un singolo chip in CMOS di 65 nm un trasmettitore completo basato sui MEMS e un processore di segnale digitale della famiglia icyflex e che ha funzionato al primo tentativo. Attualmente i team stanno lavorando per integrare i blocchi rimanenti per la versione finale del SoC. Un altro risultato molto interessante è la disponibilità dei primi prototipi di antenna miniaturizzata che sono stati sviluppati tenendo conto del rigido ambiente e delle condizioni di propagazione legate all'alloggiamento dell'utente finale (per es. apparecchi acustici, impianti cocleari). Le antenne passive e attive - attive significa che il dispositivo incorpora meccanismi di regolazione per coprire tutti i 2,4GHz della banda di frequenza - sono state sviluppate e caratterizzate con successo in laboratorio. Il prossimo passo è combinarle con il SoC WISERBAN e verificarne la funzionalità quando sono implementate negli alloggiamenti selezionati. A livello dei MEMS, sono stati sviluppati diversi primi prototipi che sono stati dimostrati con successo, come i risonatori e i filtri BAW e i filtri SAW. I primi risulatti promettenti per i SiR MEMS sono stati mostrati su wafer in aria, ma devono essere confermati in un sistema nel vuoto. Il prossimo passo è stabilizzare il processo di imballaggio dei SiR, che è un passaggio critico di cui ci si sta occupando attualmente. Per quanto riguarda il software, i partner industriali utenti finali hanno elaborato un quadro comune per costruire i pezzi del software di controllo. Per quanto riguarda il collegamento in rete wireless, è stata sviluppata e ottimizzata una pila di protocolli dedicata per la comunicazione a basso consumo di energia per reti di sensori sul corpo. Il potenziale di questo protocollo è già stato dimostrato su una rete di sensori di riferimento costruita con circuiti radio disponibili sul mercato, in previsione di implementare una rete WISERBAN. Quando pensate che i cittadini europei potranno cominciare a trarre beneficio da questa tecnologia? I cittadini dell'UE dovrebbero essere in grado di trarre beneficio da questa tecnologia una volta che tutta la tecnologia WISERBAN sarà installata in prodotti per gli utenti finali. Questo dovrebbe succedere verso il 2015, forse più tardi per quei prodotti che sono legati all'assistenza sanitaria e che quindi richiedono procedure di certificazione più lunghe. Specifici blocchi tecnologici, come alcuni circuiti sui dispositivi MEMS, potrebbero essere usati in prodotti semiconduttori prima, nel 2014. Quali sono le prossime fasi del progetto, o i prossimi temi della vostra ricerca? Al di là di WISERBAN, sono emersi diversi argomenti che potrebbero essere oggetto di ricerca. WISERBAN attualmente si occupa di applicazioni che funzionano con piccolissime batterie, quindi un primo percorso di ricerca potrebbe essere portare ancora più avanti l'integrazione del sistema combinandolo con le emergenti tecnologie di raccolta di energia che potrebbero raccogliere energia dagli arti in movimento, dai battiti cardiaci o dal calore del corpo. Un altro percorso interessante è l'ulteriore riduzione del volume e delle dimensioni dei microsistemi wireless, esplorando architetture radio di disturbo che usano tecnologie CMOS di prossima generazione (per es. CMOS di fino a 10 nm) o tecnologie oltre i CMOS (basate sui nanomateriali). Questi metodi preparano il terreno a dispositivi di comunicazione a zero energia e praticamente invisibili e permetteranno una pluralità di nuove applicazioni sanitarie e biomediche, come pelle intelligente per protesi umane, dispositivi di monitoraggio discreti per una vita e un invecchiamento sani, reti di impianti per facilitare gli interventi chirurgici o piccolissime soluzioni di neuro stimolazione impiantate per curare disturbi neurologici. Il progetto è stato coordinato dal Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) in Svizzera.Per maggiori informazioni, visitare: WISERBAN http://www.wiserban.eu/ Scheda informativa del progetto CSEM http://www.csem.ch/site/

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Paesi Bassi

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