Zarlink Semiconductor Geht unter die Haut

Redakteur: Iris Steinbacher

In der Vergangenheit stellten niederfrequente induktive Verbindungen die vorherrschende Kommunikationsmethode dar. Sie arbeiten im Bereich von zwei- oder dreistelligen kHz mit Datenraten

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( Archiv: Vogel Business Media )

In der Vergangenheit stellten niederfrequente induktive Verbindungen die vorherrschende Kommunikationsmethode dar. Sie arbeiten im Bereich von zwei- oder dreistelligen kHz mit Datenraten von 1 bis 30kBit/s. Diese Systeme sparen Energie, können eine kleine gewickelte Antenne im IMD (Implantable Medical Device) unterbringen und haben sich als robust und zuverlässig erwiesen. Jedoch führen Einschränkungen in der Antennengröße und der Leistung in Implantaten zu einer sehr geringen magnetischen Feldstärke bei einem IMD, das mit einem externen Programmiergerät kommuniziert. Deshalb eignen sich induktive Verbindungen nur für Kurzstrecken und erfordern häufig, dass das externe Programmiergerät direkten Kontakt mit der Haut des Patienten unmittelbar über dem Implantat hat.

Um diese Einschränkungen bei Reichweite und Datenrate zu überwinden, werden neue Ultra-Low-Power-HF-Technologien entwickelt, die mit wesentlich höheren Frequenzen arbeiten. Dazu zählen ISM-(Industrial-Scientific-Medical-)Bänder mit 433 und 915MHz sowie das erst kürzlich freigegebene MICS-(Medical-Implant-Communication-Service-)Band von 402 bis 405MHz. Das MICS-Band unterstützt den Einsatz von schnellen drahtlosen Verbindungen mit einer größeren Reichweite (typisch 2m). Es eignet sich besonders für die Fernüberwachung des Gesundheitszustands ? wegen der Signalausbreitungs-Charakteristika im menschlichen Körper, wegen der Kompatibilität mit den bereits vorhandenen Nutzern des Bands (beispielsweise meteorologische Hilfsmittel wie Wetterballons) sowie wegen seiner internationalen Verfügbarkeit.

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MICS-Band erfordert einen Hochleistungs-Transceiver

Um das MICS-Band zu verwenden, benötigen die medizinischen Geräte einen Hochleistungs-Transceiver mit extrem geringer Verlustleistung. Die Entwicklung dieser Transceiver wird durch folgende Anforderungen bestimmt:

• Geringer Leistungsverbrauch während der 400-MHz-Kommunikation. Die Leistung von implantierten Batterien ist begrenzt und der Scheinwiderstand der Implantatbatterien relativ hoch. Die Spitzenströme sind daher begrenzt. Während der Kommunikationsphasen sollte der Strom für die meisten implantierbaren Geräte auf weniger als6 mA begrenzt werden.

• Der Transceiver muss in einem energiesparenden Sleep-Modus arbeiten können und in der Lage sein, periodisch nach einem Reaktivierungs-(Wake-up-) Signal suchen zu können.

• Eine minimale Anzahl von externen Komponenten sowie kleine Abmessungen stellen wichtige Faktoren dar. Ein HF-Modul für einen Schrittmacher darf nicht größer sein als 5mm × 5mm× 10mm.

• Vernünftige Datenraten sind erforderlich. Schrittmacheranwendungen fordern derzeit >20kBit/s.

• Hohe Zuverlässigkeit in der Daten-übertragung und im Systembetrieb.

• Ein Aktionsradius von mehr als 2m. Höhere Reichweiten bedeuten, dass eine hohe Empfindlichkeit benötigt wird, da kleine Antennen und Verluste im Körper sowohl die Datenrate als auch die zulässige Reichweite beeinträchtigen. Antennenanpassung und Verluste im Körper können typisch bei mehr als 40dB liegen.

• Trennschärfe sowie Unterdrückung von Interferenzquellen.

Darüber hinaus schreiben die MICS-Regulierungen vor, dass das System eine Freikanalbewertung (CCA, Clear-Channel Assessment) durchführt. Dabei tastet der Nutzer alle zehn 300-kHz-Kanäle ab und kann dann auf dem Kanal mit den geringsten Störungen senden. Außerdem kann der Nutzer wahlweise auf dem ersten verfügbaren Kanal senden, dessen Umgebungsleistung unter einem bestimmten Schwellwert liegt (wird in der Norm definiert). Der MICS-Standard fordert, dass das externe Programmiergerät den Abtastprozess durchführt. Deshalb sollte der IMD-Transceiver eine energiesparende Methode unterstützen, die nachprüft, ob ein Signal vom externen Programmiergerät vorhanden ist („sniffing“). Die MICS-Vorschriften lassen beim Auftreten eines Notfalls eine Ausnahme von der CCA-Prozedur zu. Bei klinisch signifikanten medizinischen Notfällen kann das IMD sofort auf jedem Kanal senden. Wenn zum Beispiel ein implantierter EKG-Monitor oder ein Schrittmacher einen Herzstillstand feststellt, kann das Gerät ohne jede Verzögerung eine Meldung an eine Überwachungsbasisstation senden, die wiederum einen medizinischen Notdienst anruft.

Medizinische Geräte lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: in solche, die eine interne, nicht wiederaufladbare Batterie einsetzen (Schrittmacher), und solche, die die Energieversorgung induktiv einkoppeln (Cochlea-Implantate). Erstere tasten den Betrieb der Systeme stark aus, um Strom zu sparen. Der Transceiver ist die meiste Zeit abgeschaltet. Deshalb müssen der Abschaltstrom und der zur periodischen Suche nach einem kommunizierenden Gerät erforderliche Strom extrem gering sein (<1µA). In beiden Fällen ist darüber hinaus eine geringe Leistung (<6mA) zum Senden und Empfangen erforderlich. Ein Beispiel eines Transceiver-ICs, der speziell für implantierte, im MICS-Band arbeitende Medizingeräte entwickelt wurde, ist in Bild 1 dargestellt. Berücksichtigt sind dabei die Konzepte von relativer Einschaltdauer, einer Schaltungsentwicklung mit extrem geringem Leistungsverbrauch sowie von hohen Integra-tionspegeln.

Die vorrangige Philosophie beim Stromsparen in der IMD-Elektronik ist das einfache Konzept des Austastens – der Betrieb der Systeme über einen kurzen Zeitraum und mit minimalem Strom. Außerdem müssen geringe Leckströme gewährleistet sein, wenn die Systeme abgeschaltet sind. Durch den schnellen Betrieb von Systemen haben feste zusätzliche Leistungsverbraucher (wie Support-Schaltungen, Synthesizer, Taktgeber) weniger Zeit, Strom aus der Batterie zu ziehen. Für den Einsatz dieses Prinzips gibt es jedoch eine Grenze, da die Schaltungskomplexität höher wird und die Energieanforderungen insgesamt ansteigen, wenn die Betriebszeit zu kurz ist. Deshalb existiert üblicherweise ein optimaler Zeitraum, bei dem die verbrauchte Gesamtenergie ein Minimum erreicht. In HF-Kommunikationssystemen in medizinischen Implantaten lässt sich das Austasten in allen Betriebsphasen anwenden. Das „Ausschauhalten” des IMD-Transceivers und das Einschalten sollten getastet werden. Zusätzlich sind das Austasten und kurze Einschaltzeiten auch während der tatsächlichen 400-MHz-Kommunikationen einsetzbar.

Höchstmögliche Datenrate gewährleistet minimalen Leistungsverbrauch

Zum Erreichen eines minimalen Leistungsverbrauchs, definiert in Joule/Bit, wird empfohlen, dass implantierbare Transceiver die höchstmögliche Datenrate verwenden, die den Ansprüchen an die Empfindlichkeit des Empfängers der Anwendung genügt. Systeme, die niedrige Datenraten benötigen, sollten Daten puffern, mit der höchsten möglichen Datenrate arbeiten und ein Austasten der Versorgungszustände einsetzen. Das Senden der Daten in kurzen Bündeln spart Energie und reduziert gleichzeitig das potenzielle Zeitfenster für Störungen. Außerdem sind die Anforderungen an das Entkoppeln der Stromversorgung in Systemen mit einem hohen Batterie-Scheinwiderstand wesentlich weniger anspruchsvoll. Die in Bild 2 dargestellte Transceiver-Architektur ermöglicht es dem Nutzer, aus einem breiten Spektrum von relativ hohen Datenraten (bis 800kBit/s) mit unterschiedlicher Empfängerempfindlichkeit eine Auswahl zu treffen. Zur Vereinfachung dieser Flexibilität setzt das System eine FSK-Modulation (Frequenzumtas-tung) mit unterschiedlichen Frequenzabweichungen ein.

In energiesparenden Architekturen sollte das Modulationssystem hohe Datenraten bieten und gleichzeitig eine einfache Funkarchitektur unterstützen, die den Anforderungen an den Stromverbrauch genügt. Sowohl die Quadraturamplitudenmodulation als auch die m-stufige Phasenmodulation mit Nyquist-Filter bieten eine gute Bandbreitennutzung. Jedoch sind Signale mit konstanter Hüllkurve (FSK) vorteilhafter, weil sie hinsichtlich der Linearität des Systems weniger anspruchsvoll sind. Unter den in Frage kommenden Modulationssystemen hat sich die FSK-Modulation als diejenige erwiesen, die einen guten Kompromiss zwischen Datenrate, Komplexität und Linearitätsansprüche bietet. Die Entwicklung der Kommunikationsregelung sollte das Austasten der HF-Blöcke erleichtern, wenn die Daten nicht zum Senden bereit sind. Der Transceiver in Bild 2 enthält einen integrierten Media Access Controller (MAC), der den Leistungszustand der Analogschaltung regelt, wenn die Datenkommunikation nicht sofort benötigt oder gepuffert wird. Der MAC entlastet den Nutzer von Regelaktivitäten der Kommunikationsverbindung bis zu dem Maße, dass die HF-Verbindung einfach eine im Speicher aufgezeichnete Peripherie darstellt.

Austasten der Transceiver-Reaktivierung (Wake-up)

Die meisten Implantatanwendungen verwenden selten die MICS-HF-Verbindung. In sehr energiesparenden Anwendungen wird der Transceiver die meiste Zeit in einem Zustand mit sehr geringem Strom zubringen und nur in regelmäßigen Abständen nach einem Reaktivierungssignal „Ausschau halten”. Dieser Sondierungsvorgang sollte häufig genug stattfinden, um eine angemessene Einschaltlatenzzeit sicherzustellen; er sollte nur äußerst wenig Strom verbrauchen und gegenüber Rauschquellen unempfindlich sein, die ein falsches Einschalten bewirken. Hierfür wird ein Ein-Aus-getastetes (OOK, on-off keyed) Modulationssystem empfohlen, da dafür weder ein lokaler Oszillator noch ein Synthesizer im Empfänger erforderlich sind. Das Reaktivierungssystem in Bild 2 verwendet einen Ultra-Low-Power-HF-Empfänger zum Lesen der OOK-Sendedaten. Seine Hauptfunktion besteht darin, das ankommende Signal vom Programmiergerät zu erkennen und den Rest des Chips zu aktivieren. Das gezeigte Beispiel kann auch direkt durch Steuerung über einen Pin gestartet werden ? entweder durch ein externes Programmiergerät, das die Kommunikation einleitet, oder durch das Implantat selbst zur Aussendung eines Notrufs.

OFW-Filter können Einschränkungen umgehen

Vom Analog-HF-Standpunkt aus werden wegen der Immunität gegen Störquellen sowohl der Kanal- und Bandfilterung als auch der LNA-Linearität infolge Intermodulation sowie dem Phasenrauschen des Synthesizers infolge reziprokem Mischen Einschränkungen auferlegt. Derartige Beschränkungen stehen oft in direktem Konflikt mit einem energiesparenden Design und setzen eine hoch qualifizierte Erfahrung im Entwurf von HF-Analog-ICs voraus. In manchen Systemen kann ein externes OFW-Filter angemessen sein. Dieses lässt sich leichter im externen Programmiergerät unterbringen, da es normalerweise schlechteren Störungsszenarios unterworfen ist als das IMD und nicht in einem solchen Maße unter Platzeinschränkungen leidet. Die Dämpfung einer Störquelle durch den Körper verursacht Störungen im Programmiergerät. Dieses reagiert bereits auf die Dämpfung, ehe jene das Implantat und die normalerweise geringere verfügbare Leistung erreicht, welche durch die Basisstation vom Implantat empfangen wird. Der MICS-Standard erlaubt eine maximale Sendeleistung (in Luft) von 25µW. Das externe Programmiergerät kann ohne weiteres auf dieser Leistungsebene strahlen, doch trifft das auf ein Implantat wegen seiner großen Antennenverluste, Körperverluste und seiner begrenzten verfügbaren Sendeleistung nicht zu. Ein gutes Leistungsverstärker-Design trägt zur Maximierung der verfügbaren Sendeleistung des Implantats bei.

Zarlink Semiconductor

Tel. +33(0)16918 9000

*Peter Bradley ist Projektingenieur im Geschäftsbereich Ultra Low-Power Communications von Zarlink Semiconductor.

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