A Miniature Batteryless Bioelectronic Implant Using One Magnetoelectric Transducer for Wireless Powering and PWM Backscatter Communication

📄 arXiv: 2412.02499v1 📥 PDF

作者: Zhanghao Yu, Yiwei Zou, Huan-Cheng Liao, Fatima Alrashdan, Ziyuan Wen, Joshua E Woods, Wei Wang, Jacob T Robinson, Kaiyuan Yang

分类: eess.SY

发布日期: 2024-12-03

备注: 12 pages, 29 figures

期刊: IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2024

DOI: 10.1109/TBCAS.2024.3468374

💡 一句话要点

提出一种基于磁电换能器的微型无线生物电子植入系统，实现无线供电和PWM反向散射通信。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 生物电子植入体 磁电换能器 无线供电 反向散射通信 脉冲宽度调制 开关电容能量提取 神经信号记录

📋 核心要点

  1. 微型生物电子植入体在医疗保健和科研领域有广泛应用，但无线供电和高效上行通信仍是挑战。
  2. 该论文提出了一种基于磁电换能器的无线供电和PWM反向散射通信方案，利用开关电容能量提取技术实现高效上行链路。
  3. 实验结果表明，该系统实现了17.73 kbps的数据速率和0.9 pJ/bit的能效，并在体外实验中成功记录了神经信号。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种微型无线生物电子植入系统，该系统利用磁电（ME）无线电力传输（WPT）为植入体供电，并通过脉冲宽度调制（PWM）ME反向散射实现上行链路通信。该系统采用开关电容能量提取（SCEE）技术，在ME换能器的衰减期间快速提取和耗散动能，从而实现ME反向散射中的时域PWM。文中介绍了多种电路技术以实现低功耗的SCEE。此外，本文还提出了ME换能器的高阶建模方法，以方便设计和分析，并验证了模型与测量的良好匹配性。原型系统包括一个毫米级的ME植入体，集成了片上系统（SoC）和一个用于电力传输和双向通信的便携式收发器。实验证明，SCEE可在2个ME周期内诱导>50%的幅度降低，从而实现具有17.73 kbps数据速率和0.9 pJ/bit效率的PWM ME反向散射上行链路。在5厘米距离处，使用轻量级多层感知器（MLP）解码算法实现了8.5 x 10 -5的误码率（BER）。最后，该系统在体外实验中展示了连续的无线神经局部场电位（LFP）记录。

🔬 方法详解

问题定义：现有微型生物电子植入体面临无线供电和高效上行通信的挑战。传统的无线供电方式可能效率较低或安全性存在隐患，而实现低功耗、高速率的上行链路通信仍然是一个难题。特别是在使用磁电换能器时，如何有效利用其特性进行数据传输是一个关键问题。

核心思路：本文的核心思路是利用开关电容能量提取（SCEE）技术，在磁电换能器的衰减期间快速提取和耗散动能，从而实现时域PWM。通过控制能量提取的时序，可以有效地调制反向散射信号的脉冲宽度，从而实现高效的上行链路通信。这种方法能够充分利用磁电换能器的特性，降低功耗并提高数据传输速率。

技术框架：该系统的整体架构包括一个毫米级的磁电植入体和一个便携式收发器。植入体包含磁电换能器、片上系统（SoC）和开关电容能量提取电路。收发器负责无线供电和双向通信。工作流程是：收发器通过磁场向植入体供电，植入体利用SCEE技术调制反向散射信号，收发器接收并解码该信号。

关键创新：该论文的关键创新在于将开关电容能量提取技术应用于磁电反向散射通信，实现了高效的PWM调制。通过快速提取和耗散磁电换能器中的能量，可以有效地控制反向散射信号的脉冲宽度，从而提高数据传输速率和能效。此外，论文还提出了磁电换能器的高阶建模方法，为系统设计和分析提供了理论基础。

关键设计：在电路设计方面，论文提出了多种低功耗的SCEE实现方案。在系统建模方面，采用了高阶模型来更准确地描述磁电换能器的特性。在解码方面，使用轻量级多层感知器（MLP）算法来降低计算复杂度，并提高误码率性能。关键参数包括开关电容的大小、开关频率以及MLP网络的结构。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该系统实现了17.73 kbps的数据速率和0.9 pJ/bit的能效，优于现有技术。通过SCEE技术，在2个ME周期内实现了>50%的幅度降低，显著提高了PWM调制效率。在5厘米距离处，使用轻量级MLP解码算法实现了8.5 x 10 -5的误码率（BER）。体外实验成功验证了该系统在连续无线神经局部场电位（LFP）记录方面的应用。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种生物医学领域，例如神经信号记录、药物输送、疾病诊断和治疗等。微型无线植入体能够实现对体内生理参数的实时监测和调控，为个性化医疗和精准治疗提供有力支持。未来，该技术有望应用于慢性疾病管理、康复治疗和脑机接口等领域。

📄 摘要（原文）

Wireless minimally invasive bioelectronic implants enable a wide range of applications in healthcare, medicine, and scientific research. Magnetoelectric (ME) wireless power transfer (WPT) has emerged as a promising approach for powering miniature bio-implants because of its remarkable efficiency, safety limit, and misalignment tolerance. However, achieving low-power and high-quality uplink communication using ME remains a challenge. This paper presents a pulse-width modulated (PWM) ME backscatter uplink communication enabled by a switched-capacitor energy extraction (SCEE) technique. The SCEE rapidly extracts and dissipates the kinetic energy within the ME transducer during its ringdown period, enabling time-domain PWM in ME backscatter. Various circuit techniques are presented to realize SCEE with low power consumption. This paper also describes the high-order modeling of ME transducers to facilitate the design and analysis, which shows good matching with measurement. Our prototyping system includes a millimeter-scale ME implant with a fully integrated system-on-chip (SoC) and a portable transceiver for power transfer and bidirectional communication. SCEE is proven to induce >50% amplitude reduction within 2 ME cycles, leading to a PWM ME backscatter uplink with 17.73 kbps data rate and 0.9 pJ/bit efficiency. It also achieves 8.5 x 10 -5 bit-error-rate (BER) at a 5 cm distance, using a lightweight multi-layer-perception (MLP) decoding algorithm. Finally, the system demonstrates continuous wireless neural local-field potential (LFP) recording in an in vitro setup.