Modeling and simulation of ultrasonic backscattering effects as intrabody communication application based on PMUT arrays

Recent developments in biomedical engineering have brought forward an urgent need for effective wireless communication and power delivery technologies. Collectively known as Intrabody Communication (IBC), these technologies utilize various methods to deliver data such as electromagnetic waves, photons, and ultrasound. This study proposes a unidirectional communication system that exploits the scattering properties of ultrasound waves; in order to transfer data from the implanted medical device (IMD) to an external transducer array. The external acoustic wave transmission and reception are done through Microelectromechanical Systems (MEMS) ultrasonic transducers, which are employed as an array of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (PMUTs). While the IMD is selected to be the neural dust that records peripheral nerve activity, this method of data transfer applies to various implants that adopt ultrasonic IBC. In the peripheral nervous system, the neural messages are transferred through an electrochemical polarization called the action potential. These neural action potential voltages are then approximated and imposed on the simulated neural dust piezoelectric material. This communication scheme aims to transfer this implant voltage data to the external probe as accurately as possible. The proposed model tries to achieve this flow of information by sending an excitation signal to induce an acoustic echo and estimate the input action potential voltages using the ultrasonic backscattering wave collected by the external PMUT array. The total time traveled by the backscattering echo is called the time of flight (TOF). Using the frequency and phase content of the acoustic echo, various TOF values are collected throughout the full span of the neural dust input voltage. Distinct data points collected using this method can then be interpolated to estimate the behavior of the neuron.

I recenti sviluppi dell'ingegneria biomedica hanno creato l'urgente necessità di comunicazioni wireless efficaci e tecnologie per l'erogazione dell'energia. Conosciute come Intrabody Communication (IBC), queste tecnologie utilizzano vari metodi per fornire dati come onde elettromagnetiche, fotoni e ultrasuoni. Questo studio propone un sistema di comunicazione unidirezionale che sfrutta le proprietà di scattering delle onde ultrasoniche; per trasferire i dati tra il dispositivo medico impiantato (IMD) e un array di trasduttori esterni. La trasmissione e la ricezione delle onde acustiche esterne avviene tramite trasduttori ultrasonici MEMS (Microelectromechanical Systems), che sono impiegati come una serie di trasduttori piezoelettrici microfabbricati a ultrasuoni (PMUT). Sebbene l'IMD sia selezionato per essere la polvere neurale, questo metodo di trasferimento dei dati si applica a vari impianti che adottano l'IBC ad ultrasuoni. Nel sistema nervoso periferico, i messaggi neurali vengono trasferiti attraverso una polarizzazione elettrochimica chiamata potenziale d'azione. Queste tensioni del potenziale d'azione neurale vengono quindi approssimate e imposte al materiale piezoelettrico della polvere neurale. Questo schema di comunicazione mira a trasferire questi dati sulla tensione dell'impianto alla sonda esterna nel modo più accurato possibile. Il modello proposto cerca di ottenere questo flusso di informazioni inviando un segnale di eccitazione per incorrere nell'eco acustico e stimare le tensioni del potenziale d'azione in ingresso utilizzando l'onda di retrodiffusione ultrasonica raccolta dall'array PMUT esterno. Il tempo totale percorso dall'eco di retrodiffusione è chiamato tempo di volo (TOF). Utilizzando la frequenza e il contenuto di fase dell'eco acustico, vengono raccolti vari valori TOF per l'intero intervallo della tensione di ingresso della polvere neurale. Punti dati distinti raccolti utilizzando questo metodo possono quindi essere interpolati per stimare il comportamento del neurone.