Towards wireless powering of miniaturized neural implants with novel inductive double-frequency link

Implantable medical devices have experienced a great development in the past years thanks to the significant advances in micro- and nanotechnology. The next generation of implantable neural prostheses aims to build battery-free, miniaturized implants aiming at restoring impaired or lost neurological functions. The best solution to accomplish these purposes is to send power wirelessly from an external transmitter, avoiding the introduction of wires that can lead to scarring and infections. Inductive power transfer is widely used to energize implantable microelectronic devices and several devices had been investigated in the last years. The power delivered to the load (PDL) is a key parameter to study the goodness of the link’s power transmission. Additionally, the standards concerning the limits of human exposure to electromagnetic fields must be satisfied. Many powering systems for sub-mm neural implants can comply with the regulations only through a pulsed stimulation, but not with continue power transmission. This work, carried out at the Integrated Circuits Laboratory (EPFL, Neuchâtel), is focused on the design and optimization of a novel double-frequency inductive link to power a set of free-standing miniaturized neural implants. The system consists of two separate links working at different frequencies. The objective of using two frequencies is to improve the inductive power transmission while respecting the limitations on Specific Absorption Rate (SAR), allowing to exploit a 100% duty cycle. A radio-frequency signal at low frequency (13.56MHz) is used in one link to reduce power loss and heat dissipation in surrounding tissue. Instead, a high operating frequency (433.92MHz) is selected in the other link to optimally power the micro neural implant. Both the links were designed and optimized according to the highest SAR constrained PDL that could be accomplished. The results of computational simulations performed in Ansys HFSS show a significant improvement in the link performance. When compared to a conventional 3-coil inductive link, the SAR constrained PDL is 2 orders of magnitude greater, considering a continuous stimulation. Subsequently, the impedance matching circuit to maximize the power transfer in the transmitter coil was implement. For the implantable coils, instead, the matching capacitances have been investigated. Lastly, the coils have been manufactured and characterized, and the power transmission efficiency has been validated.

I dispositivi medici impiantabili hanno conosciuto un grande sviluppo negli ultimi anni grazie ai significativi progressi delle micro e nanotecnologie. La prossima generazione di protesi neurali impiantabili mira a realizzare impianti miniaturizzati e privi di batterie, con l'obiettivo di ripristinare le funzioni neurologiche compromesse o perse. La soluzione migliore per raggiungere questi obiettivi è la trasmissione di potenza in modalità wireless a partire da un trasmettitore esterno, evitando l'introduzione di cavi che possono causare cicatrici e infezioni. Il trasferimento induttivo di potenza è ampiamente utilizzato per fornire energia ai dispositivi microelettronici impiantabili e negli ultimi anni sono stati studiati diversi dispositivi. La potenza erogata al carico (PDL) è un parametro fondamentale per studiare la bontà della trasmissione di potenza del collegamento. Inoltre, devono essere soddisfatti gli standard relativi ai limiti di esposizione umana ai campi elettromagnetici. Molti sistemi di alimentazione per impianti neurali sub-millimetrici possono rispettare le normative solo con stimolazione a impulsi, ma non con una trasmissione di potenza continua. Questo lavoro, svolto presso il Laboratorio di Circuiti Integrati (EPFL, Neuchâtel), è incentrato sulla progettazione e sull'ottimizzazione di un nuovo collegamento induttivo a doppia frequenza per alimentare una serie di impianti neurali miniaturizzati. Il sistema consiste in due collegamenti separati che lavorano a frequenze diverse. L'obiettivo dell'utilizzo di due frequenze è quello di migliorare la trasmissione induttiva di potenza rispettando i limiti di tasso di assorbimento specifico (SAR), consentendo di sfruttare un duty cycle del 100%. In un collegamento viene utilizzato un segnale a bassa frequenza (13,56 MHz) per ridurre la perdita di potenza e la dissipazione di calore nei tessuti circostanti. Nell'altro collegamento viene invece selezionata una frequenza operativa più elevata (433,92 MHz) per alimentare in modo ottimale il micro-impianto neurale. Entrambi i collegamenti sono stati progettati e ottimizzati in base alla più alta PDL vincolato a SAR che si potesse ottenere. I risultati delle simulazioni computazionali eseguite in Ansys HFSS mostrano un miglioramento significativo delle prestazioni del collegamento. Rispetto a un collegamento induttivo convenzionale a 3 spire, la PDL vincolata a SAR è superiore di 2 ordini di grandezza, considerando una stimolazione continua. Successivamente, è stato implementato il circuito di adattamento di impedenza per massimizzare il trasferimento di potenza nel trasmettitore. Per le spire impiantabili, invece, sono state studiate le capacità di adattamento. Infine, le spire sono state prodotte e caratterizzate, e l'efficienza della trasmissione di potenza è stata convalidata.