Design Methods to Increase the Longevity of Implantable Devices

Abstract

In recent years, several types of implantable devices have been reported in the research literature. Some of these devices, such as pacemakers, have already been widely used. Because most implantable devices use a battery as their power source, they need to be surgically replaced after a few years. Therefore, extending the longevity of implantable devices has become an important issue. This paper proposes three design methods to increase the service life of implantable devices. First, we propose a system level hybrid functional- and power modeling methodology for implantable devices. This model supports predicting the behaviors of each sub-block, which operates in a different signal domain. It allows analyzing power generation and consumption together, and managing power dynamically. Therefore, in the early stages of the system design process, designers can consider various specifications under limited power conditions. We describe how to make and use the model by using a closed-loop seizure controller. Next, we consider an on-chip oscillator as a clock source because on-chip oscillators usually consume less power than off-chip oscillators, such as crystal oscillators. However, owing to the low accuracy of on-chip oscillators, many researchers have reported methods to improve accuracy. These methods tend to undercut the merits of low-power on-chip oscillators. Therefore, we analyzed the performance variance of epileptic seizure detectors according to frequency errors and found that typical on-chip oscillators without error compensation circuitry could support tolerable detection performance. These results could be used as guidelines to include an on-chip oscillator in other low-power implantable devices. Lastly, we suggest using an energy harvester to replace life-limited batteries. We used a frequency-up-converting impact-based piezoelectric energy harvester. An equivalent circuit model for the energy harvester was developed for field use. The circuit model allows describing behaviors in realistic vibration environments. The equivalent circuit model was verified through a comparison between model simulation and experimental results. We designed and implemented analog front-end circuits of a closed-loop seizure controller, which were powered by the harvester. Finally, the performance of the seizure controller was evaluated under the assumption that the controller dealt with the data processed by the harvester-powered analog front-end circuits. The results show the promising potential of the harvester as an alternative power source for implantable devices.;최근 다양한 체내 삽입형 의료기기들이 연구되고 있으며, 이미 일부 의료기기들은 실용화되고 있다. 그런데, 대부분의 체내 삽입형 의료기기들은 전력원으로 배터리를 사용하기 때문에 일정 시간이 지나면 외과적 수술을 통하여 배터리를 다시 교체해야 하는 문제들이 공통적으로 발생하고 있다. 따라서 삽입형 의료기기의 수명을 연장하는 것은 여전히 중요한 사안이다. 본 연구에서는 삽입형 의료기기의 수명 연장을 위하여 다음과 같이 세가지 설계 방법을 제안하였다. 첫째, 삽입형 의료기기를 위한 시스템 수준 모델링 방법을 제안하였다. 본 모델은 서로 다른 신호 영역에 있는 각 세부 모듈들의 기능을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 상황에 따라 파워 발생 및 소모까지 동시에 분석/관리가 가능하도록 동적으로 파워를 관리한다는 데에 특징이 있다. 따라서 기기 설계의 시작 단계에서부터, 한정된 에너지를 고려하여 시스템을 효율적으로 설계할 수 있도록 한다. 폐쇄형 뇌전증 발작 관리 시스템을 예로 하여, 본 모델링 방법을 적용하고 활용하는 과정을 설명하였다. 둘째, 의료기기의 클럭 공급원으로서, 파워 소모가 비교적 적은 온-칩 오실레이터 사용을 고려하였다. 온-칩 오실레이터는 일반적으로 크리스탈 오실레이터에 비하여 주파수의 정확성이 낮아서, 이를 보상하기 위한 방법들이 연구되고 있다. 하지만 이는 온-칩 오실레이터의 저전력 특징을 감소시키는 결과를 초래하고 있다. 따라서 우리는 뇌전증 발작 검출기를 예로 하여, 추가적인 주파수 오류 보상 회로가 없는 일반적인 수준의 온-칩 오실레이터를 이용하여도 발작 검출기의 성능에는 영향이 거의 없음을 확인하였다. 이를 바탕으로 다른 의료기기에도 저전력 설계를 위하여 온-칩 오실레이터를 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로, 수명에 한계가 있는 배터리를 대체하기 위하여, 지속적으로 에너지를 생산할 수 있는 에너지 하베스터 이용을 제안하였다. 우선, 진동 기반 에너지 하베스터를 시스템의 전력원으로 사용할 수 있도록 하베스터의 전기적 특성을 나타내는 등가 회로 모델을 설계하였으며, 실험 결과와 비교하여 등가 회로 모델을 검증하였다. 특히, 설계된 등가 회로 모델은 외부 진동이 불규칙적인 상황에 대하여 시뮬레이션이 가능하다는 데에 특징이 있다. 그리고, 하베스터를 전력원으로 하여 폐쇄형 뇌전증 발작 관리 시스템 중 아날로그 전처리 회로를 안정적으로 구동시켰다. 또한, 해당 회로의 실험 결과를 바탕으로 하여, 뇌전증 발작 검출기의 성능을 평가하였다. 비록 본 연구에서는 선택한 하베스터 하나만으로 폐쇄형 뇌전증 발작 관리 시스템 전부를 구동시키지는 못하였지만, 배터리 대체 파워 소스로서의 사용 가능성을 확인하였다.