Wireless power transmission for power-hungry biomedical devices

Abstract

As fontes de energia tradicionais limitam a miniaturização de dispositivos médicos implantáveis, dado que a densidade energética das baterias é insuficiente e o fabrico e integração destas com microssistemas é um desafio. Métodos alternativos para alimentar estes dispositivos são, portanto, muito desejados. Isto permitiria o desenvolvimento de dispositivos mais pequenos, necessários para a criação de novas aplicações que irão revolucionar os cuidados de saúde. À medida que os dispositivos implantáveis ficam mais pequenos, a eficiência da transferência de energia também diminui devido a transdutores e antenas menos eficientes ou ao uso de frequências mais altas que sofrem maior atenuação nos tecidos. Para compensar isto, deve-se aumentar a potência transmitida. Contudo, existem regras de segurança que impõem limites à potência que podemos enviar através do corpo humano. Esta tese aborda as lacunas dos sistemas de transferência de energia sem fios tradicionais através da exploração de parâmetros da ligação que permitam o aumento da energia transferida para o implante sem aumentar os níveis de SAR. Para tal, foi desenvolvido um sistema de transferência de energia sem fios que usa múltiplos transmissores. Através do posicionamento dos transmissores de forma a que os caminhos de propagação de cada um dos seus sinais não se intersetem à superfície do meio, onde o SAR é maior, a energia colocada dentro do meio aumenta enquanto o SAR máximo permanece inalterado. Juntamente com um mecanismo de focagem de energia através da manipulação das fases dos sinais, a distribuição de potência dentro de um fantoma de cabeça humana aumentou drasticamente mantendo o SAR máximo inalterado. O sistema proposto forneceu -13.7 dBm a uma antena colocada a uma profundidade de 5.3 mm num fantoma de cabeça humano. Ajustando a potência transmitida para o SAR10g ser 10 W/kg, a antena receberia -0.9 dBm. Foi também demonstrado que o sistema aumenta até 18 dB e 25 dB a potência entregue a um dispositivo sem fios que circula dentro de modelos de corpo e cabeça humano, respetivamente, comparativamente a um sistema tradicional de uma antena. O sistema de transferência de energia sem fios apresentado nesta tese é escalável, segue o implante enquanto este se move, e concentra energia na sua localização. Adicionalmente, trata o meio como uma caixa negra, não precisando de informação prévia sobre este. Assim sendo, o dispositivo desta tese tem o potencial de contribuir para a forma como se implementam ligações de transferência de energia sem fios para implantes médicos miniaturizados.

Conventional power sources remain a major bottleneck in implantable medical device miniaturization, as the achievable energy densities of batteries are insufficient and fabrication and integration with microsystems are still a challenge. Alternative powering methods that can provide energy for the implantable medical device are highly desirable, as the device’s lifetime would no longer be directly correlated to its battery size, allowing the development of smaller devices. This miniaturization of implantable electronic devices is a necessary step to enable new applications that will revolutionise healthcare. Wireless power transfer is an attractive technology to satisfy the power needs of implantable devices. Nevertheless, as implants become smaller, so do their antennas/transducers, causing the efficiency of the power transfer link to decrease, and forcing the use of high frequencies which suffer more attenuation as they propagate through the tissue. To compensate, more power needs to be made available to the implant. However, safety regulations impose a limit to the power transmitted through a human body. This thesis addresses the shortcomings of a traditional wireless power transfer link, by looking into link parameters that can be explored to increase the power delivered to an implant without increasing the maximum SAR value in the medium. To accomplish this, a wireless power transfer system using multiple transmitters was developed. This was achieved by ensuring that the propagation paths of the transmitters’ signals didn’t overlap at the surface of the medium, where SAR is typically higher. Together with the use of a focusing and tracking method through phase control, the power availability inside a human head phantom increased dramatically all over. A power of -13.7 dBm was delivered to an antenna inside a human head phantom at a depth of 5.3 mm. Adjusting the transmitted power for a SAR10g of 10 W/kg, -0.9 dBm would be delivered to the antenna. It was also demonstrated that the proposed system increases the power delivery by up to 18 dB and 25 dB to a wireless device circulating inside human body and head models, respectively, compared to a single transmitter system. The presented wireless power transfer system is scalable, can track the implant as it moves, and focuses the power in its location. Additionally, it doesn’t require information about the medium, treating it as a black box. As such, this thesis’ findings can contribute to shaping how future wireless power transfer links to miniaturized implantable devices are developed.