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Circuitos Integrados a Medida para Marcapasos
Adaptivos
Aspectos de diseño y confiabilidad
Fernando Silveira
Instituto de Ingeniería Eléctrica, Universidad de la República,
Uruguay
CCC del Uruguay S.A.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay
Seminario Ing. Biomédica 2005
1
Objetivos de esta Presentación
◆
Mostrar necesidades del área de Dispositivos Médicos
Implantables para el diseñador de circuitos.
◆
Dar una idea de las técnicas empleadas para circuitos de señal
mixta de baja tensión y ultra bajo consumo.
◆
Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
Mostrar perspectivas y temas de investigación en el área
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2
Agenda
◆
I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.
◆
II. ASICs: Características y alternativas de diseño.
◆
III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos
implantables.
◆
IV. Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
V. Conclusiones y perspectivas.
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3
I. Marcapasos Implantables
Multiplicador de Tensión
Programable
0.1VDD a 2-3 VDD
Estímulo
Micro
controlador
Selección
del “lead”
(polaridad)
Amplificación,
Filtrado y Detección
Telemetría
Canal de
Sensado
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Sensado
de
actividad
Supervisión
de la
batería
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I. Requisitos Generales: Tamaño
Biotronik
1968- 1998
(Fuente: Curso M.
Wilkinson: MST for
Medical Devices)
◆ Actualmente del orden de 12 cc (5cm x 4cm x 0.6cm)
◆ Aprox. el 30 a 40% dado por la batería
Menor consumo = Menor tamaño @ Igual duración
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I. Requisitos Generales:
Alimentación y Consumo
◆ Alimentación
– Batería de Litio-Iodo: comienzo de vida: 2.8V, operación hasta 2.0V.
– Capacidad: aprox. 1Ah = 114µA / año
◆ Consumo
– Duración: 5 a 10 años => consumo entre 22.8µA y 11.4 µA
– Consumo promedio debido a estímulo entre 3 y 12 µA
– Consumo propio del circuito menor a aprox. 10µA
– Consumo propio del circuito: entre 50 y 75% del consumo total
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I. Comentario:
Bajo Consumo vs. Micro o Ultra Bajo Consumo
◆
Procesador de "bajo consumo" notebook => del orden del W
(corrientes del orden del A)
◆
Microconsumo ("micropower"): consumo del orden de los µW
o µA (un millón de veces menor).
– Areas tradicionales:
» Relojes pulsera
» Dispositivos médicos implantables (marcapasos)
◆
Actualmente: Nanoconsumo o Ultra bajo consumo (ULP:
Ultra Low Power).
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I. Requisitos Generales:
Confiabilidad y Seguridad
◆
◆
Confiabilidad => Frecuencia y probabilidad de ocurrencia de
fallas
Seguridad
=> Una falla simple no puede provocar un evento catastrófico
Alta Confiabilidad =>
Probabilidad de falla simple baja y
falla doble virtualmente imposible.
+
Seguridad
=> Probabilidad de mal funcionamiento baja
=> Falla catastrófica: virtualmente imposible.
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I. Ejemplo de módulos:
Canal de Sensado
◆
Objetivo: Detectar la contracción espontánea de las cámaras del
corazón
AMPLIFICATION
AND
FILTERING
70-200 Hz,
2nd orden
Pasabanda,
Ganancia: 700
◆
COMPARATOR
PROGRAMMABLE
REFERENCE
VOLTAGE
bo..b4
Señal estándar de prueba. Amplitud
2ms
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0.2mV - 3.0mV (Aurículas)
0.4mV – 6.4mV (Ventrículos)
13ms
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I. Ejemplo de módulos:
Sensado de Actividad
Objetivo:
◆
◆
Ej. Indicador de actividad: Promedio en 3s del valor
absoluto de la aceleración en la banda de 0.5 - 7 Hz band.
Amplitud: decenas a centenas
de µV
Rectificador ideal
Sensor
3s Averaging
Amplificador / filtro
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I. Señales médicas en general
◆
◆
◆
Baja frecuencia: de < 1 Hz a algunos kHz (ej. señales nerviosas)
Baja amplitud: µV a mV
Variabilidad:
– " La mayoría de las cantidades medidas varían con el tiempo, aún cuando todos
los factores controlables están fijos. Muchas medidas médicas varían ampliamente
entre pacientes normales, aún cuando las condiciones son similares“
(Fuente:J. Webster, Medical Instrumentation. Application and Design).
◆
Objetivo: detección básicamente cualitativa para
control en loop cerrado.
◆
Ventajas para implementación analógica por consumo
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I. ASIC para Marcapasos en Producción
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Agenda
◆
I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.
◆
II. ASICs: Características y alternativas de diseño.
◆
III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos
implantables.
◆
IV. Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
V. Conclusiones y perspectivas.
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II. Tendencias en aplicación de CIs
◆
ASICs (Application Specific Integrated Circuits):
– Expansión en su aplicación.
– Reducción costo de fabricación.
» Existencia de mecanismos para producción de prototipos a bajo costo
» Viabilización de producciones en pequeños volúmenes
◆
◆
◆
Sistemas en un chip => Circuitos mixtos analógico / digitales.
Microsistemas = sistema inteligente miniaturizado que incorpora
funciones de sensado de datos, procesamiento y accionamiento
en un mismo chip o híbrido multichip.
Bajo consumo y baja tensión de alimentación
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II. ASICs: Ventajas y desventajas
◆ Ventajas
– gran libertad de diseño
» aumento de la funcionalidad
» optimizado para la aplicación
» posibilidad de innovación
» independencia tecnológica de proveedores
– menor número de componentes en el sistema
» reducción tamaño/consumo en el sistema => reducción de costo a nivel sistema
(fuentes de alimentación, cajas).
» simplificación del proceso de producción => posible reducción de costos.
» En algunos casos aumento confiabilidad
◆ Desventajas
– costos fijos
– tiempo de desarrollo
– rigidez del diseño
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II.Diseño de CIs: Metodología.
Especificación
Diseño Físico
igual
función ?
Diseño
Comportamental
igual
función ?
Diseño
Estructural
Diseño
Físico
igual
función y
performance
?
Descripción máscaras
que definen estructura
física a nivel de las
distintas capas que
componen el chip.
Diseño
“full custom”
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Descripción circuito
como interconexión de
bloques de biblioteca
Diseño estilo
“standard cells”
Descripción circuito
a nivel de compuertas
que se traduce en
descripción de las
capas de interconexión
de transistores
prefabricados.
Diseño estilo
“gate array”
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II. Costos (diseño Full - Custom).
◆ Desarrollo
– algunos meses (6) a algunos años ingeniero
◆ Fabricación prototipos
– 2.000 a 3.000 US$
◆ Producción pequeña escala (algunos cientos o mil)
– de 10KUS$ a 40KUS$, dependiendo de complejidad (10 a 40 US$ por
chip).
◆
Ejemplo producción en mayor escala
– 50000 unidades, baja complejidad: aprox. 1US$ por chip.
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Agenda
◆
I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.
◆
II. ASICs: Características y alternativas de diseño.
◆
III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos
implantables.
◆
IV. Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
V. Conclusiones y perspectivas.
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III. Bloques analógicos de procesamiento de
señal: 1) Filtro RC- Activo
C
Filtro pasabajos
R2
R2
Vin
R1
Vo
vo
R1
=
v in (1 + R 2 .C.s )
+
◆
◆
◆
R y C integrables: hasta kΩ o M Ω (tecnos especiales) y pF
Imprecisión en valores absolutos del orden de +/- 30 o 40%.
Buena precisión en apareo (matching) de elementos similares.
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III. Bloques analógicos de procesamiento de
señal: 2) Filtros a capacitores conmutados
Vin
R1
Vo
Vin
C1
1
2
Vo
-
+
+
2
1
C2
2
C
1
2
1
R2
C
R1
Vo
Vin
1
C1
2
-
Vin
Vo
+
+
2
1
Sistema en tiempo discreto analógico
◆ R2 ≅ 1/(fclk.C2) => 1/R2.C = fclk.C2/C => determinado por
precisión en fclk y apareo entre C2 y C.
◆ +++ operación a baja frecuencia, -- consumo operacionales,
-- antialiasing
◆
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III. Bloques analógicos de procesamiento de
señal: 3) Filtros de tiempo continuo Gm-C
A
v+
gm
io = gm(v+ - v-)
R
B
A
B
+
gm
-
-
v-
+
vin
gm
C
Vo
+
C
R2
Vo
+
R1
-
Vin
gm
+
◆
◆
◆
R=1/gm => 1/R2.C = gm2/C => imprecisión => sintonización
++ operación a baja frecuencia (con técnicas especiales para
bajo gm)
-- rango lineal a la entrada de transconductores.
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III. Ejemplos Canal de Sensado (1)
◆
◆
◆
Chip UR - CCC, RC- Activo, tecno 2.4µm, IDD = 1.3µA
Lentola et al, ESSCIRC 2001, RC-Activo + SC, tecno 0.8µm.
IDD = 1µA
UR, (Silveira-Flandre, Kluwer 2004), SC, tecno 0.8µm, IDD =
1µA
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III. Ejemplos Canal de Sensado (2)
◆
◆
Silveira, Flandre, ISCAS 2002, RC-Activo, tecno FD-SOI 2µm,
IDD = 110nA.
Reducción de consumo: mitad debido a tecnología SOI, la otra
mitad debido a arquitectura del amplificador.
Based on
symmetrical
OTA
C2
Vi
2 stage Miller
RC, Class AB
output,
R1
R2
C1
Vbias
+
+
Amplifier
Comparator
VrefDA
IDD=20 nA
Vo
-
IDD=90 nA
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III. Ejemplo circuito acondicionamiento para
acelerómetro: amplificador / filtro pasa banda
Señal de entrada
OTA simétrico de
Vo=A1Vs+A2Vf
doble entrada
(DDA)
Vs
Vo
Vf
Señal de
realimentación
Característica
pasa-alto
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III. Ejemplo circuito acondicionamiento para
acelerómetro: layout y especificaciones
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Ganancia
2900
Ruido equivalente de
entrada (µVrms)
18
Consumo (µA)
3.4
Area (mm2)
1.82
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III. Ejemplo circuito acondicionamiento para
acelerómetro: resultados de test
200
200
actual cardiac frequency of healthy patient
simulated pacemaker frequency
circuit output
180
160
160
140
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
digitized output of circuit
cardiac freq.(ppm)
180
180
time(s)
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III. Ejemplo circuito acondicionamiento para
acelerómetro: implementación Gm-C(1)
A. Arnaud (UR), C. Galup (UFSC)
Filtro-Amplificador 0.5-7Hz
VOut1
Gm1
VBias=
700mV
Ganancia 2a:
G2=8.3
Gm2
C2=50p
+
Gm4
Vlin=±5mV
Gm5
C3=50p
+
Gm3
C1=550p
VIN
Sensor
Gm4=21nS
Gm5=2.5nS
Gm6=89pS
IDD= 290nA
Gm4=21nS
Gm5=2.5nS
=±500mV
GV
=89pS
m6lin
VOut2
G=385
Ruido entrada:
2.1µVrms
Ganancia: 390
Totalmente
integrado
Gm6
C4=250p
Ganancia Preamplificador:
G1=46.4
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Agenda
◆
I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.
◆
II. ASICs: Características y alternativas de diseño.
◆
III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos
implantables.
◆
IV. Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
V. Conclusiones y perspectivas.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay
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IV. Conceptos Básicos de Confiabilidad
◆
Definiciones
◆
Unidades
◆
¿ Cómo medir la confiabilidad ?
– Tests de stress, Envejecimiento acelerado
◆
¿ Cómo mejorar la confiabilidad ?
– Burn – in.
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IV. Equipos médicos:
Confiabilidad y Seguridad
◆
◆
Confiabilidad => Frecuencia y probabilidad de ocurrencia de
fallas
Seguridad
=> Una falla simple no puede provocar un evento catastrófico
Alta Confiabilidad =>
Probabilidad de falla simple baja y
falla doble virtualmente imposible.
+
Seguridad
=> Probabilidad de mal funcionamiento baja
=> Falla catastrófica: virtualmente imposible.
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IV.
¿ Cómo Fallan los Circuitos Integrados ?
h(t)
Tasa de
Fallas
10 ... 20
... 30
años
Meses a
un año
t
Período de fallas
tempranas
("mortalidad infantil")
Período de tasa
de fallas estable
Período de fallas
por desgaste
Curva de la bañera (“Bath Tub Curve”)
Tasa de fallas = f(proceso de fabricación, diseño)
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IV. Mecanismos de Falla
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
“Time Dependent Dielectric Breakdown”
Electromigración
“Hot Electrons”
Defectos puntuales.
Corrosión
Defectos mecánicos en el encapsulado
....
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IV. Definiciones
◆
Función distribución de tiempo de vida (“life distribution”)
– F(t) =P( tiempo de vida < t ) = Prob. de que una unidad haya fallado a las
t hrs.
◆
Densidad de probabilidad correspondiente a F(t)
– f(t)=dF(t)/dt
◆
Tasa de falla (“failure rate”)
P (falla en el próximo ∆t / sobrevivió hasta t)
F (t + ∆t ) − F (t )
f (t )
=
= lim
∆t → 0
∆t → 0
(1 − F (t )).∆t
1 − F (t )
∆t
h(t ) = lim
◆
Mean Time to Fail” (MTTF)
+∞
MTTF = ∫ t. f (t ).dt
0
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33
IV. Unidades de la tasa de fallas h(t)
◆
%/K: porcentaje de unidades que fallan cada 1000 horas
◆
PPM/K: partes por millón que fallan cada 1000 horas
◆
1 PPM/K = 1x10-6 fallas / 1x103 horas =
= 1 falla / 109 horas
= 1 FIT (“fails in time”) o (“failure unit”).
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IV. Modelado de la
distribución de tiempos de vida
◆
◆
Distribución exponencial
f (t ) = λe − λt
F (t ) = 1 − e − λt
h(t ) = λ
MTTF = 1 / λ
Estimación de λ
∧
λ=
◆
Ejemplo:
número de fallas
horas bajo test.número de unidades bajo test
LOOOOOOOOMOOOOOOOO
N
"Power On Hours"
– 114 FITs = 1 falla / mil unidades / año
– 0 falla al final del test
– 95 % de confianza
» POH = 26 Mhrs => testear 100 unidades durante 29 años o testear 18000
unidades durante 2 meses !!
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IV. Como medir la confiabilidad:
Modelos de envejecimiento acelerado
◆
◆
POH equivalentes = Horas de test . Factor de Aceleración
Modelo de Arrhenius: Aceleración por temperatura
– Factor de acerelación = ex, con
Ea
x=
k
–
–
–
–
 1
1

T − T
acel
 uso




Ea: energía de activación en eV (desde 0.3 a 1.3, depende de mecanismo de falla)
k: Constante de Boltzmann (8.617e-5 eV/ºK)
Tuso: temperatura de uso en ºK
Tacel: temperatura en test en ºK
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IV. Ej. Envejecimiento acelerado
◆
◆
Ea = 0.6eV
Tuso= 37ºC = 310ºK
Ttest= 135ºC = 408ºK
=> Factor de aceleración: 220
=>
Ej. Anterior (114 FITs, 0 falla, 95% de confianza)
=> Testear 81 unidades (muestra del proceso) durante 2 meses.
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IV. Como mejorar la confiabilidad:
Burn In
h(t)
Tasa de
Fallas
Test a alta temperatura
(100 a 135ºC) durante
160 a 240 hs a todas
las unidades para
“saltearse” la etapa de
mortalidad infantil
Dispositivo
se “libera”
acá
t
Período de fallas
tempranas
("mortalidad infantil")
Período de tasa
de fallas estable
Período de fallas
por desgaste
Meses a
un año
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Agenda
◆
I. Sistema: Dispositivos médicos implantables: Marcapasos.
◆
II. ASICs: Características y alternativas de diseño.
◆
III. Ejemplos de implementación de bloques de marcapasos
implantables.
◆
IV. Conceptos básicos de confiabilidad.
◆
V. Conclusiones y perspectivas.
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IV. Perspectivas: dispositivos médicos
implantables (1)
◆
Durante décadas: marcapasos, defibriladores e implantes
cocleares.
– 1998: Tratamiento de Parkinson
– Múltiples dispositivos en desarrollo en áreas cardíacas y afines
◆
Otros sistemas médicos no implantables.
◆
Estamos al borde de una explosión: la interacción con el sistema
nervioso (Prótesis Neurales).
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IV. Perspectivas: dispositivos médicos
implantables (2) : Prótesis Neurales
◆
Prótesis Neurales: Set. 2000, Nicolelis, Duke University
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IV. Perspectivas: dispositivos médicos
implantables (3) : Prótesis Neurales
◆
Prótesis Neurales: Mar. 2002, Serruya et al, Brown University
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IV. Perspectivas: dispositivos médicos
implantables (4) : Prótesis Neurales
◆ Prótesis Neurales: Julio 2004:
Inicia prueba piloto FDA, un paciente tetraplégico
implantado.
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IV. Conclusiones:
ASICs para dispositivos médicos.
◆
Dispositivos biomédicos: El precio no es el principal factor sino
la aplicación y el desempeño.
– Adecuado para desarrollo de ASICs con producciones de bajo volumen.
◆
Campo muy amplio en fase de fuerte crecimiento
=> muchas oportunidades de I+D
=> el uso de ASICs es en muchos casos determinante de la factibilidad
del producto.
◆
◆
En Uruguay es posible aplicar esta tecnología y existe buena
tradición en medicina.
La confiabilidad y la seguridad deben ser una prioridad en las
aplicaciones biomédicas.
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IIE Grupo de Microelectrónica – Universidad
de la República
Más Información
iie.fing.edu.uy/vlsi
silveira@fing.edu.uy
Agradecimientos
◆ A. Arnaud, M. Barú, G. Picún, O. de Oliveira, C. Rossi, P.
Mazzara, H.Valdenegro, L. Reyes, P. Aguirre, L. Barboni, UR.
◆ J. Arzuaga, P.Arzuaga, CCC S.A.
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Muchas Gracias !
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