Remote Powering and Data Communication Over a Single Inductive Link for Implantable Medical Devices

RESUME Les implants medicaux electroniques (Implantable Medical Devices - IMDs) sont notamment utilises pour restaurer ou ameliorer des fonctions perdues de certains organes. Ils sont capables de traiter des complications qui ne peuvent pas etre gueries avec des medicaments ou par la chirurgie. Offrant des proprietes et des ameliorations curatives sans precedent, les IMDs sont de plus en plus demandes par les medecins et les patients. En 2017, le marche mondial des IMD etait evalue a 15,21 milliards de dollars. D’ici 2025, il devrait atteindre 30,42 mil-liards de dollars, soutenu par un taux de croissance annuel de 9,24% selon le nouveau rapport publie par Fior Markets. Cette expansion entraine une augmentation des exigences pour as-surer des performances superieures, des fonctionnalites supplementaires et une duree de vie plus longue. Ces exigences ne peuvent etre satisfaites qu’avec des techniques d’alimentation avancees, un debit de donnees eleve et une electronique miniaturisee robuste. Construire des systemes capables de fournir toutes ces caracteristiques est l’objectif principal d’un grand nombre de chercheurs. Parmi plusieurs technologies sans fil, le lien inductif, qui consiste en une paire de bobines a couplage magnetique, est la technique sans fil la plus largement utilisee pour le transfert de puissance et de donnees. Cela est du a sa simplicite, sa securite et sa capacite a transmettre a la fois de la puissance et des donnees de facon bidirectionnelle. Cependant, il existe encore un certain nombre de defis concernant la mise en œuvre d’un tel systeme de transfert d’energie et de donnees sans fil (Wireless Power and Data Transfer - WPDT system). Un defi majeur est que les exigences pour une efficacite de transfert d’energie elevee et pour une communication a haut debit sont contradictoires. En fait, la bande passante doit etre elargie pour des debits de donnees eleves, mais reduite pour une transmission efficace de l’energie. Un autre grand defi consiste a realiser un demodulateur fonctionnant a haute vitesse avec une mise en œuvre simple et une consommation d’energie ultra-faible. Dans ce projet, nous proposons et experimentons un nouveau systeme WPDT dedie aux IMD permettant une communication a haute vitesse et une alimentation efficace tout en maintenant une faible consommation d’energie, une petite surface de silicium et une mise en œuvre simple du recepteur. Le systeme propose est base sur un nouveau schema de modulation appele "Carrier Width Modulation (CWM)", ainsi que sur des circuits de modulation et de demodulation inedits. La modulation consiste en un coupe-circuit synchronise du reservoir LC primaire pendant un ou deux cycles en fonction des donnees transmises.----------ABSTRACT Implantable Medical Devices (IMDs) are electronic implants notably used to restore or en-hance lost organ functions. They may treat complications that cannot be cured with medica-tion or through surgery. O˙ering unprecedented healing properties and enhancements, IMDs are increasingly requested by physicians and patients. In 2017, the worldwide IMD market was valued at USD 15,21 Billion. By 2025, it is expected to attain USD 30.42 Billion sus-tained by a compound annual growth rate of 9.24% according to a recent report published by Fior Markets. This expansion is bringing-up more demand for higher performance, additional features, and longer device lifespan and autonomy. These requirements can only be achieved with advanced power sources, high-data rates, and robust miniaturized electronics. Building systems able to provide all these characteristics is the main goal of many researchers. Among several wireless technologies, the inductive link, which consists of a magnetically-coupled pair of coils, is the most widely used wireless technique for both power and data transfer. This is due to its simplicity, safety, and ability to provide simultaneously both power and bidirectional data transfer to the implant. However there are still a number of challenges regarding the implementation of such Wireless Power and Data Transfer (WPDT) systems. One main challenge is that the requirements for high Power Transfer Eyciency (PTE) and for high-data rate communication are contra-dictory. In fact, the bandwidth needs to be widened for high data rates, but narrowed for eycient power delivery. Another big challenge is to implement a high-speed demodulator with simple implementation and ultra-low power consumption. In this project, we propose and experiment a new WPDT system dedicated to IMDs allow-ing high-speed communication and eycient power delivery, while maintaining a low power consumption, small silicon area, and simple implementation of the receiver. The proposed system is based on a new Carrier Width Modulation (CWM) scheme, as well as novel modu-lation and demodulation circuits. The modulation consists of a synchronized opening of the primary LC tank for one or two cycles according to the transmitted data. Unlike conventional modulation techniques, the data rate of the proposed CWM modulation is not limited by the quality factors of the primary and secondary coils. On the other hand, the proposed CWM demodulator allows higher-speed demodulation and simple implementation, unlike conven-tional demodulators for a similar modulation scheme. It also o˙ers a wide range of data rates under any selected frequency from 10 to 31 MHz.