ccc del uruguay s.a. uruguay fernando silveira adaptivos · alta confiabilidad => probabilidad...
TRANSCRIPT
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 1
Circuitos Integrados a Medida para Marcapasos Adaptivos
Aspectos de diseño y confiabilidad
Fernando SilveiraInstituto 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 2
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 3
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 Seminario Ing. Biomédica 2005 4
I. Marcapasos Implantables
Estímulo
Canal de Sensado
Microcontrolador
Supervisión de labatería
Sensado de actividad
Seleccióndel “lead”(polaridad)
Telemetría
Amplificación, Filtrado y Detección
Multiplicador de Tensión Programable
0.1VDD a 2-3 VDD
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 5
I. Requisitos Generales: Tamaño
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
Biotronik
1968- 1998(Fuente: Curso M. Wilkinson: MST for Medical Devices)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 6
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 7
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).
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 8
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 9
I. Ejemplo de módulos:Canal de Sensado
Objetivo: Detectar la contracción espontánea de las cámaras del corazón
Señal estándar de prueba. Amplitud 0.2mV - 3.0mV (Aurículas)0.4mV – 6.4mV (Ventrículos)
AMPLIFICATION ANDFILTERING
bo..b4
PROGRAMMABLEREFERENCEVOLTAGE
2ms 13ms
COMPARATOR70-200 Hz,
2nd ordenPasabanda,
Ganancia: 700
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 10
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.
Sensor 3s AveragingAmplificador / filtro
Rectificador idealAmplitud: decenas a centenas de µV
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 11
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 12
I. ASIC para Marcapasos en Producción
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 13
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 Seminario Ing. Biomédica 2005 14
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 15
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 16
II.Diseño de CIs: Metodología.
Especificación
DiseñoComportamental
DiseñoEstructural
Diseño Físico
igualfunción ?
igualfunción ?
igual función yperformance ?
Diseño Físico
Descripción máscarasque definen estructura física a nivel de las distintas capas quecomponen el chip.
Diseño“full custom”
Descripción circuitocomo interconexión de bloques de biblioteca
Diseño estilo“standard cells”
Descripción circuitoa nivel de compuertas que se traduce en descripción de las capas de interconexiónde transistores prefabricados.
Diseño estilo“gate array”
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 17
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 18
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 Seminario Ing. Biomédica 2005 19
III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 1) Filtro RC- Activo
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.
Filtro pasabajos
( )s.C.R1R
R
vv
2
12
in
o+
=Vo
Vin
+
-
C
R1
R2
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 20
III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 2) Filtros a capacitores conmutados
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
VoVin
+
-C
R1
R2
VinVo Vin
Vo
+
-
R1
1
+
-
C1
2
21
VinVo
2
+
-
C11
C
2 1
1
C2 22
1
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 21
III. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 3) Filtros de tiempo continuo Gm-C
v+
v-
+
-
gm io = gm(v+ - v-)
BA A B
+
-
gm
R
vinVo
+
-
gm
C
+-
gmVoVin
+
-
C
R1
R2
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 22
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 23
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.
-
+
R1
C2
Amplifier
Vi
Vbias
-
+
VrefDA
C1
VoComparator
R2
2 stage Miller RC, Class AB output,
IDD=90 nA
Based on symmetrical OTA
IDD=20 nA
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 24
III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: amplificador / filtro pasa banda
Característica pasa-alto
Vs
Vf
Señal de entrada
Señal de realimentación
OTA simétrico de doble entrada(DDA)
Vo
Vo=A1Vs+A2Vf
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 25
III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: layout y especificaciones
Ganancia 2900
Ruido equivalente de entrada (µVrms)
18
Consumo (µA) 3.4
Area (mm2) 1.82
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 26
III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: resultados de test
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180time(s)
card
iac
freq
.(ppm
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
digi
tized
out
put o
f cir
cuit
actual cardiac frequency of healthy patientsimulated pacemaker frequencycircuit output
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 27
III. Ejemplo circuito acondicionamiento para acelerómetro: implementación Gm-C(1)
A. Arnaud (UR), C. Galup (UFSC)
FiltroFiltro--Amplificador 0.5Amplificador 0.5--7Hz7Hz
CC11=550p=550p
VVBiasBias==700mV700mV CC22=50p=50p
VVOutOut11
++
GGm1m1
GGm2m2
GGm3m3
VVININ
SensorSensor
VVlinlin==±±±±±±±±5mV5mVCC33=50p=50p
VVOut2Out2
++
GGm4m4
GGm5m5
GGm6m6
VVlinlin==±±±±±±±±500mV500mV
CC44=250p=250p
G=385G=385
Gm4=21nSGm5=2.5nSGm6=89pS
Ganancia 2a: G2=8.3
Gm4=21nSGm5=2.5nSGm6=89pS
Ganancia Preamplificador: G1=46.4
Totalmente integrado
Ganancia: 390
Ruido entrada: 2.1µVrms
IDD= 290nA
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 28
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 Seminario Ing. Biomédica 2005 29
IV. Conceptos Básicos de Confiabilidad
Definiciones
Unidades
¿ Cómo medir la confiabilidad ? – Tests de stress, Envejecimiento acelerado
¿ Cómo mejorar la confiabilidad ? – Burn – in.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 30
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 31
IV. ¿ Cómo Fallan los Circuitos Integrados ?
h(t)Tasa de Fallas
Período de fallastempranas
("mortalidad infantil")Período de tasa de fallas estable
Período de fallas por desgaste
t
Curva de la bañera (“Bath Tub Curve”)
Meses a
un año
10 ... 20 ... 30 años
Tasa de fallas = f(proceso de fabricación, diseño)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 32
IV. Mecanismos de Falla
“Time Dependent Dielectric Breakdown” Electromigración “Hot Electrons” Defectos puntuales. Corrosión Defectos mecánicos en el encapsulado ....
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 33
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”)
Mean Time to Fail” (MTTF))(1
)()).(1(
)()(limt
t)hasta sobreviviót / próximo elen falla(lim)(00 tF
tfttFtFttFPth
tt −=
∆−−∆+=
∆∆=
→∆→∆
∫+∞
=0
).(. dttftMTTF
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 34
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”).
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 35
IV. Modelado de la distribución de tiempos de vida
Distribución exponencial
Estimación de λ
Ejemplo:– 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 !!
λλλ λλ
/1 )(1)( )(==
−== −−
MTTFthetFetf tt
OOOOOOOO NOOOOOOOO ML
Hours"On Power "
testbajo unidades de ro test.númebajo horas fallas de número=
∧λ
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 36
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: 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
−=
aceluso
a
TTkEx 11
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 37
IV. Ej. Envejecimiento acelerado
Ea = 0.6eVTuso= 37ºC = 310ºK => Factor de aceleración: 220Ttest= 135ºC = 408ºK
=> Ej. Anterior (114 FITs, 0 falla, 95% de confianza)
=> Testear 81 unidades (muestra del proceso) durante 2 meses.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 38
h(t)Tasa de Fallas
Período de fallastempranas
("mortalidad infantil")Período de tasa de fallas estable
Período de fallas por desgaste
t
IV. Como mejorar la confiabilidad:Burn In
Meses a
un año
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
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 39
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 Seminario Ing. Biomédica 2005 40
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 sistemanervioso (Prótesis Neurales).
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 41
IV. Perspectivas: dispositivos médicos implantables (2) : Prótesis Neurales
Prótesis Neurales: Set. 2000, Nicolelis, Duke University
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 42
IV. Perspectivas: dispositivos médicos implantables (3) : Prótesis Neurales
Prótesis Neurales: Mar. 2002, Serruya et al, Brown University
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 43
IV. Perspectivas: dispositivos médicos implantables (4) : Prótesis Neurales
Prótesis Neurales: Julio 2004:
Inicia prueba piloto FDA, un paciente tetraplégico implantado.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 44
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 45
IIE Grupo de Microelectrónica – Universidad de la República
Más Información
iie.fing.edu.uy/vlsi
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.
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay Seminario Ing. Biomédica 2005 46
Muchas Gracias !