Category Archives: energy harvesting

Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes

[1704.08910] Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes, paper by G. C. Martins, A. Urso, A. Mansano, Y. Liu, W. A. Serdijn

Abstract: In this paper, we present techniques and examples to reduce power consumption and increase energy efficiency of autonomous wireless sensor nodes for the Internet of Things. We focus on RF energy harvesting and data transfer, all of which have a large impact on the device cost, lifetime and functionality. We explore the co-design of antenna and electronics to increase RF-DC conversion and efficiency and to improve the performance of the LNA. A high-efficiency orthogonally switching charge pump rectifier is presented. Its measurement results are presented, along with a discussion on how to define its power conversion efficiency. To boost the rectifier output voltage, while presenting the best output load to it, a DC-DC converter with maximum power point tracking is presented. To transmit slowly-varying signals in a low-power manner, an asynchronous data converter is discussed and two modalities of data transmission are presented. The first one is a passive transmitter implementation and the second a novel low-power sub-GHz UWB transmitter.

Comments: 15 pages, 32 figures, 4 tables
Subjects: Emerging Technologies (cs.ET)
Cite as: arXiv:1704.08910 [cs.ET]
(or arXiv:1704.08910v1 [cs.ET] for this version)

Multistage Complex-Impedance Matching Network Analysis and Optimization

RFEHBy Gustavo C. Martins and Wouter A. Serdijn

Some systems like RF energy harvesters have power transfer efficiency as one of the most important specifications. Therefore, the efficiency of the matching network, which affects the entire system’s efficiency, plays an important role. When the impedance transformation factor between the antenna and its load is high, the matching network efficiency is decreased. In this paper we present the efficiency analysis and optimization of multistage matching networks at a single frequency using lumped components. Considering complex source and load impedances at each stage of the network, we show that it is possible to obtain better results than prior art.

Published in: IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. Date of publication: 25 februari 2016.

DOI: 10.1109/TCSII.2016.2534738

Read the full article here:

https://www.researchgate.net/publication/296480040_Multistage_Complex-Impedance_Matching_Network_Analysis_and_Optimization

Living better with electroceuticals

Beter worden met ‘electroceutica’by Harry Baggen, in Elektor Magazine, 30 maart 2016, 15:03

Electroceuticals can help combat a wide variety of medical conditions, such as tinnitus (ringing ears) and epilepsy. Electroceuticals comprise the smart, localized and targeted application of therapeutic electrical stimuli to the body. The technological challenge is to make electroceutical devices smarter and smaller.

According to Wouter Serdijn, Professor of Bio-Electronics at TU Delft in the Netherlands, electroceuticals could develop into a new and significant form of medicine, complementing existing pharmaceuticals. The targeted application of electrical stimuli can alleviate many medical conditions and is not limited to brain therapy. The main advantage of electroceuticals over pharmaceuticals is that the effect is localized. Drug act on the entire body, which can easily lead to adverse effects.

Existing electroceutical devices are still fairly bulky, with relatively large batteries and wires. There is also a high degree of trial and error in treatment methods. The aim is to develop a flexible brain implant on a polymer substrate that can serve as a general platform for various electroceutical devices.

Besser heilen mit „Electroceutica“

Electroceutica können helfen, verschiedene Erkrankungen wie Tinitus (Ohrpfeifen) oder Epilepsie zu lindern. Electroceutica bedeuten die intelligente, lokale und gezielte Verabreichung heilender elektrischer Impulse in den Körper. Die technische Herausforderung ist, die dafür erforderlichen Geräte kleiner und intelligenter zu machen.

Nach Wouter Serdijn, Professor für Bio-Elektronik an der niederländischen Technischen Universität Delft, können Electroceutica zu einem neuen bedeutenden medizinischen Mittel statt oder als Zusatz zur bestehenden Pharmazeutik werden. Die gezielte Anwendung elektrischer Impulse kann bei vielen Erkrankungen helfen, nicht nur bei solchen des Gehirns. Der große Vorteil der elektrischen Methode gegenüber der pharmazeutischen ist, dass sie lokal begrenzt sind: Pillen wirken auf den ganzen Körper ein und haben deswegen oft gravierende Nebenwirkungen.

Zurzeit ist die Verabreichung elektrischer Impulse an den Körper noch recht grobschlächtig mit relativ großen Batterien und Kabeln. Zudem funktioniert diese Methode noch in einem hohen Maß nach dem „Trial-and-error“-Prinzip. Das Ziel ist es, ein flexibles Hirnimplantat auf einem Polymersubstrat zu entwickeln, das zur allgemeinen Grundlage diverser Implantattypen werden kann.

Beter worden met ‘electroceutica’

Electroceutica kunnen helpen om allerlei aandoeningen zoals tinnitus (oorsuizen) en epilepsie te bestrijden. Electroceutica betreft het slim, lokaal en gericht toedienen van helende elektrische pulsen aan het lichaam. De technische uitdaging is het slimmer en kleiner maken van de benodigde apparatuur.

Volgens prof. Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft, kunnen ‘electroceutica’ uitgroeien tot een nieuw en belangrijk type medicijn, naast en als aanvulling op de al bestaande farmaceutica. Het gericht geven van elektrische pulsen kan bij veel aandoeningen helpen, en is niet alleen toepasbaar in de hersenen. Het grote voordeel van de elektrische methode boven farmaceutica is dat het effect lokaal is. Pillen werken in op het hele lichaam en veroorzaken derhalve snel bijwerkingen.

Op dit moment is het toedienen van elektrische pulsen aan het lichaam nog vrij grofstoffelijk, met bijvoorbeeld relatief grote batterijen en draden. Ook heeft de methode nog een vrij hoge graad van trial and error. Het streven is om een flexibel hersenimplantaat te ontwikkelen op een polymeer-substraat dat dan kan dienen als algemeen platform voor diverse typen implantaten.

Slimme stroomstootjes als medicijn

Kleine, draadloze en intelligente implantaten die werken als elektronisch medicijn, dat is de droom van Wouter Serdijn. Serdijn hield deze week aan de TU Delft zijn intreerede als hoogleraar bio-electronica. Hij noemt zulke implantaten ‘electroceuticals’, als tegenhanger van de ‘farmaceuticals’, ofwel pilletjes. Het idee is eenvoudig: waar pilletjes de biochemische activiteit van lichaamscellen veranderen, veranderen electroceuticals de elektrische activiteit.

De moleculen uit een pilletje komen via de bloedbaan in het hele lichaam terecht. De effecten treden niet direct op, zijn niet lokaal en ook niet meteen omkeerbaar. Bovendien hebben pilletjes vaak ongewenste bijeffecten. Maar eeuwenlang was er geen andere mogelijkheid.

Micro-electronica heeft hier verandering in gebracht. Zo kunnen sinds een jaar of tien patiënten met ernstige Parkinson of depressie behandeld worden met een hersenimplantaat dat lokaal in de hersenen elektrische pulsjes genereert. ‘Deze implantaten hebben echter flink wat nadelen’, vertelt Serdijn een dag voor zijn oratie. ‘Ze zijn groot en hebben ook nog eens een grote batterij nodig, typisch iets van zes bij vier bij één centimeter. De batterij wordt nu nog in de borstkas aangebracht. Via draadjes loopt de stroom naar het implantaat in de hersenen. Die draadjes zitten eigenlijk in de weg. Een ander nadeel is dat het implantaat zelf dom is. Arts en de patiënt moeten samen de beste instelling zien te ontdekken. Maar dat is vaak moeilijk en subjectief.’

Chips met een luisterend oor

Serdijn ontwikkelt microchips voor implantaten die niet alleen klein en draadloos zijn, maar ook intelligent: ‘Onze chips zijn slechts twee bij twee millimeter groot, vooral doordat we de pulsgenerator veel kleiner hebben kunnen maken. Ze verbruiken veel minder stroom en daardoor volstaat een kleinere batterij. Bovendien is de batterij oplaadbaar. Ik stel me voor dat deze in de toekomst draadloos wordt opgeladen door een spoel in een intelligent kussen, terwijl de patiënt ligt te slapen.’

Nieuw is dat de chip lokaal luistert naar de therapeutische behoefte en daarop zijn gegenereerde pulsen afstemt. Serdijn geeft het voorbeeld van de behandeling van oorsuizen: ‘Bij sommige patiënten onderdrukken elektrische pulsen de klachten. Nu gebeurt die behandeling nog subjectief. De patiënt moet zelf aangeven wat hij hoort en of er verlichting is opgetreden. Een slim implantaat meet het signaal op de gehoorschors, genereert elektrische pulsjes en meet tegelijkertijd hoe goed het effect is. Idealiter werkt het implantaat alleen op de momenten dat het nodig is en in de hoeveelheid die nodig is. Het implantaat denkt als het ware mee. Electroceuticals houden automatisch rekening met het feit dat ieder mens anders is en dat de toestand van een persoon in de tijd verandert.’

Fijnregelen met schokjes

Behandeling met slimme stroomstootjes hebben de eerste positieve resultaten opgeleverd in de behandeling van epilepsie bij muizen. Serdijn werkt ook samen met de Belgische hoogleraar neurowetenschappen Dirk de Ridder in de behandeling van alcoholverslaving. De implantaten hoeven ook niet beperkt te blijven tot de hersenen, zegt Serdijn. ‘Elk weefsel dat gevoelig is voor elektriciteit, dus ook spieren en organen, kun je met electroceuticals beïnvloeden. Een paar jaar geleden is bijvoorbeeld aangetoond dat elektrische stimulatie ook een aandoening als reuma kan onderdrukken.’

Serdijn ziet electroceutica niet als vervangers van de klassieke farmaceutica, maar als aanvulling. ‘Electroceutica zijn vooral geschikt voor aandoeningen die hun oorsprong op een specifieke plek vinden. Met farmaceutica kun je als het ware de biochemische basiswaarde van het lichaam veranderen en daarna kun je heel lokaal met electroceutica de boel fijnregelen.’

Op dit moment zit het onderzoek naar electroceutica nog in de fase van dierproeven. ‘Voordat hier goedgekeurde behandelingen voor mensen uit komen, zijn we jaren verder’, besluit Serdijn.

Bennie Mols vertelde ook over dit onderwerp in het radioprogramma De Ochtend: Stroomstootjes in plaats van pillen

Beter worden met ‘electroceutica’

Electroceutica kunnen helpen om allerlei aandoeningen, zoals tinnitus (oorsuizen) en epilepsie, te bestrijden. Dat zegt prof. Wouter Serdijn in zijn intreerede als hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft op woensdag 30 maart. Electroceutica betreft het slim, lokaal en gericht toedienen van helende elektrische pulsen aan het lichaam. De technische uitdaging is het slimmer en kleiner maken van de apparatuur.

Minder bijwerkingen

Volgens prof. Wouter Serdijn kunnen ‘electroceutica’ uitgroeien tot een nieuw en belangrijk type medicijn, naast en als aanvulling op de al bestaande farmaceutica. Werken farmaceutica op een chemische wijze in op het lichaam, electroceutica doen dit op een elektrische manier.
Electroceutica dienen helende elektrische pulsen aan het lichaam toe op een slimme en gerichte wijze, vooral voor aandoeningen die hun oorsprong vinden op specifieke plaatsen, in bijvoorbeeld de hersenen.Het gericht geven van elektrische pulsen kan bij veel aandoeningen helpen, en is zeker niet alleen toepasbaar in de hersenen. Het grote voordeel van de elektrische methode boven farmaceutica is dat het effect lokaal is. Pillen werken immers in op het hele lichaam en veroorzaken derhalve snel bijwerkingen.

Slimmer en kleiner

Serdijn ziet electroceutica nadrukkelijk als aanvulling op ‘gewone’ medicijnen. ‘Het gaat om het vinden van de perfecte combinatie  tussen electroceuticals en conventionele medicatie. Op dit moment is het toedienen van elektrische pulsen aan het lichaam nog vrij grofstoffelijk, met bijvoorbeeld relatief grote batterijen en draden. Ook heeft de methode nog een vrij hoge graad van trial and error.’

Een chip in zijn meet-behuizing voor het uitlezen van de neurale signalen tijdens en direct na het elektrisch stimuleren, door Cees-Jeroen Bes, in samenwerking met LUMC-KNO. Ondersteund door STW, TMSi, AB-Sys and HealthTech.

Er zijn daarom twee technische hoofddoelen, zegt Serdijn. ‘De uitdaging is het kleiner (dus ook makkelijker implanteerbaar) én slimmer maken van de apparatuur. Dat slimmere zit hem vooral in het meten van de toestand van en het aanpassen van de therapie aan een individuele patiënt. Dit patiënt-specifieke element is heel belangrijk. Want niet alleen is iedere patiënt anders, de toestand van iedere individuele patiënt varieert ook nog eens in de tijd. Door dit te meten en terug te koppelen kunnen we veel gerichter de juiste therapie instellen.’

Concreet is het doel om een flexibel hersenimplantaat te ontwikkelen op een polymeer-substraat. Dat implantaat dient dan als algemeen platform voor diverse typen implantaten.

Tinnitus

Volgens Serdijn is het (potentiële) toepassingsgebied van electroceutica zeer breed. ‘Het kan bijvoorbeeld worden ingezet voor de behandeling van onder meer tinnitus (oorsuizen), epilepsie, het syndroom van Tourette en bepaalde verslavingen. Op deze gebieden worden nu ook al successen geboekt.’
‘Neem tinnitus als voorbeeld. Wereldwijd hebben meer dan 500 miljoen mensen hier last van. Sommige patiënten kunnen worden geholpen via elektrische pulsen. Nu gebeurt die behandeling nog subjectief’, zegt Serdijn. ‘De patiënt moet zelf aangeven wat hij hoort en of er enige verlichting als gevolg van de stimulatie is opgetreden. Intelligente electroceuticals kunnen de doelmatigheid van de toegepaste therapie continu monitoren en deze aanpassen aan de behoeften van de patiënt, zelfs wanneer deze alweer op de terugweg is van het ziekenhuis.’

Symposium

Uiteraard vinden de technische ontwikkelingen plaats in nauwe samenwerking met artsen. Dit komt ook tot uiting in het symposium dat op de dag van de intreerede van Serdijn wordt gehouden. Medical Delta partners ErasmusMC en LUMC zijn goed vertegenwoordigd in het programma. Tijdens het symposium wordt bio-elektronica besproken vanuit een technologisch, een medisch, een klinisch, een industrieel en een maatschappelijk perspectief. Vijf vooraanstaande sprekers van het ErasmusMC, het LUMC, de Dunedin School of Medicine en een biomedisch bedrijf behandelen deze thema’s.
Meer informatie
Het symposium en de intreerede van prof. Serdijn.
Contact
Wouter Serdijn, prof. bio-elektronica TU Delft, W.A.Serdijn@tudelft.nl, +31 (0)15 278 1715.
Claire Hallewas, persvoorlichter TU Delft, c.r.hallewas@tudelft.nl, +31 (0)6 4095 3085.

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

Lecture on Electroceuticals: getting better with electricity

On May 6, 2015, Collegerama of TU Delft made video recordings of the lecture I gave on Electroceuticals.

Electroceuticals are the electronic counterparts of pharmaceuticals and are miniature electronic devices that interact with the body in an electrical fashion.

In this talk I discuss: neurostimulation and the need to make neurostimulators smaller, more power efficient and more intelligent; optogenetic neuromodulation and the need to make this new neuromodulation modality operate in a closed-loop fashion; neurosensing devices to make neurostimulators intelligent and thereby adjust themselves to the therapeutical needs of the patient; autonomous wireless sensor nodes that can measure temperature or the electrocardiogram without the need for a battery; an outlook into the future of electroceuticals with the promise to treat a larger variety of neurological and brain disorders better.

Click here to start watching the video and slides:

https://collegerama.tudelft.nl/Mediasite/Play/cc7888beb88349c1a60c1414476b577a1d?catalog=528e5b24-a2fc-4def-870e-65bd84b28a8c

The injectable neurostimulator: an emerging therapeutic device

The injectable neurostimulator: an emerging therapeutic device

Xiaolong Li1Wouter A. Serdijn2Wei Zheng1Yubo Tian1Bing Zhang1
1 School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, China
2 Section of Bioelectronics, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands

Available online 25 April 2015

Highlights

  • Injectable neurostimulators (InNSs) for clinical use are necessary to avoid the side effects of the dominant bulky implantable neurostimulator.
  • The concept, implementation challenges, and development trends of the InNS are illustrated in detail.
  • The new generation of InNSs can be powered from a microbattery, a radio-frequency energy harvester, or an inductive coupling link.
  • Obstacles include the implementation of injectable batteries, injectable antennas, and radio-frequency energy harvesters; the realization of InNSs also awaits breakthroughs in soft and bendable materials, reliability, and the mode of injection.

Injectable neurostimulators are currently applied in clinical trials to minimize the side effects such as discomfort, risk of infection, and post-surgery trauma, which can be pronounced with conventional, bulky implantable neurostimulators. Owing to its smaller size, wireless-updatable software, and wireless power supply, the injectable neurostimulator is presumably less invasive, ‘smarter’, and has a longer lifetime. We discuss the concept and development of the injectable neurostimulator, persistent implementation challenges, and obstacles to be overcome in its evolution. We survey the use of new materials, technologies, and design methods for injectable electrodes, batteries, antennas, and packaging to enhance reliability and other features. These advances in the field are accompanied by progress in electrophysiology, neuroscience, neurology, clinical trials, and treatments.

Keywords

  • biocompatible materials;
  • electrical nerve stimulation;
  • injectable neurostimulator;
  • injectable electronic devices;
  • therapeutic device

Injectable Electronics: dawn of a new era in electroceuticals?

Injectable electronics still need to become smaller

Frequent readers of this weblog may still remember a previous post, entitled “And the paralyzed will walk again“. This phrase comes from a Discovery Channel movie/documentary, called “2057: the body”, in which it is predicted that by the year 2057 you will be able to survive a three story fall and even be able to walk again as there will be tiny microstimulators attached to your muscles, which can be injected.

Injectable electronics, how fascinating would that be! No more lengthy surgeries, during which only a single, bulky device is implanted, but rather a procedure that takes less than a couple of minutes, during which multiple micro-stimulators are inserted via a seringe. Once done, these stimulators will form a wireless network and will provide the motory neural pathway with well-timed electric stimuli necessary to evoke the correct contraction of the multiple muscles involved in a delicate movement or even seemingly simple posture control.

But how feasible is this idea of injectable electronics? If you search for the term injectable electronics, you will most likely find a lot of references to the work of John Rogers, professor at the University of Illinois in the US, who built “an electronic LED device so tiny it can be injected into delicate tissue, such as in the brain, without harming it“.
Other links that can be found refer to work done on silk implants or even magnesium implants that are either stretchable or can easily dissolve into the body once the good work has been done.

I personally believe that we only can create injectable electronic devices if they have at least some intelligence in them. For this, the good old silicon would be an excellent candidate. Silicon is a nice and friendly biocompatible material, can be made bendable (by thinning the substrate) or stretchable (by removing the substrate altogether at some points). And what’s more, silicon can accommodate stimulation circuitry, sensors, signal processing, communication electronics, antennas, battery foils, all the good stuff needed to make a good injectable.

Of course, in order not to damage the tissue that the electronic device is injected in, it needs to be small, i.e., thin and narrow. It is however allowed to make it long, e.g., a couple of millimeters up to one or two centimeters. These unconventional dimensions raise very exciting technological challenges, such as:

  • how can we create electronic integrated circuits (ICs) that are merely one-dimensional, i.e., are not wider than one, maximally two, bondpads?
  • how can we transfer information and energy to an implant that has virtually no area?
  • what kind of material should we use for the antenna and electrodes?
  • will a Li-Ion battery foil have enough capacity to provide successful stimulation of the tissue, or should we refrain from using batteries altogether?

There obviously is still a lot to do. Exciting stimes ahead, if you ask me.

Wouter

A new name, but Biomedical Electronic remains

Biomedical Electronics Lab

Dear Reader,

The Biomedical Electronics Group underwent a small name change. From now onwards, the group is called “The Biomedical Electronics Laboratory”.

Its mission is “to provide the technology for the successful monitoring, diagnosis and treatment of cortical, neural, cardiac and muscular disorders by means of electroceuticals.”

To this end it conducts research on, provides education in and helps creating new businesses in neuroprosthetics, biosignal conditioning / detection, transcutaneous wireless communication, power management, energy harvesting and bioinspired circuits and systems.

Can heart beats really power cardiac pacemakers?

Baron von Munchausen

Today, I received a link (http://tweakers.net/nieuws/85353/hartslag-kan-pacemaker-van-stroom-voorzien.html) from Marijn, honorary member of the Biomedical Electronics Group, in which it is mentioned that researchers have found a way to harvest enough energy from a piezo-electric transducer so that a cardiac pacemaker can be powered from the heart itself. This would render the bulky batteries in the pacemakers unnecessary and the pacemaker thus does not have to be replaced after a couple of years because of a depleted battery.

I have two concerns about this. First, there is a kind of “Baron-von-Munchausen” effect. Baron von Munchausen was an 18th-century German nobleman, who, according to Rudolf Erich Raspe’s story The Surprising Adventures of Baron Munchausen, pulls himself out of a swamp by his hair (specifically, his pigtail). Now, let’s suppose that a pacemaker, equipped with a piezo-electric energy harvester to power the pacemaker, for no particular reason, fails to operate and the heart stops its precious beating, what will then power up the pacemaker again to make the beat again? Scary thought, isn’t it?

Second concern is of another nature. Pacemakers are usually replaced, not because the battery has depleted, but simply because a next generation pacemaker can provide a better therapy to the patient. As a side note, uncomfortable but true, current pacemakers (and thus also the batteries included therein) on average live longer than their owners. Hopefully this latter aspect will change for the better soon.

Wouter