EmpkinS

Motivation

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein Gemeinschaftsprojekt namens “Empatho-Kinaesthetic Sensor Technology – Sensor Techniques and Data Analysis Methods for Empatho-Kinaesthetic Modeling and Condition monitoring,” kurz EmpkinS. Es ist ein interdisziplinäres Projekt mit dem Ziel, patientenzentrierte digitale Diagnose- und Therapiemöglichkeiten in Medizin und Psychologie voranzutreiben. Dieses Ziel wird durch die nicht-invasive Erfassung hochauflösender menschlicher Bewegungsparameter mittels wellen- und funkbasierter Sensortechnologien und die algorithmische Rekonstruktion der physiologischen und verhaltensbezogenen Zustände auf der Grundlage der erfassten Bewegungsdaten unter Verwendung von Körperfunktionsmodellen erreicht.

In der Medizin und Psychologie ist eine genaue Analyse von physiologischen und verhaltensbezogenen Zuständen und Körperfunktionen für eine effiziente Diagnose und Therapie des Patienten oft erforderlich. Dazu sind sowohl Informationen über die Muskelaktivität als auch deren genaue Lokalisierung erforderlich. Modernste Systeme zur Analyse menschlicher Bewegungen und funkbasierte Sensorlokalisierungssysteme leiden unter zahlreichen Kompromissen bei der Entwicklung, wie z. B. Messgenauigkeit und eingeschränkte Funktionalität aufgrund von Flächenbeschränkungen, Energieeffizienz für eine längere Batterielebensdauer, Biokompatibilität und Formfaktor für biomedizinische Telemetrieanwendungen, um nur einige zu nennen.

Ziele und Vorgehen

In diesem Projekt soll ein 61-GHz-mm-Wellen-Transceiverchip in einem 22-nm-FDSOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator)-CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Prozess für einen extrem energieeffizienten und lokalisierbaren, nicht-invasiven biomedizinischen drahtlosen Elektromyographie (EMG)-Transponder entwickelt werden. Dies ermöglicht einen neuartigen Ansatz zur Erfassung von Oberflächen-EMG-Daten in Echtzeit bei gleichzeitiger hochpräziser Lokalisierung des Quellmuskels im sub-mm-Bereich. Die Forschungsaufgabe konzentriert sich in erster Linie auf die Untersuchung, das Design, die Verifizierung und die Charakterisierung von energieeffizienten Mixed-Signal-mm-Wellen-Frontend- und Basisband-Schaltungen für den Sender, um die Anforderungen des Transponders an geringen Stromverbrauch und Trägerstabilität zu erfüllen. Der Senderchip soll in eine EMG-Sensorplattform integriert werden, welche miniaturisiert, flexibel und energieeffizient entwickelt werden soll und über mehrere EMG-Kanäle verfügen soll. Die Sensorplattform wird dann in Testreihen an Probanden, z.B. im Gesicht oder an den Beinen, zur Analyse der Mimik und des Ganges evaluiert. 

Aktuell gibt es eine diskrete Version der EMG-Sensorik mit einer diskret aufgebauten 24-GHz-Sendeeinheit sowie eine erste Version eines 61-GHz-Senderchips, welcher in die EMG-Sensorik eingebaut und evaluiert werden wird. Nächste Schritte beinhalten die Integrierung der EMG-Sensorik auf flexibles Substrat mittels des FlexIC Prozesses, die Erweiterung des Sendechips zu einem Transceiverchip, sowie die heterogene Integration auf flexibles Substrat von EMG-Sensorik und Transceiverchip.