Diseño y evaluación de un módulo de comunicación para implantes cerebrales

El presente documento constituye el Trabajo Final del Máster en Electrónica Industrial que se ha basado en el diseño y posterior evaluación de un módulo de comunicación inalámbrico para su uso en implantes cerebrales. Se enmarca, por tanto, en el creciente interés en el desarrollo de aplicaciones de telemedicina para hacer frente a los nuevos retos de diagnóstico y cuidados que se presentan en este ámbito. La telemedicina supone una enorme mejora en la calidad de vida de los pacientes y en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades mientras se disminuyen los costes por la reducción de las estancias en centros hospitalarios. En este sentido, el estándar WBAN (Wireless Body Area Networks) define las principales especificaciones que deben cumplir los nodos y las comunicaciones de área corporal, que principalmente son las siguientes: consumo energético mínimo, reducción en el tamaño de los nodos y garantía de seguridad y fiabilidad en la distribución de datos altamente sensibles. A estas, deben sumarse también las especificaciones propias de la aplicación en implantes cerebrales, y en concreto, al muestreo de la señal de electroencefalografía (EEG), esencialmente la transmisión de datos en una frecuencia adecuada a las características de atenuación del tejido corporal con una tasa de datos adecuada. Esta, siguiendo el teorema de Nyquist, debería ser de al menos unos 100kbps. Por tanto, en el desarrollo del trabajo el primer paso ha sido realizar un estudio de las propiedades dieléctricas del tejido corporal, especialmente del cerebro, que determina la atenuación producida en la señal de radiofrecuencia. Así, se ha observado que resulta más adecuado reducir la frecuencia de transmisión hasta cerca de los 400MHz. Esto se debe a que alrededor de 1GHz, el tejido corporal presenta una caída en la permitividad por la dispersión γ, asociada a la polarización de las moléculas de agua que componen el tejido, así como una subida rápida en la conductividad. Estos dos parámetros, conductividad y permitividad son los que definen la tangente de pérdidas, que mide las pérdidas que sufre una señal en su transmisión a través de un medio, y que es mayor conforme decrece la permitividad y aumenta la conductividad. Una vez seleccionada la frecuencia de transmisión adecuada, se ha escogido una solución para implementar el módulo, constituida por un protocolo que funcione alrededor de los 400MHz, a ser posible comercial, y un módulo hardware en el que poder implementarlo. En cuanto al protocolo, las posibilidades se centraban exclusivamente en LoRaWAN y en DASH7 Alliance Protocol, teniendo el primero de ellos una capacidad de transmisión de datos que no cumplía con la especificación planteada de 100kbps. Por ello, se decidió optar por el segundo, que, por otra parte, limitaba también el hardware disponible para su implementación. Finalmente la solución por la que se opta en este proyecto es por emplear el kit de evaluación SLWSTK6221A de Silicon Labs para el microcontrolador EZR32WG330F256R55G que incluye una radio capaz de funcionar a 433MHz. Lamentablemente, tras la imposibilidad de implementar el protocolo de DASH7 en el hardware seleccionado, se decidió seguir el proyecto con la evaluación del módulo y la frecuencia seleccionada a través de la implementación de un sencillo protocolo propietario. El protocolo se realizó siguiendo un algoritmo de solicitud-respuesta entre una Unidad de Control que centralizaría las comunicaciones y una serie de Nodos que se encargarían de responder. Se ha hecho uso de la plataforma Simplicity Studio y el SDK proporcionado por Silicon Labs. Estas herramientas están diseñadas para facilitar la creación de protocolos propietarios mediante el uso de APIs y una capa de abstracción de hardware (HAL) para la radio. Adicionalmente se ha realizado el diseño de una PCB (que finalmente no se pudo fabricar por la imposibilidad de adquisición del microcontrolador derivado de la crisis de abastecimiento de componentes) de reducido tamaño con el microcontrolador de Silicon Labs seleccionado. Esta se realizó adaptada a la aplicación de muestreo del EEG mediante el planteamiento de una etapa de acondicionamiento de la señal basada en un filtro paso bajo con una ganancia de 80 dB en la banda de paso y una caída de 60 dB por década a partir de los 40Hz. Para el diseño de la PCB se ha empleado el programa Altium. Mientras que en el caso de la etapa de acondicionamiento se ha hecho uso de LTSpice para simular los diferentes elementos del filtro. Para concluir se han realizado una serie de pruebas con las que evaluar la capacidad de transmisión de datos del módulo con una tasa de envío adecuada, el consumo energético del mismo y la atenuación producida por el tejido corporal. Esto último se ha simulado a través de la inmersión de la antena en un fantoma de volumen similar al cráneo y con propiedades dieléctricas semejables a las del tejido corporal. En concreto, se han elaborado dos fantomas: uno a partir de TWEEN 20 y NaCl, y otro a partir de hidroxietil celulosa, sacarosa y NaCl. En cuanto a los resultados obtenidos, se destaca la adecuación de la frecuencia de comunicación seleccionada, puesto que al sumergir la antena en los fantomas, la atenuación (valorada con el parámetro RSSI) ha sido mínima. En la evaluación de la capacidad del hardware para alcanzar la tasa de datos propuesta en las especificaciones iniciales, sin embargo, no se han conseguido resultado satisfactorios, puesto que en cada transmisión se invierten al menos 10 ms independientemente del número de bits que constituya el paquete. Por ello, y puesto que las nuevas actualizaciones del SDK de Simplicity Studio no se encuentran disponibles para este microcontrolador, se concluye que sería conveniente continuar el trabajo comenzado en este proyecto con la selección de otro módulo que operara a una frecuencia de transmisión similar. A lo largo de este documento se desarrollan los pasos seguidos en la elaboración del proyecto y se plasman las ideas y conocimientos adquiridos durante el mismo. De esta manera el documento se estructura como sigue. El primer apartado consiste en una breve introducción sobre los conceptos teóricos que serán de utilidad en el desarrollo posterior y que sirven como punto de partida para entender la problemática que se plantea en el trabajo. A continuación, se describen los objetivos que se persiguen. En el tercer apartado, el grueso del documento, se explica la metodología seguida para la implementación de la solución, partiendo se la selección de alternativas para seguir con el diseño del protocolo propietario, la PCB y la etapa de acondicionamiento. Seguidamente se muestran los resultados obtenidos en las pruebas, a la vez que se realiza una pequeña discusión de estos. Por último, se explican las conclusiones del proyecto y las posibles líneas futuras de investigación. Adicionalmente, se muestra la planificación temporal realizada, una estimación del presupuesto del proyecto, y en los apéndices, el código del protocolo propietario implementado y los planos de la PCB diseñada