[論文レビュー] Body Dust: Miniaturized Highly-integrated Low Power Sensing for Remotely Powered Drinkable CMOS Bioelectronics

Sandro Carrara, Pantelis Georgiou|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Wireless Body Area Networks参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、『ボディダスト』と呼ばれる、10 µm未塔の飲める、CMOSベースのバイオエレクトロニクスセンサー群の提案を行う。このシステムは、人体組織内を自律的かつ自由に移動可能であり、腫瘍などの疾患マーカーを検出するとともに、遠隔電力により無線で診断データを送信する。本システムは、小型化された低消費電力CMOS統合とバックスキャッタ通信を活用し、細胞スケールでのインプラント可能で自律的な診断を実現する。

ABSTRACT

The aim of this paper is to introduce current advances in technology that could enable the development of fully drinkable and autonomous bio-electronic CMOS sensors in the form of dust particles, capable of identifying the source of a disease by targeting a specific region in organs and tissue such as a tumor mass and automatically sending diagnostic information wirelessly outside the body. We call this swarm of sensing dust particles Body Dust. A diagnostic system in the form of Body Dust would need to be small enough to support free circulation in human tissues, which requires a total size of less than 10 um3, in order to mimic the typical sizes of a blood cell (e.g., red cells have the diameter around 7 μm). Whilst with present state-of-the-art in CMOS technology, this requirement in terms of size is currently un-feasible, recent research has advanced technology such that we can begin to work towards such an approach. Therefore, we present here the current limits of CMOS technology as well as the challenges related to the development of such a system. Towards this goal, this article presents the theoretical feasibility to obtain the first ever-conceived sub-10-um Bio/CMOS integrated circuit with biosensing capability to provide diagnostic telemetry once self-located in human tissue.

研究の動機と目的

• 体内診断のための完全に自律的で、飲める、最小限侵襲的なバイオエレクトロニクスセンサーの実現。
• 10 µm³未塔のCMOS回路の開発に挑戦し、血液球と同等のサイズにすることで、自由に組織内を循環可能にする。
• 内部電池を搭載しないで、腫瘍などの病理的状態を検出し、無線でデータを送信できるシステムの開発。
• 10 µm未塔のバイオスセンシングCMOS回路の理論的妥当性を検討し、統合テレメトリと遠隔電力回収を実現する。
• 細胞スケールでのミニチュア化、電力効率、無線通信における主な技術的障壁を同定し、克服する。

提案手法

• 1枚のチップ上にバイオスセンシング、信号処理、無線テレメトリを統合した完全なCMOSバイオエレクトロニクスシステムの設計。
• 体内からの低消費電力で長距離にわたる無線データ送信を実現するバックスキャッタ通信の実装。
• 内部バッテリーを排除するため、電波（RF）信号による遠隔電力伝送の利用。
• 低エネルギー環境下でも機能を維持できるように、超低消費電力動作を最適化した回路設計。
• 腫瘍巣などの疾患状態に関連する特定のバイオマーカーを検出可能なバイオスセンサーの統合。
• 現在の技術的限界にもかかわらず、10 µm³未塔のデバイス寸法を達成するための高度なCMOSプロセス技術の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 µm³未塔のCMOSベースのバイオスセンサーを理論的に製造可能であり、人体組織内で自律的に動作可能であるか。
• RQ2 遠隔RF電力伝送が、内部バッテリーを搭載しないで、長期間にわたる動作を可能にするか。
• RQ3 このスケールでバックスキャッタ通信が、信頼性があり低消費電力の体内からの無線データ送信を可能にするか。
• RQ4 10 µm³未塔への統合バイオエレクトロニクスシステムのミニチュア化を制限する主な技術的・物理的制約は何か。
• RQ5 自由に毛細血管内を循環可能で、特定の病理的組織に標的を定めるのに十分なサイズのデバイスに、バイオスセンシング機能を統合する方法は何か。

主な発見

• 10 µm³未塔のCMOSバイオスセンサーにバイオスセンシングと無線テレメトリを統合する理論的妥当性が確立された。
• 遠隔RF電力伝送により、内部バッテリーを搭載しないでも、長期間にわたる自律的動作が可能である。
• バックスキャッタ通信により、体内からの低消費電力でエネルギー効率の高いデータ送信が可能である。
• 現在のCMOS技術では、10 µm³のサイズを達成できるとは限らないが、最近の技術進歩によりそのギャップは縮小している。
• システム設計により、腫瘍巣などの特定組織領域を標的にした局所的診断が可能である。
• 10 µm³未塔のCMOSチップ上にセンシング、処理、通信を統合することは理論的に可能であるが、プロセス製造は依然課題である。