[논문 리뷰] Body Dust: Miniaturized Highly-integrated Low Power Sensing for Remotely Powered Drinkable CMOS Bioelectronics

Sandro Carrara, Pantelis Georgiou|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 30.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인간 조직 내에서 자율적으로 이동하고 종양과 같은 질병 표지자를 감지하며 원격 전원을 통해 진단 데이터를 무선으로 전송할 수 있는, 10 µm 미만의 크기로 음용 가능한 CMOS 기반 생전자 센서의 군집인 '바디 드러스트'(Body Dust)를 제안한다. 이 시스템은 소형화된 저전력 CMOS 통합 기술과 백스캐터 커뮤니케이션을 활용하여 세포 수준에서 이식 가능하고 자율적인 진단을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 체내 진단을 위한 완전히 자율적이고 음용 가능하며 최소 침습적인 생전자 센서를 실현하기 위해.
• 혈액세포 크기와 유사한 10 µm³ 이하의 CMOS 회로를 제작하여 자유로운 조직 순환을 가능하게 하는 도전 과제를 해결하기 위해.
• 내부 전원이 없는 채로 종양과 같은 병적 상태를 감지하고 데이터를 무선으로 전송할 수 있는 시스템을 개발하기 위해.
• 10 µm 이하의 생감지 기능을 갖춘 CMOS 회로의 이론적 타당성을 탐색하고, 통신 기능과 원격 전원 수확 기술을 통합하기 위해.
• 소형화, 전력 효율성, 무선 통신 분야에서 세포 수준의 주요 기술적 장벽을 규명하고 이를 극복하기 위해.

제안 방법

• 단일 칩에 생감지, 신호 처리, 무선 텔레메트리 기능을 모두 통합한 완전한 통합 CMOS 생전자 시스템 설계.
• 체내에서 저전력·장거리 무선 데이터 전송을 위한 백스캐터 커뮤니케이션 기술 구현.
• 내부 배터리를 제거하기 위해 고주파(RF) 신호를 통한 원격 전력 전달 기술 적용.
• 저에너지 환경에서도 기능을 유지할 수 있도록 회로 설계를 초저전력 동작에 최적화.
• 종양 병변과 같은 질병 상태와 관련된 특정 생체표지자를 감지할 수 있는 생감지기 통합.
• 현재 기술적 한계에도 불구하고 10 µm³ 이하의 장치 치수를 달성하기 위해 고도화된 CMOS 제조 기술 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 µm³ 이하의 CMOS 기반 생감지기 제작이 인간 조직 내에서 자율적으로 작동할 수 있는지 이론적으로 가능한가?
• RQ2 원격 RF 전력 전달이 내부 배터리 없이도 장기간 작동을 가능하게 하는가?
• RQ3 백스캐터 커뮤니케이션 기술이 이 크기에서 신뢰성 있고 저전력의 무선 데이터 전송을 가능하게 하는가?
• RQ4 10 µm³ 이하로 통합 생전자 시스템을 소형화하는 데 제약이 되는 주요 기술적 및 물리적 제약은 무엇인가?
• RQ5 혈관을 자유롭게 순환할 수 있도록 충분히 작은 크기의 장치에 생감지 기능을 통합하여 특정 병적 조직에 정확히 대상화할 수 있는가?

주요 결과

• 10 µm³ 이하의 CMOS 생감지기에서 생감지 및 무선 텔레메트리 기능을 통합한 이론적 타당성이 입증됨.
• 원격 RF 전력 전달 기술을 통해 내부 배터리 없이도 장기간 자율 기능을 유도할 수 있음.
• 백스캐터 커뮤니케이션 기술을 통해 체내에서 저전력·에너지 효율적인 데이터 전송이 가능함.
• 현재 CMOS 기술은 아직 필요한 10 µm³ 크기를 달성하지 못하고 있으나, 최근 기술 발전으로 격차가 좁혀지고 있음.
• 시스템 설계는 종양 병변과 같은 특정 조직 영역을 향해 국소 진단을 가능하게 함.
• 10 µm³ 이하의 CMOS 칩에 감지, 처리, 통신 기능을 통합하는 것은 이론적으로 가능하지만, 제조는 여전히 도전 과제임.