[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种名为'Body Dust'的系统——一种可饮用的、基于CMOS的生物电子传感器集群，尺寸小于10 µm，能够自主在人体组织中导航，检测如肿瘤等疾病标志物，并通过远程供电实现无线传输诊断数据。该系统利用微型化、低功耗的CMOS集成技术与背散射通信技术，实现了细胞尺度的可植入、自主诊断。

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.

研究动机与目标

• 实现完全自主、可饮用且微创的生物电子传感器，用于体内诊断。
• 解决制造尺寸小于10 µm³的CMOS电路的挑战，以模拟血细胞大小，实现自由组织循环。
• 开发一种能够检测如肿瘤等病理状况并无线传输数据、无需内置电源的系统。
• 探索尺寸小于10-µm的生物传感CMOS电路集成遥测与远程供电采集的理论可行性。
• 识别并克服在细胞尺度下微型化、功耗效率与无线通信方面的主要技术障碍。

提出的方法

• 设计一种完全集成的CMOS生物电子系统，将生物传感、信号处理与无线遥测功能集成于单个芯片上。
• 采用背散射通信技术，实现低功耗、长距离的体内无线数据传输。
• 利用射频（RF）信号实现远程供电，消除内置电池。
• 优化电路设计以实现超低功耗运行，确保在低能量环境下的持续功能。
• 集成能够检测与疾病状态（如肿瘤组织）相关的特定生物标志物的生物传感器。
• 应用先进的CMOS制造技术，尽管存在当前技术限制，仍实现小于10 µm³的器件尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论上是否可行制造出尺寸小于10 µm³的基于CMOS的生物传感器，使其能在人体组织中自主运行？
• RQ2 远程RF供电是否能够支持此类设备在无内置电池情况下的持续运行？
• RQ3 背散射通信是否能够在该尺度下实现可靠、低功耗的体内无线数据传输？
• RQ4 限制集成生物电子系统微型化至小于10 µm³的关键技术与物理约束是什么？
• RQ5 如何将生物传感功能嵌入足够小的设备中，使其能自由循环于人体毛细血管并靶向特定病理组织？

主要发现

• 已证实尺寸小于10 µm³的CMOS生物传感器，集成生物传感与无线遥测功能，具有理论可行性。
• 远程RF供电可实现无内置电池运行，支持长期自主功能。
• 背散射通信可实现低功耗、高能效的体内数据传输。
• 当前CMOS技术尚无法实现所需的10 µm³尺寸，但近期进展正逐步缩小差距。
• 该系统设计支持靶向特定组织区域（如肿瘤组织）实现局部诊断。
• 在单个尺寸小于10 µm³的CMOS芯片上集成传感、处理与通信功能在理论上是可行的，尽管制造仍具挑战。