A wirelessly-powered electro-acupuncture (EA) system with adaptive pulse width (APW) mono-phase stimulation is presented for convenient invasive medicine. The proposed system removes cumbersome wires connected between EA nodes and an EA controller so as to realize both patients’ convenience and remedial values simultaneously. An ultra low-power stimulator IC integrated on the flexible-printed circuit board (F-PCB) is attached to the tip of the needle electrode. Combined with a conductive yarn helical antenna wound around the needle electrode, EA node receives wireless power from the EA controller using 433MHz with the maximum loss of 6dB. A zero-$V_{th}$ nMOS rectifier harvests supply voltage of 1.0V from -16dBm incoming power signal with 32% efficiency. To deal with body impedance variation (BIV) in the range of 100-200kΩ, the proposed APW stimulator IC, fabricated in 0.18μm 1P6M CMOS process and occupied 1.56$mm^2$, enables constant charge injection of 80nC/stimulation. To ensure the patients’ safety, EA node (a pair of EAs) shares ground and clock wires to operate in alternate mono-phase (AMP) fashion for neutralizing the injected charge. The proposed wire-lessly-powered EA node was verified by applying it on a chunk of pork as a body model with the wireless power supplied from RF signal generator (output power of 10dBm and 30cm located away).
본 석사 학위 논문에서는 보다 더 편리한 치료 환경을 위하여 적응적 펄스 너비를 갖는 단일 위상 자극을 기반으로 한 무선 전력형 전기침을 제안한다. 제안한 시스템은 환자의 편의성과 치료 효과를 동시에 얻기 위하여 전기침 노드들과 전기침 제어장치 사이의 복잡한 전선들을 제거한다. 유연한 프린트 배선판에 구현된 저전력 자극용 집적 회로가 바늘 전극의 윗부분에 배치가 되어 있다. 바늘 전극 주위에 감겨져 있는 전도성 섬유를 사용한 나선형 안테나를 이용하여, 전기침 노드는 전기침 제어 장치로부터 433MHz 대역의 무선 전력을 최대 6dB의 손실로 전달 받는다. 역치 전압이 0인 nMOS 정류기는 -16dBm의 입력 전력에 대해서 32%의 전력 전달 효율로 1.0V의 공급 전압을 생성한다. 100-200kΩ의 인체 임피던스 변화를 보상하기 위하여, 제안한 적응형 펄스 너비를 갖는 자극용 집적 회로는 80nC/stimulation의 일정한 전하량의 자극을 하게 된다. 이 회로는 0.18μm 1P6M CMOS 공정으로 구현이 되었고, 1.56$mm^2$의 면적을 갖는다. 환자의 안전을 보장하기 위해서 전기침 노드는 체내에 유입되는 전하를 중성화하기 위한 AMP 방식의 자극을 한다. 이를 위해 전기침 노드 사이에는 접지와 클락선이 공유가 되어 있다. 제안한 무선 전력형 전기침 노드는 돼지 고기를 사용한 인체 모델에 무선 전력 공급 환경에서 전기 자극을 함으로써 검증이 되었다. 무선 전력 공급 환경은 고주파 생성기가 대략 30cm 정도 떨어져서 10dBm의 전력을 출력하도록 하였다.
