Healthcare electronics—A step closer to future smart cities

Arfan Ghani

School of Computing, Electronics and Mathematics, Coventry University, CV15FB, United Kingdom

Received 12 September 2017; accepted 24 January 2018 Available online xxxx

Abstract

As information and communication technologies are transforming traditional cities into smart cities, the Internet of Things (IoT) makes smart cities efficient and responsive. In retrospect, for medical technologists to enter and establish themselves in the new healthcare industry, it is imperative that we look beyond traditional forms of technological innovations. Hence, IoT is an avenue for consideration. It is hoped that IoT-based healthcare devices will be able to provide the early detection of potential exacerbations and inform patients and medical professionals such that they can be treated promptly. In regard to smart healthcare within smart cities, this paper presents a study where an optoelectronic controller chip was designed to control the micro light emitting diode (LED) matrix used in retinal prosthesis. An individually addressable low-power micro LED array is designed and the results are reported. The chip is fabricated using the German foundry X-FAB 0.35-micro;m complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology and the total die area is 4 mm2. It is envisaged that the presented design and technology could potentially be used for a number of applications in healthcare and consumer electronics.

Keywords: Smart cities; Smart healthcare; Retinal prosthesis; Microchip

Introduction

The Internet of things (IoT) has numerous applications in healthcare, from remote monitoring to smart sensors and medical device integration. It has the potential to not only keep patients safe and healthy, but also to improve the way physicians deliver care. Healthcare IoT can also boost patient engagement and satisfaction by allowing them to spend more time interacting with their doctors.

As age-related diseases represent one of the most relevant challenges for developing as well as developed countries, using remote healthcare technology may allow the reduction in most of the management of chronic illnesses and may also contribute to the improvement of elderly peoplersquo;s quality of life. Unfortu- nately, despite the advent of IoT and even the decreasing price of sensors, current proposals are not extensible during runtime because they need to be sufficiently compact, portable, and low power. In this paper, a low-power, compact, and portable vision

restoration chip design is reported, which could be mounted on a patientrsquo;s head to stimulate genetically modified retinal ganglion cells to restore partial vision for patients suffering from diseases such as age-related macular degeneration and retinitis pigmentosa. The three major technologies that are pre- dominantly used to help restore light sensing to partially blind patients suffering from retinal degeneration include namely optogenetics, retinal prosthesis, and photo switches, as stated by Marc, Pfeiffer, and Jones in [1]. While each technology has its own merits and demerits, visual implants in particular require complex surgical procedures with limited resolution. Despite optogenetics-based techniques having much higher resolution, it is still challenging to implement optogenetics- based implants in the human eye. The study presented in this paper is a first step towards the long-term goal of providing a platform and developing fully implantable optogenetics-based visual prosthesis. The author envisages a number of healthcare applications that could potentially benefit from this technology, in particular in patients suffering from Alzheimerrsquo;s disease and epileptic seizures.

The wide range of applications where LED arrays are being used include consumer electronics such as LED printers, thin displays in hand-held mobile devices, and electronic equipment for scientific research such as neural stimula- tion/suppression [2]. The most recent use of micro LED arrays has been reported in biomedical engineering, in particular retinal prosthesis. Micro LED arrays can be used in retinal prosthesis where pixel arrays are used to stimulate genetically modified areas inside the retina of a blind person to restore partial vision [3]. In the context of smart healthcare and visual prosthesis, this paper presents a study where an optoelectronic controller chip was designed to control the LED matrix used in retinal stimulation. To address the individual pixels on a chip, a decoder circuit was designed to decode the input binary address values. The binary input address generated by the decoder is used to select the individual pixel driver cells. A

16 x 16 LED matrix controller chip was designed with pixel

pads for 256 micro GaN LEDs. A flip-chip bonding technique is utilized to drive micro LEDs with CMOS drivers. The pixel

Fig. 1. Micro LED array with pixel layout.

size was designed with dimensions of 150 micro;m x 150 micro;m with a pixel pitch of 70 micro;m. As the pixel array controller design was intended for stimulating genetically modified neurons, the primary focus of the design was to develop an optimized controller for individually addressable LEDs. The circuit design and chip simulations were performed using the X-FAB 1.35-micro;m high voltage (HV)CMOS process.

This paper is organized as follows: Section2briefly dis- cusses retinal prosthesis and Section3elaborates the CMOS micro LED design. The summary is provided in the re- sults/conclusion section of the paper.

Retinal prosthesis

• 1. 医疗保健电子 - 向未来智能城市靠拢

     Arfan Ghani

     英国考文垂大学计算电子与数学学院CV15FB

     2017年9月12日收到; 接受2018年1月24日在线提供xxxx

     摘要

     随着信息和通信技术正在将传统城市转变为智慧城市，物联网（IoT）使智能城市变得高效和灵敏。 现在回想起来，对于医疗技术人员来说，进入新医疗行业并建立自己的地位，我们必须超越传统的技术创新形式。 因此，物联网是一个考虑的途径。 希望基于物联网的医疗设备能够提供潜在恶化的早期发现，并通知患者和医疗专业人员，以便他们能够得到及时治疗。 关于智能城市中的智能医疗，本文提出了一项研究，其中光电控制器芯片被设计用于控制视网膜假体中使用的微发光二极管（LED）矩阵。 设计一个单独寻址的低功耗微型LED阵列并报告结果。 该芯片采用德国晶圆厂X-FAB 0.35-mu;m互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造，芯片总面积为4毫米2。 预计所提出的设计和技术可能潜在地用于医疗保健和消费电子领域的许多应用。

     关键词：智能城市; 智能医疗; 视网膜假体; 微芯片

     介绍

     物联网（IoT）在医疗保健方面有很多应用，从远程监控到智能传感器和医疗设备集成。 它不仅可以保持患者的安全和健康，而且还可以改善医生提供护理的方式。 医疗保健物联网还可以让他们花更多时间与医生互动，从而提高患者的参与度和满意度。

     由于与年龄有关的疾病是发展中国家和发达国家面临的最相关挑战之一，使用远程医疗技术可能会减少大多数慢性病的管理，并可能有助于提高老年人的生活质量。 不幸的是，尽管物联网的出现，甚至传感器价格的下降，但目前的建议在运行时间内不可扩展，因为它们需要足够紧凑，便携和低功耗。 本文介绍一种低功耗，小巧便携的视觉

     据报道可将修复芯片设计安装在患者头部以刺激遗传修饰的视网膜神经节细胞恢复患有诸如年龄相关性黄斑变性和视网膜色素变性等疾病的患者的局部视力。 正如Marc，Pfeiffer和Jones在[1]中所述，主要用于帮助部分失明的视网膜变性患者恢复光线感应的三种主要技术包括光遗传学，视网膜假体和照片开关。1]。 虽然每项技术都有其优缺点，但视觉植入物尤其需要分辨率有限的复杂手术程序。 尽管基于光遗传学的技术具有更高的分辨率，但在人眼中实施基于光遗传学的植入物仍然具有挑战性。 本文提供的研究是迈向提供平台和开发完全植入式光遗传学视觉假体的长期目标的第一步。 作者设想了许多可能受益于此技术的医疗应用，特别是患有阿尔茨海默病和癫痫发作的患者。

     使用LED阵列的广泛应用包括消费类电子产品，如LED打印机，手持移动设备中的薄型显示器以及用于科学研究的电子设备，如神经刺激/抑制[2]。 微型LED阵列的最新应用已经在生物医学工程中被报道，特别是视网膜假体。 微型LED阵列可用于视网膜假体，其中像素阵列用于刺激盲人视网膜内的基因修饰区域以恢复局部视觉[3]。 在智能医疗和视觉假体的背景下，本文提出了一项研究，其中光电子控制器芯片被设计为控制用于视网膜刺激的LED矩阵。 为了寻址芯片上的各个像素，解码器电路被设计为解码输入的二进制地址值。 解码器生成的二进制输入地址用于选择单个像素驱动单元。 一个

     16 x 16 LED矩阵控制器芯片采用像素设计

     用于256个微型GaN LED的焊盘。 利用倒装芯片键合技术来驱动具有CMOS驱动器的微型LED。 像素

     图1.具有像素布局的微型LED阵列。

     尺寸设计为尺寸为150mu;mtimes;150mu;m，像素间距为70mu;m。 由于像素阵列控制器设计旨在刺激基因修饰的神经元，因此设计的主要重点是开发针对单独可寻址LED的优化控制器。 电路设计和芯片模拟使用X-FAB 1.35-mu;m高压（HV）CMOS工艺进行。

     本文组织如下：第2节简要论述视网膜假体，第3节阐述CMOS微型LED设计。 摘要在本文的结果/结论部分中提供。

     视网膜假体

     • 1. 视网膜假体的重要性

     目前，有超过2000万人由于不同的基因突变而遭受不可逆的视力丧失[4]。 更常见的视网膜疾病是视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性[3,4]。 在视网膜色素变性病症中，杆状感光细胞受到影响并导致隧道视力和夜盲症，最终导致完全失明。 目前正在研究一些治疗方法，如光遗传学，照相开关和假肢。 光遗传学被认为是最有前途的技术[5]，其中基因修饰的神经节细胞刺激由像素总数的分辨率和微型LED的功率效率决定。 由于通道视紫红质（ChR2）在473nm处具有峰值灵敏度，对于该可见光谱区域，氮化镓（GaN）LED能够提供电流密度和辐射以刺激光敏神经元。

     过去，视网膜假体采用电刺激 -

     类似于人工耳蜗植入。 Chow等，2004，Humayun等，2012，Klauke等，2011，Palanker等，2005和Stingl等，2013 [6–10]。 此外，在诸如人脸识别和视觉等应用中，可能需要大量的电极（数百个）来执行该任务。 因此，

     与电刺激相反，基于神经节细胞光敏化的刺激更有希望。 然而，随着这种技术的不断出现，在电子技术可以安全地用于人体试验之前，需要电子技术来充分理解和利用其潜力。 以下部分报道了可用作医疗技术开发平台的设计原型，特别是视网膜假体。

     CMOS微型LED驱动器设计

     开发一种微型LED阵列来刺激神经节细胞，一种16 设计了x16微型LED阵列。 计算机辅助设计（CAD）布局如图所示图。1像素的布局显示在子图中。 芯片尺寸为4毫米 x 4毫米，其中测量的单个像素尺寸为150微米 x150mu;m，焊盘尺寸为80mu;m2，用于焊接LED的焊球。 该芯片采用X-FAB 0.35-mu;m工艺制造。 微型发光二极管的发射光谱集中在470纳米处，具有22纳米全宽半峰值（FWHM），其与ChR2的峰值灵敏度重叠。 [11].

     LED控制电路设计保持每个像素的存储器，T型触发器的布局面积为68.55mu;m（L）times;16.15mu;为了调制LED的亮度，采用脉宽调制（PWM）技术，亮度为通过改变脉冲宽度来控制。 为了屏蔽电子电路并使发射光的影响最小化，使用金属4。 行/列通信电路采用最小数量的晶体管设计，布局面积为916mu;m（L）106mu;m（W）。 要在串行/并行模式之间切换，设计了16位多路复用器，布局面积为249mu;m（L）13.9mu;m（W）。 行解码器的布局面积为187.6mu;m（L）times;39.4mu;m（W）。

     使用CAD工具设计了一个16 x16微型LED阵列，其中设计了许多CMOS驱动电路

     来量化刺激神经反应所需的光学效率。 通过控制MOS晶体管的栅极电压来执行LED切换。 回想起来，通过PWM改变晶体管的开关速度来控制LED亮度。 因此，输送到负载的总电压通过脉冲的占空比来控制。 这种技术在面积方面提供了独特的优势，因为模拟电压在没有附加电路的情况下被转换成数字信号。 波形f（t）的平均值可以表示为最大值A，最小值A₀，占空比c和时间段T.

     由于LED的亮度取决于通过它的电流，信号的平均值将与波形的占空比成正比。 通过假定GaN的表面电阻恒定，流过LED的电流将直接与在其端子上出现的电压成正比。 因此，确定在LED端子上施加的最大电压而不对控制驱动器电路造成任何损坏是非常重要的。 由于足够的LED亮度取决于可以安全施加的最大电压，X-FAB HVCMOS PMOS晶体管被用作芯片制造的驱动晶体管。 高压PMOS晶体管具有独特的优势，因为它可承受高达45 V的电压而不击穿。

     • 1. 功率效率分析

     正如之前通过[11]，刺激ChR2所需的光强度通常为1 mW / mm2。 标准GaN LED的输出光功率效率约为其消耗的总功率的1％。 由于LED表面上的光色散以及通过空气传输造成的功率损耗，LED和光产生的光的总效率落在目标神经元的顶部并且再次下降到大约1％。 要获得1 mW / mm2所需的额定功率，需要提供给LED的电量大约为10 W / mm2。

     随着流过二极管的电流增加，二极管阻抗降低，因此二极管两端的电压降由二极管的薄层电阻控制。 因此，电路的总阻抗是通过增加晶体管的二极管阻抗和薄层电阻来计算的。 待测PMOS晶体管的薄层电阻为108 K.图2 示出晶体管的不同薄层电阻的输出功率的变化。图2表明，对于低于15V的Micro LED阵列的正常工作电压而言，随着薄层电阻的变化，功率没有发生显着变化。

     图2.输出功率（mW）与电压（V）和薄层电阻（K）的关系。

     • 1. 控制像素

     为了分析微型LED的功率性能，测试了多个驱动电路; 然而，单个HVPMOS（XFAB）被发现更适合在最大击穿电压方面控制LED。 设计的电路允许晶体管两端的最大电压，并依次跨越LED像素。 因此，选择单晶体管电路来控制LED矩阵芯片中的LED。 包括LED的矩阵结构的LED阵列被制造在GaN衬底中并且被倒装芯片结合到控制芯片。 各个像素的控制芯片充当LED的电流源。 PMOS晶体管因此可以被集成为控制芯片中的单个像素的元件。 控制芯片的组件是T型触发器和PMOS LED驱动器晶体管。 T触发器用于保持存储器状态，以根据需要保持LED的开启和关闭。 包括一系列齐纳二极管以消除倒装芯片键合期间的静电积累。

     由于每个像素都需要单独控制，因此选择特定像素时，电子电路应为PMOS晶体管提供电压，从而打开LED。 当选择像素的控制信号被移除时，LED应该保持ON状态，并且当再次选择像素时应该关闭。 因此，电路需要一个存储元件来保持其当前状态。 AT触发器在每次计时时触发其状态，以便它可用于打开/关闭PMOS晶体管。 图中显示了控制像素的顶层电路图图3。

     • 1. 寻址模式

     为了完全控制可单独寻址的微型LED阵列，实现了四种不同的寻址模式，即完全串行，完全并行，行串行列并行和列串行并行。 不同的主要目的

     一旦输入被应用，给定的输入将会变高。 这将选择连接到行和列的像素，这是单个像素内的T触发器。 T触发器通过将控制晶体管开启或关闭来切换输出从其先前的值，其依次根据之前的状态来开启或关闭LED。 芯片级仿真结果如图所示图4。

     3.6。 加热简介和限制

     图3.像素的顶层电路图。

     寻址模式是以不同的速度控制LED像素以满足神经刺激的要求。 两个通信解码器在控制芯片的顶部和左侧实施。 由于16times;16 LED矩阵具有16行和16列，所以设计了4位二进制地址解码器。 解码器的输入是一个4位二进制地址，其中有16条输出线对应于输入二进制地址。

     • 1. 光电控制芯片模拟

     光电控制芯片的主要组件是独立像素和地址解码器。 像素连接在地址解码器的行和列输出端。 为了选择任何单个像素，将像素的行和列二进制地址提供给地址解码器的输入。 对应的行和列

     为了改善微型LED阵列的性能参数，开发超高亮度LED至关重要。 因此，制定有效的散热策略变得至关重要。 高亮度需要高电流密度，从而产生更多的热量。 在微型LED阵列中，增加来自单个发射器的光输出功率是重要的。 这可以通过增加发射面积和注入电流来实现。 但是，由于设备的自热，这些变化并不会显着增

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