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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Jose Alejandro Amaya Palacio
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van (Presidente)
Diniz, José Alexandre
Furuie, Sérgio Shiguemi
Herrera, Hugo Daniel Hernandez
Soares Junior, Joao Navarro
Título em português
Gerador de sinais para aplicação da espectroscopia de bioimpedânica elétrica na detecção de câncer.
Palavras-chave em português
Circuitos integrados
Espectroscopia
Microeletrônica
Tecnologia CMOS
Resumo em português
No intervalo de valores de frequência de poucos kHz até 1 MHz, nomeado às vezes como região de dispersão ?, as estruturas das células são o principal determinante da impedância do tecido. Esse é o fundamento básico da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica - EBE, a qual tem importância significativa como ferramenta de diagnóstico do câncer de colo no útero - CCU. A EBE consiste na medição de impedância elétrica do tecido cervical para diferentes valores de frequência. A diferença do comportamento no valor da impedância na frequência entre o tecido normal e o cancerígeno é usada para detectar o nível de neoplasia. Um bloco importante do Sistema EBE é o bloco gerador de sinal, o qual está composto principalmente de: a) Oscilador Controlado Numericamente - NCO, b) Conversor Digital - Analógico - DAC e c) Fonte de Corrente Controlada por Tensão - VCCS. O Objetivo do presente trabalho foi o projeto dos blocos principais do Gerador de Sinal para aplicação da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica na Detecção do Câncer no colo do Útero. O Gerador de Sinal é composto de: Oscilador Controlado Numericamente baseado no algoritmo de CORDIC, Conversor Digital - Analógico de 10 bits e Fonte de Corrente Controlada por Tensão. É apresentado o projeto do Oscilador Controlado Numericamente (NCO) de 10 bits baseado na arquitetura iterativa do CORDIC e otimizado em termos da área. O NCO foi implementado na Tecnologia CMOS do Processo da TSMC 180 nm por meio do FREE MINI@SIC IMEC-TSMC 2015. As especificações do projeto foram obtidas dos requerimentos da aplicação da Espectroscopia da Bioimpedância Elétrica - EBE na detecção do Câncer no Colo do Útero - CCU. A arquitetura proposta é composta fundamentalmente de: seletor de frequência de 5 bits, gerador do valor angular, bloco de pré-rotação, unidade aritmética do CORDIC, Unidade de Controle e tabela de busca da referência para arco-tangente. A área do núcleo para este componente foi de 133µmx133µm, ou seja, 0,017689 mm². Foi configurado para gerar 32 valores de frequência de sinais sinusoidais no intervalo de valores de frequência de 100 Hz até 1 MHz com um erro máximo de 0,00623% entre os valores de frequência obtidos da simulação e os resultados experimentais. O Conversor Digital - Analógico foi projetado no nível do esquemático numa arquitetura Current-Steering Segmentada 6-4 com valores de DNL<0,1 LSB e INL<0,2 LSB obtidos na análise de corners. O circuito VCCS foi projetado, simulado e fabricado em Tecnologia CMOS da TSMC 130 nm com polarização de 1,3 V. A Fonte de Corrente de Howland proposta foi baseada no amplificador operacional auto polarizado complementar de cascode dobrado (SB-CFC). De acordo com os requerimentos do padrão internacional IEC:60601-1 o valor pico da corrente sinusoidal foi ajustado em 10 µA. De acordo com aplicação da EBE para a CCD, as especificações do SB-CFC-AO foram calculadas para obter uma corrente sinusoidal na faixa de frequência de 100 Hz até 1 MHz com impedância de saída maior do que 1 MOhm a 1 MHz de frequência. Foram executadas simulações post-layout e os principais resultados foram: 10±0,0035 µA para a amplitude na corrente de saída na faixa de frequência especificada com 5 kOhm de resistência de carga, valores de impedância de saída maiores do 1,6 MOhm a 1 MHz; variações na amplitude da corrente de saída menores do que 0,4% para impedância de carga de 10 Ohm até 5 kOhm. O resultado experimental em termos de não-linearidade apresentou o máximo de 2% da plena escala. De acordo com os resultados obtidos, o desempenho do VCCS é adequado para aplicações da EBE na CCD.
Título em inglês
Signal generator for applying electrical bioimpendance spectroscopy in cancer detection.
Palavras-chave em inglês
Bioimpedance spectroscopy
CMOS technology
Integrated circuits
Microeletronics
Resumo em inglês
In the frequency range of a few kHz to 1 MHz, sometimes referred to as the ? dispersion region, cell structures are the main determinant of tissue impedance. That is a basic fundamental of Electrical Bio-Impedance Spectroscopy - EBS, which has a significant importance as a diagnostic tool for Cervical Cancer Detection - CCD. EBS consists in the measurements of Electrical Impedance of cervical tissue at different values of frequency. The difference of behavior of impedance value in the frequency of normal tissue and cancerous tissue is used to detect the level of neoplasia. An important block of EBS System is the block signal generator, which is mainly composed of: a) Numerically Controlled Oscillator - NCO, b) Digital to Analog Converter - DAC and c) Voltage Controlled Current Source - VCCS. The aims of this work was to design the main blocks of a Signal Generator for Electrical Bio-Impedance Spectroscopy applied to Cervical Cancer Detection. The signal generator is composed by: CORDIC-Based Numerically Controlled Oscillator, 10-bits Digital-to-Analog Converter and Voltage Controlled Current Source - VCCS. A 10-bit Numerically Controlled Oscillator (NCO) based on the iterative architecture of COordinate Rotation DIgital Computer (CORDIC) optimized in terms of area is presented. The NCO was implemented in a TSMC CMOS 180 nm technology process on the FREE MINI@SIC IMEC-TSMC. The design specifications were obtained from the requirements for application of Electrical Bio-Impedance Spectroscopy (EBS) to Cervical Cancer Detection (CCD). The proposed architecture is basically composed by: 5-bit frequency selector, angle generator, pre-rotator block, CORDIC Arithmetic Unit, Control Unit and lookup table for arctangent reference. The area of this IC for the CORE circuit was 133µm X 133µm, i.e. 0,017689 mm². It was configured in order to generate 32 different frequencies for output sinusoidal signals in the frequency range of 100Hz up to 1MHz with maximum error of 0,00623% in frequency values obtained of comparison of theoretical and experimental results. The 10 bits DAC was implemented in a 6-to-4 Current Steering Segmented architecture with DNL<0,1 LSB and INL<0,2LSB obtained from corners analysis. The circuit VCCS was designed, simulated and fabricated in TSMC 130 nm CMOS technology at 1.3V power supply. The proposed Howland Current Source is based on Self-Biased Complementary Folded Cascode (SB-CFC) Operational Amplifier (OA). Complying with the requirements for medical electrical equipment of international standard ABNT-NBR-IEC-60601-1 the sinusoidal current peak amplitude was settled at 10 µA. In accordance with the requirements of the EBS for CCD, the specifications for the SB-CFC-OA were calculated to meet the 100 Hz to 1 MHz frequency range for the sinusoidal output current and the output impedance higher than 1 MOhm at 1 MHz frequency. Post-layout simulations were run and the main results were: 10 ± 0.0335 µA for the output current peak amplitude over the specified frequency range and with 5 kOhm load impedance; values above 1.6 MOhm output impedance @ 1 MHz; nominal current amplitude variations lower than 0.4% for load impedances in the range of 10 Ohm up to 5 kOhm. And the experimental result for maximum non-linearity was 2% of full scale. From these results, the performance of the VCCS is adequate for EBS-CCD applications.
 
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Data de Publicação
2017-09-28
 
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