Los procesadores superan los desafíos del diseño de dispositivos médicos

Los dispositivos médicos abarcan una gama de productos, desde equipos de ultrasonido y dispositivos implantables hasta medidores de glucosa en sangre y rastreadores de actividad física para el hogar. Cada aplicación requiere diferentes requisitos, pero todos buscan microprocesadores (MPU) y microcontroladores (MCU) que puedan ofrecer rendimiento en las áreas de ejecución, confiabilidad, seguridad, ahorro de energía y conectividad. Muchas de estas mismas mejoras de rendimiento se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones.

La creciente adopción de dispositivos electrónicos portátiles y la necesidad de dispositivos electrónicos médicos que rastrean y monitorean la salud de un paciente están siendo impulsadas por una población que envejece y una creciente conciencia sobre la salud. La explosión de dispositivos médicos conectados también está impulsando a los fabricantes de chips a abordar los riesgos de ciberseguridad a nivel de chip.

El consumo de energía ultrabajo es particularmente importante en aplicaciones que necesitan acceder a señales en tiempo real, como temperatura, aceleración y velocidad. Una tendencia observada en un informe MarketsandMarkets Es la necesidad de microcontroladores de potencia ultrabaja con periféricos analógicos. Los beneficios incluyen alta confiabilidad, ruido reducido, baja latencia y costos reducidos, que pueden ser ventajosos en dispositivos médicos o de atención médica, como medidores de glucosa en sangre, monitores de frecuencia cardíaca y dispositivos implantables.

Un ejemplo de un microcontrolador de baja potencia con analógico programable integrado es la serie Synergy S1 MCU de Renesas Electronics Corp. Diseñado para simplificar el diseño y reducir la lista de materiales (BOM), el S1JA MCU Group cuenta con un núcleo Arm Cortex-M23 de 48 MHz y funciones analógicas y de seguridad programables para la adquisición y el acondicionamiento de la señal del sensor de alta precisión. Estas MCU se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones de sensores industriales de Internet de las cosas (IIoT) sensibles a los costos y de bajo consumo. Estos incluyen monitores médicos de primera línea, medidores de control de flujo, sistemas de sensores múltiples, sistemas de instrumentación y medidores de electricidad monofásicos.

El Grupo S1JA incluye cinco MCU con memoria flash de 256 KB, memoria SRAM de 32 KB y un amplio rango de voltaje operativo de 1.6 V a 5.5 V. Cada MCU integra una unidad de polarización del sensor que suministra energía precisa al sensor externo, y un tejido analógico altamente configurable que procesa algoritmos complejos para maximizar el acondicionamiento de la señal y las mediciones analógicas precisas, dijo Renesas.

Las MCU S1JA permiten configuraciones analógicas avanzadas, desde funciones básicas hasta bloques analógicos más complejos, lo que permite a los diseñadores eliminar varios componentes analógicos externos. Los componentes analógicos en chip incluyen un convertidor analógico a digital (ADC) de 16 bits de alta precisión, ADC sigma-delta de 24 bits, convertidor digital a analógico (DAC) de 12 bits de respuesta rápida, -Amplificadores operacionales de baja compensación de riel y comparadores de alta velocidad / baja potencia.

Las MCU S1JA de Renesas permiten configuraciones analógicas avanzadas, desde funciones básicas hasta bloques analógicos más complejos. (Imagen:Renesas Electronics)

La potencia ultrabaja de los microcontroladores extiende la vida útil de la batería para aplicaciones portátiles que funcionan con batería y aplicaciones de respaldo con batería. El modo de espera del software consume solo 500 nA para permitir aplicaciones que funcionan con batería durante 20 años que pasan períodos prolongados en modo de suspensión.

Además, los microcontroladores están repletos de funciones de seguridad, incluido un acelerador de criptografía AES integrado y un generador de números aleatorios verdaderos (TRNG), y las unidades de protección de memoria proporcionan los bloques fundamentales para desarrollar un sistema seguro que se conecta a la nube.

El paquete de software Renesas Synergy (SSP) es compatible con las MCU S1JA con controladores HAL, marcos de aplicaciones y RTOS. El SSP también incluye seis módulos que simplifican la interconexión de los bloques analógicos internos configurables. Los diseñadores de sistemas integrados pueden utilizar cualquiera de los entornos de desarrollo de Renesas Synergy (e² studio o IAR Embedded Workbench) para crear y personalizar sus diseños.

Renesas también desarrolló un diseño / solución de referencia que se puede utilizar para productos de respuesta galvánica para la piel y sistemas de medición de composición corporal portátiles. Las mediciones de resistencia galvánica de la piel (GSR) y del monitor de composición corporal (BCM) proporcionan información biométrica que se puede utilizar para inferir el estado emocional y calcular la masa de grasa corporal, respectivamente.

Este dispositivo alimentado por batería toma medidas de conductancia de CC en modo GSR y medidas de impedancia de CA de alta precisión en modo BCM mientras consume poca energía. La resolución y la velocidad de los ADC son fundamentales para la precisión de las mediciones de GSR-BCM, junto con la compensación de la temperatura de la piel, dijo Renesas.

La solución GSR-BCM aprovecha la MCU Synergy S1JA por sus características analógicas y de bajo consumo. También incluye el Renesas RL78 / G1D para conectividad Bluetooth y el ISL9203A para cargar la batería de iones de litio.

El RL78 / G1D es un MCU de 16 bits con soporte de Bluetooth de baja energía y bajo consumo de corriente a una corriente de transmisión de RF de 4,3 mA (salida de 0 dBm) y una corriente de recepción de RF de 3,5 mA. Los elementos del circuito necesarios para la conexión de la antena están integrados, lo que simplifica el diseño del circuito y reduce el costo al eliminar la necesidad de piezas externas. La pila de software admite actualizaciones de software inalámbricas.

El ISL9203A es un cargador de batería integrado de iones de litio o polímero de litio de celda única capaz de funcionar con un voltaje de entrada tan bajo como 2,4 V. Funciona con varios tipos de adaptadores de CA.

Para diseños portátiles e inalámbricos, como los rastreadores de actividad física, estas aplicaciones requieren un bajo consumo de energía, seguridad mejorada y compatibilidad con múltiples protocolos.

Un ejemplo reciente es el Exynos i T100 de Samsung Electronics , que integra un procesador y memoria en un solo chip y es compatible con los protocolos Bluetooth 5 Low Energy, Zigbee 3.0 y Thread. Para una funcionalidad de conectividad inalámbrica mejorada, el chip ofrece un modo concurrente de múltiples radios que admite dos protocolos diferentes simultáneamente. Por lo tanto, puede admitir Bluetooth y Zigbee o Bluetooth y Thread al mismo tiempo.

Diseñado para mejorar la seguridad y confiabilidad de los dispositivos para comunicaciones de corto alcance, como dispositivos portátiles de acondicionamiento físico, iluminación inteligente y seguridad y monitoreo del hogar, el chip ofrece características de seguridad que protegen contra posibles piratas informáticos y otras amenazas. La solución proporciona un bloque de hardware de subsistema de seguridad (SSS) separado para el cifrado de datos y una función física no clonable (PUF) que crea una identidad única para cada chipset.

El Exynos i T100 consta de un Arm Cortex-M4F que se ejecuta a una velocidad de reloj de hasta 100 MHz y memoria de alta densidad que incluye memoria flash de 1.2 MB y SRAM que proporciona 192 KB y 24 KB. Además, puede funcionar en temperaturas extremas tan bajas como -40 ° C y hasta 125 ° C.

Samsung también ofrece una solución de referencia para un desarrollo más rápido. La placa de referencia admite la interfaz Shields que se puede conectar en la parte superior de una placa Arduino para probar y controlar sensores. También proporciona un sistema operativo y API integradas para protocolos de conectividad para desarrollar aplicaciones personalizadas.

Diseñado para aplicaciones de salud y bienestar de alto rendimiento, hogares inteligentes, industriales y de consumo, el STM32MP1 de STMicroelectronics La serie de microprocesadores multinúcleo con distribución Linux amplía la cartera de microcontroladores STM32 con rendimiento, recursos y software de código abierto mejorados. El STM32MP1 con soporte de computación y gráficos ofrece un control en tiempo real eficiente en el consumo de energía y una alta integración de funciones.

La serie STM32MP1 permite a los diseñadores desarrollar una nueva gama de aplicaciones utilizando la arquitectura heterogénea STM32 que combina núcleos Arm Cortex-A y Cortex-M. Esta arquitectura ofrece un procesamiento rápido y tareas en tiempo real en un solo chip, al tiempo que proporciona una alta eficiencia energética.

STM32MP1 de STMicroelectronics ofrece un rendimiento, recursos y software de código abierto mejorados. (Imagen:STMicroelectronics)

ST cita ejemplos de sus ahorros de energía. Al detener la ejecución de Cortex-A7 y ejecutar solo desde el Cortex-M4 más eficiente, la energía generalmente se puede reducir en un 25%. El cambio de este modo al modo de espera reduce aún más la energía en 2,5 k veces mientras se admite la reanudación de la ejecución de Linux en 1 a 3 segundos, según la aplicación.

El STM32MP1 incorpora una unidad de procesador de gráficos 3D (GPU) para pantallas de interfaz hombre-máquina (HMI). Admite una gama de memorias flash y DDR SDRAM externas. También incorpora un gran conjunto de periféricos que se pueden asignar a actividades de Cortex-A / Linux o Cortex-M / en tiempo real. La serie STM32MP1 está disponible en una variedad de paquetes BGA.

ST ofrece dos placas de evaluación ( STM32MP157A-EV1 y STM32MP157C-EV1 ) y dos kits Discovery ( STM32MP157A-DK1 y STM32MP157C-DK2 ).

Además, hay tres paquetes para desarrolladores disponibles, según las necesidades del diseñador:

• Paquete de inicio (STM32MP1Starter) para comenzar rápidamente con cualquier dispositivo con microprocesador STM32MP1
• Paquete para desarrolladores (STM32MP1Dev) para agregar el propio desarrollo a la distribución de software integrado STM32MP1
• Paquete de distribución (STM32MP1Distrib) para crear sus propios paquetes de desarrollo o de inicio de distribución de Linux

Big data

Mover y analizar cantidades masivas de datos es un gran desafío en numerosos mercados finales. Estos segmentos incluyen imágenes médicas, dispositivos médicos, electrónica de consumo inalámbrica y automatización de fábricas y edificios. Compartir más datos requiere mayor seguridad, mejor interoperabilidad, procesamiento más rápido y comunicaciones consistentes y de mayor calidad.

Texas Instruments Inc. (TI) presentó dos dispositivos a principios de este año utilizando su tecnología de ondas acústicas a granel (BAW) diseñado para su uso en aplicaciones con alta transmisión de datos, como equipos médicos conectados. Estos nuevos dispositivos son el MCU inalámbrico SimpleLink CC2652RB y el reloj sincronizador de red LMK05318 para la entrega de datos de alto rendimiento.

La tecnología BAW integra resonadores de reloj de referencia para proporcionar la frecuencia más alta en un espacio reducido, lo que mejora el rendimiento y aumenta la resistencia a tensiones mecánicas, como vibraciones y golpes. Esto da como resultado una transmisión de datos estable y continua, que ofrece una sincronización de datos más precisa de señales inalámbricas y por cable, de modo que los datos se pueden procesar rápidamente para una mayor eficiencia.

Al incorporar un sistema de RF completo y un convertidor CC / CC en chip, el CC2652RB se promociona como el primer MCU inalámbrico sin cristal de la industria. Integra un resonador BAW en el paquete QFN y elimina la necesidad de un cristal externo de 48 MHz de alta velocidad. La mayor integración también ofrece un ahorro del 10% al 15% en el espacio de la placa de circuito impreso (PCB).

El dispositivo CC2652RB proporciona una excelente duración de la batería y permite el funcionamiento con baterías pequeñas de tipo botón y en aplicaciones de recolección de energía gracias a su muy baja RF activa y corriente MCU, además de una corriente de suspensión sub-µA con hasta 80 KB de protección por paridad. Retención de RAM.

El dispositivo CC2652RB combina un transceptor de RF de muy baja potencia con una CPU Arm Cortex-M4F de 48 MHz en una plataforma que admite múltiples capas físicas y estándares de RF. Un controlador de radio dedicado (Arm Cortex-M0) maneja comandos de protocolo de RF de bajo nivel que se almacenan en ROM o RAM para una potencia ultrabaja y una mayor flexibilidad. El controlador de sensor, con su activación rápida y modo de 2 MHz de potencia ultrabaja, está diseñado para muestrear, almacenar en búfer y procesar datos de sensores analógicos y digitales, dijo TI, que maximiza el tiempo de reposo y reduce la potencia activa en el sistema MCU .

Además, el chip afirma ser el dispositivo multiestándar de menor consumo que admite Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy y soluciones patentadas de conectividad de 2,4 GHz en un solo chip. Opera en un rango de temperatura de -40 ° C a 85 ° C, a diferencia de muchas soluciones basadas en cristales actualmente en el mercado. Está disponible un kit de desarrollo de TI LaunchPad CC2652B SimpleLink MCU basado en MCU.

Los fabricantes de chips como Intel Corp.también ven que la inteligencia artificial (IA) se mueve hacia aplicaciones de imágenes médicas y otras áreas, incluidos el diagnóstico y la atención aguda y crítica, que requieren una gran potencia de procesamiento. En un momento, las únicas soluciones de hardware reales para el aprendizaje profundo eran las GPU.

En la actualidad, Intel ofrece los procesadores escalables Xeon (presentados en 2017), que pueden manejar cargas de trabajo híbridas complejas, incluidos los modelos de memoria intensiva que normalmente se encuentran en las imágenes médicas.

Intel trabajó con Philips para mostrar que los servidores que utilizan procesadores escalables Xeon de Intel pueden realizar inferencias de aprendizaje profundo para exploraciones de rayos X y tomografía computarizada (TC) sin necesidad de aceleradores de hardware. Las pruebas muestran que para muchas cargas de trabajo de IA, los procesadores escalables Xeon funcionaron mejor que los sistemas basados ​​en GPU.

Las empresas probaron dos pruebas de conceptos de imagenología sanitaria :uno en radiografías de huesos para el modelado de predicción de la edad ósea y el otro en tomografías computarizadas de los pulmones para la segmentación pulmonar. Uso del kit de herramientas Intel Distribution of OpenVINO y otras optimizaciones de software , Philips pudo mejorar la velocidad 188x en imágenes por segundo para el modelo de predicción de la edad ósea y 37x para el modelo de segmentación pulmonar con respecto a las mediciones de referencia.