Verwerkers voldoen aan de ontwerpuitdagingen van medische apparatuur

Medische apparaten omvatten een scala aan producten, van ultrasone apparatuur en implanteerbare apparaten tot bloedglucosemeters voor thuisgebruik en fitnesstrackers. Elke applicatie stelt andere eisen, maar ze zijn allemaal op zoek naar microprocessors (MPU's) en microcontrollers (MCU's) die prestaties kunnen leveren op het gebied van uitvoering, betrouwbaarheid, beveiliging, energiebesparing en connectiviteit. Veel van deze zelfde prestatieverbeteringen kunnen in verschillende applicaties worden gebruikt.

De toenemende acceptatie van draagbare elektronica en de behoefte aan medische elektronica die de gezondheid van een patiënt volgt en bewaakt, worden gedreven door een vergrijzende bevolking en een groeiend gezondheidsbewustzijn. De explosie van aangesloten medische apparaten zet chipmakers er ook toe aan om cyberbeveiligingsrisico's op chipniveau aan te pakken.

Ultra-laag stroomverbruik is vooral belangrijk in toepassingen die toegang moeten hebben tot realtime signalen, zoals temperatuur, acceleratie en snelheid. Een trend opgemerkt in een MarketsandMarkets-rapport is de behoefte aan ultra-low-power microcontrollers met analoge randapparatuur. Voordelen zijn onder meer hoge betrouwbaarheid, minder ruis, lage latentie en lagere kosten, wat voordelig kan zijn bij medische of gezondheidszorgapparatuur, zoals bloedglucosemeters, hartslagmeters en implanteerbare apparaten.

Een voorbeeld van een low-power microcontroller met geïntegreerde programmeerbare analoog is de Synergy S1 MCU-serie van Renesas Electronics Corp. Ontworpen om het ontwerp te vereenvoudigen en de stuklijst (BOM) te verminderen, de S1JA MCU Group beschikt over een 48-MHz Arm Cortex-M23-kern en programmeerbare analoge en beveiligingsfuncties voor zeer nauwkeurige sensorsignaalacquisitie en -conditionering. Deze MCU's kunnen worden gebruikt in een reeks kostengevoelige en energiezuinige industriële Internet of Things (IIoT)-sensortoepassingen. Deze omvatten medische hoofdmonitoren, stroomregelmeters, multisensorsystemen, instrumentatiesystemen en enkelfasige elektriciteitsmeters.

De S1JA Group omvat vijf MCU's met 256 KB flash-geheugen, 32 KB SRAM-geheugen en een breed bedrijfsspanningsbereik van 1,6 V tot 5,5 V. Elke MCU integreert een sensor-biasing-eenheid die nauwkeurige stroom levert aan de externe sensor, en een zeer configureerbare analoge structuur die complexe algoritmen verwerkt om signaalconditionering en nauwkeurige analoge metingen te maximaliseren, zei Renesas.

De S1JA MCU's maken geavanceerde analoge configuraties mogelijk, van basisfuncties tot complexere analoge blokken, waardoor ontwerpers verschillende externe analoge componenten kunnen elimineren. On-chip analoge componenten omvatten een zeer nauwkeurige 16-bits analoog-naar-digitaal converter (ADC), 24-bit sigma-delta ADC, snel reagerende 12-bits digitaal-naar-analoog converter (DAC), rail-naar -rail operationele versterkers met lage offset en comparatoren met hoge snelheid en laag vermogen.

Renesas' S1JA MCU's maken geavanceerde analoge configuraties mogelijk, van basisfuncties tot complexere analoge blokken. (Afbeelding:Renesas Electronics)

Het ultralage vermogen van de microcontrollers verlengt de levensduur van de batterij voor op batterijen werkende draagbare toepassingen en back-uptoepassingen op batterijen. De stand-bymodus van de software verbruikt slechts 500 nA om 20 jaar batterijgevoede applicaties mogelijk te maken die langere perioden in de slaapstand blijven.

Bovendien zitten de microcontrollers boordevol beveiligingsfuncties, waaronder een geïntegreerde AES-cryptografieversneller en True Random Number Generator (TRNG), en geheugenbeschermingseenheden bieden de fundamentele blokken om een ​​veilig systeem te ontwikkelen dat verbinding maakt met de cloud.

Het Renesas Synergy Software Package (SSP) ondersteunt de S1JA MCU's met HAL-stuurprogramma's, applicatieframeworks en RTOS. De SSP bevat ook zes modules die het onderling verbinden van de configureerbare interne analoge blokken vereenvoudigen. Ontwerpers van geïntegreerde systemen kunnen een van de Renesas Synergy-ontwikkelomgevingen gebruiken — e² studio of IAR Embedded Workbench — om hun ontwerpen te bouwen en aan te passen.

Renesas ontwikkelde ook een referentieontwerp/-oplossing die kunnen worden gebruikt voor draagbare galvanische huidreactieproducten en draagbare lichaamssamenstellingsmetersystemen. Metingen van galvanische huidweerstand (GSR) en lichaamssamenstellingsmonitor (BCM) bieden biometrische informatie die kan worden gebruikt om respectievelijk de emotionele toestand af te leiden en de lichaamsvetmassa te berekenen.

Dit batterijgevoede apparaat voert DC-geleidingsmetingen uit in GSR-modus en zeer nauwkeurige AC-impedantiemetingen in BCM-modus terwijl het een laag stroomverbruik heeft. De resolutie en snelheid van de ADC's zijn van cruciaal belang voor de nauwkeurigheid van GSR-BCM-metingen, samen met compensatie van de huidtemperatuur, zei Renesas.

De GSR-BCM-oplossing maakt gebruik van de Synergy S1JA MCU vanwege zijn analoge en energiezuinige functies. Het bevat ook de Renesas RL78/G1D voor Bluetooth-connectiviteit en de ISL9203A voor het opladen van Li-ionbatterijen.

De RL78/G1D is een 16-bits MCU met Bluetooth-ondersteuning voor laag energieverbruik en een laag stroomverbruik bij 4,3 mA RF-zendstroom (0 dBm-uitgang) en 3,5 mA RF-ontvangststroom. De circuitelementen die nodig zijn voor de antenneverbinding zijn ingebouwd, wat het circuitontwerp vereenvoudigt en de kosten verlaagt doordat er geen externe onderdelen nodig zijn. De softwarestack ondersteunt draadloze software-updates.

De ISL9203A is een geïntegreerde eencellige Li-ion- of Li-polymeerbatterijlader die kan werken met een ingangsspanning van slechts 2,4 V. Hij werkt met verschillende soorten AC-adapters.

Voor draagbare en draadloze ontwerpen, zoals fitnesstrackers, vereisen deze toepassingen een laag stroomverbruik, verbeterde beveiliging en ondersteuning voor meerdere protocollen.

Een recent voorbeeld is de Exynos i T100 . van Samsung Electronics , die een processor en geheugen in een enkele chip integreert en Bluetooth 5 Low Energy, Zigbee 3.0 en Thread-protocollen ondersteunt. Voor verbeterde draadloze connectiviteitsfunctionaliteit biedt de chip een gelijktijdige multi-radio-modus die twee verschillende protocollen tegelijkertijd ondersteunt. Het kan dus tegelijkertijd Bluetooth en Zigbee of Bluetooth en Thread ondersteunen.

De chip is ontworpen om de beveiliging en betrouwbaarheid van apparaten voor korteafstandscommunicatie te verbeteren, zoals fitness-wearables, slimme verlichting en huisbeveiliging en -bewaking. De chip biedt beveiligingsfuncties die bescherming bieden tegen mogelijke hacking en andere bedreigingen. De oplossing biedt een afzonderlijk hardwareblok voor het beveiligingssubsysteem (SSS) voor gegevenscodering en een fysieke niet-kloneerbare functie (PUF) die een unieke identiteit creëert voor elke chipset.

De Exynos i T100 bestaat uit een Arm Cortex-M4F met een kloksnelheid tot 100 MHz en geheugen met hoge dichtheid, inclusief 1,2 MB flashgeheugen en SRAM met 192 KB en 24 KB. Bovendien kan hij werken bij extreme temperaturen van -40 °C tot 125 °C.

Samsung biedt ook een referentieoplossing voor snellere ontwikkeling. Het referentiebord ondersteunt de Shields-interface die bovenop een Arduino-bord kan worden gestoken voor het testen en besturen van sensoren. Het biedt ook een besturingssysteem en ingebouwde API's voor verbindingsprotocollen voor het ontwikkelen van aangepaste toepassingen.

STM32MP1 van STMicroelectronics, ontworpen voor hoogwaardige gezondheids- en welzijns-, smart home-, industriële en consumententoepassingen multi-core microprocessorserie met Linux-distributie breidt het STM32-microcontrollerportfolio uit met verbeterde prestaties, bronnen en open-sourcesoftware. De STM32MP1 met compute- en grafische ondersteuning biedt energiezuinige, realtime controle en integratie met hoge functies.

Met de STM32MP1-serie kunnen ontwerpers een nieuwe reeks toepassingen ontwikkelen met behulp van de STM32 heterogene architectuur die Arm Cortex-A- en Cortex-M-kernen combineert. Deze architectuur levert snelle verwerking en realtime taken op een enkele chip, terwijl het een hoge energie-efficiëntie biedt.

STMicroelectronics' STM32MP1 levert verbeterde prestaties, bronnen en open-source software. (Afbeelding:STMicroelectronics)

ST noemt voorbeelden van zijn energiebesparingen. Door de uitvoering van de Cortex-A7 stop te zetten en alleen te draaien vanaf de efficiëntere Cortex-M4, kan het vermogen doorgaans met 25% worden verminderd. Door over te schakelen van deze modus naar stand-by, wordt de stroomtoevoer nog 2,5k keer verminderd, terwijl de hervatting van de Linux-uitvoering in 1 tot 3 seconden wordt ondersteund, afhankelijk van de toepassing.

De STM32MP1 integreert een 3D grafische processoreenheid (GPU) voor mens-machine-interface (HMI) displays. Het ondersteunt een reeks externe DDR SDRAM- en flashgeheugens. Het bevat ook een groot aantal randapparatuur die kan worden toegewezen aan Cortex-A/Linux- of Cortex-M/realtime-activiteiten. De STM32MP1-serie is verkrijgbaar in een reeks BGA-pakketten.

ST biedt twee evaluatieborden (STM32MP157A-EV1 en STM32MP157C-EV1 ) en twee Discovery-kits (STM32MP157A-DK1 en STM32MP157C-DK2 ).

Daarnaast zijn er drie ontwikkelaarspakketten beschikbaar, afhankelijk van de behoeften van een ontwerper:

• Startpakket (STM32MP1Starter) om snel te beginnen met elk STM32MP1-microprocessorapparaat
• Ontwikkelaarspakket (STM32MP1Dev) eigen ontwikkeling toevoegen aan de STM32MP1 embedded softwaredistributie
• Distributiepakket (STM32MP1Distrib) om je eigen Linux-distributie starters- of ontwikkelaarspakketten te maken

Big data

Het verplaatsen en analyseren van enorme hoeveelheden gegevens is een grote uitdaging in tal van eindmarkten. Deze segmenten omvatten medische beeldvorming, medische apparatuur, draadloze consumentenelektronica en fabrieks- en gebouwautomatisering. Het delen van meer gegevens vereist een hogere beveiliging, betere interoperabiliteit, snellere verwerking en consistente communicatie van hogere kwaliteit.

Texas Instruments Inc. (TI) introduceerde eerder dit jaar twee apparaten met behulp van de bulk akoestische golf (BAW)-technologie ontworpen voor gebruik in toepassingen met een hoge gegevensoverdracht, zoals aangesloten medische apparatuur. Deze nieuwe apparaten zijn de SimpleLink CC2652RB draadloze MCU en de LMK05318 netwerksynchronisatieklok voor hoogwaardige gegevenslevering.

De BAW-technologie integreert referentieklokresonatoren om de hoogste frequentie te bieden in een kleine footprint, wat de prestaties verbetert en de weerstand tegen mechanische spanningen, zoals trillingen en schokken, verhoogt. Dit resulteert in stabiele en continue gegevensoverdracht, wat een nauwkeurigere gegevenssynchronisatie van bekabelde en draadloze signalen oplevert, zodat gegevens snel kunnen worden verwerkt voor een hogere efficiëntie.

Met een compleet RF-systeem en een on-chip DC/DC-converter, wordt de CC2652RB aangeprezen als de eerste kristalloze draadloze MCU in de branche. Het integreert een BAW-resonator in het QFN-pakket en elimineert de noodzaak van een extern high-speed 48-MHz kristal. De hogere integratie levert ook een besparing van 10% tot 15% op in printplaat (PCB) ruimte.

Het CC2652RB-apparaat biedt een uitstekende levensduur van de batterij en maakt gebruik mogelijk op kleine knoopcelbatterijen en in toepassingen voor het oogsten van energie dankzij de zeer lage actieve RF- en MCU-stroom, naast sub-µA slaapstroom met tot 80 KB pariteitsbeveiligde RAM-retentie.

Het CC2652RB-apparaat combineert een zeer energiezuinige RF-transceiver met een 48-MHz Arm Cortex-M4F CPU in een platform dat meerdere fysieke lagen en RF-standaarden ondersteunt. Een speciale radiocontroller (Arm Cortex-M0) verwerkt low-level RF-protocolopdrachten die zijn opgeslagen in ROM of RAM voor ultralaag stroomverbruik en grotere flexibiliteit. De sensorcontroller, met zijn snelle wake-up en ultra-low-power 2-MHz-modus, is ontworpen voor het bemonsteren, bufferen en verwerken van zowel analoge als digitale sensorgegevens, zei TI, die de slaaptijd maximaliseert en het actieve vermogen in het MCU-systeem vermindert. .

Bovendien beweert de chip het apparaat met het laagste vermogen en meerdere standaarden te zijn dat Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy en gepatenteerde 2,4 GHz-connectiviteitsoplossingen op een enkele chip ondersteunt. Het werkt bij een temperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C, in tegenstelling tot veel op kristal gebaseerde oplossingen die momenteel op de markt zijn. Er is een CC2652B SimpleLink MCU-gebaseerde TI LaunchPad-ontwikkelkit beschikbaar.

Chipmakers zoals Intel Corp. zien kunstmatige intelligentie (AI) ook steeds meer in medische beeldvormingstoepassingen en andere gebieden, waaronder acute en kritieke zorg en diagnose, die veel verwerkingskracht vereisen. Ooit waren GPU's de enige echte hardware-oplossingen voor deep learning.

Tegenwoordig biedt Intel de Xeon Scalable-processors (geïntroduceerd in 2017), die complexe hybride workloads aankunnen, inclusief geheugenintensieve modellen die typisch zijn voor medische beeldvorming.

Intel werkte samen met Philips om aan te tonen dat servers die Intel's Xeon Scalable-processors gebruiken, diepgaande inferentie kunnen uitvoeren voor röntgenfoto's en computertomografie (CT)-scans zonder dat hardwareversnellers nodig zijn. De tests tonen aan dat voor veel AI-workloads de Xeon Scalable-processors beter presteerden dan op GPU gebaseerde systemen.

De bedrijven testten twee proof-of-concepts voor medische beeldvorming :één op röntgenfoto's van botten voor modellering van botleeftijd en de andere op CT-scans van longen voor longsegmentatie. De Intel Distribution of OpenVINO-toolkit en andere software-optimalisaties gebruiken , kon Philips de snelheid met 188x in afbeeldingen per seconde verbeteren voor het botleeftijd-voorspellingsmodel en 37x voor het longsegmentatiemodel ten opzichte van de basislijnmetingen.