Процессоры решают задачи проектирования медицинских устройств

Медицинские устройства включают в себя широкий спектр продуктов, от ультразвукового оборудования и имплантируемых устройств до домашних глюкометров и фитнес-трекеров. Каждое приложение требует разных требований, но все они ищут микропроцессоры (MPU) и микроконтроллеры (MCU), которые могут обеспечить производительность в областях исполнения, надежности, безопасности, энергосбережения и подключения. Многие из этих улучшений производительности можно использовать в различных приложениях.

Растущее распространение носимой электроники и потребность в медицинской электронике, которая отслеживает и контролирует здоровье пациента, обусловлены старением населения и ростом осведомленности о здоровье. Рост количества подключенных медицинских устройств также побуждает производителей микросхем устранять риски кибербезопасности на уровне микросхем.

Сверхнизкое энергопотребление особенно важно в приложениях, которым требуется доступ к сигналам в реальном времени, таким как температура, ускорение и скорость. Одна тенденция отмечена в отчете "Рынки и рынки ". потребность в микроконтроллерах сверхнизкого энергопотребления с аналоговой периферией. Преимущества включают высокую надежность, снижение шума, малую задержку и снижение затрат, что может быть полезно для медицинских или медицинских устройств, таких как глюкометры, мониторы сердечного ритма и имплантируемые устройства.

Примером маломощного микроконтроллера со встроенным программируемым аналогом является серия микроконтроллеров Synergy S1 от Renesas Electronics Corp. Разработанный для упрощения конструкции и уменьшения количества материалов (BOM), S1JA MCU Group оснащен ядром Arm Cortex-M23 с частотой 48 МГц и программируемыми аналоговыми функциями и функциями безопасности для высокоточного сбора и обработки сигнала датчика. Эти микроконтроллеры могут использоваться в ряде недорогих и маломощных промышленных датчиков Интернета вещей (IIoT). К ним относятся медицинские мониторы, расходомеры, мультисенсорные системы, контрольно-измерительные приборы и однофазные счетчики электроэнергии.

Группа S1JA включает пять микроконтроллеров с флеш-памятью 256 КБ, памятью SRAM 32 КБ и широким диапазоном рабочего напряжения от 1,6 В до 5,5 В. Каждый микроконтроллер включает блок смещения сенсора, который подает точную мощность на внешний сенсор, и "Аналоговая структура с широкими возможностями настройки, которая обрабатывает сложные алгоритмы для максимального преобразования сигнала и точных аналоговых измерений", - сказал Ренесас.

Микроконтроллеры S1JA обеспечивают расширенные аналоговые конфигурации, от базовых функций до более сложных аналоговых блоков, что позволяет разработчикам исключить несколько внешних аналоговых компонентов. Встроенные аналоговые компоненты включают высокоточный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 24-разрядный сигма-дельта-АЦП, 12-разрядный быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), линейный преобразователь частоты. -рейсовые операционные усилители с малым смещением и компараторы высокой / малой мощности.

Микроконтроллеры Renesas S1JA позволяют выполнять расширенные аналоговые конфигурации, от базовых функций до более сложных аналоговых блоков. (Изображение:Renesas Electronics)

Сверхнизкое энергопотребление микроконтроллеров продлевает срок службы батарей для портативных устройств с батарейным питанием и резервного питания от батарей. Программный режим ожидания потребляет всего 500 нА, что позволяет приложениям, работающим от батареи в течение 20 лет, длительное время находиться в спящем режиме.

Кроме того, микроконтроллеры оснащены функциями безопасности, в том числе встроенным ускорителем криптографии AES и генератором истинных случайных чисел (TRNG), а блоки защиты памяти обеспечивают фундаментальные блоки для разработки безопасной системы, которая подключается к облаку.

Программный пакет Renesas Synergy (SSP) поддерживает микроконтроллеры S1JA с драйверами HAL, платформами приложений и ОСРВ. SSP также включает шесть модулей, которые упрощают соединение настраиваемых внутренних аналоговых блоков. Разработчики встроенных систем могут использовать любую из сред разработки Renesas Synergy - e² studio или IAR Embedded Workbench - для создания и настройки своих проектов.

Renesas также разработал эталонный дизайн / решение которые можно использовать для носимых продуктов для кожно-гальванической реакции и портативных систем измерения состава тела. Измерения гальванического сопротивления кожи (GSR) и монитора состава тела (BCM) предоставляют биометрическую информацию, которая может использоваться для определения эмоционального состояния и расчета массы жира соответственно.

Это устройство с батарейным питанием выполняет измерения проводимости постоянного тока в режиме GSR и высокоточные измерения импеданса переменного тока в режиме BCM при низком потреблении энергии. По словам Ренесаса, разрешение и скорость АЦП имеют решающее значение для точности измерений GSR-BCM, наряду с компенсацией температуры кожи.

Решение GSR-BCM использует микроконтроллер Synergy S1JA для его аналоговых функций и функций с низким энергопотреблением. Он также включает Renesas RL78 / G1D . для подключения Bluetooth и ISL9203A для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

RL78 / G1D - это 16-битный микроконтроллер с поддержкой Bluetooth с низким энергопотреблением и низким потреблением тока при токе передачи ВЧ 4,3 мА (выход 0 дБмВт) и токе приема 3,5 мА. Элементы схемы, необходимые для подключения антенны, встроены, что упрощает схемотехнику и снижает стоимость за счет устранения необходимости во внешних частях. Стек программного обеспечения поддерживает обновления программного обеспечения для беспроводной сети.

ISL9203A - это встроенное одноэлементное зарядное устройство для литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторов, способное работать с входным напряжением до 2,4 В. Оно работает с различными типами адаптеров переменного тока.

Для портативных и беспроводных устройств, таких как фитнес-трекеры, эти приложения требуют низкого энергопотребления, повышенной безопасности и поддержки нескольких протоколов.

Недавний пример - Exynos i T100 от Samsung Electronics. , который объединяет процессор и память в одном чипе и поддерживает протоколы Bluetooth 5 Low Energy, Zigbee 3.0 и Thread. Для расширенной функциональности беспроводной связи чип предлагает режим одновременной работы с несколькими радиомодулями, который поддерживает два разных протокола одновременно. Таким образом, он может одновременно поддерживать Bluetooth и Zigbee или Bluetooth и Thread.

Разработанный для повышения безопасности и надежности устройств для связи на малых расстояниях, таких как носимые устройства для фитнеса, интеллектуальное освещение, а также домашняя безопасность и мониторинг, чип предлагает функции безопасности, которые защищают от потенциального взлома и других угроз. Решение предоставляет отдельный аппаратный блок подсистемы безопасности (SSS) для шифрования данных и физическую неклонируемую функцию (PUF), которая создает уникальный идентификатор для каждого набора микросхем.

Exynos i T100 состоит из Arm Cortex-M4F, который работает с тактовой частотой до 100 МГц, и памяти высокой плотности, включая флеш-память объемом 1,2 МБ и SRAM, обеспечивающую 192 КБ и 24 КБ. Кроме того, он может работать при экстремальных температурах от -40 ° C до 125 ° C.

Samsung также предлагает эталонное решение для более быстрой разработки. Эталонная плата поддерживает интерфейс Shields, который можно подключить к плате Arduino для тестирования и управления датчиками. Он также предоставляет операционную систему и встроенные API-интерфейсы для протоколов подключения для разработки пользовательских приложений.

STM32MP1 от STMicroelectronics, предназначенный для высокопроизводительных приложений для здоровья и хорошего самочувствия, умного дома, промышленных и бытовых приложений. Серия многоядерных микропроцессоров с дистрибутивом Linux расширяет портфель микроконтроллеров STM32 за счет улучшенной производительности, ресурсов и программного обеспечения с открытым исходным кодом. STM32MP1 с поддержкой вычислений и графики предлагает энергоэффективное управление в реальном времени и широкую интеграцию функций.

Серия STM32MP1 позволяет разработчикам разрабатывать новый диапазон приложений с использованием гетерогенной архитектуры STM32, сочетающей ядра Arm Cortex-A и Cortex-M. Эта архитектура обеспечивает быструю обработку и выполнение задач в реальном времени на одном кристалле, обеспечивая при этом высокую энергоэффективность.

STMicroelectronics STM32MP1 обеспечивает повышенную производительность, ресурсы и программное обеспечение с открытым исходным кодом. (Изображение:STMicroelectronics)

ST приводит примеры экономии энергии. Остановив выполнение Cortex-A7 и запустив только более эффективный Cortex-M4, мощность обычно можно снизить на 25%. Переход из этого режима в режим ожидания дополнительно снижает энергопотребление в 2,5 тыс. Раз, поддерживая возобновление работы Linux за 1–3 секунды, в зависимости от приложения.

В STM32MP1 встроен процессор трехмерной графики (GPU) для отображения человеко-машинного интерфейса (HMI). Он поддерживает ряд внешних DDR SDRAM и флеш-памяти. Он также включает в себя большой набор периферийных устройств, которые могут быть выделены либо для Cortex-A / Linux, либо для Cortex-M / операций в реальном времени. Серия STM32MP1 доступна в различных корпусах BGA.

ST предлагает две оценочные платы ( STM32MP157A-EV1 и STM32MP157C-EV1 ) и два набора Discovery ( STM32MP157A-DK1 и STM32MP157C-DK2 ).

Кроме того, доступны три пакета разработчика, в зависимости от потребностей дизайнера:

• Стартовый пакет (STM32MP1Starter) чтобы быстро начать работу с любым микропроцессорным устройством STM32MP1
• Пакет разработчика (STM32MP1Dev) добавить собственную разработку поверх встраиваемого программного обеспечения STM32MP1
• Пакет распространения (STM32MP1Distrib) для создания собственного начального дистрибутива Linux или пакетов разработчика.

Большие данные

Перемещение и анализ огромных объемов данных - большая проблема на многих конечных рынках. Эти сегменты включают медицинскую визуализацию, медицинские устройства, беспроводную бытовую электронику, а также автоматизацию заводов и зданий. Совместное использование большего количества данных требует более высокого уровня безопасности, лучшей совместимости, более быстрой обработки, а также согласованного и более качественного обмена данными.

В начале этого года компания Texas Instruments Inc. (TI) представила два устройства, использующих свою технологию объемных акустических волн (BAW) . разработан для использования в приложениях с высокой скоростью передачи данных, например, в подключенном медицинском оборудовании. Эти новые устройства - это беспроводной MCU SimpleLink CC2652RB и сетевой синхронизатор LMK05318 для высокопроизводительной доставки данных.

Технология BAW объединяет опорные резонаторы тактовой частоты для обеспечения максимальной частоты при небольшом размере, что улучшает характеристики и увеличивает устойчивость к механическим воздействиям, таким как вибрация и удары. Это приводит к стабильной и непрерывной передаче данных, обеспечивая более точную синхронизацию данных проводных и беспроводных сигналов, поэтому данные можно обрабатывать быстро для повышения эффективности.

CC2652RB, включающий в себя полную радиочастотную систему и встроенный преобразователь постоянного тока в постоянный, позиционируется как первый в отрасли беспроводной микроконтроллер без кристалла. Он включает в себя резонатор BAW в корпусе QFN и устраняет необходимость во внешнем высокоскоростном кристалле с частотой 48 МГц. Более высокая степень интеграции также обеспечивает экономию места на печатной плате (PCB) от 10% до 15%.

Устройство CC2652RB обеспечивает отличное время автономной работы и позволяет работать от небольших плоских батареек и в приложениях для сбора энергии благодаря очень низкому активному току ВЧ и микроконтроллерам, а также току сна менее мкА с до 80 КБ с защитой по четности Удержание ОЗУ.

Устройство CC2652RB сочетает в себе ВЧ-трансивер с очень низким энергопотреблением и ЦП Arm Cortex-M4F с частотой 48 МГц в платформе, поддерживающей несколько физических уровней и ВЧ-стандарты. Выделенный радиоконтроллер (Arm Cortex-M0) обрабатывает команды протокола RF низкого уровня, которые хранятся в ПЗУ или ОЗУ для сверхнизкого энергопотребления и большей гибкости. Контроллер датчика с его быстрым пробуждением и режимом сверхнизкого энергопотребления 2 МГц предназначен для выборки, буферизации и обработки как аналоговых, так и цифровых данных датчиков, сказал TI, что максимизирует время ожидания и снижает активную мощность в системе MCU. .

Кроме того, чип утверждает, что он является самым малопотребляющим, мультистандартным устройством, поддерживающим Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy и проприетарные решения для подключения на частоте 2,4 ГГц на одном кристалле. Он работает в диапазоне температур от -40 ° C до 85 ° C, в отличие от многих решений на основе кристаллов, представленных в настоящее время на рынке. Доступен комплект разработчика TI LaunchPad на базе MCU CC2652B SimpleLink.

Такие производители микросхем, как Intel Corp., также видят, что искусственный интеллект (AI) перемещается в приложения для медицинской визуализации и другие области, включая неотложную и неотложную помощь и диагностику, которые требуют большой вычислительной мощности. В свое время единственными реальными аппаратными решениями для глубокого обучения были графические процессоры.

Сегодня Intel предлагает процессоры Xeon Scalable (представленные в 2017 году), которые могут обрабатывать сложные гибридные рабочие нагрузки, включая модели с интенсивным использованием памяти, которые обычно используются в медицинской визуализации.

Intel работала с Philips чтобы показать, что серверы, использующие процессоры Intel Xeon Scalable, могут выполнять логический вывод с глубоким обучением для рентгеновских снимков и компьютерной томографии (КТ) без необходимости в аппаратных ускорителях. Тесты показывают, что для многих рабочих нагрузок ИИ процессоры Xeon Scalable работают лучше, чем системы на базе графических процессоров.

Компании протестировали два подтверждения концепции медицинских изображений . :один на рентгеновских снимках костей для моделирования прогнозирования костного возраста, а другой на компьютерной томографии легких для сегментации легких. Использование Intel Distribution of OpenVINO toolkit и других программных оптимизаций , Philips удалось увеличить скорость в 188 раз для модели прогнозирования костного возраста и в 37 раз для модели сегментации легких по сравнению с исходными измерениями.