Prosesor memenuhi tantangan desain perangkat medis

Perangkat medis mencakup berbagai produk, mulai dari peralatan ultrasound dan perangkat implan hingga pengukur glukosa darah di rumah dan pelacak kebugaran. Setiap aplikasi membutuhkan persyaratan yang berbeda, tetapi semuanya mencari mikroprosesor (MPU) dan mikrokontroler (MCU) yang dapat memberikan kinerja di bidang eksekusi, keandalan, keamanan, penghematan daya, dan konektivitas. Banyak dari peningkatan kinerja yang sama ini dapat digunakan di berbagai aplikasi.

Meningkatnya adopsi elektronik yang dapat dikenakan dan kebutuhan akan elektronik medis yang melacak dan memantau kesehatan pasien didorong oleh populasi yang menua dan kesadaran kesehatan yang meningkat. Ledakan perangkat medis yang terhubung juga mendorong pembuat chip untuk mengatasi risiko keamanan siber di tingkat chip.

Konsumsi daya ultra-rendah sangat penting dalam aplikasi yang perlu mengakses sinyal waktu nyata, seperti suhu, akselerasi, dan kecepatan. Satu tren yang dicatat dalam laporan MarketsandMarkets adalah kebutuhan akan mikrokontroler berdaya sangat rendah dengan periferal analog. Manfaatnya meliputi keandalan yang tinggi, pengurangan kebisingan, latensi rendah, dan penurunan biaya, yang dapat bermanfaat pada perangkat medis atau perawatan kesehatan, seperti pengukur glukosa darah, monitor detak jantung, dan perangkat implan.

Contoh mikrokontroler berdaya rendah dengan analog yang dapat diprogram terintegrasi adalah seri Synergy S1 MCU dari Renesas Electronics Corp. Dirancang untuk menyederhanakan desain dan mengurangi tagihan material (BOM), S1JA MCU Group fitur inti Arm Cortex-M23 48-MHz dan analog yang dapat diprogram dan fungsi keamanan untuk akuisisi dan pengkondisian sinyal sensor akurasi tinggi. MCU ini dapat digunakan dalam berbagai aplikasi sensor Internet of Things (IIoT) industri yang hemat biaya dan berdaya rendah. Ini termasuk monitor medis utama, meter kontrol aliran, sistem multi-sensor, sistem instrumentasi, dan meteran listrik satu fase.

Grup S1JA mencakup lima MCU dengan memori flash 256 KB, memori SRAM 32 KB, dan rentang tegangan pengoperasian yang luas dari 1,6 V hingga 5,5 V. Setiap MCU mengintegrasikan unit bias sensor yang memasok daya akurat ke sensor eksternal, dan kain analog yang sangat dapat dikonfigurasi yang memproses algoritme kompleks untuk memaksimalkan pengkondisian sinyal dan pengukuran analog yang presisi, kata Renesas.

MCU S1JA memungkinkan konfigurasi analog tingkat lanjut, dari fungsi dasar hingga blok analog yang lebih kompleks, memungkinkan perancang untuk menghilangkan beberapa komponen analog eksternal. Komponen analog on-chip termasuk konverter analog-ke-digital 16-bit (ADC), 24-bit sigma-delta ADC, 12-bit respon cepat digital-to-analog converter (DAC), rail-to- -rel penguat operasional offset rendah, dan komparator kecepatan tinggi/daya rendah.

MCU S1JA Renesas memungkinkan konfigurasi analog tingkat lanjut, dari fungsi dasar hingga blok analog yang lebih kompleks. (Gambar:Renesas Electronics)

Daya mikrokontroler yang sangat rendah memperpanjang masa pakai baterai untuk aplikasi portabel dan cadangan baterai yang dioperasikan dengan baterai. Mode siaga perangkat lunak hanya menggunakan 500 nA untuk mengaktifkan aplikasi yang dioperasikan dengan baterai selama 20 tahun yang menghabiskan waktu lama dalam mode tidur.

Selain itu, mikrokontroler dilengkapi dengan fitur keamanan, termasuk akselerator kriptografi AES terintegrasi dan true random number generator (TRNG), dan unit perlindungan memori menyediakan blok dasar untuk mengembangkan sistem aman yang terhubung ke cloud.

Renesas Synergy Software Package (SSP) mendukung S1JA MCU dengan driver HAL, kerangka kerja aplikasi, dan RTOS. SSP juga mencakup enam modul yang menyederhanakan interkoneksi blok analog internal yang dapat dikonfigurasi. Desainer sistem tertanam dapat menggunakan salah satu lingkungan pengembangan Renesas Synergy — studio e² atau Meja Kerja Tertanam IAR — untuk membangun dan menyesuaikan desain mereka.

Renesas juga mengembangkan desain/solusi referensi yang dapat digunakan untuk produk respons kulit galvanik yang dapat dikenakan dan sistem pengukur komposisi tubuh genggam. Pengukuran Galvanic Skin Resistance (GSR) dan Body Composition Monitor (BCM) memberikan informasi biometrik yang dapat digunakan dalam menyimpulkan keadaan emosional dan menghitung massa lemak tubuh.

Perangkat bertenaga baterai ini melakukan pengukuran konduktansi DC dalam mode GSR dan pengukuran impedansi AC presisi tinggi dalam mode BCM sambil mengonsumsi daya rendah. Resolusi dan kecepatan ADC sangat penting untuk akurasi pengukuran GSR-BCM, bersama dengan kompensasi suhu kulit, kata Renesas.

Solusi GSR-BCM memanfaatkan Synergy S1JA MCU untuk fitur analog dan daya rendahnya. Itu juga termasuk Renesas RL78/G1D untuk konektivitas Bluetooth dan ISL9203A untuk pengisian baterai Li-ion.

RL78/G1D adalah MCU 16-bit dengan dukungan Bluetooth hemat energi dan konsumsi arus rendah pada arus transmisi RF 4,3 mA (keluaran 0 dBm) dan arus penerimaan RF 3,5 mA. Elemen sirkuit yang diperlukan untuk koneksi antena sudah terpasang, yang menyederhanakan desain sirkuit dan menurunkan biaya dengan menghilangkan kebutuhan akan komponen eksternal. Tumpukan perangkat lunak mendukung pembaruan perangkat lunak nirkabel.

ISL9203A adalah pengisi daya baterai Li-ion atau Li-polimer sel tunggal terintegrasi yang mampu beroperasi dengan tegangan input serendah 2,4 V. Ia bekerja dengan berbagai jenis adaptor AC.

Untuk desain portabel dan nirkabel, seperti pelacak kebugaran, aplikasi ini memerlukan konsumsi daya yang rendah, keamanan yang ditingkatkan, dan dukungan multi-protokol.

Contoh terbaru adalah Samsung Electronics Exynos i T100 , yang mengintegrasikan prosesor dan memori dalam satu chip dan mendukung protokol Bluetooth 5 Low Energy, Zigbee 3.0, dan Thread. Untuk fungsionalitas konektivitas nirkabel yang ditingkatkan, chip ini menawarkan mode konkuren multi-radio yang mendukung dua protokol berbeda secara bersamaan. Jadi, dapat mendukung Bluetooth dan Zigbee atau Bluetooth dan Thread secara bersamaan.

Dirancang untuk meningkatkan keamanan dan keandalan perangkat untuk komunikasi jarak pendek, seperti perangkat kebugaran, pencahayaan cerdas, serta keamanan dan pemantauan rumah, chip ini menawarkan fitur keamanan yang melindungi dari potensi peretasan dan ancaman lainnya. Solusi ini menyediakan blok perangkat keras subsistem keamanan (SSS) terpisah untuk enkripsi data dan fungsi fisik yang tidak dapat dikloning (PUF) yang menciptakan identitas unik untuk setiap chipset.

Exynos i T100 terdiri dari Arm Cortex-M4F yang berjalan pada kecepatan clock hingga 100-MHz dan memori kepadatan tinggi termasuk memori flash 1,2 MB dan SRAM yang menyediakan 192 KB dan 24 KB. Selain itu, alat ini dapat beroperasi pada suhu ekstrem serendah -40 °C dan hingga 125°C.

Samsung juga menawarkan solusi referensi untuk pengembangan yang lebih cepat. Papan referensi mendukung antarmuka Shields yang dapat dipasang di atas papan Arduino untuk menguji dan mengontrol sensor. Ini juga menyediakan sistem operasi dan API yang disematkan untuk protokol konektivitas untuk mengembangkan aplikasi khusus.

Dirancang untuk aplikasi kesehatan dan kebugaran berkinerja tinggi, rumah pintar, industri, dan konsumen, STM32MP1 STMicroelectronics seri mikroprosesor multi-inti dengan distribusi Linux memperluas portofolio mikrokontroler STM32 dengan peningkatan kinerja, sumber daya, dan perangkat lunak sumber terbuka. STM32MP1 dengan dukungan komputasi dan grafis menawarkan kontrol real-time yang hemat daya, dan integrasi fitur tinggi.

Seri STM32MP1 memungkinkan desainer untuk mengembangkan rangkaian aplikasi baru menggunakan arsitektur heterogen STM32 yang menggabungkan inti Arm Cortex-A dan Cortex-M. Arsitektur ini memberikan pemrosesan cepat dan tugas waktu nyata dalam satu chip, sekaligus memberikan efisiensi daya yang tinggi.

STMicroelectronics' STM32MP1 memberikan peningkatan kinerja, sumber daya, dan perangkat lunak sumber terbuka. (Gambar:STMicroelectronics)

ST mengutip contoh penghematan dayanya. Dengan menghentikan eksekusi Cortex-A7 dan hanya menjalankan dari Cortex-M4 yang lebih efisien, daya biasanya dapat dikurangi hingga 25%. Pergeseran dari mode ini ke standby lebih lanjut memotong daya sebesar 2,5 ribu kali sambil mendukung dimulainya kembali eksekusi Linux dalam 1 hingga 3 detik, tergantung pada aplikasinya.

STM32MP1 menyematkan unit prosesor grafis (GPU) 3D untuk tampilan antarmuka manusia-mesin (HMI). Mendukung berbagai memori eksternal DDR SDRAM dan flash. Itu juga menyematkan satu set besar periferal yang dapat dialokasikan untuk aktivitas Cortex-A/Linux atau Cortex-M/real-time. Seri STM32MP1 tersedia dalam berbagai paket BGA.

ST menawarkan dua papan evaluasi (STM32MP157A-EV1 dan STM32MP157C-EV1 ) dan dua kit Discovery (STM32MP157A-DK1 dan STM32MP157C-DK2 ).

Selain itu, tersedia tiga paket pengembang, bergantung pada kebutuhan desainer:

• Paket Pemula (STM32MP1Pemula) untuk memulai dengan cepat dengan perangkat mikroprosesor STM32MP1
• Paket Pengembang (STM32MP1Dev) untuk menambahkan pengembangan sendiri di atas distribusi perangkat lunak tertanam STM32MP1
• Paket Distribusi (STM32MP1Distrib) untuk membuat paket pemula atau pengembang distribusi Linux sendiri

Data besar

Memindahkan dan menganalisis sejumlah besar data merupakan tantangan besar di banyak pasar akhir. Segmen ini mencakup pencitraan medis, perangkat medis, elektronik konsumen nirkabel, dan otomatisasi pabrik dan gedung. Berbagi lebih banyak data memerlukan keamanan yang lebih tinggi, interoperabilitas yang lebih baik, pemrosesan yang lebih cepat, serta komunikasi yang konsisten dan berkualitas lebih tinggi.

Texas Instruments Inc. (TI) memperkenalkan dua perangkat awal tahun ini menggunakan teknologi gelombang akustik massal (BAW) dirancang untuk digunakan dalam aplikasi dengan transmisi data tinggi, seperti peralatan medis yang terhubung. Perangkat baru ini adalah MCU nirkabel SimpleLink CC2652RB dan jam sinkronisasi jaringan LMK05318 untuk pengiriman data berkinerja tinggi.

Teknologi BAW mengintegrasikan resonator clocking referensi untuk memberikan frekuensi tertinggi dalam tapak kecil, yang meningkatkan kinerja dan meningkatkan ketahanan terhadap tekanan mekanis, seperti getaran dan guncangan. Hal ini menghasilkan transmisi data yang stabil dan berkelanjutan, memberikan sinkronisasi data yang lebih tepat dari sinyal kabel dan nirkabel, sehingga data dapat diproses dengan cepat untuk efisiensi yang lebih tinggi.

Menggabungkan sistem RF lengkap dan konverter DC/DC on-chip, CC2652RB disebut-sebut sebagai MCU nirkabel tanpa kristal pertama di industri. Ini mengintegrasikan resonator BAW dalam paket QFN dan menghilangkan kebutuhan akan kristal 48-MHz eksternal berkecepatan tinggi. Integrasi yang lebih tinggi juga memberikan penghematan 10% hingga 15% dalam ruang papan sirkuit cetak (PCB).

Perangkat CC2652RB memberikan masa pakai baterai yang sangat baik dan memungkinkan pengoperasian pada baterai sel berbentuk koin kecil dan dalam aplikasi pemanenan energi berkat arus RF dan MCU aktif yang sangat rendah, selain arus tidur sub-µA dengan perlindungan paritas hingga 80 KB Retensi RAM.

Perangkat CC2652RB menggabungkan transceiver RF berdaya sangat rendah dengan CPU Arm Cortex-M4F 48-MHz dalam platform yang mendukung banyak lapisan fisik dan standar RF. Kontroler radio khusus (Arm Cortex-M0) menangani perintah protokol RF tingkat rendah yang disimpan dalam ROM atau RAM untuk daya sangat rendah dan fleksibilitas yang lebih besar. Pengontrol sensor, dengan mode bangun cepat dan mode 2-MHz berdaya sangat rendah, dirancang untuk pengambilan sampel, buffering, dan pemrosesan data sensor analog dan digital, kata TI, yang memaksimalkan waktu tidur dan mengurangi daya aktif dalam sistem MCU .

Selain itu, chip ini mengklaim sebagai perangkat multi-standar berdaya terendah yang mendukung Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy, dan solusi konektivitas 2,4 GHz eksklusif pada satu chip. Ini beroperasi pada rentang suhu -40 ° C hingga 85 ° C, tidak seperti banyak solusi berbasis kristal yang saat ini ada di pasaran. Kit pengembangan TI LaunchPad CC2652B SimpleLink MCU tersedia.

Pembuat chip seperti Intel Corp. juga melihat kecerdasan buatan (AI) bergerak ke aplikasi pencitraan medis dan area lain, termasuk perawatan dan diagnosis akut dan kritis, yang membutuhkan banyak kekuatan pemrosesan. Pada suatu waktu, satu-satunya solusi perangkat keras nyata untuk pembelajaran mendalam adalah GPU.

Saat ini, Intel menawarkan prosesor Xeon Scalable (diperkenalkan pada tahun 2017), yang dapat menangani beban kerja hibrid yang kompleks, termasuk model intensif memori yang biasanya ditemukan dalam pencitraan medis.

Intel bekerja dengan Philips untuk menunjukkan bahwa server yang menggunakan prosesor Intel Xeon Scalable dapat melakukan inferensi pembelajaran mendalam untuk x-ray dan pemindaian computed tomography (CT) tanpa memerlukan akselerator perangkat keras. Pengujian menunjukkan bahwa untuk banyak beban kerja AI, prosesor Xeon Scalable berkinerja lebih baik daripada sistem berbasis GPU.

Perusahaan menguji dua konsep bukti pencitraan perawatan kesehatan :satu pada rontgen tulang untuk pemodelan prediksi usia tulang dan yang lainnya pada CT scan paru-paru untuk segmentasi paru. Menggunakan Distribusi Intel dari toolkit OpenVINO dan pengoptimalan perangkat lunak lainnya , Philips mampu meningkatkan kecepatan sebesar 188x dalam gambar per detik untuk model prediksi usia tulang dan 37x untuk model segmentasi paru-paru dibandingkan pengukuran dasar.