روبرویی پردازنده ها با چالش طراحی دستگاه های پزشکی

دستگاه های پزشکی شامل محصولاتی از تجهیزات سونوگرافی و دستگاه های قابل کاشت گرفته تا دستگاه های اندازه گیری قند خون خانگی و ردیاب های تناسب اندام میشوند . هر برنامه ای نیازهای متفاوتی دارد ، اما همه آنها به دنبال ریزپردازنده (MPU) و میکروکنترلری  (MCU) هستند که بتواند عملکرد مناسبی در زمینه های اجرا ، قابلیت اطمینان ، امنیت ، صرفه جویی در مصرف برق و اتصالات را ارائه دهد .

استفاده از وسایل الکترونیکی پوشیدنی و نیاز به وسایل الکترونیکی پزشکی که سلامت بیمار را ردیابی و کنترل می کنند بدلیل سالخوردگی جمعیت و افزایش آگاهی از سلامت در حال افزایش است . انفجار در دستگاه های پزشکی متصل نیز باعث می شود تولیدکنندگان تراشه به مقابله با خطرات امنیت سایبری در سطح تراشه بپردازند.

مصرف توان بسیار کم در برنامه هایی که نیاز به دسترسی به سیگنال های Real-time دارند ، مانند دما ، شتاب و سرعت ، از اهمیت ویژه ای برخوردار است . یک روند که در گزارش MarketsandMarkets ذکر شده ، نیاز به میکروکنترلرهای با مصرف توان بسیار پایین همراه وسایل جانبی آنالوگ است . مزایای آن شامل قابلیت اطمینان بالا ، کاهش نویز ، تأخیر کم و کاهش هزینه ها است که در دستگاه های پزشکی یا مراقبت های سلامتی مانند دستگاه های اندازه گیری قند خون ، دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب و دستگاه های قابل کاشت مزیت محسوب شود .

نمونه ای از میکروکنترلر با مصرف توان پایین با آنالوگ قابل برنامه ریزی یکپارچه سری های Synergy S1 MCU  از شرکت Renesas Electronics است که برای ساده سازی طراحی و کاهش (BOM)  طراحی شده است و S1JA MCU Group دارای هسته ۴۸ مگاهرتزی Arm Cortex-M23  ، توابع امنیتی و آنالوگ قابل برنامه ریزی برای دستیابی به سیگنال دقیق سنسور میباشد . از این MCU ها می توان در برنامه های مختلفی همچون برنامه های سنسور اینترنت اشیا صنعتی کم مصرف و حساس به هزینه استفاده کرد . اینها شامل مانیتورهای پزشکی ، کنتورهای کنترل جریان ، سیستم های چند سنسور ، سیستم های ابزار دقیق و کنتورهای برق تک فاز است .

گروه S1JA شامل پنج MCU با حافظه فلش ۲۵۶ KB ، حافظه SRAM 32 KB و دامنه ولتاژ عملیاتی ۱.۶ تا ۵.۵ ولت میشود.  هر MCU دارای یک واحد بایاس سنسور است که توان دقیق تغذیه برای سنسور خارجی را تأمین می کند و یک آنالوگ قابل تنظیم دارد که الگوریتم های پیچیده را برای به حداکثر رساندن سیگنال و اندازه گیری دقیق آنالوگ پردازش می کند .

S1JA MCU  پیکربندی های پیشرفته آنالوگ را از توابع اساسی گرفته تا بلوک های آنالوگ پیچیده تر فراهم می کند و به طراحان این امکان را می دهد تا چندین آنالوگ خارجی را حذف کنند . قطعات آنالوگ on-chip شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ۱۶ بیتی ، ADC سیگما-دلتا ۲۴ بیتی ، مبدل دیجیتال به آنالوگ ۱۲ بیتی پاسخ سریع ، تقویت کننده های عملیاتی افست پایین ریل به ریل و مقایسه کننده های سرعت بالا / کم مصرف .

میکروکنترلرهای کم مصرف باعث افزایش عمر باتری برای برنامه های قابل حمل و پشتیبانی باتری می شوند . حالت آماده به کار نرم افزار فقط ۵۰۰ nA توان مصرف می کند که این باعث میشود برنامه های تحت باتری که در حالت sleep بوده اند بعد از گذشت سالیان توانایی عملیاتی شدن داشته باشند .

علاوه بر این ، میکروکنترلرها دارای ویژگی های امنیتی ، از جمله شتاب دهنده رمزنگاری AES یکپارچه و تولید اعداد تصادفی واقعی (TRNG) هستند و واحدهای حفاظت حافظه بلوک های اساسی را برای توسعه یک سیستم ایمن که به Cloud متصل میشود فراهم می کنند .

بسته نرم افزاری SSP از S1JA MCU با درایورهای HAL ، چارچوب های برنامه و RTOS پشتیبانی می کند . SSP همچنین شامل شش ماژول است که اتصال بلوک های آنالوگ داخلی قابل تنظیم را ساده می کند . طراحان سیستم های تعبیه شده می توانند برای ساخت و شخصی سازی طرح های خود از هر یک از محیط های توسعه Renesas Synergy – e² studio یا IAR Embedded Workbench استفاده کنند .

Renesas همچنین یک طرح / راه حل مرجع را توسعه داده که می تواند برای محصولات پوششی پوست گالوانیک پوشیدنی و سیستم های اندازه گیری وضعیت بدن استفاده شود . اندازه گیری های مقاومت به پوست گالوانیک و مانیتور وضعیت بدن اطلاعات بیومتریکی در اختیار قرار میدهند که می توانند در شناخت حالت عاطفی و محاسبه مقدار چربی بدن استفاده شوند .

این دستگاه مجهز به باتری ، رسانایی DC را در حالت GSR اندازه گیری میکند و در حالت BCM امپدانس AC با دقت بالا را با توان مصرفی کم اندازه گیری میکند . رزولوشن و سرعت ADC برای دقت اندازه گیری GSR-BCM همراه با جبران درجه حرارت پوست بسیار مهم است.

راه حل GSR-BCM از Synergy S1JA MCU برای قابلیت های آنالوگ و مصرف توان کم استفاده می کند و همچنین دارای RL78 / G1D برای اتصال بلوتوث و ISL9203A برای شارژ باتری لیتیوم است.

RL78 / G1D یک MCU 16 بیتی با پشتیبانی از بلوتوث کم انرژی و مصرف جریان کم در جریان انتقال RF 4.3 میلی آمپر ( خروجی   ۰ dBm) و جریان دریافت RF 3.5 mA است. عناصر مدار مورد نیاز برای اتصال آنتن داخلی تعبیه شده است که با ساده سازی طراحی مدار و کاهش نیاز به قطعات خارجی ، هزینه را کاهش داده است . استک نرم افزار از به روزرسانی های نرم افزار بی سیم پشتیبانی می کند .

ISL9203A یک شارژر باتری لیتیوم یون یا لیتیوم پلیمر تک سلولی یکپارچه است که قادر به کار با ولتاژ ورودی ۲.۴ ولت است و با انواع مختلف آداپتورهای AC کار می کند .

برای طراحی های قابل حمل و بی سیم ، مانند ردیاب های تناسب اندام ، این برنامه ها به مصرف انرژی کم ، امنیت بیشتر و پشتیبانی از چند پروتکل نیاز دارند.

به عنوان مثال ، Exynos i T100 از شرکت سامسونگ الکترونیک ، پردازنده و حافظه را در یک تراشه ادغام کرده و از پروتکل های بلوتوث ۵ کم انرژی ، Zigbee 3.0 و Thread پشتیبانی می کند . برای افزایش قابلیت اتصال بی سیم ، تراشه یک حالت همزمان چند رادیویی را ارائه داده که به طور همزمان از دو پروتکل مختلف پشتیبانی می کند . بنابراین ، می تواند همزمان از بلوتوث و Zigbee یا بلوتوث و Thread پشتیبانی کند .

این تراشه که به منظور افزایش امنیت و قابلیت اطمینان دستگاهها برای ارتباطات کوتاه برد مانند پوشیدنی های تناسب اندام ، روشنایی هوشمند و امنیت و نظارت بر منزل طراحی شده است که دارای ویژگی های امنیتی در برابر هک های احتمالی است . این راه حل یک بلوک سخت افزاری زیر سیستم امنیتی جداگانه (SSS) برای رمزگذاری داده ها و یک عملکرد غیرقابل حذف فیزیکی (PUF) فراهم می کند که برای هر چیپست یک هویت منحصر به فرد ایجاد می کند .

Exynos i T100 از یک Arm Cortex-M4F تشکیل شده است که با سرعت کلاک ۱۰۰ مگاهرتز و حافظه فلش ۱.۲ مگابایتی و SRAM 192 کیلوبایت و ۲۴ کیلوبایت کار می کند . بعلاوه می تواند از دمای ۴۰- تا ۱۲۵ درجه سانتیگراد کار کند.

سامسونگ همچنین یک راه حل مرجع برای توسعه سریعتر پیشنهاد می دهد . برد مرجع از رابط Shields پشتیبانی می کند که می تواند در بالای برد آردوینو برای آزمایش و کنترل سنسورها متصل شود . همچنین سیستم عامل و API های تعبیه شده را برای پروتکل های اتصال بمنظور توسعه برنامه های سفارشی فراهم می کند .

سری ریزپردازنده های چند هسته ای STM32MP1 STMicroelectronics با توزیع لینوکس برای سلامتی ، خانه هوشمند ، برنامه های کاربردی خانگی و صنعتی طراحی شده اند و نمونه کارهای میکروکنترلر STM32 را با عملکرد ، منابع و نرم افزار منبع باز افزایش داده است . STM32MP1 با پشتیبانی محاسباتی و گرافیکی قابلیت کنترل بهینه ، Real time و یکپارچه سازی را فراهم میکند .

سری STM32MP1 طراحان را قادر می سازد برنامه های جدید را با استفاده از معماری ناهمگن STM32 که هسته های Arm Cortex-A و Cortex-M را با هم ترکیب می کند ، توسعه دهند . این معماری پردازش سریع  و انجام وظایف بصورت Real time را بر روی یک تراشه ارائه و باعث مصرف بهینه میشود .

با متوقف کردن اجرای Cortex-A7 و اجرای فقط Cortex-M4 ، میتوان توان مصرفی را ۲۵٪ کاهش داد . تغییر از این حالت به حالت آماده به کار در صورت پشتیبانی از شروع مجدد اجرای Linux در ۱ تا ۳ ثانیه ، میتواند ۲۵۰۰ برابر مصرف توان را کاهش دهد .

STM32MP1 یک واحد پردازنده گرافیکی سه بعدی (GPU) را برای نمایشگرهای رابط انسان و ماشین (HMI) تعبیه کرده است . این مجموعه از حافظه های SDRAM ،DDR خارجی و حافظه های فلش پشتیبانی می کند . همچنین مجموعه وسیعی از وسایل جانبی را در خود جای داده است که می تواند به فعالیتهای Cortex-A / Linux یا Cortex-M / بصورت Real time اختصاص یابد . سری STM32MP1 در پکیج های BGA موجود است .

ST دو برد ارزیابی ( STM32MP157A-EV1 و STM32MP157C-EV1 ) و دو کیت Discovery  (STM32MP157A-DK1 and STM32MP157C-DK2) ارائه کرده است .

علاوه بر این ، بسته به نیاز طراح ، سه پکیج توسعه دهنده در دسترس است :

Starter Package (STM32MP1Starter)  برای شروع سریع با هر دستگاه ریز پردازنده STM32MP1

Developer Package (STM32MP1Dev) برای اضافه کردن توسعه خود در بالای توزیع نرم افزار تعبیه شده STM32MP1

Distribution Package (STM32MP1Distrib)  برای ایجاد پکیج های استارتر یا توسعه دهنده توزیع Linux

اطلاعات با حجم بالا

انتقال و تجزیه و تحلیل مقدار زیادی از داده ها یک چالش بزرگ در بسیاری از بازارهای نهایی است . این بخشها شامل تصویربرداری پزشکی ، دستگاه های پزشکی ، وسایل الکترونیک بی سیم و اتوماسیون کارخانه و ساختمان است . اشتراک اطلاعات بیشتر به امنیت بالاتر ، قابلیت همکاری بهتر ، پردازش سریعتر و ارتباطات سازگار و با کیفیت بالاتر نیاز دارد .

Texas Instruments Inc در اوایل سال جاری میلادی با استفاده از فناوری موج صوتی انبوه خود ، دو دستگاه را برای استفاده در برنامه هایی با انتقال داده زیاد ، مانند تجهیزات پزشکی متصل ، معرفی کرد . این دستگاه های جدید عبارتند از : MCU بی سیم SimpleLink CC2652RB و کلاک هماهنگ کننده شبکه LMK05318 برای تحویل داده با کارایی بالا .

با استفاده از یک سیستم RF کامل و مبدل DC / DC روی تراشه ، CC2652RB به عنوان اولین MCU بی سیم بدون کریستال در صنعت شناخته می شود . CC2652RB یک تشدید کننده BAW را در پکیج QFN ادغام می کند و نیاز به کریستال با سرعت بالای ۴۸ مگاهرتز را از بین می برد . همچنین یکپارچگی بالاتر موجب صرفه جویی ۱۰ تا ۱۵ درصدی در فضای برد مدار چاپی (PCB) می شود .

دستگاه CC2652RB عمر باتری خوبی را فراهم می کند و بدلیل جریان RF و MCU بسیار کم به علاوه جریان خواب زیر میکرو آمپر با ۸۰ کیلو بایت رم ، امکان فعالیت با باتری های کوچک سکه ای را دارد .

دستگاه CC2652RB ترکیبی از گیرنده RF بسیار کم مصرف با پردازنده مرکزی ۴۸ مگاهرتزی Arm Cortex-M4F در یک پلتفرم پشتیبانی می کند که از چندین لایه فیزیکی و استانداردهای RF تشکیل شده است . یک رادیو کنترلر اختصاصی (Arm Cortex-M0) از دستورات پروتکل RF سطح پایین که در ROM یا RAM ذخیره می شوند برای توان مصرفی بسیار کم و انعطاف پذیری بالاتر استفاده می کند . TI گفته : این کنترل کننده سنسور ، با بیدار کردن سریع و حالت ۲ مگاهرتز فوق العاده کم مصرف ، برای نمونه برداری ، بافر کردن و پردازش داده های دیتای سنسورهای آنالوگ و دیجیتال طراحی شده است که باعث افزایش زمان خواب و کاهش توان مصرفی در سیستم MCU می شود .

بیشتر بدانید : انرژی‌ رسانی قابل اعتماد به دستگاه‌های پزشکی مبتنی بر باتری

این تراشه مدعی استفاده از کمترین توان ، چند استاندارد دستگاه پشتیبانی از  Zigbee ، Thread ، بلوتوث کم انرژی و راه حل های اتصال ۲.۴ گیگاهرتز روی یک تراشه است . برخلاف بسیاری از راه حل های مبتنی بر کریستال که در بازار وجود دارد ، در محدوده دماهای بالاتر از ۴۰- تا ۸۵ درجه سانتیگراد نیز کار می کند . کیت توسعه CC2652B SimpleLink MCU-based TI LaunchPad موجود است .

سازندگان تراشه مانند اینتل هوش مصنوعی را در حال حرکت به سمت برنامه های تصویربرداری پزشکی و سایر زمینه ها ، از جمله مراقبت های حاد و حیاتی و تشخیص ، که نیاز به قدرت پردازش زیادی دارند ، می ببیند . در یک زمان ، تنها راه حل های سخت افزاری واقعی برای یادگیری عمیق ، GPU ها بودند.

اینتل پردازنده های Xeon Scalable ( معرفی شده در سال ۲۰۱۷ ) را ارائه کرد ، که می تواند بارهای پیچیده ترکیبی ، از جمله مدل های فشرده حافظه که به طور معمول در تصویربرداری پزشکی وجود دارد ، تحمل کند .

اینتل با فیلیپس کار کرد تا نشان دهد سرورهایی که از پردازنده های Xeon Scalable  اینتل استفاده می کنند می توانند نتیجه گیری از یادگیری عمیق را برای اشعه ایکس و اسکن توموگرافی کامپیوتری بدون نیاز به شتاب دهنده های سخت افزاری انجام دهند . آزمایش ها نشان می دهد که برای بسیاری از بارهای هوش مصنوعی پردازنده های Xeon Scalable عملکرد بهتری نسبت به سیستم های مبتنی بر GPU دارند .

این شرکت ها دو نمونه تصویربرداری از مفاهیم سلامت را آزمایش کردند : یکی در اشعه ایکس استخوان برای مدل سازی سن استخوان و دیگری در CT اسکن ریه ها برای تقسیم بندی ریه . با استفاده از توزیع Intel OpenVINO و سایر بهینه سازی های نرم افزاری ، فیلیپس توانست برای مدل پیش بینی سن استخوان سرعت را ۱۸۸ برابر برای تصاویر در ثانیه و ۳۷ برابر برای مدل تقسیم ریه بهبود بخشد .