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Les processeurs relèvent les défis de la conception des dispositifs médicaux

Les dispositifs médicaux englobent une gamme de produits, allant des équipements à ultrasons et des dispositifs implantables aux lecteurs de glycémie à domicile et aux trackers de fitness. Chaque application requiert des exigences différentes, mais elles recherchent toutes des microprocesseurs (MPU) et des microcontrôleurs (MCU) capables de fournir des performances dans les domaines de l'exécution, de la fiabilité, de la sécurité, des économies d'énergie et de la connectivité. Bon nombre de ces mêmes améliorations de performances peuvent être utilisées dans diverses applications.

L'adoption croissante de l'électronique portable et le besoin d'électronique médicale qui suivent et surveillent la santé d'un patient sont motivés par une population vieillissante et une sensibilisation croissante à la santé. L'explosion des dispositifs médicaux connectés pousse également les fabricants de puces à gérer les risques de cybersécurité au niveau des puces.

La consommation d'énergie ultra-faible est particulièrement importante dans les applications qui doivent accéder à des signaux en temps réel, tels que la température, l'accélération et la vitesse. Une tendance relevée dans un rapport MarketsandMarkets est le besoin de microcontrôleurs ultra-basse consommation avec des périphériques analogiques. Les avantages incluent une fiabilité élevée, une réduction du bruit, une faible latence et des coûts réduits, ce qui peut être avantageux pour les appareils médicaux ou de soins de santé, tels que les lecteurs de glycémie, les moniteurs de fréquence cardiaque et les dispositifs implantables.

Un exemple de microcontrôleur basse consommation avec analogique programmable intégré est la série Synergy S1 MCU de Renesas Electronics Corp. Conçu pour simplifier la conception et réduire la nomenclature (BOM), le S1JA MCU Group dispose d'un noyau Arm Cortex-M23 de 48 MHz et de fonctions analogiques et de sécurité programmables pour l'acquisition et le conditionnement de signaux de capteur de haute précision. Ces microcontrôleurs peuvent être utilisés dans une gamme d'applications de capteurs industriels de l'Internet des objets (IIoT) sensibles aux coûts et à faible consommation. Il s'agit notamment des principaux moniteurs médicaux, des débitmètres, des systèmes multi-capteurs, des systèmes d'instrumentation et des compteurs d'électricité monophasés.

Le groupe S1JA comprend cinq MCU avec une mémoire flash de 256 Ko, une mémoire SRAM de 32 Ko et une large plage de tensions de fonctionnement de 1,6 V à 5,5 V. Chaque MCU intègre une unité de polarisation de capteur qui fournit une alimentation précise au capteur externe, et une structure analogique hautement configurable qui traite des algorithmes complexes pour maximiser le conditionnement du signal et des mesures analogiques précises, a déclaré Renesas.

Les microcontrôleurs S1JA permettent des configurations analogiques avancées, des fonctions de base aux blocs analogiques plus complexes, permettant aux concepteurs d'éliminer plusieurs composants analogiques externes. Les composants analogiques sur puce comprennent un convertisseur analogique-numérique (ADC) 16 bits haute précision, un ADC sigma-delta 24 bits, un convertisseur numérique-analogique (DAC) 12 bits à réponse rapide, rail-to- -rails amplificateurs opérationnels à faible décalage et comparateurs haute vitesse/basse puissance.


Les microcontrôleurs S1JA de Renesas permettent des configurations analogiques avancées, des fonctions de base aux blocs analogiques plus complexes. (Image :Renesas Electronics)

La puissance ultra-faible des microcontrôleurs prolonge la durée de vie de la batterie pour les applications portables et de secours sur batterie. Le mode veille du logiciel ne consomme que 500 nA pour permettre des applications fonctionnant sur batterie pendant 20 ans qui passent de longues périodes en mode veille.

En outre, les microcontrôleurs sont dotés de fonctionnalités de sécurité, notamment un accélérateur de cryptographie AES intégré et un véritable générateur de nombres aléatoires (TRNG), et des unités de protection de la mémoire fournissent les blocs fondamentaux pour développer un système sécurisé qui se connecte au cloud.

Le Renesas Synergy Software Package (SSP) prend en charge les MCU S1JA avec les pilotes HAL, les frameworks d'application et le RTOS. Le SSP comprend également six modules qui simplifient l'interconnexion des blocs analogiques internes configurables. Les concepteurs de systèmes embarqués peuvent utiliser l'un des environnements de développement Renesas Synergy — e² studio ou IAR Embedded Workbench — pour créer et personnaliser leurs conceptions.

Renesas a également développé une conception/solution de référence qui peut être utilisé pour les produits de réponse cutanée galvanique portables et les systèmes de mesure de composition corporelle portables. Les mesures de la résistance galvanique de la peau (GSR) et du moniteur de composition corporelle (BCM) fournissent des informations biométriques qui peuvent être utilisées pour déduire l'état émotionnel et calculer la masse grasse corporelle, respectivement.

Cet appareil alimenté par batterie prend des mesures de conductance CC en mode GSR et des mesures d'impédance CA de haute précision en mode BCM tout en consommant peu d'énergie. La résolution et la vitesse des CAN sont essentielles à la précision des mesures GSR-BCM, ainsi qu'à la compensation de la température de la peau, a déclaré Renesas.

La solution GSR-BCM exploite le MCU Synergy S1JA pour ses fonctionnalités analogiques et basse consommation. Il comprend également le Renesas RL78/G1D pour la connectivité Bluetooth et le ISL9203A pour le chargement de la batterie Li-ion.

Le RL78/G1D est un microcontrôleur 16 bits avec prise en charge Bluetooth à faible consommation d'énergie et faible consommation de courant à un courant de transmission RF de 4,3 mA (sortie 0 dBm) et un courant de réception RF de 3,5 mA. Les éléments de circuit nécessaires à la connexion de l'antenne sont intégrés, ce qui simplifie la conception du circuit et réduit les coûts en éliminant le besoin de pièces externes. La pile logicielle prend en charge les mises à jour logicielles sans fil.

L'ISL9203A est un chargeur de batterie Li-ion ou Li-polymère à cellule unique intégré capable de fonctionner avec une tension d'entrée aussi basse que 2,4 V. Il fonctionne avec différents types d'adaptateurs secteur.

Pour les conceptions portables et sans fil, telles que les trackers de fitness, ces applications nécessitent une faible consommation d'énergie, une sécurité renforcée et une prise en charge multiprotocole.

Un exemple récent est l'Exynos i T100 de Samsung Electronics. , qui intègre un processeur et une mémoire dans une seule puce et prend en charge les protocoles Bluetooth 5 Low Energy, Zigbee 3.0 et Thread. Pour une fonctionnalité de connectivité sans fil améliorée, la puce offre un mode simultané multi-radio qui prend en charge deux protocoles différents simultanément. Ainsi, il peut prendre en charge Bluetooth et Zigbee ou Bluetooth et Thread en même temps.

Conçue pour améliorer la sécurité et la fiabilité des appareils pour les communications à courte portée, tels que les appareils portables de fitness, l'éclairage intelligent, la sécurité et la surveillance à domicile, la puce offre des fonctionnalités de sécurité qui protègent contre le piratage potentiel et d'autres menaces. La solution fournit un bloc matériel de sous-système de sécurité (SSS) distinct pour le cryptage des données et une fonction physique non clonable (PUF) qui crée une identité unique pour chaque chipset.

L'Exynos i T100 se compose d'un Arm Cortex-M4F qui fonctionne à une vitesse d'horloge jusqu'à 100 MHz et d'une mémoire haute densité comprenant une mémoire flash de 1,2 Mo et une SRAM qui fournit 192 Ko et 24 Ko. De plus, il peut fonctionner à des températures extrêmes aussi basses que -40°C et jusqu'à 125°C.

Samsung propose également une solution de référence pour un développement plus rapide. La carte de référence prend en charge l'interface Shields qui peut être branchée sur une carte Arduino pour tester et contrôler les capteurs. Il fournit également un système d'exploitation et des API intégrées pour les protocoles de connectivité permettant de développer des applications personnalisées.

Conçu pour les applications hautes performances de santé et de bien-être, de maison intelligente, industrielles et grand public, le STM32MP1 de STMicroelectronics La série de microprocesseurs multicœurs avec distribution Linux étend le portefeuille de microcontrôleurs STM32 avec des performances, des ressources et des logiciels open source améliorés. Le STM32MP1 avec prise en charge du calcul et des graphiques offre un contrôle en temps réel économe en énergie et une intégration élevée de fonctionnalités.

La série STM32MP1 permet aux concepteurs de développer une nouvelle gamme d'applications utilisant l'architecture hétérogène STM32 qui combine les cœurs Arm Cortex-A et Cortex-M. Cette architecture offre un traitement rapide et des tâches en temps réel sur une seule puce, tout en offrant une efficacité énergétique élevée.


Le STM32MP1 de STMicroelectronics offre des performances, des ressources et des logiciels open source améliorés. (Image :STMicroelectronics)

ST cite des exemples de ses économies d'énergie. En arrêtant l'exécution du Cortex-A7 et en l'exécutant uniquement à partir du Cortex-M4 plus efficace, la puissance peut généralement être réduite de 25 %. Le passage de ce mode au mode veille réduit encore l'alimentation de 2,5 k fois tout en prenant en charge la reprise de l'exécution de Linux en 1 à 3 secondes, selon l'application.

Le STM32MP1 intègre un processeur graphique 3D (GPU) pour les écrans d'interface homme-machine (IHM). Il prend en charge une gamme de mémoires DDR SDRAM et flash externes. Il intègre également un large ensemble de périphériques pouvant être alloués aux activités Cortex-A/Linux ou Cortex-M/temps réel. La série STM32MP1 est disponible dans une gamme de packages BGA.

ST propose deux cartes d'évaluation (STM32MP157A-EV1 et STM32MP157C-EV1 ) et deux kits de découverte (STM32MP157A-DK1 et STM32MP157C-DK2 ).

De plus, trois packages de développeur sont disponibles, en fonction des besoins du concepteur :

Big data

Déplacer et analyser des quantités massives de données est un défi de taille sur de nombreux marchés finaux. Ces segments comprennent l'imagerie médicale, les dispositifs médicaux, l'électronique grand public sans fil et l'automatisation des usines et des bâtiments. Le partage de plus de données nécessite une sécurité accrue, une meilleure interopérabilité, un traitement plus rapide et des communications cohérentes et de meilleure qualité.

Texas Instruments Inc. (TI) a introduit deux appareils plus tôt cette année utilisant sa technologie d'ondes acoustiques en vrac (BAW) conçu pour être utilisé dans des applications à haute transmission de données, telles que les équipements médicaux connectés. Ces nouveaux appareils sont le MCU sans fil SimpleLink CC2652RB et l'horloge de synchronisation de réseau LMK05318 pour une livraison de données haute performance.

La technologie BAW intègre des résonateurs d'horloge de référence pour fournir la fréquence la plus élevée dans un faible encombrement, ce qui améliore les performances et augmente la résistance aux contraintes mécaniques, telles que les vibrations et les chocs. Cela se traduit par une transmission de données stable et continue, offrant une synchronisation plus précise des données des signaux filaires et sans fil, de sorte que les données peuvent être traitées rapidement pour une plus grande efficacité.

Intégrant un système RF complet et un convertisseur DC/DC sur puce, le CC2652RB est présenté comme le premier MCU sans fil sans cristal de l'industrie. Il intègre un résonateur BAW dans le boîtier QFN et élimine le besoin d'un cristal externe à grande vitesse de 48 MHz. L'intégration plus élevée permet également une économie de 10 à 15 % sur l'espace des cartes de circuits imprimés (PCB).

Le dispositif CC2652RB offre une excellente autonomie de batterie et permet un fonctionnement sur de petites piles boutons et dans des applications de récupération d'énergie grâce à son très faible courant RF et MCU actif, en plus d'un courant de veille inférieur au µA avec jusqu'à 80 Ko de protection par parité Rétention de RAM.

Le dispositif CC2652RB combine un émetteur-récepteur RF à très faible puissance avec un processeur Arm Cortex-M4F à 48 MHz dans une plate-forme prenant en charge plusieurs couches physiques et normes RF. Un contrôleur radio dédié (Arm Cortex-M0) gère les commandes de protocole RF de bas niveau qui sont stockées dans la ROM ou la RAM pour une consommation ultra-faible et une plus grande flexibilité. Le contrôleur de capteur, avec son réveil rapide et son mode 2 MHz ultra basse consommation, est conçu pour l'échantillonnage, la mise en mémoire tampon et le traitement des données de capteur analogiques et numériques, a déclaré TI, ce qui maximise le temps de veille et réduit la puissance active dans le système MCU. .

En outre, la puce prétend être l'appareil multistandard à la plus faible consommation prenant en charge les solutions de connectivité Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy et propriétaires à 2,4 GHz sur une seule puce. Il fonctionne sur une plage de température de -40°C à 85°C, contrairement à de nombreuses solutions à base de cristaux actuellement sur le marché. Un kit de développement TI LaunchPad basé sur CC2652B SimpleLink MCU est disponible.

Les fabricants de puces tels qu'Intel Corp. voient également l'intelligence artificielle (IA) s'étendre aux applications d'imagerie médicale et à d'autres domaines, notamment les soins aigus et critiques et le diagnostic, qui nécessitent beaucoup de puissance de traitement. À une époque, les seules véritables solutions matérielles pour l'apprentissage en profondeur étaient les GPU.

Aujourd'hui, Intel propose les processeurs Xeon Scalable (introduits en 2017), qui peuvent gérer des charges de travail hybrides complexes, y compris des modèles gourmands en mémoire que l'on trouve généralement dans l'imagerie médicale.

Intel a travaillé avec Philips pour montrer que les serveurs utilisant les processeurs Xeon Scalable d'Intel peuvent effectuer une inférence d'apprentissage en profondeur pour les rayons X et les tomodensitométries (CT) sans avoir besoin d'accélérateurs matériels. Les tests montrent que pour de nombreuses charges de travail d'IA, les processeurs Xeon Scalable fonctionnent mieux que les systèmes basés sur GPU.

Les entreprises ont testé deux preuves de concept d'imagerie médicale :l'un sur les radiographies des os pour la modélisation de la prédiction de l'âge osseux et l'autre sur les tomodensitogrammes des poumons pour la segmentation pulmonaire. Utilisation de la boîte à outils Intel Distribution of OpenVINO et d'autres optimisations logicielles , Philips a pu améliorer la vitesse de 188 fois en images par seconde pour le modèle de prédiction de l'âge osseux et de 37 fois pour le modèle de segmentation pulmonaire par rapport aux mesures de base.


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