Soluzioni chip per applicazioni sanitarie e dispositivi medici
La pianificazione richiesta per progettare chip per applicazioni mediche è molto diversa da quella di altri settori e persino molto diversa da mercati mission-critical come le auto a guida autonoma.Indipendentemente dal tipo di dispositivo medico, tuttavia, la progettazione dei chip medici dovrà affrontare tre sfide principali: consumo energetico, sicurezza e affidabilità.
Nello sviluppo di semiconduttori utilizzati nel settore sanitario, gli sviluppatori devono innanzitutto garantire che il basso consumo energetico dei dispositivi medici e dei dispositivi impiantabili costituisca requisiti più rigorosi, poiché tali dispositivi devono essere inseriti chirurgicamente nel corpo e rimossi, il consumo energetico dovrebbe essere inferiore In generale, medici e pazienti desiderano che i dispositivi medici impiantabili possano durare dai 10 ai 20 anni, anziché ogni pochi anni necessari per sostituire una batteria.
La maggior parte dei dispositivi medici non impiantabili richiede inoltre progetti a bassissimo consumo, poiché tali dispositivi sono per lo più alimentati a batteria (come i fitness tracker al polso).Gli sviluppatori devono prendere in considerazione tecnologie come processi a bassa dispersione, domini di tensione e domini di alimentazione commutabili per ridurre il consumo energetico attivo e in standby.
L'affidabilità è la probabilità che il chip svolga bene la funzione richiesta in un dato ambiente (all'interno del corpo umano, al polso, ecc.) per un determinato periodo di tempo, che varierà a seconda dell'utilizzo del dispositivo medico.La maggior parte dei guasti si verifica in fase di produzione o verso la fine del ciclo di vita e la causa esatta varia a seconda delle specifiche del prodotto.Ad esempio, la durata di vita di un laptop o di un dispositivo mobile è di circa 3 anni.
I guasti a fine vita sono dovuti principalmente all'invecchiamento dei transistor e all'elettromigrazione.L'invecchiamento si riferisce al graduale degrado delle prestazioni dei transistor nel tempo, che alla fine porta al guasto dell'intero dispositivo.L'elettromigrazione, o movimento indesiderato degli atomi dovuto alla densità di corrente, è un'importante causa di guasto dell'interconnessione tra i transistor.Maggiore è la densità di corrente attraverso la linea, maggiore è la possibilità di guasto a breve termine.
Il corretto funzionamento dei dispositivi medici è fondamentale, pertanto l'affidabilità deve essere garantita fin dall'inizio della fase di progettazione e durante l'intero processo.Allo stesso tempo è essenziale anche ridurre la variabilità nella fase di produzione.Synopsys offre una soluzione completa di analisi dell'affidabilità, comunemente denominata analisi dell'affidabilità PrimeSim, che include il controllo delle regole elettriche, la simulazione dei guasti, l'analisi della variabilità, l'analisi dell'elettromigrazione e l'analisi dell'invecchiamento dei transistor.
I dati medici riservati raccolti dai dispositivi medici devono essere protetti in modo che il personale non autorizzato non possa accedere alle informazioni mediche private.Gli sviluppatori devono garantire che i dispositivi medici non siano suscettibili di alcuna forma di manomissione, come la possibilità che individui senza scrupoli possano hackerare un pacemaker per danneggiare un paziente.A causa della nuova epidemia di polmonite, il settore medico utilizza sempre più dispositivi connessi per ridurre il rischio di contatto con i pazienti e per comodità.Maggiore è il numero di connessioni remote stabilite, maggiore è il rischio di violazioni dei dati e altri attacchi informatici.
Dal punto di vista degli strumenti di progettazione dei chip, gli sviluppatori di chip per dispositivi medici non utilizzano strumenti diversi da quelli utilizzati in altri scenari applicativi;EDA, core IP e strumenti di analisi dell'affidabilità sono tutti essenziali.Questi strumenti aiuteranno gli sviluppatori a pianificare in modo efficace per ottenere progetti di chip a bassissimo consumo con maggiore affidabilità, tenendo conto dei vincoli di spazio e dei fattori di sicurezza, che sono importanti per la salute dei pazienti, la sicurezza delle informazioni e la sicurezza della vita.
Negli ultimi anni, la nuova epidemia di corona ha anche fatto sì che sempre più persone si rendessero conto dell’importanza dei sistemi e dei dispositivi medici.Durante l’epidemia, i ventilatori sono stati utilizzati per assistere i pazienti con gravi lesioni polmonari con la respirazione assistita.I sistemi di ventilazione utilizzano sensori e processori a semiconduttore per monitorare i segnali vitali.I sensori vengono utilizzati per determinare la frequenza, il volume e la quantità di ossigeno per respiro del paziente e per regolare il livello di ossigeno esattamente in base alle esigenze del paziente.Il processore controlla la velocità del motore per assistere il paziente nella respirazione.
E il dispositivo a ultrasuoni portatile può rilevare sintomi virali come lesioni polmonari nei pazienti e identificare rapidamente le caratteristiche della polmonite acuta associata al nuovo coronavirus senza attendere i test dell’acido nucleico.Tali dispositivi utilizzavano in precedenza cristalli piezoelettrici come sonde a ultrasuoni, che in genere costavano più di 100.000 dollari.Sostituendo il cristallo piezoelettrico con un chip semiconduttore, il dispositivo costa solo poche migliaia di dollari e consente un rilevamento e una valutazione più semplici del corpo interno del paziente.
Il nuovo coronavirus è in aumento e non è ancora del tutto superato.Nei luoghi pubblici è importante controllare la temperatura di un gran numero di persone.Le attuali termocamere o i termometri a infrarossi frontali senza contatto sono due modi comuni per farlo, e questi dispositivi si basano anche su semiconduttori come sensori e chip analogici per convertire dati come la temperatura in letture digitali.
Il settore sanitario necessita di strumenti EDA avanzati per affrontare le sfide in continua evoluzione di oggi.Gli strumenti EDA avanzati possono fornire una varietà di soluzioni, come l'implementazione di capacità di elaborazione dei dati in tempo reale a livello hardware e software, l'integrazione di sistema (integrando il maggior numero possibile di componenti in una piattaforma a chip singolo) e la valutazione dell'impatto di soluzioni a basso costo. progetti di potenza sulla dissipazione del calore e sulla durata della batteria.I semiconduttori sono un componente importante di molti dispositivi medici attuali, poiché forniscono funzioni quali controllo operativo, elaborazione e archiviazione dei dati, connettività wireless e gestione dell'alimentazione.I dispositivi medici tradizionali non dipendono così tanto dai semiconduttori e i dispositivi medici che utilizzano semiconduttori non solo svolgono le funzioni dei dispositivi medici tradizionali, ma migliorano anche le prestazioni dei dispositivi medici e riducono i costi.
Il settore dei dispositivi medici si sta evolvendo a un ritmo rapido e gli sviluppatori di chip stanno progettando e continuando a promuovere l’innovazione nella prossima generazione di dispositivi impiantabili, dispositivi medici ospedalieri e dispositivi indossabili sanitari.
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