Soluções de chips para aplicações de saúde e dispositivos médicos
O planejamento necessário para projetar chips para aplicações médicas é bastante diferente de outras áreas, e até mesmo muito diferente de mercados de missão crítica, como carros autônomos.Independentemente do tipo de dispositivo médico, no entanto, o design do chip médico enfrentará três desafios principais: consumo de energia, segurança e confiabilidade.
No desenvolvimento de semicondutores utilizados na área da saúde, os desenvolvedores devem primeiro garantir que o baixo consumo de energia dos dispositivos médicos, os dispositivos implantáveis são requisitos mais rigorosos para isso, porque tais dispositivos precisam ser colocados cirurgicamente no corpo e removidos, o consumo de energia deve ser menor , em geral, médicos e pacientes desejam que os dispositivos médicos implantáveis possam durar de 10 a 20 anos, em vez de substituir uma bateria a cada poucos anos.
A maioria dos dispositivos médicos não implantáveis também exige projetos de baixíssimo consumo de energia, porque esses dispositivos são, em sua maioria, alimentados por bateria (como rastreadores de fitness no pulso).Os desenvolvedores precisam considerar tecnologias como processos de baixo vazamento, domínios de tensão e domínios de energia comutáveis para reduzir o consumo de energia ativa e em espera.
Confiabilidade é a probabilidade de que o chip desempenhe bem a função necessária em um determinado ambiente (dentro do corpo humano, no pulso, etc.) por um período de tempo especificado, que irá variar dependendo do uso do dispositivo médico.A maioria das falhas ocorre na fase de fabricação ou perto do fim da vida útil, e a causa exata varia dependendo das especificações do produto.Por exemplo, a vida útil de um laptop ou dispositivo móvel é de aproximadamente 3 anos.
As falhas no fim da vida útil devem-se principalmente ao envelhecimento do transistor e à eletromigração.O envelhecimento refere-se à degradação gradual do desempenho do transistor ao longo do tempo, levando eventualmente à falha de todo o dispositivo.A eletromigração, ou movimento indesejado de átomos devido à densidade de corrente, é uma causa importante de falha de interconexão entre transistores.Quanto maior a densidade de corrente através da linha, maior a chance de falha no curto prazo.
A operação adequada dos dispositivos médicos é crítica, por isso a confiabilidade precisa ser garantida logo no início da fase de projeto e durante todo o processo.Ao mesmo tempo, reduzir a variabilidade na fase de produção também é essencial.A Synopsys oferece uma solução completa de análise de confiabilidade, comumente chamada de Análise de Confiabilidade PrimeSim, que inclui verificação de regras elétricas, simulação de falhas, análise de variabilidade, análise de eletromigração e análise de envelhecimento de transistores.
Os dados médicos confidenciais recolhidos pelos dispositivos médicos precisam de ser protegidos para que pessoal não autorizado não possa aceder a informações médicas privadas.Os desenvolvedores precisam garantir que os dispositivos médicos não sejam suscetíveis a qualquer forma de adulteração, como a possibilidade de indivíduos inescrupulosos invadirem um marca-passo para prejudicar um paciente.Devido à nova epidemia de pneumonia, a área médica utiliza cada vez mais dispositivos conectados para reduzir o risco de contato com os pacientes e por conveniência.Quanto mais conexões remotas forem estabelecidas, maior será o potencial para violações de dados e outros ataques cibernéticos.
Do ponto de vista das ferramentas de design de chips, os desenvolvedores de chips para dispositivos médicos não usam ferramentas diferentes daquelas usadas em outros cenários de aplicação;EDA, núcleos IP e ferramentas de análise de confiabilidade são essenciais.Essas ferramentas ajudarão os desenvolvedores a planejar de forma eficaz a obtenção de designs de chips de consumo de energia ultrabaixo com maior confiabilidade, ao mesmo tempo em que levam em conta as restrições de espaço e os fatores de segurança, que são importantes para a saúde do paciente, a segurança da informação e a segurança da vida.
Nos últimos anos, o novo surto da coroa também fez com que mais e mais pessoas percebessem a importância dos sistemas e dispositivos médicos.Durante a epidemia, ventiladores foram usados para ajudar pacientes com lesões pulmonares graves com respiração assistida.Os sistemas de ventilação usam sensores e processadores semicondutores para monitorar sinais vitais.Os sensores são usados para determinar a frequência, o volume e a quantidade de oxigênio do paciente por respiração e para ajustar o nível de oxigênio exatamente às necessidades do paciente.O processador controla a velocidade do motor para auxiliar o paciente na respiração.
E o dispositivo portátil de ultrassom pode detectar sintomas virais, como lesões pulmonares em pacientes, e identificar rapidamente características de pneumonia aguda associada ao novo coronavírus, sem esperar pelo teste de ácido nucleico.Anteriormente, esses dispositivos usavam cristais piezoelétricos como sondas de ultrassom, que normalmente custavam mais de US$ 100 mil.Ao substituir o cristal piezoelétrico por um chip semicondutor, o dispositivo custa apenas alguns milhares de dólares e permite mais fácil detecção e avaliação do corpo interno do paciente.
O novo coronavírus está em alta e ainda não acabou completamente.É importante que os locais públicos verifiquem a temperatura de um grande número de pessoas.As atuais câmeras de imagem térmica ou termômetros infravermelhos de testa sem contato são duas maneiras comuns de fazer isso, e esses dispositivos também dependem de semicondutores, como sensores e chips analógicos, para converter dados como temperatura em leituras digitais.
O setor de saúde precisa de ferramentas EDA avançadas para enfrentar os desafios atuais em constante mudança.Ferramentas avançadas de EDA podem fornecer uma variedade de soluções, como implementação de capacidades de processamento de dados em tempo real nos níveis de hardware e software, integração de sistemas (integrando tantos componentes quanto possível em uma plataforma de chip único) e avaliação do impacto de baixo custo. projetos de energia na dissipação de calor e na vida útil da bateria.Os semicondutores são um componente importante de muitos dispositivos médicos atuais, fornecendo funções como controle operacional, processamento e armazenamento de dados, conectividade sem fio e gerenciamento de energia.Os dispositivos médicos tradicionais não são tão dependentes de semicondutores, e os dispositivos médicos que aplicam semicondutores não apenas desempenham as funções dos dispositivos médicos tradicionais, mas também melhoram o desempenho dos dispositivos médicos e reduzem custos.
A indústria de dispositivos médicos está evoluindo em um ritmo rápido e os desenvolvedores de chips estão projetando e continuando a impulsionar a inovação na próxima geração de dispositivos implantáveis, dispositivos médicos hospitalares e wearables de saúde.
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