Универсальный биомедицинский сигнальный процессор со сверхнизким энергопотреблением

На международной конференции InternationalSolid-StateCircuitConference(ISSCC2011) научно-исследовательские центры imec, HolstCentre и компания NXP представили CoolBio^TM, универсальный биомедицинский сигнальный процессор со сверхнизким энергопотреблением, отвечающий требованиям «нательных» (wearable) биомедицинских сенсорных систем будущего. Энергопотребление биомедицинского сигнального процессора составляет всего 13 пкДж/цикл даже при выполнении сложного алгоритма, такого как ЭКГ (электрокардиограмма), при частоте 1 МГц и рабочем напряжении 0,4 В. Эта микросхема, программируемая на языке C, способна масштабироваться по производительности (диапазон тактовых частот от 1 Мгц до 100 МГц) и напряжению - от 0,4 до 1,2 В.

Интеллектуальные сети, состоящие из беспроводных датчиков, которые размещаются на теле пациента (BAN, bodyareanetworks) и постоянно контролируют параметры деятельности жизненно важных органов – сердца, мышц и мозга – могут стать ключом к созданию более удобных, экономически эффективных и сберегающих время систем медицинского наблюдения. Благодаря этим сетям можно будет вести мониторинг здоровья пациента в домашних условиях, когда он занимается своими привычными делами. 

Основной задачей при разработке сетей BAN является снижение общего энергопотребления до такого уровня, который позволил бы обеспечить питание системы за счет преобразования энергии окружающей среды (технология energyharvesting) или от микроаккумулятора, способного работать несколько месяцев.

Микросхема CoolBio позволяет кардинально сократить энергопотребление беспроводных датчиков в сетях BAN. Благодаря локальной обработке и сжатию данных в узле сети BAN, сокращается объем данных, передаваемых по беспроводному каналу, а следовательно, энергозатраты; кроме того, удается уменьшить число артефактов, вызванных движением, и добавить функции интеллектуальной диагностики.

Разработку гибкого процессорного решения со сверхнизким энергопотреблением для сетей BANнаучно-исследовательские центры imec, HolstCentreи компания NXPначали с серийно выпускаемого компанией NXPядра узкополосного цифрового сигнального процессора CoolFlux^TMс низким энергопотреблением (см. coolflux.com). Архитектура и принципиальная схема решения были адаптированы к работе при напряжении, близком к пороговому значению (0,4 В), и при низких тактовых частотах. Было выделено максимальное число диапазонов напряжений питания, тактовой частоты и объема памяти, чтобы гарантировать высокую энергоэффективность работы во всех режимах – от дежурного до наиболее производительного (100 МГц). В результате удалось снизить энергопотребление при низких рабочих частотах и одновременно сохранить возможность высокопроизводительной многоканальной обработки биомедицинских сигналов. 

«При разработке микросхемы CoolBioмы исходили из принципа «если устройство не работает, оно не должно потреблять энергию!». Сконцентрировавшись на главном – создании принципиальной схемы с пониженным энергопотреблением – мы вместе с отраслевым партнером, компанией NXP, добились успеха в проектировании биомедицинского процессора, который отлично подойдет для биомедицинской продукции будущего и обеспечит оптимальный баланс между производительностью и энергопотреблением», – отмечает Хармке де Гроот (HarmkeDeGroot), директор программы, подразделение imectheNetherlands, научно-исследовательский центр HolstCentre.

«Сверхнизкое рассеяние мощности является решающим фактором для повсеместного использования персональных медицинских устройств. Компания NXPпродолжает раздвигать границы возможного для всех критически важных функций, востребованных в «нательных» медицинских решениях. Микросхема CoolBioпополнит наш обширный портфель компонентов со сверхнизким энергопотреблением, которые позволяют создавать решения, призванные улучшить качество жизни пациентов», – говорит Барт де Лооре (BartDeLoore), вице-президент NXPпо новым направлениям бизнеса.

Все, кто желает опробовать процессор CoolBio или создать собственный биопроцессор – производители медицинских приборов, полупроводниковых устройств, а также фирмы-разработчики, не имеющие собственных производственных мощностей, – могут использовать опыт центра imec, присоединившись к исследованиям (в рамках программы HUMAN++) по обработке данных при сверхнизком энергопотреблении в сетях BAN.

Сан-Франциско, США