Il settore dell'elettronica per applicazioni medicali rimane uno dei più complessi, frammentati e difficili mercati in cui competere. Alle severe normative, e alla particolare catena di approvvigionamento, si affianca l'esigenza di garantire un elevato tasso d'innovazione ma di offrire anche progetti ideati per durare nel lungo termine. Nonostante la complessità, l'elettronica medicale rappresenta uno dei mercati trainanti del comparto dei semiconduttori. Secondo la società di ricerche Databeans, il fatturato dei semiconduttori per applicazioni medicali crescerà dai circa 6 miliardi di dollari del 2012 agli oltre 10 miliardi del 2016, con un incremento - in termini di unità - che ricalcherà esattamente gli stessi numeri e la stessa dinamica delle vendite. La maggior parte della crescita dei semiconduttori sarà pilotata dalle unità di tipo portatile, gli apparati da banco, i dispositivi indossabili di tipo non invasivo (i cosiddetti "classe 2") e le unità impiantabili (classe 3). I fattori che determineranno la crescita saranno sostanzialmente due: il progressivo invecchiamento delle popolazioni nei mercati più maturi, e la domanda di cure e ausili adeguati proveniente dai mercati emergenti. Entrambi, tali fattori stanno alimentando una domanda di dispositivi medici sempre più intelligenti, connessi e portatili, da utilizzare sia in ambienti clinici sia in ambito domestico.
Non tutte le previsioni sono però improntate all'ottimismo. All'orizzonte infatti si sta materializzando lo spettro di un punto di flessione, dato che l'attuale modello di crescita porterebbe, nell'arco dei prossimi anni, a raddoppiare una spesa globale in sanità che già oggi è attestata sui 2,5 trilioni di dollari, dando origine a uno scenario che secondo alcuni analisti non è sostenibile nel tempo. Qualcuno vede anche in questo tipo di cambiamento un'opportunità. Dall'esigenza di ridurre i costi sanitari potrebbe, infatti, scaturire una forte domanda di apparati capaci di garantire un accesso di tipo "remoto" ai servizi e alle prestazioni, con ovvi risparmi in termini di strutture e risorse. A questa tendenza si affianca il costante desiderio di migliorare l'esperienza del paziente, offrendogli una maggiore comodità e dei servizi diagnostici di qualità sempre superiore. Pur se con livelli di partenza differenti, questo tipo di evoluzione riguarda sia i paesi industrializzati sia quelli in via di sviluppo. A tale proposito la tecnologia rappresenta l'unica soluzione per risolvere il problema delle distanze. L'idea è semplice: utilizzando dei dispositivi dotati di funzioni di collegamento remoto con i pazienti, i medici possono seguire più persone e garantire una maggiore efficienza. L'idea di vivere meglio e in modo più indipendente la malattia è promossa da molte organizzazioni, anche a livello industriale. Tra queste la più nota è sicuramente la Continua Alliance, iniziativa no-profit che associa oltre 200 aziende del settore (molti fornitori di apparati e servizi ma anche quasi tutti i produttori di semiconduttori per applicazioni medicali). Continua Alliance mira alla creazione di un sistema di soluzioni sanitarie connesse e interoperabili da utilizzare in ambito domestico, con la consapevolezza che queste possano favorire l'indipendenza dei singoli e una gestione personalizzata del benessere. A tale proposito, Continua Alliance ha pubblicato una serie di linee guida progettuali sull'interoperabilità e sulla connettività end-to-end dei sistemi sanitari e di wellness. L'alleanza ha sviluppato anche un programma di certificazione per favorire la conformità dei dispositivi medici alle specifiche internazionali.
Benché ai dispositivi medici sia associato un grandissimo mercato, due settori altrettanto promettenti sono quello del fitness e quello delle cure preventive. A questi, fanno riferimento i produttori di attrezzature ginniche e di dispositivi di sorveglianza sanitaria personale. Tali ritrovati si rivolgono ai consumatori che vogliono mantenersi in forma, e i fatturati previsti sono veramente enormi.
Le applicazioni
I sorprendenti progressi nei dispositivi medici, specialmente legati ai nuovi apparati mobili e "connessi", sono in gran parte favoriti dall'evoluzione dei semiconduttori. Tale evoluzione si è manifestata non solo nell'area dell'integrazione e dell'efficienza energetica, ma anche in termini di prestazioni ottimizzate per il mercato medico.
Come stanno contribuendo i semiconduttori a delineare lo sviluppo del settore?
Negli anni, un elemento determinante è stata sicuramente l'integrazione di potenti capacità di calcolo e di nuove funzioni destinate al front end analogico, le quali hanno consentito di rendere i dispositivi sempre più precisi, flessibili e aperti.
Un altro elemento è stata la riduzione dei consumi, soprattutto in relazione al fatto che sempre più apparati vengono alimentati a batteria. Anche le tecnologie wireless stanno giocando un ruolo determinante. Alcuni sistemi di dosaggio dell'insulina, per esempio, sono composti da una pompa, impiantata nel corpo del paziente, che dialoga in modalità senza fili con un controller palmare remoto che ha il compito di effettuare la misurazione della glicemia. Un altro importante punto di innovazione è quello dei sensori di bio-parametri. Basati su circuiti alimentati (attivi), non alimentati o addirittura alimentati in modalità Rf, i sensori di nuova generazione possono dare vita reti Ban (Body Area Network) che permettono di dialogare tra loro o con dei dispositivi medicali esterni. Benché le opportunità offerte da questo mercato siano molto interessanti, le barriere di ingresso sono estremamente alte. A causa delle risorse necessarie richieste e dell'obbligo di garantire un supporto a lunghissimo termine, il novero di fornitori che propongono linee di semiconduttori specializzate per le applicazioni medicali è abbastanza circoscritto. Vediamone alcuni.
Risorse per il medicale da ON Semiconductor
ON Semiconductor si presenta al mercato con un portafoglio diversificato di prodotti e servizi, uno staff tecnico e sistemistico di talento, una profonda comprensione delle dinamiche del mercato medicale e una serie di risorse globali di produzione e logistica. La società offre ai progettisti medicali una piattaforma all'avanguardia di soluzioni dedicate per sviluppare progetti basati su silicio ad alte prestazioni. Nell'area dei servizi, si segnalano quelli di sviluppo e produzione per Asic digitali e mixed-signal per applicazioni mediche. A questi si affianca un vasto portafoglio di IP e di tecnologie di processo che permette di arrivare rapidamente alla produzione in volumi. Tra le applicazioni sviluppate con gli Asic e con il supporto del servizio di architettura sistemistica di ON Semiconductor, si segnalano progetti relativi a interfacce sensori per il monitoraggio dei gas del sangue, monitor per i parametri vitali, dispositivi del sistema di acquisizione dati per sistemi CT, a raggi x, a ultrasuoni e Pet, nonché front-end analogici di precisione per Ecg. Oltre a memorie e discreti "medical-grade" per implantologia e applicazioni vitali ON offre una vasta serie di prodotti dedicati. Iniziamo dai microcontrollori mixed-signal a 32 bit destinati ai dispositivi medici di rilevamento di precisione indossabili, come ad esempio glucometri, elettrocardiografi wireless, misuratori per fitness e wellness. Realizzati sulla base di un processore programmabile Arm Cortex-M3, questi prodotti ad alta efficienza energetica sono ottimizzati per abbinarsi ad Asic di front-end analogico, assicurando una soluzione di elaborazione miniaturizzata e con consumi in modalità attiva di soli 150 μA/MHz a 3 V. I Dsp BelaSigna sono processori di segnali digitali completamente programmabili ideali per le applicazioni mediche. Ottimizzati per contenere dimensioni, consumi e integrità del segnale, i processori BelaSigna offrono la flessibilità di un Dsp generico con gli ingombri e gli assorbimenti tipici di un Asic. Per la protesistica audio, ON propone la serie di Dsp programmabili e aperti a 24 bit Ezairo, i quali permettono di costruire ausili capaci di fare girare più algoritmi simultaneamente, bilanciando consumi e flessibilità. I sistemi Ezairo sono disponibili secondo varie opzioni: la versione 7100 per esempio è wireless-ready. Questi Dsp sono supportati da un vasto set di strumenti di sviluppo, debug e validazione. ON offre anche una serie di sistemi preconfigurati e dotati di vari algoritmi, ideali per gli integratori che desiderano ridurre al minimo lo sforzo di progettazione.
Tecnologie all'avanguardia da STMicroelectronics
Anche STMicroelectronics ha sviluppato un portafoglio di prodotti e di servizi per applicazioni medicali. Basandosi su una ricerca orientata al lungo termine, ST affronta il mercato con un ampio catalogo di dispositivi quali discreti, microcontrollori a bassa potenza, sensori di immagini, memorie, Mems, batterie a film sottile e IC analogici, digitali e mixed-signal. Oltre ai prodotti standard, ST offre la possibilità sviluppare dispositivi per applicazioni specifiche basati sulle tecnologie di processo più all'avanguardia. Tra i prodotti di punta si segnalano i dispositivi totalmente integrati HMx01D per l'acquisizione diagnostica biopotenziale. Dotati di 1, 2 o 3 canali differenziali, i dispositivi integrano un filtro passa alto che rimuove la componente Dc dell'alimentazione, facendo arrivare al canale solo la parte Ac del segnale. I canali offrono alta risoluzione e funzioni di conversione a basso rumore dei segnali a potenziale biologico fino a 10 kHz. Il circuito di ingresso garantisce la massima flessibilità di termini di elettrodi, cavi e connettori. Le versioni D includono un canale di misura dedicato utilizzabile per valutare l'impedenza media del corpo o le variazioni di impedenza dovute alla respirazione. L'STHV748 è invece un pulser monolitico quadruplo ad alta tensione destinato ad applicazioni di imaging ad ultrasuoni. Un sistema di imaging ad ultrasuoni trasmette forme d'onda ultrasoniche generate da un trasduttore piezoelettrico. Appena la trasmissione termina, lo stesso trasduttore viene commutato in ricezione e gli echi vengono convertiti in segnali a bassa tensione. Questi segnali vengono ulteriormente condizionati, post-elaborati e riprodotti sotto forma di immagine. L'STHV748 pilota il trasduttore piezoelettrico durante la fase di trasmissione e instrada gli echi ricevuti al ricevitore per mezzo di un commutatore integrato. L'eccellente simmetria d'impulso dell'STHV748 offre una bassa distorsione di secondo ordine con conseguente migliore qualità dell'immagine. ST propone un ampio portafoglio di Mcu rivolte alle applicazioni medicali che richiedono un consumo ridotto. In particolare si segnalano le piattaforme STM8L a 8 bit e STM32L a 32 bit, con consumi attivi fino a 150 μA/MHz. INEMO-M1 è invece il primo membro della famiglia di system on board iNEMO. Esso integra vari sensori con un potente nucleo computazionale e fornisce un'affidabile stima dell'orientamento 3D (rollio, beccheggio e imbardata, quaternioni, matrice di rotazione). Questo sistema inerziale a 9 gradi di libertà rappresenta una soluzione completamente integrata che può essere utilizzata in numerose applicazioni di realtà virtuale, realtà aumentata, stabilizzazione delle immagini, interfacciamento uomo-macchina e così via. Nel campo della sensoristica integrata, ST offre il microfono Mems MP34DT01 con 63 dB di SNR e interfaccia Cmos integrata. A questo si affianca il sensore di pressione digitale piezoresistivo ad alta risoluzione LPS331AP, il quale converte e digitalizza il segnale acquisito attraverso una membrana sospesa ricavata nella struttura in silicio, offrendo una sensibilità da 260 a 1260 mbar. Tra i numerosi prodotti sono da segnalare anche le Eeprom M24LR16E e M24LR64E, dotate di interfaccia I2C e Rf che ne permette la programmazione da remoto. Compatibili Rfid e Nfc, queste memorie possono
essere utilizzate per leggere le misurazioni di apparati portatili e per aggiornare i dati di configurazione dei dispositivi clinici senza richiedere l'accensione dell'unità. Sono inoltre dotate di un'innovativa funzione di raccolta di energia per progetti sprovvisti di batteria.
Indossabilità e accessibilità da Texas Instruments
La divisione HealthTech di Texas Instruments è impegnata a sviluppare soluzioni a semiconduttore destinate a prodotti clinici e domestici accurati e affidabili, ma sempre più vincolati dal punto di vista dell'autonomia energetica, dell'indossabilità e dell'accessibilità. Secondo TI, le attrezzature cliniche tradizionali, come stetoscopi digitali, monitor per pazienti, Ecg, Eeg, e ossimetri da polso, sono diventate tutte più portatili attraverso i miglioramenti delle tecnologie di batteria e di power management nonché attraverso la proliferazione di tecnologie di comunicazione senza fili come Bluetooth e ZigBee. Le dotazioni di controllo touchscreen e di feedback audio hanno inoltre sostituito manopole e quadranti rimpiazzandoli con menu e avvisi di utente. A tale proposito, TI offre una vasta gamma di blocchi di sistema e di strumenti di progettazione che consentono di accelerare l'innovazione. Il portafoglio HealthTech, sostenuto dalle risorse globali TI, rappresenta una delle maggiori fonti di prodotti analogici e di processori embedded per applicazioni sanitarie cliniche e domestiche presenti sul mercato. Per il controllo di processo, TI offre una gamma di controller che si estende dalle soluzioni a basso consumo MSP430 ai microcontrollori C2000 e Tiva. La scelta del controller adatto, permette di ottimizzare l'efficienza di pilotaggio, di aumentare l'affidabilità e di ridurre i costi di sistema. Le periferiche ottimizzate a 32 bit che equipaggiano i digital signal controller C2000 offrono prestazioni di classe Dsp e capacità di controllo per carichi induttivi. Tali prodotti consentono di implementare algoritmi avanzati compatibili a livello software su una gamma di prodotti che va dalle soluzioni a basso costo F28016 al potente Dsc in virgola mobile TMS320F28335. I modulatori isolati delta-sigma sono ideali per le misure in derivazione, per smorzare i picchi e per aumentare la risoluzione di feedback. Questi modulatori forniscono funzioni di sovra campionamento e filtraggio per l'encoder. Per misurare gli ingressi del controller e le risposte di sistema, l'amplificatore differenziale INA159 eroga un segnale a ± 10 V per un convertitore analogico-digitale usando un'alimentazione a 5 V o 3,3 V. Adc quali l'ADS7861/ADS7864 o l'ADS8361/ADS8364 permettono il campionamento simultaneo di un massimo di sei canali, mentre l'INA19x e l'INA20x consentono di gestire un ampio spettro di tensioni di modo comune e di effettuare il monitoraggio sul lato alto e basso dello shunt di corrente. Per i progetti con correnti elevate, sono disponibili gli op-amp con limitazione di corrente da 0 e 5 A controllabile esternamente o i convertitori digitale-analogico con uscita in corrente quali i DAC7811 e DAC8811. Per la parte finale della catena, i driver Mosfet quali l'UCC37321 o l'UCC37323 permettono di pilotare i carichi direttamente o indirettamente. Negli apparati medicali, l'isolamento rappresenta un aspetto fondamentale. Gli isolatori digitali TI hanno dei buffer logici di ingresso e di uscita e sono isolati fino a 4 kV attraverso dei separatori in biossido di silicio. Utilizzati in combinazione con degli alimentatori isolati, questi dispositivi bloccano le tensioni elevate, isolano le masse e impediscono alle correnti di rumore di entrare nella terra locale e di interferire o danneggiare i circuiti sensibili. Il nuovo ISO1050 è un transceiver Can isolato galvanicamente che soddisfa o supera le specifiche dello standard ISO11898 e IEC 61010-1. Questo transceiver Can differenziale vanta una capacità di trasmissione fino a 1 megabit al secondo. Progettato per ambienti difficili, l'ISO1050 fornisce funzionalità aggiuntive come uscite protette, immunità a transitori fino a 50-kV/μs, e ingressi a 3,3. In tema di interfacciamento TI ritiene che Usb, RS-232 o RS-422 siano sufficienti per molti sistemi. La segnalazione RS-485 può essere associata a protocolli come Profibus, Interbus, Modbus o BACnet, in base ai requisiti dell'utente finale. A volte Can o Ethernet IP vengono preferiti a causa di requisiti di rete. Per queste applicazioni TI propone la soluzione M-Lvds, un'alternativa in grado di fornire una minore dissipazione di potenza. Pesatura elettronica, rilevamento pressione e misure di flusso rappresentano e forme più comuni di misura in campo medico. I costruttori di strumenti spesso realizzano degli Asic sia per rispettare i requisiti di precisione del front end analogico sia per mantenere un vantaggio competitivo sui concorrenti. Benché TI incoraggi e supporti l'approccio Asic, in alcuni casi sono disponibili dei prodotti standard con risoluzioni "noise-free" fino a 23 bit con prestazioni simili alle soluzioni personalizzate. Una delle sfide maggiori nei progetti di interfacciamento per sensori è la riduzione del rumore Rti (referred-to-input) legato al campionamento di celle di carico multiple. I nuovi ADS1230, ADS1232 e ADS1234 offrono I livelli di rumore Rti necessari per questa applicazione. Altri aspetti importanti sono la stabilità a lungo termine rispetto alle derive di temperature o guadagno, e la gestione della risposta non lineare tipica di molti sensori di pressione. In tali contesti, è necessario mantenere inalterata la precisione del segnale amplificato d'ingresso nel corso degli anni. Gli amplificatori auto-zero per strumentazione - come l'OPA335 e l'INA326 - sono in grado di soddisfare questi requisiti, garantendo derive fino a 0,4μV/°C (INA326), Per i sensori di pressione a ponte sono disponibili interfacce specifiche quali il PGA309 con compensazione di deriva di temperatura.
Medicale da remoto per Freescale
Anche Freescale è allineata sul fatto che alcuni dei principali trend del settore dei dispositivi medici riguardano l'invecchiamento della popolazione, il contenimento dei costi e la remotizzazione dei controlli. Secondo Freescale, gli sviluppatori di dispositivi medici devono affrontare diverse sfide. La necessità di bilanciare le esigenze di elaborazione con il consumo energetico, la necessità di fornire un time-to-market, più rapido e la necessità di affrontare il contesto normativo, rappresentano aspetti comuni a tutte le applicazioni sanitarie. A tale proposito la società offre una gamma di prodotti integrati e di progetti applicativi di riferimento che consentono agli sviluppatori di scegliere Mcu, processori analogici, sensori e soluzioni wireless capaci di soddisfare le loro esigenze di progettazione. Il mercato dei dispositivi portatili domestici è uno dei segmenti in più rapida crescita. Tali dispositivi condividono la necessità di una lunga autonomia di batteria, di un'elaborazione dati robusta e di funzioni di comunicazione wired o wireless. Le Mcu Freescale offrono un mix tra capacità di elaborazione elevate, basso consumo e alto contenuto analogico. Per questo sotto-segmento, la società propone i core a 8 -bit S08 JE/JM e LH/LL, ideali nei progetti in cui il costo è fondamentale. Nella fascia più alta, la Mcu Kinetis, basata su Arm Cortex -M4 e Arm Cortex - M0+, permette di sviluppare progetti ad alto contenuto analogico riducendo il consumo di energia, due requisiti comuni nelle applicazioni di misura del diabete e di assistenza cardiaca. Freescale è presente anche con soluzioni per l'interfacciamento cablato e wireless, basate su standard Usb, Ieee 802.15.4 , sub-gigahertz, ZigBee e Bluetooth. Oltre a una serie di sensori di pressione e di accelerazione Mems - che possono essere utilizzati per acquisire parametri fisici - Freescale offre anche un portafoglio analogico dedicato al settore medicale che garantisce la massima conservazione della batteria attraverso dei circuiti integrati di gestione dell'alimentazione e che consente una precisa e accurata conversione dei segnali biologici in segnali digitali elaborabili dalle Mpu. Agli sviluppatori del settore medicale, Freescale offre anche soluzioni personalizzate specifiche che sfruttano le competenze della società in campo analogico, mixed signal e di gestione dell'alimentazione. Tra gli ausili più interessanti è da segnalare la piattaforma di riferimento Healthcare Analog Front End, costituita da un set di soluzioni mediche portatili che consentono ai progettisti di sviluppare e dimostrare rapidamente il potenziale delle tecnologie Freescale nelle applicazioni finali. La piattaforma prevede una serie di risorse hardware e software che facilitano la definizione di unità medicali, come ad esempio monitor per i parametri vitali, glucometri, stetoscopi digitali, e così via. In totale la Healthcare Afe contempla sei differenti front end analogici predefiniti, con software e hardware riutilizzabili. Basata sulla Mcu Kinetis K53 essa include un engine per misure analogiche completo di operazionali, triamps, Adc, Dac e comparatori.
Sicurezza medica da Renesas
Passiamo a Renesas. La società si presenta con un portafoglio di prodotti a tutto tondo e con un supporto garantito per un periodo tra 10 e 15 anni. Particolarmente attiva nel segmento dei microcontrollori e dei sistemi embedded, l'azienda si propone di indirizzare alcuni aspetti tipici del settore medicale. Il primo è la crescente automazione del trasferimento di informazioni: a tale proposito le Mcu Renesas sono dotate di collaudate soluzioni architetturali e di connettività che facilitano lo sviluppo di sistema. Un secondo aspetto è legato alla sicurezza medica. Norme e standard impongono dei meccanismi particolarmente sensibili alle condizioni di errore. I prodotti Renesas integrano numerose caratteristiche studiato a tale scopo: memorie Ram e Flash specializzate ce garantiscono l'integrità dei dati, unità di protezione che tutelano l'accesso alla memoria, circuiti di controllo del clock che rilevano le anomalie, una serie di funzionalità che semplificano i processi di certificazione. Altro elemento è legato all'autonomia di batteria. I dispositivi medici mobili e i sensori indossabili richiedono potenze superiori ma possono contare su risorse energetiche limitate. Renesas dispone di molte Mcu con caratteristiche e capacità adeguate, caratterizzate da tensioni di alimentazione contenute, da package adatti alle applicazioni indossabili e da modalità operative con un basso rapporto μA/Dmips. Un esempio concreto è l'innovativa modalità Snooze presente nelle Mcu RL78, la quale permette di ridurre i consumi mediamente del 30%.
Un particolare aspetto su cui punta Renesas è la protezione da clonazione e hacking, fenomeno preoccupante e sempre più frequente. I dispositivi manomessi o clonati, con funzionalità degradate, possono essere pericolosi e danneggiare la reputazione di una marca. Le soluzioni di autenticazione Renesas (meccanismi di anti-tampering, controlli di scadenza e così via) garantiscono flessibilità ma anche protezione del prodotto. Una corretta elaborazione del segnale garantisce il miglioramento delle caratteristiche di sensing e di conseguenza dei risultati diagnostici. Una maggiore precisione di acquisizione del segnale richiede però una sofisticata elaborazione del segnale digitale. Renesas ha pensato di sviluppare le caratteristiche Dsp delle proprie Mcu prevedendo soluzioni ad alta frequenza, dotate di unità floating point a doppia precisione, e ottimizzate aumentare il throughput e accelerare gli algoritmi di calcolo. Nell'ambito dell'elaborazione, Renesas offre le Mpu a 32-bit della famiglia RX600 con unità in virgola mobile a precisione singola, e le Mcu a 16-bit della famiglia 78K0R/Lx3, le quali - essendo dotate di Adc a 12-bit, Dac a 12-bit e op-amp e sono particolarmente indicate nelle applicazioni dove è richiesta un'elevata integrazione delle funzioni analogiche. Un ultimo aspetto riguarda le interfacce utente. Le attrezzature mediche integrano ormai funzionalità video, audio e touch che rendono più facile il loro utilizzo. La linea di soluzioni Renesas include il supporto per vari tipi di standard. Per esempio, l'MpuSH-2A supporta lo standard OpenVG per la riproduzione grafica 2D potenziata, mentre la MCU RX600 offre il pilotaggio diretto dei display Tft-Lcd e degli apparati di input in tecnologia capacitiva con feedback di risposta.
Supporto, efficienza, certificazioni
Come orientarsi la propria scelta tra questi e molti altri produttori di semiconduttori per applicazioni medicali? Ovviamente non è semplice. Anche se determinante, rispetto ad altri settori applicativi il fattore costo spesso non rappresenta il parametro fondamentale. I progettisti, infatti, spesso mettono sul piatto altri elementi, come ad esempio il supporto a lungo termine (minimo 10 anni), il tipo di approccio all'efficienza energetica, le certificazioni, ma anche la disponibilità di package innovativi che permettano di ridurre ingombri e requisiti termici. Tuttavia, come spesso accade, la crescente integrazione delle funzionalità rappresenta l'elemento chiamato a fare da denominatore comune e anche da propulsore dello sviluppo del settore.
