حلول الرقائق لتطبيقات الرعاية الصحية والأجهزة الطبية
ويختلف التخطيط المطلوب لتصميم الرقائق للتطبيقات الطبية تمامًا عن المجالات الأخرى، بل ويختلف تمامًا عن الأسواق ذات المهام الحرجة مثل السيارات ذاتية القيادة.وبغض النظر عن نوع الجهاز الطبي، فإن تصميم الرقائق الطبية سيواجه ثلاثة تحديات رئيسية: استهلاك الطاقة والسلامة والموثوقية.
في تطوير أشباه الموصلات المستخدمة في الرعاية الصحية، يجب على المطورين أولاً التأكد من انخفاض استهلاك الطاقة للأجهزة الطبية، والأجهزة القابلة للزرع هي متطلبات أكثر صرامة لذلك، لأن مثل هذه الأجهزة تحتاج إلى وضعها جراحيًا في الجسم وإزالتها، ويجب أن يكون استهلاك الطاقة أقل بشكل عام، يريد الأطباء والمرضى أن تدوم الأجهزة الطبية القابلة للزرع لمدة تتراوح بين 10 إلى 20 عامًا، بدلاً من استبدال البطارية كل بضع سنوات.
وتتطلب معظم الأجهزة الطبية غير القابلة للزرع أيضًا تصميمات منخفضة الطاقة للغاية، لأن هذه الأجهزة تعمل في الغالب بالبطارية (مثل أجهزة تتبع اللياقة البدنية الموجودة على المعصم).يحتاج المطورون إلى النظر في تقنيات مثل العمليات منخفضة التسرب ومجالات الجهد ومجالات الطاقة القابلة للتحويل لتقليل استهلاك الطاقة النشطة والاستعدادية.
الموثوقية هي احتمال أن تؤدي الشريحة الوظيفة المطلوبة بشكل جيد في بيئة معينة (داخل جسم الإنسان، على المعصم، وما إلى ذلك) لفترة زمنية محددة، والتي ستختلف اعتمادًا على استخدام الجهاز الطبي.تحدث معظم حالات الفشل في مرحلة التصنيع أو قرب نهاية العمر الافتراضي، ويختلف السبب الدقيق وفقًا لخصائص المنتج.على سبيل المثال، يبلغ العمر الافتراضي لجهاز الكمبيوتر المحمول أو الجهاز المحمول حوالي 3 سنوات.
ترجع حالات الفشل في نهاية العمر في المقام الأول إلى شيخوخة الترانزستور والهجرة الكهربائية.تشير الشيخوخة إلى التدهور التدريجي لأداء الترانزستور مع مرور الوقت، مما يؤدي في النهاية إلى فشل الجهاز بأكمله.تعد الهجرة الكهربائية، أو الحركة غير المرغوب فيها للذرات بسبب كثافة التيار، سببًا مهمًا لفشل التوصيل البيني بين الترانزستورات.كلما زادت كثافة التيار عبر الخط، زادت فرصة الفشل على المدى القصير.
يعد التشغيل السليم للأجهزة الطبية أمرًا بالغ الأهمية، لذلك يجب ضمان الموثوقية في بداية مرحلة التصميم وطوال العملية.وفي الوقت نفسه، يعد تقليل التباين في مرحلة الإنتاج أمرًا ضروريًا أيضًا.تقدم Synopsys حلاً كاملاً لتحليل الموثوقية، يشار إليه عادةً باسم تحليل موثوقية PrimeSim، والذي يتضمن فحص القواعد الكهربائية، ومحاكاة الأخطاء، وتحليل التباين، وتحليل الهجرة الكهربائية، وتحليل عمر الترانزستور.
يجب تأمين البيانات الطبية السرية التي يتم جمعها بواسطة الأجهزة الطبية بحيث لا يتمكن الأفراد غير المصرح لهم من الوصول إلى المعلومات الطبية الخاصة.يحتاج المطورون إلى التأكد من أن الأجهزة الطبية ليست عرضة لأي شكل من أشكال العبث، مثل احتمال قيام أفراد عديمي الضمير باختراق جهاز تنظيم ضربات القلب لإيذاء المريض.بسبب وباء الالتهاب الرئوي الجديد، يستخدم المجال الطبي بشكل متزايد الأجهزة المتصلة لتقليل مخاطر الاتصال بالمرضى وتوفير الراحة لهم.كلما تم إنشاء اتصالات بعيدة، زاد احتمال اختراق البيانات والهجمات السيبرانية الأخرى.
من منظور أدوات تصميم الرقائق، لا يستخدم مطورو شرائح الأجهزة الطبية أدوات مختلفة عن تلك المستخدمة في سيناريوهات التطبيقات الأخرى؛تعد EDA ونواة IP وأدوات تحليل الموثوقية كلها ضرورية.وستساعد هذه الأدوات المطورين على التخطيط بفعالية لتحقيق تصميمات شرائح منخفضة الطاقة للغاية مع موثوقية متزايدة، مع الأخذ في الاعتبار قيود المساحة وعوامل السلامة، التي تعتبر مهمة لصحة المرضى وأمن المعلومات وسلامة الحياة.
في السنوات الأخيرة، أدى تفشي التاج الجديد أيضًا إلى جعل المزيد والمزيد من الناس يدركون أهمية الأنظمة الطبية والأجهزة الطبية.خلال الوباء، تم استخدام أجهزة التنفس الصناعي لمساعدة المرضى الذين يعانون من إصابة شديدة في الرئة من خلال التنفس المساعد.تستخدم أنظمة التنفس الصناعي أجهزة استشعار ومعالجات أشباه الموصلات لمراقبة الإشارات الحيوية.تُستخدم المستشعرات لتحديد معدل وحجم وكمية الأكسجين لدى المريض في التنفس وضبط مستوى الأكسجين بما يتوافق تمامًا مع احتياجات المريض.يقوم المعالج بالتحكم في سرعة المحرك لمساعدة المريض على التنفس.
ويمكن لجهاز الموجات فوق الصوتية المحمول اكتشاف الأعراض الفيروسية مثل آفات الرئة لدى المرضى والتعرف بسرعة على سمات الالتهاب الرئوي الحاد المرتبط بفيروس كورونا الجديد دون انتظار اختبار الحمض النووي.وكانت مثل هذه الأجهزة تستخدم في السابق بلورات كهرضغطية كمسبار للموجات فوق الصوتية، والتي تكلف عادة أكثر من 100 ألف دولار.ومن خلال استبدال البلورة الكهرضغطية بشريحة شبه موصلة، لا يتكلف الجهاز سوى بضعة آلاف من الدولارات ويسمح باكتشاف وتقييم الجسم الداخلي للمريض بشكل أسهل.
فيروس كورونا الجديد آخذ في الارتفاع ولم ينته بعد.من المهم للأماكن العامة فحص درجة حرارة عدد كبير من الأشخاص.تعد كاميرات التصوير الحراري الحالية أو موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء غير المتصلة بالجبهة طريقتين شائعتين للقيام بذلك، وتعتمد هذه الأجهزة أيضًا على أشباه الموصلات مثل أجهزة الاستشعار والرقائق التناظرية لتحويل البيانات مثل درجة الحرارة إلى قراءات رقمية.
تحتاج صناعة الرعاية الصحية إلى أدوات EDA متقدمة لمواجهة تحديات اليوم المتغيرة باستمرار.يمكن لأدوات EDA المتقدمة أن توفر مجموعة متنوعة من الحلول، مثل تنفيذ إمكانات معالجة البيانات في الوقت الفعلي على مستوى الأجهزة والبرامج، وتكامل النظام (دمج أكبر عدد ممكن من المكونات في منصة أحادية الشريحة)، وتقييم تأثير انخفاض تصاميم الطاقة على تبديد الحرارة وعمر البطارية.تعد أشباه الموصلات عنصرًا مهمًا في العديد من الأجهزة الطبية الحالية، حيث توفر وظائف مثل التحكم التشغيلي ومعالجة البيانات وتخزينها والاتصال اللاسلكي وإدارة الطاقة.الأجهزة الطبية التقليدية لا تعتمد على أشباه الموصلات، والأجهزة الطبية التي تستخدم أشباه الموصلات لا تؤدي وظائف الأجهزة الطبية التقليدية فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين أداء الأجهزة الطبية وتقليل التكاليف.
تتطور صناعة الأجهزة الطبية بوتيرة سريعة، ويقوم مطورو الرقائق بتصميم ومواصلة دفع الابتكار في الجيل القادم من الأجهزة القابلة للزرع والأجهزة الطبية للمستشفيات وأجهزة الرعاية الصحية القابلة للارتداء.
