人々が健康を重視するようになり、多くの国が人口の高齢化という課題に直面するにつれて、医療用ウェアラブル デバイスの需要が急速に高まっています。これらのウェアラブル デバイスは通常、バッテリーで動作し、低消費電力と小型フォーム ファクターが求められるため、このような製品の設計には課題が生じます。この記事では、医療用ウェアラブル デバイスの設計要件と、onsemiが提供する関連ソリューションについて紹介します。
医療用ウェアラブルデバイスは宇宙の小型化を目指す
医療用ウェアラブルデバイスの設計要件は、さまざまなアプリケーションシナリオや対象ユーザーによって異なる場合があります。ただし、一般的には、スペースの最適化とデバイスの小型化が追求されるのが一般的です。着用者の快適性と利便性を高めるために、医療用ウェアラブルデバイスは、サイズと重量を可能な限り最小限に抑え、小型の部品とシステムを使用してさまざまな機能と通信回路を統合する必要があります。
多様な機能要件を満たすために、医療用ウェアラブル デバイスではフレキシブル回路技術を採用し、デバイスが着用者の体の輪郭に適合し、設計の柔軟性と信頼性を向上させる必要があります。一方、医療用ウェアラブルデバイスの主な目的は、正確な生理学的データを医療提供者に迅速かつ速やかに送信することです。したがって、設計においては、十分な電力と高い信号整合性の両方を確保することが不可欠です。これには、効率的な電源設計、ボード間コネクタ、FPCコネクタ、適切な信号処理および伝送アルゴリズムの使用が必要です。
医療用ウェアラブル デバイスは人間の健康と安全に関わる製品であるため、米国FDA、EU CEなどの関連規制や基準に準拠する必要があります。そのため、医療規制や安全基準に従って製品の品質と有効性を確保するために、設計段階でリスク評価とテスト検証を実施する必要があります。
低電力ウェアラブルデバイス向けの完全なソリューション
Onsemiは、埋め込み型医療機器の顧客からのフィードバックをRSL10の設計に取り入れました。これらの顧客は、充電せずに小型バッテリーで何年も動作するデバイスを必要としています。ウェアラブル デバイス アプリケーション向けに、オンセミコンダクターのRSL10 Bluetooth® Low Energy (Bluetooth LE) デバイスは、超低電力特性を提供します。スリープ モードでは、RSLシリーズのすべての製品は、nA範囲の電力消費で非常に低いデューティ サイクルで動作できます。
補聴器などのオーディオを扱うアプリケーションにはオーディオ コーデックが必要です。RSL10には、G.722やCELTなどのオーディオ コーデックを実行できるLPDSP32が統合されています。LPDSP32プロセッサは、オーディオ データの最も効率的で低消費電力の圧縮/解凍用に設計された専用のハードウェア ブロックです。omsemiのEZAIRO® 7160ワイヤレス事前構成DSP (RSL10搭載) は、補聴器などの小型フォーム ファクタの低消費電力オーディオ アプリケーションに最適です。
ウェアラブルデバイスには通常、厳しいサイズ要件があります。接続用のはんだボールを備えたWLCSP (ウェーハレベル チップ スケール パッケージ) シリコン ダイを選択すると、民生用電子機器、医療用使い捨て製品、ウェアラブル、IDタグなど、最小限のフォーム ファクタを必要とするアプリケーションに最適です。RSL10 WLCSPは、2.32 mm x 2.36 mmという極小サイズで、厚さはわずか0.35 mmです。RSL10 QFNパッケージは6 mm x 6 mm、RSL15 QFNパッケージは5 mm x 5 mmと、いずれも非常にコンパクトです。
RFシステムの開発には、ハードウェア環境に合わせて周囲のコンポーネントとアンテナを選択するという複雑さが伴います。FCC、CE、その他の規制機関などの規格の要件を満たすには、必要なすべての受動部品 (水晶、電源デカップリング、アンテナ整合回路など) と統合アンテナを統合した事前認定モジュールを選択できます。この場合、RSL10 SIPは理想的なソリューションです。すべての受動部品とアンテナを、6 mm x 8 mm x 1.46 mmの認定モジュール内に統合しています。
オンセミコンダクターは医療用部品のサプライヤーとして長い歴史を誇り、その経験を活かして、心臓モニタリングや管理、神経刺激などのインプラントや生命に関わるアプリケーションで使用するためのMD-RSL10を設計しています。
お客様の製品開発を加速するために、オンセミコンは、お客様のプロジェクトの開始点として機能し、開発を迅速化できる検証済みのリファレンス デザインをいくつか提供しています。リファレンス デザインには通常、アプリケーション ハードウェア、ファームウェア、部品表 (BOM)、回路図、PCB製造ファイルが含まれます。onsemiは、RSL10センサー開発キット、RSL10アセット タグ、エネルギー ハーベスティングBluetooth低エネルギー スイッチ、RSL10スマート ショット カメラ プラットフォーム、セキュア トランスミッションなど、さまざまな低電力リファレンス デザインを提供しています。
開発者は、個人の健康情報や支払い取引情報などの機密データを保護する場合、1つ以上のセキュリティ メカニズムを組み込む必要があります。RSL15には、本物のハードウェアベースの信頼のルートと、ハードウェア アクセラレーション暗号化アルゴリズム用のArm暗号セルを備えた最新の組み込みセキュリティ機能が含まれています。
リモート監視デバイスは、デバイスがほとんどの時間スリープ モードのままで、ときどき起動していくつかのデータ パケットを送信してから再びスリープ状態に戻る、一般的なモノのインターネット (IoT) アプリケーションです。RSL15は、ほぼすべてのアプリケーションの要件に適合する複数の低電力モードを提供するため、このようなアプリケーションに最適です。
複数のプロトコルをサポートする低電力ワイヤレス無線システムオンチップ
RSL10は、超低電力ワイヤレス アプリケーションを可能にするBluetooth 5.2マルチプロトコル ワイヤレス無線システム オン チップ (SoC) です。RSL10は、ディープ スリープ モードで62.5nW、受信モードで7mWという業界トップクラスの低消費電力を実現し、システム サイズとバッテリ寿命を最適化して、さまざまな高度なワイヤレス機能をサポートします。この高度に統合されたワイヤレスSoCは、デュアルコア アーキテクチャと2.4GHzトランシーバーを備えており、Bluetooth Low Energyと2.4GHzカスタム プロトコルの両方を柔軟にサポートし、無線経由のファームウェア更新 (FOTA) をサポートします。
RSL10は柔軟な電圧範囲 (1.1V ～ 3.3V) 内で動作するため、外部DC/DCコンバータを必要とせず、1.2Vおよび1.5Vのバッテリーで駆動するデバイスに適しています。5.50 mm2 WLCSPおよび6 x 6 mm QFNパッケージで提供されます。さらに小型のフォーム ファクター向けに、ワイヤレスSoCは完全なシステムインパッケージ (SiP) ソリューションも提供します。
RSL10は、最大48 MHzのクロック速度を持つプログラム可能なArm Cortex-M3プロセッサを搭載した高精度デュアルコア構造を特徴とし、2.4 GHzの独自プロトコル スタックとカスタム プロトコル スタックを柔軟にサポートします。組み込みデジタル信号プロセッサ (DSP) は、ワイヤレス オーディオのエンコードやデコードなどの信号処理を多用するアプリケーションをサポートします。
RSL10のオンチップおよびソフトウェア ワイヤレス サポートには、2.4 GHz無線周波数フロントエンド (RFFE) と、最大2 Mbpsのデータ レートをサポートするBluetooth 5.2認定ベースバンド コントローラが含まれます。RSL10開発ツールキットは、さまざまなBluetooth Low Energyプロファイルを提供します。この高度に統合されたSoCには、堅牢なデュアルコア アーキテクチャ、効率的な電源管理ユニット、発振器、フラッシュおよびRAMメモリ、DMAコントローラ、周辺機器およびインターフェイスが含まれており、フラッシュ コンテンツを保護するためのIP保護を備えた384kBの組み込みフラッシュと、構成可能なアナログおよびデジタル センサー インターフェイス (GPIO、LSAD、I2C、SPI、PCM) を備えています。
RSL10は医療用ウェアラブル デバイスに最適です。その一般的な最終製品には、フィットネス トラッカー/アクティビティ モニター、スマートウォッチ、補聴器/ヒアラブル デバイス、心拍数モニター、血糖値モニター (BGM)、持続血糖値モニター (CGM)、パルス オキシメーターなどがあります。
RSL10ソフトウェア開発キット (SDK) は、Eclipse® 用の無料のonsemi統合開発環境 (IDE) をベースとしており、Keil μVision® およびIAR Embedded Work Benchをサポートしています®。完全なBluetooth Low Energyプロトコル スタックを提供し、AndroidおよびiOSアプリケーション (ファームウェアの無線アップデート) をサポートし、FreeRTOS™ をサポートします。
医療用スマートコネクテッドデバイスの要件を満たすワイヤレスマイクロコントローラとオーディオプロセッサ
onsemiのRSL15は、Arm® Cortex®−M33プロセッサをベースにした低消費電力で安全なBluetooth Low Energy 5.2ワイヤレスMCUで、産業および医療アプリケーションにおけるインテリジェントな接続デバイス向けに設計されています。RSL15は、内蔵電源管理、広い電圧範囲、柔軟なGPIOおよびクロック スキーム、広範な周辺機器を備えており、高性能かつ低電力のアプリケーションに最大限の設計柔軟性を提供します。RSL15には80kBのRAMが搭載されており、284kBまたは512kBの2つのフラッシュ オプションが用意されています。主に、産業オートメーションおよびセンシング、接続された医療IoTセンサー、ウェアラブル、資産追跡、電子タグおよびアクセス制御、電子ラベル、データロガー、スマート家電、エネルギーハーベスティングスイッチなどに使用されます。
RSL15は、業界をリードする汎用MCUであり、業界で最も低消費電力のフラッシュベースのセキュアBluetooth Low Energy MCUです。最新の組み込みセキュリティ技術とルート オブ トラストを統合し、長距離および位置特定機能を備えたBluetooth Low Energy 5.2をサポートし、包括的でユーザー フレンドリなソフトウェア開発キット (SDK) を提供します。このSDKには、iOSとAndroidの両方をサポートするドライバー、ライブラリ、サンプル コード、開発ツール、モバイル アプリが含まれており、iOSおよびAndroid用のRSL15 CentralとRSL FOTAも含まれています。
onsemiは、EZAIRO 7160 SLと呼ばれる補聴器用のワイヤレス機能DSPオーディオ プロセッサも提供しています。Ezairo 7160 SLは補聴器のワイヤレス接続を可能にし、Bluetooth Low Energyやその他の2.4 GHzワイヤレス プロトコルをサポートするプログラム可能なDSPベースのハイブリッド モジュールです。
このデバイスには、電力性能を犠牲にすることなく375 MIPSを実現する高精度のクアッドコア アーキテクチャを備えたEzairo 7100デジタル信号プロセッサ (DSP) が搭載されています。これは、Bluetooth 5認定を受けており、ワイヤレス センシングにおいて業界で最も低い消費電力を誇るRSL10無線集積回路とシームレスにインターフェースします。Ezairo 7160 SLには、重要な補聴器パラメータとファームウェアを保存するための2 Mb EEPROMメモリであるEA2Mも含まれています。Ezairo事前構成スイート、オープンプログラミング評価および開発キット (EDK) などの開発ツールが提供されます。Ezairo 7160 SLは、ワイヤレス接続、オーディオ処理、ステレオ オーディオ ストリーミング、Bluetooth Low Energy制御に使用でき、補聴器で最もよく使用されます。
結論
医療用ウェアラブルデバイスの設計では、低消費電力、小型フォームファクタ、安全規制への準拠が追求されています。したがって、医療用ウェアラブル デバイスの厳しい要件を満たすには、高度に統合された低電力コンポーネントが不可欠です。onsemiは、システム オン チップ ワイヤレス システム、マイクロコントローラ、ワイヤレスBluetoothチップ、オーディオ プロセッサなど、医療用ウェアラブル デバイス向けにカスタマイズされたさまざまな医療用コンポーネント ソリューションを提供しています。これらのソリューションは、高い統合性、低消費電力、コンパクトなサイズを特徴としています。また、包括的なソフトウェアおよびハードウェア開発ツールも付属しており、オンセミコンダクターは関連製品の開発者にとって理想的なパートナーとなります。