מבוא: התפקיד הקריטי של ADCs במכשירים לבישים ובלתי ניתנים להשתלות

ניטור בריאות לבישת ומערכות רפואיות מושתלות התפתחו במהירות מדלפק צעד פשוט לפלטפורמות מתוחכמות שעקב אחר אותות פיזיולוגיים כגון אלקטרוקרדיגרוגרם (ECG), אלקטרונספאולוגרם (EEG), רמות גלוקוז בדם ופעילות עצבית.בלב המערכות הללו מצויה באופן קבוע בהתראות של מכשירים אנלוגיים-לגנטיים (ADC), המתורגמים אותות ביולוגיים זעירים, לעתים קרובות לנתוני דיגיטלי שניתן לעבד, או לפתחם, כדי לדגמי סוללה גבוהים, כדי למקם אותם, כדי לשמור על מנת לשמור על מנת לפתח את הגורמים לדגימים את הגורמים לדגימים את התכונות הקומפקטיים בעלי יכולת טיפולית גבוהה של חומרים קומפקטיים של חומרים קומפקטיים של חומרים קומפקטיים בעלי יכולת עיבוד של חומרים קומפקטיים, או ל-DC.

אתגרים מימון בעיצוב ADC עבור מכשירים ביו-רפואיים

הסביבה הביולוגית מציבה דרישות מחמירות על ביצועי ADC, השונה באופן משמעותי מיישומים תעשייתיים או צרכנים קונבנציונליים.שלוש אתגרים עיקריים שולטים במסחר העיצוב:

  • (ב) ⁇ :0) ,Extreme Power Constraints: ⁇ FLT:1 (המכשירים הבלתי ניתנים להשתלות חייב לפעול במשך שנים על סוללה אחת או אנרגיה מנרכשת (FLT:2EE Study on low-Power ADCsFLT 3).
  • (FLT:0) Noisy ודינמית Signal Environment: ADC חייב לשמור על יחס אות גבוה (SNR) ועיוות נמוך אפילו כאשר הקלט הוא נמוך כמו כמה מיקרו-וולנטים.
  • (FLT:0) מיליטריזציה ללא פשרות: bouable מכשירים כמו שעונים חכמים וצגים גלוקוז מתמשך דורשים מודולים ADC אשר תופסים פחות ממילימטר רבוע של שטח סיליקון.
  • (FLT:0) אמינות וארוכותיות: מכשירים רפואיים של LT:1 חייבים לפעול ללא פגם במשך שנים רבות, לעתים קרובות בתנאים קשים בתוך הגוף (טבע, וריאציות טמפרטורה, מתח מכני). עיצוב ADC חייב לשלב איתן נגד סחף רכיב וכישלון.

התייחסות לאתגרים אלה דורש גישה הוליסטית הרואה את שרשרת האות כולה, מחיישנים לעיבוד דיגיטלי וממנף את ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית מוליכים למחצה ועיצוב מעגלים.

שיקולים עיצוביים

גודל וכושר אופטימיזציה

(החלל של מודול ADC אינו רק על דרוג טרנזיסיסטים.מעצבים מעסיקים מספר טכניקות להשגת הפחתה בגודל ללא הקרבה של ביצועים:0System-on-chip (SoC) אינטגרציה של מודול LT או שילוב של ADC, אנלוגי מלפני-end, עיבוד דיגיטלי, ולפעמים אפילו טרנסצ'יבים אלחוטיים על יחיד מת:2F מתקדמת טכנולוגיות קטנות יותר, כמו גם מספר אינטגרציה של שבבים (DLC) של מספר אינטגרציה, כגון אינטגרציה (DLC) של מספר אינטגרציה) של מספר רכיבי טביעת רגלים (DLC) ו-RLC) של מספר מחסנית (DLC) ו-R.

אסטרטגיות יעילות

צריכת חשמל היא ככל הנראה המגביל הקריטי ביותר עבור מכשירים רפואיים המופעלים על ידי סוללות. המדינה-of-the-art ADCs עבור לבישים להשיג יעילות כוח מתחת 1 fJ לצעד המרה.

  • (FLT:0Architecture Selection:FLT:1irive Approximation הרשמה (SAR) ADCs משמשים נרחב עבור יעילות הכוח מעולה שלהם בהחלטות מתון (10-12 ביטים) עבור החלטה גבוהה יותר (16-20 ביטים), ממירי דלה-סגמה עם oversampling מועדפים הם מועדפים, אם כי הם דורשים יותר כוח; תכנון זהה של מודולטור ו decimation יכול לייעל את הסינון זה יכול לסינון מסחר.
  • (FLT:0) מתח דינמי ותדירות התדירות (DVFS): FLT:1, ADC מאמת את מתח האספקה שלו ואת קצב השעון בהתבסס על הפעילות המיידית של האות הפיזיולוגי.
  • (FLT:0) רכיבה על אופניים ועוצמה: FIRLT:1 , אותות ביו-רפואיים רבים, כגון ECG או EEG, יש תקופות של quiescence. ADC יכול להיות כבוי לחלוטין בין מרווחי דגימה, חיסכון אנרגיה משמעותית.
  • (FLT:0)אנרגיה קצירת שילוב: FLT:1 כמה עיצובים משלבים משככי כאבים או תרמואלקטריים כדי להשלים את הסוללה, צמצום הכוח הכולל שנלקח ממקור האנרגיה העיקרי.

דרישות סודיות והחלטות

ההחלטה הנדרשת של ADC במערכת ביו-רפואית תלויה בטווח הדינמי של אות היעד.לדוגמה, אותות ECG עשויים לדרוש 12-16 ביטHz ללכוד P-waves ו QRS מורכב במדויק, בעוד הקלטה עצבית עבור ממשקי מחשב המוח עשויים להיות נחוצים 14-18 ביטים בגלל הפחתת הספיקים הזעירים (ENOB) היא לעתים קרובות יותר משמעותית מאשר אותות פיזיולוגיים, כמו גם על ידי פילטרים (מסוגים) של תסמינים יעילים יותר מ-מדומים לרעשים) על ידי פיזיולוגיים (מדומים לרעשים) ומעטים) יש צורך לעתים קרובות יותר מאשר פיזיולוגיים (מדומים לרעשים) על ידי תסמינים של תסמינים של תסמינים של תסמינים) על ידי פיזיולוגיים (מדומים (מסוגל-מסוגים) על ידי תסמינים) על ידי תסמינים) על ידי תסמינים נמוכים יותר מאשר תסמינים (מדומים (מדומים (מדומים לרעשים) על ידי תסמינים של תסמינים של תסמינים של תסמינים) על ידי תסמינים של תסמינים של תסמינים של תסמינים) על ידי תסמינים של תסמינים של

המונחים: right integrity

(ה) אותות ביולוגיים הם רועשים מטבעם (המודול ADC) חייבים לכלול מספר טכניקות להפחתה של רעשים (FLT:0Low-noise amplifiers) (LNAs) , 1 עם רווח שניתן להעלות את האות לפני המרה, אך הם גם מספקים את אותות ההפיכה התרמית והפלאשלר שלהם לשימוש ב-FLT:2choperational 3 או FLT:4 עם קידוד דיגיטלי:

אסטרטגיות עיצוב מתקדמות וטכניקות

ADC אדריכלות בחירה: SAR לעומת דלתא-סיגמה לעומת פייפרליין

בחירת ארכיטקטורת ADC היא מרכזית במתן כוח, מהירות ודרישות החלטה של מכשירים לבישים ושתלים.

  • (FLT:0 SAR ADCseur: FLT:1 אידיאלי עבור החלטה מתונה (עד 12-14 ביטים) עם שיעורי דגימה עד כמה מגה-מפרס לשנייה.
  • (FLT:0)Delta-Sigma ADCs:veFLT ( 1:1 להציע החלטה גבוהה מאוד (16-24 ביטים) על ידי oversampling ורעש עיצוב.הם מתאימים היטב לסימנים נמוכים (DC עד כמה kHz) בדרך כלל נמצא ביישומים ביו-רפואיים.
  • (FLT:0)Pipeline ADCs:FLT1 מספק מהירות גבוהה ורזולוציה (10-14 ביט בעשרות MS /s) אבל הם בדרך כלל מדי כוח-hungry עבור מכשירים מושתלים ביותר.הם משמשים לעתים במערכות שניתן ללבוש הדורשות המרת נתונים במהירות גבוהה, כגון אולטרסאונד דימות.
  • (FLT:0) הגדלת ADCs (dual-slope): רזולוציה גבוהה מאוד ודחיית רעש, אבל מהירות ההמרה איטית בשימוש בהתקני מדידה מדויקים כמו התרמומטריה דיגיטלית, אך פחות נפוץ בלבוש.

עבור רוב היישומים לבישים ושאיל, SAR ADCs לשלוט במרחב הרזולוציה התחתון, בעוד ממירי דלה-סיגמה מועדפים כאשר מגוון דינמי גבוה הוא חיוני. כמה אדריכלות היברידית, כגון SAR-sted delta-sigma מודולulators, במטרה לשלב את היתרונות של שניהם.

אנליזה Front-End Optimization

הביצועים של מודול ADC מושפע מאוד מן המעגל הקדמי הקדמי כי תנאים אות חיישן הגלם. (FLT:0) אינפלציה amplifiersFLT:1 עם יחס דחייה משותף גבוה (CMRR) דוחה התערבות של קווי כוח ומקורות אחרים של הדבקה משותפת-מודה.

המונחים: differentaturization Through Advanced fabrication

תהליכי CMOS מובילים עם גדלים של 28 nm או קטן יותר מאפשרים ADC מודולים עם צפיפות גבוהה מאוד וכוח נמוך.עם זאת, מעגלים אנלוגיים אינם בקנה מידה כמו מעגלים דיגיטליים; לכן, מעצבים לעתים קרובות להשתמש FLT:0דיגיטליים-אסד טכניקות אנלוגיות מואצות של סיליקון (ICMRLT) 1 כגון כיור רקע ותיקון דיגיטלי כדי להירגע דרישות דיוק אנלוגי.

ניהול חשמל ואנרגיה

מעבר לחסימות מעגליות בעלות כוח נמוך, הארכיטקטורה הכוללת של ניהול הכוח קובעת את המעשיות של מכשיר בעל עוטה או מושתל.FLT:0Dynamic power scaleingFLT:1 מאפשר ADC לפעול בצורות שונות: מצב השתלת מהירות גבוהה, גבוה ברזולוציה גבוהה עבור ניטור פעיל ומצב שינה חלופי עם גירוי תקופתי מחזורי.

טכניקות ניכוי רעש

(ב) כדי להשיג את המגוון הדינמי הגבוה הנדרש עבור אותות ביו-רפואיים, מעצבים משתמשים בשיטות הפחתה מתוחכמות של רעש (FLT:0ChoppingFLT:1match) מאמתים את האות לתדירות גבוהה יותר כדי להפריד אותו מרעש ה-Flicker של מגברים, ולאחר מכן מדגימים אותו בחזרה, ולהפחית את הפחתת ה-Fate-Fate-Fate-Fate-Fate (במיוחד מ-Flow-Fate-Fate-Fate-Fate) באופן יעיל של , במיוחד, כולל קיבולת של קיבולת נמוכה של LT5 (מפרקים).

טכנולוגיות וחדשנות

נוירומורפיליקה ADCs עבור אולטרה-Low-Power

בהשראת הפעולה של נוירונים ביולוגיים, תהליכים נוירומורפיים ADCs תהליך אותות באופן מונע אירוע ולא sampling מתמשך.הממירים האלה רק לייצר קודים דיגיטליים כאשר אותות קלט משתנים על ידי כמות משמעותית, להפחית באופן דרסטי צריכת חשמל עבור אותות מלוחים כמו ספייקטים עצביים.מחקר אבטיפוסים הוכיחו רמות כוח נמוך כמו כמה ננואטים (FLT:0 דוחות טבע מדעיים על גירוי עצביים על מעבדים עצביים על ידי נוירו-פרימיים לעתים קרובות).

אלקטרוניקה גמישה ומתיחה

סיליקון נוקשה מסורתי ICs הם משלימים על ידי מעגלים מודפסים גמישים שיכולים להיות מעוות, מעוות, ותואמים לגוף האנושי. ADCs גמיש, בנוי על transistors סרט דק (TFTs) באמצעות תרכובות אורגניות או amorphous oxideors, הם עדיין בפיתוח מוקדם אבל מבטיח עלויות נמוכות וחלקיות לתוך כתמים לביבש וחכמים.

עיבוד אותות AI-Enhanced ב- Edge

אינסטלציה מלאכותית (AI) ישירות לתוך מודול ADC או הליבה הדיגיטלית הסמויה מאפשרת סיווג אות בזמן אמת וזיהוי אנומלי.לדוגמה, מאיץ AI יכול לנתח את נתוני ECG מה- ADC כדי לזהות arrhythmias ולהפוך התראות מבלי לשלוח נתונים גולמי לשרת ענן.זה מקטין את צריכת החשמל לתקשורת ולשפר את הפרטיות של המשתמש.

חשמל ו-Data Telemetry

מכשירים עתידיים מותאמים לסוללות יסלקו לחלוטין, ויתמכו על העברת חשמל אלחוטית מ משדר חיצוני.המודול ADC חייב להיות מתוכנן לפעול תחת רמות כוח משתנה וכולל מעגלים בעלי עוצמה ומכוני אנרגיה (capacitors קטנים או סוללות פילים דקים) באותו קישור אלחוטי יכול לשדר נתונים, אך צריכת החשמל הגבוהה של טלמט נותרה אתגר.

בדיקות ואימות של ADC מודולים למכשירים רפואיים

(היישומים הרפואיים דורשים בדיקות קפדניות כדי להבטיח בטיחות ואמינות. ADC מודולים עבור מכשירים מותשים חייב לעמוד בסטנדרטים כגון ISO 13485 (ניהול איכות) ו- IEC 60601 (בטיחות וביצועים חיוניים) כוללים ביצועים כוללים את FLT:0דינמית ביצועים אפיון עצמיים של מערכת ההפעלה ALT5: 4FD) עם תכונות קריטיות (SLT) של LT-FD2 (קיצור של אספקת חשמל)

תחזית לעתיד ומסקנות

הפחתת מתמיד של טכנולוגיית המוליכים למחצה, בשילוב עם חידושים באדריכלות המעגל וניהול החשמל, דוחפת את הגבולות של מה אפשרי עבור מודולים ADC במכשירים לבישים וניתלים.כפי שהחלטות עולות בעוד צריכת החשמל יורדת, יישומים חדשים מופיעים: מערכות משלוח סגורות של תרופות, ממשקים עצביים בעלי ערך גבוה עבור שליטה אסתטית, ומוניטורים רפואיים רב-מודולאליים שיכולים לחזות אירועים רפואיים חיוניים, לפני ש-Facti-of-of-of-of-of-of-F-of-of-of-act-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-act, ישמרו-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-act-of-of-of-of-of-of-of-of-of-the-of-of-of-act-of-of-of-com, אשר יאפשרו-of-act-of-of-of-act-of-of-D-D-