Autor: Brian Blum, Senior Product Marketing Manager, Silicon Labs
El mercado de los dispositivos médicos portátiles (wearables) está experimentando un rápido crecimiento, impulsado por dispositivos que están revolucionando la monitorización, el tratamiento y la terapia de la salud. Este artículo explora cómo la demanda de dispositivos más útiles y menos intrusivos está impulsando la innovación en los sistemas en chip (SoC) embebidos. Examinaremos los requisitos clave de diseño, entre los que se incluyen una mayor precisión, capacidades ampliadas, un tamaño más reducido y una seguridad mejorada, y cómo los avances en la tecnología SoC están abordándolos. Utilizando el ejemplo de los monitores continuos de glucosa (CGM-Continuous Glucose Monitors), profundizaremos en las innovaciones técnicas específicas que están haciendo posibles estos dispositivos médicos portátiles de última generación, lo que en última instancia conduce a mejores resultados de salud para los pacientes.
El auge de los dispositivos médicos portátiles y la necesidad del mercado
Se prevé que el mercado mundial de dispositivos médicos portátiles crezca de un valor de 120.100 millones de dólares en 2024 a 543.900 millones de dólares en 2034. Esta importante expansión está impulsada por una nueva generación de dispositivos médicos regulados, distintos de los rastreadores de actividad física no regulados, que proporcionan datos críticos y precisos para el diagnóstico y el tratamiento. Dispositivos como marcapasos, monitores respiratorios y monitores continuos de glucosa (CGM) están a la vanguardia de esta evolución.
El creciente entusiasmo por estos sofisticados dispositivos está ejerciendo presión sobre los fabricantes para que ofrezcan productos que sean a la vez más potentes y más discretos. Los objetivos clave de diseño para la próxima ola de dispositivos médicos portátiles incluyen:
- Mejora del rendimiento y la precisión: mayor precisión en la recopilación y el análisis de datos.
- Ampliación de las capacidades: capacidad para realizar funciones y análisis más complejos en el propio dispositivo.
- Tamaño más reducido: formatos menos intrusivos que mejoran la comodidad y la participación del paciente.
- Mayor duración de la batería: mayor duración operativa para una monitorización continua y una recarga menos frecuente.
- Mayor seguridad: protección de datos robusta para cumplir con las estrictas normas reglamentarias y garantizar la privacidad de los pacientes.
Está claro que los ingenieros tienen que innovar en múltiples frentes, desde el bajo consumo energético hasta el procesamiento avanzado y el envolvente inteligente, para crear la próxima generación de componentes que alimentarán estos dispositivos que cambian la vida.
Monitores continuos de glucosa: un caso práctico de la evolución de los SoC
Para comprender cómo las exigencias de los dispositivos médicos portátiles están dando forma al diseño de los SoC, consideremos la evolución de los monitores continuos de glucosa (CGM). Durante décadas, los diabéticos controlaban su enfermedad mediante análisis de sangre periódicos mediante punción en el dedo. El desarrollo de medidores de glucosa portátiles supuso un importante avance, pero seguía proporcionando solo una instantánea de los niveles de azúcar en sangre.
Los CGM actuales representan un paso monumental. Se trata de un pequeño dispositivo con forma de disco que se lleva en el cuerpo con un diminuto sensor insertado justo debajo de la piel: el CGM monitoriza continuamente los niveles de glucosa (Figura 1). Este flujo de datos en tiempo real proporciona una imagen completa de las tendencias y los picos de glucosa, lo que permite a los pacientes tomar medidas correctivas mucho antes de experimentar los síntomas de un desequilibrio de glucosa. Los últimos modelos también ofrecen funciones prácticas, como conectividad con teléfonos inteligentes y alertas personalizables, lo que mejora significativamente la participación de los pacientes y, por extensión, los resultados en la salud.
Figura 1. Un monitor continuo de glucosa típico (Fuente: Halfpoint Images / Getty)
Sin embargo, la búsqueda de una mayor implicación de los pacientes y de mejores resultados de salud está impulsando la próxima ola de innovación. Los pacientes y los profesionales sanitarios buscan ahora dispositivos más pequeños, más duraderos y que ofrezcan análisis más sofisticados. Aquí es donde los SoC avanzados se convierten en el verdadero motor del progreso.
Innovaciones en el diseño de SoC
Las exigencias de los dispositivos médicos portátiles de última generación están impulsando a los ingenieros de SoC a lograr avances en varias áreas clave:
- Procesamiento y memoria avanzados: La integración de aceleradores de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML-Machine Learning) basados en hardware en los microcontroladores (MCU) supone un cambio revolucionario. Estos aceleradores, combinados con una mayor memoria RAM y Flash, permiten algoritmos más complejos y el análisis de datos en el dispositivo. En lugar de limitarse a transmitir datos sin procesar a un smartphone, un futuro SoC CGM podría analizar tendencias, predecir niveles futuros de glucosa e incluso activar alertas basadas en modelos predictivos personalizados. Esta capacidad de «cálculo periférico ó eedge computing» reduce la latencia y la dependencia de dispositivos externos, lo que hace que el dispositivo wearable sea más autónomo y receptivo.
- Conversión analógica-digital superior: La precisión es fundamental en los dispositivos médicos. Aunque muchos SoC para dispositivos portátiles integran convertidores analógico-digitales (ADC) de 12 o 14 bits, la industria está empezando a ver la aparición de ADC de 16 bits. Al evaluar estos componentes, los diseñadores deben mirar más allá de la velocidad de bits nominal y tener en cuenta el número efectivo de bits (ENOB-Effective Number of Bits). El ENOB proporciona una medida más realista del rendimiento del ADC, indicando la resolución real en condiciones reales. Un ENOB más alto se traduce en datos de sensores más precisos y fiables, lo cual es esencial para tomar decisiones médicas informadas.
- Consumo de energía ultrabajo: La duración de la batería es un factor diferenciador fundamental para los dispositivos portátiles. Los pacientes quieren un dispositivo que puedan llevar durante semanas, no solo días. Los diseñadores de SoC están abordando este reto con nuevas funciones de eficiencia energética. Un ejemplo es la integración de convertidores elevadores CC-CC. Esto permite que el dispositivo funcione de manera eficiente en un amplio rango de voltaje, lo que permite el uso de baterías de una sola celda más pequeñas y fácilmente disponibles, como las alcalinas o las de botón de óxido de plata, además de las baterías de ionen litio. Esta flexibilidad da a los diseñadores la libertad de crear dispositivos más compactos sin sacrificar la potencia ni el rendimiento.
- Conectividad avanzada: Bluetooth Low Energy (LE) es el estándar inalámbrico elegido por muchos dispositivos médicos portátiles, pero el cuerpo humano es un entorno intrínsecamente difícil para las señales de radio. El cuerpo absorbe y refleja las ondas de radio, lo que puede degradar la calidad de la señal. Para superar esto, los proveedores de SoC se están centrando en mejorar la sensibilidad de la radio. Una radio más sensible requiere menos energía para enviar y recibir señales, lo que prolonga la vida útil de la batería y garantiza una conexión estable y fiable con un dispositivo complementario, como un smartphone.
- Encapsulado miniaturizado: en un sector en el que cuanto más pequeño, mejor, el encapsulado de los SoC es un factor crucial. Tradicionalmente, reducir el tamaño de un chip significaba comprometer la potencia de cálculo o la capacidad de memoria. Sin embargo, algunos proveedores de SoC están empleando ahora tecnologías de encapsulado avanzadas, como el encapsulado a escala de chip a nivel de oblea (WLCSP). Este método permite una reducción significativa del espacio sin sacrificar el rendimiento ni la eficiencia energética, lo que permite el diseño de dispositivos médicos portátiles verdaderamente discretos y cómodos.
Figura 2. La familia de SoC inalámbricos EFR32BG29 de Silicon Labs ofrece la solución ideal para dispositivos médicos portátiles avanzados (Fuente: Silicon Labs)
El futuro de la salud integrada
Las innovaciones que se están produciendo en los SoC embebidos están allanando el camino para una nueva generación de dispositivos médicos portátiles que no solo son más capaces, sino que también cambian fundamentalmente la forma en que los pacientes gestionan su salud. De cara al futuro, estos avances podrían conducir finalmente a la integración funcional de dispositivos que actualmente están separados. Por ejemplo, el monitor continuo de glucosa y la bomba de insulina, que hoy en día funcionan de forma independiente, podrían combinarse algún día en un único sistema inteligente y sin fisuras, creando una solución de circuito cerrado que simplifique el control de la diabetes y mejore la calidad de vida de los pacientes.
Las exigencias de este mercado dinámico están ampliando los límites de lo posible en el diseño de semiconductores. La próxima generación de dispositivos médicos portátiles no se limitará a monitorizar la salud, sino que proporcionará a los pacientes y a los médicos un nivel de información y comodidad que antes solo se veía en la ciencia ficción, todo ello gracias al modesto pero potente SoC embebido.
