Markedet for medicinske wearables gennemgår en hurtig vækst med produkter, som giver helt nye muligheder for monitering, behandling og terapi med elektronikken. Vi skal i det følgende se, hvordan behovet for mindre – og mindre invasive – medicoprodukter løfter innovationsniveauet inden for de embeddede systemchips (SoC’er)
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Brian Blum, senior product marketing manager, Silicon Labs
De stadigt mindre – og løbende mindre invasive – medicoprodukter løfter innovationsniveauet inden for de embeddede systemchips (SoC’er). De mange nøglekrav, der omgiver disse produkter i form af forbedret præcision, øgede funktionsmuligheder, mindre fysiske størrelser og en højere grad af sikkerhed, fører til nye SoC-løsninger. Et godt udgangspunkt for denne artikel til CGM-produkterne (kontinuert glukosemonitering), hvor vi med eksemplet skal se, hvordan de specifikke tekniske fremskridt gør næste generation af medicinske wearables mulig. Det fører også til et bedre helbred og en forbedret brugerkomfort for patienterne.
Det globale marked for medicinske wearables forventes at stige fra en værdi af 120 milliarder USD (2024) til forrygende 544 milliarder USD i 2034. Denne betydelige udvidelse af markedet er på mange måder drevet fremad af en ny generation af regulerede medicinske produkter, der er i en helt anden klasse end de fitness-trackere, som ikke er underlagt myndighedernes regulering. Det er medicoprodukter, som kan levere præcise data til såvel diagnose som behandling. Produkter som pacemakere, åndedrætsmonitorer og CGM-eksemplet i denne artikel – de kontinuerte glukosemonitorer – er på forkanten af denne udvikling.
Den øgede entusiasme omkring de sofistikerede produkter lægger pres på producenterne for at fremstille produkter, der samtidigt er både mere ydedygtige og mere diskrete. Designmål for den næste bølge af medicinske wearables inkluderer:
• Bedre ydelse og præcision med højere præcision i dataopsamling og -analyse.
• Flere egenskaber med mulighed for at udføre mere komplekse funktioner og analyser i selve apparatet.
• Mindre størrelse med formfaktorer, der forbedrer patientkomfort og -engagement.
• Længere batterilevetid for længere driftstid ved kontinuert monitering med færre opladninger.
• Bedre sikkerhed med robust databeskyttelse af hensyn til strenge regulatoriske standarder og patientbeskyttelse.
Det er klart, at designere skal være innovative på flere fronter lige fra low-power drift over avanceret processorkraft til intelligente kapslinger for at skabe den næste generation af komponenter, der vil forsyne disse livsændrende produkter.
CGM – et casestudie inden for SoC-evolution
For at forstå, hvordan kravene fra de medicinske wearables påvirker SoC-designs, er CGM et godt udgangspunkt for diskussionen. I årtier har diabetikere skullet prikke sig selv i fingeren flere gange dagligt for at måle blodsukkeret (glukosen). Udviklingen af bærbare glukosemålere har givet et kvantespring fremad, men det har hidtil kun været periodiske billeder af blodsukkerniveauet hos brugeren.
Dagens CGM’er repræsenterer nu et monumentalt skridt fremad. En lille diskformet pad båret på kroppen indeholder en bittelille sensor, som er placeret lige under huden, hvorved CGM’en kontinuert kan monitere glukoseniveauet (figur 1). Denne real-time datastream giver et omfattende og løbende billede af glukoseniveauet – både tendenser og spikes – så patienter kan justere for højt eller lavt blodsukker, længe før de får symptomer på ubalance i kroppens glukoseniveau. De nyeste modeller indeholder desuden bekvemme funktioner som smartphone-konnektivitet og kundespecifikke alarmer, der i høj grad gør det lettere for patienten at engagere sig i målingerne for på længere sigt at opnå et generelt bedre helbred.
Jagten på bedre patientengagement og et glimrende helbred driver også komponentinnovationen fremad. Både patienter og leverandører af healthcare-produkter leder nu efter komponenter, der er mindre, mere holdbare og med mere sofistikerede analysefunktioner i produktet selv. Det er netop hér, at de avancerede SoC’er er ”fremskridtets motor” i udviklingen af de nye apparater.
Innovation inden for SoC-designs
Kravene til næste generation af medicinske wearables tvinger SoC-producenter til at levere gennembrud inden for flere områder, hvoraf de fem væsentligste er:
1. Avanceret processor og memory: Integrationer af hardwarebaserede AI- og ML-algoritmer og acceleratorer i mikrocontrollerne er de virkelige gamechangers i designet. Disse acceleratorer ledsaget af løbende større RAM- og flash-memories giver mulighed for mere komplekse algoritmer og dataanalyse i SoC’en selv. Frem for bare at overføre rå data til én smartphone vil fremtidens CGM SoC kunne analysere tendenser, forudsige fremtidige glukoseniveauer og endda trigge alarmer baseret på personlige, forudseende modeller. En sådan ”edge computing” minimerer systemets latency og afhængighed af eksterne apparater, så de aktuelle wearables bliver mere autonome og hurtigt responderende.
2. Fremragende A/D-konvertering: Præcisionen er afgørende i medicinsk elektronik. Mens mange SoC’er til wearables integrerer 12- eller 14-bit A/D-konvertere (analog/digital), så er der i industrien begyndt at komme flere 16-bit A/D-konvertere. Ved evaluering af disse komponenter skal designere se bag om de nominelle bitrater og overveje tallet for det effektive-number-of-bits (ENOB). ENOB giver en mere realistisk målestok for en A/D-konverters ydelse med indikation af, om den nominelle opløsning er under den virkelige verdens forhold. Et højere ENOB svarer til mere præcise og pålidelige sensordata, hvilket er afgørende for velinformerede medicotekniske beslutninger.
3. Ultra low-power forbrug: Batterilevetid er en kritisk konkurrenceparameter i wearables. Patienter vil have monitorer, de kan bære i uger frem for kun dage. SoC-designere tackler denne udfordring med nye energieffektivie funktioner. Ét eksempel er integrationen af DC/DC boost-konvertere. De gør en komponent i stand til at arbejde effektivt over et bredt spændingsområde, så man kan anvende mindre, men mere kommercielt tilgængelige single-celle-batterier som alkaliske- eller sølvoxid-knapceller ud over de gængse lithium-ion-batterier. Denne fleksibilitet giver designere frihed til at skabe mere kompakte apparater uden at sælge ud af hverken ydelse eller funktioner.
4. Avanceret konnektivitet: Bluetooth Low Energy (BLE) er den foretrukne trådløse standard for meget medicinsk wearable-udstyr, men menneskekroppen er et altid udfordrende miljø for radiosignaler. Kroppen absorberer og reflekterer radiobølger, som kan forringe signalkvaliteten. For at imødegå dét problem fokuserer mange SoC-producenter på en bedre radiofølsomhed. En mere følsom radio kræver mindre effekt til at sende eller modtage signaler med, og det udvider batterilevetiden yderligere og sikrer en stabil, pålidelig forbindelse til et ”makker-apparat” som en smartphone.
5. Miniaturekapsling: I en branche, hvor mindre næsten altid er bedre, er kapsling af SoC-produkter af kritisk betydning. Traditionel formindskelse af en chip har før betydet et kompromis i forhold til regnekraft og/eller memory-kapacitet. Visse SoC-udbydere anvender nu avancerede kapslingsformer som WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Packaging). Det er en metode, der sikrer en markant reduktion af designets footprint uden at sælge ud af ydelse eller effektivitet, hvorved virkelig diskrete og komfortable medicinske wearable-produkter bliver en realitet.
Fremtiden for integreret healthcare
Den innovation, som finder sted inden for embeddede SoC’er, baner vejen for den næste generation af medicinske wearables, som ikke alene kan en masse mere, men som også fundamentalt ændrer den måde, hvorpå patienter kontrollerer deres helbred. Ser vi fremad, så vil disse fremskridt på sigt føre til en funktionel integration af hidtil adskilte apparater. Et eksempel kunne være at sammenkoble en CGM med en insulinpumpe – i dag en todelt løsning – så man i stedet kunne få et sømløst integreret og intelligent system i form af en closed-loop løsning, der forenkler håndtering af diabetes, og som dermed også forbedrer patientens livskvalitet.
Kravene på dette dynamiske marked flytter konstant grænserne for, hvad der er muligt inden for halvlederdesign. Den næste bølge af medicinske wearables vil ikke bare monitere patienters helbred. Det vil også give patienter og behandlere et højere niveau af indsigt i behandlingsforløb og en bekvemmelighed, som tidligere var forbeholdt science fiction, alt sammen takket være de ofte ydmyge, men ydedygtige embeddede SoC’er.
Billedtekster:
Figur 1: Typisk CGM – Continuous Glucose Monitor. (Kilde: Halfpoint Images/Getty).
Figur 2: Silicon Labs’ EFR32BG29 trådløse SoC-familie udgør en ideel løsning i avancerede medicotekniske wearables.
