Semi-conducteurs : le cœur des dispositifs médicaux de nouvelle génération

Une technologie de pointe, développée par des sociétés de semi-conducteurs, permet la conception de dispositifs médicaux qui améliorent les soins de millions de personnes dans le monde. La flambée des coûts des soins de santé, la prévalence de l’obésité et des maladies chroniques et une augmentation spectaculaire de la population âgée créent une demande croissante de dispositifs médicaux abordables et fiables, notamment pour le suivi des patients, l’imagerie médicale et l’instrumentation. Aujourd’hui, plus qu’à tout autre moment de l’histoire moderne, l’industrie des semi-conducteurs ouvre la voie au progrès des dispositifs médicaux qui sauvent d’innombrables vies et réduisent considérablement les coûts des soins de santé.

Les gros appareils médicaux d’hier ont été repensés pour devenir les unités portables d’aujourd’hui, dont certaines ont maintenant la taille d’un téléphone portable ou même plus petites. Certains dispositifs médicaux, tels que les systèmes à ultrasons, qui n’étaient autrefois disponibles que dans les hôpitaux et les grandes cliniques médicales urbaines, sont maintenant couramment utilisés dans les cabinets de médecins et les ambulances ruraux. Au fur et à mesure de la miniaturisation et de la portabilité des équipements médicaux, les fabricants de semi-conducteurs sont mis au défi de développer des puces hautement intégrées qui fourniront la technologie habilitante pour les dispositifs médicaux de prochaine génération, y compris des systèmes portables de plus en plus légers et plus petits.

Systèmes de surveillance des patients

L’équipement de surveillance des patients permet l’observation continue des patients gravement malades, quel que soit leur emplacement dans l’hôpital, et souvent à un coût inférieur à celui des systèmes de chevet traditionnels. La surveillance du patient implique l’électrocardiogramme (ECG), la pression artérielle, la température, la saturation en oxygène, la respiration et, parfois, les fonctions de défibrillateur externe automatisé (AED) qui contiennent généralement des convertisseurs analogique-numérique (ADC) haute résolution, des amplificateurs à faible bruit, amplis d’instrumentation et la combinaison de fonctions analogiques qui existent depuis de nombreuses années. Il s’agit de systèmes matures et performants dans lesquels les principaux fabricants de semi-conducteurs ont investi beaucoup d’argent dans la recherche pour développer des puces innovantes.

Alors que ces systèmes résidaient autrefois au chevet du patient, ils deviennent maintenant suffisamment petits pour être accrochés à la ceinture d’une personne. Dans un avenir proche, les ECG, les tensiomètres et les moniteurs d’activité seront combinés à des fonctions de communication sans fil qui permettront aux patients d’être chez eux tout en bénéficiant d’une surveillance sûre et fiable des signes vitaux en temps réel. Cela réduira essentiellement le coût total des soins.

Le besoin d’appareils de surveillance des patients à domicile augmente en raison du nombre croissant de baby-boomers vieillissants qui nécessitent des soins intensifs à domicile. Selon l’Organisation mondiale de la santé, le nombre mondial de personnes âgées de 60 ans et plus était de 650 millions en 2006. Ce chiffre devrait atteindre 1,2 milliard d’ici 2025. Aux États-Unis, les personnes de 65 ans et plus représentent désormais une plus grande part de la population que jamais auparavant et ce nombre devrait augmenter régulièrement au cours du 21e siècle.

« En raison d’une population de plus en plus vieillissante, le secteur des soins de santé est confronté à des coûts croissants pour la prise en charge des patients atteints de maladies chroniques », déclare Paul Errico, responsable marketing stratégique mondial pour l’équipe du segment Santé d’Analog Devices. « Les dispositifs médicaux d’aujourd’hui, conçus pour un usage domestique, peuvent surveiller la pression artérielle, la glycémie et la fréquence cardiaque, et alerter les médecins des problèmes. Cela élimine ou réduit le besoin de visites coûteuses au bureau et à l’hôpital, et offre de grands avantages aux patients qui ne le font pas. habiter près d’un médecin ou d’un hôpital.

Pour devenir un facteur essentiel dans la gestion des soins de santé, les systèmes de surveillance des patients doivent être totalement interopérables les uns avec les autres et avec les autres sources nécessaires d’informations sur les patients. Bien qu’une large interopérabilité n’ait pas encore été atteinte, il s’agit d’une priorité pour les industries médicales et des technologies de l’information. La Continua Health Alliance, par exemple, est une organisation qui travaille avec les leaders de la technologie, des dispositifs médicaux et des soins de santé pour établir un système de solutions interopérables.

L’imagerie médicale

L’utilisation d’équipements d’imagerie médicale, y compris les scanners CT (tomodensitométrie) et les systèmes à ultrasons, continue de croître à mesure que les améliorations technologiques rendent des images plus claires et plus détaillées du corps humain pour l’analyse et le diagnostic du médecin. Le domaine de l’imagerie médicale a connu une augmentation spectaculaire du nombre de canaux par système et une concentration proportionnelle des sociétés de semi-conducteurs sur l’intégration, la faible consommation d’énergie et la réduction du coût par canal. L’échographie, la tomodensitométrie, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (TEP) sont autant de systèmes performants poussant des composants standards en termes de puissance, vitesse, précision et plage dynamique.

Il y a quelques années, les échographes portables ressemblaient à un ordinateur portable. Aujourd’hui, les systèmes à ultrasons utilisent des facteurs de forme de PDA ou de téléphone portable et sont suffisamment petits pour que les médecins puissent les transporter dans leurs poches et les utiliser à volonté. Cela change considérablement l’utilisation de la technologie des ultrasons en termes de soins aux patients. Inutile de dire que les exigences de puissance et d’encombrement pour les systèmes à ultrasons portables sont également très différentes pour les systèmes d’aujourd’hui.

« Les concepteurs d’équipements médicaux sont appelés à fournir une qualité d’image élevée et des performances fiables sans compromettre l’efficacité énergétique dans des appareils qui sont parfois à peine plus gros qu’une main humaine », déclare Scott Pavlik, responsable marketing stratégique mondial pour l’équipe du segment Santé d’Analog Devices. « Pour ce faire, les concepteurs capitalisent sur des améliorations significatives des technologies sous-jacentes, en particulier dans l’intégration de composants semi-conducteurs. de plus grandes possibilités de produits et des opportunités de marché élargies. »

Un système à ultrasons comprend quatre composants principaux : un amplificateur à faible bruit (LNA), un amplificateur à gain variable (VGA), un filtre anti-aliasing (AAF) et un convertisseur analogique-numérique (ADC) à grande vitesse. En 2007, la première puce à ultrasons frontale analogique intégrée a été annoncée par Analog Devices. L’AD9271 a remplacé les solutions discrètes précédentes par un seul circuit intégré qui combinait huit canaux, chacun comprenant un LNA, un VGA, un AAF et un ADC 12 bits. Ce niveau d’intégration sans précédent permet aux concepteurs d’équipements médicaux de réduire de 50 % la taille du trajet du signal pour les systèmes à ultrasons mobiles et de réduire les besoins en énergie de 25 %, tout en atteignant les niveaux de bruit et d’autres mesures de performance requis dans les milieux de soins intensifs.

L’intégration n’est pas le seul élément clé qui doit être réalisé dans la conception des systèmes à ultrasons portables d’aujourd’hui. Le système doit également être flexible et pouvoir s’adapter aux besoins de divers types de sondes à ultrasons, tout en offrant une facilité d’utilisation en termes de gain programmable, de coupures de filtre et de terminaison du système. Il ne suffit pas aux fabricants de semi-conducteurs de définir ces pièces très sophistiquées et de les remettre aux clients avec des échantillons, des cartes d’évaluation et des fiches techniques. Des outils logiciels permettant d’évaluer facilement ces produits sont également nécessaires. Tout cela est la preuve que les fabricants de semi-conducteurs se rapprochent du monde des concepteurs de systèmes.

On estime que plus de 62 millions de tomodensitogrammes sont effectués chaque année aux États-Unis. et les troubles musculo-squelettiques. Dans un système CT, un grand nombre de canaux d’acquisition de données sont disposés en tranches. Un nombre de coupes plus élevé est ce qui permet aux tomodensitomètres de fournir plus rapidement des images détaillées, tout en exposant les patients à une dose de rayons X plus faible.

Les tomodensitomètres actuels et de prochaine génération nécessitent une augmentation massive du nombre de canaux, mais la taille et le coût du système ne peuvent pas augmenter au même rythme que le nombre de canaux. Le frontal analogique, la partie la plus complexe du système, est essentiel aux performances du système. Ainsi, pour permettre un nombre massif de canaux, les concepteurs de semi-conducteurs doivent rechercher des moyens d’intégrer des fonctionnalités plus élevées tout en réduisant la consommation d’énergie et les coûts.

Le partenariat entre les concepteurs de semi-conducteurs et les concepteurs de systèmes est absolument essentiel dans l’espace CT. Au cours des dernières années, il y a eu une quantité énorme d’innovation et de progrès dans le développement de la TC et on s’attend à ce que beaucoup plus se produise dans les années à venir. Analog Devices, par exemple, a récemment introduit une nouvelle puce d’imagerie médicale qui permet aux systèmes de tomodensitométrie à grand nombre de tranches de capturer des images en mouvement en temps réel – comme un cœur battant – avec un degré élevé de précision et de détail. L’ADAS1128 offre 128 canaux de conversion de données et permet aux concepteurs de systèmes de diagnostic de développer des tomodensitomètres qui produisent des images plus claires des organes internes et des os tout en réduisant l’exposition aux rayonnements par rapport aux machines plus anciennes. Ceci est inestimable dans les domaines des soins intensifs, tels que la cardiologie, la neurologie et l’angiographie.

Instrumentation médicale

Ce segment du marché des dispositifs médicaux comprend l’analyse du sang, les tensiomètres, les pompes à perfusion et les appareils de dialyse, ainsi qu’une grande variété d’autres fonctions in vitro.

Un exemple d’utilisation de la technologie des semi-conducteurs de pointe dans un système de mesure par ailleurs très mature est l’utilisation de la technologie des accéléromètres à trois axes dans les tensiomètres. Le moyen le plus courant d’obtenir une lecture inexacte de la pression artérielle est d’avoir votre bras au mauvais niveau par rapport à votre cœur. L’utilisation d’un accéléromètre à trois axes (identique à celui utilisé dans les jeux informatiques actuels) pour mesurer l’inclinaison de votre bras permet de garantir que la lecture de la pression artérielle est précise.

Une façon typique d’analyser le sang pour diagnostiquer des conditions médicales consiste à examiner ses caractéristiques ADN. Lorsqu’un virus est présent, les caractéristiques de l’ADN du sang changent généralement, de même que l’impédance de l’échantillon sous forme complexe. En mappant les chaînes de virus à ces profils d’impédance, les professionnels de la santé peuvent identifier et détecter les virus dans le sang. Les concepteurs de systèmes sont invités à concevoir des analyseurs de spectre dans des compteurs portables, mais ne peuvent pas accomplir la tâche avec les appareils discrets disponibles. Ainsi, ils doivent travailler avec l’industrie des semi-conducteurs pour voir si cette fonction peut être intégrée sur une seule puce comme c’est actuellement le cas dans les récents frontaux analogiques de mesure d’impédance.

Les semi-conducteurs peuvent généralement faire ce qui est nécessaire pour permettre des systèmes hautes performances. La véritable clé est d’atteindre les performances requises tout en respectant un budget de puissance système agressif, une empreinte requise et en étant capable de fournir d’autres fonctions de grande valeur qui peuvent être combinées sur un seul morceau de silicium pour offrir le plus grand avantage au système. C’est la connaissance de ces applications que les entreprises de semi-conducteurs s’efforcent constamment de développer. À cet égard, nos clients sont nos enseignants et le résultat final est que les entreprises de semi-conducteurs, les fabricants de systèmes et, surtout, les patients bénéficient d’une communication efficace entre les principaux acteurs technologiques.

Les ingénieurs de conception médicale créant les derniers systèmes de soins de santé visant la gestion des maladies, la santé et le bien-être et l’administration de médicaments utilisent les semi-conducteurs comme base pour inventer des produits de nouvelle génération qui changent des vies. La communication entre les concepteurs de systèmes médicaux et les concepteurs de semi-conducteurs est vitale, car plus les entreprises de semi-conducteurs en apprennent sur les besoins des concepteurs d’équipements médicaux, plus toutes les personnes dans le monde qui peuvent avoir besoin de soins médicaux en bénéficieront.