El sector sanitario ha ido adoptando un mayor uso de la tecnología digital en las dos últimas décadas. La pandemia de COVID-19 contribuyó a acelerar esta evolución. El acceso remoto a la asistencia sanitaria que exigió la pandemia puso de relieve otras ventajas, como una prestación sanitaria más eficaz y un seguimiento continuo de los pacientes. Los avances tecnológicos han dado lugar a la Internet de las cosas médicas (IoMT), en la que las redes de pacientes con dispositivos y sensores médicos portátiles o que se pueden llevar puestos, y los correspondientes sistemas y proveedores sanitarios, están conectados a través de Internet. Los niveles continuos de glucosa en sangre y los monitores cardíacos son ejemplos de dispositivos que han ganado amplia aceptación. Los dispositivos IoMT ayudan a automatizar la transferencia de datos, reduciendo así los errores humanos. Los avances en el análisis predictivo de datos y la inteligencia artificial (IA) hacen que los dispositivos IoMT sean aún más potentes al permitir diagnósticos basados en datos con detección precoz de anomalías, mayor autocompromiso del paciente y reducción de los costes sanitarios.
Requisitos clave de los dispositivos IoMT
- Seguridad: La naturaleza sensible de la información de uso médico que se transfiere requiere un alto nivel de seguridad. El Estándar de encriptación avanzada (AES) y la Criptografía de curva elíptica (ECC) pueden encriptar y desencriptar la transferencia de datos utilizando claves seguras y, por tanto, autenticar los datos. Las claves basadas en un verdadero generador de números aleatorios (TRNG) en el dispositivo ayudan a la generación segura de estas claves. Los ataques de suplantación de identidad pueden minimizarse con el uso de la identificación de dispositivos mediante funciones únicas físicamente no clonables (PUF) dentro del dispositivo semiconductor. Los protocolos de hardware de arranque seguro, así como los mecanismos inviolables que impiden el acceso a las regiones protegidas de la memoria del dispositivo, ayudan a mejorar la seguridad del mismo.
- Consumo de energía: Los dispositivos de vestir y portátiles suelen funcionar con batería. Protocolos de comunicación de bajo consumo como Bluetooth LE 5.x, modos de ahorro de energía cuando el dispositivo no está activo y una arquitectura eficiente que optimiza el rendimiento operativo frente al consumo de energía son algunas características esenciales que pueden maximizar la duración de la batería.
- Amplio conjunto de características en un tamaño reducido: Los dispositivos pequeños y ligeros permiten su uso en aplicaciones médicas portátiles. Nuevas aplicaciones como los implantes de dientes inteligentes requieren factores de forma diminutos. El concepto de sistemas en chip (SoC) ofrece un alto nivel de integración multifuncional en un solo chip. Puede incluir un conjunto de funciones periféricas que proporcionan detección analógica y digital de alta velocidad, medición, transformación de datos y comunicación. Otros requisitos esenciales son la conectividad inalámbrica, el procesamiento de datos a alta velocidad con grandes memorias Flash y RAM, relojes y temporizadores de precisión de baja frecuencia/bajo consumo, regulación de voltaje CC/CC, etc.
Familia de SoC inalámbricos Gecko EFRBG27 de Silicon Labs para aplicaciones IoMT
En marzo de 2023, Silicon Labs anunció el lanzamiento de una nueva familia de dispositivos seguros y de bajo consumo que amplían su cartera Wireless Gecko. Esto incluye la serie BG27 de dispositivos SoC Bluetooth LE, ideal para aplicaciones IoMT.
En la Figura 1, se muestra un diagrama de bloques que ilustra el amplio conjunto de funciones incluidas en los SoC BG27. A continuación, se detallan algunas de sus características principales:
Figura 1: Características de la familia de SoC inalámbricos EFR32BG27 de Gecko. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)
- Procesador y memoria: El núcleo ARM Cortex® M33 RISC de 76.8 MHz y 32 bits con instrucción DSP y unidad de punto flotante permite una capacidad de procesamiento de señales de alto rendimiento a 1.50 Dhrystone MIPS/MHz. Incluye la tecnología de seguridad ARM TrustZone. La memoria Flash es de 768 kB, mientras que la memoria de datos es de 64 kB de RAM. El controlador de acceso directo a memoria enlazada (LDMA) permite al sistema realizar operaciones de memoria independientes del software, lo que reduce el consumo de energía y la carga de trabajo del software.
- Modos de bajo consumo: El EFR32BG27 incluye una unidad de gestión de energía (EMU) que gestiona las transiciones de los modos de energía (EM0 a EM4) del sistema en chip (SoC). Con la UEM, las aplicaciones pueden minimizar dinámicamente el consumo de energía durante la ejecución de los programas. El modo EM0 ofrece el mayor número de características, como activar la CPU, la radio y los periféricos a la frecuencia de reloj más alta. Los periféricos pueden desactivarse en los modos activos de bajo consumo EM2, EM3. La UME utiliza el escalado de voltaje al pasar de un modo de energía a otro para optimizar la eficiencia energética funcionando a voltajes más bajos siempre que sea posible. EM4 es un estado inactivo de bajo consumo que permite al sistema despertar en el modo EM0.
- Conversión CC/CC: La familia EFR32BG27 incluye convertidores en chip en modo buck y boost que pueden suministrar los 1.8 V internos necesarios. Los dispositivos de modo elevador, como el EFR32BG27C230F768IM32-B, tienen la capacidad de funcionar a 0.8 V, lo que permite el funcionamiento con pilas alcalinas monocelulares, de óxido de plata y otras pilas de bajo voltaje. El convertidor elevador puede desconectarse mediante un pin/clavija BOOST_EN específico, con lo que se ahorra energía de la batería del sistema durante el almacenamiento y el transporte. En este modo, el consumo máximo de corriente es de sólo 20/50nA, dependiendo de la alimentación de determinados pines. En los dispositivos en modo buck, como el EFR32BG27C140F768IM40-B, se puede suministrar externamente un máximo de 3.8 V. Un monitor de alimentación integrado en el chip avisa cuando la alimentación es lo suficientemente baja como para permitir puentear el regulador y ampliar el rango a 1.8 V. El modo bypass también permite que el sistema pase al modo de ahorro de energía EM4. En el convertidor de CC/CC hay integrado un bloque contador de culombios. Incluye dos contadores de 32 bits que se utilizan para medir el número de impulsos de carga suministrados por el convertidor CC/CC, lo que permite un seguimiento preciso del nivel de batería para mejorar la seguridad del usuario.
- Redes Bluetooth 5.x: Esta familia de SoC es compatible con el protocolo inalámbrico Bluetooth de baja energía (LE). El receptor de radio utiliza una arquitectura de bajo ruido integrado por un amplificador de bajo ruido y una conversión descendente I/Q. El módulo de control de ganancia automático (AGC) ajusta la ganancia del receptor para evitar la saturación y mejorar la selectividad y el bloqueo. La radio de 2.4 GHz se calibra en la producción para mejorar el rendimiento del rechazo de imágenes. La familia incluye una gama de potencias de transmisión de 4 dBm a 8 dBm. La mitigación del ruido de RF incluye el funcionamiento del convertidor CC/CC en modo de conmutación suave durante el arranque y las transiciones de regulación CC/CC a derivación para limitar la velocidad máxima de giro de la alimentación y mitigar la corriente de irrupción. El bloque RFSENSE permite al dispositivo permanecer en los modos de ahorro de energía EM2, EM3 o EM4 y activarse cuando se detecta energía de radiofrecuencia (RF) por encima de un umbral especificado.
- Seguridad: La familia de SoC EFR32BG27 incluye una serie de características de seguridad, como se muestra en la Figura 2.
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Figura 2: Características de seguridad de la familia de SoC inalámbricos Gecko EFR32BG27. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)
El arranque seguro con la raíz de confianza y cargador seguro (RTSL) autentica el firmware de confianza que parte de una memoria de solo lectura (ROM) inmutable. El Acelerador criptográfico admite el cifrado y descifrado AES y ECC. También incluye contramedidas de análisis de potencia diferencial (DPA) para proteger las claves. El TRNG recoge entropía de una fuente térmica e incluye pruebas de estado de arranque para esta fuente, tal y como exigen las normas NIST SP800-90B y AIS-31, así como pruebas de estado en línea, tal y como exige la norma NIST SP800-90C. La interfaz de depuración, bloqueada cuando la pieza se libera en el campo, dispone de una función de desbloqueo seguro que permite el acceso autenticado basado en criptografía de clave pública. En cuanto al hardware, un módulo de detección externa de manipulaciones (ETAMPDET) permite detectar manipulaciones externas, como la apertura no autorizada del gabinete/recinto. Puede generar una interrupción para avisar al software y permitir que se tomen medidas a nivel del sistema.
- Amplio conjunto de periféricos: Los SoC incluyen convertidores de analógico a digital híbridos que combinan técnicas SAR y Delta-Sigma. El modo de 12 bits puede funcionar a velocidades de hasta 1 Msps, mientras que el convertidor de 16 bits puede hacerlo a 76,9 ksps. El módulo comparador analógico puede utilizar referencias internas o externas y también puede utilizarse para detectar la tensión de alimentación. Soporta los modos de comunicación serie SPI, USART e I2C. El módulo de reloj y captura en tiempo real (RTCC) proporciona un cronometraje de 32 bits hasta los modos de alimentación EM3 y puede sincronizarse con el oscilador interno de baja frecuencia. El Temporizador de Bajo Consumo (LETIMER) ofrece una resolución de 24 bits y puede utilizarse para la temporización y la generación de salidas cuando la mayor parte del dispositivo está apagado, lo que permite realizar tareas sencillas con un consumo de potencia mínimo. El Sistema de Reflejo Periférico (PRS) es una red de encaminamiento de señales que permite la comunicación directa entre los módulos periféricos sin que intervenga la CPU. Esto reduce la sobrecarga del software y el consumo de corriente.
- Paquetes de huella pequeña: Uno de los dispositivos de la familia EFR32BG27 es el EFR32BG27C320F768GJ39-B. Este dispositivo se presenta en un paquete de escala de chip a nivel de oblea (WLCSP) con unas dimensiones de solo 2.6 mm x 2.3 mm y puede funcionar en modo buck o regulador elevador. El resto de la familia se presenta en encapsulados QFN32 de 4 mm x 4 mm o QFN40 de 5 mm x 5 mm en modos de regulador específicos de buck o boost.
Conclusión
El EFR32BG27 ofrece una capacidad de procesamiento de bajo consumo líder en el sector y conectividad Bluetooth de baja energía. Estos SoC de factor de forma reducido, que incluyen diversas funciones de seguridad, son ideales para aplicaciones IoMT.
