MICROPROCESADORES PARA IMPLANTES
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MICROPROCESADORES PARA IMPLANTES Asignatura: Microprocesadores para Comunicaciones Candela Losada Cabello ÍNDICE Introducción Aplicación de los microprocesadores en la medicina Microprocesador de genes Implante coclear Ojo artificial (Ojo biónico) Corazón artificial La compañía: Atmel Serie AT91SAM La familia SAM7X Descripción del AT91SAM7X Características del AT91SAM7X Microcontroller Conclusiones Referencias INTRODUCCIÓN LA APLICACIÓN DE LOS MICROPROCESADORES A LA MEDICINA El microprocesador, o micro, es un circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los microprocesadores también se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras, automóviles y aviones; y para dispositivos médicos, etc. El microprocesador es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos integrados (chips) son circuitos electrónicos complejos integrados por componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un material semiconductor. APLICACIÓN DE LOS MICROPROCESADORES EN LA MEDICINA El "microprocesador de genes" El "microprocesador de genes" realiza pruebas para saber cómo reaccionan las personas a los fármacos. Incluye el perfil genético de una persona para determinar cómo reaccionará y si se beneficiará o no de un determinado tratamiento farmacológico. Un microprocesador de genes es una especie de placa de vidrio del tamaño de la uña del dedo pulgar que contiene secuencias de ADN que se pueden usar para revisar miles de fragmentos individuales de ADN de ciertos genes. El uso de los chips para la mejor aplicación de fármacos podría mejorar su valor terapéutico y reducir los costos de atención de la salud. Se calcula que 25 millones de personas en todo el mundo se beneficiarán de la prueba previa al tratamiento farmacológico, en un futuro cercano. Implante coclear Un implante coclear es un dispositivo implantado quirúrgicamente que ayuda a superar algunos problemas de audición cuyo origen está en el oído interno, o cóclea. La cóclea está conectada al nervio auditivo. Su función consiste en recoger las señales eléctricas procedentes de las vibraciones sonoras y transmitirlas al nervio auditivo, quien a su vez envía esas señales al cerebro, donde son interpretadas como sonidos reconocibles. El implante coclear estimula artificialmente el área del oído interno con señales eléctricas y envía esas señales al nervio auditivo, permitiendo oír al usuario. Un implante coclear consta de una parte interna, que se implanta en el interior del cráneo, y de una parte externa que contiene el procesador de sonido y habla. Los distintos componentes del implante coclear trabajan conjuntamente para captar el sonido, transferirlo al nervio auditivo y enviarlo al cerebro. La parte interna de un implante coclear consta de: • un receptor-estimulador que contiene todos los circuitos electrónicos que controlan el flujo de impulsos eléctricos que se envían al oído • una antena que recibe las señales del mundo exterior y del procesador de sonido y habla • un imán que ayuda a mantener el procesador de sonido y habla en su sitio • un cable que contiene electrodos que se insertan en la cóclea (la cantidad de electrodos varía en función del modelo de implante utilizado). Los electrodos funcionan de una forma muy similar a los cilios y emiten impulsos eléctricos para estimular al nervio auditivo. El procesador de sonido y habla es un miniordenador que procesa el sonido y lo digitaliza (es decir, lo transforma en información digital) y luego envía esa información a la parte interna del implante en forma de señales eléctricas. El procesador de sonido y habla se lleva en el exterior y suele tener el aspecto de un audífono normal y corriente. No obstante, dependiendo del tipo de procesador de sonido y habla utilizado, se puede llevar detrás de la oreja como si se tratara de un audífono o unos auriculares o bien en otra parte del cuerpo, por ejemplo en el cinturón o un bolsillo. La parte externa del implante coclear consta de • el procesador de sonido y habla propiamente dicho (que puede ser un modelo que se acopla a la ropa como una radio portátil o un modelo que se engancha a la oreja) • un micrófono • un transmisor que envía las señales a la parte interna del implante. El transmisor también incluye un imán que ayuda al usuario a alinear el procesador con la parte interna. Para que el implante coclear funcione correctamente, la parte interna y el procesador de sonido y habla deben estar alineados —esa es la función de los imanes. Cuando las partes interna y externa no están completamente alineadas, el dispositivo no funciona correctamente y la persona no puede oír. Un implante coclear funciona de la siguiente forma: • El micrófono recoge el sonido. • El sonido es enviado al procesador de sonido y habla. • El procesador de sonido y habla analiza el sonido y lo transforma en una señal eléctrica. (La señal eléctrica contiene información que determina cuánta corriente eléctrica se enviará a los electrodos.) • El transmisor envía la señal a la parte interna del implante, donde es decodificada. • La parte interna del implante determina cuánta corriente eléctrica debe transmitirse a los electrodos y envía la señal. La cantidad de corriente eléctrica determinará el volumen del sonido, y la posición de los electrodos, el tono del mismo. • Las terminaciones nerviosas que hay en el interior de la cóclea (el área donde se encuentran los cilios) son estimuladas y envían información al cerebro a través del nervio auditivo. • El cerebro interpreta el sonido y la persona oye. Ojo artificial (ojo biónico) Un microprocesador implantado bajo la retina permite a los ciegos percibir de nuevo la luz y distinguir formas. El implante está constituido por un microprocesador del tamaño de la cabeza de una aguja que comprende 3.500 fotopilas que convierten la luz en señales eléctricas enviadas al cerebro por el nervio óptico. Sin embargo, la duración y fiabilidad a largo plazo del método llamado 'Artificial Silicon Retina' todavía se desconoce. Según Papadopoulus, director del Sun (laboratorio de tecnología), la actual generación de procesadores será sustituida por computadoras basadas en un chip único; en vez de un microprocesador, un microsistema que contará con tres conexiones (para la memoria, para la red y para otros microsistemas). Con el paso del tiempo, cada chip no sólo podrá contener un sistema individual, sino varios sistemas que podrán funcionar de manera independiente, en una “microrred”. El nuevo aparato cuenta con dos partes, un microprocesador que se coloca detrás del ojo del individuo y es enlazado a una cámara de video diminuta que es construida dentro de unos lentes que los pacientes tendrán que usar. “La cámara de video, así como lo hacen nuestros ojos, capta las imágenes alrededor y las envía al microprocesador que tiene el trabajo de traducirlas en señales que el cerebro pueda comprender y procesar”. La función principal la tiene el microprocesador y ha sido gracias a la tecnología desarrollada en la computación que este nuevo prototipo ha sido posible. Los microprocesadores son como traductores de señales e impulsos eléctricos que cada vez se aproximan más a entender las señales eléctricas emitidas por las neuronas en el cerebro. Una vez que la cámara, como hacen los ojos cuando el funcionamiento es ideal, envíe las imágenes al chip donde se hace el trabajo complejo, el microprocesador traduce estos mensajes y los convierte en imágenes que las personas ciegas puedan ver. Corazón artificial Un corazón artificial es una prótesis que se implanta en el cuerpo para reemplazar al corazón biológico. Avances en la microelectrónica, imanes de gran fortaleza y el diseño de sistemas de control hacen posible un implante de corazón que funciona eléctricamente. La unidad de energía consiste en un pequeño motor de corriente directa y un traductor de movimiento, y un sistema de control de microprocesador es usado para regular el índice de bombeo del corazón. Nuevos avances en el órgano artificial utiliza sensores electrónicos para regular el ritmo cardíaco y el flujo sanguíneo. Un nuevo proyecto de corazón artificial que se está realizando en la universidad RWTH de Aachen (Alemania) utiliza un microprocesador Atmel, el AT91SAM7X. En el cual nos centraremos a continuación. LA COMPAÑÍA: ATMEL Atmel es una compañía de semiconductores, fundada en 1984. Su línea de productos incluye microcontroladores (incluyendo derivados del 8051, el AT91SAM basados en ARM, y sus arquitecturas propias AVRy AVR32), dispositivos de radiofrecuencia, memorias EEPROM y Flash, ASICs, WiMAX, y muchas otras. También tiene capacidad de ofrecer soluciones del tipo system on chip (SoC). Atmel sirve a los mercados de la electrónica de consumo, comunicaciones, computadores, redes, electrónica industrial, equipos médicos, automotriz, aeroespacial y militar. Es una industria líder en sistemas seguros, especialmente en el mercado de las tarjetas seguras. Atmel posee cinco fábricas de semiconductores: • • • • • Fab5 en Colorado Springs, USA Fab7 e Rousset, Francia Fab9 en North Tyneside, Inglaterra Una fábrica en Heilbronn, Alemania Una fabrica en Grenoble, Francia Entre sus principales competidores se encuentra STMicroelectronics, Texas Instruments, Freescale, Analog Devices y Microchip Technology. SERIE AT91SAM AT91SAM 32-bit ARM Flash MCUs y Embedded MPUs de Atmel están diseñados para el control de sistemas, con conectividad cableada o inalámbrica, manejo de interfaz de usuario, baja potencia y fácil uso. Han recibido profunda aceptación en mercados como seguridad, automatización de edificios, control industrial, médicina, PC y periféricos, juguetes y accesorios de teléfonos móviles. Un eco-sistema de alta calidad proporciona acceso a herramientas de desarrollo, Flash programming, software y soporte técnico worldwide. Atmel tiene antecedentes como vendedor de ARM MCU y MPU, desarrollor de arquitecturas de gran ancho de banda, innovador de microcontroladores de baja potencia y facilitador de portabilidad software. • • • • • • Amplio software compatible con ARM MCU y MPU empotrado Mezcla de periféricos óptima, huella de memoria, baja potencia Alta integración SRAM (SAM7X512, SAM9261) Muy baja potencia en modo standby en MCU de 32 bits (SAM7L) Software reutilizable entre diferentes miembros de la familia Arquitecturas de un gran ancho de banda permite seleccionar de entre un rango de MCU de coste muy bajo LA FAMILIA SAM7X La serie SAM7de Atmel está basada en ARM7 y posee un controlador de periféricos DMA (PDC) que mejora las prestaciones. La familia SAM7x ofrece conectividad Ethernet. Los microcontroladores AT91 de la serie SMART ARM® (SAM) de Atmel proporcionan a los clientes el acceso inmediato a los procesadores ARM® que lideran el mercado. Las tarjetas de evaluación y las potentes herramientas de desarrollo de software de terceras partes complementan la serie para desarrollar las aplicaciones con rapidez y sin problemas. Prestaciones de primera clase Los ARM® SMART MCUs de Atmel proporcionan prestaciones de hasta 200MIPs y ofrecen una memoria Flash integrada con un rango de capacidad que se extiende desde 32Kbyte hasta 2Mbytes y disponen de hasta 256Kbytes de memoria SRAM de alta velocidad en chip. Un sistema rico en periféricos proporciona la conectividad, las comunicaciones y las funciones de control requeridas por la mayoría de las aplicaciones. Una característica excepcional de estos MCUs es el PDC integrado (Peripheral DMA Controller), un desarrollo patentado por Atmel. Utilizando el PDC, los datos se pueden transferir de cualquier interfaz a la memoria integrada o de interfaz a interfaz, mientras que otras tareas pueden funcionar en el núcleo ARM® al mismo tiempo. Entre las diferencias clave de la actual familia AT91SAM en comparación con otros suministradores de ARM® se incluyen: Funciones integradas del sistema tales como la detección de bajadas de la tensión de alimentación por debajo del nivel de funcionamiento normal (Brown-out), regulador de tensión, high drive pads, POR (Power-on Reset) y protección por perro guardián (Watchdog) Modo espera para reducir el consumo de potencia (oscilador RC interno) Programación de la Flash en el sistema y programación de bajo costo en producción. Protección del código programable. Herramientas de desarrollo del bajo costo. Amplio rango de aplicaciones Los productos introducidos recientemente y bajo desarrollo amplían la gama de aplicaciones de los microcontroladores SMART ARM® MCUs de Atmel. Las aplicaciones a las que se dirigen incluyen los accesorios de ordenadores y de comunicación, los sistemas de navegación a bordo de vehículos, la electrónica de consumo, la automatización industrial, medicina, los routers de bajo costo y las infraestructuras de telecomunicación. Las características de seguridad incorporadas hacen que los productos SMART ARM sean también ideales para las aplicaciones de seguridad confidenciales tales como el control de acceso y la seguridad del pago. Serie AT91SAM7x con Ethernet La serie de AT91SAM7x combina por primera vez las capacidades de los buses USB, CAN y Ethernet en un solo microcontrolador. Gracias al controlador de periféricos DMA (PDC), que está integrado en cualquier producto SAM7, es posible manejar al mismo tiempo transferencias de datos y tareas internas del ARM sin sacrificar prestaciones. DESCRIPCIÓN DEL AT91SAM7X AT91SAM7X512/256/128 de Atmel es miembro de una serie de microcontroladores Flash altamente integrados, basado en el procesador RISC ARM de 32 bits. Se caracteriza por su alta velocidad Flash de 512/256/128 Kbyte y SRAM de 128/64/32 Kbyte, un gran conjunto de periféricos, incluido un 802.3 Ethernet MAC y un controlador CAN. Un completo conjunto de funciones de sistema minimiza el número de componentes externos. La memoria Flash empotrada puede ser programada in-system a través del interfaz JTAG-ICE o a través del interfaz paralelo en un programador de fabricación anterior al montaje.Built-in lock bits y un bit de seguridad protege el firmware de sobreescritura accidental y preserva su confidencialidad. El controlador de sistema del AT91SAM7X512/256/128 tiene un controlador de reset capaz de manejar la secuencia de potencia del microcontrolador y el sistema completo. Un correcto dispositivo de operación puede ser monitorizado por un detector de corte eléctrico empotrado y un watchdog sobre un oscilador RC integrado. Combinando el procesador ARM7TDMI con Flash y SRAM, y un amplio rango de funciones periféricas, incluyendo USART, SPI, Controlador CAN, Ethernet MAC, Timer Counter, RTT y Conversor Analógico a Digital en un chip monolítico, el AT91SAM7X512/256/128 es un potente dispositivo que proporciona una solución flexible y de coste efectivo para muchas aplicaciones de control empotrado que requieren comunicación sobre, por ejemplo, redes Ethernet, CAN cableada y ZigBee inalámbrica. El AT91SAM7X512/256/128 se trata de un microcontrolador de propósito general hecho para aplicaciones de control en tiempo real, que requieren conectividad USB, Ethernet, CAN o ZigBee. El AT91SAM7X512, AT91SAM7X256 y AT91SAM7X128 sólo difieren en el tamaño de las memorias. Con respecto al consumo de potencia, el AT91SAM7X512/256/128 tiene una corriente estática de menos de 60 μA sobre VDDCORE (uno de los pines de suministro de potencia) a 25°C. El consumo de potencia dinámica en VDDCORE es menor de 90 mA a máxima velocidad cuando va sobre el Flash. Para el suministro de potencia el AT91SAM7X512/256/128 dispone de seis tipos de pines de suministro de potencia e integra un regulador de voltaje. CARACTERÍSTICAS DEL AT91SAM7X Microcontroller He aquí las características del microcontrolador AT91SAM7X: – – – – – – – – Incorpora el procesador ARM7TDMI® ARM® Thumb® Arquitectura RISC de 32 bits de alto rendimiento. Set de Instrucción de 16 bits de alta densidad. Flash interna de alta velocidad 512 Kbytes (AT91SAM7X512) 256 Kbytes (AT91SAM7X256) 128 Kbytes (AT91SAM7X128) Acceso de ciclo simple hasta 30 Mhz en condiciones del caso peor. Tiempo de programación de página: 6 ms, Tiempo de borrado total: 15 ms. 10,000 ciclos de escritura, capacidad de retención de datos de 10 años. Interfaz de programación Flash rápido para producción de alto volumen. – SRAM interna de alta velocidad, Acceso de ciclo-simple a máxima velocidad 128 Kbytes (AT91SAM7X512) 64 Kbytes (AT91SAM7X256) 32 Kbytes (AT91SAM7X128) – Controlador de Memoria (Memory Controller , MC) Controlador Flash Empotrado, estado de suspensión y detección de desalineamiento. – – – Controlador Reset (RSTC) Basado en Power-on Reset Cells and Low-power Factory-calibrated Brownout Detector Proporciona señal de reset externa y estado de fuente reset. – Generador de reloj (CKGR) Oscilador RC de baja potencia, 3 a 20 Mhz Oscilador On-chip y un PLL. – – – Controlador de manejo de potencia (PMC) Capacidad de optimización de potencia Cuatro señales de reloj externas programables – Controlador de interrupción avanzado (AIC) Enmascaramiento individual, ocho niveles de prioridad. Dos fuentes de interrupción externas y una fuente de interrupción rápida. – Unidad de eliminación de fallos (Debug Unit, DBGU) Soporte para interrupción de canal de comunicación Debug – Periodic Interval Timer (PIT) Contador de 20 bits programable más un contador de intervalo de 12 bits. – – Windowed Watchdog (WDT) Proporciona señal de reset o interrupción al sistema. Contador Programable de 12 bits key-protected. – Real-time Timer (RTT) Contador Free-running de 32 bits con alarma – – – Dos controladores entrada/salida paralelos (PIO) Capacidad de interrupción de cambio de entrada en cada línea I/O. Drenador-abierto programable individualmente, resistencia Pull-up y salida síncrona. Trece canales de controlador DMA de periféricos (PDC) Un USB 2.0 Full Speed (12 Mbits por segundo) Device Portabilidad – – Un Ethernet MAC 10/100 base Media Independent Interface (MII) or Reduced Media Independent Interface (RMII) Integrado FIFO de 28 bytes y canales DMA dedicados para transmitir y recibir One Part 2.0A and Part 2.0B Compliant CAN Controller – Un controlador serie síncrono (SSC) Capacidad de cadena de información contínua de alta velocidad con transferencia de dato de 32bits. – Dos receptores transmisores síncrono/asíncrono universal (USART) Soporte para ISO7816 T0/T1 Smart Card, Hardware Handshaking, soporte RS485. – Dos interfaces periféricos serie maestro/esclavo (SPI) Longitud de información programable de 8- a 16-bit. CONCLUSIÓN Gracias a los avances tecnológicos y a la cada vez mayor integración de los componentes se han podido realizar también muchos mejoras en el campo de la medicina. Desde equipos médicos, por ejemplo de medición mucho más precisos, hasta operaciones con un robot. Debido a esta modernización de la tecnología se está estudiando y desarrollando solución a múltiples problemas que antes parecian no tener solución, como por ejemplo la pérdida de audición. Para lo cual hoy en día ya se están llevando a cabo operaciones en la que se realiza un implante al paciente, permitiendo así, mejorar la calidad de vida de muchas personas. Por esto, es posible que en un futuro, muchas enfermedades que hoy no tienen cura ni solución puedan ser tratadas gracias a nuevas tecnologías. REFERENCIAS www.atmel.com www.wikipedia.org www.elcaribecdn.com http://www.embeddeddeveloper.com/group/202/Atmel/AT91SAM7X.htm http://news.bbc.co.uk http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1358168 www.affymetrix.com http://microprocesadores-medicina.blogspot.com/ http://www.slideshare.net/Alumnos/romano-vecchio-sanzoni/ http://kidshealth.org/parent/en_espanol/general/cochlear_esp.html
