CardioNeural-SoC: An Indigenous RISC-V-Based Mixed-Signal System- on-Chip for Multi-Modal Cardiac and Neurological Monitoring — Architecture, RTL Verification, and Pre-Silicon Synthesis Results

في المشهد الواسع للطب الحديث، تُعد القدرة على الاستماع إلى الإشارات الكهربائية للجسم حجر الزاوية في التشخيص. ينبض القلب بنبض كهربائي إيقاعي يمكن للأطباء تتبعه لرصد الاضطرابات الخطيرة، بينما يطلق الدماغ أنماطًا معقدة تكشف عن بداية النوبات الصرعية. لعقود من الزمن، تطلب التقاط هذه الإشارات معدات ضخمة أو مجموعة من الرقائق المنفصلة والمتخصصة، كل منها مصمم للاستماع إلى جزء واحد فقط من الجسم. وفي الهند، حيث يعاني الملايين من أمراض القلب غير المشخصة والصرع، أدى الاعتماد على التكنولوجيا المستوردة إلى بقاء المراقبة المتقدمة بعيدة عن متناول العديد من العيادات الريفية والمستشفيات الصغيرة. إن تكلفة استيراد هذه المكونات الإلكترونية المتخصصة مرتفقة، وسلسلة التوريد هشة، مما ترك فجوة حرجة في البنية التحتية للرعاية الصحية في البلاد. ويكمن الحل لهذه المشكلة ليس في بناء مستشعرات فردية أفضل، بل في دمجها في جهاز واحد موحد يمكنه الاستماع إلى القلب والدماغ وتدفق الدم في وقت واحد، وكل ذلك مع كونه ميسور التكلفة بما يكفي ليتم تصنيعه محليًا.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في كلية هندسة وتكنولوجيا هندوستان وكلية كارباجام للعلوم الطبية خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال تصميم نوع جديد من رقائق الكمبيوتر يسمى CardioNeural-SoC. هذا ليس منتجًا نهائيًا تم إنتاجه بكميات كبيرة أو اختباره على المرضى بعد؛ بل هو مخطط رقمي كامل ومحاكاة دقيقة لجهاز يمكن أن يغير طريقة عمل المراقبة الطبية في الهند. لقد أنشأ الباحثون تصميمًا لقطعة صغيرة واحدة من السيليكون تدمج ستة أنظمة مختلفة في نظام واحد. ويهدف هذا التصميم إلى استبدال المكونات الستة إلى الثمانية المنفصلة المطلوبة حاليًا لبناء جهاز مراقبة للمريض متعدد المعايير. ومن خلال دمج القدرة على قراءة إشارات القلب، وموجات الدماغ، ومستويات أكسجين الدم على شريحة واحدة، يهدف التصميم إلى خفض تكلفة هذه الأجهزة بشكل كبير، مما يجعلها متاحة لآلاف المراكز الصحية الصغيرة التي تفتقر حاليًا للميزانية اللازمة للتكنولوجيا المستوردة.

يكمن جوهر هذا الابتكار في نظام إشارات مختلط مبني على عملية تصنيع بقدر 28 نانومتر، وهي مقاس قياسي للإلكترونيات الحديثة والفعالة. يتضمن التصميم أربع قنوات لقراءة النشاط الكهربائي للقلب، وقناتين للدماغ، وواجهة مستشعر لقياس تدفق الدم والأكسجين. يتم تحويل هذه المدخلات التناظرية إلى بيانات رقمية بواسطة مصفوفة محول عالية الدقة ثم تتم معالجتها بواسطة "دماغ رقمي" مخصص يعتمد على بنية RISC-V، وهي مجموعة تعليمات مفتوحة المصدر تسمح بتصميم مرن ومنخفض التكلفة. لا يقتصر دور هذا اللب الرقمي على تخزين البيانات فحسب؛ بل يتضمن أيضًا مسرعات أجهزة متخصصة يمكنها تحليل الإشارات فورًا للكشف عن مشاكل نظم القلب والعلامات المبكرة للنوبات الصرعية. ولضمان بقاء البيانات آمنة أثناء إرسالها لاسلكيًا إلى جهاز الطبيب، تتضمن الشريحة أيضًا نظام تشفير مدمج واتصال بلوتوث منخفض الطاقة.

لم يتوقف الباحثون عند رسم الدائرة الكهربائية فحسب؛ بل بنوا نموذجًا افتراضيًا كاملاً للنظام بأكمله وأجروا عليه سلسلة من تسعة اختبارات مختلفة لضمان عمل كل جزء معًا بشكل صحيح. وفي هذه المحاكاة، نجحت الشريحة في إدارة المهمة المعقدة المتمثلة في أخذ عينات من إشارات القلب والدماغ بسرعات مختلفة، وتحويلها إلى أرقام رقمية، ثم تشفير النتائج لإرسالها. وأكدت الاختبارات أن الشريحة يمكنها تحديد عدم انتظام ضربات القلب المحاكي وتصنيف بدايات النوبات الصرعية بدقة، كل ذلك مع إدارة استهلاكها للطاقة. وقد تم فحص المنطق الرقمي بدقة شديدة بحيث اجتاز كل حالة اختبار بنجاح، مما أثبت أن التصميم يعمل كما هو مخطط له في بيئة افتراضية قبل صنع أي شريحة فيزيائية.

ولفهم النطاق الفيزيائي لهذا الإنجاز، قام الفريق بتخليق التصميم لجزء محدد من الشريحة مسؤول عن تحليل طاقة الإشارات. وجد أن هذا القسم، الذي يعمل كمستخرج للميزات لخوارزميات التصنيف، يحتوي على أكثر من 21,000 بوابة منطقية وعنصر ذاكرة فردي. وعند تخطيطه، سيشغل هذا الجزء تحديدًا مساحة صغيرة تقل عن 300,000 ميكرومتر مربع. ومن حيث الطاقة، قُدر أن هذا الجزء يستهلك حوالي 46 ميلي واط عند تشغيله بالسرعة الكاملة، وهو رقم تهيمن عليه نشاط التبديل في سجلاته الداخلية. وأظهر تحليل التوقيت أن البيانات يمكن أن تتدفق عبر المسار الأكثر حرجًا لهذه الدائرة في الوقت المحدد تمامًا، مع هامش خطأ صفري عند السرعة المستهدفة البالغة 200 مليون دورة في الثانية. وتعد نتيجة "الصفر هامش" تحديًا معروفًا يقر الفريق بضرورة معالجته عند الانتهاء من التخطيط الفيزيائي، لكنها تؤكد أن التصميم يقع على حافة الجدوى.

يمتد الدافع وراء هذا العمل إلى ما هو أبعد من المواصفات الفنية ليشمل واقعًا اقتصاديًا واجتماعيًا واضحًا. قدر الباحثون أن الهند تستورد حاليًا رقائق مراقبة طبية بقيمة تقارب 427 كرور روبية سنويًا عبر خمس فئات رئيسية من الأجهزة، بما في ذلك أجهزة مراقبة العناية المركزة واللاصقات القابلة للارتداء. ومن خلال استبدال هذه المكونات المستوردة بشريحة مصممة محليًا، يهدف المشروع إلى الاستحواذ على جزء كبير من هذا السوق، مما قد يوفر للنظام الصحي مئات الكرورات سنويًا. إن هذا الخفض في التكلفة ليس مجرد مسأية ربحية؛ بل يتعلق بإمكانية الوصول. يستهدف التصميم نقطة سعر تسمح للمراكز الصحية الريفية بالحصول على نفس مستوى المراقبة المخصص حاليًا للمستشفيات المتميزة، مما قد يوفر التشخيص لملايين الأشخاص المصابين بالصرع وأمراض القلب الذين يعانون حاليًا من عدم تلقي العلاج.

على الرغم من عمليات المحاكاة الناجحة والتحليل الواعد للسوق، فإن الورقة البحثية حريصة على توضيح ما لم يتم تحقيقه بعد. لم يتم تصنيع أي شريحة فيزيائية، ولم يتم إجراء أي قياسات من جهاز سيليكون حقيقي. وتظل المكونات التناظرية، مثل المضخمات التي تعزز الإشارات الكهربائية الضعيفة من الجلد، في مرحلة مواصفات الهيكل المعماري ولم يتم بناؤها أو اختبارها بعد. ويشير الباحثون صراحةً إلى أن أرقام الطاقة ونتائج التوقيت تعتمد على النماذج الحاسوبية، وأن الأداء النهائي لن يُعرف إلا بعد تصنيع الشريحة واختبارها في المختبر. كما لم يتم التحقق من التصميم على مرضى بشريين، وتعتبر الادعاءات السريرية المتعلقة بقدرتها على تشخيص الأمراض أهدافًا مستقبلية وليست حقائق حالية.

يتضمن المسار المستقبلي لمشروع CardioNeural-SoC الانتقال من هذه المخططات الرقمية إلى العالم الفيزيائي. وتشمل الخطوات التالية تصميم الدوائر التناظرية المخصصة، وترتيب التخطيط الفيزيائي للشريحة، وإرسال التصميم النهائي إلى منشأة تصنيع في تشانديغار لإجراء تجربة تشغيل. وبمجرد إنتاج شريحة فيزيائية، ستخضع لاختبارات صارمة للتحقق من استيفائها لأهداف الأداء فيما يتعلق بالضوضاء، ووضوح الإشارة، وكفاءة الطاقة. وفقط بعد عمليات التحقق الفيزيائي هذه ودراسة سريرية تجريبية تشمل المرضى، سيكون الجهاز جاهزًا للسوق. وحتى ذلك الحين، يظل العمل بمثابة إثبات مفهوم شامل، يوضح أن شريحة واحدة محلية الصنع قادرة على مراقبة كل من القلب والدماغ هي أمر ممكن تقنيًا وجاهز للمرحلة التالية من التطوير.