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

Nel vasto panorama della medicina moderna, la capacità di ascoltare i segnali elettrici del corpo è un pilastro fondamentale della diagnosi. Il cuore batte con un impulso elettrico ritmico che i medici possono tracciare per individuare irregolarità pericolose, mentre il cervello emette scariche con schemi complessi che rivelano l'insorgenza di crisi epilettiche. Per decenni, la cattura di questi segnali ha richiesto apparecchiature ingombranti o una collezione di chip separati e specializzati, ognuno progettato per ascoltare solo una parte del corpo. In India, dove milioni di persone soffrono di patologie cardiache ed epilettiche non diagnosticate, questa dipendenza dalla tecnologia importata ha mantenuto il monitoraggio avanzato fuori dalla portata di molti cliniche rurali e piccoli ospedali. Il costo dell'importazione di questi componenti elettronici specializzati è elevato e la catena di approvvigionamento è fragile, lasciando un vuoto critico nell'infrastruttura sanitaria della nazione. La soluzione a questo problema non risiede nel costruire migliori sensori individuali, ma nel combinarli in un unico dispositivo unificato che possa ascoltare il cuore, il cervello e il flusso sanguigno simultaneamente, il tutto pur essendo abbastanza economico da poter essere prodotto localmente.

Un team di ricercatori dell'Hindusthan College of Engineering and Technology e della Karpagam Faculty of Medical Sciences ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo progettando un nuovo tipo di chip per computer chiamato CardioNeural-SoC. Questo non è un prodotto finito che sia stato prodotto in serie o testato sui pazienti; piuttosto, è un completo progetto digitale e una rigorosa simulazione di un dispositivo che potrebbe cambiare il modo in cui avviene il monitoraggio medico in India. I ricercatori hanno creato il design per un singolo, minuscolo pezzo di silicio che integra sei diversi sistemi in uno. Questo chip è destinato a sostituire i sei o otto componenti separati attualmente necessari per costruire un monitor paziente multiparametrico. Combinando la capacità di leggere i segoli cardiaci, le onde cerebrali e i livelli di ossigeno nel sangue su un unico die, il design mira a tagliare drasticamente il costo di questi dispositivi, rendendoli accessibili alle miglia di centri sanitari che attualmente non dispongono del budget per la tecnologia importata.

Il cuore di questa innovazione è un sistema a segnale misto costruito su un processo di produzione a 28 nanometri, uno standard per l'elettronica moderna ed efficiente. Il design incorpora quattro canali per leggere l'attività elettrica del cuore, due canali per il cervello e un'interfaccia sensoriale per misurare il flusso sanguigno e l'ossigeno. Questi input analogici vengono convertiti in dati digitali da un array di convertitori ad alta precisione e poi elaborati da un cervello digitale personalizzato basato sull'architettura RISC-V, un set di istruzioni open-source che consente un design flessibile ed economico. Questo nucleo digitale non si limita a memorizzare i dati; include acceleratori hardware specializzati che possono analizzare istantaneamente i segnali per rilevare problemi del ritmo cardiaco e i primi segni di una crisi. Per garantire che i dati rimangano sicuri durante l'invio wireless a un dispositivo medico, il chip include anche un sistema di crittografia integrato e una connessione Bluetooth a basso consumo.

I ricercatori non si sono limitati a disegnare il circuito; hanno costruito un modello virtuale completo dell'intero sistema e lo hanno sottoposto a una serie di nove test diversi per garantire che ogni parte funzionasse correttamente insieme. In queste simulazioni, il chip ha gestito con successo il compito complesso di campionare i segoli cardiaci e cerebrali a velocità diverse, convertendoli in numeri digitali e poi criptando i risultati per la trasmissione. I test hanno confermato che il chip poteva identificare correttamente aritmie cardiache simulate e classificare l'insorgenza di crisi, il tutto gestendo il proprio consumo energetico. La logica digitale è stata controllata così accuratamente che ogni singolo caso di test è passato, dimostrando che il design funziona come previsto in un ambiente virtuale prima ancora che venga prodotto un chip fisico.

Per comprendere la scala fisica di questo traguardo, il team ha sintetizzato il design per una parte specifica del chip responsabile dell'analisi dell'energia dei segnali. Questa sezione, che funge da estrattore di caratteristiche per gli algoritmi di classificazione, è risultata contenere oltre 21.000 porte logiche e unità di memoria individuali. Quando disposta, questo specifico blocco occuperebbe un'area minuscola di meno di 300.000 micrometri quadrati. In termini di potenza, questo blocco è stimato consumare circa 46 milliwatt quando funziona alla massima velocità, una cifra dominata dall'attività di commutazione dei suoi registri interni. L'analisi temporale ha mostrato che i dati potevano fluire attraverso il percorso più critico di questo circuito esattamente in tempo, con zero margine di errore alla velocità target di 200 milioni di cicli al secondo. Questo risultato a margine zero è una sfida nota che il team riconosce dover essere affrontata quando il layout fisico sarà finalizzato, ma conferma che il design è al limite della fattibilità.

La motivazione dietro questo lavoro va oltre le specifiche tecniche per toccare una chiara realtà economica e sociale. I ricercatori hanno stimato che l'India importi attualmente chip per il monitoraggio medico per un valore di circa 427 crore di rupie all'anno in cinque grandi categorie di dispositivi, inclusi i monitor per terapia intensiva e i cerotti indossabili. Sostituendo questi componenti importati con un chip progettato internamente, il progetto mira a catturare una parte significativa di questo mercato, risparmiando potenzialmente centinaia di crore ogni anno al sistema sanitario. Questa riduzione dei costi non riguarda solo il profitto; riguarda l'accessibilità. Il design punta a un livello di prezzo che permetterebbe ai centri sanitari rurali di permettersi lo stesso livello di monitoraggio attualmente riservato agli ospedali d'élite, portando potenzialmente la diagnosi a milioni di persone con epilessia e malattie cardiache che attualmente restano senza trattamento.

Nonostante le simulazioni di successo e la promettente analisi di mercato, l'articolo dichiara con cautela ciò che non è ancora stato raggiunto. Nessun chip fisico è stato fabbricato e nessuna misurazione è stata presa da un vero dispositivo in silicio. I componenti analogici, come gli amplificatori che potenziano i deboli segnali elettrici dalla pelle, rimangono allo stadio di specifica architettonica e non sono ancora stati costruiti o testati. I ricercatori sottolineano esplicitamente che le cifre sulla potenza e i risultati temporali si basano su modelli informatici e che le prestazioni finali saranno note solo dopo che il chip sarà fabbricato e testato in laboratorio. Il design non è ancora stato validato su pazienti umani e le rivendicazioni cliniche riguardo la sua capacità di diagnosticare malattie sono obiettivi futuri piuttosto che fatti attuali.

Il percorso futuro per il progetto CardioNeural-SoC prevede il passaggio da questi progetti digitali al mondo fisico. I prossimi passi includono la progettazione dei circuiti analogici personalizzati, la disposizione del layout fisico del chip e l'invio del design finale a un impianto di fabbricazione a Chandigarh per una prova pilota. Una volta prodotto un chip fisico, esso sarà sottoposto a rigorosi test per verificare che soddisfi gli obiettivi di prestazione per rumore, chiarezza del segnale ed efficienza energetica. Solo dopo queste validazioni fisiche e uno studio clinico pilota che coinvolga i pazienti, il dispositivo sarà pronto per il mercato. Fino ad allora, il lavoro rappresenta una completa prova di concetto, dimostrando che un singolo chip autoctono capace di monitorare sia il cuore che il cervello è tecnicamente possibile e pronto per la fase successiva di sviluppo.