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

No vasto cenário da medicina moderna, a capacidade de ouvir os sinais elétricos do corpo é um pilar fundamental para o diagnóstico. O coração bate com um pulso elétrico rítmico que os médicos podem rastrear para detectar irregularidades perigosas, enquanto o cérebro dispara padrões complexos que revelam o início de convulsões. Durante décadas, capturar esses sinais exigiu equipamentos volumosos ou uma coleção de chips separados e especializados, cada um projetado para ouvir apenas uma parte do corpo. Na Índia, onde milhões sofrem de condições cardíacas e epilepsia não diagnosticadas, essa dependência de tecnologia importada manteve o monitoramento avançado fora do alcance de muitas clínicas rurais e hospitais menores. O custo de importar esses componentes eletrônicos especializados é alto e a cadeia de suprimentos é frágil, deixando uma lacuna crítica na infraestrutura de saúde do país. A solução para este problema não reside na construção de melhores sensores individuais, mas em combiná-los em um único dispositivo unificado que possa ouvir o coração, o cérebro e o fluxo sanguíneo simultaneamente, tudo isso enquanto é acessível o suficiente para ser fabricado localmente.

Uma equipe de pesquisadores do Hindusthan College of Engineering and Technology e da Karpagam Faculty of Medical Sciences deu um passo significativo em direção a esse objetivo ao projetar um novo tipo de chip de computador chamado CardioNeural-SoC. Este não é um produto acabado que tenha sido produzido em massa ou testado em pacientes; trata-se, antes, de um blueprint digital completo e de uma simulação rigorosa de um dispositivo que poderia mudar a forma como o monitoramento médico funciona na Índia. Os pesquisadores criaram o design de uma única e minúscula peça de silício que integra seis sistemas diferentes em um só. Este chip tem o intuito de substituir os seis a oito componentes distintos atualmente necessários para construir um monitor de paciente multiparamétrico. Ao combinar a capacidade de ler sinais cardíacos, ondas cerebrais e níveis de oxigênio no sangue em um único die, o design visa reduzir drasticamente o custo desses dispositivos, tornando-os acessíveis aos milhares de pequenos centros de saúde que atualmente carecem de orçamento para tecnologia importada.

O cerne desta inovação é um sistema de sinal misto construído em um processo de fabricação de 28 nanômetros, um padrão de tamanho para eletrônicos modernos e eficientes. O design incorpora quatro canais para leitura da atividade elétrica do coração, dois canais para o cérebro e uma interface de sensor para medir o fluxo sanguíneo e o oxigênio. Esses inputs analógicos são convertidos em dados digitais por um arranjo de conversor de alta precisão e, em seguida, processados por um cérebro digital customizado baseado na arquitetura RISC-V, um conjunto de instruções de código aberto que permite um design flexível e de baixo custo. Este núcleo digital faz mais do que apenas armazenar dados; ele inclui aceleradores de hardware especializados que podem analisar instantaneamente os sinais para detectar problemas de ritmo cardíaco e os sinais precoces de uma convulsão. Para garantir que os dados permaneçam seguros ao serem enviados sem fio para o dispositivo de um médico, o chip também inclui um sistema de criptografia integrado e uma conexão Bluetooth de baixa potência.

Os pesquisadores não pararam no desenho do circuito; eles construíram um modelo virtual completo de todo o sistema e o submeteram a uma série de nove testes diferentes para garantir que todas as partes funcionassem corretamente em conjunto. Nessas simulações, o chip gerenciou com sucesso a tarefa complexa de amostrar sinais cardíacos e cerebrais em diferentes velocidades, convertendo-os em números digitais e, em seguida, criptografando os resultados para transmissão. Os testes confirmaram que o chip poderia identificar corretamente arritmias cardíacas simuladas e classificar o início de convulsões, tudo isso gerenciando seu próprio consumo de energia. A lógica digital foi tão minuciosamente verificada que cada um dos casos de teste passou, provando que o design funciona conforme pretendido em um ambiente virtual antes mesmo que qualquer chip físico seja fabricado.

Para compreender a escala física desta conquista, a equipe sintetizou o design de uma parte específica do chip responsável por analisar a energia dos sinais. Esta seção, que atua como um extrator de características para os algoritmos de classificação, revelou conter mais de 21.000 portas lógicas individuais e elementos de memória. Quando implementado, este bloco específico ocuparia uma área minúscula de menos de 300.000 micrômetros quadrados. Em termos de potência, estimou-se que este bloco consumiria cerca de 46 miliwatts ao operar em velocidade máxima, um valor dominado pela atividade de comutação de seus registradores internos. A análise de tempo mostrou que os dados poderiam fluir através do caminho mais crítico deste circuito exatamente no tempo previsto, com margem zero de erro na velocidade alvo de 200 milhões de ciclos por segundo. Este resultado de margem zero é um desafio conhecido que a equipe reconhece que precisará ser abordado quando o layout físico for finalizado, mas confirma que o design está no limite da viabilidade.

A motivação por trás deste trabalho estende-se além das especificações técnicas para uma realidade econômica e social clara. Os pesquisadores estimaram que a Índia importa atualmente chips de monitoramento médico no valor de aproximadamente 427 crore de rúpias anualmente em cinco grandes categorias de dispositivos, incluindo monitores de cuidados intensivos e adesivos vestíveis. Ao substituir esses componentes importados por um chip projetado domesticamente, o projeto visa capturar uma parcela significativa deste mercado, potencialmente economizando centenas de crores ao sistema de saúde a cada ano. Esta redução de custos não é apenas sobre lucro; é sobre acessibilidade. O design visa um ponto de preço que permitiria aos centros de saúde rurais adquirir o mesmo nível de monitoramento atualmente reservado para hospitais de elite, potencialmente levando o diagnóstico aos milhões de pessoas com epilepsia e doenças cardíacas que atualmente permanecem sem tratamento.

Apesar das simulações bem-sucedidas e da análise de mercado promissora, o artigo é cuidadoso ao declarar o que ainda não foi alcançado. Nenhum chip físico foi fabricado e nenhuma medição foi realizada a partir de um dispositivo de silício real. Os componentes analógicos, como os amplificadores que aumentam os sinais elétricos tênues da pele, permanecem no estágio de especificação arquitetônica e ainda não foram construídos ou testados. Os pesquisadores explicitamente observam que as figuras de potência e os resultados de tempo baseiam-se em modelos computacionais e que o desempenho final só será conhecido após o chip ser fabricado e testado em laboratório. O design ainda não foi validado em pacientes humanos, e as alegações clínicas sobre sua capacidade de diagnosticar doenças são objetivos futuros, e não fatos atuais.

O caminho a seguir para o projeto CardioNeural-SoC envolve passar destes blueprints digitais para o mundo físico. As próximas etapas incluem o design dos circuitos analógicos customizados, o arranjo do layout físico do chip e o envio do design final para uma instalação de fabricação em Chandigarh para um teste experimental. Uma vez que um chip físico seja produzido, ele passará por testes rigorosos para verificar se atende às metas de desempenho para ruído, clareza de sinal e eficiência energética. Somente após essas validações físicas e um estudo clínico piloto envolvendo pacientes é que o dispositivo estará pronto para o mercado. Até lá, o trabalho permanece como uma prova de conceito abrangente, demonstrando que um único chip indígena capaz de monitorar tanto o coração quanto o cérebro é tecnicamente possível e está pronto para a próxima fase de desenvolvimento.