Een compleet computersysteem op één enkele chip is in de pc-industrie inmiddels al realiteit geworden. Een zogenaamde SoC bestaat dan uit een centrale rekeneenheid (de CPU), de grafische processor (GPU), een audiocircuit, eigen intern geheugen en de in / uit-functies plus benodigde besturingssystemen. Apple, Intel en AMD ontwikkelen daarvoor elk zo hun eigen SoC-lijn. Bij e-health toepassingen zijn SoC’s om meerdere redenen veelbelovend.
Je kunt de systemen inzetten in zoiets simpels als een fitness tracker tot in een zelfstandig orgaan, geavanceerd diagnostisch instrument, een laboratorium op een chip (LoC) of vervanging van zintuigen of neurale besturingscentra. In een groeiend aantal gevallen gaat het om complete implantaten. Allemaal geen toekomstmuziek meer. Wel pure realiteit en snel op weg om een soort ultiem e-health-apparaat te worden. En voorzichtige schattingen spreken van een verlenging van onze levensduur met 30 procent of meer.
Waarom een SoC?
Voor de ICT-industrie zijn de belangrijkste redenen om een SoC in te zetten miniaturisering van apparaten zoals computers, een aanmerkelijk snellere werking, een veel lager energieverbruik en een optimale samenwerking tussen de verschillende componenten op de SoC. Ook kunstmatige intelligente wordt ingebouwd bij SoC’s, terwijl slimme systemen dankbaar van de faciliteiten van complete arrays van SoC’s gebruik maken.
Zijn er ook nadelen? Zonder meer ja. Een SoC vormt een compleet systeem op de dragerchip en valt verder niet meer uit te breiden. Uiteraard zijn er mogelijkheden om de SoC aan externe apparaten te koppelen. Maar die zijn in de praktijk nogal eens incompatibel. Zo weigeren sommige SoC’s samen te werken met andere GPU-kaarten in het PC-systeem.
Wat zoeken medische e-apparaten?
De medische devices bij e-health die in aanmerking komen voor het inzetten van SoC’s omvatten een breed gebied. Bekend zijn kunstmatige alvleesklieren, neurostimulators, implantaten voor zintuigen en hartbewaking maar ook wearables zoals fitnesstrackers. In verreweg de meeste gevallen is er veel vraag naar zo klein mogelijk, zo slim als het maar kan, volledig zelfstandige besturing, veilig en laag energiegebruik. Een ware hausse voor microprocessoren (MPU’s) en microcontrollers (MCU’s).
Verder zijn van belang een snelle signaalverwerking, weinig storing of interferentie, een hoge mate van connectiviteit en behalve digitaal tevens koppeling aan analoge apparatuur. Mooi meegenomen zijn ook de lagere prijs en relatief eenvoudige massaproductie.
Deze ontwikkeling past geheel in de industriële ontwikkeling van het Internet of Things (IIoT). Koppeling aan medische monitoren, flowmeters, labdiagnostiek, multisensorsystemen en éénfase-elektrische meters ligt voor de hand.
Het MDoC
Het SOC voor medische toepassingen wordt in de literatuur een MDoC genoemd. De eerste werkende toepassingen van MDoC betroffen het simuleren van real life functionerende organen (OoC’s) en complete technische laboratoria op een chip (LoC’s).
De OoC’s zijn gewild bij onderzoek naar de werking van medicijnen, het simuleren van biomedische functies en als implantaat bij bijvoorbeeld diabetes (kunstalvleesklier). Je kunt zonder risico voor de menselijke proefpersonen uitgebreid en grootschalig testen. Dat versnelt de doorlooptijd alvorens een medicijn echt valt in te zetten en scheelt veel geld. Een aparte tak vormen de microvloeistof(kanalen) of microfysiologische systemen. Die zijn eigenlijk al niet meer van het echte lichaam te onderscheiden.
Er zijn inmiddels OoC’s verkrijgbaar voor blaas, bot, brein, hart, oog, darm, hersenen, lever, nier, prostaat, voortplantingsorganen, long, huid, mond en spier. Er is er zelfs eentje die de contactlens in het menselijk oog en de invloed van vloeistoffen (daarop) perfect nabootst. Koppel meerdere OoC’s aan elkaar en je hebt een multi-orgaansysteem. Dat wordt gebruikt voor het onderzoeken van de reacties tussen verschillende organen. En het nabouwen van een compleet menselijk lichaam is niet ver meer.
De LoCs worden ingezet voor standaard laboratoriumonderzoek, toxicologie, experimentele en ook forensische doeleinden. Een andere toepassing vormt het kweken van micro-organismen en weefsels. Relatief nieuw zijn de gepersonaliseerde diagnostiek waarbij patiënt specifieke medicatie ontwikkeld wordt.
Implantaten
Bij implantaten zoals zintuigen, breinstimulatie en motorische aansturing bij zenuwuitval (zoals bij dwarslaesies) is het bijzonder handig om alles in een compact, snelwerkend en weinig energie verbruikend chipsysteem onder te brengen.
Neem een implantaat om weer te kunnen zien of te horen. Dan gaat het over een ontvangstdeel, een omzetter naar neurologische signalen en een koppeling aan de desbetreffende hersensectoren. Bij neurostimulatoren dient het MSoC een intelligente automatische piloot te zijn die niet alleen de besturing en koppeling aan de spieren of hersendelen geheel zelfstandig doet maar ook nog een kunstmatig intelligent inschat wat er nodig is of komen gaat.
Eyetracking glasses kennen we al uit Star Trek en andere SF-series. Zij vervangen de bril en werken nauw samen met de ogen. Geen werkzaam oog meer? Dan het hele optische systeem vervangen door een optical SoC-systeem.
Medical ASIC
Een andere benadering is het Medische Applicatie Specifieke Circuit, de MASIC. In de praktijk gaat het daarbij om sensorcircuits voor EEG, ECG, EMG, photoplethysmogram (PPG), galvanic skin response (GSR), functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), bio-impedance en electrical impedance. De AIC is klein, snel, nauwkeurig, weinig gevoelig voor storingen en energiezuinig. Je kunt hen opplakken, inslikken of als wearable gebruiken.
Het besturingssysteem draait op basis-algoritmen voor de uit te voeren functie(s). Recente toepassingen zijn analyse van de gang (beweging), het monitoren van de vitale functies, niet-invasieve brein monitoring en stimulering, slaapmonitoring, controle en stimulatie van de ademhaling, pijn en stress in kaart brengen, nierdialyse en gastrologie plus nauwkeurige toediening van voeding op maat.
E-health en leefstijl
Een veld dat sterk in opkomst is op het gebied van e-health, is de ondersteuning van de eigen leefstijl. De geavanceerde wearables compleet met AI die ons adviseren hoe gezond te leven. Dergelijke SoC-systemen zijn slim genoeg om precies op maat te stimuleren en reguleren.
Nee, we zijn nu niet in de eeuw van de cyborg beland. Het blijft allemaal nog steeds menselijk met de MSoC. De gezondheid, kwaliteit van leven en levensduur zijn echter onder meer gebaat bij deze ultieme e-health-devices.
