柔軟なAFE、モーションコントロール、認証ICを使用したポイントオブケア診断システムの設計

ポイントオブケア（PoC）医療検査のトレンドは、検査室から医師の診察室、クリニック、さらには家庭へと移行しています。この移行により、診断が迅速化され、患者治療の迅速化、治療結果の改善、およびコストの削減につながる可能性があります。

PoCの実現は、多様なバイオセンサと接続し、必要なデータ取得測定を行うための高度なアナログフロントエンド（AFE）を備えた、汎用性が高くアプリケーションに最適化されたICからはじまります。各ICは、高度な電気化学的、生物学的、および関連測定の独自の特性に対応し、精度、低消費電力、および高度に統合された機能を備えていなければなりません。成功した最終製品は、高性能に加え、柔軟性とアップグレードの可能性を備え、プラットフォームの将来性を確保する特徴を備えています。また、データ精度とプライバシーを保証するため、スムーズで正確なモーション制御と認証ICによるサポートも不可欠です。

この記事では、PoCへの移行とその設計上の課題について説明します。その後、広く使用されているAFE測定シナリオを説明し、PoC測定、モーション制御、認証要件を満たすAnalog Devicesの柔軟なソリューションを紹介します。

今、PoCが必要な理由

PoC検査とサンプル処理の増加の要因には、個人の健康状態を改善するための医療診断の迅速化に対する需要があります。規制の義務化は、より多くの検査を奨励し、さらには要求しています。また、患者の不安、費用、時間を最小限に抑えるため、クリニックや自宅での部分的なPoCを目指す傾向もあります。このようなシステムには、これらの目的を達成するために、シンプルで使いやすく、しかも強力な計測器が必要です。

このようなシステムの設計者にとって、AFE、モーション制御、および認証ICは、患者の体液やバイタルと、さまざまなセンサからの結果データを取得、記録、評価、および報告に必要なシステムとの間の最前線のインターフェースです。これらのICは、さまざまなバイオセンサや化学物質を補完する測定エンジンを提供すると同時に、ソフトウェアを使ってアップグレード可能なプラットフォームを実現するために必要な、電気化学的および光学的診断ソリューションの構成要素です（図1）。

図1：アナログおよび関連エレクトロニクスは、患者のバイタルサインや体液と、関連するPoC機器およびデータシステムとの間の重要なインターフェースを提供します。（画像提供：Analog Devices）

アプリケーションに特化した多様なICが課題に対応

この状況を明確に示す例がいくつかあります。

例1：光学蛍光検出（FLD）：

この技術により、研究者は細胞や組織内の生物学的成分の分布、局在、相互作用を研究することができ、一般的な光学顕微鏡では見えないことが多い細胞プロセスや機能に関して深く理解することができます。これは、光吸収、散乱、反射とは対照的に、蛍光誘起蛍光色素を使用します。

蛍光色素は特定の波長の光を吸収し、その電子の一部をより高いエネルギー状態に励起します。電子が基底状態に戻ると、蛍光色素はより長い、特徴的な発光波長である光を放出します。放出された蛍光を検出して分析することで、生体構造を高コントラストで分子レベルで可視化することができます。

LEDプラス光センサシステムの進歩は、さらなる性能と機能を提供します。送受信チャンネルを備えた超低消費電力光データ収集システムMAX86171（図2、上）のようなICは、このようなアプリケーション向けに設計されています。内部が複雑であるにもかかわらず、アプリケーションに必要なディスクリート部品はわずかです（図2、下）。

図2：MAX86171マルチチャネル、超低消費電力、光データ収集システム（上）は、高度な内部統合により、外部配線と受動サポート部品を削減します（下）。（画像提供：Analog Devices）

トランスミッタ側では、MAX86171は3つの大電流8ビットLEDドライバに接続された9つのプログラマブルLEDドライバ出力ピンを備えています。レシーバ側では、周囲光キャンセル（ALC）回路を備えた2つの低ノイズ電荷積分フロントエンドを搭載し、高性能、高集積の光ベースのデータ取得システムを実現します。

MAX86178ENJ+は、最大6個のLEDと4個のフォトダイオード入力をサポートする超低消費電力、臨床グレードのバイタルサインAFEです。

医療用アプリケーションの利点と優先順位は、光データチャネルのような非医療用とは異なることに注意してください。通常、光レベルは比較的低いため、光フロントエンドの絶対ノイズフロアは、SNR（信号対雑音比）よりも重要なパラメータです。

帯域幅とサンプリングレートは非常に低く、重要なパラメータは生物学的世界では数キロヘルツのレートで変化しませんが、患者や信号の複雑なアナログ的性質により、仕様の優先順位は異なります。高感度、ワイドダイナミックレンジ、低ノイズなど、患者の皮膚や内臓が絶えず変化し、接触面積や力がわずかでも変化するような、変化する動作環境で成功するために必要なものです。また、さまざまな種類の干渉ノイズや変動が存在する中で使用されるため、問題はさらに複雑になります。

アプリケーションの要件を満たすために、MAX86171は、検査配置に応じて91～110デシベル（dB）のダイナミックレンジ、19.5ビットの分解能、50ピコアンペア（pA）（RMS）未満の暗電流ノイズ、120ヘルツ（Hz）で70dBを上回る環境光除去指数を備えています。

例2：ポテンショメトリ、アンペロメトリ、ボルタンメトリ、インピーダンス測定：

電気エンジニアは、さまざまな標準的な計測器から選択して、電圧、電流、インピーダンスおよびそれらの関係について、快適に測定することができます。しかし、化学および生物学的環境では、これらの測定には固有の要件と制約があり、次のような独特なシナリオが発生します。

• ポテンショメトリ：ポテンショスタットを使用して2つの電極間の電位差を測定し、溶液中の物質の濃度を測定します。
• アンペロメトリ：アンペロメトリ配置を使用して、電流または電流の変化に基づいて溶液中のイオンを検出する手法です。
• ボルタンメトリ：時間関数として作用電極に特定の電圧プロファイルを適用し、システムが生成する電流を測定します（通常はポテンショスタットを介して）。
• インピーダンス：皮膚と身体の電圧と電流の関係を測定します。

これらのパラメータを評価するために、AD5940は3.6 × 4.2ミリメートル（mm）の56 ピンWLCSPに幅広い機能とインターフェースオプションを提供しています（図3）。この低消費電力AFEは、アンペロメトリ、ボルタンメトリ、またはインピーダンス測定などの高精度電気化学技術が必要なポータブルアプリケーション向けに設計されています。

図3：AD5940 AFEは、高精度で低消費電力のアンペロメトリ、ボルタンメトリ、またはインピーダンス測定に必要な高度な機能を内蔵しています。（画像提供：Analog Devices）

AD5940 は 2 つの励起ループと1つの共通測定チャンネルが搭載されています。最初のループは、デュアル出力ストリング、D/Aコンバータ（DAC）、および低ノイズポテンショスタットで構成され、0Hzから200Hzの信号を生成できます。

DACの1つの出力はポテンショスタットの非反転入力を制御し、もう1つの出力はトランスインピーダンスアンプ（TIA）の非反転入力を制御します。2つ目のループは、最大200キロヘルツ（kHz）の励磁信号を生成可能な12ビットDACで構成されています。

入力側には、入力バッファ、アンチエイリアスフィルタ、プログラマブルゲインアンプ（PGA）を備えた16ビット、800キロサンプル/秒（kS/s）のA/Dコンバータ（ADC）があります。マルチプレクサは、外部電流および電圧入力用の入力チャンネルと、電源電圧、ダイ温度、基準電圧用の内部チャンネルを選択します。

電流入力には、異なるセンサタイプの測定用に、プログラム可能なゲインおよび負荷抵抗を備えた2つのTIAが含まれます。最初のTIAは低帯域幅信号を測定し、2番目のTIAは最大200kHzの高帯域幅信号を測定します。

このレベルの統合性と多用途性を備えたICを使用するユーザーは、ICを超える評価キットの恩恵を享受できます。AD5940には、EVAL-AD5940BIOZ心電図（ECG/EKG）センサArduinoプラットフォーム評価拡張ボードが用意されており、慣れた開発環境を提供します（図4）。また、このキットは、プラットフォームをソフトウェアでアップグレードできるため、新しいテスト要件が追加された場合でも、将来の設計変更に対応できます。

図4：EVAL-AD5940BIOZ心電図（ECG/EKG）センサArduinoプラットフォーム評価拡張ボードは、AD5490が設計された繊細な低レベルの測定を実施する際の、使用と評価の課題を簡素化します。（画像提供：Analog Devices）

各AD5940評価ボードは、特定の最終アプリケーションの測定目標を対象としています。Arduino類似のボードはSPI周辺機器を介してAD5940を設定し、通信します。グラフ表示とデータキャプチャ機能を備えたグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）ツールが、初期評価用に用意されています。組み込み用のC言語で書かれた多くのサンプルプロジェクトには、プログラミング環境の設定やサンプルの実行方法に関する説明が含まれています。

例3：データ認証：

さまざまな場所に保存され、近距離無線通信（NFC）接続を使用して送信されるデータは、データの真正性に関連する問題、さらには再利用、誤用、偽造サンプルやカートリッジのリスクを引き起こします。

このような懸念に対処するため、MAX66250セキュア認証機能（図 5、上）は、保存されたすべてのデータを暗号化して発見から保護する堅牢な対策を提供します。これは不正アクセスのリスクが高いNFC対応組み込みシステム（図5、下）と互換性があります。

図5：MAX66250セキュアオーセンティケータ（上）は、複数レベルの高度なデータセキュリティと認証サポートを提供し、無線データ転送用のNFCインターフェース（下）も内蔵しています。（画像提供：Analog Devices）

このセキュアオーセンティケータは、FIPS202準拠のセキュアハッシュアルゴリズム（SHA-3）によるチャレンジアンドレスポンス認証と、セキュアEEPROMを組み合わせています。このデバイスは、SHA-3エンジン、256ビットのセキュアなユーザーEEPROM、デクリメント専用カウンタ、一意の64ビットROM識別番号（ROM ID）を含む、統合ブロックから派生した暗号ツールのコアセットを提供します。一意のROM IDは、暗号化操作の基本的な入力パラメータであり、アプリケーション内の電子シリアル番号として機能します。このデバイスは、ISO/IEC15693に準拠したRFインターフェース経由で通信します。

有線接続の場合、DS28E16Q+U1-WireセキュアSHA-3認証用ICは、一意のROM IDを含むMAX66250と同じ暗号化ツールを提供します。

例4：モーション/モータ制御：

多くのPoCデバイスとステーションでは、試験片や試験管をステーション間で搬送したり、試薬を混合、転送したり、液体を正確な量で供給または排出したり、ピペット操作を行ったりするために、高精度で制御された動作が必要です。これらのアプリケーションでは、高分解能で振動のない動作を実現し、迅速、正確、信頼性が高く、静かで再現性があり、エネルギー効率の高い動作を提供するために、多くの場合、精密なマイクロステップと滑らかな停止、開始、ランプ生成が求められます。

Trinamic TMC5072-LA-Tシングル/デュアルチャネルステッピングモータコントローラドライバIC（図6、上）は、シリアル通信インタフェースを備え、これらのアプリケーションに最適です。並列運転用に配線された場合、1モータあたり1.1/1.5アンペア（A）のピークコイル電流駆動能力、1モータあたり2.2/3Aのピークコイル電流駆動能力を提供します。

基本的な動作用に、付属のTMC5072-BOB評価キット（図6、下）にはオンボードのTMC5072が搭載され、1線式のユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ（UART）を介してArduino Megaに接続できます。グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）は、パラメータの簡単設定、リアルタイムによるデータの可視化、スタンドアロンアプリケーションの開発およびデバッグするためのツールを提供します。

図6：TMC5072-LA-Tシングル/デュアルチャネルステッピングモータコントローラドライバIC（上）は、高精度な性能と滑らかな動作を提供し、TMC5072-BOB評価キット（下）でサポートされています。（画像提供：Analog Devices）

TMC5072は、自動ターゲット位置決め用の柔軟なランプ生成を組み込み、、ノイズのない動作、最大効率、および高モータトルクを提供します。7×7mmのICは、さらに次のような高度な機能を提供します。

• StealthChop2による極限の静音動作と滑らかな動作
• SpreadCycleによる高ダイナミックなモータ制御チョッパー
• DCStepによる負荷依存の速度制御
• StallGuard2による高精度センサレスモータ負荷検出
• CoolStepによる電流制御により最大75%のエネルギー節約

もちろん、単一のモーション制御デバイスでは、いかに機能が豊富であっても、すべてのPoCシステムのニーズに最適というわけではありません。このため、Analog Devicesでは、PoC向けに以下を含む幅広いモータ関連ICとサポート機能を提供しています。

• TMC4671-LA：ブラシレスDC/永久磁石同期モータ（BLDC/PMSM）および2相ステッピングモータ用のフィールド指向制御（FOC）を提供する統合サーボコントローラ
• TMC4671-LEV-REF：BLDCサーボドライバ搭載TMC4671のリファレンスデザイン
• TMC5240ATJ+T：シリアル通信インタフェースを備えたスマートな高性能ステッピングモータコントローラおよびドライバIC（TMC5072の1軸バージョン）
• TMC4361A-LA-T：ステッピングモータドライバ用モーションコントローラで、高速でジャーク制限のあるモーションプロファイルアプリケーションでS字形状のランプ動作を実現
• TMC2240ATJ-T：ステップ/方向およびSPIインタフェースを備えたスマートな統合ステッパドライバ

まとめ

さまざまな要因が重なり、多くの医療検査や評価が、より局所的で高速応答のPoCモデルへと移行しています。AFE、モーション制御、認証など、アプリケーションに特化した高集積ICがこのトレンドを可能にします。Analog Devicesは、技術要件と規制要件を満たすこれらのアプリケーションに最適化された高性能で低消費電力のデバイスの選択肢を数多く提供しています。また、将来性のあるプラットフォームに求められる柔軟性とアップグレード性も備えています。

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