ヘルスケア製品アプリケーション・ガイド

ヘルスケア製品アプリケーション・ガイド
ヘルスケア製品に要求される仕様
ヘルスケア製品とは、一般家庭での使用を前提とした医療機器・健康管理機器を指します。
要求される基本仕様はポータブル計測機器/ 医療機器と同じですが、より小型・低消費電力であることが求められます。
すなわち、
− サイズはできるだけ小さく
− 部品点数は極力少なく → マイコン＋必要最小限の外付部品
− バッテリ駆動なのでとことん低消費電力
MSP430はこれらの要求を満足するヘルスケア製品に最適のマイコンです。
このアプリケーションガイドでは、MSP430を中心としたソリューションをご紹介致します。
ヘルスケア製品基本ブロック図
基本ブロック図
MSP430 内蔵
基本構成（センサ・センサ信号の増幅とAD 変換・デー
タ処理・表示装置・電源）は他のポータブル計測器・医
プリアンプ
MPX
センサ
無線
増幅 /
フィルタ
アンプ
療機器と同じです。これに、データを保存するための外
部メモリカードや外部との通信インターフェース
（有線・無
線）
が必要になる場合もあります。
MSP
430
設計上、最も重要な点はバッテリ寿命を延ばすための超
ADC
通信
メモリカード
低消費電力と高速処理／応答・高精度計測になります。
MSP430はこれらの要求に対応できるマイコンであり、用
途に応じて様々なラインナップをとり揃えています。
MSP430にはアンプ・ADコンバータ内蔵の製品があ
MSP430 内蔵
ディスプレイ
（LCD）
り、アプリケーションによっては、センサ信号の増幅回
路・ADコンバータを省くことができ、センサ信号を直接
MSP430に入力することができます。
また有線・無線通信インターフェース内蔵製品もあり部品
MSP430 内蔵回路により削減可能
点数の大幅な削減と設計時間の短縮を可能とします。
MSP430内蔵回路の使用により、最小部品構成・低消
DC/DC
費電力が可能となり、製品の小型化・長バッテリ寿命に
貢献致します。
LDO/REF
バッテリ
血糖値計
●
血糖値とは、血液の中のブドウ糖の量（濃度）のことです。血糖
●
ここで紹介するMSP430FG43x/47xには血糖値を計測する全機
値はメタボリックシンドロームの診断基準のひとつになっており、
能が搭載されており、このデバイスと電池、センサ、測定結果表
家庭用の自己血糖値計の販売台数は年々増加してきております。
示のための LCD で製品を構成することが可能です。また、内部
にアナログアンプ、ADコンバータ、DAコンバータを内蔵している
●
●
血糖値の測定検知方法には赤外線分光法、反射フォトメトリ、ア
ため、セルフキャリブレーションが可能で温度変動にともなうオフ
ンペロメトリなどがあります。家庭用自己血糖値計には、反射フォ
セット誤差等を補正することができます。そのため、安価で高精
トメトリやアンペロメトリが使われます。
度の計測が可能となります。
アンペロメトリ法では、グルコース・オキシダーゼ酵素を使った電
気化学的テスト・ストリップ内の化学反応により生じる電流をセン
●
MSP430FG43xは消費電流が２μA 以下でありバッテリ動作に最
適なマイコンとなっております。
サが測定します。
血糖値計開ソリューション事例：MSP430FG47x
●
MSP430FG47x/47x Microcontroller
低電源電圧範囲
Memory
⇒ 1.8 ∼ 3.6V
●
⇒スタンバイ・モード時：1.1μA
16-bit RISC
Orthogonal
MCU
16ビット RISC アーキテクチャ
8 MHz
超低消費電力
⇒アクティブ・モード時：1MHz, 2.2Vにおいて260μA
●
●
16ビット・シグマデルタ A/D コンバータ
●
最大 2 つの12ビット D/A コンバータ
●
最大 2 つの設定可能なオペ・アンプ
●
最大 128セグメントのLCDコントローラ搭載
●
オンチップ・コンパレータ
●
RTC 付きベーシック・タイマ
●
ユニバーサル・シリアル・コミュニケーション・インタフェース（USCI）
×2
●
温度範囲： 40 ∼ +85℃
●
パッケージ：113ボール BGA、80ピン QFP
2kB RAM
FLL+:
LFXT1CLK
XT2CLK
Debug
DCO
FLL
JTAG w/2 Breakpoints
36 KB∼ 60 KBのフラッシュ・メモリと2 KBのSRAM
●
32/48/60kB Flash
Power &
Clocking
Embedded Emulation
Brownout Reset
Boot Strap Loader
Supply Volt Supervisor
Peripherals
Timers
Comparator A
15-bit Watch Dog Timer
2 x Op Amps（FG47x only）
16-bit Basic Timer
RTC
16-bit Timer A3、with
3 CC Registers
128-Segment LCD Driver
Serial Interface
2 x USCI_A（UART/SPI/IrDA）
2 x USCI_B（I2C/SPI）
Converters
16-bit Sigma Delta A/D Converter A
Up to 2x 12-bit D/A Converter
16-bit Timer B3、with
3 CC w/Shadow Registers
Connectivity
48 I/Os
血糖値計ソリューション事例：MSP430FG439/479
MSP430FG439
データシート：SLAS380B
MSP430FG439
データシート：SLAS580C
1 2 3 4 5 6 7 8
AM/PM
mg/dL
< 2 μA
（FG43x）
32 kHz
16-bit
CPU
60kB
Flash
LCD
128 Segs
Contrast
Control
2kB RAM
RTC
SPI
USCI_A1
16-bit
Timer A
CR2032
BOR
&
SVS
CC1100
or
CC2500
USB
UART
Basic
Timer
16-bit
Timer B
USCI_A1
TUSB3410
UART
Sensor
Voltage Output
for electrode
CompA
OA0
12-bit
DAC
16-bit
ADC
USCI_A1
12-bit
DAC
TEMP
GPIO
Sensor
OA1
MSP430FG479
DEBUG
血圧計
●
血圧は最も基本的なバイタルサインです。約４０００万人ともいわれ
●
る高血圧患者の存在は血圧に対する関心を高めており、血圧計は
血圧の測定方式にはいくつかの方式がありますが、家庭用血圧計
には主にオシロメトリック法が使われています。
最も広く一般家庭に普及している医療機器のひとつとなっています。
●
血圧とは、
“心臓から送り出された血液が動脈の内壁を押す力”
のことで、心臓が縮んで血液を送り出す（収縮）ときの血圧を最高
血圧、収縮した心臓が元にもどり、一番膨らんだとき（拡張）の血
圧を最低血圧とよびます。
血圧の測定方式
観血式血圧測定（血を観る）
非観血式血圧測定（血を観ない）
●
間欠法
聴診法、オシロメトリック法、マイクロホン法
連続法
トノメトリ法、容積補償法
血圧計は、血圧計腕帯、ポンプ、および圧力トランスデューサを使用
●
して、血圧と心拍数を測定します。
AC成分とDC成分はADコンバータにてデジタル化されたのち、マイ
クロプロセッサによりデジタル信号処理されて血圧と心拍数が算出さ
れます。
●
圧力トランスデューサは、印加された差動入力圧力に比例する出力電
圧を生成します。
その出力電圧範囲は 0mV∼ 50mV程度であるため、
●
アンプを用いて0V∼ 5V 程度まで増幅する必要があります。
ここで紹介するMSP430FG43x/47x/461xは内部にオペアンプ、AD
コンバータ、DAコンバータを内蔵しているため、オシロメトリック法に
よる血圧計測に必要なアナログ信号処理が可能です。
●
圧力トランスデューサからの出力信号は増幅＋バンドパスフィルター処
理されたのち交流（AC）成分と直流（DC）成分に分離されます。
●
このデバイスと電池、センサ、測定結果表示のためのLCDという最
小部品で製品を構成することが可能です。
●
この AC 成分は、患者の心臓収縮期（最高血圧）/ 拡張期（最低血
圧）の血圧、および心拍数を取得するタイミング決定に用いられます。
血圧計ソリューション事例：MSP430FG439/479/4616
MSP430FG439
LCD
120-160
Seg
LDO
TPS78223
6V
（4xAA）
120
80
56
12 Bit
D/A
3V
（2xAAA）
Pressure
Sensor
Bridge
Diffential
Amp
Mux
2 to1
12 Bit
A/D、
200K S/S
0-50mV
Signal
16 bit
Medical
Processor
PWM
Control
Driver
60K Code
2K RAM
High Pass Filter
AC Amp
Pump
Motor
EEPROM
PWM
Air Jack
to Cuff
Pressure Release Valve
デジタル体温計
●
デジタル体温計は高速・正確・効率的な測定が可能なため、急速
ここでご紹介する例は、サーミスタを用いた低コストの一般用デジ
●
に従来の水銀体温計に取ってかわりつつあります。
タル体温計です。ADコンバータを使わず、MSP430 内蔵のタイマと
コンパレータを用い2 重積分方式のAD 変換を構成しています。
●
新しい技術が取り入れられ現在では口腔・直腸・腋下・耳などの
使用箇所に応じて様々な種類のデジタル温度計が存在しています。
2重積分方式AD変換の原理の詳細につきましては、アプリケーショ
●
ンノート「Implementing an Ultra-Low-Power Thermostat with
●
耳式では赤外線センサを使用しますが、他の種類の体温計では
slope A/D Conversion」
（文書番号 SLAA129）をご参照ください。
サーモパイルやサーミスタが使用されています。
デジタル体温計ソリューション事例：MSP430F41x
MSP430x41x Microcontroller
シングル・チップ・ソリューション MSP430F41x
Memory
1. 高速内部発振回路からクロック供給
2. シングル・スロープ型アナログ変換方式によって抵抗センサをリード
16-bit RISC
Orthogonal
MCU
3. 低消費電力
●
LCDオン時のスタンバイ・モードにおいて、
回路全体の消費電流はわずか1.5μA
Power &
Clocking
4/8/16/32kB Flash
4/8kB ROM
FLL+:
256/512/1024B RAM
LFXT1CLK
XT2CLK
Debug
8 MHz
DCO
FLL
JTAG w/2 Breakpoints
●
アクティブ・モード時の平均消費電流は110μA
Embedded Emulation
Brownout Reset
●
スタンバイ時間を長く、アクティブ時間を短くすることによって、
Boot Strap Loader
Supply Volt Supervisor
回路全体の平均電流を5μA 未満に抑制
●
Peripherals
220 mAh、2032タイプのコイン電池を使用した場合、
Timers
Comparator A
電池交換せずに最長 5 年間連続稼動が可能
15-/16-bit Watch Dog Timer
96-Segment LCD Driver
4. 96セグメント LCD ドライバ搭載
16-bit Basic Timer
16-bit Timer A3、with
3 CC Registers
Connectivity
48 I/Os
16-bit Timer A5、with
5 CC Registers
（F417、F415 Only）
デジタル体温計ソリューション事例：MSP430F412/413
基本測定方法：二重積分方式
30 - 43 度 測定レンジ例（分解能 0.01 度）
Rref = 50k
Vcc
MSP430F/C413
Px.x
データシート：SLAA038
Timer_A
NTC
アプリケーションノート：SLAA129B
Px.x
“Capture”
+
V1 Cref
CAREF
‒
Vss
V1
VCC
t_NTC
R_NTC = 50k ×
t_50k
CAREF
1/4*Vcc
VSS
150ms
t_50k
150ms
t_NTC
t
歩数計
●
歩数計はその名のとおり、人が歩いた歩数を計測するヘルスケア
●
加速度センサ出力信号は運動エネルギー量を表しますので、この
機器です。生活習慣病予防意識の高まりとともに広く普及しつつあ
信号を処理することにより、歩数計測だけでなく、運動情報（強さ：
ります。
METsと量：METs×時間）等も計測し表示することが可能となり
ました。
●
歩数計のはじまりは振り子を用いた機械式のもので、長い間歩数
計の主役でありました。今でも製造・販売されておりますが、徐々
●
●
現在の電子式歩数計の主流は１軸または 2 軸（軸：加速度検出の
に加速度センサを搭載した機種（電子式）に主役の座を譲りつつ
方向）加速度センサを搭載した製品になりますが、3 軸加速度セ
あります。
ンサ搭載品も増えつつあります。
加速度センサは人の運動を加速度の変化としてとらえ、リアルタイ
●
ここで紹介するMSP430FG43xは内部にオペアンプ、ADコンバー
ムでアナログもしくはデジタル信号として出力します。加速度セン
タを内蔵しているため、加速度センサからのアナログ信号を直接
サからの信号はマイコンにとりこまれ処理されます。加速度センサ
入力することが可能です。
がアナログ信号の場合、マイコンでの処理の前に“増幅＋フィルタ”
処理が必要となります。
●
このデバイスと電池、センサ、測定結果のためのLCDという最小
限の部品で製品を構成することを可能にします。
歩数計ソリューション事例：MSP430F41x/FG43x
対応加速度センサー
MSP430FG43x − デジタル出力、
アナログ出力（１/2 軸）
MSP430F41x − デジタル出力
加速度
センサー
MSP430F41x
MSP430FG43x
コイン型電池
CR2032 など
表示（LCD）
“ 加速度センサー＋ MSP430 ＋電池＋ LCD ”で実現可能。
推奨部品リスト
センサー部・後段アンプ部
デバイス型番
機能
オペアンプ
OPA333
OPA369
TLV2780
OPA379
OPA363
OPA348
特徴
用途（例）
1.8V Power、0.05uV/C（Max）drift
1.8V Power、1uA IQ、12KHz GBW
1.8V Power、シャットダウン、RRIO
1.8V Power、3uA IQ、90KHz GBW
1.8V Power、シャットダウン、10pA IB
2.1V power、65uA IQ、RRIO、8MHz GBW
超低消費電力、ゼロドリフト
ECG・体温計
計装アンプ
INA333
INA118
INA128
1.8V Power、0.1uV/C（Max）drift
110dB CMRR、低バイアス（5nA）
120dB CMRR、Low Noise/Drift/Offset
Single/Dual 電源（± 1.35 to ± 18V ）
Dual 電源（± 2.25 to ± 18V), ゲイン設定可 (G=1 to 10K ）
機能
特徴
最低消費電力、ゼロクロスオーバー
低消費電力、低コスト
血糖値計
低消費電力、低コスト
血糖値計
低バイアス電流、広帯域
SpO2、血糖値計
低消費電力、広帯域
血糖値計
低消費電力、ゼロドリフト
信号処理部
デバイス型番
用途（例）
ADC
ADS7822
ADS8317
ADS8326
ADS1115
ADS1216/17/18
ADS1222/4
ADS124x
12 ビット SAR、200KSPS
16 ビット SAR、250KSPS、擬似バイポーラ
16 ビット SAR、250KSPS、擬似差動
16 ビット⊿Σ、0.86KSPS
24 ビット⊿Σ、0.78KSPS
24 ビット⊿Σ、0.24KSPS
24 ビット⊿Σ、0.0015KSPS
低消費電力
体組成計・血圧計
消費電力：10mW
SpO2
消費電力：10mW
Smallest 16Bit ADC、PGA/MUX/REF 内蔵
PGA/Buffer/REF 内蔵
血糖値計・血圧計
ECG
低コスト
体重計
50/60Hz ノッチフィルタ
体組成計
血糖値計・血圧計
マイクロコントローラ
MSP430FG42x0
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCDドライバ付 FLASH（16-32KB）
、RAM（256B）
、16 ビット SD-ADC、12 ビット DAC、OP アンプ
MSP430FG43x
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCDドライバ付 FLASH（32-60KB）
、RAM（1-2KB）
、12 ビット ADC、12 ビット DAC、OP アンプ
血糖値計・ECG・体重計
血糖値計・ECG・SpO2・
血圧計・歩数計
MSP430FG461x
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCDドライバ付 FLASH（92-120KB）
、RAM（4-8KB）
、12 ビット ADC、12 ビット DAC、OP アンプ、
DMA、乗算器、USCI
血糖値計・ECG・
体組成計・血圧計
MSP430FG47x
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCD ドライバ付 FLASH（32-60KB）
、RAM（2KB）
、16 ビット SD-ADC、12 ビット DAC、OP アンプ、 血糖値計・ECG・体重計・
血圧計
USCI
MSP430F41x
MSP430F42x
MSP430F54xx
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCDドライバ付 FLASH（4-32KB）
、RAM（256-1KB）
、コンパレータ
体温計・歩数計
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン LCDドライバ付 FLASH（8-32KB）
、RAM（256-1KB）
、16 ビット SD-ADC、乗算器、USART
体温計・歩数計・体重計
超低消費電力 16 ビット RISC マイコン
FLASH（128-256KB）
、RAM（16KB）
、12 ビット ADC、DMA、32 ビット乗算器、
USCI、乗算器、USART
体組成計
機能
特徴
昇圧 DC/DC レギュレーター
96% 効率、同期整流方式
低入力（0.3V ）
、同期整流方式
同期整流方式、0.6-6V 出力
電源部
デバイス型番
DC/DC
TPS61024/5
TPS61200
TPS62240
昇圧 DC/DC レギュレーター
降圧 DC/DC レギュレーター
REF
REF29xx
REF30xx
REF33xx
ローパワー・ロードリフト
50 μA、2% 初期精度、1.25/2.048/2.5/3.0/3.3/4.096V
50 μ A、0.2% 初期精度、1.25/2.048/2.5/3.0/3.3/4.096V
低消費電力基準電圧源
ポータブル・バッテリ駆動アプリケーション向け
機能
特徴
ローパワー・ローコスト
外部通信部
デバイス型番
RF Transceiveers
CC1101/1150
CC2500/2550
高集積マルチチャネル RF トランスミッタ
低電力 ワイヤレス・アプリケーション用
低コスト 低消費電力 2.4 GHz RF トランシーバ
2.4 GHz ISM 帯域環境の低コストのワイヤレス・アプリケーション向け
RF Systems-on-chip
CC1110/1111
サブ 1GHz System-on-chip
第 2 世代 System-on-chip 2.4GHz ZigBee
CC2530/31
CC2560
2.4GHz Bluetooth 2.1 chipset
CC2540（開発中 1） 2.4GHz Bluetooth low energy System-on-chip
※プラットフォームバーは、テキサス・インスツルメンツの商標です。
IMPORTANT NOTICE
©2010 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
Printed in Japan 2010.09
JAJB045