ヘルスケアソリューション・ガイド

ヘルスケア ソリューション・ガイド
ヘルスケア製品とは
− ポータブル医療機器製品の中で、主として一般家庭での使用を前提とした医療機器です。
− 薬事法での管理区分では“管理医療機器（クラス分類Ⅱ）
”が中心の製品群となります。
− 具体的な製品例は、扱う生体信号の種類により、次の３つに分類できます。
血流の光電信号を扱うもの：パルスオキシメータ、加速度脈波計, 血圧計など
生体からの電気信号を扱うもの：携帯心電計/心拍計、携帯筋電計など
その他の生体信号（熱、重さ、加速度など）を扱うもの：体重計・体組成計、電子体温計、歩数計、血圧計、血糖値計など
ヘルスケア製品に要求される仕様
ポータブル計測機器/ 医療機器と基本要求は同じですが、より小型・低消費電力であることが要求されます。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
− バッテリ駆動対応超低消費電力
MSP430はこれらの要求を満たすヘルスケア製品に最適のマイコンです。
MSP430を中心としたソリューションをご紹介いたします。
基本ブロック図
MSP430 基本ブロック図
基本構成（センサ・電源・制御 /データ処理・センサ信号の増幅と
内蔵版MSP430 開発中
プリアンプ
MPX
センサ
無線
増幅/
フィルタ
アンプ
設計上、最も重要な考慮事項はバッテリ寿命を延ばすための超低
通信
消費電力とそして健康状態を早く知りたいというユーザーの要望に応
メモリカード
じるために高速応答と高精度を実現します。
MSP430内蔵
ディスプレイ
（LCD）
MSP430内蔵回路により削減可能
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イス（有線・無線）が必要になる場合もあります。
MSP
430
ADC
ADコンバータ・表示装置）は他のポータブル計測器・医療機器と
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
様々なラインアップをとり揃えております。
MSP430にはアンプ・ADコンバータ内蔵の製品があり、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。
DC/DC
また通信インターフェイスも内蔵しており部品点数の大幅な削減が可
LDO/REF
バッテリ
能となります。
MSP430 内蔵回路の使用により、最小部品構成・低消費電力が可
能となり、製品の小型化・長バッテリ寿命に貢献致します。
現在、無線通信インターフェイスを内蔵した製品も開発中であり、更
なる部品低減を目指します。
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、家庭用の自己血
糖値計の販売台数は年々増加してきています。
●
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、反射フォトメトリやアンペ
ロメトリが使われます。
●
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サが測定します。
●
MSP430FG439には血糖値を計測する全機能が搭載されており、このチップと電池、センサ、測定結果のための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、安価で高精度の計測が可能となります。
●
MSP430FG439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です。
血糖値計 : MSP430FG439
データシート : SLAS380B
アプリケーションノート : SLAA274
1 2 3 4 5 6 7 8
AM/PM
mg/dL
<2uA
SVS
I_sensor
ISP Flash
RTC
‘FG439
–
OA
+
OA
Battery
ADC12
DMA
DAC12
COM
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、急速に従来の水銀体温計に取ってかわりつつあります。
●
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。
●
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サーモパイルやサーミスタが使用されています。
●
下記の例は、サーミスタを用いた低コストの一般用デジタル体温計です。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。
●
2 重 積 分 方 式 AD 変 換 の原 理の詳 細には、アプリケーションノート「Implementing an Ultra-Low-Power Thermostat with slope A/D
Conversion」
（文書番号 SLAA129）をご参照ください。
デジタル体温計 : MSP430F/C413
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）
データシート：SLAA038
アプリケーションノート：SLAA129B
Vcc
MSP430F/C413
Rref = 50k
Px.x
NTC
Timer_A
Px.x
V1
+
Cref
CAREF
Vss
“Capture”
–
V1
VCC
t_NTC
R_NTC = 50k ×
t_50k
CAREF
1/4*Vcc
VSS
150ms
t_50k
150ms
t_NTC
t
パルスオキシメータ
●
パルスオキシメータは、プローブを指先や耳などに付けて、脈拍数と患者の血中酸素濃度をモニターするための医療機器です。
●
血液の酸素濃度は、脱酸素化ヘモグロビンと酸素化ヘモグロビンの赤外光および赤色光の吸収特性を調べることで測定します。
●
動脈血の酸素飽和度を簡便に計測できるため、麻酔管理や手術中、ICUでの患者のモニタのために用いられるほか、在宅酸素療法の患者指導や、
睡眠時無呼吸症候群のスクリーニング診断にも用いられています。
●
下記の例は、MSP430FG437を使用したものです。MSP430に結合された外付けプローブ及び酸素飽和度と心拍数を表示するLCD画面で構成
されます。アナログ回路が高度に集積化されているため、外付け部品が最小限に抑えられています。
●
このアプリケーションでは、心拍検出と酸素飽和度測定には同じセンサが使用されております。プローブには可視域赤スペクトル（660nm）
と赤外線
スペクトル（940nm）の2 種のLEDが使用されており、２つの光が人体を透過したあとの輝度を測定し、２つの輝度の比を計算することにより酸素飽
和度が求められます。
●
MSP430 のON 時間を最小限に抑え、２つの光源にパワーサイクルを実行することで、電力消費量が削減されます。
●
詳細は、アプリケーションノート「A Single-Chip Pulsoximeter Design Using the MSP430」
（文書番号 SLAA274）をご参照ください。
パルスオキシメータ : MSP430FG437
MSP430FG437
データシート : SLAS380B
アプリケーションノート : SLAA274
RS232
Heart Rate
Calculation
Oxi Lvi
Infra Red
Samples Only
Zero Crossing
Pulse
Rate
SaO2 = Fn
LoBatt
Infra Red/
Normal Red
Band Pass
Filter
［RMS（ir）/RSM（vr）］
Brightness
Range Control
DAC12_1
De-MUX
G2
DC Tracking
G1
Infra Red/
Normal Red
LED
Select
DAC
12_0
Probe Connector
Pseudo
Analog Ground
Red LED Gain
Cable
InfraRed LED Gain
Red LED ON/OFF
InfraRed LED ON/OFF
PIN Diode
PIN
Diode
TransImpedance
Amplifier
G2
G1
2nd
Stage
MUX
ADC12
InfraRed LED
OA0
OA1
Red LED
I
R
R
I
R
推奨部品リスト
センサ部・後段アンプ部
オペアンプ
デバイス型番
機能
特徴
用途（例）
OPA333
OPA369
TLV2780
OPA379
OPA363
OPA348
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
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
計装アンプ
デバイス型番
機能
特徴
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
低消費電力、ゼロドリフト
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 ）
信号処理部
ADC
デバイス型番
機能
特徴
用途（例）
ADS7822
ADS8317
ADS8326
ADS1216/17/18
ADS1222/4
ADS124x
12BitSAR、200KSPS
16 ビット SAR、250KSPS、擬似バイポーラ
16 ビット SAR、250KSPS、擬似差動
24Bit ⊿Σ、0.78KSPS
24Bit ⊿Σ 0.24KSPS
24Bit ⊿Σ、0.0015KSPS
低消費電力
体組成計
消費電力：10mW
SpO2
消費電力：10mW
血糖値計
PGA/Buffer/REF 内蔵
ECG
低コスト
体重計
50/60Hz ノッチフィルタ
体組成計
特徴
用途（例）
マイクロコントローラ
デバイス型番
機能
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 血糖値計・ECG・体重計
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・SpO2
、RAM（4-8KB）
、12 ビット ADC、12 ビット DAC、OP アンプ、 血糖値計・ECG・体組成計
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）
DMA、乗算器、USCI
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
（開発中）
USCI
MSP430F41x
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
MSP430F42x
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
MSP430F54xx
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、 体組成計
USCI、乗算器、USART
信号処理部
DC/DC
デバイス型番
機能
特徴
TPS61020
TPS61200
TPS62240
昇圧 DC/DC コンバータ
効率 96%、同期整流方式
昇圧 DC/DC コンバータ
最低入力電圧（0.3V ）
、同期整流方式
2.25MHz 300mA 同期整流方式
降圧 DC/DC コンバータ
REF
デバイス型番
機能
特徴
REF33xx
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
外部通信部
Chipcon
デバイス型番
機能
特徴
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
©2009日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
Printed in Japan 2009.3
JAJB033