血糖値モニターのアーキテクチャを最適化する方法

高齢者人口の増加と疾病予防啓発キャンペーンの集中により、血糖値モニターのメーカーは市場で一貫した成長率を実現しています。肥満傾向の増加と技術の進歩により、患者の健康レベルを維持し、リスクと入院を減らすためのモニターの普及と保険適用が加速しました。

モニターには、連続ソリューションや個別ソリューションなど、さまざまな形式がありますが、いずれも半導体センサー ベースのフロントエンド、プロセッサ、および出力ユーザー インターフェイスに依存しています。どちらの形式でも、モニターの年間生産量は膨大で、単一のOEMが年間100万台近くを生産しています。長年にわたり、主流のモニターは自己モニタリングの個別ソリューションでした。このソリューションは、ランセットで毎日指を刺したり、検査ストリップに血液を採取したり、モニターの測定値を追跡したりするという点で、ライフスタイルに障害をもたらします。持続血糖モニター (CGM) は、患者にとって非常に使いやすく、個別のソリューションによる自己モニタリングに伴う手動の手順が不要になります。さらに、CGMはメーカーのスマートフォン アプリを活用して患者と医師の両方にシンプルなインターフェイスを提供し、多くの場合、医師による確認のために記録をアップロードする形で遠隔医療オプションを提供します。どちらのアーキテクチャ ソリューションも、糖尿病患者の重篤な合併症や生命を脅かす合併症を防ぐために、ユーザー/患者に正確な血糖値測定値を提供することに重点を置いています。

量が多いため、複数のICソリューションをサポートする以前の設計手法は、統合ソリューションにとってすぐに不利になりました。今日のターゲット半導体ソリューションは、システムオンチップアプローチを採用しており、可能な限り多くの外部回路とコンポーネントを排除してソリューションコストを削減しています。個別血糖値モニターは、デジタル-アナログ変換器によって励起される電極を備えた電気機械式テストストリップを使用し、血液中のブドウ糖に比例した測定電流を生成します。次に、その比例電流はトランスインピーダンス アンプを通過し、電圧を生成します。この電圧はアナログ/デジタル コンバータによってサンプリングされ、ユーザー/患者の温度依存の読み取り値に処理されます。前述のように、システムオンチップ デバイスでは、これらのアナログ ブロックと処理が1つのデバイスに組み込まれています。代替システム アーキテクチャでは、調整された読み取り値を、Bluetooth Low Energyなどの追加機能を組み込むことができるマイクロコントローラに渡す統合アナログ フロントエンドを利用できます。持続血糖モニターは、MCU、アナログ フロントエンド、BLEトランスミッターで構成される特定用途向け集積回路 (ASIC) アーキテクチャを利用します。

Arrowのエンジニアと一緒に、システムオンチップと集積回路のアプローチの違いを探ります。

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特徴

• 最適化された電力
• 低コスト設計
• 離散/連続モニター
• 統合アナログフロントエンド
• ワイヤレス接続

システムブロック図

ブロック図では、設計者が考慮する主要なアーキテクチャ ブロックが強調表示されます。ソリューションの決定には通常、システムオンチップアプローチと従来のICなどの統合レベル、コスト要因、工業設計の観点から見た全体的なサイズなどが関係します。これらのアーキテクチャ ブロックには、テスト ストリップ挿入用の入力ブロックと、それに続くアナログ フロントエンドが含まれており、テスト ストリップからの電気信号の信号調整を担当します。アナログ フロントエンド出力はマイクロコントローラまたはSoCブロックに渡され、信号が処理されてグルコース測定値に変換され、ユーザーの画面に表示したりBluetooth経由で通信したりできます。キャリブレーション データとユーザー データ用に複数のメモリ ブロックが存在する可能性があり、すべてのブロックにはバッテリーと関連する充電およびガス測定回路を介して電力が供給されます。

システムの利点

説明したように、いくつかのアーキテクチャ実装では、統合ソリューションを活用して提示されたブロック図に対するソリューションを提供でき、全体的なコンポーネント コストを削減し、スペースを節約できます。これらの最適化は、軽量化やバッテリーの小型化、または同じサイズのバッテリーでの寿命の延長にもつながり、エンドユーザーエクスペリエンスが向上します。

そのようなソリューションの1つは、システム マイクロコントローラに提供されるDAC、TIA、およびADCを組み合わせたディスクリート モニター ソリューションをサポートするアナログ フロントエンドを提供します。モジュール式アプローチの利点は、センサー技術の進歩に応じて簡単にアップグレードできることです。統合アナログフロントエンドの使用により、高度な統合が実現し、全体的なボードスペースの複雑さが軽減され、個別のICと比較して消費電力が最適化されます。

Arrowの専門家に相談して、ボードの間隔を最適化する方法を見つけてください。

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温度測定は、テストストリップ付近の周囲温度の読み取りにとっても重要なパラメータです。一般的な測定精度は +/-1C ～ +/-2Cです。測定は通常、スタンドアロンの温度センサーICを使用するか、MCUのADCへのリモート サーミスタを介して実行されます。

モニターの中心には、血糖値モニターの動作を制御および管理するために使用されるMCUがあります。MCUは、アナログ フロントエンド ブロック、データ ストレージ管理、さまざまなI/Oおよび通信インターフェイスからの信号処理を実行するために必要な処理能力を提供します。さまざまなメーカーが、ある程度アナログ フロントエンド アプローチのタスクを組み込んだ血糖値モニタリング アプリケーションを対象としたMCUソリューションを提供しています。これらには、グルコース検知電極からのアナログ信号をMCUで処理するために変換するオンボードのオペアンプとアナログ - デジタル コンバータが含まれます。このアプローチにより、コストの最適化とサイズ効率が実現します。

一般的なポータブル血糖値モニター内の電源管理は、ディスプレイ上のユーザーステータス用の燃料ゲージと結合された一次電池または二次電池、およびMCU I/Oピンを介したバッテリー充電器通信という形をとります。充電式または二次電池は、通常、適切なバッテリー充電器と燃料ゲージに接続された単一セルのLi-ionです。最近のモニターの一般的な外部充電はUSB経由で行われます。ドックで充電される取り外し可能なバッテリーがある場合は、認証を追加して、製造元の要件に従って承認されたバッテリーのみが使用されるようにすることができます。

ディスプレイとユーザー インターフェイスは、通常、LCDセグメントまたはグラフィック ドット マトリックス ソリューションで構成されます。グラフィック ドット マトリックスにより、開発者はカスタム アイコンや表示情報をより柔軟に作成できますが、これらのディスプレイには追加のメモリが必要になり、製造元からLCDモジュールに組み込まれていない場合は、通常、バイアス電圧とドライバも必要になります。血糖値モニター分野をターゲットとした一部のMCUには、MCU上にLCD駆動機能が搭載されており、ほとんどの場合、通常はセグメント ベースのディスプレイ用です。

患者の年齢や視力によっては読み取りが困難な場合があるLCDインターフェースに加えて、通常はブザーの形で可聴インジケーターが含まれており、場合によってはディスプレイに依存せずに患者をガイドする音声アシストも含まれます。最も単純な形式では、ブザーはMCU上の利用可能なI/Oピンを介してパルス幅変調できるため、追加の回路コストを抑えることができます。

初期には、テスト結果をコンピューターにアップロードするためのI/Oおよびデータ インターフェイスが提供されていました。今日のモニター設計では、USBや、最近ではBluetoothワイヤレス ソリューションなどの標準インターフェイスが活用されています。これらの基準を血糖値モニターに追加することでコスト要因は増えますが、さまざまな医療連合が、患者データを医療提供者にアップロードするためのより便利な手段を業界に求めています。

これらのデバイス機能をリーズナブルなコストで組み込む方法については、Arrowの担当者にお問い合わせください。

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全体として、モニター設計のコア回路のシステム アーキテクチャはビルディング ブロックとして利用されるため、別の機能が必要になったときに完全な再設計は必要なく、リスクが排除され、規制承認が減り、メーカーの市場投入までの時間が短縮されます。

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