ライフサイエンスアプリケーション向け医療計測信号チェーン

D 2020年5

医学の世界は急速に進化し、未来に向けて適応しています。医療機器はますますハイテク化しており、最新の内部部品とシステムを使用して構築する必要があります。

Analog Devices が製造するコンポーネントは、現在市場で入手可能なコンポーネントの中で最も効率的で、最も小型で、最も正確なものであり、医療業界に最適です。以下では、人工呼吸器、体外診断、透析、輸液などの特殊なアプリケーション向けのアナログ・デバイセズの具体的な製品について詳しく説明します。

ジャンプ先: 人工呼吸器 | IVD - 体外診断 | 腎臓透析 | 輸液ポンプ

人工呼吸器

人工呼吸器は極めて重要な医療機器であり、患者の呼吸をサポートまたは補助します。簡単に定義すると、患者の肺に機械的に空気を送るための電動タービンまたはダイヤフラムと、圧力と流量を制御する組み込みシステムで構成されています。患者のニーズに応じて、酸素レベルを調節し、吸入空気を加熱および/または加湿し、空気を加圧する機能を備えています。システムレベルでは、人工呼吸器には次のことが求められます。

• 多様で動的な患者のニーズに対応するために、多くの操作モードを備えています
• 圧力と流量を迅速かつ正確に調整できる
• 高度に調整可能で正確なタービン速度を持つ

次のフローチャートと表では、一般的な人工呼吸器の信号チェーンと、設計に推奨されるAnalog Devicesの部品を示します。

推奨部品表

関数	部品番号	設計上の考慮事項
温度、圧力、流量インターフェース	AD7124-4 （統合）	低消費電力、低ノイズ、高精度測定のための統合アナログフロントエンド
	LTC2983 （統合）	マルチセンサー高精度デジタル温度測定システム
	AD7195 (離散圧力)	ブリッジに最適化されたADC。4.8 kHz、超低ノイズ、PGAおよびAC励起を備えた24ビットシグマデルタADC
	LTC2487 (離散圧力)	PGA、Easy Drive、I2Cインターフェースを備えた16ビット2/4チャンネル ∆Σ ADC
	AD8290 (離散圧力) AD8295	信号処理アンプを備えた高精度計装アンプ
マルチモーダルセンサー	ADPD4000	8つの入力チャンネルと12個のプログラム可能なタイムスロット。複数の測定（光学、胸郭インピーダンス、ECG、温度）を組み合わせた設計に最適
光学フロントエンド	ADPD1080	光学測定のみを必要とする設計向けのX3 LEDドライバを含む測光アナログフロントエンド
インピーダンスフロントエンド	AD5940	EDAやボディインピーダンス解析など、より複雑なインピーダンス測定を必要とする設計向けの高精度インピーダンスおよび電気化学フロントエンド
生体電位フロントエンド	AD8233	低ノイズシングルリードECGフロントエンド
風速計アンプ	LT6370 AD8422 LT1468	定温度風速計。動的ループを素早く正確に閉じるには、計装アンプではなくオペアンプが必要です。標準仕様GBP >80MHz、スルー >20V/us、Vos<30uV
汎用リファレンス	ADR45xx	超低ノイズ、高精度リファレンス
ビデオDAC	ADV7510	330MHzトリプル8ビット高速ビデオDAC
HDMIトランシーバー	ADV7510	ディープカラーHDMI® 1.3トランスミッター（CEC対応）
振動センサー	ADcmXL3021	広帯域、低ノイズ、3軸加速度計
uC/DSP	ADSP-SC57x ADSP-CM40X	シングル/デュアルコアsharc+ ARM Cortex A5 超低消費電力ARM Coretex-M4F MCU、統合電源管理機能付き
CDC	AD7745	デジタルタッチスクリーンコントローラーへのキャップ

推奨部品表: 絶縁

関数	部品番号	設計上の考慮事項
デジタルアイソレータ	ADuM220、 ADuM221、 ADuM240、 ADuM241、 ADuM242、 ADuM260/61/62/63	放射エミッション性能とサージ能力の向上
USBアイソレータ	ADuM4160 2020年: ADuM4165	ADuM4160は、エミッションの課題を抱える可能性が高いADuM4165は、低エミッションと高サージ向けに設計されています
絶縁電源付き絶縁USBトランシーバー	LTM2884	2500Vrms絶縁、統合DC/DCコンバータ、バス速度の自動構成
絶縁型RS-232	ディスクリートアプローチ：デジタルアイソレータ + トランシーバ	ADM32512Eは2.5 kVrmsのみ、IEC 60601-1認証なし
絶縁型RS-485	ADM2490E ADM2481E	5 kVrmsだがIEC 60601-1 認証なし
絶縁型RS-485 + 電源	型番	ADM2867Eは低放射用に設計されており LTM2885は優れたEMC 性能と高いサージ耐性を備えています
CANアイソレータ	ADM3056E ADM3057E LTM2889	絶縁されたCANトランシーバー。ADM3065E（5.7kV）、AD3057E（2kV）12Mbpsのデータレート。 LTM2889 2.5kV最大4Mbpsデータレート
絶縁ゲートドライバ	型番	2A出力の絶縁型高精度ゲートドライバ

推奨部品表: 電源管理

関数	部品番号	設計上の考慮事項
マイクロモジュールスイッチングレジスタ	LTM4622 LTM4623	6mm x 6mmマイクロモジュールスイッチングレギュレータ。デュアル/シングル2A/3A出力レギュレータ
降圧・昇圧コンバータ	LTC3388 LT8609 LTC3125 LTC8330 LT3757	ナノアンペアのIqを備えた降圧レギュレータ。バッテリーに最適なSilent Switcher II、低Iq、低ノイズ、2A出力I、3AピークI。入力電流制限ブーストコンバータ、バッテリーに最適な1A、60Vスイッチを備えた小型2x3mmブーストコンバータ、スイッチングレギュレータコントローラ、バッテリーアプリケーションに最適
リニアレギュレータ	LT3010 ADP121	マイクロパワーリニアレギュレータ。150mA 出力 I低Iq、負のリニアレギュレータ。150mA 出力I、低Iq、マイクロパワーリニアレギュレータ。150mA 出力I、低Iq。
バッテリー管理	LTC4412 LTC4100 LT6700	SOT-23バッテリーと主電源スマートバッテリーチャージャーコントローラーマイクロパワーバッテリーモニター間の自動切り替え。(SOT23 および2x3mm DFN)
サージストッパー	LT4356	サージストッパーは、電源が電圧サージを乗り切ることができるようにします
チャージポンプインバータ	LTC1983-x	アンプバイアス用のシンプルな-3V/-5V電源

IVD - 体外診断

IVD装置は、患者の健康回復を支援する過程で医師が使用する重要なツールです。IVDプロセスでは、患者から小さな組織サンプルを採取し、数種類の異なる機械のいずれかで分析することができます。分析の結果に応じて、患者は退院したり、治療を処方されたり、さらなる検査を受けるよう求められたりします。IVDデバイスは十分に確立されていますが、現在いくつかの市場トレンドが進行しています。

• POC（ポイントオブケア）診断により、IVD機器が診療所や患者の自宅でより広く利用できるようになりました。
• 生体内診断では、組織サンプルを採取することなく検査を行うことができます。これはウェアラブルデバイスや埋め込み型デバイスの使用によって実現されます
• 自動化レベルの向上により、より迅速で、より正確で、より少ない労力でテストが可能になります。

一般的に使用されるIVD診断には、いくつかの異なるカテゴリがあります。

• 化学：分析物検出は、グルコース、乳酸、コレステロールなどの物質が存在し、正常レベルにあるかどうかを判定します。
• 血液学：血液検査では、血球数、血液の質、タンパク質レベル、血液感染症の有無などを評価します。
• 微生物学的検査：感染症検査では、サンプル中の細菌、ウイルス、寄生虫、真菌、抗体の存在を評価します。
• 分子: DNA検査は遺伝子コードの異常や変異を探し、特定の病気の素因を判定します。

次のフローチャートと表では、一般的なIVDデバイスの信号チェーンと、このアプリケーションに最適なAnalog Devicesの特殊製品について説明します。

腎臓透析

世界的に腎臓病が増加しており、それに伴って透析治療装置の必要性も増加しています。これらの機械は、週に3回、1回あたり最大4時間使用する必要があります。患者の血液をろ過して不純物を取り除き、体内の水分とミネラルのバランスを維持するのに役立ちます。透析治療には主に2つの種類があります。

• 血液透析では、患者の体外に設置されたダイアライザーと呼ばれる濾過装置を使用する。
• 腹膜透析では、腹膜と呼ばれる胃の内壁の一部と透析液と呼ばれる化学物質を組み合わせて、患者の血液を浄化します。腹膜は半透性なので、フィルターとして機能することができる。

次のシステム回路図と表では、一般的な透析装置のレイアウトの詳細と、アナログ・デバイセズのコンポーネントが設計プロセスにどのように役立つかを説明します。

推奨部品表: センサー入力

関数	部品番号	設計上の考慮事項
圧力センサーインターフェース (使用されるセンサーの多くはデジタルインターフェースを備えています)	AD8221 (ディスクリート実装) AD8226	計装アンプ。単一抵抗器ゲイン調整
	AD7124-4 （統合実装）	統合アナログフロントエンド
	LTC6915	アンプのゼロドリフト精度
	AD8555 AD8556 AD8557	デジタル制御センサーAFE
	ADA4558	ブリッジセンサー信号コンディショナー
温度感知	ADT7420 ADT7422	±02/±0.1°C精度、16ビットデジタル I2C温度センサー
	ADT5912	0.1°C精度のアナログ温度センサー
	AD7124 AD719x	24ビットシグマデルタADC + 励起
気泡検出	AD5940 (インピーダンス)	高精度インピーダンスフロントエンド
	AD7746 (容量性)	2チャンネル静電容量デジタルコンバータ
	ADPD1080 ADPD188BIZ	光学気泡検出 (透過型/反射型)
レベルセンシング	ADPD1080 (光学式)	光学AFEには外部光学系（PD/LED）が必要です
レベルセンシング	AD7745 (容量性) AD7746 AD7747	シングル/デュアルチャネル24ビットキャップセンシングテクノロジー
伝導率	AD5940 ADuCM355	シングルAFE / 完全統合インピーダンスフロントエンド

推奨部品表: 重要なパラメータの追跡

関数	部品番号	設計上の考慮事項
心電図モニタリング	AD8233	シングルリードECGフロントエンド
	ADAS1000-3 ADAS1000-4	3リード診断パフォーマンスECGモニター
	AD8220 AD8422 + ADAQ7980	個別構築されたECGフロントエンド
	AD8244 / ADA4528-x	高インピーダンスバッファ/ゼロドリフトアンプ
光学センシング	ADPD1080 /ADPD4000	透過型および反射型システム向け光学式心拍数AFE
	型番	手首で反射心拍数
	ADPD144RIZ	耳の中の光学式心拍数測定
EDA/GSR/BIA	AD5940 ADuCM350 ADuCM355	ストレスモニタリングのためのインピーダンスセンシング（手首または指のセンサー）、体組成/体液のセンシング（手足/胸部のセンサー）
血圧	AD8233 + ADPD1080 （光学式）	心室収縮 + 光AFEによる脈拍到達時間の検出
血圧	ADxL355 + ADuCM350 （光学式）	心弾動計 + 光AFEによる脈拍到達時間の検出
体温	ADT7422 / ADT5912 AD7124 / AD719x	デジタル温度センサーには熱流束 24ビットシグマデルタADCが必要です

推奨される隔離製品の表

関数	部品番号	設計上の考慮事項
デジタルアイソレータ	ADuM220、 ADuM221 ADuM240、 ADuM241、 ADu M242 ADuM260、 ADuM261、 ADuM262、 ADuM263	放射エミッション性能とサージ耐性の向上
デジタルアイソレータ + 電源	2019年後半: ADuM6420A ADuM6421A ADuM6422A ADuM6423A	放射エミッション性能の向上
電源のみ	ADuM6020 ADuM6028	放射エミッション性能の向上
USBアイソレータ	ADuM4160 2020年: ADuM4165	ADuM4160は、おそらくエミッションの課題を抱えるでしょう ADuM4165は、低エミッションと高サージ向けに設計されています
絶縁電源付き絶縁USBトランシーバー	LTM2884	2500Vrms絶縁、統合DC/DCコンバータ、バス速度の自動構成
絶縁型RS-232	ディスクリートアプローチ：デジタルアイソレータ + トランシーバ	ADM32512E は2.5 kVrmsのみ、IEC 60601-1認証なし
絶縁型RS-485	今日: ADM2490E ADM2481E	5 kVrmsだがIEC 60601-1認証なし
絶縁型RS-485 + 電源	ADM2682E / ADM2687E または LTM2885 2019年後半: ADM2867E	ADM2682E/87E 5 kVrmsですが、 IEC 60601-1認証を取得していないため、放射に関する課題が発生する可能性があります。 ADM2867Eは低放射用に設計され、LTM2885は優れたEMC 性能と高いサージ耐性を備えています。

推奨電源部品一覧表

関数	部品番号	設計上の考慮事項
マイクロモジュールスイッチングレジスタ	LTM4622 LTM4623	6mm x 6mmマイクロモジュールスイッチングレギュレータ。デュアル/シングル2A/3A出力レギュレータ
降圧・昇圧コンバータ	LTC3388 LT8609 LTC3125 LTC8330 LT3757	ナノアンペアのIqを備えた降圧レギュレータ。バッテリーに最適サイレントスイッチャーII、低Iq、低ノイズ、2A出力I、3AピークI。入力電流制限ブーストコンバータ、バッテリーに最適小型2x3mm 1A、60Vスイッチ付きブーストコンバータスイッチングレギュレータコントローラ、バッテリーアプリケーションに最適
リニアレギュレータ	LT3010 ADP121	マイクロパワーリニアレギュレータ。150mA 出力I低Iq、負のリニアレギュレータ。150mA出力I、低Iq。マイクロパワーリニアレギュレータ。150mA 出力I、低Iq。
リニアレギュレータ	LT3757	バッテリーアプリケーションに最適なスイッチングレギュレータコントローラ
バッテリー管理	LTC4412 LTC4100 LT6700	SOT-23は、バッテリーと主電源スマートバッテリーチャージャーコントローラーマイクロパワーバッテリーモニター間の自動切り替えを行います。(SOT23 および2x3mm DFN)
サージストッパー	LT4356	サージストッパーは、電源が電圧サージを乗り切ることができるようにします
チャージポンプインバータ	LTC1983-x	アンプバイアス用のシンプルな-3V/-5V電源

輸液ポンプ

輸液ポンプは医療分野でますます一般的になりつつあります。それにより、栄養素や薬剤などを患者の体に制御しながら投与することが可能になります。この拡大する市場の主な推進要因は次のとおりです。

• 慢性疾患の増加により、より多くのポンプと新しいポンプ技術の必要性が高まっています。
• 薬剤の過剰投与やポンプの故障などのエラーの削減

薬剤の適切な投与は患者のケアにとって非常に重要であるため、新しいポンプは、非常に正確で、使いやすく、（異なる病院システム間で）普遍的に理解され、適用されるすべてのガイドラインと規制に準拠していることが必須です。よりハイテクで信頼性が高く、正確なポンプの必要性から、設計者は自社製品に適したより優れたコンポーネントを探し求めるようになりました。Analog Devicesは、このアプリケーションの要求に特に適したコンポーネントを製造しています。詳細については以下をご覧ください。