ベッドサイド (PoC) 医療検査の変革の波は、研究室から診療所、地域医療機関、さらには家庭へと移りつつあります。この変革により診断速度が加速され、それによって患者ケアが迅速化され、有効性が向上し、コストが削減されます。
PoC を達成するための最初のステップは、高度なアナログ フロントエンド (AFE) を備えた多機能アプリケーション最適化集積回路を使用して、必要なデータの取得と測定を行うためにさまざまなバイオセンサーに接続することです。各 IC は、精度、低消費電力、高度に統合された機能など、複雑な電気化学的、生物学的、および関連する測定に対する固有の特性要件を満たさなければなりません。成功した最終製品は、優れたパフォーマンス、高い柔軟性、アップグレード可能性を特徴としており、将来を見据えたプラットフォームの実現に貢献します。これらの製品には、データの正確性とプライバシーのセキュリティを確保するために、スムーズで正確なモーション制御および認証 IC も装備されている必要があります。
この記事では、PoC に向けた大きな変革とその設計への影響を検討し、次に広く使用されている AFE 測定シナリオについて説明し、PoC 測定、モーション制御、検証の要件を満たすためにアナログ・デバイセズが提供できる柔軟なソリューションを紹介します。
なぜ今PoCが必要なのでしょうか?
個人の健康状態を改善するための迅速な医療診断の必要性など、PoC とサンプル処理の需要を促進する要因は数多くあります。規制はより多くの検査を奨励、あるいは義務付けています。現在、患者への影響を最小限に抑え、コストを削減し、時間を節約するために、診療所や自宅の近くで PoC を実施する傾向があります。したがって、このようなシステムでは、これらの目標を達成するために、シンプルで使いやすく強力な機器や機器を使用する必要があります。
このようなシステムの設計者にとって、AFE、モーション コントロールおよび本人確認 IC は、患者の体液、バイタル サイン、およびさまざまなセンサーからの結果データの取得、記録、評価、レポートに必要なシステムを直接接続できる中間インターフェイスを提供します。これらのデバイスは、電気化学的および光学的診断ソリューションを構築するための基礎であり、さまざまなバイオセンサーや化学物質と互換性のある測定エンジン、およびソフトウェアのアップグレード可能なプラットフォームを提供するソリューションを必要とします。
患者のバイタルサインと体液、および関連するPoC機器とデータシステム間のインターフェース
図 1: シミュレーションおよび関連電子デバイスは、患者のバイタル サインと体液、および関連する PoC 機器とデータ システムの間の重要な通信インターフェイスとして機能します。 (画像出典: アナログ・デバイセズ)
アプリケーション指向の多様なICはさまざまな課題に対処できるはずです
この状況を明確に説明するために、いくつかの例を使用します。
例 1: 光学的蛍光検出 (FLD):
この技術を通じて、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、それによって標準的な光学顕微鏡では通常観察できない細胞のプロセスや機能を詳細に理解することができます。この技術は、光吸収、散乱、または反射の原理に基づいて動作するのではなく、蛍光誘起フルオロフォアを使用します。
蛍光物質は特定の波長の光を吸収し、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、蛍光基はより長い固有波長の光を放射します。放出された蛍光を検出して分析することにより、生物学的構造の高コントラストな分子レベルの視覚化を実現できます。
より高度な LED および光電センサー システムにより、より多くのパフォーマンスと機能が提供されます。 MAX86171 (図2、上)など、これらのアプリケーション向けに特別に設計されたICがいくつかあります。これは、送信チャネルと受信チャネルを備えた超低消費電力の光データ収集システムです。内部の複雑さにもかかわらず、アプリケーションで構成する必要がある個別のコンポーネントはわずか数個だけです (図 2、下)。
Analog DevicesのMAX86171マルチチャネル、超低電力、光データ収集システム（クリックして拡大）
図2: MAX86171マルチチャネル、超低電力、光データ収集システム(上の画像)は、高度に統合された内部機能(下の画像)により、外部配線と受動補助部品の必要性を簡素化します。 (画像出典: アナログ・デバイセズ)
MAX86171はトランスミッタ側に9つのプログラマブルLEDドライバ出力ピンを備えており、それぞれが3つの高電流8ビットLEDドライバに接続されています。受信機側では、IC には 2 つの低ノイズ、電荷統合フロント エンドおよび周囲光キャンセル (ALC) 回路が装備されており、光学ベースの高度に統合された高性能データ収集システムを形成します。
必要な光チャネルの数が少ない設計の場合は、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できる超低電力の臨床グレードのバイタルサインAFEであるMAX86178ENJ+デバイスを使用できます。
医療アプリケーションのパフォーマンス指標と優先順位は、光データ チャネルなどの非医療状況とは異なることに注意してください。光レベルが比較的低いため、光フロントエンドの絶対的なバックグラウンド ノイズは、信号対雑音比 (SNR) ではなく重要なパラメータとなります。
生物医学分野では通常、信号の帯域幅とサンプリング レートは非常に低く、関連するパラメーターは数 kHz の速度で変化しませんが、患者の生理学的システムと信号自体の複雑なシミュレーション特性により、技術仕様で異なる優先順位を設定する必要があります。これらの特長には、高感度、広いダイナミックレンジ、低ノイズが含まれており、絶えず変化する動作環境にうまく対処できます。この環境では患者の皮膚や内臓が常に動いており、わずかな動きでも接触面積や接触力が変化する可能性があります。さらに、これらの特性はさまざまな干渉や変化の影響を受けるため、問題はさらに複雑になります。
アプリケーション要件を満たすために、MAX86171のダイナミックレンジはテストレイアウトに応じて91～110デシベル(dB)になります。分解能は 19.5 ビット、暗電流ノイズは 50 ピコアンペア (pA) (実効値) 未満、120 ヘルツ (Hz) での周囲光抑制係数は 70 dB より優れています。
例 # 2: ポテンショメータ、電流計、ボルタンメトリー、およびインピーダンス測定:
現在、電気技術者は、さまざまな標準機器を使用して、電圧、電流、インピーダンス、およびそれらの相互関係を上手に測定できます。ただし、これらの測定には化学的および生物学的環境における固有の要件と制限があり、さまざまなシナリオが示されます。
電位差測定法: ポテンショスタットを使用して 2 つの電極間の電位を測定し、溶液中の物質の濃度を測定します。
電流計: 電流測定装置を使用して、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します。
ボルタンメトリー: 時間の経過に伴う特定の電圧曲線を作用電極に適用し、システムによって生成される電流を測定します。通常は測定にポテンシオスタットを使用します。
インピーダンス: 皮膚と身体の間の電圧電流関係を測定する
これらのパラメータを評価するには、サイズ 3.6 × 4.2 ミリメートル (mm) の AD5940 56 ボール WLCSP を使用できます (図 3)。この低電力 AFE には複数の機能とインターフェイスがあり、アンペア、ボルト アンペア、インピーダンス測定などの高精度の電気化学技術を必要とするポータブル アプリケーション向けに特別に設計されています。