マルチパラメータのバイタル・サイン監視システムを、かつてないほど容易に実現

Vol 54, No 3—November 2020 マルチパラメータの バイタル・サイン監視システムを、 かつてないほど容易に実現 著者：Yigit Yoleri、アプリケーション・エンジニア Guixue (Glen) Bu、アプリケーション・エンジニア はじめに うことです。本稿では、そうした先進的なAFEが備える画期的な ここ10年ほどの間に、モバイル機器、ウェアラブル機器、デジ 機能と特徴について説明します。 タル・ヘルス機器は飛躍的な成長を遂げました。なかでも、急速 に進化／普及しているのが、デジタル・ヘルスケア機器です。そ 先進性の高いAFE の背景には、エレクトロニクスの継続的な進歩、クラウド・コン 「ADPD4100」、「ADPD4101」は、マルチモーダル・センサー ピューティング、AI（Artificial Intelligence）、IoT（Internet of に対応するAFEです。8つのアナログ入力を備えており、プログ Things）、5Gなどによる後押しがあります。例えば、バイタル・ ラムが可能な最大12のタイム・スロットに対応しています。12 サインの監視（VSM：Vital Signs Monitoring）を実現するい のタイム・スロットを使用した場合、サンプリング期間中に12種 くつかの機能は、携帯電話や腕時計などのウェアラブルなスマー の測定が行えます。8つのアナログ入力は、マルチプレクサによ ト・デバイスに組み込まれ、より多くの人が利用できるように り単一のチャンネルまたは2つの独立したチャンネルとして構成 なっています。そうした小型、高精度の機器に対する需要は、健 可能であり、シングルエンドまたは差動の構成で2つのセンサー 康に関する意識の高まりを受けて急速に高まっています。それら による同時サンプリングに対応します。また、8つのLEDドライ の機器を使えば、体温、心拍数、呼吸、血中酸素飽和度（SpO2）、 バを備えており、最大4個のLEDを同時に駆動することが可能で 血圧、組成といった様々なバイタル・サインを監視することがで す。各LEDドライバは電流シンク型なので、LEDへの供給電圧や きます。COVID-19のパンデミックを受けて、病院でも、家庭で LEDの種類には依存しません。更に、ADPD4100/ADPD4101 も、体温、SpO2、心拍数など複数のバイタル・サインをモニタ は、電圧励起に対応するためのパルス電圧源を2つ備えています。 できる機器が強く求められるようになりました。健康管理に役立 両製品の信号パスは、トランスインピーダンス・アンプ（TIA）、 つ小型で使いやすい機器、なかでもウェアラブルなスマート・デ バンドパス・フィルタ（BPF）、積分器（INT）、A/Dコンバータ バイスに対するニーズは、歴史的な高水準に達しています。 （ADC）で構成されています。一方、デジタル・ブロックは、複 そうした小型の機器に複数のセンシング機能を持たせるのは、容 数の動作モード、プログラマブルなタイミング機能、GPIO（汎 易なことではありませんでした。フォーム・ファクタと消費電力 用入出力）の制御機能、ブロック平均機能、2次～4次に設定可 を抑えつつ、性能を大幅に高めてマルチパラメータに対応する機 能なカスケード型／積分型のコム（CIC：Cascaded Integrator 能を実現しなければならないからです。しかし、アナログ・デバ Comb）フィルタを備えています。各種のデータは、データ用の イセズが提供する単一のアナログ・フロント・エンド（AFE）を レジスタから直接あるいはFIFO（First-in, First-out）方式で読 採用することで、そうした機能に極めて容易に対応できるように み出します。 なりました。そのAFEは、複数のパラメータの同期測定を実現す ADPD4100はSPI（Serial Peripheral Interface）に対応して るVSMのハブとして機能します。それにより、ウェアラブル機 います。一方、ADPD4101はI2Cに対応します。ADPD4100/ 器の機能／性能を大幅に改善することが可能になります。つまり、 ADPD4101は、光学測定の面で大きな優位性を持っています。 ノイズが少なく、S/N比が高く、フォーム・ファクタが小さく、 周辺光を自動的に除去する優れた機能を備えているからです。ま 消費電力が少ない医療機器を実現できるということです。それに た、BPFと組み合わせた同期変調方式には、1マイクロ秒の短パ より、医師や患者を含む消費者は、複数の機器を使う煩わしさか ルスを使用します。外部の制御ループ、DC電流の減算、デジタ ら解放されます。より高い性能、より長いバッテリ寿命、より高 ル・アルゴリズムを必要としません。加えて、デシメーション係 い精度で、従来よりも簡単にVSMを利用できるようになるとい 数（1より大きい値）を使用することにより、出力のS/N比を高 めることができます。 VISIT ANALOG.COM/JP 1 マルチパラメータのバイタル・サイン監視システムを、かつてないほど容易に実現

更に、サブサンプリング機能を使えば、プログラムしたサンプリ 連続接続モード ング・レートよりも低いサンプリング・レートで、選択したタイ 連続接続モードは、PPG測定向けの代表的な動作モードです。こ ム・スロットを実行することができます。それにより、消費電力 のモードでは、周辺光の除去性能として最高のレベルが得られ、 （サンプリング・レートに比例）を抑えることが可能になります。 高いS/N比を実現できます。また、電流伝達率（CTR：Charge TIAにおける上限値の検出機能も搭載しています。この機能では、 Transfer Ratio。LEDの電流に対する光電流の比）が5nA/mA TIAの出力部にある電圧コンパレータを使用します。TIAの入力 ～10nA/mAという低いレベルでも適切に動作し、95dB～ が標準の動作限界を超えた場合には、割り込みビットが設定され 100dBという優れたS/N比（DC）が得られます。このレベルは、 ます。 デシメーション係数を大きくすることにより高めることができま す。連続接続モードでは、TIA、BPF、INT、ADCから成る完全 ウェアラブルな健康機器やフィットネス機器は、心拍数や心拍 なアナログ信号パスを使用します。流入する電荷は、ADCによ 変動（HRV：Heart Rate Variability）の監視、血圧の測定、 る変換が行われるたびに1回積分されます。PPGのような単一の ストレスと睡眠の追跡、SpO2の測定などに使用されます。 刺激イベントでは、センサーの応答によって得られる電荷を積分 ADPD4100/ADPD4101は、そうした機器における様々な電気 する際、INTのダイナミック・レンジの大部分を使用することに 的／光学的センサーのハブとして最適です。複数種の動作モー なります。TIAは、プリコンディショニング期間の後、常に入力 ドを備えていることから、様々なセンサーによる測定に対応す に接続されている状態になります。そのため、入力信号は変調さ ることができます。例えば、ヘルスケア・アプリケーションに れません。フォトダイオードのアノードは、ノイズを低減するた おける光電容積脈波（PPG：Photoplethysmography）や、 めに、プリコンディショニングによってTIAのリファレンス電圧 心電図（ECG：Electrocardiogram）、皮膚電気活動（EDA： TIA_VREFに設定されます。通常、TIA_VREFは、TIAで最大のダ Electrodermal Activity）、身体の組成、呼吸、温度、周辺光な イナミック・レンジが得られるよう1.27Vに設定します。一方、 どの監視に対応できます。また、その用途はこれらに限られるわ フォトダイオードのカソードは、その電圧源となるVCxピンに接 けではありません。 続します。通常、ADPD4100/ADPD4101は、フォトダイオー ドのカソードにTIA_VREF + 215mVを供給します。それにより、 PPG測定 フォトダイオードの両端に215mVの逆バイアスがかかるように PPG測定では、各心周期に関連した組織における微小血管床中 します。その結果、フォトダイオードの容量が低下し、信号パス の血液量の変化を検出します。収縮期／拡張期のイベントによ のノイズが低減されます。連続接続モードでは、LED用の標準 る血液量の変化は、光の吸収量と相関を持ち、その吸収量に応 的なパルスの幅は2マイクロ秒です。このパルス幅を狭くするこ じてPPG信号が生成されます。PPG測定は、LEDからのパルス とにより、周辺光の除去性能が最高のレベルに達します。また、 光を人体の組織に照射し、得られた反射光／透過光をフォトダ LED用に複数のパルスを使用する場合、パルスの数を2倍にする イオードで光電流に変換して収集することで行います（図1）。 ごとにS/N比が3dB向上します。通常、最高レベルのS/N比は、 ADPD4100/ADPD4101は、光電流の処理と測定を行った上で INTのチョッピングをイネーブルにすることによって得られます。 デジタルのPPG信号を生成します。両製品は、ハードウェアの接 チョッピングを実行すると、INTにおける低周波ノイズが除去さ 続を全く変更することなく、PPG測定の様々な用途に応じて異な れるからです。TIAのゲインとして高い値を選択すれば入力換 るモードで動作するよう柔軟に構成することができます。異なる 算ノイズが低下しますが、TIAのダイナミック・レンジは狭くな モードというのは、以下の4つです。 ります。TIAのダイナミック・レンジは、TIA_VREFをTIAのゲイ ンで割ることにより計算できます。ADCの飽和レベルを高める X 連続接続モード には、TIAのゲインを下げるか、INTの抵抗値を大きくします。 X 複数積分モード INTの抵抗値を高めるほどノイズは小さくなりますが、低い値を X フロート・モード 選択するほど周辺光に対する余裕が増加します。 X デジタル積分モード 以下、各モードの概要について順に説明していきます。 複数積分モード 複数積分モードは、連続接続モードと非常によく似たモードです。 異なるのは、ADCによる変換が行われるたびに、流入する電荷 VCx を複数回積分する点だけです。複数積分モードは、照度が低い状 R 6.3 pF 況でも高いS/N比を得たい場合に役立ちます。そのような状況で F INx RINT は、1回の刺激イベントに応じて使用されるダイナミック・レン TIA BPF RINT ADC ジは小さく、場合によっては50%しか使用されません。そこで、 V RF LED1 スイッチ このモードでは、ADCによる変換の前に複数回積分を実行する + CVLED 6.3 pF TIA_VREF ことにより、INTのダイナミック・レンジの使用範囲を広げます。 LEDx 積分の回数を2倍にするごとに、S/N比は3dBずつ向上します。 図1. PPG測定用の標準的な回路 2 マルチパラメータのバイタル・サイン監視システムを、かつてないほど容易に実現

つまり、パルス数を2倍にする場合と同じレベルの効果が得られ トダイオードに蓄積できる電荷容量が周辺光によって独占されて ます。通常、複数積分モードは入力が小さい場合に使用します。 しまうからです。複数積分モードでは、BPFやLED用の短パルス そのため、TIAのゲインとしては最大の値を選択します。また、 を使用するので、周辺光の除去性能が本質的に優れています。 このモードは、CTRが5nA/mAよりも低く、高い周辺光除去性 能が求められる場合に使用します。 デジタル積分モード ここまでに説明した3つのモードでは、INTを使って、流入する フロート・モード 電荷を積分します。デジタル積分モードでは、ADCで取得した フロート・モードも、照度が低い状況で高いS/N比を得たい場合 サンプル・データをデジタル処理によって積分することもできま に使用します。このモードでは、フォトダイオードにノイズが生 す。デジタル積分を実行する場合には、INTをバッファで置き換 じていない状態で、光によって得られた電荷を蓄積することがで えます。デジタル積分モードは、2つの領域で動作します。LED きます。なぜなら、フォトダイオードがAFEから切り離されるか は、明領域ではパルスによって駆動され、暗領域ではオフになり らです（そのため、フロート・モードと名づけられました）。その ます。ADCでは、明領域／暗領域において1マイクロ秒間隔で 後、再びAFEをフォトダイオードに接続すると、フォトダイオー 変換処理が行われます。得られたデータはデジタル処理によって ドに蓄積された電荷がAFEに急速に流入し、積分が実行されま 積分されます。計測の対象となる信号は、ADCにより明領域で す。このような動作により、信号パスで加わるノイズを最小限に 取得した積分値から暗領域で取得した積分値を減ずることで計算 抑えつつ、パルス当たりの電荷量が最大の状態で処理を行うこと できます。このモードでは、LED用により幅の広いパルスを使用 ができます。電荷の読み出しは短い変調パルスを使って高速に行 することが可能です。そのため、このモードは、フォトダイオー われるので、信号パスで加わるノイズは少なく抑えられます。フ ドの応答時間が長く、幅の広いパルスを使用しなければならない ロート時間を延ばして、より高い信号レベルを得ることもできま 場合によく使われます。このモードでも、BPFはバイパスして電 すが、フォトダイオードの容量（蓄積できる電荷量）には限界が 源をオフにします。デジタル積分モードでは、最も高い電力効率 あります。なお、このモードではBPFがバイパスされます。その と、達成可能な最高レベルのS/N比が得られます。但し、LED用 理由は、TIAとの接続を確立してフォトダイオードからの電荷を のパルスの幅が広く、BPFをバイパスするので、連続接続モード 転送する際、生成される信号の形状がデバイスや条件によって変 よりも周辺光の除去性能は劣ります。デジタル積分モードでは、 化する可能性があるからです。信号と積分シーケンスを確実に適 同一のタイム・スロットで2チャンネルの同時サンプリングを行 合させるためには、BPFをバイパスする必要があるということで うことはできません。ただ、100dBを超えるS/N比（DC）を得 す。このモードでは、高い周辺光除去性能は得られず、フォトダ ることができます。 イオードの容量による制限も加わります。ただ、電力効率が高く、 非常に照度が低い条件下でも、ノイズを抑えて測定を行うことが デジタル積分モードの長所と短所 可能です。 先述したように、PPG測定によく使用されるのは連続接続モード です。このモードでは、CTRが5nA/mAを超える条件下で優れ 複数積分モードとフロート・モードの比較―― たS/N比と周辺光の除去性能が得られるからです。一方、デジタ 低照度に適したモードはどちらか？ ル積分モードを使用すれば最高のS/N比が得られます。しかも、 CTRが5nA/mAよりも小さい低照度の条件では、フロート・モー 消費電力に対して最高の効率で高いS/N比が実現されます。アプ ドがよく使われます。同モードでは、複数積分モードよりもノイ リケーションにおいて周辺光が問題なのではなく、目標とするS/ ズが小さくなります。複数積分モードでは、より多くの積分サイ N比（DC）が85dB以上である場合には、デジタル積分モード クルが発生し、TIAとINTからのノイズが増えるからです。また、 を選択し、高いS/N比を効率的に達成するとよいでしょう。目標 フロート・モードでは、複数積分モードよりも高い電力効率が得 とするS/N比（DC）が85dB以下である場合には、デジタル積 られます。BPFがパワー・ダウンしていることに加え、測定時間 分による電力の削減効果は、連続接続モードと比べて大きいとは がより短いからです。フロート・モードでは、複数積分モードと 言えません。 比べて消費電力当たりのS/N比が大幅に高くなります。 まとめると、デジタル積分モードは、フォトダイオードの応答時 フォトダイオードにリークが発生している場合や、PPG測定にお 間が長いため、より幅の広いパルスを必要とする場合に適してい いて多くの周辺光が存在している場合には、複数積分モードを使 ます。1つのタイム・スロット内で、2つのチャンネルにおける同 用することをお勧めします。フォトダイオードにリークが生じて 時サンプリングを行う必要がない場合に使用可能です。 いる場合、フロート・モードは使用できません。電荷の高速読み また、周辺光が問題になるのではなく、目標となるS/N比（DC） 出しを行う前に、電荷が漏れ出てしまうからです。また、周辺光 が85dB以上である場合には、デジタル積分モードを選択するこ が多い場合にも、フロート・モードは適切ではありません。フォ とで電力効率を高められます。 VISIT ANALOG.COM/JP 3

表1に、4つのモードの特徴をまとめておきます。 サーの入力にも対応できます。1つのAFEを使用するだけで、マ ルチパラメータに対応する完全なVSM用プラットフォームを構 PPG測定のアプリケーション 築できるということです。 COVID-19のパンデミックを背景とし、VSMや健康診断におけ るPPG測定の重要性が一層高まっています。また、問題を検出 パルス・オキシメトリによるSpO2の測定 するためには、複数の指標を使用することが不可欠です。例えば、 パルス・オキシメトリでは、赤色LED（波長は660nm）と赤外 VSMの重要な項目としては、心拍数、HRV、SpO2などが挙げら （IR）LED（波長は940nm）を使用して測定を行います。脱酸素 れます。これらの値は、パルス・オキシメトリと血圧測定によっ 化ヘモグロビンは赤色光をより多く吸収し、酸素化ヘモグロビン て取得することができます。 は赤外光をより多く吸収します。そして、フォトダイオードは吸 収されなかった光を感知します。それによって得られた信号は、 パルス・オキシメトリは、SpO2を光学的／非侵襲的に監視す DC成分とAC成分に分けられます。これらのうち、DC成分は組 る手法です。これは、COVID-19の感染者が低酸素症に陥って 織、静脈血、非脈動性の動脈血による光の吸収量に対応します。 いることを検出したい場合に非常に役立ちます。低酸素症は、 一方のAC成分は、脈動性の動脈血による光の吸収量を表します。 COVID-19の主な症状の1つであり、身体の組織への酸素供給が SpO2の割合（%単位）は、次式で計算することができます。 欠乏している場合に発症します。また、この症状は心拍数の増加 を引き起こすことがあります。したがって、光学的／非侵襲的に %SpO2 = (ACred/DCred)/(ACIR/DCIR) 心拍数をモニタリングする手法も低酸素症の検出には不可欠です。 ADPD4100/ADPD4101は、SpO2の計測に向けて、任意の2 こうした条件に対応するためには、複数の測定機能を統合するの つのタイム・スロットを使用して赤色LEDと赤外LEDの応答を取 が最適な手法となります。将来的にウェアラブル機器が必要にな 得できるように構成することが可能です。残りのタイム・スロッ るわけではない場合でも、ADPD4100/ADPD4101は極めて有 トは、様々な波長のLEDを対象としたPPG測定に対応するよう 効なソリューションとなります。これらのAFE製品を採用すれば、 構成することができます。具体的には、ECGの測定、リードオフ 温度、ECG、呼吸の監視用センサーなど、どのような種類のセン 検出、呼吸の監視など、任意のセンサーを用いた計測に対応可能 です。 表1. ADPD4100/ADPD4101における各動作モードの設定、特徴 モード 標準的な設定 特徴 PPG測定用の標準的なモード SAMPLE_TYPE=0 周辺光の除去性能が最高 連続接続モード MOD_TYPE=0 NUM_INT=1 低ノイズ、低消費電力 NUM_REPEAT≥1 INTのチョッピングとデシメーションにより、95dB以上のS/N比を達成可能 適切なCTRが必要（5nA/mA以上） 85dB以上のS/N比（DC）、最高の電力効率 SAMPLE_TYPE=1¦2 LED用パルスの幅を広くとることで、100dB以上という最高レベルのS/N比（DC）を達成 デジタル積分モード MOD_TYPE=0 NUM_INT≥1 周辺光が問題にならないアプリケーションに最適 NUM_REPEAT≥1 センサーの応答時間が長く、短パルスを使用できないアプリケーションに最適 2チャンネル／ソースの同時サンプリングには対応しない 低照度（CTRが5nA/mA以下）に対応 SAMPLE_TYPE=0 連続接続モードでフルスケールの50%に達しない場合に使用 フロート・モード MOD_TYPE=1 NUM_INT=1 周辺光が問題にならないアプリケーションに最適 NUM_REPEAT≥1 複数積分モードよりも低ノイズ、低消費電力 SAMPLE_TYPE=0 低照度（CTRが5nA/mA以下）に対応 複数積分モード MOD_TYPE=0 NUM_INT>1 連続接続モードでフルスケールの50%に達しない場合に使用 NUM_REPEAT≥1 高い周辺光除去性能が求められるアプリケーションに最適 4 マルチパラメータのバイタル・サイン監視システムを、かつてないほど容易に実現

図2に、赤色光、緑色光、赤外光に対応するPPG信号を同時に 和します。また、第3の電極を用いてリファレンス電圧を身体に 取得した結果を示しました。例として、赤外光に対応する信号の 戻すためには、右足駆動（RLD：Right Leg Drive）技術が使わ AC成分／DC成分にはマーカーを付加しています。 れます。これは、電圧を測定するECGシステムにおいて、人体、 電極、ケーブルがさらされる同相電圧を除去するために実装され PPG：フィルタなし 780k ます。 760k ADPD4100/ADPD4101をECGの測定に適用する場合には、新 740k AC しいアプローチを採用することになります。それは、抵抗とコン 720k デンサから成る受動回路を使用して、1対の電極間の差動電圧に 700k 追従させるというものです。図3（a）に示すように、受動回路は 2個の抵抗RSと1個のコンデンサCSによって構成します。この方 DC 680k 法では、ECGの各サンプル・データを取得するために、充電ス 660k テップと電荷の転送ステップから成るプロセスを適用します。 640k 620k 2つの入力ピンIN7、IN8は、充電ステップの間はフロート状態に 赤色光 緑色光 赤外光 なっています。コンデンサCSの電荷は、充電時間が3τ（τ = 600k 2RSCSで定義される時定数）より長い場合、2つの電極間の差動 図2. 赤色光、緑色光、赤外光に対応するPPG信号。 電圧に比例します。電荷の転送ステップの間、CSはTIAに接続さ 例として、赤外光に対応するPPG信号のAC成分／DC成分には れ、測定を行うためにAFEに電荷が転送されます。このように、 マーカーを付加してあります。 ADPD4100/ADPD4101を採用したECG向けソリューション は、電荷の測定をベースとしています。このソリューションによ 心拍数の監視 り、バッファとRLD用の第3の電極が不要になる、外付け部品を 心拍数の監視も、COVID-19の検出には不可欠な要素です。低 減らせるのでシステムを小型化できる、消費電力を削減できると 酸素症によって酸素の供給量が低下すると、身体の組織に十分な いった複数のメリットが得られます。 量の酸素を供給するために心臓の拍動が速くなります。心拍数の 監視は、心臓の問題を検出したり、フィットネスにおける運動量 ADPD4100/ を追跡したりする際に役立ちます。 ADPD4101 25.5 kΩ 47 pF 一般に、心拍数の監視には、波長が540nm前後の緑色LEDが使 IN5 用されます。緑色LEDは赤色LEDや赤外LEDよりも変調指数が CH1 電極 RS = 500 kΩ IN7 高いので、最良のPPG信号が得られます。また、適切なレベル のCTRが得られるため、消費電力もそれほど多くなりません CS = 470 pF RS = 500 kΩ IN CH2 8 S/N比（AC）は、信号品質を表すパラメータとなります。これ 電極 25.5 kΩ 47 pF は、S/N比（DC）と変調指数の乗算によって求められます。例 VC2 VC2 えば、変調指数が1%でS/N比（DC）が95dBである場合、S/ N比（AC）は55dBと算出することができます。 (a) ECGの測定 スポット・チェックに対応する腕時計や連続監視用の胸部パッチ のようなウェアラブル機器に、ECGの測定機能が追加されるよう 充電 になっています。一般に、そうした機器には、金属などの導電材 電荷の転送 料で作られた電極が使用されています。それらの電極は分極して おり、乾式電極と呼ばれます。乾式電極を使用したECGの測定 では、電極と皮膚の間の接触インピーダンスが高く、過電圧が比 較的高くなることが大きな課題になります。 時間 従来、ECGの測定には、計装アンプをベースとするソリューショ (b) ンが使われていました。その場合、バッファを使用することで、 図3. ECGの測定用の構成（a）。抵抗とコンデンサから成る受動回路を 信号の減衰に関わる電極‐皮膚間の高い接触インピーダンスを緩 付加しています。また、リードオフ検出用の回路も構成しています。 （b）は、ECGのデータをサンプリングする際の充電ステップと 電荷転送ステップについて示したものです。 VISIT ANALOG.COM/JP 5 PPG〔LSB〕 0.01 0.17 0.33 0.49 0.65 0.81 0.97 1.13 1.29 1.45 1.61 1.77 1.93 2.09 2.25 2.41 2.57 2.73 2.89 3.05 3.21 3.37 3.53 VCS VECG

このソリューションでは、生体インピーダンスをベースとするア 患者が呼吸する際には、肺の容量が増減します。それにより、胸 プローチを採用したADPD4100/ADPD4101により、設計上の 部のインピーダンスに変化が生じます。その変化は、胸部を横切 柔軟性がもたらされます。例えば、図3（a）の回路には、リード るパスに電流を流し、電圧降下を測定することによって検出でき オフ検出の機能が追加されています。この回路では、一方の電極 ます。図5（a）に示したのは、2つの電極を使用してECGの測 にパルスを印加し、もう一方の電極で電流を受け取ります。一方 定と呼吸の監視を実現する回路（リファレンス設計）です。図5 の電極または両方の電極が皮膚から離れている場合、パスが切断 （b）に、同時に記録したECG信号、呼吸に関連するインピーダ されて電流を受け取ることができなくなります。図4に示したグ ンスの変動波形、PPG信号を示しました。ECGと呼吸の測定は、 ラフは、ECGの信号と、リードオフ検出用に受け取った電流を表 ステンレスの乾式電極を左右の手首に装着することで行いまし しています。タイム・スロットAでECGを測定し、タイム・スロッ た。PPGは、緑色LEDを使用して測定しました。 トBでリードオフ検出を行っています。 従来のECG向けソリューションでは、リードオフ検出に使用す ADPD4100/ 1 nF 10 kΩ ADPD4101 るプルアップ抵抗回路がECGの測定回路の入力インピーダンス GPIO2 に影響を及ぼします。それに対し、生体インピーダンスをベース 25.5 kΩ IN7 とするリードオフ検出では、タイム・スロットが分離されている 電極 R 0 kΩ IN CH1 S = 50 5 ことから、ECGの測定には全く影響は及びません。図3のように CS = 470 pF DC結合回路を使用することで、電極と皮膚の間の接触が再び確 IN6 立されたらECG信号が取得されます。 電極 RS = 500 kΩ CH2 IN8 25.5 kΩ × 104 ADPD4100によるECG測定とリードオフ検出 × 105 GND 1.85 1 nF 10 kΩ 1.316 (a) リードの接触が回復すると 1.80 すぐにECG信号を取得 1.314 ECG：3点移動平均、ベースラインを補正済み 50 0 1.75 1.312 –50 –100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1.31 時間〔秒〕 1.70 呼吸：9点移動平均、ベースラインを補正済み 500 1.308 リードオフの検出 0 1.65 –500 1.306 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時間〔秒〕 時間〔秒〕 × 10–3 PPG：5点移動平均 図4. ECGの測定とリードオフ検出。 5 DC結合により、瞬時にECGの測定に復帰しています。 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 インピーダンス・ベースの呼吸の監視 時間〔秒〕 ADPD4100/ADPD4101を使用すれば、呼吸の監視も行えま ECG、呼吸、PPGを同時に測定した結果 1 す。その場合、吸息サイクル／呼息サイクルにおける肺の生体イ 0.5 ンピーダンスの変化を検出します。呼吸の監視は、集中治療室 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 （ICU）にいる患者や睡眠中の患者を対象として行われます。呼吸 時間〔秒〕 をモニタリングすることで患者を管理し、適切なタイミングでア (b) ラームを発することにより、命を救うことが可能になります。こ 図5. ECGと呼吸を監視するための構成（a）。 れは、呼吸器系の問題や睡眠時無呼吸の症状を抱える患者にとっ スリープ・フロートによるECGの測定とケルビン検出法による 呼吸の測定を行うための外部回路を付加しています。 て極めて重要な機能です。睡眠時無呼吸も健康に対する脅威であ （b）は、ECG、呼吸、PPGを同時に測定した結果です。 り、米国では2500万人を超える成人がこの症状に苦しめられて います1。 6 マルチパラメータのバイタル・サイン監視システムを、かつてないほど容易に実現 ECG信号〔LSB〕 リードオフ検出用の誘起電流〔LSB〕 正規化した信号 PPG、灌流指標 呼吸〔LSB〕 ECG〔LSB〕

まとめ ります。また、ADPD4100/ADPD4101を使って構成したマル VSMを実現するシステムは、ウェアラブルなスマート・デバイ チパラメータ対応のシステムでは、同期をとった状態でデータが スの形で民生市場における存在感を高めています。ウェアラブル 生成されます。したがって、データの同期をとるために労力を費 機器によって生成された健康に関する情報は、健康と疾病の管理 やす必要はありません。 を行う上で重要な役割を果たします。そうした機器に対する需要 を満たし、より多くの人々が利用できるようにするためには、コ 参考資料 スト、サイズ、消費電力などの要件について検討しなければなり 1「Rising Prevalence of Sleep Apnea in U.S. Threatens ません。ADPD4100/ADPD4101は、アナログ・デバイセズが Public Health（米国で睡眠時無呼吸の有病率が上昇、健康 提供する革新的なAFEです。これらの製品には、マルチパラメー に対する脅威が増大する）」American Academy of Sleep タに対応するVSMのハブとしての高い優位性があります。単一 Medicine (AASM)、2014年9月 のAFEを使用してマルチパラメータ対応のVSMを実現するシス テムを設計できるため、必要なICの数を削減できます。その結 果、システムのコストとサイズを大幅に低減することが可能にな 著者について Yigit Yoler（i yigit.yoleri@analog.com）は、アナログ・デバイセズの分子センシング・グループ（マサチュー セッツ州ウィルミントン）に所属するアプリケーション・エンジニアです。2019年2月に入社しました。主 に、ヘルスケア、民生、産業などの分野で使用される光センサー・アプリケーションを担当しています。ト ルコのボアズィチ大学で電気工学と電子工学の学士号を取得。カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD） では、医療用機器／システムを専門領域とし、電気工学とコンピュータ工学の修士号を取得しました。 著者について Guixue (Glen) Bu（guixue.bu@analog.com）は、アナログ・デバイセズの分子センシング・グループに 所属するアプリケーション・エンジニアです。2018年9月に入社しました。主に、医用生体計測の技術／ アプリケーションに関する研究開発に携わっています。中国の清華大学で医用生体工学の学士号を取得。パ デュー大学で同分野の修士号と博士号を取得しています。 VISI T A N A L O G . C O M /JP お住いの地域の本社、販売代理店などの情報は、analog. ©2020 Analog Devices, Inc. All rights reserved. com/jp/contact をご覧ください。 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possibleはアナログ・デバイセズの商標です。 オンラインサポートコミュニティEngineerZoneでは、アナ ログ・デバイセズのエキスパートへの質問、FAQの閲覧がで きます。 AD5411-0-11/20 VISIT ANALOG.COM/JP 7