유연한 AFE, 동작 제어 및 인증 IC를 사용하여 현장 진료 진단 시스템 설계하기

현장 진료(PoC) 의료 테스트는 실험실에서 의사 진료실, 진료소, 심지어 가정으로 옮겨가고 있는 추세입니다. 이러한 전환 추세는 진단을 가속화하여 더 빠른 환자 치료, 개선된 결과, 비용 절감으로 이어질 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

PoC 구현에 필요한 첫 번째 요소는 필요한 데이터 수집 측정을 위해 다양한 바이오센서와 인터페이스하는 고급 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 갖춘 다목적 애플리케이션 최적화 IC입니다. 각 IC는 정확도, 저전력, 고집적 기능을 포괄하는 정교한 전기화학, 생물학 및 관련 측정의 고유한 특성을 해결해야 합니다. 성공적인 최종 제품들은 우수한 성능과 유연성 및 업그레이드 가능성으로 향후 지속적인 플랫폼 사용을 지원할 수 있다는 공통적인 특징을 가집니다. 원활하고 정밀한 동작 제어와 인증 IC가 지원이 되어야 데이터 정확성과 개인정보 보호를 보장할 수 있습니다.

이 기사에서는 PoC로의 전환과 그 설계적 의미를 살펴봅니다. 그런 다음, 널리 사용되는 AFE 측정 시나리오에 대해 설명하고, PoC 측정, 동작 제어 및 인증 요구 사항을 충족하기 위해 Analog Devices에서 제공하는 유연성 높은 솔루션을 다양하게 소개합니다.

지금 PoC로 전환해야 하는 이유

PoC 테스트와 샘플 처리 증가를 유발하는 원동력 중 하나는 개인의 건강 증진을 위해 더 빠른 의료 진단에 대한 요구가 커지고 있다는 점입니다. 관련 규제에 따른 의무로 인해 더 많은 테스트가 장려되고 심지어 요구되기도 합니다. 또한 환자의 혼란, 비용, 시간을 최소화하기 위해 병원이나 가정에서 현지화된 PoC를 실시하는 추세입니다. 이러한 시스템에는 그러한 목표를 달성하기 위해 사용이 간편하면서도 강력한 계측기가 필요합니다.

이러한 시스템 설계자에게 AFE, 동작 제어 및 인증 IC는 환자의 체액과 바이탈, 그리고 다양한 센서에서 결과 데이터를 캡처, 기록, 평가 및 보고하는 데 필요한 시스템 간에 작동하는 최전방의 인터페이스입니다. 이들은 광범위한 바이오센서 및 화학을 보완하는 측정 엔진을 제공하는 데 필요한 전기화학 및 광학 진단 솔루션의 구성 요소이며, 플랫폼에서 소프트웨어를 사용한 업그레이드가 가능하도록 해줍니다(그림 1).

그림 1: 아날로그 및 관련 전자 장치는 환자의 활력 징후 및 체액과 관련 PoC 계측 및 데이터 시스템 간에 중요한 인터페이스를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

다양한 애플리케이션 중심 IC로 과제 해결

몇 가지 예를 통해 이러한 상황을 명확하게 설명할 수 있습니다.

예 #1: 광학 형광 감지(FLD):

광학 형광 감지 기술을 통해 연구자들은 세포나 조직 내 생물학적 구성 요소의 분포, 위치, 상호작용을 연구할 수 있으며, 표준 광학 현미경으로는 보이지 않는 세포 작용과 기능에 대한 상세한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 광학 흡수, 산란 또는 반사가 아닌 형광 유도 형광체를 사용합니다.

형광체는 특정 파장의 빛을 흡수하여 일부 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킵니다. 전자가 기저 상태로 돌아오면 형광체는 더 길고 독특한 발광 파장으로 빛을 방출합니다. 이렇게 방출된 형광을 감지하고 분석하여 생물학적 구조를 고대비, 분자 수준으로 시각화합니다.

LED 플러스 포토센서 시스템의 발전으로 인해 성능과 기능 측면에서도 한 층 더 개선이 이루어졌습니다. 송신 및 수신 채널을 갖춘 초저전력 광학 데이터 수집 시스템인 MAX86171(그림 2, 상단)과 같은 IC는 이러한 애플리케이션에 맞게 설계되었습니다. 내부적으로는 복잡하지만 애플리케이션 하나에 필요한 개별 구성 요소는 몇 개에 불과합니다(그림 2, 하단).

그림 2: MAX86171 다중 채널, 초저전력, 광학 데이터 수집 시스템(상단)은 높은 수준의 내부 통합을 활용하여 외부 배선을 간소화하고 수동 소자 지원 부품의 필요성을 간소화합니다(하단). (이미지 출처: Analog Devices)

송신기 측에서 MAX86171에는 3개의 고전류 8비트 LED 드라이버에 연결된 프로그래밍 가능한 LED 드라이버 출력 핀이 9개 있습니다. 수신기 측에는 주변광 제거(ALC) 회로가 있는 두 개의 저잡음 전하 통합 프런트 엔드가 있어 고성능, 고집적, 광학 기반 데이터 수집 시스템을 구현합니다.

광학 채널 수를 줄여야 하는 설계의 경우, MAX86178ENJ+는 최대 6개의 LED와 4개의 광 다이오드 입력을 지원하는 초저전력, 임상 등급 활력 징후 AFE입니다.

의료용 애플리케이션의 성능 지수와 우선 순위는 광 데이터 채널과 같은 비의료용 애플리케이션의 성능 지수와 우선 순위와는 다르다는 점에 유의하세요. 일반적으로 조명 레벨이 상대적으로 낮기 때문에 신호 대 잡음비(SNR)보다는 광학 프런트 엔드의 절대 잡음 플로어가 중요한 파라미터입니다.

대역폭과 샘플링 속도는 매우 낮고 관심 대상인 파라미터는 생물학적 세계에서 수 킬로헤르츠의 속도로 변하지 않지만, 환자와 신호는 복잡하고 아날로그 방식이기 때문에 사양의 우선 순위가 달라져야 합니다. 여기에는 환자의 피부와 내부 장기가 계속 움직이며 접촉 면적과 힘이 미세하게 변화하는 수술 환경에서 성공하기 위한 고감도, 넓은 동적 범위, 낮은 잡음이 포함됩니다. 또한 다양한 유형의 간섭 잡음과 변형이 있는 경우 문제가 더욱 복잡해집니다.

애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 MAX86171은 테스트 배열에 따라 91데시벨(dB) ~ 110데시벨(dB)의 동적 범위, 19.5비트 분해능, 50피코암페어(pA) 미만의 암전류 잡음(RMS), 120헤르츠(Hz)에서 70dB 이상의 주변광 제거 수치를 제공합니다.

예 2: 전위차계, 전류계, 전압계 및 임피던스 측정:

전기 엔지니어는 다양한 표준 계측기 중에서 선택하여 전압, 전류 및 임피던스와 이들의 관계를 능숙하게 측정할 수 있습니다. 그러나 이러한 측정은 화학적 및 생물학적 환경에서 고유한 요구 사항과 제약이 있으며 각 환경에 따라 분명한 차이가 있는 시나리오를 제시합니다.

• 전위차 측정: 전위차계를 사용하여 두 전극 사이의 전기 전위를 측정하여 용액 내 물질의 농도를 측정합니다.
• 전류 측정: 전류 또는 전류의 변화를 기반으로 용액의 이온을 감지하기 위해 전류 측정 방식을 사용합니다.
• 전압 전류 측정: 특정 전압 프로파일을 시간에 따라 작동 전극에 적용하고, 일반적으로 전위차계를 통해 시스템에서 생성되는 전류를 측정합니다.
• 임피던스: 피부와 신체의 전압 및 전류 관계를 측정합니다.

이러한 파라미터를 평가하기 위해 AD5940은 3.6밀리미터(mm) × 4.2밀리미터(mm) 크기의 56볼 WLCSP로 광범위한 기능과 인터페이스 옵션을 제공합니다(그림 3). 이 저전력 AFE는 전류계, 전압계 또는 임피던스 측정과 같은 고정밀 전기 화학 기술이 필요한 휴대용 애플리케이션을 위해 설계되었습니다.

그림 3: AD5940 AFE는 정밀한 저전력 전류계, 전압계 또는 임피던스 측정에 필요한 정교한 기능을 통합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

AD5940에는 두 개의 여기 루프와 하나의 공통 측정 채널이 있습니다. 첫 번째 루프는 듀얼 출력 스트링, 디지털-아날로그 변환기(DAC), 저잡음 전위차계로 구성되며 0Hz ~ 200Hz의 신호를 생성할 수 있습니다.

DAC 출력 중 하나는 일정 전위기의 비반전 입력을 제어하고 다른 하나는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)의 비반전 입력을 제어합니다. 두 번째 루프는 최대 200킬로헤르츠(kHz)의 여기 신호를 생성할 수 있는 12비트 DAC로 구성됩니다.

입력 측에는 입력 버퍼, 안티앨리어스 필터, 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)가 있는 16비트, 초당 800kS/s의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 있습니다. 멀티플렉서는 외부 전류 및 전압 입력을 위한 입력 채널과 공급 전압, 다이 온도 및 레퍼런스 전압을 위한 내부 채널을 선택합니다.

전류 입력에는 다양한 센서 유형을 측정하기 위한 프로그래밍 가능한 게인 및 부하 저항이 있는 두 개의 TIA가 포함되어 있습니다. 첫 번째 TIA는 저대역폭 신호를 측정하고, 두 번째 TIA는 최대 200kHz의 고대역폭 신호를 측정합니다.

이러한 수준의 통합과 다양한 기능을 제공하는 IC를 사용하면 IC를 뛰어넘는 평가 키트의 이점을 누릴 수 있습니다. AD5940의 경우 EVAL-AD5940BIOZ 심전도(ECG/EKG) 센서 Arduino 플랫폼 평가 확장 기판은 익숙한 개발 환경을 제공합니다(그림 4). 또한 이 키트는 소프트웨어를 통해 플랫폼을 업그레이드할 수 있으므로 새로운 테스트 요구 사항이 추가될 때 미래 지향적인 설계가 가능합니다.

그림 4: EVAL-AD5940BIOZ 심전도(ECG/EKG) 센서 Arduino 플랫폼 평가 확장 기판을 사용하면, AD5490의 용도에 맞는 정밀하고 낮은 수준의 측정을 수행할 때 좀 더 쉽게 AD5490을 사용하여 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

각 AD5940 평가 기판은 특정 최종 애플리케이션의 측정 목표를 달성하기 위한 기판입니다. Arduino와 유사한 이 기판은 SPI 주변 장치를 통해 AD5940을 구성하고 통신합니다. 초기 평가를 위해 그래프 및 데이터 캡처 기능을 갖춘 측정용 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 도구를 사용할 수 있습니다. 임베디드 C로 작성된 많은 예제 프로젝트에는 프로그래밍 환경을 설정하고 예제를 실행하는 방법에 대한 지침이 포함되어 있습니다.

예 #3: 데이터 인증:

다양한 위치에 저장되고 무선 근거리 무선 통신(NFC) 링크를 사용하여 데이터를 전송하는 경우, 데이터 신뢰성과 관련된 문제와 재사용, 오용, 위조 샘플 또는 카트리지의 위험까지 발생할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 MAX66250 보안 인증기(그림 5, 상단)는 저장된 모든 데이터를 암호화하여 노출되지 않도록 보호하는 강력한 대응책을 제공합니다. 무단 액세스 위험이 더 높은 NFC 지원 임베디드 시스템(그림 5, 하단)과 호환됩니다.

그림 5: MAX66250 보안 인증기(상단)는 여러 수준의 고급 데이터 보안 및 인증을 지원하며 무선 데이터 전송을 위한 NFC 인터페이스(하단)도 통합되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

FIPS 202를 준수하는 보안 해시 알고리즘(SHA-3) 챌린지 및 응답 인증과 보안 EEPROM을 결합하는 보안 인증기입니다. SHA-3 엔진, 256비트 보안 사용자 EEPROM, 감소 전용 카운터, 고유 64비트 ROM 식별 번호(ROM ID) 등 통합 블록에서 파생된 암호화 도구의 핵심 세트를 제공합니다. 고유한 ROM ID는 암호화 작업을 위한 기본적인 입력 파라미터로 사용되며 애플리케이션 내에서 전자 일련 번호로 사용됩니다. 이 보안 인증기는 ISO/IEC 15693을 준수하는 RF 인터페이스를 통해 통신합니다.

유선 링크의 경우, DS28E16Q+U 1-Wire Secure SHA-3 인증기는 고유 ROM ID를 포함하여 MAX66250과 동일한 암호화 도구를 제공합니다.

예 #4: 동작/모터 제어:

많은 PoC 장치와 스테이션의 경우, 스테이션 간에 테스트 스트립 또는 테스트 튜브를 운반하거나, 시약을 결합 및 이송하거나, 정확한 양의 액체를 추가 또는 방출하고 피펫팅을 수행하기 위해 세심한 동작 제어가 요구됩니다. 이러한 애플리케이션에서는 빠르고 정확하고 안정적이며 조용하고 재현 가능하며 에너지 효율적인 동작을 위해 정밀한 마이크로 스테핑과 부드러운 정지, 시작 및 램프 생성을 통해 고해상도 및 진동 없는 동작을 제공해야 하는 경우가 많습니다.

직렬 통신 인터페이스를 갖춘 Trinamic TMC5072-LA-T 단일/이중 채널 스테퍼 모터 컨트롤러 및 드라이버 IC(그림 6, 상단)는 이러한 애플리케이션에 적합합니다. 병렬 작동을 위해 배선할 경우 모터당 1.1/1.5A 피크, 모터 1개당 2.2/3A 피크의 코일 전류 구동 기능을 제공합니다.

기본 작동을 위해 함께 제공되는 TMC5072-BOB 평가 키트(그림 6, 하단)에는 온보드 TMC5072가 포함되어 있으며 단일 와이어 범용 비동기식 수신기/송신기(UART)를 사용하여 Arduino Mega에 연결합니다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 파라미터를 쉽게 설정하고, 실시간으로 데이터를 시각화하며, 독립형 애플리케이션을 개발 및 디버깅할 수 있는 도구를 제공합니다.

그림 6: TMC5072-LA-T 단일/이중 채널 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC(상단)는 정밀한 성능과 원활한 작동을 제공하며, TMC5072-BOB 평가 키트(하단)에서 지원됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

TMC5072는 자동 타겟 포지셔닝을 위한 유연한 램프 발생기를 결합하여 무소음 작동, 최대 효율, 높은 모터 토크를 제공합니다. 7mm × 7mm IC는 다음과 같은 고급 기능도 추가적으로 제공합니다.

• StealthChop - 매우 조용한 작동과 부드러운 동작을 지원
• SpreadCycle - 고가속 동적 모터 제어 초퍼
• DCStep - 부하에 따른 속도 제어
• StallGuard2 - 고정밀 센서리스 모터 부하 감지
• CoolStep - 전류 제어를 통해 최대 75%까지 에너지를 절감

물론 아무리 기능이 많고 뛰어나더라도 하나의 동작 제어 장치로 모든 PoC 시스템 요구 사항을 충족할 수는 없습니다. 이러한 이유로 Analog Devices는 PoC를 위한 광범위한 모터 관련 IC 및 지원 기능을 제공합니다.

• TMC4671-LA: 브러시리스 DC/영구 자석 동기 모터(BLDC/PMSM) 및 2상 스테퍼 모터를 위한 현장 지향 제어(FOC)를 제공하는 통합 서보 컨트롤러
• TMC4671-LEV-REF: BLDC 서보 구동기가 포함된 TMC4671용 참조 설계
• TMC5240ATJ+T: 직렬 통신 인터페이스를 갖춘 스마트한 고성능 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC(TMC5072의 단축 버전)
• TMC4361A-LA-T: 스테퍼 모터 구동기용 동작 컨트롤러로, 빠르고 동작이 제한된 동작 프로파일 애플리케이션에서 S자형 램핑을 제공합니다.
• TMC2240ATJ-T: 스텝/방향 및 SPI 인터페이스를 갖춘 스마트 통합 스테퍼 구동기

결론

다양한 요인이 복합적으로 작용하여 많은 의료 테스트와 평가가 보다 현지화되고 빠른 응답이 가능한 PoC 모델로 전향하고 있습니다. AFE, 동작 제어, 인증과 같은 고집적 애플리케이션 중심 IC가 이러한 추세의 동력입니다. Analog Devices는 기술 및 규제 요구 사항을 충족하는 이러한 애플리케이션에 최적화된 다양한 고성능, 저전력 장치를 제공합니다. 또한 미래 지향적인 플랫폼에 필요한 유연성과 업그레이드 기능도 제공합니다.

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