Principles of Biomedical Instrumentation（生体医用計測の原理）

引用

Webb, A. G. (2018). Principles of Biomedical Instrumentation. Cambridge University Press.

章の要約

本書は Cambridge Texts in Biomedical Engineering シリーズの一冊で、全9章、約320ページからなる。巻末に用語集があり、無線埋込み機器の章と安全性の章には、それぞれ参照規格や方針文書をまとめた付録が付く。著者はライデン大学医療センターで高磁場MRIセンターを率いている。序文は本書の方針を説明している。市場にある数千の機器のうち詳しく扱えるのはごく一部なので、どの機器にも同じ問いで迫る。どのような臨床的測定が必要で、その背後にどんな病態生理があるのか。信号の大きさ、周波数、帯域幅はどうか、どの干渉信号を抑えなければならないか。機器はどんな仕様を満たすべきで、それを満たすためにどう設計するか。生体適合性と電気的安全性はどう試験するか。もう一つのテーマはモバイルヘルスで、機器が患者の自宅で動作し、データを無線で医師に送る。それに伴う、信号処理能力、小型化、電池寿命のトレードオフも扱われる。

第1章：生体医用計測機器とデバイス

機器の分類、設計が構想から臨床機器へ進む流れ、規制、適用されるISOとIECの安全規格と生物学的試験、新しい機器の評価を手短に概観する。IEEE Pulse に掲載されたポール・キングの書評によれば、この章では機器のリコール統計が示され、故障モード影響解析（FMEA）が紹介される。

第2章：センサとトランスデューサ

微小電気機械システム（MEMS）とその雑音を導入したあと、五種類のセンサをそれぞれ機器の例とともに扱う。生体電位電極（電圧）、パルスオキシメータ（光学）、変位・圧力センサ（抵抗式、圧電式、静電容量式、誘導式のトランスデューサを含み、使い捨て血圧モニタが例）、血糖モニタ（化学）、補聴器用マイクロホン（音響）である。各例は設計の前に臨床上の必要性から始まる。

第3章：信号のフィルタリングと増幅

ボード線図、一次および高次の受動フィルタ、共振回路、演算増幅器と計装増幅器、能動フィルタ（バターワース、チェビシェフ、サレン–キー）、回路の雑音を扱う。最後に、第2章で登場したパルスオキシメータと血糖センサの信号処理回路を設計する。

第4章：データ収集と信号処理

サンプリングとエイリアシング、ダイナミックレンジと量子化雑音、アナログ–デジタル変換器の回路要素、主要な変換器のアーキテクチャ（フラッシュ型、逐次比較型、パイプライン型、オーバーサンプリング型とデルタシグマ変換）を扱う。パルスオキシメータと血糖計のために市販の変換器の仕様が選ばれる。最後の節では生体信号を分類し、フーリエ変換、相互相関、低SN比データへの対処法を紹介し、心拍出量測定と脳波の例を示す。

第5章：心電図

心臓の電気的活動、電極の配置と12誘導の構成、続いて心電図システムの設計（同相信号とその低減、電極外れの検出、フィルタリングとサンプリング）を扱う。さらに自動診断（グラスゴー・アルゴリズム）、異常な記録とその臨床的解釈、虚血を検出するための運動負荷心電図、高周波心電図解析へと進む。

第6章：脳波

脳のシナプス後電位がどのように頭皮上の信号を生むか、脳波の電極と増幅器、正常なリズムを扱う。臨床応用として、てんかんと、バイスペクトラルインデックスによる麻酔深度のモニタリングを取り上げる。章の最後は、意思伝達や神経補綴のためのブレイン・コンピュータ・インタフェースと、信号源の推定である。

第7章：デジタル補聴器

もっとも詳しい機器の章。聴覚系と難聴の原因、補聴器の形式と構成部品、マイクロホンと指向性処理、そしてデジタル信号処理についての長い節（ハウリングと雑音の抑制、圧縮、周波数低下）がある。レシーバ、電池、無線接続と両耳装用、KEMARマネキンを用いた評価も扱う。

第8章：モバイルヘルス、ウェアラブルヘルス技術、無線埋込み機器

スマートフォンのアプリとウェアラブルモニタを扱い、続いて体内を通したデータ伝送を含む無線埋込み機器の設計に進む。例として心血管植込み型電子機器、持続血糖モニタ、緑内障のための埋込み型圧力センサを取り上げ、パッケージングで締めくくる。付録には無線埋込み技術に関する規格が挙げられている。

第9章：生体医用計測機器とデバイスの安全性

電流の生理学的影響、病院の電源設備、マクロショック、ミクロショック、漏れ電流とそれらへの防護、機器のクラスと形式、安全試験を扱う。続いて埋込み機器（細胞毒性や血液適合性などの生体適合性試験、電磁的安全性、臨床研究）を取り上げ、MRI装置の中で使える機器の設計で終わる。

主要概念

第1–4章：構成要素

• 機器の分類と規制：規制当局と製造業者が用いる分類の枠組みと、構想から臨床機器までの段階。
• トランスデューサ：生理的な量を電気信号に変換するセンサ。電極からMEMS圧力センサまで。
• 計装増幅器と能動フィルタ：微小な生体信号を増幅し、干渉を除去する回路。
• ADCのアーキテクチャ：分解能とサンプリング速度をめぐる変換器設計間のトレードオフ。

第5–7章：機器の章

• 同相除去：心電図の両電極に共通する干渉を取り除くことで、心電図システム設計の中心となる。
• バイスペクトラルインデックス：脳波から導かれ、麻酔深度のモニタリングに使われる指標。
• 補聴器の信号処理：低消費電力チップ上でのハウリング抑制、指向性、雑音抑制、圧縮。

第8–9章：無線機器と安全性

• 無線埋込み機器：体内を通して外部の受信機にデータを送る埋込み機器。
• マクロショックとミクロショック：身体を通る、あるいは心臓に直接流れる危険な電流と、それを防ぐ設計上の対策。
• 生体適合性試験：埋込み材料が合格しなければならない生物学的試験。

批判的分析

長所

• すべての機器に同じ方法を適用。 臨床上の必要性から信号の特性、仕様、設計、安全性へと進む序文の一連の問いは、どんな計測機器の学習にも応用できる方法である。
• 章をつなぐ一貫した例。 パルスオキシメータはセンサ（2.3節）、信号処理（3.6.1節）、変換（4.5.1節）と追跡され、血糖センサも同様である。キングはこの点を特に有用だと評価しており、第2章で出会ったセンサが後の章で再び登場するからだとしている。
• 現代的な機器。 デジタル補聴器、モバイルヘルス、無線埋込み機器の章と、MRI対応設計についての最後の節は、序文が述べる在宅モニタリングと埋込み機器への移行を反映している。キングは本書を簡潔で図が豊富だと評し、各章末に参考文献と問題があり、教員向けの解答集があることも挙げている。
• 本文の外に広がる問題。 序文によれば、第2–4章の問題は回路解析の力を試し、一部は短いプログラムの作成を求める。一方、第5–9章の問題は、本書で扱わない機器を調べたり、機器の故障事例を検討したりすることを学生に求める。

短所

• 扱う範囲は限定的。 詳しく扱われるのは心電図、脳波、補聴器、いくつかの埋込み機器だけである。キングは、放射線医学、臨床化学分析装置、その他の機器が含まれていないと指摘している。血圧、血流、呼吸の測定はセンサの例として出てくるにとどまる。
• 実習の要素がない。 キングは、データ収集の実践的な実習課題を加えることが有益だろうと述べている。
• 回路の知識が前提。 本書は2年次レベルの回路と信号処理を前提とし、キングは第3章について事前の履修を勧めている。その素地がない学生には第3–4章の進み方は速く感じられるだろう。
• 簡潔さ。 キングは本書を約2単位の授業に適したものと判断している。より長い授業には別の教科書が必要になる。

コースにおける位置づけ

クリスティーの Introduction to Biomedical Instrumentation は、病院の機器を保守する人の視点からブロック図のレベルで概観する平易な本で、回路の素地がない学生や、Webb の臨床面の副読本に向いている。Webb は回路と設計のレベルでの入門書である。ウェブスターとニムンカーの Medical Instrumentation: Application and Design は、Webb の序文が古典的教科書と呼ぶ本で、同じ構成要素に加えてはるかに多くの測定（血圧と血流、呼吸、血液化学、治療機器）を扱う。次に読む本として自然であり、より長い授業ではこれを主教科書にし、Webb を簡潔な最初の読み物とすることもできる。

特定の段階を深めるには、ノースロップの Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation が第3章のアナログ電子回路を雑音に重点を置いて大学院レベルで扱い、戸川（Togawa）、田村、エーベリの Biomedical Sensors and Instruments は測定量ごとに整理された参考書として第2章を発展させる。コボルドの Transducers for Biomedical Measurements は、ずっと古い（1974年）トランスデューサの原理の解説である。

本書の使い方

本書は生体医工学や電気工学の2年次または3年次の学部生向けである。序文は2年次レベルの回路と信号処理を前提とし、臨床の知識は前提としないが、解剖学の基礎的な授業は役に立つとしている。第3章の前に回路の基礎科目を履修しておくことは欠かせない。

実践的な計画：

• 中核： 第1–4章を順に読み、回路の問題を解く。パルスオキシメータと血糖計の例を章をまたいで追い、それぞれの信号経路全体を図に描く。
• 機器の章： すべての構成要素を使う第5章（心電図）が最初の応用として自然である。次に授業に応じて第6–8章から選ぶ。実際の製品におけるデジタル信号処理を学ぶなら第7章である。
• 安全性： 第9章は省略すべきではない。第1章の規制と安全性の内容と組み合わせて読むとよい。

第5–9章の自由度の高い問題は小さな調査課題として使い、本書が扱わない計測機器についてはウェブスターとニムンカーを使うとよい。授業に実習があれば、第3章の増幅器とフィルタの回路を実際のセンサと組み合わせて製作・試験するとよい。