18 ARM PARTNERS SUCCESS ARM PARTNERS SUCCESS 19

Success STORIESSTマイクロエレクトロニクス株式会社

さまざまな生体センサーを駆使して睡眠時の無呼吸を検出

今日は日本光電工業（以下、日本光電）の携

帯用無呼吸検査装置「SAS-3200」を持ってき

ていただきましたが、これは何をする装置で

すか？

根木：眠っている間に、10 秒以上の呼吸停止

を繰り返す病態を「睡眠時無呼吸症候群（SAS）」

と呼び、日本人の 2％程度がこういった症状

を持っているといわれています。単に一時的

に呼吸が止まるだけならいいのですが、高血

圧や動脈硬化を引き起こすといわれているほ

か、慢性的な睡眠不足から居眠り運転につな

がる恐れもあると指摘されています。たとえ

ば 2003 年に新幹線の運転士が居眠り運転を起

こしニュースでも取り上げられましたが、こ

の運転士はその後の検査で睡眠時無呼吸症候

群の持ち主であることが判りました。それ以

後、旅客や運送の関係者にとって大きな問題の

ひとつに挙げられています。この「SAS-3200」

は、センサーを体に装着した状態で被験者に一

晩寝てもらい、睡眠中に無呼吸症状が発生した

かどうかを調べる装置です。

日本人の 2％程度と聞くと自分も睡眠時無呼

吸症候群ではないだろうかと心配になってしま

いますが、さて「SAS-3200」はどのように使う

のでしょうか？

田口：睡眠時無呼吸症候群の検査装置には、

無呼吸や低呼吸を検出するための圧力や熱を感

知するセンサーを鼻腔付近、血液中に酸素がど

のくらい含まれているかを計測するためのセン

サーを指先、呼吸の努力の有無を検出するセン

サーを胸や腹に装着して睡眠中のセンサーの

データを「SAS-3200」で記録します。記録され

たデータから 1 時間当たりの無呼吸や低呼吸の

「エレクトロニクスで病魔に挑戦」をモットーに数多くの医療用電子機器を展開する日本光電工業。街角や施設などで目にすることの

多いオレンジ色のAED（自動体外式除細動器）でも有名だ。今回APSでは、数ある同社製品の中から、睡眠中に一時的に呼吸が止まる「睡

眠時無呼吸症候群」の簡易検査装置「SAS-3200」を取り上げる。単三電池 2 本で 24 時間以上の動作を実現するためと、生体信号を高

精度で処理するために、ARM Cortex-M3 プロセッサを搭載した ST マイクロエレクトロニクスの「STM32F103」を採用した。

進化を続けるSTマイクロエレクトロニクスの

STM32ファミリ注目を集めるメディカル分野でも実力を発揮

Success STORIESSTマイクロエレクトロニクス株式会社

回数を計測し、その値を参考にして被験者のそ

の後のより精密な検査や治療の必要性を医師が

判断することになります。

なかなか装着が大変そうですね。

田口：基本的には専門の病院で検査技師また

は看護師が扱うことを前提としています。

根木：弊社では、より簡便に睡眠時無呼吸検

査ができる「SAS-2100」という機種も販売して

います。睡眠時無呼吸は循環器疾患との関連が

あるということから、「SAS-3200」はホルター

心電図検査や呼吸努力の検出ができるように

なっているため、センサーが増えています。

ローパワーかつ32ビット演算対応を理由にARM Cortex-M3プロセッサを選択

「SAS-3200」の内部の作りについて教えてく

ださい。

田嶋：それでは私からハードウェアについて

説明します。「SAS-3200」には先ほど田口から

あったようにさまざまな生体センサーが接続

されています。まず、それらセンサーの出力信

号を増幅するアンプや余分な信号成分を取り

除くフィルタ回路で構成されるアナログ段が

あり、次にアナログデジタル変換器（A/D コン

バータ）を経由して、マイコンにデータを取り

込んで処理します。処理したデータは後処理

ができるように SD カードに記録します。単三

電池 2 本で 24 時間以上の動作を目標にしたた

め、消費電力をいかに抑えるかが課題でした。

生体信号は連続的にモニタしなければなりま

せんのでアナログ段は常に電源オンの状態に

し、その代わりマイコンは必要な処理をしたの

ちは速やかにスリープモードに移行させるな

どの工夫を行っています。マイコンには ARM

Cortex-M3 プロセッサを搭載した ST マイクロ

エレクトロニクス（以下、ST）の「STM32F103」

を採用しています。

マイコンはどのように選定したのですか？

田嶋：ひとつはスリープ状態から通常状態

に 切 り 替 わ る と き の 起 動 時 間 で す ね。 マ イ

コンのクロック源として水晶発振回路のみを

内蔵するタイプのマイコンでは、スリープか

らの水晶発振安定に十数 ms もかかるのですが、

STM32 シリーズは、RC 発振器を内蔵しており、

1ms を大幅に下回る起動時間であるため、無

駄な電力消費を抑えることができました。も

ちろん「STM32F103」は通常動作でも消費電

力が少ない点も評価しました。

根木：ARM Cortex-M3 プロセッサであれば

32 ビット演算ができるという点も採用理由の

ひとつです。低消費電力を謳う他社のマイコン

も検討したのですが、レジスタが 16 ビットし

かありません。生体信号はダイナミックレンジ

がとても広いので、フィルタ処理のような積和

演算を行おうとすると、16 ビットでは演算時間

がかかり、消費電力が増えてしまいます。

野田：この「SAS-3200」で日本光電様は当

社のマイコンを初めて採用されたのですが、海

外ベンダーに対するアレルギーはなかったの

ですか？

根木：私は、もともと国産・海外ベンダーも

含めて数種類のマイコンを使用してきたのです

が、国産マイコンベンダーの場合は、リスクの

高くない医療機器であることを理解していただ

くための手続きにかなり時間が必要だったと記

憶しています。日本光電は AED（自動体外式除

日本光電工業株式会社医療機器技術センタ

第四技術部次長

根木 潤 氏

測定画面例

携帯用無呼吸検査装置「SAS-3200」

も と ぎ

20 ARM PARTNERS SUCCESS ARM PARTNERS SUCCESS 21

細動器）を日本で作っている唯一のメーカーで

もあるのですが、AED となると国産ベンダーは、

より慎重な対応をしているようです。その点は

海外ベンダーのほうが融通が利くというか。

野田：そういったところは我々はフレキシブ

ルかもしれませんね。当社の場合も使用でき

ないアプリケーションがないとは言えません

が、個別にしっかりとお話をお聞きした上で、

お使い頂けるか判断しています。今回の「SAS-

3200」は弊社内のルールに照らして問題ないと

判断しています。

根木：それと ST の技術サポートですね。た

とえば大学でプログラミングの勉強をしたか

らといって、入社してすぐにマイコンを使える

かというと、そういう話にはなりません。や

はり開発環境の使い方を含めた習熟が必要で

す。新人たちのトレーニングを含めて野田さん

にはずいぶん助けてもらいました。

先ほど単三電池 2 本で 24 時間動作が要件と

ありましたが、消費電力はどのように見積もっ

たのですか？

田嶋：基本的な回路を設計し、基板を試作し

て、電池がどれぐらい持ちそうかというところ

をハードウェアチームで評価しました。その結

果、ST の「STM32F103」を間欠動作させること

で問題ないという結論を得ました。

事前のトレーニングを通じてスムーズな開発立ち上げを実現

ソフトウェアの開発はどのように進めたので

すか？

田口：ST のトレーニングでサンプルプログ

ラムの使い方などを学んでから開発に着手しま

した。私自身は ARM アーキテクチャを扱うの

は初めてだったのですが、開発環境に利用した

IAR システムズの「IAR Embedded Workbench」

の使い方を覚えるのに少し時間がかかったぐら

いで、とくに難しいという印象はなく、スムー

ズに取り組めたと思います。ソフトウェアとし

ては、OS にイー・フォースのμC3（マイクロ・

シー・キューブ）を使用しています。生体情報

の計測アルゴリズムなどは他の機器から移植し

ていますが、ほとんどの部分はゼロベースで開

発しました。

マイコンをスリープモードと通常モードで

切り替えながら使用するということで、決めら

れた時間内に処理を終えなければならない、と

いった課題にはどのように対応したのでしょ

うか？

田口：生体データのフィルタリング処理が

もっとも重いのですが、「STM32F103」は性能

的にまったく問題なく、規定の時間内に処理を

完了しています。最終データを SD カードに書

き込むところは、消費電力をできるだけ抑える

ために、書き込むデータサイズを大きくするな

どのチューニングをしています。

野田：ST では浮動小数点演算が可能な ARM

Cortex-M4 プロセッサを搭載した「STM32 F4」

シリーズも提供しているのですが、先ほどのア

ルゴリズム処理などは浮動小数点演算器があれ

ばさらに高速化できますか？

田口：今回の「SAS-3200」の場合はそこまで

の性能は要りませんが、別の製品では期待した

いところです。

根木：一部の医療機器には、たとえば DSP を

積んでフィルタリング処理をする場合もあるの

で、そういったアプリケーションには浮動小数

点がメリットになるかもしれませんね。

そのほか、開発で苦労した点はありますか？

田口：液晶ディスプレイの画面デザインに

は少し苦労しました。「SAS-3200」を使い慣れ

ていない医師や検査技師が見たときでも、一

目で状況が把握できなければならないからで

す。測定データを適切に表示しつつ、センサー

の装着不具合が検出された場合はその箇所と

エラーメッセージを表示するように、社内の

デザイン専門部署とやりとりをしながら画面

設計を進めていきました。

根木：たとえば夜間に看護師が巡回してセン

サーの外れが起きていないか確認できるように、

バックライトが消えている状態でも懐中電灯を

Success STORIESSTマイクロエレクトロニクス株式会社

当てて見えるような特殊なカラー液晶パネルを

使っています。医療従事者が使う製品ではそう

いった工夫が結構重要なんです。

アナログ回路も取り込んで進化するSTのSTM32ファミリ

ところでメディカル市場およびヘルスケア市

場は、エレクトロニクス業界をはじめとして多

くの業界から注目されていますね。

根木：厚生労働省は「セルフ・メディケー

ション」（健康の自己管理）を推進していますし、

人口分布の高齢化もありますから、医療機器に

求められる要件もこれから変わっていくことが

予想されます。また、参入障壁の低いヘルスケ

ア市場には、さまざまなメーカーが製品を投入

してくるでしょうね。

田嶋：そうした機器のハードウェアとしては、

バッテリで長時間動作するハンディタイプがひ

とつの流れとしてあるので、アナログ部分もデ

ジタル部分も、性能を維持しながら、消費電力

をいかに抑えていくかが課題になると思ってい

ます。

田嶋さんから低消費電力の話が出ましたが、

ST のローパワーに対する取り組みを聞かせて

ください。

野 田： 日 本 光 電 様 の「SAS-3200」の 開 発

スケジュールには間に合わなかったのですが、

ST では ARM Cortex-M3プロセッサを搭載し

ながらも消費電力を徹底的に抑えた「STM32

L1」シリーズを展開しています。今後は ARM

Cortex-M4 プロセッサや ARM Cortex-M0 プ

ロセッサを搭載したマイコンでも同様のローパ

ワー品を提供していく予定ですので、ぜひご検

討いただければと。

田 嶋： 消 費 電 力 が 鍵 と な る 製 品 に 対 し て

「STM32 L1」シリーズが効果的かどうかをすで

に検討しています。

ところでSTから新しい製品が出たそうですね。

野田：はい。これまで STM32 ファミリは、

ARM Cortex-M0 プロセッサを搭載した「STM32

F0」シリーズ、「SAS-3200」にも採用していた

だいた ARM Cortex-M3 プロセッサの「STM32

F1」シリーズ、同じく ARM Cortex-M3 プロセッ

サを搭載して動作周波数を高めた「STM32 F2」

シリーズ、ローパワーを志向した「STM32 L1」

シ リ ー ズ、ZigBee を 内 蔵 し た「STM32 W」シ

リーズ、ARM Cortex-M4 プロセッサを搭載し

たハイエンドの「STM32 F4」シリーズを展開

してきました。これらに加えて、2012 年 7 月に、

ΔΣ型 16 ビ ッ ト A/D コ ン バ ー タ や 5MSPS の

SAR 型 12 ビット A/D コンバータなどのアナロ

グ機能を充実させた「STM32 F3」シリーズを発

表しました。これにはコンパレータやオペアン

プ も 搭 載 さ れ て い ま す。 プ ロ セ ッ サ は ARM

Cortex-M4 ベースで浮動小数点演算も使えるた

め、デジタル信号処理に最適と考えています。

田嶋：それは面白そうですね。A/D コンバー

タのチャネル数など、詳しいスペックをあとで

教えてください。

マスではない組込み用途にこそベンダーの柔軟な対応力が不可欠

いい機会なので、ST になにかリクエストがあ

ればお願いします。

田嶋：細かい話になってしまいますが、「SAS-

3200」の場合では SDIO が 2 チャネル欲しかった

というのはあります。もっとも当社製品は数量

が出ないので、そういう要望を反映していただ

くのは難しいでしょうけれど。

野田：SDIO の 2 チャネル化は珍しいケース

とは思いますが、全世界にいらっしゃる弊社の

お客様の中にも同じニーズを持っておられる可

能性があるので、どんなご要望であってもおっ

しゃっていただければと思います。偶然、別の

お客様からも同じようなご要望をいただいてい

ますので、田嶋さんのご意見も社内で共有して

おきます。

田口：STM32 シリーズにはペリフェラルのい

ろいろなバリエーションはありますが、自分た

ちが本当に欲しい組み合わせが選べるといいか

なと思います。数が少ない私たちのような業界

のニーズにも対応してもらえると嬉しいなと。

究極は、ウェブ画面でペリフェラルをセレク

トして注文ボタンをクリックすると、一週間後

ぐらいに特注マイコンが手元に届く、みたいな

感じでしょうか。

田口：それはすばらしい（笑）。

野田：めちゃくちゃ値段が高くなりますよ

（笑）。

今回は ARM Cortex-M3 プロセッサを使って

携帯用無呼吸検査装置「SAS-3200」を開発さ

れたわけですが、今後の展望をお聞かせくだ

さい。

根木：ARMマイコンって使う側からすると選

択肢がものすごく広がるんですよ。こう言って

しまうと野田さんには申し訳ないんですが、自

分たちの製品に最適なマイコンをST以外のベン

ダーも含めて選べるようになったと。その意味

ではSTには常にいちばんいい製品を出し続けて

もらいたいなと思っています。あと、たとえば

プログラム実行と消費電力との関係がわかるよ

うに、マイコンベンダーには開発ツールベンダー

との連携を深めて欲しいですね。そうしたデバ

イスや環境を利用しながら、これからも優れた

医療機器を提供していきたいと考えています。

野田：そのときどきのマーケットでベストな

デバイスを的確に選択しているところに、日本

光電様が医療機器業界をリードしている理由の

ひとつがあるのではないかと感じます。今後も

私たち ST の製品をベストとして採用していた

だけるように、製品開発やサポートに努めてい

きたいと思っています。

本日はどうもありがとうございました。

Success STORIESSTマイクロエレクトロニクス株式会社

日本光電工業株式会社医療機器技術センタ第四技術部　技術課

田嶋 健一 氏

STマイクロエレクトロニクス株式会社MMSグループ

Microcontroller製品部アシスタントマネージャー

野田 周作 氏

日本光電工業株式会社医療機器技術センタ第四技術部　技術課

田口 剛 氏