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はじめに
パルス オキシメータは血中の酸素飽和度と心拍数を
監 視 す る 非 侵 襲 性 の 医 療 機 器 で す。本 書 で は、
Microchip 社のアナログデバイスと dsPIC
®デジタル
シグナル
コントローラ (DSC) を使った高精度パルス
オキシメータの実装について解説します。
図
1:
機能ブロック図
著者
:
Zhang Feng
Microchip Technology Inc.
DC Offset ADC1 Microcontroller Photodiode IR Red DAC Computer, WiFi® or Bluetooth® I2C™ I/O UART PWM1 Transimpedance Amplifier Gain Stage Amplifier ADC0 Analog Signal Conditioning
LED Current Control Analog Switch LED On/Off LED Driver PWM2 Highpass Filter LCD
Microchip 社のアナログデバイスと dsPIC
®
デジタルシグナル
コントローラ
(DSC) を使ったパルス オキシメータの設計
AN1525
動作原理
パルス
オキシメータは、酸素化ヘモグロビン (HbO
2)
と脱酸素化ヘモグロビン
(Hb) の赤色光 ( 波長 : 600 ～
750 nm) および赤外光 ( 波長 : 850 ～ 1000 nm) 吸収特性
に基づいて血中の酸素飽和度
(SpO
2) を監視します。
パルス
オキシメータは、指を通してフォトダイオード
に赤色光と赤外光を交互に照射します。
HbO
2は赤外
光を多く吸収し、赤色光を多く透過します。一方、Hb
は赤色光を多く吸収し、赤外光を多く透過します。
フォトダイオードは、それぞれの
LED からの透過光を
受け取ります。この信号は反転オペアンプで反転され
ます。従って、その結果は指によって吸収された光を
表します
(
図
2
参照
)。
図
2:
オシロスコープで捉えたリアルタイムの赤色および赤外
(IR) 脈拍信号
計測された赤色および赤外信号のパルス振幅
(Vpp) を
Vrms に変換する事で、
式
1
で与えられる比が求まり
ます。
SpO
2は、この比と経験式から作ったルック
アップ テーブルを使って求めます。心拍数は、ADC
(Analog-to-Digital Converter) のサンプル数とサンプ
リング レートに基づいて計算します。
式
1:
このルックアップ
テーブルはシステムの重要な部分
の
1 つです。ルックアップ テーブルは、特定のオキシ
メータ設計に固有のものです。通常、健常被験者の各種
SpO
2レベルの計測から求めた校正曲線に基づいてい
ます。
図
3
に、校正曲線の例を示します。
Red Pulsation Signal
IR Pulsation Signal
Ratio
Red_AC_Vrms / Red_DC
IR_AC_Vrms / IR_DC
---=
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図
3:
校正曲線の例
回路の説明
この例で使う
SpO
2プローブは赤色
LED、赤外 (IR)
LED、フォトダイオードを組み込んだ Nellcor
®互換指先
クリップタイプのプローブです。
これらの
LED は LED
ドライバ回路で制御します。指を透過した赤色光と
赤外光は信号コンディショニング回路で検出された後、
マイクロコントローラの
12 ビット ADC モジュールに
入力され
%SpO
2が計算されます。
LED ドライバ回路
マイクロコントローラからの
2 つの PWM 信号で駆動
するデュアル
SPDT アナログスイッチが赤色 LED と
赤外
LED を交互に点滅させます。適切な数の ADC
サンプルを収集し次の
LED点灯の前にデータを処理す
るのに十分な時間を確保するため、
図
4
のタイミング
図に従って
LED を点滅させます。
図
4:
タイミング図
LED の電流 / 輝度は、マイクロコントローラで駆動する
12 ビット DAC (Digital-to-Analog Converter) で制御し
ます。
0
20
40
60
80
100
0.4
1
2
3.5
Sp
O2 (%
)
Ratio
Sample Calibration Curve
g
IR_off 1780uS RED_on 220uS RED_off 1780uS 320uS Read ADC Read ADC Read ADC Processing data IR_on 220uSAN1525
アナログ信号コンディショニング回路
信号コンディショニング回路には
2 段あります。1 段目
はトランス
インピーダンス アンプで、2 段目はゲイン
アンプです。その間にはハイパスフィルタを配置して
います。
トランス
インピーダンス アンプ
トランス
インピーダンス アンプは、フォトダイオード
が発生した数
μA の電流を数 mV に変換します。
ハイパスフィルタ
1 段目のアンプから出力された信号は、背景光の干渉
を少なくするためのハイパスフィルタを通過します。
ゲインアンプ
ハイパスフィルタの出力は、
22 倍のゲインと 220 mV の
オフセットを持つ
2 段目のアンプに送られます。この
アンプのゲインとオフセットの値は、ゲインアンプの
出力信号レベルがマイクロコントローラの
ADC レンジ
内に適切に収まるように設定されています。
デジタルフィルタの設計
ア ナ ロ グ 信 号 コ ン デ ィ シ ョ ニ ン グ 回 路 の 出 力 は、
dsPIC DSC の ADC モジュールに接続されています。
各
LED の点灯中に 1 回ずつサンプリングを行い、両方
の
LED が消灯中に 1 回サンプリングを行います。
ADC データをフィルタ処理するため、dsPIC DSC が
備えている強力なデジタル信号処理(DSP) エンジンを
使ってデジタルFIRバンドパス フィルタを実装してい
ます。フィルタ処理したデータは、パルス振幅を計算
するのに使います。デジタルフィルタのコードは、
Microchip 社のデジタルフィルタ設計ツールを使って
生成します。
接続性
SpO
2および心拍数データは、PICkit™ シリアル アナ
ライザを使ってUARTポート経由でコンピュータに送る
事ができます。シリアルポート設定は
115200-8-N-1-N
です。心拍信号は、
Microchip 社の Generic Serial Data
Display GUI 等のアプリケーションを使うと図示でき
ます
(
図
5
参照
)。
データを
UART ポート経由で Wi-Fi
®または
Bluetooth
®モジュールに送る事もできます。
図
5:
心拍信号の表示波形
FIR バンドパス フィルタの仕様
サンプリング周波数
(Hz): 500
通過帯域周波数
(Hz): 1 または 5
阻止帯域周波数
(Hz): 0.05 または 25
FIR ウィンドウ : Kaiser
通過帯域リップル
(-dB): 0.1
阻止帯域リップル
(-dB): 50
フィルタ長
513
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1 43 85 12 7 16 9 21 1 25 3 29 5 33 7 37 9 42 1 46 3 50 5 54 7 58 9 63 1 67 3 71 5 75 7 79 9 84 1 88 3 92 5 96 7 10 09 10 51 10 93 11 35 11 77 12 19 12 61 13 03 13 45 13 87 14 29 14 71 15 13 15 55 15 97 16 39 16 81 17 23 17 65 18 07 18 49 18 91 19 33 19 75 20 17 20 59 21 01 21 43 21 85 22 27 22 69 23 11 23 53 23 95 24 37 IR REDAN1525
図
6:
プログラム
フローチャート
Initialization Turn On/Off RED ĂŶĚ IR LEDs AlternatelyIs the signal received
from the probe valid? Goto Sleep
No
Are Red ĂŶĚ IR ADC Data Ready? Adjust DAC to Calibrate IR LED Yes No Yes Adjust DAC to Calibrate Red LED
FIR Bandpass Digital Filtering
Find MaxMin of IR ĂŶĚ RED Filtered AC Signals
Calculate SPO2 ĂŶĚ Pulse Rate
Main Loop
Display Result Start
Timer 3 Interrupt Occurred Read RED DC ĂŶĚ AC Signal
Timer 2 Interrupt Occurred Read IR DC ĂŶĚ AC Signal
Read DC Baseline Signal after Timer3 Interrupt before Timer2 Interrupt From Interrupts Is Red ADC Data Ready? Yes Is IR ADC Data Ready? Yes
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補遺
A:
回路図
この補遺には
Microchip 社のパルス オキシメータの
回路図を示します。
シート
1:
Microchip 社パルス オキシメータ デモボード回路図 1
0&3 7,& + < GND 2 VFB 4 VIN 6 V OUT 5 EN 3 SW 1 U2 GND X) C1 X) C2 . R1 . R2 GND GND GND GNDBoost
Regulator
M
icrocontroller
dsPIC33FJ128GP802
VC C 3.3V AN 0 AN 1 P GC2 P GD2 R B 0/DB0 O C 2/RE D R B 1/DB1 R B 2/DB2 R B 3/DB3 R B 4/DB4 R B 5/DB5 R B 6/DB6 R B 7/DB7 SC L1 SD A1 OC1 /I R R A 2/RW R A 3/RS RA 4 /E . R6 . R7 Q) C5 Q) C6 Q) C7 Q) C8 VC C 3.3V GND D A C _ B/RED D A C _ A/IR D A C _ C/DC OFFSE T DA C_ D SCL1 SDA1 R B 0/DB0 R B 1/DB1 R B 2/DB2 R B 3/DB3 R B 4/DB4 R B 5/DB5 R B 6/DB6 R B 7/DB7 RA4 /E R A 2/RW R A 3/RSDAC
VC C 3.3V GND MC L R . R4 VC C 3.3V GND MC L R R3 VC C 3.3V X) C4 X) C9 GND VC C 3.3V MC L R IC SP VC C 3.3V GND VC C 3.3V GND X) C1 0 X) C1 1 S2 0&/5B Q GND X) C1 2 P GD2 PGC2 U1TX TP 1 U1TX GND BT 1 %DWWHU\9[$$$ 1 2 3 4 5 6 P1 ,&63 P2 1 2 3 4 5 6 3,& NLW6HULDO L1 VD D 1 SC L 2 SD A 3 nLDAC 4 R D Y /nBS Y 5 V OUTA 6 V OUTB 7 V OUTC 8 V OUTD 9 VS S 10 U3 0& 3 06 2 3 1 2 3 S1 TP 2 MC L R 1 AN 0/ V R EF+/C N 2 /R A 0 2 AN 1/VR EF-/C N3/RA1 3 PG D 1 /EM U D 1/AN 2/C 2IN-/R P 0/CN4/ RB 0 4 PG C 1 /E M U C 1/AN 3/C 2IN+ /RP1/CN 5/RB 1 5 AN 4/C1IN -/RP2/CN 6/R B2 6 AN 5/C1IN + /RP3/ CN 7/R B3 7 VS S 8 O S C 1 /CLKI/C N30/R A2 9 O S C 2 /CLKO /CN 2 9 /PM A0/RA3 10 SO S C I/RP4/CN 1/PM B E/RB4 11 S O SC O/ T1 CK /C N 0 /P M A 1 /R A 4 12 VD D 13 PG D 3 /EM U D 3/ASD A1/RP5/CN 2 7/PM D 7/R B5 14 PG C 3 /EM U C 3/ASC L1/R P6/C N24/PM D 6 /RB6 15 INT 0/R P7/CN23/PM D5/RB7 16 T C K/ SC L1/R P8/C N22/PM D 4 /RB8 17 T D O /SD A1/RP9/CN 2 1 /PM D3/RB9 18 VS S 19 VC AP /VD D C O R E 20 PG D 2 /E M U D 2/T D I/RP10/C N16/ P M D 2 /RB10 21 PG C 2 /EM U C 2/T M S /R P11/C N15/PM D 1/R B11 22 AN 12/DA C 1R P/RP12/CN 1 4 /PM D0/RB 1 2 23 AN 11/DA C 1R N/ R P 13/ CN 13/PM R D/ R B 13 24 AN 1 0/DA C 1 L P /R T C C /RP 14/ C N 12/ PM WR/ RB 14 25 AN 9/DAC 1 L N /RP15/CN11/PM C S 1/RB 1 5 26 AV SS 27 AV DD 28 U1 '6 3,&)-*3,62 X) C3 TP 9 TP 1 0 TP 1 1 TP 8 MC L R IC SP RB 1 4 RB 1 4 1+'+= )6:)%:9& VS S 1 VD D 2 NC 3 RS 4 R/ W 5 EN 6 DB 0 7 DB 1 8 DB 2 9 DB 3 10 DB 4 11 DB 5 12 DB 6 13 DB 7 14 LED + 15 LED -16 LCD1 GND GND BT + BT + GND '13 R1 7 C1 X) 8 GND 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 J2AN1525
シート
2:
Microchip 社パルス オキシメータ デモボード回路図 2
Q1 MMBT2222 D A C _ B/RED Q2 M M BT2222 10 Ohm R1 0 10 Ohm R1 1 5.1K R9 5.1K R8 GND O C 2/RE D OC1 /I R GND VC C 3.3V 100 R1 2 100 R1 3 GND D A C _A/IR VC C 3.3VLED
Driver
D B 9-3/RE D DB 9 -2 /I R AN 1 220K R1 5 22pF C1 6 10K R5 VC C 3.3V 100K R1 4 10pF C1 5 AN 0 0.1uF C1 4 D A C _C/DC OFFSE T D B 9-9/CA T H O D EAnalog
Signal
Conditioning
C onn ect to SpO 2 Sensor DB 9 F e m ale C o nne ctor 1 2 3 4 5 9 8 7 6 11 10 J1 D Connecto r 9 GND GND DB 9 -9 /C ATHOD E D B 9-3/RE D DB 9 -2 /I R 0.1uF C1 3 GND TP 6 TP 7 TP 4 TP 3 V+ 1 NO1 2 COM 1 3 IN 1 4 NC 1 5 NO2 10 COM 2 9 IN 2 8 NC 2 7 GND 6 U4 ADG 884BR M Z Dual SPDT D B 9-5/Anode TP 5 1uF C1 7 2.7K R1 6 GND GND GND GND D B 9-5/Anode SP O 2 SEN SO R +A 3 -A 2 OUTA 1 +A -A OUTA A A A VSS 4 VDD 8 M CP 6002 U5 A +B 5 -B 6 OUTB 7 +B -B OUTB B B B VSS 4 VDD 8 M CP 6002 U5 BAN1525
補遺
B:
医療向けデモの警告、制限、
免責条項
このデモは評価と開発のみを目的としたものです。
医療診断を目的としたものではありません。
補遺
C:
参考文献
AN1494『MCP6491 オペアンプを利用した光検出アプリ
ケーション』
、Microchip 社、DS01494_JP、2013 年
AN1525
本書に記載されているデバイス アプリケーション等に関する 情報は、ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであ り、更新によって無効とされる事があります。お客様のアプ リケーションが仕様を満たす事を保証する責任は、お客様に あります。Microchip 社は、明示的、暗黙的、書面、口頭、法 定のいずれであるかを問わず、本書に記載されている情報に 関して、状態、品質、性能、商品性、特定目的への適合性を は じ め と す る、い か な る 類 の 表 明 も 保 証 も 行 い ま せ ん。 Microchip 社は、本書の情報およびその使用に起因する一切の 責任を否認します。生命維持装置あるいは生命安全用途に Microchip 社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとし、 また購入者はこれによって発生したあらゆる損害、クレーム、 訴訟、費用に関して、Microchip 社は擁護され、免責され、損 害を受けない事に同意するものとします。暗黙的あるいは明 示的を問わず、Microchip 社が知的財産権を保有しているライ センスは一切譲渡されません。 商標
Microchip 社の名称とロゴ、Microchip ロゴ、dsPIC、FlashFlex、 flexPWR、JukeBlox、KEELOQ、KEELOQlogo、Kleer、 LANCheck、MediaLB、MOST、MOST logo、MPLAB、OptoLyzer、 PIC、PICSTART、PIC32 logo、RightTouch、SpyNIC、SST、SST Logo、SuperFlash および UNI/O は米国およびその他の国に おけるMicrochip Technology Incorporated の登録商標です。 Embedded Control Solutions Company、mTouch は米国に おけるMicrochip Technology Incorporated の登録商標です。 Analog-for-the-Digital Age、BodyCom、chipKIT、chipKIT logo、 CodeGuard、dsPICDEM、dsPICDEM.net、ECAN、In-Circuit Serial Programming、ICSP、Inter-Chip Connectivity、KleerNet、KleerNet logo、MiWi、motorBench、MPASM、MPF、MPLAB Certified logo、 MPLIB、MPLINK、MultiTRAK、NetDetach、Omniscient Code Generation、PICDEM、PICDEM.net、PICkit、PICtail、RightTouch logo、REAL ICE、SQI、Serial Quad I/O、Total Endurance、 TSHARC、USBCheck、VariSense、ViewSpan、WiperLock、 Wireless DNA、および ZENA は米国およびその他の Microchip Technology Incorporated の商標です。
SQTP は米国における Microchip Technology Incorporated の サービスマークです。
Silicon Storage Technology は他の国における Microchip Technology Inc. の登録商標です。
GestIC は Microchip Technology Inc. の子会社である Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 社の他の国における 登録商標です。
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Microchip社では、ChandlerおよびTempe (アリゾナ州)、Gresham (オレゴン州)の本部、設計部およびウェハー製造工場そしてカリ フォルニア州とインドのデザインセンターがISO/TS-16949: 2009認証を取得しています。Microchip社の品質システムプロセス および手順は、PIC® MCUおよびdsPIC® DSC、KEELOQ®コード
