Pulse Oximeter Design Using Microchip’s Analog Devices and dsPIC Digital Signal Controllers (DSCs)

12 

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全文

(1)

AN1525

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。

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

(2)

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

(

2

参照

)。

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、

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。

1:

このルックアップ

テーブルはシステムの重要な部分

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。

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

---=

(3)

AN1525

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、

4

のタイミング

図に従って

LED を点滅させます。

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 220uS

(4)

AN1525

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。

LED の点灯中に 1 回ずつサンプリングを行い、両方

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

(

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。

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 RED

(5)

AN1525

6:

プログラム

フローチャート

Initialization Turn On/Off RED ĂŶĚ IR LEDs Alternately

Is 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

(6)

AN1525

(7)

AN1525

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 GND

Boost

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/RS

DAC

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,& NLWŒ6HULDO 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 J2

(8)

AN1525

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 3.3V

LED

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 E

Analog

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 B

(9)

AN1525

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

(10)

AN1525

(11)

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。

その他本書に記載されている商標は各社に帰属します。 © 2016, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: 978-1-5224-0631-0 Microchip 社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意ください。 • Microchip 社製品は、該当する Microchip 社データシートに記載の仕様を満たしています。 • Microchip 社では、通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合、Microchip 社製品のセキュリティ レベルは、現在市場に 流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています。 • しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解では、こうした手法 はMicrochip 社データシートにある動作仕様書以外の方法で Microchip 社製品を使用する事になります。このような行為は知 的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます。 • Microchip 社は、コードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し、対応策に取り組んでいきます。 • Microchip 社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コード保 護機能とは、Microchip 社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。 コード保護機能は常に進歩しています。Microchip 社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。Microchip 社の コード保護機能の侵害は、デジタル ミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作 物に不正なアクセスを受けた場合、デジタル ミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります。

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® DSCKEELOQ®コード

(12)

北米

本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 480-792-7200 Fax: 480-792-7277 技術サポート: http://www.microchip.com/ support URL: www.microchip.com アトランタ Duluth, GA Tel: 678-957-9614 Fax: 678-957-1455 オースティン、TX Tel: 512-257-3370 ボストン Westborough, MA Tel: 774-760-0087 Fax: 774-760-0088 シカゴ Itasca, IL Tel: 630-285-0071 Fax: 630-285-0075 クリーブランド Independence, OH Tel: 216-447-0464 Fax: 216-447-0643 ダラス Addison, TX Tel: 972-818-7423 Fax: 972-818-2924 デトロイト Novi, MI Tel: 248-848-4000 ヒューストン、TX Tel: 281-894-5983 インディアナポリス Noblesville, IN Tel: 317-773-8323 Fax: 317-773-5453 ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: 949-462-9523 Fax: 949-462-9608 ニューヨーク、NY Tel: 631-435-6000 サンノゼ、CA Tel: 408-735-9110 カナダ - トロント Tel: 905-673-0699 Fax: 905-673-6509

アジア

/ 太平洋

アジア太平洋支社 Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 オーストラリア - シドニー Tel: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755 中国 - 北京 Tel: 86-10-8569-7000 Fax: 86-10-8528-2104 中国 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889 中国 - 重慶 Tel: 86-23-8980-9588 Fax: 86-23-8980-9500 中国 - 東莞 Tel: 86-769-8702-9880 中国 - 杭州 Tel: 86-571-8792-8115 Fax: 86-571-8792-8116 中国 - 香港 SAR Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 中国 - 南京 Tel: 86-25-8473-2460 Fax: 86-25-8473-2470 中国 - 青島 Tel: 86-532-8502-7355 Fax: 86-532-8502-7205 中国 - 上海 Tel: 86-21-5407-5533 Fax: 86-21-5407-5066 中国 - 瀋陽 Tel: 86-24-2334-2829 Fax: 86-24-2334-2393 中国 - 深圳 Tel: 86-755-8864-2200 Fax: 86-755-8203-1760 中国 - 武漢 Tel: 86-27-5980-5300 Fax: 86-27-5980-5118 中国 - 西安 Tel: 86-29-8833-7252 Fax: 86-29-8833-7256

アジア

/ 太平洋

中国 - 厦門 Tel: 86-592-2388138 Fax: 86-592-2388130 中国 - 珠海 Tel: 86-756-3210040 Fax: 86-756-3210049 インド - バンガロール Tel: 91-80-3090-4444 Fax: 91-80-3090-4123 インド - ニューデリー Tel: 91-11-4160-8631 Fax: 91-11-4160-8632 インド - プネ Tel: 91-20-3019-1500 日本 - 大阪 Tel: 81-6-6152-7160 Fax: 81-6-6152-9310 日本 - 東京 Tel: 81-3-6880-3770 Fax: 81-3-6880-3771 韓国 - 大邱 Tel: 82-53-744-4301 Fax: 82-53-744-4302 韓国 - ソウル Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 または 82-2-558-5934 マレーシア - クアラルンプール Tel: 60-3-6201-9857 Fax: 60-3-6201-9859 マレーシア - ペナン Tel: 60-4-227-8870 Fax: 60-4-227-4068 フィリピン - マニラ Tel: 63-2-634-9065 Fax: 63-2-634-9069 シンガポール Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850 台湾 - 新竹 Tel: 886-3-5778-366 Fax: 886-3-5770-955 台湾 - 高雄 Tel: 886-7-213-7830 台湾 - 台北 Tel: 886-2-2508-8600 Fax: 886-2-2508-0102 タイ - バンコク Tel: 66-2-694-1351 Fax: 66-2-694-1350

ヨーロッパ

オーストリア - ヴェルス Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393 デンマーク - コペンハーゲン Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829 フランス - パリ Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 ドイツ - デュッセルドルフ Tel: 49-2129-3766400 ドイツ - カールスルーエ Tel: 49-721-625370 ドイツ - ミュンヘン Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 イタリア - ミラノ Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 イタリア - ヴェニス Tel: 39-049-7625286 オランダ - ドリューネン Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 ポーランド - ワルシャワ Tel: 48-22-3325737 スペイン - マドリッド Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91 スウェーデン - ストックホルム Tel: 46-8-5090-4654 イギリス - ウォーキンガム Tel: 44-118-921-5800 Fax: 44-118-921-5820

各国の営業所とサービス

07/14/15

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