AN1525Microchip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

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 FengMicrochip 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

2016 Microchip Technology Inc. DS00001525B_JP - p.1

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動作原理

パルス オキシメータは、酸素化ヘモグロビン (HbO2)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 (SpO2) 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。HbO2 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。SpO2 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SpO2 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_DCIR_AC_Vrms / IR_DC

---------------------------------------------------------------=

DS00001525B_JP - p.2 2016 Microchip Technology Inc.

AN1525

図 3: 校正曲線の例

回路の説明

この例で使う SpO2 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 %SpO2 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

SpO

2 (%

)

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

2016 Microchip Technology Inc. DS00001525B_JP - p.3

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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

SpO2 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 DataDisplay 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 25FIR 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 85 127

169

211

253

295

337

379

421

463

505

547

589

631

673

715

757

799

841

883

925

967

1009

1051

1093

1135

1177

1219

1261

1303

1345

1387

1429

1471

1513

1555

1597

1639

1681

1723

1765

1807

1849

1891

1933

1975

2017

2059

2101

2143

2185

2227

2269

2311

2353

2395

2437

IR

RED

DS00001525B_JP - p.4 2016 Microchip Technology Inc.

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図 6: プログラム フローチャート

Initialization

Turn On/Off RED IR LEDs

Alternately

Is the signal received from the probe valid?

Go to Sleep No

Are Red 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 RED Filtered AC Signals

Calculate SPO2 Pulse Rate

Main Loop

Display Result

Start

Timer 3 Interrupt Occurred Read RED DC AC Signal

Timer 2 Interrupt Occurred Read IR DC 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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NOTE:

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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

GND 2

VFB

4

VIN

6VO

UT

5

EN3

SW1

U2

GND

C1

C2

R1

R2

GND

GND

GND

GND

Boos

t Reg

ulator

Microco

ntroller - dsP

IC33

FJ12

8GP8

02

VCC 3.3V

AN0

AN1

PGC2

PGD2

RB0

/DB0

OC2/RED

RB1

/DB1

RB2

/DB2

RB3

/DB3

RB4

/DB4

RB5

/DB5

RB6

/DB6

RB7

/DB7

SCL1

SDA1

OC1/IR

RA2

/RW

RA3

/RS

RA4

/E

R6

R7

C5

C6

C7

C8

VCC 3.3V

GND

DAC

_B/RED

DAC

_A/IR

DAC

_C/DC O

FFSE

T

DAC

_D

SCL1SDA1

RB0

/DB0

RB1

/DB1

RB2

/DB2

RB3

/DB3

RB4

/DB4

RB5

/DB5

RB6

/DB6

RB7

/DB7

RA4

/ERA2

/RW

RA3

/RS

DAC

VCC 3.3V

GND

MCLR

R4

VCC 3.3V

GND

MCLR

R3

VCC 3.3V

C4

C9

GND

VCC 3.3V

MCLR

ICSP

VCC 3.3V

GND

VCC 3.3V

GND

C10

C11

S2

GNDC

12

PGD2

U1T

X

PGC2

TP1

U1T

X

GND

BT1

1 2 3 4 5 6

P1

1 2 3 4 5 6

P2

L1

VDD

1

SCL

2

SDA

3

nLDAC

4

RDY/nB

SY5

VOUTA

6

VOUTB

7

VOUTC

8

VOUTD

9

VSS

10

U3

123

S1

TP2

MCLR

1AN

0/VR

EF+/CN2/RA0

2

AN1/VR

EF-/C

N3/RA1

3

PGD1/EM

UD1/AN

2/C2IN-/R

P0/CN4/RB0

4

PGC1/EM

UC1/AN

3/C2IN+/RP1

/CN5/RB1

5

AN4/C1IN-/R

P2/CN6/RB2

6

AN5/C1IN+/RP3

/CN7/RB3

7

VSS

8

OSC

1/CLK

I/CN30

/RA2

9

OSC

2/CLK

O/CN29

/PMA0

/RA3

10

SOSC

I/RP4

/CN1/PM

BE/RB4

11

SOSC

O/T1C

K/CN0/PM

A1/RA4

12VD

D13

PGD3/EM

UD3/AS

DA1

/RP5

/CN27

/PMD7/RB5

14

PGC3/EM

UC3/AS

CL1

/RP6

/CN24

/PMD6/RB6

15

INT0

/RP7

/CN23

/PMD5/RB7

16

TCK/SC

L1/RP8

/CN22

/PMD4/RB8

17

TDO/SDA1

/RP9

/CN21

/PMD3/RB9

18

VSS

19

VCAP

/VDDCORE

20

PGD2/EM

UD2/TD

I/RP1

0/CN16

/PMD2/RB1

021

PGC2/EM

UC2/TM

S/RP1

1/CN15

/PMD1/RB1

122

AN12

/DAC

1RP/RP1

2/CN14

/PMD0/RB1

223

AN11

/DAC

1RN/RP1

3/CN13

/PMRD/RB1

324

AN10

/DAC

1LP/RTC

C/RP1

4/CN12

/PMWR/RB1

425

AN9/DAC

1LN/RP1

5/CN11

/PMCS1

/RB1

526

AVSS

27

AVDD

28

U1

C3

TP9

TP10

TP11

TP8

MCLR

ICSP

RB1

4

RB1

4VS

S1

VDD

2NC

3RS

4R/W

5EN

6DB0

7DB1

8DB2

9DB3

10DB4

11DB5

12DB6

13DB7

14LE

D+

15LE

D-

16LC

D1

GND

GND

BT+

BT+

GND

R17

C18

GND

11

22

33

44

55

66

77

88

99

1010

1111

1212

1313

1414

1515

1616

J2

2016 Microchip Technology Inc. DS00001525B_JP - p.7

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

MMBT

2222

DAC

_B/RED

Q2

MMBT

2222

10 Ohm

R10

10 Ohm

R11

5.1K

R9

5.1K

R8

GND

OC2/RED

OC1/IR

GND

VCC 3.3V

100

R12

100

R13

GND

DAC

_A/IR

VCC 3.3V

LED Driv

er DB9

-3/RED

DB9

-2/IR

AN1

220K

R15

22pF

C16

10K

R5

VCC 3.3V

100K

R14

10pF

C15

AN0

0.1uF

C14

DAC

_C/DC O

FFSE

T

DB9

-9/CAT

HODE

Analog

Signa

l Con

ditio

ning

Con

nect to

SpO

2 Se

nsor

DB9

Fem

ale Con

nector

12345 6789

1110

J1 D Co

nnector 9

GND

GND

DB9

-9/CAT

HODE

DB9

-3/RED

DB9

-2/IR

0.1uF

C13

GND

TP6

TP7

TP4

TP3

V+1

NO1

2

COM1

3

IN1

4

NC1

5

NO2

10

COM2

9

IN2

8

NC2

7

GND

6

U4

ADG8

84BR

MZ Dual SPD

T

DB9

-5/Ano

de

TP5

1uF

C17

2.7K

R16

GND

GND

GND

GND

DB9

-5/Ano

de

SPO2 SE

NSO

R

+A3

-A2

OUTA

1

+A-A

OUTA

AA

A

VSS 4VDD8

MCP6002

U5A

+B5

-B6

OUTB

7

+B-B

OUTB

BB

B

VSS 4VDD8

MCP6002

U5B

DS00001525B_JP - p.8 2016 Microchip Technology Inc.

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

2016 Microchip Technology Inc. DS00001525B_JP - p.9

AN1525

NOTE:

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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。

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。

2016 Microchip Technology Inc.

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、SSTLogo、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 SerialProgramming、ICSP、Inter-Chip Connectivity、KleerNet、KleerNetlogo、MiWi、motorBench、MPASM、MPF、MPLAB Certified logo、MPLIB、MPLINK、MultiTRAK、NetDetach、Omniscient CodeGeneration、PICDEM、PICDEM.net、PICkit、PICtail、RightTouchlogo、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 MicrochipTechnology 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 MicrochipTechnology Inc. の登録商標です。

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07/14/15