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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
AN1525
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
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。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.
AN1525
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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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 2Q1
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
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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
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07/14/15