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

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1 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 著者 : Zhang Feng Microchip Technology Inc. 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 : 機能ブロック図 LED On/Off PWM PWM LED Driver Analog Signal Conditioning Microcontroller Analog Switch IR Red Photodiode Transimpedance Amplifier Highpass Filter DC Offset Gain Stage Amplifier ADC0 ADC LED Current Control DAC I C LCD I/O Computer, WiFi or Bluetooth UART 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.

2 動作原理 パルスオキシメータは 酸素化ヘモグロビン (HbO ) と脱酸素化ヘモグロビン (Hb) の赤色光 ( 波長 : 00 ~ 0 nm) および赤外光 ( 波長 : 0 ~ 000 nm) 吸収特性に基づいて血中の酸素飽和度 (SpO ) 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 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 参照 ) 図 : 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 Red Pulsation Signal IR Pulsation Signal 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 で与えられる比が求まります SpO 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 このルックアップテーブルはシステムの重要な部分の 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 レベルの計測から求めた校正曲線に基づいています 図 に 校正曲線の例を示します 式 : Ratio = Red_AC_Vrms / Red_DC IR_AC_Vrms / IR_DC DS0000B_JP - p. 0 Microchip Technology Inc.

3 図 : 校正曲線の例 00 Sample Calibration Curve 0 SpO (%) Ratio 回路の説明 この例で使う SpO 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 ビット ADC モジュールに入力され %SpO 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 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 のタイミング図に従って LED を点滅させます 図 : g タイミング図 Read ADC Read ADC RED_on 0uS 0uS Read ADC RED_off 0uS Processing data IR_on 0uS IR_off 0uS LED の電流 / 輝度は マイクロコントローラで駆動する ビット DAC (Digital-to-Analog Converter) で制御します 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.

4 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 段あります 段目はトランスインピーダンスアンプで 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 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 倍のゲインと 0 mv のオフセットを持つ 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 回ずつサンプリングを行い 両方の LED が消灯中に 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 FIR バンドパスフィルタの仕様サンプリング周波数 (Hz): 00 通過帯域周波数 (Hz): または 阻止帯域周波数 (Hz): 0.0 または FIR ウィンドウ : Kaiser 通過帯域リップル (-db): 0. 阻止帯域リップル (-db): 0 フィルタ長 接続性 SpO 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 00--N--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 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 : 心拍信号の表示波形 IR RED DS0000B_JP - p. 0 Microchip Technology Inc.

5 図 : プログラムフローチャート Start Initialization Turn On/Off RED IR LEDs Alternately From Interrupts Main Loop Is the signal received from the probe valid? No Go to Sleep Yes Are Red IR ADC Data Ready? No Yes FIR Bandpass Digital Filtering Find MaxMin of IR RED Filtered AC Signals Calculate SPO Pulse Rate Display Result Timer Interrupt Occurred Read RED DC AC Signal Timer Interrupt Occurred Read IR DC AC Signal Read DC Baseline Signal after Timer Interrupt before Timer Interrupt Adjust DAC to Calibrate Red LED Adjust DAC to Calibrate IR LED Is Red ADC Data Ready? Is IR ADC Data Ready? Yes Yes 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.

6 NOTE: DS0000B_JP - p. 0 Microchip Technology Inc.

7 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 : Microchip 社パルスオキシメータデモボード回路図 VIN EN VOUT VFB S BT BT+ C L Boost Regulator U SW R R C VCC.V TP Microcontroller - dspicfjgp0 VCC.V AN0 AN RA/RW RA/RS RA/E VCC.V R R DAC C C DAC_C/DC OFFSET TP0 DAC_B/RED TP9 C C DAC_D DAC_A/IR TP SCL SDA C0 MCLR MCLR C R C 9 VCC.V R 0 U C MCLR VCAP/VDDCORE VDD AVDD VSS VSS AVSS S AN0/VREF+/CN/RA0 AN/VREF-/CN/RA OSC/CLKI/CN0/RA OSC/CLKO/CN9/PMA0/RA SOSCO/TCK/CN0/PMA/RA PGD/EMUD/AN/CIN-/RP0/CN/RB0 PGC/EMUC/AN/CIN+/RP/CN/RB AN/CIN-/RP/CN/RB AN/CIN+/RP/CN/RB SOSCI/RP/CN/PMBE/RB PGD/EMUD/ASDA/RP/CN/PMD/RB PGC/EMUC/ASCL/RP/CN/PMD/RB INT0/RP/CN/PMD/RB TCK/SCL/RP/CN/PMD/RB TDO/SDA/RP9/CN/PMD/RB9 PGD/EMUD/TDI/RP0/CN/PMD/RB0 PGC/EMUC/TMS/RP/CN/PMD/RB AN/DACRP/RP/CN/PMD0/RB AN/DACRN/RP/CN/PMRD/RB AN0/DACLP/RTCC/RP/CN/PMWR/RB AN9/DACLN/RP/CN/PMCS/RB MCLR ICSP 0 9 TP C C9 VCC.V U VDD SCL SDA nldac RDY/nBSY VSS VOUTD VOUTC VOUTB VOUTA RB0/DB0 RB/DB RB/DB RB/DB RB/DB LCD J R RB/DB LED- BT+ RB/DB LED+ RB/DB DB RB/DB SCL DB RB/DB SDA DB RB/DB PGD DB RB/DB 0 0 PGC DB 0 RB/DB 9 9 OC/RED DB 9 RB/DB OC/IR DB RB/DB RB DB0 RB0/DB0 UTX EN RA/E R/W RA/RW RS RA/RS NC VDD VCC.V VSS C 0 9 TP MCLR ICSP PGD PGC RB UTX VCC.V VCC.V P P 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.

8 シート : Microchip 社パルスオキシメータデモボード回路図 LED Driver C 0.uF VCC.V U V+ NO NO COM 0 9 VCC.V DB9-/IR DB9-/RED COM IN OC/IR OC/RED IN NC TP NC TP ADGBRMZ Dual SPDT DAC_A/IR R 00 Q MMBT Q MMBT R 00 R.K R0 0 Ohm R 0 Ohm C 0pF Analog Signal Conditioning R 00K DB9-9/CATHODE DB9-/Anode VCC.V +A -A A OUTA C 0.uF A TP C uf R.K AN0 TP R 0K DAC_C/DC OFFSET R C pf 0K R9.K DAC_B/RED TP AN 0 J 9 DB9-/Anode DB9-9/CATHODE DB9-/RED DB9-/IR D Connector 9 DB9 Female Connector Connect to SpO Sensor SPO SENSOR VDD VSS UA MCP00 +B -B B OUTB VDD VSS UB MCP00 DS0000B_JP - p. 0 Microchip Technology Inc.

9 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 AN9 MCP9 オペアンプを利用した光検出アプリケーション Microchip 社 DS09_JP 0 年 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.9

10 NOTE: DS0000B_JP - p.0 0 Microchip Technology Inc.

11 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 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 PIC 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 0, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: 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-99: 009 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 コードホッピングデバイス シリアル EEPROM マイクロペリフェラル 不揮発性メモリ アナログ製品に採用されています さらに 開発システムの設計と製造に関する Microchip 社の品質システムは ISO 900:000 認証を取得しています 0 Microchip Technology Inc. DS0000B_JP - p.

12 各国の営業所とサービス 北米本社 West Chandler Blvd. Chandler, AZ -99 Tel: Fax: 0-9- 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: -9-9 Fax: -9- オースティン TX Tel: --0 ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: --0 Fax: --0 ダラス Addison, TX Tel: 9-- Fax: 9--9 デトロイト Novi, MI Tel: ヒューストン TX Tel: -9-9 インディアナポリス Noblesville, IN Tel: -- Fax: -- ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: ニューヨーク NY Tel: サンノゼ CA Tel: カナダ - トロント Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites 0-, th Floor Tower, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: -0- オーストラリア - シドニー Tel: --9- Fax: --9- 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: --- Fax: ---9 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 東莞 Tel: 中国 - 杭州 Tel: --9- Fax: --9- 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: -0- 中国 - 南京 Tel: ---0 Fax: ---0 中国 - 青島 Tel: --0- Fax: 中国 - 上海 Tel: --0- Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: ---9 Fax: ---9 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: -9-- Fax: -9-- アジア / 太平洋中国 - 厦門 Tel: -9- Fax: -9-0 中国 - 珠海 Tel: Fax: インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: 日本 - 大阪 Tel: ---0 Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: --0- 韓国 - 大邱 Tel: ---0 Fax: ---0 韓国 - ソウル Tel: Fax: ---9 または ---9 マレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: --0 Fax: --0 台湾 - 新竹 Tel: --- Fax: 台湾 - 高雄 Tel: ---0 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: --9- Fax: ヨーロッパオーストリア - ヴェルス Tel: ---9 Fax: ---9 デンマーク - コペンハーゲン Tel: -0- Fax: --9 フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - デュッセルドルフ Tel: ドイツ - カールスルーエ Tel: 9--0 ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: イタリア - ミラノ Tel: 9-0- Fax: 9-0- イタリア - ヴェニス Tel: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: ポーランド - ワルシャワ Tel: -- スペイン - マドリッド Tel: Fax: スウェーデン - ストックホルム Tel: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: // DS0000B_JP - p. 0 Microchip Technology Inc.