パルス酸素濃度計IC

説明

パルス酸素濃度測定は、血流中の酸素飽和度を検出します。酸素飽和度は心臓と肺に関連する医学的問題を早期に検出する指標となるため、測定値は一般的な健康モニタとして役立ちます。

動作は、血液中のヘモグロビンの吸光特性に基づいています。酸素化したヘモグロビンは赤色光より赤外光をよく吸収し、脱酸素化したヘモグロビンは赤外光より赤色光をよく吸収します。したがって、酸素濃度計の赤色LEDと赤外光LEDから交互に光を送信し、吸収されない光をフォトダイオードで受信します。フォトダイオードで受信した赤色光と赤外光の比を使用して、血中の酸素濃度(%)を計算します。測定サイクル中に、動脈血流の拍動性に基づいて脈拍数と拍動の強さも測定し、表示します。

反射した光信号はアルゴリズムによって処理され、酸素飽和度が決定されます。ほとんどのパルス酸素濃度計は、検出時に酸素レベルと脈拍を表示します。一部の製品はロギング機能を備え、より大きいディスプレイに表示するためホスト機器とのワイヤレス通信を提供するものもあります。

旧式の製品は、センサーケーブルを使用してパルス酸素濃度計のベースユニットに接続していました。最近の設計では、1つの筐体内で信号をデジタル化するため、多くの場合ベースユニットは不要です。最近の設計は、オプションで低電力Bluetooth などの標準化されたワイヤレスインタフェースも備え、タブレットやスマートフォンなどのキャプチャまたは表示機器にデータを送信することができます。

今日、高精度の民生グレードのパルス酸素濃度計は比較的安価で提供され、データロギングなどのさまざまな機能を備えています。ロギングによって酸素レベルを監視し、たとえば睡眠時無呼吸を検出することや、一部の心臓病の存在の判定に役立つ、長時間にわたる心拍数の追跡が可能になります。

現代的なパルス酸素濃度モニタを設計する方法の詳細については、「設計上の考慮点」、「回路」、および「ブロック図」の各タブをクリックしてください。


アナログ設計の観点から見ると、設計の最も困難な部分は光トランスミッタおよび検出回路の作成です。通常は2つの光の波長(紫外線および赤色光)が使用されるため、2つのトランスミッタおよび2つの検出器回路が必要です。さらに、通常は一度に2つのLEDのうち1つのみを発光させるため、この機能が制御回路に組み込まれます。マイクロコントローラが信号を正確に受信すると、内部のアルゴリズムが信号を処理して酸素化係数および心拍数を決定します。

LED送受信経路


想像がつくように、受信される信号レベルは非常に小さいため、設計には非常に高確度かつ高精度の検出回路が必要です。今日、ほとんどの量産型パルス酸素濃度センサーは、両方の波長用の発信LEDと光検出器の両方を内蔵した高集積の回路を利用しています。1つのICで完全な検出およびデジタルへの変換を提供するセンサーが複数のメーカーから入手可能です。標準的なパルス酸素濃度アプリケーションを上回る要件がある設計でない限り、デジタル出力を備えた集積型光センサーを選択するのが最善です。

独自のセンサーシグナルチェーンを設計する必要がある場合は、以下の図を参考にしてください。

図1. 赤色および赤外光LEDバイアスおよび制御の簡略回路図

このドライバ設計は、DACを設定することによって駆動電流を簡便に設定することができます。2つの位相信号はデジタルのオンおよびオフで、LEDの点灯/消灯を制御します。詳細については、アプリケーションノート4671 「パルス酸素濃度計の設計におけるセンサー性能とSN比を向上」をご覧ください。

図2. フォトダイオード受信経路の簡略回路図

図2で、TIAアンプの重要な仕様は、非常に低い入力電流、入力電流ノイズ、入力電圧ノイズ、および高電圧動作です。これらの特性は、SN比を最大化して環境光の大きな電流の中でも目的の小さな電流を測定することができるようにするために必要です。高電圧動作では、大きなフィードバック抵抗を使用して容易に環境光の電流と受信したLED光の電流を増幅してから、ハイパスフィルタで環境光成分を除去することができます。次に、残った目的の小信号をさらに増幅してADCのダイナミックレンジを最大化します。この利得段は、環境要因の変化と光学部品の経年劣化を補正するために設定可能であることが必要です。

ADCで重要となる仕様は、高いSN比とサンプルレートです。サンプルレートは、変調信号を捕捉し、メーカーごとに異なる必要なデジタル処理を実行するだけの十分な速さが必要です。

LEDの光学特性は時間とともに偏移するため、パルス酸素濃度計は較正手段を内蔵していることが重要です。

製品の選択

MAX30100は、集積パルス酸素濃度および心拍数モニタセンサーソリューションです。このデバイスは、2つのLED、光検出器、最適化された光学回路、および低ノイズアナログ信号処理を組み合わせて、パルス酸素濃度および心拍数信号を検出します。

推奨製品については、「ブロック図」をご覧ください。

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マイクロコントローラ


マイクロコントローラの選択は、どの程度のアナログ機能および精度が必要かによって決まり、センサーシグナルチェーンの構成(デジタル出力を備えたシングルチップセンサーか、カスタムアナログシグナルチェーンを備えた独自センサーか)によって異なります。センサーからの入力がシリアルデジタルの場合、低電力32ビットARMコントローラのようなより低コストのプロセッサで十分です。その他の機能として、機器にディスプレイが含まれる場合、ディスプレイ駆動能力を考慮する必要があります。

製品の選択

MAX32600マイクロコントローラは、最大24MHzで動作する業界標準のARM® Cortex®-M3 32ビットRISC CPUをベースにしています。このマイクロコントローラは、256KBのフラッシュメモリ、32KBのSRAM、2KB命令キャッシュ、および高性能アナログペリフェラルを内蔵しています。この製品は、製品サイズの要件を満たすため非常に高精度のアナログ処理を1つのマイクロコントローラに内蔵する必要がある場合に最適です。

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電源


設計に応じて、電源は1セルリチウムイオンバッテリによってモバイルまたはウェアラブル機器に供給される場合や、より従来型の電源として「ACアダプタ」タイプのトランスを介して商用電源から供給される場合があります。

モバイルまたはウェアラブル機器の場合、電源はバッテリのみ(交換可能)または再充電可能バッテリと充電およびデータ用のMicro-USBポートの組合せのいずれかで構成されます。

どちらの場合も、電源レールは個別のステップダウン、ステップアップ、またはLDO電圧コンバータのいずれかを介して供給されます。

製品の選択

MAX14676/MAX14676A ICは、低電力ウェアラブルアプリケーションに最適なバッテリ充電管理ソリューションです。これらのデバイスは、Smart Power Selectorを備えたリニアバッテリチャージャ、ModelGauge残量ゲージ、および電力が最適化された複数のペリフェラルを内蔵しています。これらのデバイスは、自己消費電流900nA (typ)で、出力10µAでの効率が74%の超低電力バックレギュレータを備えています。

設計の詳細については、右の欄に示すアプリケーションノート、「回路」タブに記載された回路、および「ブロック図」タブに記載されたブロック図をご覧ください。

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RTC 高集積パルス酸素濃度センサー µC ボタン バックライト ESD保護 バッテリマネージメント付きマルチレールPMIC バッテリ認証
種類 型番 タイトル
評価キット MAX8625AEVKIT MAX8625Aの評価キット
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