「容易に入手可能な部品を使用して低コストのパルスオキシメータを設計」 (Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、入手しやすい部品を使用して血液中酸素濃度を測定するパルスオキシメータを製作する方法について解説した記事をご紹介します。

■容易に入手可能な部品を使用して低コストのパルスオキシメータを設計

　新型コロナウイルスを検出できるという噂が広がり、パルスオキシメータが品切れになるという事態が一時話題になりました。パルスオキシメータは血液中の酸素濃度を示すSpO₂を測定する装置です。新型コロナウイルスに感染すると、強い低酸素状態でも呼吸困難が起こりにくく、重症化の発見が遅れる、すなわち本人が気づかないうちに重症化するということがあるためです。ただし、肺炎が進行していればパルスオキシメータは効果がありますが、パルスオキシメータで新型コロナウイルスに感染しているかどうかを判断することはできません。

　SpO₂は、医学用語では経皮的動脈血酸素飽和度と言い、Sはsaturation(飽和度)、pはpercutaneous(皮膚を介して)、O₂は酸素を意味します。ヘモグロビンが何％の酸素を運んでいるかを示し、96%以上が正常で、95％未満は呼吸不全の疑いがあり、90％未満になると治療を要します。

＜　dsPIC33FJ128GPのデモ用パルスオキシメータ　＞

　SpO₂を測定するパルスオキシメータは、1974年に日本で開発された装置です。発明者は日本光電工業の技術者であった青柳卓雄氏らとなっていますが、製品化したのはミノルタカメラ(現コニカミノルタ)が最初です。ヘモグロビンは酸素との結合度合で、赤色光と赤外光の吸収度が異なるため、センサーで透過光や反射光を測定することによりSpO₂を測定することができます。

　パルスオキシメータは指先で簡単に測定できるため、医療技術の進歩に大きく貢献しました。現在では、スポーツの運動中の健康管理や成果の判断などにも利用されています。最新のApple WatchにもSpO₂の検出機能が組み込まれています。

＜　パルスオキシメータの構成　＞

　【アプリケーションラボ】では、Microchip Technology社が公開している資料を参考に、パルスオキシメータの製作方法を解説しています。デジタルシグナルコントローラdsPIC33FJ128GP802、D/AコンバータMCP4728、単電源オペアンプMCP6002など、入手しやすい部品を使用して構成しています。Microchip社は、パルスオキシメータのファームウェアパッケージも提供しています。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

dsPIC33FJ128GP802 【DSPIC33FJ128GP802-E/MM】　823.08円
12ビットクワッドD/AコンバータMCP4728 【MCP4728T-E/UN】　293.06円
CMOSアナログスイッチADG884 【ADG884BRMZ-REEL7】　434.67円
1MHzローパワーオペアンプMCP6002 【MCP6002T-I/SN】　61.67円

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■5Gの約束：偽物か本物か

　第5世代のワイヤレス通信技術である5Gの利用が開始されて、大きな期待が寄せられています。5Gでは様々な応用が可能であると宣伝されていますが、実際にはどうなのでしょうか。ここでは、その可能性を考察します。

■ウェアラブルアプリケーション用の各種開発ボードとプロトタイピングボードの評価

　ウェアラブルIoT機器などでは小型のマイコンボードが必要とされています。Arduinoは、ホビイストにも専門家にも人気のある開発ボードで最初から小型でしたが、現在はさらに小さくなったボードが登場しています。

　マルツエレックではさまざまな「ものづくりサービス」をご提供していますが、マルツオンラインのTOPページのリニューアルに合わせてご相談窓口をよりわかりやすく一新いたしました。学校などにおいて実験装置や電子教材を作りたいというご要望や、企業などでも新製品の試作や量産の計画などがございましたら、マルツエレックの「ものづくりサービス」を是非ご検討ください。

　電子回路の設計事例としては、

・電源回路/同期整流回路/インバータ回路
・モーター制御回路
・センシング回路
・2次電池アプリケーション回路
・LEDドライブ回路
・メガソーラーシステム回路

などがあります。その他の回路設計についてもご要望にお応えいたします。

＜　SPICEシミュレーション　と　RFハーベスティング回路基板　＞

　マルツエレックが実際に行ったものづくり事例として、「RFハーベスティング回路基板」をご紹介します。上に示したのはWISPによるRFハーベスティング回路基板です。WISP(Wireless Identification and Sensing Platform)は、RFエネルギーを動力源とするRFIDデバイスです。すなわち、RFIDリーダーが放射するUHF帯の無線信号をWISP内で電力に変換して動作し、RFIDリーダーはWISPからのデータを読み取ることができます。WISPの消費電力は1個当たり2μ～2mWと極めて小さく、RFIDリーダーから数m離れた位置でも動作が可能です。

　WISPの構成は、アンテナとインピーダンス整合回路、RF信号から電力を回収するハーベスティング回路、WISPに送られたデータを抽出する復調器、WISPからデータを送信する変調器、電源、低消費電力マイコン(MSP430)となっています。

　このシステムは、SPICEシミュレーションを駆使して基本設計を行い、アンテナの最適化も含めた回路設計と基板設計を行って高性能を実現しました。

　具体的な設計手順は、

・SPICEシミュレーションによる基本回路の動作の検証
・アンテナの最適化と最適なインピーダンス整合部品の選定
・RF信号から電力を回収するハーベスティング回路の設計
・必要に応じてMCUのプログラミングの開発

となっていて、これらをベースにカスタマイズすることもできます。

　マルツエレックでは回路設計だけでなく、部品の調達や基板の製造と実装、ハーネスやケースの加工まで行っています。マルツオンラインのTOPページにあるご相談窓口からお申込みいただけます。お客様のご要望に合わせてご相談しやすくなっていますので、お気軽にお問い合わせください。