ルネサスの携帯型パルスオキシメータソリューション

パルスオキシメトリとは、健康状態(酸素飽和度や心拍数）の測定を目的としたソリューションで、光が人体の組織を通過する際のさまざまな波長の光吸収特性を利用した非侵襲（傷をつけない）的な測定技術です。 指または耳などの、体の薄い部分に取り付けることにより、酸素飽和度（SpO2）や心拍数などの健康情報を監視して、命にかかわる状態を早期に検出します。

ルネサス社で紹介されているこのパルスオキシメータデバイスの設計例は、持ち運び可能な小ささや、電池式であることなどの特徴があります。提示されている個々の部品の設計について、製品の推奨事項とリソースを使用して説明します。 

ブロック図

以下のブロック図は、ルネサス社のポータブルパルスオキシメータソリューションの機能部品を示しています。

図1. ルネサス社によるパルスオキシメータ設計のブロック図

センサ

パルスオキシメータの設計において使用するセンサは、 OB1203という、光センサーやRGBカラーセンサー、近接センサー、および反射式光電脈波用の光学バイオセンサーを統合するセンサーモジュールです。最新のものでは、皮膚を照らし、飽和血液と不飽和血液の光吸収率を測定することで、人間の心拍数やその変動、酸素飽和度（SpO2）、呼吸数などの重要な健康に関するパラメータを監視できます。このモジュールは、業界最小（4.2×2×1.2mm）の14ピンパッケージで提供されており、さらには信頼性が高く、低刺激性のガラス蓋により、直接皮膚に接触する必要のあるアプリケーションにこのモジュールを使用できます。

OB1203センサーモジュールは、赤外線（IR）および励起用の赤色LEDとセンサーICで構成されています。LEDはLED1ピンおよびLED2ピンを通じて外部から制御できます。ただし、ICには、より統合されたソリューションのために、最大電流ドライブが250mAのトリミングされたLEDソースを含んでいます。センサーIC内には、光センサー、近接/バイオセンサー、デジタルブロック、および2つの内部発振器、電源、電圧リファレンスなどの周辺機器回路を含む3つの異なるブロックがあります。

図2. OB1203モジュール(renesas.com)の内部構造

光センサーブロックには、マトリックスアレイに5つの光検出器が配置され、専用のアナログ-デジタルコンバーター（ADC）を使用して、より高速で正確なパフォーマンスを実現します。光センサーモード（緑、クリア、Comp）またはカラーセンサーモード（赤、緑、青、クリア、Comp）で実行するように構成できます。Compチャネルは、暗電流を測定し、温度変化に対する光センサーの読み取り値を補正するために使用される金属で覆われたフォトダイオードからデータを受信します。

近接、バイオセンサーブロックは、光センサーアレイの下にある1つのフォトダイオードを利用します。 LED2ピンおよびLED1ピンそれぞれの LEDカソード/ドライバー出力を使用して、ターゲットオブジェクトからの赤と赤外線の範囲の反射エネルギー量を測定します。 発光部は、OB1203モジュールに統合された赤外線LED（ピーク時波長約940nm）と赤色LED（ピーク時波長約700nm）で構成されています。このブロックは、光干渉を回避するために、専用の環境光とクロストーク/オフセットキャンセル回路を備えています。

デジタルブロック にはステートマシン、通信用インターフェース、デジタルフィルタ、レジスタ、およびキャリブレーション用のヒューズが組み込まれています。OB1203センサーモジュールは、 I2C通信プロトコルにより、MCUにデータを送信しています。

MCU

パルスオキシメータには、256kBフラッシュメモリと32kB SRAMを備え、Arm®Cortex®-M23コアを採用した、ルネサスのRA2A1マイクロコントローラ (192-7200) (192-7194) を使用しています。RA2シリーズは32ビットMCUのRAファミリに属しており、ポータブルパルスオキシメータなどの低電力で、コスト重視のアプリケーションに最適です。

RA2A1 MCUには、16bit SAR ADC、24bit シグマデルタADC、DAC、およびオペアンプを備えた専用のアナログフロントエンドも組み込まれています。これにより、リチウムイオン電池管理ソリューションをパルスオキシメータの設計にシームレスに統合して、電池の寿命を延ばすことができます。このMCUは、バッテリ内の温度や電圧、電流などのステータスパラメータを監視できるため、潜在的な危険（過電流、過電圧、過熱保護など）からバッテリを保護します。

図3. RA2A1 MCUの概要(renesas.com)

このMCUを使用する場合、EK-RA2A1 (192-7184) 評価キットをルネサスのフレキシブルソフトウェアパッケージ （FSP）と併せてお試しください。

電源

今回提案されているパルスオキシメータは、リチウムイオン電池で動作するように設計されており、USB電源を介した再充電も可能です。充電回路はスイッチ、ツェナーダイオード、LCフィルターの組み合わせで構成されていますが、制御システムはMCUによって管理されています。DC電圧は、降圧コンバータのスイッチング電圧を整流することによって、バッテリ充電用に供給されます。また、USB充電器またはバッテリーからの5Vが、MCUとセンサーモジュールに電力を供給するために必要な電圧レベルに変換されます。ここでの動作において推奨されるデバイスは、それぞれ最大1Aまたは500mAの出力電流を供給できるISL80510 (193-1524) またはISL80505 (121-7270) の高性能低損失型（LDO）電圧レギュレータです。ISL80510EVAL1Z (193-1522) 評価キットはRSコンポーネンツから入手できます。

製品の概要