とりあえず脈モニタにしてみた

非反転増幅アンプを作ってみたところ、Spiceでの予想どおりの動作。
気分がいいので、

フォトインタラプタ　＋　50倍非反転増幅アンプ　＋　シュミットトリガ　＋　情けないブザ　→　なんとなく脈モニタ

にしてみました。

黄色線：フォトトランジスタの出力を50倍に増幅
赤色線：シュミットトリガの出力



フォト・インタラプタ部：


赤外LEDとフォトトランジスタの間に指を入れます。
指の中で脈を打っている血流で、赤外線量が変化するのです。
この信号が、次のアンプで増幅される。


50倍非反転増幅部：

Spiceでsimした回路。無難に動きました。
AC電源の部分は、 +5Vを加えたTPS616のエミッタに接続（100KΩ両端に電圧発生）、R11を100KΩとしておよそ50倍の非反転アンプとした。



シュミットトリガ部：

以前、錠剤をカウントするときに考えたものです。


情けない音のブザ：


440Hzの音がでます。わざわざこのために、PICを焼きました。PIC便利ですね。
↑ここまで

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情けない音のブザができた

圧電ブザと12F675で、440Hzのブザを作りました。

GP2がHIになると、440Hzの方形波をGP0から出力します。

今にも死にそうな、予想以上に情けない音がします。

でもこれでいいんです。後で使います。

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パルスオキシメータ用の非反転増幅回路

フォトトランジスタで拍動が見えたのは面白かった。もうすこし調べてみたいところ。

直流分まで増幅されるとOPアンプがすぐに飽和してしまい、あまり増幅できなかった。
そこで人間の心拍を60回/分、カットオフ周波数を1Hzとして、LM358用・150mV(0-P)のアンプをSpice modelで実験してみた。

f=1/(2πCR), f=1Hz, R=2000Ωより、C=79.6uF　→ C9 = 100uF　とした。

LM358用のSpice model は、ナショセミで公開されているものを利用した。

減衰率


150mV(0-P)・1Hzの様子

赤色：入力信号　水色:入力+2.5Vバイアス 　青色：出力+バイアス　緑色：出力信号

サイン波はきれいに出た。

でも血液の拍動だときれいに出ないかも。
Spiceの電源モデルで、似た形を無理矢理に作成。PULSE(150mV 30mV 0.2 0.2 0.8 0.5 0.5)


ん～、平坦になると、垂れてくる感じですね・・・・

パルスオキシメータは、どうも異なる波長でのPeak-Peakの幅を比較して飽和度を求めているようなので、波形が少々歪んでも問題ないかもしれません。

ここまで来て気付くのは、トレーニングマシンなどについている心拍計は、じつに簡単な仕組みなのでは、ということ・・・

帰ったらブレボ上で再現実験。

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OPアンプの本

ここまで記憶を頼りに実験してきたが、定石通りにすすめたほうが後の展開に困らないだろうということで、OPアンプの本を買ってきました。
↑ここまで

OPアンプ活用　成功のかぎ　川田章弘 CQ出版社

第３章のOPアンプ周辺部品の役割と値の理由、というところを読んでいますが、経験的に適当に決めていた部分や、理由も分からず（伝統的に？）その値にしていた部分にわかりやすい解説が入っているので楽しく読んでいます。

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パルスオキシメータの原理？

オペアンプ100倍実験中に、蛍光灯やら人影やらの変化にも敏感に反応していると書いたが、フォトトランジスタをつまんでいる指に流れている血液の拍動にすら反応していることも分かった。

ブレボ上で光軸設定をしたり光を遮ったりするためにフォトトランジスタをつまんでいたら、妙に周波数の低い、バイアスのブレのような現象が見られました。

どうも１Hzあたりで上下しているようなので、1s/divで見てみました。

当初、１Hzのノイズ源は思い当たらなかったのですが、たまたま今日の午後に来た患者さんと、来月に心臓のCTを取りにいくという話になったとき、もしかして、と思いあたりました。

これ、指先の動脈血流の変化が検出されていました。

LEDから出た赤外線が指を通り抜ける間に、血液中に含まれる酸素ヘモグロビンがその赤外線を吸収しており、拍動に合わせて増加・減少する血液量に比例する形で、その吸光度が変化していたのです（吸光光度計・Lambert-Beerの法則）。

この原理を応用したのがパルスオキシメータで、酸素ヘモグロビン濃度と、還元ヘモグロビン濃度から、酸素飽和度を求められます。詳しい原理はコニカ・ミノルタさんのページにあります。

その酸素飽和度と酸素分圧の換算表から、酸素分圧を求めることができます。
（コニカ・ミノルタさんの飽和度・分圧換算表）

肺のように酸素分圧の高いところでは酸素飽和度は100%に近くなり、末梢に行くに従って酸素分圧が下がると酸素飽和度は下がります。つまり酸素分圧が下がると、ヘモグロビンは結合している酸素を放出します。これがヘモグロビンによる肺から末梢への酸素の運搬です。

さらに、この酸素飽和度-分圧の表をよく見ると、温度や血液のpHにより、ヒステリシス特性を持つと云うことが分かります。

生体では、熱源を酸素で酸化してエネルギーを得る過程から二酸化炭素が生じます。ですから肺に比べて末梢では二酸化炭素の量が多いのですが、二酸化炭素は酸性ですから末梢組織は肺に比べて酸性であると考えられます。先ほどの酸素飽和度-分圧の表では、酸性だと曲線が右に移動していますから、末梢での酸素分圧が同じであれば、より多くの酸素を遊離することになります。このpHによるヒステリシス特性は、淘汰圧の巧妙さを物語っています。

話が大幅に脱線しました。

以前、在宅医療の患者さんから頼まれて、そのパルスオキシメータを購入したことがあるのですが、サンプリングも速く、感度もよかったのを覚えています。

つづく。

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赤外線の到達距離と、OPアンプの増幅

非反転増幅によって、１～１０倍の増幅を行う実験をしてみました。
それによって、LEDとフォトトランジスタは、どのぐらいの距離まで離せるか、検討してみました。

回路は次の通りです。


この回路をブレッドボード上に作りました。


端から端まで使ったので、100mmの距離になりました。

まずは、VR1を5KΩに設定、オペアンプの非反転増幅回路の増幅率は、1+（VR1 ÷ R4）で計算されますから、増幅率は6倍となるはずです。
点A（赤ライン）、点B（黄ライン）の電圧を測定。センサ間を一瞬、遮光してみました。



テスタでの測定で、点Aは110mV、点Bは670mV。ほぼ6倍の増幅となっていることがわかります。

次に、次段の入力バイアスは、1.4Vぐらいを想定しているので、点Bが1.4Vになるよう、VR1を調整しました。10倍なのでVR1は、ほぼ振り切り状態です。

点A（CH1：赤）は100mV/div、点B（CH2：黄）は、1V/divに設定し、センサ間を横切ってみました。

10倍に増幅しても、形は忠実に再現されています。

次に、シュミットトリガの設定を、ON→OFF時には0.9Vを下回ったとき、OFF→ON時には1.0Vを上回ったときになるよう、VR2とVR3を設定しました。

その後、CH2（黄）を、シュミットトリガのオペアンプ出力につないで確認しました。

閾値を境に、オペアンプの出力がデジタル的に変化していることが分かります。


（おまけ）

初段のオペアンプの倍率を100倍（100KΩ）にし、5m以上離れたところからリモコンを操作したところ、500mVの波形が観測できました。
しかし、可視光カット型とはいえ、蛍光灯のフリッカ(120Hz)も乗っていますし(右図）、センサの近くを歩くだけでバイアスが変化します。照明下での100倍は実用的ではなさそうです。

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秋月オシロスコープ

使っているのは、秋月電子通商にて31,000円で売られている、OWONのPDS5022S。
25MHz・2ちゃんねるのデジタルストレージ方式。

安い・薄い・軽い、本当に一家に一台あったほうがいいんじゃないかという便利なおもちゃです。

良いところ（アナログのオシロに比べて）

• カラー表示。各Chや目盛、トリガ閾値などが色分けされているのでわかりやすい。
• 画面が広い（面積が大きい）
• STNの割には表示の反応が良く、気にならない
• 本体はとても軽い
• 機能がシンプルで使いやすい
• 電圧・掃引周波数・トリガをボタン1つで自動設定できる（オートセット機能）
• 周波数や周期、Peak to Peakが表示される
  
• 普通に使えるプローブが2本ついてくる
• 波形メモリが4 save point　あるので、保存した波形と比較することができる
  

気になるところ

• 説明書が英語と中国語（簡単。経験者なら不要のレベル。未経験者は市販書を読んだほうが良い）
  
• 液晶の表面が光沢を持っているので、映り込みが目立つ（写真撮影などには不向き）
• 同レンジのブラウン管方式に比べれば掃引線が太く、ドットが目立つ
• 輝度入力がない（Z軸入力がない）　→　オシロテレビを作ることができない
• ビデオ信号に関連した機能はデジタル化の時代には不要
• 付属のPCソフトは波形のスナップショットをとるぐらいにしか使えない（FFTなどの処理は不能）
• 本体が非常に軽いのでボタンを押すとバックする

というあたりですが、価格を考えると、ホビーユースなら十分な性能があると思います。

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