心拍センサーデバイス。 パート2-センサー

この記事では、フォトプレチスモグラフセンサーを開発する際に注意する必要があるいくつかの詳細について学びます。

はじめに

前回の記事では、パルソグラムを測定するセンサーの設計に精通しました。 今日は、プレチスモグラフの基本要素の選択とその電気回路の開発に役立つ可能性のある開発の一部を紹介します。 これらは、主に次の要因の影響を受ける有用な信号の品質を改善するのに役立ちます。

• アーティファクトの欠如;
• 登録ポイントでの顕著な脈波の存在;
• 敏感な要素の設計。

アーティファクトとは、有用なコンポーネントに関連せず、スペクトル的にも振幅的にも類似した波形の変化です。

アーティファクトにはいくつかのソースがあります。

• フォトプレチスモグラフ、自然または人工の相対光源を使用した人の動き。たとえば、スポーツ中に太陽からの影を動かす。
• 人に対する光源の動きまたはその光源の明るさの変化。 たとえば、蛍光灯のちらつき。
• 脈拍に関係のない身体部分の動き。フォトプレチスモグラフの動き、または感知素子が設置されている場所での体のポイント。 たとえば、指の動き、発話に関連する頭の骨の動き、および表情に起因する前腕の骨の動き。

アーチファクトに加えて、脈拍測定の品質は脈波の重症度に依存します。 同一の人では、脈拍は非常によく現れ、非常に不十分になります。 たとえば、3時間のコンピューター心理生理学的テスト中に、心拍数の変化を何度も見ました。 パルソグラムは耳たぶから測定されました。 この場合、信号は時間とともに悪化しました。 これは非常に迅速に発生する可能性があります-30分で、おそらく、耳のクリップが血流を損なうという事実と、被験者の強制的な不動によるものです。

指節骨からの脈拍を測定する場合にも、同様の状況が観察されます。 室温の変化、または人の姿勢のわずかな変化、およびその結果としての登録ポイントのわずかな距離のシフトは、信号レベルの低下またはその消失にさえつながる可能性があります。

こめかみからのパルスを測定する場合、信号不足の問題は悪化します。 こめかみの面積は指の面積よりも大きく、脈拍がよりよく発達する点を見つけることはより難しく、ユーザーがセンサーを正しく装着しない可能性が高くなります。

マルチチャンネルセンサー

記載された問題を解決するために、技術で一般的な原則を適用することができます-この場合、いくつかの敏感な要素を持つセンサーの使用を含む複製。 このような考え方を実装する回路図を次の図に示します。



並列接続されたLEDについての読者の懐疑的な考えを予見します。 これは長い間使用されるべきではなかったプロトタイプなので、厳密に判断しないでください。

プリント基板上のLEDとフォトトランジスタはペアで配置されています。 ボードのサイズは、テンプルの全領域をカバーするように選択されています。これにより、そこに信号増幅およびフィルタリングスキームを配置できます。 ボードには、テープに取り付けるための穴が含まれている場合があります。 9個のセンサーを備えたセンサーの外観を次の図に示します。



同様のソリューションを適用して、指または手首から心拍数を測定できます。 以下は、4つのフォトトランジスタと1つのLEDで構成されるセンサーの図です。



フォトトランジスターのエミッターが接続されていない場合、各エミッターからの信号が個別に測定されます。この場合、特別なマルチチャンネル測定デバイスが必要です。 マルチチャネル実行は、アーティファクトを排除するのにも役立ちます。 アーチファクトが1つのフォトセルの領域でのみ発生する場合、それは修正され、全体の測定画像では考慮されません。 ただし、このようなスキームを使用すると、サイズが大きくなるため、必ずしも便利ではありません。 感光性エレメントを並列に接続する場合は、まったく別の問題です。 この場合、必要な測定チャネルは1つだけです。 次の図は、このようなセンサーのプロトタイプを示しています。 「リフレクション」スキームに従って動作します。 LEDは中央にあり、フォトトランジスタは端にあります。 センサーを使用して、指または手首の指骨からのパルソグラムを登録できます。 プリント回路基板は、マルチチャネルまたはシングルチャネルバージョンのフォトトランジスタを接続できるように配線されています。

配合

フォトセルをよりよく固定するために、プリント基板の表面に化合物を浸すことができます。 注ぐための特別な型が作られています。これも図に示されています。 コンパウンドがフォームにくっつかないように、フッ素樹脂から作る方が良いです。 金型が別の材料、たとえば金属でできている場合、コンパウンドを注ぐ前に、特殊なコンパウンドで潤滑する必要があります。 そのような組成物が利用できない場合、通常のワセリンが行います。 間違った組成は硬化中に要素を変形させる可能性があるため、化合物の選択にも慎重にアプローチする必要があります。

固定に加えて、化合物は光フィルターとして機能します。 この目的には、染料を含むエポキシ化合物が適しています。 例えば、SPbGTI製のエポキシコンパウンドを使用できます。

固体フィルターは、化合物の代わりになります。 それらはプリント回路基板に近接しており、LEDとフォトトランジスタの場合、溝はミルまたはレーザーでカットされます。 次の図は、ミリングされたプレートで覆われた要素を持つセンサーを示しています。



光フィルターの存在は、外部光源によって作成されるアーティファクトを最小限に抑えます。 次の画像は、硬化前後の光学化合物の外観を示しています。



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フォトトランジスタとLEDの選択の特徴

パルス波を記録するために、フォトダイオードまたはフォトトランジスタ-感光素子が使用されます。 この記事では、フォトトランジスタのみを扱います。 私がこの方向で作業を始めた時点では、すでに数十個の異なるトランジスタセンサー（クリップ、洗濯ばさみ、ナポレニク）が手にあり、実証済みの回路ソリューションもありました。 この場合のダイオードの使用は悪くなく、さまざまなアプリケーション、たとえば、Nellcor規格の一般的な医療センサーで広く使用されています。

フォトトランジスタとLEDを選択するときは、まず次の特性に注意する必要があります。

• 波長（最大スペクトル特性）[nm];
• LEDの半輝度角度とフォトトランジスタのカバレッジ角度[deg。]。
• LEDの放射強度[mW / sr]およびフォトトランジスタの感度[mA /（mW / cm2）]。
• フォトトランジスタとLEDの定格電流[mA]。
• 暗いフォトトランジスタ電流[mA];
• レンズとフィルターが体内に組み込まれていること。

脈拍の測定には、血液に最も吸収される波長が最適です。 これらは、530 nmの緑色に対応する波です。 赤と赤外線の範囲も使用されます。 私は、心拍数を測定する方法の分類を含むgytimeに関する興味深い記事を強くお勧めします。そこで、ヘモグロビンの吸収スペクトルについても学びます。

フォトセルを選択するときは、レンズとライトフィルターの存在に注意する必要があります。これにより、希望の明るさと半分の角度を実現でき、他のソースからの放射に対する感度が低くなります。 ビルトインフィルターを使用すると、選択したスペクトル範囲でのみ動作することができます。 輝度が半分の大きな角度のLEDと、カバレッジの角度が大きいフォトトランジスタを選択すると、光は皮膚の表面をバイパスして通過します。 これにより、測定範囲が劣化し、パルス波によって変調された光束は、実際には測定回路の出力信号に影響を与えません。 この状況を次の図に示します。



角度a2は許容範囲であり、角度a1は大きすぎて心拍数モニターでこのような角度のLEDを使用できません。 この例は、「反射時」にパルスを測定する場合に適用されます。 「クリアランス」で動作するデバイスで半分の輝度の大きな角度のLEDを選択すると、大きな放射電力が光検出器を通過するという事実につながります。 これは、特にモバイルデバイスでは望ましくありません。

また、ステラジアンあたりのミリワット[mW / sr]で測定されるLEDの放射強度にも注意する必要があります。 LEDに関する文書では、通常、20、100、および1000 mAの電流で示されています。 エネルギーを節約するには、同じ消費電流に対してこの特性がより高いLEDを選択することをお勧めします。 フォトトランジスタの光電流の大きさに注意する必要があります。その値が大きいほど良いです。 最後の2つの特性は相互接続されています。 その結果、予想される最小信号のレベルは、測定デバイスで予想されるノイズレベルの少なくとも数倍でなければなりません。

LEDとフォトトランジスタは、ペアとして、また構造的に相互に、またスペクトル特性の観点から適切に販売されています。 表は、LEDとフォトトランジスタのいくつかのペアの特性を示しています。 2行目と3行目のペアは、角度が大きく放射電力が低いため、心拍数モニターでの使用には適していません。 ペア1、4、および5が適切で、最初のペアが最適です。 これはテストにより確認されています。 すべてが等しい場合、最初のペアを使用して最高のパルソグラム信号が記録されました。 LEDとフォトトランジスタの間に不透明なバリアが配置されている場合、放射角と感度はパルス測定の品質にそれほど影響を与えないことに注意してください。

ブランド名 トランジスタ ダイオード	カバレッジ角度と半輝度角度 [あられ]	波長 [nm]	放射強度 [mW / sr] 現在の20mAで （LED用）	太陽光発電電流 [mA] 1 mW / cm2で （フォトトランジスタ用）
VEMT2020X01 VSMB2020X01	±15 ±12	830-950 940	8	6
PT100MF0MP1 GL100MD1MP1	±15 ±80	910 940	0.3	2
TEMT7000X01 VSMB1940X01	±60 ±60	830-950 940	1,2	0.45
OP571 OP271	±25 ±25	910 890	1,5	0.5
SD1440 SE1470	±12 ±12	880 880	-	0.14

おわりに スリーインワン

結論の代わりに、前の記事へのコメントでユーザーvalexeyによってもたらされた素晴らしい統合ソリューションについて言及します。 これは、Silicon Labsが製造したSi1143デバイスです。 内部には2つのフォトダイオードがあります-赤とIR、3つのLEDの制御ユニット、統合されたゲインとフィルタリング回路、ADCとI2Cシリアルインターフェースモジュール。 まだテストする時間がなかったので、他の詳細については説明しません。 説明から判断すると、このデバイスは心拍数モニタリングに関連するさまざまな測定に適しています。

PS

リポジトリには 、敏感な要素と中間増幅器の図面が補充されました。