優れたパルスオキシメータの設計：実装の知見

ユーザーフレンドリーで省電力な医療機器の設計は今日極めて重要です。この記事では、次世代パルスオキシメータの構築における実践的なステップと設計上の考慮事項を詳述します。

前回の記事ではパルスオキシメータ仕様を説明しました。ここでは、透過型vs反射型構成、最適なセンサー配置、灌流指数最適化、モーションアーチファクト低減、光学アナログフロントエンド統合のニュアンスといった主要な設計選択に深く踏み込みます。

透過型 vs 反射型

光電容積脈波（PPG）信号は、透過型または反射型のLED-PD配置で取得できます。透過型セットアップでは、非吸収光が身体部位を通過するため、指や耳たぶのような高毛細血管密度部位に最適です。この配置は灌流指数（PI）を40dB〜60dB向上させ、わずかな配置変化の影響を受けにくい、より安定で再現性の高い測定値を提供します。

反射型PPG構成は、フォトダイオード（PD）とLEDを並べて配置する必要がある場合、例えばリストバンドや胸部装着型ウェアラブルで好まれます。光学パスとフィルタリングを慎重に管理すれば、正確なデータ取得が可能です。

図1. LED-PD構成.（出典：Analog Devices）

センサー位置と灌流指数

センサーを手首や胸に配置すると、PPGアナログフロントエンド（AFE）は、より深い動脈、皮下組織、皮膚、骨によって信号のDC成分が増幅されるため、より大きなダイナミックレンジを必要とします。リスト装着型SpO₂デバイスで典型的な1%〜2%の高いPIには、機械的最適化またはより広いAFEレンジが必要で、アルゴリズムの不確実性を低減します。

LED-PD間隔はPIに決定的な影響を与えます。間隔が狭すぎるとクロストークや後方散乱が増え、望ましくないDC成分が加わりAFEを飽和させる可能性があります。より大きな間隔はこれらの効果を緩和しますが、電流変換比（CTR）が低下し、信号効率が落ち、より高いLED駆動電流が必要になる場合があります。

LEDを高速パルス駆動する——単独またはマルチLEDバーストで——ことで1/fノイズを低減し、受信側で同期変調を可能にし、環境光干渉を効果的にキャンセルします。複数パルスの統合で平均電流消費を抑えながらPD信号振幅を増大。PD面積の拡大も反射光をより多く捕捉しCTRを改善します。

心拍数（HR）PPGでは、単一の大型PDと複数の低電力緑色LEDを組み合わせることが多いです。緑色LEDは優れたモーションアーチファクト除去性能を持ちますが、赤色やIR LEDより高い順方向電圧と駆動電力を必要とします。複数波長を必要とするほとんどのSpO₂システムは、複数のPDに囲まれた緑-赤-IR LEDアレイを採用します。Analog DevicesのVSMウォッチ（図2）は、最適化されたLED-PD間隔とバッフル設計で後方散乱とクロストークを低減するこのアプローチを例示しています。

図2. ADI VSMウォッチV4、バッフル、LED-PDアレイ.（出典：Analog Devices）

ADI VSMウォッチの複数プロトタイプを評価し、HRとSpO₂の同時測定に最も効率的なLED-PD間隔を決定しました。

モーションアーチファクト

モーションはPPG測定における最も困難な課題の一つです。動きは血管幅と圧力を変化させ、PDが吸収する光量を変えます。理想的なシナリオ——無限に広いPDが無限の組織深度を覆う——ではモーションアーチファクトは現れません。現実的には、PD面積を増やし慎重なフィルタリングを採用することでアーチファクト影響を低減できますが、AFEは帯域幅を維持するため低容量も保つ必要があります。

典型的なPPG周波数は0.5Hz〜5Hzですが、モーションアーチファクトは0.01Hz〜10Hzに広がります。従来のバンドパスフィルタリングではこれらの重なり合う成分を分離できません。代わりに、高分解能モーションデータを取り込む適応フィルタが必要です。Analog DevicesのADXL362 3軸加速度センサは、8gレンジで1mg分解能を持ちながら100Hzでわずか3.6µWを消費、3mm×3mmパッケージで必要なモーション指標を提供します。

光学AFE

リスト装着型SpO₂デバイスは独自のハードルに直面します：PDが受光する全光量に対する、関心あるAC信号はわずか1%〜2%です。これらの条件下で医療グレードの精度を達成するには、環境光侵入を最小化し、LEDドライバとAFEノイズを低減する高ダイナミックレンジAFEが必要です。

Analog DevicesのADPD4100（およびADPD4101）のような次世代光学AFEは、最大100dB SNRを提供。この統合フロントエンドは8つの低ノイズ電流源と8つの独立したPD入力を備えます。デジタルタイミングコントローラは12のプログラマブルスロットを提供し、開発者がLED電流、アナログ/デジタルフィルタリング、積分タイミング、その他パラメータをカスタマイズ可能です。

マイクロワット（µW）あたりのSNR最適化は、電池駆動連続監視に不可欠です。ADPD4100は連続PPG取得時にLED給電を含めて30µW消費で25Hz、75dB SNRを達成。サンプルあたりのパルス数を増やすとSNRが√nで向上し、LED駆動電流を上げるとSNRが比例して向上します。4V LED給電時、総システム消費1µWで93dB SNRに到達可能です。

自動環境光除去によりホストMCUの負担を軽減し、1µs LEDパルスとバンドパスフィルタで60dBの光分離を実現。ADPD4100はPDのダーク電流（LEDオフ状態）を計算し、オン状態測定から差し引くことで、環境光、ゲイン誤差、ドリフトを除去できます。

開発は、EVAL-ADPD4100-4101ウェアラブル評価キットとADI Vital Signs Monitoring Study Watchなどのツールで効率化されます。これらのプラットフォームはADI WaveToolアプリケーションとシームレスに統合され、生体インピーダンス、ECG、PPG心拍数、マルチ波長SpO₂測定を可能にします。埋め込み自動利得制御（AGC）アルゴリズムが、トランスインピーダンスアンプ（TIA）ゲインとLED電流を動的に調整し、全波長で最適なACダイナミックレンジを維持します。

指と耳たぶのSpO₂測定は、骨と組織の厚さが薄いためDC成分が減少し精度が向上するため、設計が本質的に容易です。

このような用途には、ADPD144RIのようなセンサーモジュールや、ADPD1080のようなフロントエンドで迅速なプロトタイピングが可能です。ADPD144RIは660nm赤色LED、880nm IR LED、4つのPDを2.8mm×5mmパッケージに収め、最大SNRのために最適化された間隔を持ちます。ADPD1080は3つのLEDドライバと2つのPD入力を2.5mm×1.4mm WLLCSPに統合し、コンパクトで低チャネル数設計に最適です。

図3. ADPD410Xブロック図.（出典：Analog Devices）

図4. ADPD4100による赤色（右）とIR（左）の同時PPG測定.（出典：Analog Devices）

参考文献

1. Toshiyo Tamura. “Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring.” Biomedical Engineering Letters, February 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken‑Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, and Takehiro Yamakoshi. “Comparison Between Red, Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion.” 2013 5th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), July 2013.

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Robert Finnerty氏はAnalog Devicesのシステムズアプリケーションエンジニア。アイルランド・リムリック拠点のDigital Healthcare Group所属。Vital Signs Monitoring Groupと密接に協力し、光学およびインピーダンス測定ソリューションに注力。2012年ADI入社、精密コンバータグループで低帯域幅精密測定を専門。アイルランド国立大学ゴールウェイ校（NUIG）で電子電気工学学士（B.E.E.E）取得。rob.finnerty@analog.com

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