光で脈を測ってみよう

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おもしろ科学実験室（工学のふしぎな世界）

光で脈を測ってみよう

2023年3月9日
茨城大学工学部　電気電子システム工学科

はじめに

　スマートウォッチには心拍数や血中酸素濃度などを計測するヘルスケア機能が搭載されていますが、これらの生体情報は「光」を使って測定されています。

　心臓から全身へ血液が送られるとき、血液量に伴って血管も太くなって送られます。手首に指をあてたときに脈の変化が分かるのはこの容積変化のおかげです。血液中のヘモグロビンには赤以外の色の光を吸収する特性があるため、光を当てた時に血液量が多いところでは反射してくる光が弱くなります。このとき、光の変動周期を測定することで心拍数を知ることができ、光の変化量を測定することで血中酸素飽和度を知ることができます。

　ここでは光を使って心拍数を測定する実験について紹介します。

材料

ブレッドボード
LED　(今回使用したもの：緑色LED、OSTG1609C 1A-W25)
PD　(今回使用したもの：大面積Si PINフォトダイオード 960nm S6775)
抵抗　(1kΩ×1, 100kΩ×1)
ジャンパワイヤ
セロハンテープ
ガムテープ（腕に巻き付けるために必要）
ワニ口クリップ（LEDとワイヤの接続に使用）
マイコン　(今回使用したもの：ESP32-WROOM-32D)
Excelなどの解析ソフト

回路を繋ごう

　まず光を脈に当て、その反射光をPD（フォトダイオード）で検出するための装置を作ります。ガムテープを２枚張り合わせてPD, LEDをテープで貼り付けます。

　この例は小型のLEDを選び、表面実装で端子を作りましたが、一般の端子付きの大型LEDでも大丈夫です。続いて回路図を基にマイコンとLEDとPDをつなぎます。

回路図

回路の全体様子

ブレッドボードの部分

プログラムを書き込もう

　マイコン（Arduino）に以下のプログラムを書き込みます。

　これは、LEDを点灯し、PDからデータを受信するプログラム。

	
		
		int photo34;//電圧0~4096
		int LEDgreen = 26;//電圧0~4096

		void setup() {
		  Serial.begin(9600);
		  delay(20*1000);//30秒後スタート
		  pinMode(LEDgreen,OUTPUT);
		  digitalWrite(LEDgreen,HIGH);　// LED発光

			for(int i=0;i<1024;i++){
			  photo34=analogRead(34);　//PDのデータを読み込む
			  Serial.println(photo34);　　
			  delay(20);
			}
		}

		void loop() {
		}