JP2003235819A - Signal processing method and pulse wave signal processing method - Google Patents
Signal processing method and pulse wave signal processing methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、信号処理方法に関
し、特にパルスフォトメトリによる酸素飽和度測定等に
おいて用いることができる、脈波のノイズ除去に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a signal processing method and, more particularly, to pulse wave noise removal that can be used in oxygen saturation measurement by pulse photometry.
【０００２】動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測定
するには、従来からパルスオキシメータが用いられてい
る。このパルスオキシメータでは、プローブを被験者の
指先や耳朶に装着し、プローブから赤と赤外の異なる波
長の光を生体に時分割に照射して、異なる２波長の透過
光または反射光から得られる吸光度の脈動成分の比Φか
ら酸素飽和度Ｓを測定するものである。赤色光には、例
えば６６０ｎｍの基準波長が用いられると共に、赤外光
には、例えば９４０ｎｍの波長が用いられ、プローブ内
にはこれらの波長を発生する２つの発光ダイオードと受
光用の１つのフォトダイオードが内蔵されている。い
ま、赤外光の波長の吸光度の脈動成分をＳ１、赤色光の
波長の吸光度の脈動成分をＳ２とすると、異なる２波長
の吸光度の比Φは、次式で与えられる。
Φ＝Ｓ２／Ｓ１ （１）
Ｓ＝ｆ（Φ） （２）A pulse oximeter has been conventionally used for non-invasive continuous measurement of oxygen saturation of arterial blood. In this pulse oximeter, a probe is attached to a fingertip or an earlobe of a subject, and light of different wavelengths of red and infrared is radiated from a probe to a living body in a time-sharing manner to obtain transmitted or reflected light of two different wavelengths The oxygen saturation S is measured from the ratio Φ of the pulsating component of the absorbance. A reference wavelength of, for example, 660 nm is used for red light, and a wavelength of, for example, 940 nm is used for infrared light. Two light emitting diodes that generate these wavelengths and one photo detector for receiving light are used in the probe. It has a built-in diode. Now, assuming that the pulsation component of the absorbance of the infrared light wavelength is S1 and the pulsation component of the absorbance of the red light wavelength is S2, the ratio Φ of the two different absorbances is given by the following equation. Φ = S2 / S1 (1) S = f (Φ) (2)
【０００３】このようなパルスオキシメータでは、測定
中に患者に体動等が起きると、プローブで検出される脈
波にノイズ成分が混入してしまい、正確に酸素飽和度Ｓ
を測定できなくなる。そこで、このようなノイズの影響
を除去する試みが従来から種々なされている。In such a pulse oximeter, when a patient moves during measurement, a noise component is mixed in the pulse wave detected by the probe, and the oxygen saturation S is accurately measured.
Cannot be measured. Therefore, various attempts have conventionally been made to remove the influence of such noise.
【０００４】例えば、酸素飽和度を測定するに当り、測
定された脈波信号Ｓ１、Ｓ２には、信号成分ｓ１、ｓ２
とノイズ成分ｎ１、ｎ２が含まれると考え、信号成分ｓ
１とノイズ成分ｎ１の相関が最小になるようなｓ１とｓ
２の比を求めるように構成した信号処理方法が提案され
ている（特許文献１参照）。For example, in measuring the oxygen saturation, the measured pulse wave signals S1 and S2 include signal components s1 and s2.
And noise components n1 and n2 are included, the signal component s
1 and s1 and s such that the correlation between the noise component n1 is minimized.
There has been proposed a signal processing method configured to obtain a ratio of 2 (see Patent Document 1).
【０００５】しかしながら、前記特許文献１に記載され
るような信号処理方法には、次のような問題があった。
すなわち、信号成分ｓ１とノイズ成分ｎ１の相関が最小
になるようなｓ１とｓ２の比を求めるために、順次その
比の値を変えながら演算する必要があり、演算量が膨大
となって、測定装置に相当の演算負荷が掛かる他、演算
処理時間が掛かり、即時演算性に問題があった。However, the signal processing method as described in Patent Document 1 has the following problems.
That is, in order to obtain the ratio of s1 and s2 that minimizes the correlation between the signal component s1 and the noise component n1, it is necessary to sequentially change the value of the ratio, and the amount of calculation becomes enormous. In addition to a considerable calculation load on the device, there was a problem with the immediate calculation due to the long calculation processing time.
【０００６】[0006]
【特許文献１】米国特許第５６３２２７２号明細書（特
許請求の範囲、明細書全文）[Patent Document 1] US Pat. No. 5,632,272 (Claims, full description)
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、その目的は、演
算量も少なく、即時にノイズ成分を測定信号から除去す
ることにある。特に、体動等によるノイズが重畳された
脈波であっても、ノイズを除去し本来の脈波を再現する
ことにある他、パルスフォトメトリ法による酸素飽和度
を精度良く測定する方法を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to immediately remove a noise component from a measurement signal with a small amount of calculation. In particular, even if it is a pulse wave on which noise due to body motion etc. is superimposed, it is to remove the noise and reproduce the original pulse wave, as well as provide a method for accurately measuring oxygen saturation by the pulse photometry method It is to be.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明に係る同じ基本周
波数を有し連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒ
を処理する信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび
前記第２の信号Ｒのそれぞれについて、所定期間におい
て、周波数スペクトルまたは周波数パワースペクトルを
演算し、前記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記
第２の信号Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演
算ステップと、前記スペクトル演算ステップにより演算
された前記第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを
用い、周波数軸上で、相互の差および和の比の演算、ま
たはそれと等価の演算をするスペクトル正規化演算ステ
ップと、前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演
算された結果における、前記基本周波数における演算値
を用いて、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅お
よび前記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを
求める信号成分振幅比演算ステップと、を有することを
特徴とする（請求項１）。これをもって、前記第１の信
号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合
であっても、その信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ
２の振幅の比ΦＡを求めることを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION A first signal IR and a second signal R which have the same fundamental frequency and are continuous according to the invention.
In the signal processing method for processing the first signal IR and the second signal R, a frequency spectrum or a frequency power spectrum is calculated in a predetermined period for each of the first signal IR and the second signal R, and , Using a spectrum calculation step of calculating a second spectrum of the second signal R, and the first spectrum and the second spectrum calculated in the spectrum calculation step, on the frequency axis, A signal component of the first signal IR is calculated by using a spectrum normalization calculation step for calculating a ratio or an equivalent calculation, and a calculation value at the fundamental frequency in the result calculated in the spectrum normalization calculation step. A signal component shake for obtaining a ratio ΦA of the amplitude of S1 and the amplitude of the signal component S2 of the second signal R. And having a ratio calculating step (claim 1). With this, even when the first signal IR and the second signal R include noise, the amplitude of the signal component S1 and the signal component S
The purpose is to find the ratio ΦA of the two amplitudes.
【０００９】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項２）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された２つの脈波
の吸光度比ΦＡを求めることを目的とする。Further, the signal processing method according to the present invention is further characterized in that the first signal IR and the second signal R are data relating to a pulse wave measured by a pulse photometry method. (Claim 2). With this, the purpose is to obtain the absorbance ratio ΦA of the two pulse waves measured by the pulse photometry method.
【００１０】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲは、パルスフォトメトリ法によ
り測定された赤外光脈波に関するデータであり、前記第
２の信号Ｒは、パルスフォトメトリ法により測定された
赤色光脈波に関するデータであり、さらに、前記信号成
分振幅比演算ステップにより演算された比ΦＡを用い
て、酸素飽和度を測定することを特徴とする（請求項
３）。これをもって、パルスフォトメトリ法により測定
された赤外光および赤色光の脈波の吸光度比ΦＡを求
め、精度のよい酸素飽和度を測定することを目的とす
る。Further, in the signal processing method according to the present invention, the first signal IR is data relating to an infrared light pulse wave measured by a pulse photometry method, and the second signal R is The oxygen saturation is measured by using the ratio ΦA calculated in the signal component amplitude ratio calculation step, which is data regarding the red light pulse wave measured by the pulse photometry method. 3). With this, the purpose is to obtain the absorbance ratio ΦA of the pulse wave of infrared light and the pulse wave of red light measured by the pulse photometry method, and to measure the oxygen saturation with high accuracy.
【００１１】また、本発明に係る同じ基本周波数を有し
連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する
信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の
信号Ｒのそれぞれについて、所定期間において、周波数
スペクトルまたは周波数パワースペクトルを演算し、前
記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記第２の信号
Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演算ステップ
と、前記スペクトル演算ステップにより演算された前記
第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波
数軸上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと
等価の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、前
記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された結
果における、前記基本周波数における演算値を用いて、
前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前記第
２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める信号
成分振幅比演算ステップと、前記スペクトル正規化演算
ステップにおいて演算された結果における、ノイズ基本
周波数における演算値を用いて、前記第１の信号ＩＲの
ノイズ成分Ｎ１の振幅および前記第２の信号Ｒのノイズ
成分Ｎ２の振幅の比ΦＮを求めるノイズ成分振幅比演算
ステップと、前記信号成分振幅比演算ステップにおいて
求めた前記比ΦＡおよび前記ノイズ成分振幅比演算ステ
ップにおいて求めた前記比ΦＮを用いて、前記第１の信
号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒからノイズを除去する処
理を行うノイズ除去処理ステップと、を有することを特
徴とする（請求項４）。これをもって、前記第１の信号
ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合で
あっても、ノイズ成分を除去し、その信号成分Ｓ１の振
幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求めることを目
的とする。A signal processing method for processing a continuous first signal IR and a second signal R having the same fundamental frequency according to the present invention is a method for processing the first signal IR and the second signal R. For each of them, a spectrum calculation step of calculating a frequency spectrum or a frequency power spectrum and calculating a first spectrum of the first signal IR and a second spectrum of the second signal R in a predetermined period, and the spectrum calculation. Using the first spectrum and the second spectrum calculated in the step, a spectrum normalization calculation step of performing a calculation of a mutual difference and a sum ratio on the frequency axis, or a calculation equivalent thereto, and the spectrum normalization Using the calculated value at the fundamental frequency in the result calculated in the calculation step,
In the signal component amplitude ratio calculation step for obtaining the ratio ΦA of the amplitude of the signal component S1 of the first signal IR and the amplitude of the signal component S2 of the second signal R, and the result calculated in the spectrum normalization calculation step. A noise component amplitude ratio calculation step for obtaining a ratio ΦN between the amplitude of the noise component N1 of the first signal IR and the amplitude of the noise component N2 of the second signal R using the calculated value at the noise fundamental frequency; A process for removing noise from the first signal IR or the second signal R using the ratio ΦA obtained in the signal component amplitude ratio calculation step and the ratio ΦN obtained in the noise component amplitude ratio calculation step. And a noise removal processing step to be performed (claim 4). With this, even when the first signal IR and the second signal R include noise, the noise component is removed and the ratio ΦA of the amplitude of the signal component S1 and the amplitude of the signal component S2 is obtained. The purpose is to
【００１２】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項５）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることを目的とす
る。Further, the signal processing method according to the present invention is further characterized in that the first signal IR and the second signal R are data relating to a pulse wave measured by a pulse photometry method. (Claim 5). The purpose is to remove the noise component from the pulse wave measured by the pulse photometry method and obtain the signal component.
【００１３】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記ノイズ除去処理ステップによりノイズが除去さ
れた前記第１の信号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒを、表
示部に表示させることを特徴とする（請求項６）。これ
をもって、パルスフォトメトリ法により測定された脈波
からノイズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させ
ることを目的とする。Further, the signal processing method according to the present invention is characterized in that the first signal IR or the second signal R from which noise has been removed by the noise removal processing step is displayed on a display section. (Claim 6). With this, it is an object to display a pulse wave in which a noise component is removed from the pulse wave measured by the pulse photometry method on the display unit.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る信号処理方法
としての脈波信号処理方法およびそれを利用したパルス
オキシメータの実施の形態を、図面を参照しながら詳細
に説明する。図１は、本発明の実施の形態のパルスオキ
シメータである。プローブ１は、発光部２と受光部３を
備え、これらにより指先（生体組織）４を挾持する構成
となっている。発光部２は、第１波長光である赤外光
（波長λ１：９４０ｎｍ）と第２波長光である赤色光
（波長λ２：６６０ｎｍ）とをそれぞれ発光する２つの
発光ダイオードを備えている。発光部２は、発光部駆動
回路５により駆動されるものであり、赤色光と赤外光は
交互に発光される。受光部３は、フォトダイオードを備
え、指先の透過光を受光し、その透過光強度に応じた電
気信号を出力するものである。受光部３の出力信号は、
受光信号増幅回路６で増幅され、復調回路７で復調され
るようになっている。復調回路７は、赤色光と赤外光に
応じたそれぞれの信号を分けて出力する。これらの信号
は、増幅器９ａ、９ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０
ａ、１０ｂでデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ（セン
トラルプロセッシングユニット）８に入力されるように
なっている。ＣＰＵ８は、復調回路７と発光部駆動回路
５を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換器１０ａ、１０ｂから
与えられる信号を処理して、その結果を表示部１１に出
力する。本発明では、この信号処理における脈波のノイ
ズ除去処理に特徴がある。表示部１１に出力される結果
は、ノイズが除去された脈波波形、脈拍数、ＳｐＯ2 値
（酸素飽和度Ｓ）である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a pulse wave signal processing method as a signal processing method according to the present invention and a pulse oximeter using the same will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a pulse oximeter according to an embodiment of the present invention. The probe 1 includes a light emitting unit 2 and a light receiving unit 3, and is configured to hold a fingertip (living tissue) 4 by these. The light emitting unit 2 includes two light emitting diodes that emit infrared light (wavelength λ1: 940 nm) that is the first wavelength light and red light (wavelength λ2: 660 nm) that is the second wavelength light, respectively. The light emitting section 2 is driven by the light emitting section drive circuit 5, and red light and infrared light are emitted alternately. The light receiving section 3 includes a photodiode, receives the transmitted light from the fingertip, and outputs an electric signal according to the transmitted light intensity. The output signal of the light receiving unit 3 is
The received light signal amplification circuit 6 amplifies the signal and the demodulation circuit 7 demodulates it. The demodulation circuit 7 separately outputs signals corresponding to red light and infrared light. These signals are amplified by the amplifiers 9a and 9b, and the A / D converter 10
It is adapted to be converted into a digital signal by a and 10b and input to a CPU (Central Processing Unit) 8. The CPU 8 controls the demodulation circuit 7 and the light emitting unit drive circuit 5, processes the signals given from the A / D converters 10 a and 10 b, and outputs the result to the display unit 11. The present invention is characterized by pulse wave noise removal processing in this signal processing. The results output to the display unit 11 are the pulse wave waveform from which noise is removed, the pulse rate, and the SpO2 value (oxygen saturation S).
【００１５】以下、図２に示したフローチャートに沿っ
て説明する。
（ステップ１）の「スタート」において、測定装置を起
動させる。
（ステップ２）「生体組織を透過または反射した赤外光
（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈波測定」については、図１
で説明したように、赤外光（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈
波が測定され、ＣＰＵ８に入力される。図３に示すよう
な脈波波形が測定される。ここで、酸素飽和度Ｓは、前
述したように、吸光度の比Φの関数ｆとして産出するこ
とができる。これを説明すると、まず、
赤外光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：ＩＲ
赤色光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：Ｒ
とする。これらの比により、それぞれの波長における吸
光度の脈動成分が近似される。また、それぞれの脈動成
分には、本来の脈動による信号成分ＳｉとノイズＮｉが
含まれる。つまり、
ＩＲ＝Ｓ１＋Ｎ１ （３）
Ｒ＝Ｓ２＋Ｎ２ （４）
ここで、
Ｓ１：信号成分、Ｎ１：ノイズ成分
Ｓ２：信号成分、Ｎ２：ノイズ成分
である。また、ここで次のように定義する。
ΦＡ＝Ｓ２／Ｓ１ （５）
ΦＮ＝Ｎ２／Ｎ１ （６）
このとき、酸素飽和度Ｓとの間で、
Ｓ＝ｆ（ΦＡ） （７）
の関係が成り立つのである。なお、ノイズ成分が除去さ
れない状態で、式（５）の代わりに、
Φ＝Ｒ／ＩＲ （８）
を用いると、酸素飽和度Ｓを演算した結果も測定誤差を
含むことになる。The operation will be described below with reference to the flow chart shown in FIG. In "Start" of (Step 1), the measuring device is started. (Step 2) For “measurement of pulse wave of infrared light (IR) / red light (R) transmitted or reflected by living tissue”, see FIG.
As described above, the pulse waves of infrared light (IR) and red light (R) are measured and input to the CPU 8. A pulse wave waveform as shown in FIG. 3 is measured. Here, the oxygen saturation S can be produced as a function f of the absorbance ratio Φ, as described above. To explain this, first, the ratio of the pulsating component to the DC component of the pulse wave obtained from the transmitted or reflected light of infrared light: IR The pulsating component to the DC component of the pulse wave obtained from the transmitted or reflected light of red light Ratio: R These ratios approximate the pulsating component of the absorbance at each wavelength. Further, each pulsation component includes a signal component Si and noise Ni due to the original pulsation. That is, IR = S1 + N1 (3) R = S2 + N2 (4) Here, S1: signal component, N1: noise component, S2: signal component, and N2: noise component. In addition, here, the definition is as follows. ΦA = S2 / S1 (5) ΦN = N2 / N1 (6) At this time, the relationship of S = f (ΦA) (7) holds with the oxygen saturation S. If Φ = R / IR (8) is used instead of the equation (5) in the state where the noise component is not removed, the result of calculating the oxygen saturation S also includes a measurement error.
【００１６】ここで、上記各式を用いて式変形を試み
る。まず、測定された信号から信号成分を取り除くた
め、次のような定義をし、式変形をする。
ここで、式（５）よりＳ２＝ΦＡ・Ｓ１であるから、さ
らに式変形をして、
Ｎ′＝（Ｓ２−Ｓ２）＋（Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１）
＝Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１
＝Ｎ１・（Ｎ／Ｎ２−ΦＡ）
また、式（６）より、
Ｎ′＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ）
となる。つまり、
Ｎ′＝Ｒ−ΦＡ・ＩＲ
＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ）
であるから、
Ｎ１＝（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （１０）
＝Ｎ′／（ΦＮ−ΦＡ） （１１）
Ｎ２＝Ｎ１・ΦＮ
と式変形できる。Here, an equation transformation is attempted by using the above equations. First, in order to remove the signal component from the measured signal, the following definition is made and the formula is modified. Here, since S2 = ΦA · S1 from the formula (5), the formula is further modified so that N ′ = (S2-S2) + (N2-ΦA · N1) = N2-ΦA · N1 = N1 · ( N / N2-ΦA) Further, from the equation (6), N '= N1 · (ΦN-ΦA). That is, since N ′ = R−ΦA · IR = N1 · (ΦN−ΦA), N1 = (R−ΦA · IR) / (ΦN−ΦA) (10) = N ′ / (ΦN−ΦA) ( 11) The equation can be transformed into N2 = N1.ΦN.
【００１７】一方、測定されたＩＲ、Ｒをフーリエ変換
し、スペクトルの絶対値ないしパワースペクトルを演算
することで、脈波の特徴的な情報が得られることを説明
する。測定された第１波長の赤外光（ＩＲ）および第２
波長の赤色光（Ｒ）についての脈波が、図３に示すよう
に得られる。そして、所定期間毎（期間［ｉ］、期間
［ｉ＋１］、期間［ｉ＋２］、・・・）に、それぞれの
データサンプルを用いてフーリエ変換を行い、スペクト
ルの絶対値ないしパワースペクトルを求める。図４
（ａ）、（ｂ）に、赤外光（ＩＲ）のスペクトル（Spc.
ＩＲ）、赤色光（Ｒ）のスペクトル（Spc.Ｒ）を示す。
さらに、周波数に合わせて、下記の演算をすることによ
り、図５に示すようになる。
（Spc.ＩＲ−Spc.Ｒ）／（Spc.ＩＲ＋Spc.Ｒ） （１２）
なお、この等価の演算式として次の式（１３）を用いて
もよい。
｛１−（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝／｛１＋（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝ （１３）
ここで、Spc.Ｒ／Spc.ＩＲは、Φに等しいと置けるの
で、
（１−Φ）／（１＋Φ） （１４）
とも表すことができる。従って、脈波の基本周波数ｆｓ
における値は、
（１−ΦＡ）／（１＋ΦＡ） （１５）
である。また、ノイズｆｎにおける値は、
（１−ΦＮ）／（１＋ΦＮ） （１６）
である。On the other hand, it will be explained that characteristic information of the pulse wave can be obtained by Fourier-transforming the measured IR and R and calculating the absolute value of the spectrum or the power spectrum. Measured first wavelength infrared light (IR) and second
A pulse wave for red light (R) of wavelength is obtained as shown in FIG. Then, for each predetermined period (period [i], period [i + 1], period [i + 2], ...), Fourier transform is performed using each data sample to obtain the absolute value of the spectrum or the power spectrum. Figure 4
In (a) and (b), the spectrum of infrared light (IR) (Spc.
IR) and the spectrum (Spc.R) of red light (R) are shown.
Further, by performing the following calculation according to the frequency, it becomes as shown in FIG. (Spc.IR-Spc.R) / (Spc.IR + Spc.R) (12) The following equation (13) may be used as the equivalent arithmetic expression. {1- (Spc.R / Spc.IR)} / {1+ (Spc.R / Spc.IR)} (13) Here, since Spc.R / Spc.IR can be said to be equal to Φ, (1 It can also be expressed as −Φ) / (1 + Φ) (14). Therefore, the fundamental frequency fs of the pulse wave
The value at is (1-ΦA) / (1 + ΦA) (15). The value of the noise fn is (1-ΦN) / (1 + ΦN) (16).
【００１８】図５に示されるように、演算式（１２）〜
（１４）の結果には、脈波の基本周波数（心拍周期に対
応）ｆｓにピークＰｓ１が現れる。このピークＰｓ１の
値をξｓとする。また、ｆｓの高調波の周波数２ｆｓ、
３ｆｓ、・・・にピークＰｓ２、Ｐｓ３、・・・が現れ
る。また、Ｐｓ１付近にノイズによるピークＰｎが現れ
る。ピークＰｎの値をξｎとし、その周波数をｆｎとす
る。As shown in FIG. 5, the arithmetic expressions (12)-
As a result of (14), a peak Ps1 appears at the fundamental frequency (corresponding to the heartbeat period) fs of the pulse wave. The value of this peak Ps1 is ξs. In addition, the frequency 2fs of the harmonic of fs,
The peaks Ps2, Ps3, ... Appear at 3fs. Further, a peak Pn due to noise appears near Ps1. The value of the peak Pn is ξn, and its frequency is fn.
【００１９】そうとすると、式（１５）により、
（１−ΦＡ）／（１＋ΦＡ）＝ξｓ （１７）
ΦＡ＝（１−ξｓ）／（１＋ξｓ） （１８）
が成り立ち、また式（１６）により、
（１−ΦＮ）／（１＋ΦＮ）＝ξｎ （１９）
ΦＮ＝（１−ξｎ）／（１＋ξｎ） （２０）
が成り立つ。これにより、ΦＡ、ΦＮがそれぞれ演算で
きる。Then, according to equation (15), (1-ΦA) / (1 + ΦA) = ξs (17) ΦA = (1-ξs) / (1 + ξs) (18) holds, and according to formula (16) , (1-ΦN) / (1 + ΦN) = ξn (19) ΦN = (1-ξn) / (1 + ξn) (20) holds. Thereby, ΦA and ΦN can be calculated respectively.
【００２０】酸素飽和度Ｓは、式（１８）により求めら
れたΦＡを用いて、直接式（７）より求めることができ
る。また、式（３）、（４）、（１０）、（６）より、
Ｓ１＝ＩＲ−Ｎ１
＝ＩＲ−（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （２１）
Ｓ２＝Ｒ−Ｎ２
＝Ｒ−Ｎ１・ΦＮ （２２）
が成り立つ。よって、測定されたＩＲ、Ｒおよび演算さ
れたΦＡ、ΦＮを、式（２１）、（２２）に代入して演
算することにより、信号成分Ｓ１、Ｓ２を求めることが
できる。これを表示部（ディスプレイ）に表示させるこ
とができる。The oxygen saturation S can be directly obtained from the equation (7) by using ΦA obtained from the equation (18). Further, from the formulas (3), (4), (10) and (6), S1 = IR-N1 = IR- (R-ΦA · IR) / (ΦN-ΦA) (21) S2 = R-N2 = R−N1 · ΦN (22) holds. Therefore, the signal components S1 and S2 can be obtained by substituting the measured IR and R and the calculated .PHI.A and .PHI.N into the equations (21) and (22) for calculation. This can be displayed on the display unit (display).
【００２１】そこで、（ステップ３）において、所定期
間における脈波データをフーリエ変換し、スペクトル
（スペクトルの絶対値またはパワースペクトル）を演算
する。そして、（ステップ４）では、（ステップ３）に
おいて得られたスペクトルを用いて、周波数毎に、式
（１５）、（１６）に基づき、基本周波数、ノイズ周波
数における演算値ξｓ、ξｎを演算する。次に、（ステ
ップ５）では、（ステップ４）において得られた演算値
ξｓ、ξｎから、式（１８）、（２０）を用いて、Φ
Ａ、ΦＮを演算する。さらに、（ステップ６）では、
（ステップ５）において得られたΦＡ、ΦＮから、式
（７）、（２１）または（２２）を用いて、酸素飽和度
Ｓ、脈波の信号成分Ｓ１またはＳ２を演算して、表示部
（ディスプレイ）に、酸素飽和度Ｓ、脈波の信号成分Ｓ
１またはＳ２を表示する。演算する期間は、フーリエ変
換に用いたデータ期間分（単位期間：期間［ｉ］）のデ
ータでよい。そして、（ステップ２）に戻り、次の所定
期間（フーリエ変換する単位期間：期間［ｉ＋１］）の
データを用いて、（ステップ２）〜（ステップ６）の処
理を繰り返す。「終了」させる場合（ステップ７）は、
測定装置をオフ状態とする。なお、単位期間は、脈波に
急激な変化が現れない期間、例えば６秒程度がよい。ま
た、本発明の適用は、酸素飽和度の測定に限られず、血
中にある吸光物質の濃度測定にも適用可能である。Therefore, in (step 3), the pulse wave data in a predetermined period is Fourier transformed to calculate the spectrum (absolute value of spectrum or power spectrum). Then, in (step 4), the calculated values ξs and ξn at the fundamental frequency and the noise frequency are calculated for each frequency based on the equations (15) and (16) using the spectrum obtained in (step 3). . Next, in (step 5), using equations (18) and (20) from the calculated values ξs and ξn obtained in (step 4), Φ
Calculate A and ΦN. Furthermore, in (step 6),
The oxygen saturation S and the pulse wave signal component S1 or S2 are calculated from ΦA and ΦN obtained in (Step 5) using the formula (7), (21) or (22), and the display unit ( Display), oxygen saturation S, pulse wave signal component S
1 or S2 is displayed. The calculation period may be data for the data period (unit period: period [i]) used in the Fourier transform. Then, returning to (step 2), the processing of (step 2) to (step 6) is repeated using the data of the next predetermined period (unit period for Fourier transform: period [i + 1]). If you want to "end" (step 7),
Turn off the measuring device. It should be noted that the unit period is preferably a period in which a rapid change does not appear in the pulse wave, for example, about 6 seconds. Further, the application of the present invention is not limited to the measurement of oxygen saturation, but can be applied to the measurement of the concentration of a light-absorbing substance in blood.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上、詳記したように、請求項１に係る
信号処理方法によれば、前記第１の信号ＩＲおよび前記
第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合であっても、その
信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡ
を求めることができる。As described above in detail, according to the signal processing method of the first aspect, even when the first signal IR and the second signal R contain noise, Ratio ΦA of amplitude of signal component S1 and amplitude of signal component S2
Can be asked.
【００２３】また、請求項２に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された２つの脈波
の信号成分についての吸光度比ΦＡを求めることができ
る。Further, according to the signal processing method of the second aspect, it is possible to obtain the absorbance ratio ΦA for the two pulse wave signal components measured by the pulse photomemory method.
【００２４】また、請求項３に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された赤外光およ
び赤色光の脈波の信号成分についての吸光度比ΦＡを求
め、精度の良い酸素飽和度を測定することができる。Further, according to the signal processing method of the third aspect, the absorbance ratio ΦA for the signal components of the pulse waves of infrared light and red light measured by the pulse photomemory method is obtained, and oxygen saturation with high accuracy is obtained. The degree can be measured.
【００２５】また、請求項４に係る信号処理方法によれ
ば、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイ
ズが含まれる場合であっても、ノイズ成分を除去し、そ
の信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比Φ
Ａを求めることができる。According to the signal processing method of the fourth aspect, even when the first signal IR and the second signal R contain noise, the noise component is removed and the signal component is removed. Ratio Φ of amplitude of S1 and amplitude of signal component S2
You can ask for A.
【００２６】また、請求項５に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることができる。According to the signal processing method of the fifth aspect, it is possible to remove the noise component from the pulse wave measured by the pulse photomemory method and obtain the signal component.
【００２７】また、請求項６に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させること
ができる。According to the signal processing method of the sixth aspect, the pulse wave obtained by removing the noise component from the pulse wave measured by the pulse photomemory method can be displayed on the display unit.
【図１】本実施の形態に係る脈波信号処理を行う酸素飽
和度測定装置の構成を示すブロック回路図である。FIG. 1 is a block circuit diagram showing a configuration of an oxygen saturation measuring apparatus that performs pulse wave signal processing according to the present embodiment.
【図２】本実施の形態に係る脈波信号処理の操作プログ
ラムを示すフローチャート図である。FIG. 2 is a flowchart showing an operation program for pulse wave signal processing according to the present embodiment.
【図３】本実施の形態に係る脈波信号処理の処理波形を
示すタイムチャート図である。FIG. 3 is a time chart diagram showing a processing waveform of pulse wave signal processing according to the present embodiment.
【図４】（ａ）は赤外光脈波のスペクトルを示す波形図
である。（ｂ）は赤色光脈波のスペクトルを示す波形図
である。FIG. 4A is a waveform diagram showing a spectrum of an infrared light pulse wave. (B) is a waveform diagram showing a spectrum of a red light pulse wave.
【図５】スペクトルの正規化の演算結果を示す波形図で
ある。FIG. 5 is a waveform diagram showing a calculation result of spectrum normalization.
【符号の説明】 １ プローブ ２ 発光部 ３ 受光部 ４ 生体組織（指） ５ 発光部駆動回路 ６ 受光信号増幅回路 ７ 復調回路 ８ ＣＰＵ ９ａ 増幅器 ９ｂ 増幅器 １０ａ Ａ／Ｄ変換器 １０ｂ Ａ／Ｄ変換器 １１ 表示部[Explanation of symbols] 1 probe 2 Light emitting part 3 Light receiving part 4 Living tissue (fingers) 5 Light emission part drive circuit 6 Light receiving signal amplification circuit 7 Demodulation circuit 8 CPU 9a amplifier 9b amplifier 10a A / D converter 10b A / D converter 11 Display
Claims (6)
号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する信号処理方法にお
いて、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒのそれぞれ
について、所定期間において、周波数スペクトルまたは
周波数パワースペクトルを演算し、前記第１の信号ＩＲ
の第１スペクトルと、前記第２の信号Ｒの第１スペクト
ルを演算するスペクトル演算ステップと、 前記スペクトル演算ステップにより演算された前記第１
スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波数軸
上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと等価
の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、前記基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前
記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める
信号成分振幅比演算ステップと、を有することを特徴と
する信号処理方法。1. A signal processing method for processing a continuous first signal IR and second signal R having the same fundamental frequency, wherein a predetermined value is set for each of the first signal IR and the second signal R. A frequency spectrum or a frequency power spectrum is calculated in the period, and the first signal IR is calculated.
Of the first spectrum of the second signal R, and a spectrum calculation step of calculating the first spectrum of the second signal R, and the first spectrum calculated by the spectrum calculation step.
A spectrum normalization operation step of performing a calculation of a mutual difference and a sum ratio on the frequency axis using the spectrum and the second spectrum, or an operation equivalent thereto; and a result calculated in the spectrum normalization operation step. , A signal component amplitude ratio calculating step for obtaining a ratio ΦA of the amplitude of the signal component S1 of the first signal IR and the amplitude of the signal component S2 of the second signal R using the calculated value at the fundamental frequency. A signal processing method comprising:
フォトメトリ法により測定された脈波に関するデータで
あることを特徴とする信号処理方法。2. The signal processing method according to claim 1, wherein the first signal IR and the second signal R are data relating to a pulse wave measured by a pulse photometry method. Processing method.
定された赤外光脈波に関するデータであり、 前記第２の信号Ｒは、パルスフォトメトリ法により測定
された赤色光脈波に関するデータであり、 さらに、前記信号成分振幅比演算ステップにより演算さ
れた比ΦＡを用いて、酸素飽和度を測定することを特徴
とする信号処理方法。3. The signal processing method according to claim 2, wherein the first signal IR is data relating to an infrared light pulse wave measured by a pulse photometry method, and the second signal R is a pulse. A signal processing method, which is data relating to a red light pulse wave measured by a photometry method, and further uses the ratio ΦA calculated in the signal component amplitude ratio calculation step to measure oxygen saturation.
号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する信号処理方法にお
いて、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒのそれぞれ
について、所定期間において、周波数スペクトルまたは
周波数パワースペクトルを演算し、前記第１の信号ＩＲ
の第１スペクトルと、前記第２の信号Ｒの第２スペクト
ルを演算するスペクトル演算ステップと、 前記スペクトル演算ステップにより演算された前記第１
スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波数軸
上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと等価
の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、前記基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前
記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める
信号成分振幅比演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、ノイズ基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲのノイズ成分Ｎ１の振幅および
前記第２の信号Ｒのノイズ成分Ｎ２の振幅の比ΦＮを求
めるノイズ成分振幅比演算ステップと、 前記信号成分振幅比演算ステップにおいて求めた前記比
ΦＡおよび前記ノイズ成分振幅比演算ステップにおいて
求めた前記比ΦＮを用いて、前記第１の信号ＩＲまたは
前記第２の信号Ｒからノイズを除去する処理を行うノイ
ズ除去処理ステップと、を有することを特徴とする信号
処理方法。4. A signal processing method for processing a continuous first signal IR and second signal R having the same fundamental frequency, wherein a predetermined value is set for each of the first signal IR and the second signal R. A frequency spectrum or a frequency power spectrum is calculated in the period, and the first signal IR is calculated.
A first spectrum of the second signal R and a spectrum calculation step of calculating a second spectrum of the second signal R, and the first spectrum calculated by the spectrum calculation step.
A spectrum normalization operation step of performing a calculation of a mutual difference and a sum ratio on the frequency axis using the spectrum and the second spectrum, or an operation equivalent thereto; and a result calculated in the spectrum normalization operation step. A signal component amplitude ratio calculation step of obtaining a ratio ΦA of the amplitude of the signal component S1 of the first signal IR and the amplitude of the signal component S2 of the second signal R using the calculated value at the fundamental frequency, A ratio ΦN between the amplitude of the noise component N1 of the first signal IR and the amplitude of the noise component N2 of the second signal R is calculated by using the calculated value at the noise fundamental frequency in the result calculated in the spectrum normalization calculation step. And a ratio ΦA obtained in the signal component amplitude ratio calculation step. A noise removal process step of performing a process of removing noise from the first signal IR or the second signal R using the ratio ΦN obtained in the noise component amplitude ratio calculation step. Signal processing method.
フォトメトリ法により測定された脈波に関するデータで
あることを特徴とする信号処理方法。5. The signal processing method according to claim 4, wherein the first signal IR and the second signal R are data regarding a pulse wave measured by a pulse photometry method. Processing method.
方法において、 さらに、前記ノイズ除去処理ステップによりノイズが除
去された前記第１の信号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒ
を、表示部に表示させることを特徴とする信号処理方
法。6. The signal processing method according to claim 4 or 5, further comprising the first signal IR or the second signal R from which noise has been removed by the noise removal processing step.
Is displayed on the display unit.
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