JP2008188216A - Biological information measurement apparatus - Google Patents
Biological information measurement apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008188216A JP2008188216A JP2007025566A JP2007025566A JP2008188216A JP 2008188216 A JP2008188216 A JP 2008188216A JP 2007025566 A JP2007025566 A JP 2007025566A JP 2007025566 A JP2007025566 A JP 2007025566A JP 2008188216 A JP2008188216 A JP 2008188216A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frequency
- noise
- signal
- biological information
- unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、人体から各種の生体情報を非侵襲で検出する生体情報測定装置に関し、特に当該生体情報測定装置の使用環境において用いられている商用周波数の検出機能を備えた生体情報測定装置に関する。 The present invention relates to a biological information measuring apparatus that non-invasively detects various types of biological information from a human body, and more particularly to a biological information measuring apparatus having a commercial frequency detection function used in an environment where the biological information measuring apparatus is used.
人体から生体情報を非侵襲で検出する生体情報測定装置として、生体の循環状態を測定するための光電脈波計やパルスオキシメータが知られている。これらの測定装置は、発光部と受光部とを備えるプローブを被験者の指に装着し、所定の周期毎に発光部から発せられる光を生体(指)に向けて投光し、生体を経由して受光部で感知された光の光量変化をパルス信号として測定することで光電脈波波形を求めるものである。かかる光電脈波波形に基づいて、血中酸素飽和度や不整脈(心房細動・期外収縮)の検出、除細動時のモニター、自律神経障害、血管年齢等の診断を行うことができる。 As a biological information measuring device that non-invasively detects biological information from a human body, a photoelectric pulse wave meter and a pulse oximeter for measuring the circulatory state of the living body are known. These measuring devices attach a probe including a light emitting unit and a light receiving unit to a subject's finger, project light emitted from the light emitting unit toward a living body (finger) at predetermined intervals, and pass through the living body. Then, a photoelectric pulse wave waveform is obtained by measuring a change in the amount of light detected by the light receiving unit as a pulse signal. Based on such a photoelectric pulse waveform, blood oxygen saturation and arrhythmia (atrial fibrillation / extra systole) can be detected, defibrillation monitor, autonomic nerve disorder, blood vessel age, and the like can be diagnosed.
ところで、前記受光部から出力される受光信号には、生体に由来しない様々なノイズ信号が重畳されている。その主なものは、パルスオキシメータ等の使用環境において存在する蛍光灯の誘導ノイズや、50Hz又は60Hzの商用電力供給系統の交流電源周波数(本明細書では「商用周波数」という)のノイズである。このようなノイズは、生体情報の算出において誤差要因となるので、データ信号から除去する必要がある。 By the way, various noise signals not derived from a living body are superimposed on the light receiving signal output from the light receiving unit. The main thing is the induction noise of the fluorescent lamp which exists in use environments, such as a pulse oximeter, and the noise of the AC power supply frequency (it is called "commercial frequency" in this specification) of the commercial power supply system of 50 Hz or 60 Hz. . Such noise becomes an error factor in the calculation of biological information, and thus needs to be removed from the data signal.
従来、このノイズを除去するために、回路上にアナログフィルタを設けたり、或いは環境の商用周波数が50Hz又は60Hzのいずれであるかを判別した上で、デジタルフィルタのフィルタ特性を定めてフィルタリングを行ったりしている(例えば特許文献1参照)。商用周波数の判定を行う場合、一般的に50Hz又は60Hzよりも高いサンプリング周波数で、測定データのサンプリングが行われる。この場合、サンプリング周波数は、60Hzの商用周波数を想定するとき、120Hz程度でもその判別は可能である。 Conventionally, in order to remove this noise, an analog filter is provided on the circuit, or after determining whether the commercial commercial frequency is 50 Hz or 60 Hz, the filter characteristic of the digital filter is determined and filtering is performed. (See, for example, Patent Document 1). When determining the commercial frequency, the measurement data is generally sampled at a sampling frequency higher than 50 Hz or 60 Hz. In this case, when the sampling frequency is assumed to be a commercial frequency of 60 Hz, the discrimination is possible even at about 120 Hz.
しかし、商用周波数の判定を精度良く行うには、その10倍程度(600Hz)以上にサンプリング周波数を設定することが望ましい。この程度のサンプリング周波数であれば、図20に示すように、60Hzの場合は1周期中に10点のサンプリング点が取れるため、得られたサンプリングデータから「60Hzの正弦波」の特定を的確に行うことができる。 However, in order to accurately determine the commercial frequency, it is desirable to set the sampling frequency to about 10 times (600 Hz) or more. If the sampling frequency is about this level, as shown in FIG. 20, 10 sampling points can be obtained in one cycle in the case of 60 Hz. Therefore, the “60 Hz sine wave” is accurately identified from the obtained sampling data. It can be carried out.
一方、パルスオキシメータ等における一般的なサンプリング周波数は30〜100Hz程度で足り、数百Hzを超えるような高周波数は不要である。このため、パルスオキシメータ等では、測定開始前に上記のような高周波数でサンプリングを行って商用周波数の判定を行った後、光電脈波の測定動作が行われている。
上記の通り、従来のパルスオキシメータでは、測定開始前に商用周波数の判定を行うので、測定中に商用周波数の環境が変わってしまった場合に、ノイズを的確に除去できないという問題があった。そこで、測定動作中も高周波数でサンプリングを行い商用周波数の判定を可能にすることも考えられるが、この場合情報処理量が大きくなり、演算部に大きな負担がかかってしまうほか、消費電流が増加してバッテリー寿命を短縮させてしまうことになる。 As described above, in the conventional pulse oximeter, since the commercial frequency is determined before the measurement is started, there is a problem that noise cannot be accurately removed when the environment of the commercial frequency is changed during the measurement. Therefore, it is conceivable that sampling can be performed at a high frequency during the measurement operation to enable determination of the commercial frequency. In this case, however, the amount of information processing increases, which places a heavy burden on the calculation unit and increases the current consumption. This will shorten the battery life.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、高周波数でサンプリングを行うこと無く商用周波数の判定を行なえると共に、測定動作中においてもその判定を行うことができる生体情報測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a biological information measuring apparatus capable of determining a commercial frequency without performing sampling at a high frequency and performing the determination even during a measurement operation. For the purpose.
本発明の一実施形態に係る生体情報測定装置は、生体情報に関連するパラメータを測定してアナログ信号を出力するセンサ部と、前記アナログ信号を、互いに異なる第1商用周波数及び第2商用周波数よりも小さいナイキスト周波数をもつサンプリング周波数で、デジタル信号に変換し、これをデータ信号として出力するA/D変換部と、前記データ信号に基づき所定のデータ解析処理を行う演算処理部と、を含み、前記演算処理部は、前記データ信号から、生体に由来しないノイズ信号を抽出するノイズ抽出部と、前記ノイズ信号から、周期的なノイズ成分のエリアシングノイズを検出することで、前記第1及び第2商用周波数の別を特定する判定部と、を備えることを特徴とする(請求項1)。 A biological information measuring apparatus according to an embodiment of the present invention includes a sensor unit that measures a parameter related to biological information and outputs an analog signal, and the analog signal is obtained from a first commercial frequency and a second commercial frequency that are different from each other. An A / D converter that converts a digital signal at a sampling frequency having a small Nyquist frequency and outputs the digital signal as a data signal, and an arithmetic processing unit that performs a predetermined data analysis process based on the data signal, The arithmetic processing unit extracts a noise signal that is not derived from a living body from the data signal, and detects aliasing noise of a periodic noise component from the noise signal. And a determination unit that identifies the difference between the two commercial frequencies (claim 1).
エリアシングノイズ(折り返し雑音)は、A/D変換の際、サンプリング周波数の半分の周波数であるナイキスト周波数を越える周波数をもつアナログ信号がA/D変換部に入力された場合に、変換されたデジタル信号に混入する雑音であり、周波数軸上でナイキスト周波数を対称軸にして折り返した位置に信号が現われる。従って、サンプリング周波数が同じである場合、例えば50Hzのノイズがアナログ信号に混入しているときと、60Hzのそれとでは、異なる周波数成分のエリアシングノイズがデジタル信号において検出されるようになる。このようなエリアシングノイズを検出することで、高周波数でサンプリングを行うことなく、第1及び第2商用周波数の別を特定できるようになる。 Aliasing noise (folding noise) is a digital signal that is converted when an analog signal having a frequency exceeding the Nyquist frequency, which is half the sampling frequency, is input to the A / D converter during A / D conversion. This is noise mixed in the signal, and the signal appears on the frequency axis at the folded position with the Nyquist frequency as the axis of symmetry. Therefore, when the sampling frequency is the same, for example, when 50 Hz noise is mixed in the analog signal and when it is 60 Hz, aliasing noise of different frequency components is detected in the digital signal. By detecting such aliasing noise, the first and second commercial frequencies can be identified without sampling at a high frequency.
上記構成において、前記センサ部のアナログ信号が、光電変換素子により生成されることが望ましい(請求項2)。この構成によれば、非侵襲に優れる光を用いて生体情報に関連した計測を行い、光電変換素子から出力される電気信号に基づき、各種の生体情報を得ることができる。 In the above-described configuration, it is desirable that the analog signal of the sensor unit is generated by a photoelectric conversion element. According to this configuration, it is possible to perform measurement related to biological information using non-invasive light and obtain various biological information based on the electrical signal output from the photoelectric conversion element.
上記構成において、前記判定部は、前記ノイズ信号を周波数変換してそのピーク周波数を求めることで、エリアシングノイズを検出することが望ましい(請求項3)。この構成によれば、周波数変換という簡易な演算手法で、エリアシングノイズを検出することができる。 In the above configuration, it is desirable that the determination unit detects aliasing noise by frequency-converting the noise signal to obtain a peak frequency thereof. According to this configuration, aliasing noise can be detected by a simple calculation method called frequency conversion.
上記いずれかの構成において、前記サンプリング周波数を制御する測定制御部をさらに備えることが望ましい(請求項4)。この構成によれば、サンプリング周波数を適宜な時期、例えば測定動作中に自在に変更させることが可能となる。 In any one of the configurations described above, it is desirable to further include a measurement control unit that controls the sampling frequency. According to this configuration, the sampling frequency can be freely changed at an appropriate time, for example, during the measurement operation.
この場合、前記測定制御部は、生体に由来する信号成分の周波数と、前記エリアシングノイズの周波数とが離間するように、前記サンプリング周波数を選択する構成とすることができる(請求項5)。この構成によれば、サンプリング周波数の調整により、エリアシングノイズの影響が生体に由来する信号成分の検出に及ばないようにすることができる。 In this case, the measurement control unit may be configured to select the sampling frequency so that the frequency of the signal component derived from the living body is separated from the frequency of the aliasing noise (Claim 5). According to this configuration, it is possible to prevent the influence of aliasing noise from affecting the detection of signal components derived from a living body by adjusting the sampling frequency.
また、前記測定制御部は、前記判定部で特定された第1及び第2商用周波数の別に応じて、前記サンプリング周波数を変更することが可能とされていることが望ましい(請求項6)。この構成によれば、サンプリング周波数を変更することで、第1及び第2商用周波数ノイズのエリアシングノイズ周波数を制御でき、ノイズ除去や信号処理等に都合の良い周波数に、エリアシングノイズを移行させることができる。 In addition, it is desirable that the measurement control unit can change the sampling frequency according to the first and second commercial frequencies specified by the determination unit (claim 6). According to this configuration, the aliasing noise frequency of the first and second commercial frequency noises can be controlled by changing the sampling frequency, and the aliasing noise is transferred to a frequency convenient for noise removal, signal processing, and the like. be able to.
この場合、前記測定制御部は、前記エリアシングノイズが、サンプリング周波数の整数分の1に表れるように、前記サンプリング周波数を選択することが望ましい(請求項7)。この構成によれば、エリアシングノイズの周期と、サンプリング周期とがマッチングするようになり、後のノイズ除去処理を容易にすることができる。 In this case, it is preferable that the measurement control unit selects the sampling frequency so that the aliasing noise appears in an integer of a sampling frequency. According to this configuration, the aliasing noise period matches the sampling period, and the subsequent noise removal processing can be facilitated.
上記いずれかの構成において、前記データ信号から前記ノイズ信号を除去するデジタルフィルタをさらに備え、前記デジタルフィルタのフィルタ特性が、前記判定部で特定された第1及び第2商用周波数の別に応じて変更可能とされていることが望ましい(請求項8)。この構成によれば、第1及び第2商用周波数の別に応じて、ノイズ信号を的確に除去できるようになる。 In any one of the configurations described above, the digital filter further includes a digital filter that removes the noise signal from the data signal, and the filter characteristics of the digital filter are changed according to the first and second commercial frequencies specified by the determination unit. It is desirable that this is possible (claim 8). According to this configuration, the noise signal can be accurately removed according to the first and second commercial frequencies.
上記いずれかの構成において、前記判定部は、生体情報の測定動作中において、前記第1及び第2商用周波数の別を特定する動作を行うものであることが望ましい(請求項9)。この構成によれば、測定開始前に商用周波数の判定を行う必要がなくなり、また測定中に商用周波数の環境が変わってしまった場合にも対応できるようになる。 In any one of the above-described configurations, it is desirable that the determination unit performs an operation of identifying the first and second commercial frequencies during the biological information measurement operation. According to this configuration, it is not necessary to determine the commercial frequency before starting the measurement, and it is possible to cope with the case where the environment of the commercial frequency is changed during the measurement.
上記いずれかの構成において、前記センサ部が出力するアナログ信号が、一波長光電脈波信号、若しくは二波長光電脈波信号であることが望ましい(請求項10)。この構成によれば、一波長光電脈波信号に基づき不整脈の検出、除細動時のモニター、自律神経障害、血管年齢等の診断を行うことができ、また二波長光電脈波信号に基づき血中酸素飽和度を測定できるようになる。 In any one of the configurations described above, the analog signal output from the sensor unit is preferably a one-wavelength photoelectric pulse wave signal or a two-wavelength photoelectric pulse wave signal. According to this configuration, it is possible to detect arrhythmia based on the one-wavelength photoelectric pulse wave signal, monitor during defibrillation, diagnosis of autonomic nerve damage, blood vessel age, etc. Medium oxygen saturation can be measured.
本発明によれば、A/D変換のサンプリング周波数が商用周波数よりも小さいナイキスト周波数をもつサンプリング周波数とされるので、商用周波数の判別のために生体情報測定装置に大きな負担がかかることはない。従って、生体情報測定装置の消費電流を抑制することができる。また、多くの場合、生体情報の測定は比較的低いサンプリング周波数で足りるが、そのような低いサンプリング周波数にて商用周波数の判別が行えるので、生体情報の測定中にも商用周波数の判別動作を行わせることが容易である。このため、測定中に商用周波数の環境が変わってしまった場合にも、その変化後の商用周波数に合わせて、ノイズを的確に除去することができる。 According to the present invention, the sampling frequency for A / D conversion is set to a sampling frequency having a Nyquist frequency smaller than the commercial frequency, so that a large burden is not imposed on the biological information measuring device for discrimination of the commercial frequency. Therefore, current consumption of the biological information measuring device can be suppressed. In many cases, a relatively low sampling frequency is sufficient for measurement of biological information. However, since the commercial frequency can be determined at such a low sampling frequency, the operation for determining the commercial frequency is performed during the measurement of biological information. It is easy to make. For this reason, even when the environment of the commercial frequency changes during measurement, noise can be accurately removed according to the commercial frequency after the change.
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき説明する。図1は、本発明の生体情報測定装置の一実施形態であるパルスオキシメータ1を示す平面図であって、被験者の手に装着された状態を示している。このパルスオキシメータ1は、被験者の血中酸素飽和度(SpO2;生体情報の一例)を測定するためのものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a
このパルスオキシメータ1は、被験者の手首付近に装着可能とされたパルスオキシメータ本体部21と、被験者の指先に装着可能とされたプローブ22とを備え、両者が信号ケーブル201で電気的に接続されてなる。
The
パルスオキシメータ本体部21には、操作部211、LCD等からなる表示部212、ベルト係止部213等が備えられているほか、その内部には、測定制御や演算処理機能を果たす電気回路が収納されている。操作部211は、ユーザが測定開始、終了、表示指示等の各種指示情報を入力するためのものである。表示部212は、測定メニューや測定結果等を表示させるためのものである。プローブ22は、指先部分において光電脈波情報を取得するために、発光素子と受光素子とを具備している。
The pulse oximeter
図2は、パルスオキシメータ1の電気的構成を示すブロック図である。本体部21には、前述の操作部211、表示部212のほか、発光回路23、受光回路としてのI/V変換部24、A/D変換部25、制御処理部(CPU)26、メモリ部27及び電源部28が備えられている。
FIG. 2 is a block diagram showing the electrical configuration of the
プローブ22には、発光部221と受光部222とが含まれる。本実施形態では、発光部221として赤色領域の波長λ1の赤色光を発生する赤色LED221Aと、赤外線領域の波長λ2の赤外光を発生する赤外LED221Bとの2つのLEDが用いられている例を示している。一方、受光部222は、(発光部221にて発せられた光を)受光した光強度に応じた電流を生成する光電変換素子からなる。該光電変換素子としては、少なくとも前記波長λ1および波長λ2に対して光感応性を有するシリコンフォトダイオード(Silicon Photo Diode)等が用いられる。
The
発光部221及び受光部222は、図2に示すように、血中酸素飽和度を測定する被測定指F(生体組織)の指先を挟むように対向配置される。これは、特に指先が、動脈血の脈動を光学的に捉えやすいからである。本実施形態では指先背部側(爪側)に発光部221が配置され、指先腹部側に受光部222が配置される。これにより、被測定指Fの指先の生体組織を透過した発光部221の両波長λ1、λ2の測定光が、受光部222にて受光されるようになる。
As shown in FIG. 2, the
なお、発光部221及び受光部222を、指先背部側又は腹部側に並ぶように配置し、生体組織からの反射光を検出する形態としても良い。また、測定部位は、測定が容易でS/N比が良いデータを得られるならば指先以外の箇所を測定部位としても良く、例えば耳朶や、乳幼児の場合は手の甲、手首、足の甲などを測定部位としても良い。
The
発光部221及び受光部222には、それぞれ発光回路23及び受光回路(I/V変換部24)が接続されている。発光回路23及びI/V変換部24は本体部21に備えられており、発光部221及び受光部222との電気的接続は、信号ケーブル201により行われている。
A
発光回路23は、制御処理部26で動作制御され、所定の発光制御信号を発光部221の赤色LED221A及び赤外LED221Bに与える。これにより、例えば赤色LED221Aと赤外LED221Bとが交互に駆動され(図2の発光制御信号参照)、赤色光と赤外光とが交互に射出される。
The operation of the
I/V変換部24は、受光部222での光電変換により生成された電流信号を電圧信号に変換するものである。受光部222から出力される電流信号には、赤色LED221A及び赤外LED221Bから発せられ、指先の生体組織を透過した測定光が光電変換されたもの(光電脈波信号)が含まれるほか、測定環境に存在する光源の光が光電変換されたもの(ダーク成分)も含まれる。さらに、蛍光灯や商用周波数等によるノイズ成分も含まれることとなる。I/V変換部24は、このような受光部222の受光光量に応じたアナログの光電脈波信号を、A/D変換部25へ出力する。
The I /
A/D変換部25は、I/V変換部24から与えられるアナログの光電脈波信号(図2の受光信号参照)をA/D変換し、制御処理部26にデジタルの光電脈波信号(データ信号)として出力する。A/D変換部25は、制御処理部26から与えられるタイミング信号に基づき、所定のサンプリング周波数でA/D変換動作を行う。このサンプリング周波数については、後記で詳述する。
The A /
図3に、光電脈波波形の一例を示しておく。図中の◆印は、サンプリング点である(サンプリング周波数=30Hz)。人体の脈拍数は、概ね20〜240回/分の範囲に収まる。これを周波数換算すると、0.3Hz〜4Hz程度である。図3に例示のものは、0.7Hz程度の信号である。すなわち、パルスオキシメータ1において生体に由来する信号成分は、このような低周波の信号成分である。かかる光電脈波波形に、日本国内では50Hz(第1商用周波数)又は60Hz(第2商用周波数)のノイズ等が重畳するため、パルスオキシメータ1の使用環境の商用周波数が50Hz又は60Hzのいずれであるかを判別した上で、各々に適合したフィルタリング処理を行ってノイズが除去される。
FIG. 3 shows an example of the photoelectric pulse wave waveform. The ◆ marks in the figure are sampling points (sampling frequency = 30 Hz). The pulse rate of the human body is generally in the range of 20 to 240 times / minute. When this is converted into frequency, it is about 0.3 Hz to 4 Hz. The example illustrated in FIG. 3 is a signal of about 0.7 Hz. That is, the signal component derived from the living body in the
動脈血の血中酸素飽和度(SpO2)は、このような光電脈波波形を用いて導出することができる。酸素は、血液中のヘモグロビンの酸化・還元によって運搬されている。このヘモグロビンは、酸化されると赤色光の吸収が減少して赤外光の吸収が増加し、逆に還元されると赤色光の吸収が増加して赤外光の吸収が減少するという光学的特性を有している。この特性を利用して、赤色光及び赤外光の透過光量の変動を計測することで、SpO2の値を求めることが可能となる。 The blood oxygen saturation (SpO 2 ) of arterial blood can be derived using such a photoelectric pulse waveform. Oxygen is transported by oxidation / reduction of hemoglobin in the blood. When this hemoglobin is oxidized, the absorption of red light decreases and the absorption of infrared light increases. Conversely, when it is reduced, the absorption of red light increases and the absorption of infrared light decreases. It has characteristics. Using this characteristic, the value of SpO 2 can be obtained by measuring the variation in the amount of transmitted light of red light and infrared light.
ここで、光を用いてSpO2を測定する原理について説明する。周知の通り、酸素は、ヘモグロビン(Hb)によって生体の各細胞に運ばれるが、ヘモグロビンは、肺で酸素と結合して酸化ヘモグロビン(HbO2)となり、生体の細胞で酸素が消費されるとヘモグロビンに戻る。SpO2は、血中の酸化ヘモグロビンの割合を示すものであり、ヘモグロビン濃度をCHb、酸化ヘモグロビン濃度をCHbO2で示すと、次の(1)式のように定義される。
Here, the principle of measuring SpO 2 using light will be described. As is well known, oxygen is transported to each cell of the living body by hemoglobin (Hb). Hemoglobin combines with oxygen in the lung to become oxygenated hemoglobin (HbO 2 ), and hemoglobin is consumed when oxygen is consumed by the cells of the living body. Return to. SpO 2 indicates the ratio of oxygenated hemoglobin in the blood. When the hemoglobin concentration is represented by C Hb and the oxygenated hemoglobin concentration is represented by
一方、ヘモグロビンの吸光度及び酸化ヘモグロビンの吸光度は、波長依存性を有しており、各吸光係数α(λ)は、例えば図4に示すような吸光特性を有している。なお、図4の横軸は、nm単位で示す光の波長であり、縦軸は、×10−9cm2/mole単位で示す吸光係数である。ヘモグロビン(Hb)及び酸化ヘモグロビン(HbO2)は、図4に示すようにその吸光特性が異なる。ヘモグロビンは、赤色領域での赤色光Rにおいては、酸化ヘモグロビンよりも光を多く吸収するが、赤外線領域での赤外光IRにおいては、酸化ヘモグロビンよりも光の吸収が少なくなっている。 On the other hand, the absorbance of hemoglobin and the absorbance of oxyhemoglobin have wavelength dependence, and each extinction coefficient α (λ) has an extinction characteristic as shown in FIG. 4, for example. The horizontal axis in FIG. 4 is the wavelength of light shown in nm, and the vertical axis is the extinction coefficient shown in x10 −9 cm 2 / mole. Hemoglobin (Hb) and oxygenated hemoglobin (HbO 2 ) have different light absorption characteristics as shown in FIG. Hemoglobin absorbs more light in the red light R in the red region than oxyhemoglobin, but absorbs less light in the infrared light IR in the infrared region than oxyhemoglobin.
すなわち、例えば、赤色光Rの波長λ1を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数の差が最も大きい例えば660nmとし、赤外光IRの波長λ2を酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの吸光係数の差が等しい例えば815nmとした場合、赤色光Rの透過光量はヘモグロビンが多くなるのに従って大きくなり、一方、酸化ヘモグロビンとヘモグロビンとの比率が変わったとしても、赤外光IRの透過光量は変わらないこととなる。これにより、赤色光Rと赤外光IRとの透過光量の比をとることでSpO2を求めることが可能となる。パルスオキシメータ1は、このようなヘモグロビン及び酸化ヘモグロビンの赤色光Rと赤外光IRとに対する吸光特性の違いを利用してSpO2を求めるものである。
That is, for example, the wavelength λ1 of the red light R is set to 660 nm where the difference between the absorption coefficients of oxygenated hemoglobin and hemoglobin is the largest, for example, and the wavelength λ2 of the infrared light IR is set to 815 nm where the difference between the absorption coefficients of oxygenated hemoglobin and hemoglobin is equal. In this case, the amount of transmitted light of red light R increases as the amount of hemoglobin increases. On the other hand, the amount of transmitted light of infrared light IR does not change even if the ratio of oxygenated hemoglobin to hemoglobin changes. Thus, SpO 2 can be obtained by taking the ratio of the amount of transmitted light between the red light R and the infrared light IR. The
生体に光を照射すると、光の一部は吸収され、一部は透過する。生体は、動脈血層と、静脈血層と、動脈血層及び静脈血層以外の組織(血液以外の組織)とで構成される。この生体における光の吸収は、図5(a)に示すように、動脈血層による吸収と、静脈血層による吸収と、動脈血層及び静脈血層以外の組織による吸収とからなる。動脈血層及び静脈血層以外の組織と静脈血層とは経時的に変化しないため、この部分での光の吸収は略一定である。一方、動脈血は心拍動によって血管径が変化するため、動脈血層による光の吸収、すなわち透過光(図5(a)に示す透過光)の強度は、図5(b)に示すように脈拍により経時的に変化する。この透過光強度の変化分は、動脈血のみの情報によるものであり、静脈血や、動脈血及び静脈血以外の生体組織による影響を殆ど含まない。なお、図5(b)の横軸は時間、縦軸は透過光強度である。 When a living body is irradiated with light, part of the light is absorbed and part is transmitted. The living body is composed of an arterial blood layer, a venous blood layer, and a tissue other than the arterial blood layer and the venous blood layer (tissue other than blood). As shown in FIG. 5A, the light absorption in the living body includes absorption by the arterial blood layer, absorption by the venous blood layer, and absorption by tissues other than the arterial blood layer and the venous blood layer. Since tissues other than the arterial blood layer and the venous blood layer and the venous blood layer do not change with time, the absorption of light in this portion is substantially constant. On the other hand, since arterial blood changes in blood vessel diameter due to heartbeat, the absorption of light by the arterial blood layer, that is, the intensity of transmitted light (transmitted light shown in FIG. 5A), depends on the pulse as shown in FIG. Changes over time. The amount of change in the transmitted light intensity is based on information on arterial blood alone, and includes almost no influence from venous blood or living tissue other than arterial blood and venous blood. In FIG. 5B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents transmitted light intensity.
ところで、赤色光Rと赤外光IRとの光量変化を比較する場合、入射光量の差をキャンセル(補正)する必要がある。図6(a)〜(c)は、生体に対する入射光と透過光との関係を示す模式図である。図6(a)に示すように、生体への入射光量I0を赤色光Rと赤外光IRとで同じにすることは実質的に困難であり、仮に同じにしたとしても、組織や静脈血による吸光率は赤色光Rと赤外光IRとで異なるため、変化分のみでの比較を行うことはできない。 By the way, when comparing the light quantity change between the red light R and the infrared light IR, it is necessary to cancel (correct) the difference in the incident light quantity. FIGS. 6A to 6C are schematic views showing the relationship between incident light and transmitted light on a living body. As shown in FIG. 6 (a), to the same quantity of incident light I 0 to the living body by the red light R and the infrared light IR is substantially difficult, even if the if the same, tissue and vein Since the absorbance due to blood differs between red light R and infrared light IR, it is not possible to make a comparison based only on the change.
ここで、動脈が最も細い場合(透過光量が最も大きい場合)の透過光量をIとし、動脈が最も太い場合(透過光量が最も小さい場合)の透過光量をI−ΔIとする(記号「−」は減算を示す)。これは図6(a)又は図6(b)に示すように、厚さ(幅)ΔDの動脈血にIという光を照射したとき、I−ΔIの透過光が得られると考えられる。なお、このΔDの動脈血に応じた透過光量の変化の様子は、図6(c)のグラフ(横軸は時間、縦軸は透過光量)に示される。 Here, the transmitted light amount when the artery is the thinnest (when the transmitted light amount is the largest) is I, and the transmitted light amount when the artery is the thickest (when the transmitted light amount is the smallest) is I−ΔI (symbol “−”). Indicates subtraction). As shown in FIG. 6 (a) or 6 (b), it is considered that when the arterial blood having a thickness (width) ΔD is irradiated with light I, transmitted light of I−ΔI is obtained. The state of change in the transmitted light amount according to ΔD arterial blood is shown in the graph of FIG. 6C (the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the transmitted light amount).
したがって、図7に示すように、符号51のグラフに示す赤色光Rの透過光量IRと、符号52のグラフに示す赤外光IRの透過光量IIRとが同じとなるように正規化する、つまり符号53のグラフに示すように、透過光量IIRに対応する透過光量IIR’=透過光量IRとなるように正規化することにより、動脈血による光量変化の比である(ΔIR/IR)/(ΔIIR/IIR)を求めてSpO2を算出することができる(記号「/」は除算を示す)。
Accordingly, as shown in FIG. 7, the transmitted light amount I R of the red light R shown in the graph of the
ところで、入射光と透過光との関係はランバート・ビアの法則により、下記の(2)式で表すことができる。但し、下記(2)式において、Eは吸光物の吸光係数を表し、Cは吸光物の濃度を表す。 By the way, the relationship between incident light and transmitted light can be expressed by the following equation (2) according to Lambert Beer's law. However, in the following formula (2), E represents the extinction coefficient of the light-absorbing material, and C represents the concentration of the light-absorbing material.
赤色光R及び赤外光IRの2つの波長をそれぞれ上記(2)式に当てはめ((2)式中のIをIR又はIIRに置換する)、その比をとることによって下記の(3)式を得ることができる。但し、上記(3)式において、IRは赤色光Rの透過光量を表し、IIRは赤外光IRの透過光量を表し、ERは赤色光Rの吸光係数を表し、EIRは赤外光IRの吸光係数を表す。 The two wavelengths of the red light R and the infrared light IR are respectively applied to the above formula (2) (I in the formula (2) is replaced with I R or I IR ), and by taking the ratio thereof, the following (3 ) Formula can be obtained. However, in the above (3), I R represents a transmitted light amount of the red light R, I IR represents the amount of transmitted infrared light IR, E R represents an extinction coefficient of the red light R, E IR red It represents the extinction coefficient of external light IR.
図8は、吸光係数の比とSpO2との関係を示す図である。図8の横軸はSpO2であり、縦軸は吸光係数の比である。同図に示すように、例えば赤色光R及び赤外光IRの波長をそれぞれ約660nm及び約815nmとすると、吸光係数の比(ER/EIR)とSpO2との関係は右肩下がりの直線で表される。このような関係に基づいて、吸光係数の比からSpO2を算出することができる。なお、SpO2の算出方法としては、この方法に限らず、種々の方法が採用可能である。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the extinction coefficient ratio and SpO 2 . The horizontal axis in FIG. 8 is SpO 2 , and the vertical axis is the extinction coefficient ratio. As shown in the figure, for example, when the wavelengths of the red light R and the infrared light IR are about 660 nm and about 815 nm, respectively, the relationship between the extinction coefficient ratio (E R / E IR ) and SpO 2 decreases downward. Represented by a straight line. Based on such a relationship, SpO 2 can be calculated from the ratio of extinction coefficients. As the method of calculating the SpO 2, is not limited to this method, various methods can be adopted.
制御処理部26は、所定の制御プログラム等を記憶するROM、一時的にデータを格納するRAM及び制御プログラム等をROMから読み出して実行する中央演算処理装置(CPU)やDSP(Digital Signal Processor)からなり、当該パルスオキシメータ1全体の動作制御を司るものである。制御処理部26は、これらRAMやROMに記憶されたデータやプログラムに基づいて、発光部221及び受光部222の動作制御を行うと共に、取得された二波長の光電脈波データから上述したような算出方法に基づいてSpO2値を算出する演算処理等を行う。
The
メモリ部27は、演算処理や制御処理などのデータを一時的に格納するEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)やフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ等からなる。該メモリ部27には、二波長光電脈波データ、或いは二波長光電脈波データに基づき制御処理部26にて算出されるサンプリング周期毎の瞬時SpO2値が時刻情報に関連付けて格納される。このように時刻情報に関連付けることで、事後的なデータ解析、若しくはSpO2値のライブ表示が容易に行えるようになる。
The
電源部28は、所定の電源回路、ボタン電池等の電源電池等を備え、当該パルスオキシメータ1の各部へ駆動電圧を供給するものである。
The
図9は、制御処理部26(演算処理部)の機能構成を示す機能ブロック図である。制御処理部26は、ノイズ抽出部261、バンドパスフィルタ(BPF)262、生体情報演算部263、表示制御部264、測定制御部265及び判定部266を備えている。
FIG. 9 is a functional block diagram showing a functional configuration of the control processing unit 26 (arithmetic processing unit). The
ノイズ抽出部261は、A/D変換部25より与えられるデータ信号から、生体に由来しないノイズ信号を抽出する機能を果たす。具体的にはノイズ抽出部261は、赤色LED221A及び赤外LED221Bの発光時においてサンプルされた出力信号成分から、非発光時においてサンプルされた出力信号成分(ダーク成分)を減算する処理を行う。この処理は、受光部222へ生体の透過光に重畳して入射した外光の影響を除くためのものである。
The
図10は、ノイズ抽出部261におけるダーク成分減算処理を説明するための模式図である。赤色LED221Aが波長λ1の赤色光を発したタイミングで検出されたλ1出力信号をS1、S3、赤外LED221Bが波長λ2の赤外光を発したタイミングで検出されたλ2出力信号をS2、S4とする。また、赤色LED221A及び赤外LED221Bの発光インターバル(非発光時)に検出された出力信号をダーク成分D(D1〜D4)とする。
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining dark component subtraction processing in the
この場合、出力信号S1〜S4にはダーク成分Dが重畳されていることになるので、ノイズ抽出部261は、例えばλ1出力信号S3については、“S3−D2”の減算処理を、λ2出力信号S2については、“S2−D1”の減算処理を行うことで、ダーク成分Dが除かれた生体に由来するλ1信号成分、λ2信号成分を算出する。或いは、ノイズ抽出部261は、例えばλ1出力信号S3について、“S3−(D2+D3)/2”の減算処理を行うことでλ1信号成分を算出する。なお、このダーク成分Dは、商用周波数の判別のために、判定部266で利用される。
In this case, since the dark component D is superimposed on the output signals S1 to S4, the
バンドパスフィルタ262は、可変デジタルフィルタ(固定デジタルフィルタであっても良い)で構成され、A/D変換部25から与えられる光電脈波信号からノイズ成分を除去するフィルタリング処理を行う。このバンドパスフィルタ262のフィルタ特性は、判定部266における商用周波数の判別結果によって変更可能とされている。すなわち、商用周数=50Hzのノイズ除去に適したフィルタ特性と、商用周波数=60Hzのノイズ除去に適したフィルタ特性とに変更可能とされている。
The
生体情報演算部263は、フィルタリング処理後の光電脈波信号に基づき、SpO2値を求める演算処理を行う。この演算処理は、先ずサンプリング周期毎(30Hz〜60Hz程度)に瞬時SpO2値を求め、平均化処理を行った後に、単位時間ごとのSpO2値を求める処理である。
The biological
瞬時SpO2値は、上記の生体に由来するλ1信号成分及びλ2信号成分(各々、ダーク成分減算処理、バンドパスフィルタ処理が施された信号)からなる2波長光電脈波データ用い、サンプリング周期毎に両者の比を取ることで求められる。ここでの平均化処理は、ノイズ除去を目的とするもので、瞬時SpO2値の中から明らかに異常と判定されるデータ(欠測や体動等により生じる不自然なデータ)を除外した上で、複数の瞬時SpO2値の移動平均を取る処理である。このような、移動平均処理後の瞬時SpO2値を用いて、例えば1秒ごとのSpO2値が算出されるものである。 As the instantaneous SpO 2 value, two-wavelength photoelectric pulse wave data composed of the λ1 signal component and λ2 signal component (each of which has been subjected to dark component subtraction processing and bandpass filter processing) derived from the above-described living body is used, and each sampling period is used. It is calculated by taking the ratio of the two. The averaging process here is intended to remove noise, and excludes data that is clearly determined to be abnormal from the instantaneous SpO 2 values (unnatural data caused by missing measurements, body movements, etc.). This is a process of taking a moving average of a plurality of instantaneous SpO 2 values. Using such an instantaneous SpO 2 value after the moving average processing, for example, an SpO 2 value for every second is calculated.
表示制御部264は、生体情報演算部263での演算結果を、適宜な表示形態で表示部に表示させるための制御信号を生成する。例えば表示制御部264は、1秒ごとに求められるSpO2値の平均値を表示させたり、SpO2値を時間軸に展開したSpO2曲線を表示させたり、該SpO2曲線に基づき、SpO2値の低下ピークであるDipの存在を検出してその結果を表示させたりするための制御信号を生成する。
The
測定制御部265は、所定の測定プログラムに則り発光部221の発光タイミングと、A/D変換タイミングとを制御する。具体的には測定制御部265は、発光回路23及びA/D変換部25にタイミングパルスを与え、サンプリング周期毎に発光部221を発光させると共に、その発光タイミングに同期させて受光部222からA/D変換部25を経て光電脈波信号(データ信号)を取得させる。
The
なお、サンプリング周波数は変更可能とされており、測定制御部265は、状況に応じてサンプリング周波数を変更する。但し本実施形態では、少なくとも測定動作中は、エリアシングノイズを検出する関係上(換言すると、測定動作中に商用周波数の判別動作が行えるよう)、商用周波数(50Hz/60Hz)よりも小さいナイキスト周波数をもつ範囲で、サンプリング周波数が選ばれる。測定制御部265は、例えば判定部266における商用周波数の判別結果に応じて、このサンプリング周波数を変更する。
Note that the sampling frequency can be changed, and the
判定部266は、赤色LED221A及び赤外LED221Bの非発光時に検出される上記ダーク成分Dに基づき、当該パルスオキシメータ1が置かれている環境の電力供給系統が50Hz(第1商用周波数)であるか、或いは60Hz(第2商用周波数)であるかを判別する処理を行う。
The
50Hzのノイズと60Hzのノイズとを判別する場合、各ノイズ波形をダイレクトに検出しようとすると、そのノイズ信号のサンプリングを、少なくとも120Hzで、望ましくはその10倍の1200Hzで行う必要がある。この程度に高い周波数でサンプリングを行えば、先に図20で示したサンプリング点のさらに2倍のデータが得られることから、50Hz又は60Hzの別を正確に判定できる。 In the case of discriminating between 50 Hz noise and 60 Hz noise, in order to directly detect each noise waveform, the noise signal needs to be sampled at least at 120 Hz, and preferably at 10 times 1200 Hz. If sampling is performed at such a high frequency, data twice as many as the sampling points shown in FIG. 20 can be obtained, so that it is possible to accurately determine whether the frequency is 50 Hz or 60 Hz.
このため、従来の一般的なパルスオキシメータでは、電源がONされた後、SpO2の測定動作を行う前に、発光部を点灯させない状態で、1200Hzの高速でA/D変換出力を取り出して商用周波数を判別する処理が行われていた。その判別処理法は、例えばA/D変換後のノイズデータ信号に周波数変換処理(フーリエ変換処理)を施してノイズ周波数を特定する方法である。 For this reason, in the conventional general pulse oximeter, the A / D conversion output is taken out at a high speed of 1200 Hz without turning on the light emitting part before the SpO 2 measurement operation after the power is turned on. Processing to determine the commercial frequency has been performed. The discrimination processing method is a method of specifying a noise frequency by performing frequency conversion processing (Fourier transform processing) on a noise data signal after A / D conversion, for example.
図11は、サンプリング周波数=1200Hzで、商用周波数=50Hzのノイズ波形を検出したときに得られる周波数変換データの一例である。図11に示すように、周波数変換データには周波数のピークが明確に表れることから、ノイズ源の周波数を特定することができる。この他、前記ノイズデータ信号の波形のピーク間隔を求める方法等によっても、ノイズ周波数を特定することができる。 FIG. 11 is an example of frequency conversion data obtained when a noise waveform with a sampling frequency of 1200 Hz and a commercial frequency of 50 Hz is detected. As shown in FIG. 11, since the frequency peak clearly appears in the frequency conversion data, the frequency of the noise source can be specified. In addition, the noise frequency can also be specified by a method for obtaining the peak interval of the waveform of the noise data signal.
しかし、このような高周波数でのデータサンプリングを要する商用周波数判別は、消費電力等の関係から測定動作中には行わず、測定開始前に行われている。このため、従来のパルスオキシメータでは、測定中に商用周波数の環境が変わった場合に対応できなかった。そこで本実施形態では、ノイズ源の商用周波数よりも小さいナイキスト周波数をもつサンプリング周波数でノイズデータ信号(ダーク成分)を検出し、しかもローパスフィルタのような追加電気回路を要することなく、測定動作中にも商用周波数の判別を行えるようにしている。このため判定部266は、ノイズ源の周期よりも長い周期でデータサンプリングを行ったときに表れるエリアシングノイズを利用して、商用周波数の判別を行う。
However, such commercial frequency discrimination that requires data sampling at a high frequency is not performed during the measurement operation because of power consumption or the like, but is performed before the start of measurement. For this reason, conventional pulse oximeters cannot cope with changes in the commercial frequency environment during measurement. Therefore, in this embodiment, a noise data signal (dark component) is detected at a sampling frequency having a Nyquist frequency smaller than the commercial frequency of the noise source, and an additional electric circuit such as a low-pass filter is not required, and the measurement operation is performed. Is also able to determine the commercial frequency. For this reason, the
図12は、60Hzの正弦波を45Hzのサンプリング周波数でサンプリング(A/D変換)している状態を示す模式図である。この場合、60Hzの正弦波は、4周期に3回だけサンプリングされることになる。この結果、60Hzの正弦波を検出しようとしているにも拘わらず、もともと存在しない15Hzのノイズが検出されるようになる。これがエリアシングノイズである。 FIG. 12 is a schematic diagram showing a state in which a 60 Hz sine wave is sampled (A / D converted) at a sampling frequency of 45 Hz. In this case, the 60 Hz sine wave is sampled only three times in four periods. As a result, in spite of trying to detect a sine wave of 60 Hz, a noise of 15 Hz that does not exist originally is detected. This is aliasing noise.
図13は、サンプリング周波数=45Hzで、商用周波数=60Hzのノイズ波形を検出したときに得られる周波数変換データの一例である。図12に示した原因により、周波数軸上でナイキスト周波数(この場合22.5Hz)を対称軸にして、60Hzを折り返した周波数である15Hzにエリアシングノイズが現われている。 FIG. 13 is an example of frequency conversion data obtained when a noise waveform with a sampling frequency = 45 Hz and a commercial frequency = 60 Hz is detected. Due to the cause shown in FIG. 12, aliasing noise appears at 15 Hz, which is a frequency obtained by folding 60 Hz, with the Nyquist frequency (22.5 Hz in this case) as the axis of symmetry on the frequency axis.
一方、50Hzの正弦波を45Hzのサンプリング周波数でサンプリングした場合、10周期に9回サンプリングされる結果、5Hzのエリアシングノイズが検出される。図14は、サンプリング周波数=45Hzで、商用周波数=50Hzのノイズ波形を検出したときに得られる周波数変換データの一例である。図示するように、ナイキスト周波数を対称軸にして、50Hzを折り返した周波数である5Hzにエリアシングノイズが現われている。 On the other hand, when a sine wave of 50 Hz is sampled at a sampling frequency of 45 Hz, the aliasing noise of 5 Hz is detected as a result of sampling 9 times in 10 cycles. FIG. 14 is an example of frequency conversion data obtained when a noise waveform with a sampling frequency = 45 Hz and a commercial frequency = 50 Hz is detected. As shown in the figure, aliasing noise appears at 5 Hz, which is a frequency obtained by turning 50 Hz around the Nyquist frequency.
このように、サンプリング周波数が同じである場合、50Hzのノイズがアナログ信号に混入しているときと、60Hzのそれとでは、異なる周波数成分のエリアシングノイズがA/D変換後のデジタル信号において検出されるようになる。従って、エリアシングノイズを検出することで、高周波数でサンプリングを行うことなく、50Hz/60Hzの別を特定できるようになる。 Thus, when the sampling frequency is the same, aliasing noise of different frequency components is detected in the digital signal after A / D conversion when 50 Hz noise is mixed in the analog signal and when it is 60 Hz. Become so. Therefore, by detecting aliasing noise, it becomes possible to specify 50 Hz / 60 Hz without sampling at a high frequency.
上記に鑑み、判定部266は、ノイズ抽出部261での減算処理の際に用いられたダーク成分D(図10)を利用して、商用周波数のノイズ成分のエリアシングノイズを求める演算を行う。そして、50Hz/60Hzの別が特定されたならば、その判定結果を測定制御部265へ出力する。これを受けて測定制御部265は、A/D変換部25に対するサンプリング周波数、バンドパスフィルタ262のフィルタ特性を適宜変更する。この点を、図15〜図18に基づき、一例を挙げて説明する。
In view of the above, the
図15に示すように、サンプリング周波数=45Hzで、商用周波数=50Hzの環境下でA/D変換部25からデータ信号をサンプリングすると、50Hzのノイズ波形N1と、22.5Hzのナイキスト周波数を折り返し軸として5HzのエリアシングノイズN2が検出される。上述したように、パルスオキシメータ1において生体に由来する信号成分aは、脈動に応じた0.3Hz〜4Hz程度である。この場合、信号成分aとエリアシングノイズN2との周波数が近接していることから、エリアシングノイズN2をフィルタリングすることが困難である。一方、商用周波数=60Hzの場合、図13に示したように、エリアシングノイズ=15Hzであり、信号成分aとは周波数が離間しているため、ノイズ除去が比較的容易である。
As shown in FIG. 15, when the data signal is sampled from the A /
そこで、測定制御部265は、判定部266が商用周波数=50Hzと判定した場合、信号成分aの周波数帯域に対してエリアシングノイズN2が離間した周波数で表れるように、サンプリング周波数を変更する。例えば図16に示すように、サンプリング周波数=37.5Hzとすれば、18.75Hzのナイキスト周波数を折り返し軸として12.5HzのエリアシングノイズN2が検出されるようになる。これにより、エリアシングノイズN2と信号成分aとは周波数的に離間され、ノイズ除去が容易となる。測定制御部265は、これに伴いバンドパスフィルタ262のフィルタ特性を、12.5Hzをターゲットとするものに変更させ、デジタル信号中のノイズ成分を効果的に除去させる。
Therefore, when the
ここで、測定制御部265にサンプリング周波数を変更させるに際し、エリアシングノイズが、サンプリング周波数の整数分の1に表れるように、サンプリング周波数を選択することが望ましい。このことは、生体情報演算部263における、平均化処理の簡素化に貢献する。生体情報演算部263は、瞬時SpO2値を求めるにあたり、例えばバンドパスフィルタ処理後のλ1信号成分及びλ2信号成分の移動平均を取る処理を行う。
Here, when the
λ1信号成分及びλ2信号成分の移動平均処理において、サンプリング周波数=45Hzで、商用周波数=60Hzの環境の場合、図12に示したように、サンプリング周期でみると、3周期に1回の割合で商用周波数と位相が合う。従って、時間軸方向に連続する3点のλ1信号成分及びλ2信号成分の値の移動平均をそれぞれとるようにすることで、ノイズがキャンセルできるようになる。このように、少ないサンプリング点の移動平均演算でノイズ低減を図れるのは、
サンプリング周波数(45Hz):エリアシングノイズ(15Hz)=3:1
と、両者が整数倍の関係にあるからである。
In the moving average process of the λ1 signal component and the λ2 signal component, in the case of an environment where the sampling frequency is 45 Hz and the commercial frequency is 60 Hz, as shown in FIG. The phase matches the commercial frequency. Therefore, noise can be canceled by taking the moving average of the values of the λ1 signal component and the λ2 signal component at three points continuous in the time axis direction. In this way, it is possible to reduce noise by moving average calculation with a small number of sampling points.
Sampling frequency (45 Hz): aliasing noise (15 Hz) = 3: 1
This is because they are in an integer multiple relationship.
一方、サンプリング周波数=45Hzで、商用周波数=50Hzの環境の場合、図17に示すように、商用周波数の10回の周期(t11〜t20)と、サンプリング周波数の9回の周期(s11〜s19)とが整合する。つまり、サンプリング周期でみると、9周期に1回の割合で商用周波数と位相が合う。従って、時間軸方向に連続する9点の単位でλ1信号成分及びλ2信号成分の値(d1〜d9)の移動平均値DA1を求めることで、移動平均取得点グループ単位相互でノイズをキャンセルすることができる。 On the other hand, in the case of an environment where the sampling frequency is 45 Hz and the commercial frequency is 50 Hz, as shown in FIG. 17, 10 cycles of the commercial frequency (t11 to t20) and 9 cycles of the sampling frequency (s11 to s19). And are consistent. In other words, in terms of the sampling period, the commercial frequency and the phase are matched once every nine periods. Accordingly, by obtaining the moving average value DA1 of the values of the λ1 signal component and the λ2 signal component (d1 to d9) in units of nine points that are continuous in the time axis direction, noise can be canceled between the moving average acquisition point group units. Can do.
この場合も、
サンプリング周波数(45Hz):エリアシングノイズ(5Hz)=9:1
と、両者が整数倍の関係にあるのでノイズをキャンセルできるのであるが、移動平均を取る際のデータ点数は少ない方が望ましい。この場合、もっと少ない周期で位相が合うように、サンプリング周波数を変更すればよい。ここで、商用周波数=50Hzの環境である場合、図16に示したように、サンプリング周波数=37.5Hzとすれば、12.5Hzのエリアシングノイズが発生する。このとき、
サンプリング周波数(37.5Hz):エリアシングノイズ(12.5Hz)=3:1
となるので、上掲の60Hzの場合と同様に3点の単位で移動平均を取ることができるようになる。
Again,
Sampling frequency (45 Hz): aliasing noise (5 Hz) = 9: 1
Since the two have an integer multiple relationship, noise can be canceled, but it is desirable that the number of data points when taking a moving average is small. In this case, it suffices to change the sampling frequency so that the phases are matched with a smaller period. Here, when the commercial frequency is 50 Hz, as shown in FIG. 16, if the sampling frequency is 37.5 Hz, aliasing noise of 12.5 Hz is generated. At this time,
Sampling frequency (37.5 Hz): aliasing noise (12.5 Hz) = 3: 1
Therefore, the moving average can be obtained in units of three points as in the case of 60 Hz described above.
すなわち、図18に示すように、商用周波数の4回の周期(t11〜t14、t15〜t18)と、サンプリング周波数の3回の周期(s11〜s13、s14〜s16)とが整合する。このため、時間軸方向に連続する3点の単位でλ1信号成分及びλ2信号成分の値(d1〜d3、d4〜d6)の移動平均値DA1、DA2を求めることで、これら移動平均値DA1、DA2相互間のノイズをキャンセルすることができる。従って、演算処理を簡素化しつつ、ノイズを低減させることができる。 That is, as shown in FIG. 18, the four cycles of commercial frequencies (t11 to t14, t15 to t18) and the three cycles of sampling frequencies (s11 to s13, s14 to s16) are matched. For this reason, by obtaining the moving average values DA1 and DA2 of the values (d1 to d3, d4 to d6) of the λ1 signal component and the λ2 signal component in units of three points that are continuous in the time axis direction, these moving average values DA1, Noise between DA2 can be canceled. Therefore, noise can be reduced while simplifying the arithmetic processing.
また、測定制御部265は、例えば測定開始時に、従来と同じ手法で商用周波数の判別を行う場合において、発光部221を点灯させない状態で、サンプリング周波数を1200Hz程度に設定する。このときのデータ信号は、A/D変換部25から判定部266へ直接入力され、判定部266において従来と同じ手法で商用周波数の判別処理が行われる。なお、測定制御部265のこの機能は、省くようにしても良い。
The
以上の通り構成された本実施形態に係るパルスオキシメータ1の動作について、図14に示すフローチャートに基づいて説明する。パルスオキシメータ1の電源が投入されると、測定制御部265によりA/D変換部25のサンプリング周波数が1200Hzに設定され、発光部221を点灯させない状態でノイズデータ信号が取得される。該ノイズデータ信号は判定部266にて周波数変換され、そのピーク周波数を求めることで、測定初期における環境の商用周波数が検出される(ステップ#1)。
The operation of the
そして、検出された商用周波数に合わせて、A/D変換部25のサンプリング周波数、バンドパスフィルタ262のフィルタ特性が初期設定される(ステップ#2)。例えば、環境の商用周波数が60Hzであった場合、サンプリング周波数=45Hz、バンドパスフィルタ262のフィルタ特性を、15Hzのエリアシングノイズ除去用に設定する。なお、このステップ#1、#2は省略しても良い。
Then, in accordance with the detected commercial frequency, the sampling frequency of the A /
その後、光電脈波の測定モードに移行する(ステップ#3)。測定制御部265は、発光部221に波長λ1の赤色光と波長λ2の赤外光と投光動作を所定の周期で実行させる。また、測定制御部265は、A/D変換部25から、45Hzのサンプリング周波数でデジタルの二波長光電脈波信号をノイズ抽出部261に取り込ませる。ノイズ抽出部261でのダーク成分の減算、バンドパスフィルタ262でのフィルタリングを経て、生体情報演算部263で瞬時SpO2値が算出され、得られた瞬時SpO2値が時刻情報に関連付けてメモリ部27に格納される(ステップ#4)。
Thereafter, the mode shifts to a photoelectric pulse wave measurement mode (step # 3). The
ステップ#4の処理を実行しながら、ノイズの確認動作が行う所定のタイミングであるか否かが確認される(ステップ#5)。ここで確認するノイズは、商用周波数の別である。ノイズ確認のタイミングである場合(ステップ#5でYES)、判定部266によりダーク成分の信号に基づいて、エリアシングノイズが検出される(ステップ#6)。
While performing the process of
このエリアシングノイズの検出結果から、判定部266は、測定環境の商用周波数が変化しているか否かを判定する(ステップ#7)。商用周波数が変化していた場合、例えば60Hzから50Hzに変化していた場合(ステップ#7でYES)、測定制御部265により、A/D変換部25のサンプリング周波数=37.5Hz、バンドパスフィルタ262のフィルタ特性を12.5Hzのエリアシングノイズ除去用に設定する設定変更が行われる(ステップ#8)。
From the detection result of the aliasing noise, the
その後、測定動作を終了するか否かが確認され(ステップ#9)、測定を継続する場合(ステップ#9でNO)、ステップ#4に戻って処理が繰り返される。測定を終了する場合(ステップ#9でYES)、処理を終える。なお、ノイズ確認のタイミングでない場合(ステップ#5でNO)、ステップ#6〜ステップ#8はスキップされる。また、商用周波数に変化がない場合(ステップ#7でNO)、ステップ#8はスキップされる。
Thereafter, it is confirmed whether or not to end the measurement operation (step # 9). When the measurement is continued (NO in step # 9), the process returns to step # 4 and is repeated. When the measurement is finished (YES in step # 9), the process is finished. If it is not the timing for noise confirmation (NO in step # 5), steps # 6 to # 8 are skipped. If there is no change in the commercial frequency (NO in step # 7),
以上説明した通りの本実施形態に係るパルスオキシメータ1によれば、A/D変換部25のサンプリング周波数が商用周波数よりも低いものとされるので、商用周波数の判別のためにパルスオキシメータ1に大きな負担がかかることはない。従って、パルスオキシメータ1の消費電流を抑制することができる。また、光電脈波測定を測定する比較的低いサンプリング周波数で得られるダーク成分を用いて商用周波数の判別が行えるので、生体情報の測定中にも商用周波数の判別動作を行わせることが容易である。このため、測定中に商用周波数の環境が変わってしまった場合にも、その変化後の商用周波数に合わせて、ノイズを的確に除去することができる。
According to the
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば次の(1)〜(4)の変形実施形態を取ることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and for example, the following modified embodiments (1) to (4) can be taken.
(1)上記実施形態では、ノイズデータ信号に対して周波数変換を行い、そのピーク周波数を求めることでエリアシングノイズの検知、すなわち商用周波数の特定を行うようにした。これに代えて、ノイズの周期を検出することで商用周波数の特定を行うようにしても良い。上述の通り、サンプリング周波数を45Hzに選んだ場合、商用周波数が60Hzであるときは3点のサンプリング点ごとに周期が表れ、商用周波数が50Hzであるときは9点のサンプリング点ごとに周期が表れる。従って、ノイズの周期を求めることで、商用周波数の別を特定することができる。 (1) In the above embodiment, the frequency conversion is performed on the noise data signal, and the peak frequency is obtained to detect the aliasing noise, that is, specify the commercial frequency. Alternatively, the commercial frequency may be specified by detecting the period of noise. As described above, when the sampling frequency is selected to be 45 Hz, when the commercial frequency is 60 Hz, a cycle appears for every three sampling points, and when the commercial frequency is 50 Hz, a cycle appears for every nine sampling points. . Therefore, the commercial frequency can be specified by obtaining the noise period.
(2)上記実施形態では、サンプリング周波数を45Hzとし、また、商用周波数が50Hzであることが検知された場合に、サンプリング周波数を37.5Hzとする例を示した。これらのサンプリング周波数は一例であり、商用周波数よりも小さいナイキスト周波数をもつサンプリング周波数であれば良い。中でも、商用周波数(50Hz)以下の低い周波数のサンプリング周波数であることが望ましい。 (2) In the above-described embodiment, an example in which the sampling frequency is set to 45 Hz and the sampling frequency is set to 37.5 Hz when the commercial frequency is detected to be 50 Hz is shown. These sampling frequencies are merely examples, and any sampling frequency having a Nyquist frequency lower than the commercial frequency may be used. Among these, it is desirable that the sampling frequency is a low frequency of commercial frequency (50 Hz) or less.
(3)上記実施形態では、生体情報演算部263において移動平均を取ることでノイズを低減する手法を例示した。これに代えて、FIR(Finite Impulse Response)フィルタやIIR(Infinite Impulse Response)フィルタのような高次フィルタを用いるようにしても良い。
(3) In the said embodiment, the technique which reduces noise by taking a moving average in the biometric
(4)上記実施形態では、生体情報測定装置の一例として、二波長光電脈波を検出して血中酸素飽和度を求めるパルスオキシメータ1を例示した。この他、一波長光電脈波(この場合、発光部221の発光素子は1つで良い)に基づき、脈拍、不整脈(心房細動・期外収縮)の検出、除細動時のモニター、自律神経障害、血管年齢等の診断等を行う生体情報測定装置にも本発明を適用することができる。さらに、脈波以外に、心電、口・鼻フロー、胸・腹の動き等の生体情報を測定対象とする装置にも適用することができる。
(4) In the said embodiment, the
1 パルスオキシメータ
21 本体部
211 操作部
212 表示部
22 プローブ(センサ部の一部)
221 発光部
222 受光部(光電変換素子)
23 発光回路
24 I/V変換部
25 A/D変換部
26 制御処理部(演算処理部)
261 ノイズ抽出部
262 バンドパスフィルタ(デジタルフィルタ)
263 生体情報演算部
264 表示制御部
265 測定制御部
266 判定部
27 メモリ部
28 電源部
1
221
23 Light Emitting Circuit 24 I / V Converter 25 A /
261
263 Biometric
Claims (10)
前記アナログ信号を、互いに異なる第1商用周波数及び第2商用周波数よりも小さいナイキスト周波数をもつサンプリング周波数で、デジタル信号に変換し、これをデータ信号として出力するA/D変換部と
前記データ信号に基づき所定のデータ解析処理を行う演算処理部と、を含み、
前記演算処理部は、
前記データ信号から、生体に由来しないノイズ信号を抽出するノイズ抽出部と、
前記ノイズ信号から、周期的なノイズ成分のエリアシングノイズを検出することで、前記第1及び第2商用周波数の別を特定する判定部と、
を備えることを特徴とする生体情報測定装置。 A sensor unit that measures parameters related to biological information and outputs an analog signal;
The analog signal is converted into a digital signal at a sampling frequency having a Nyquist frequency smaller than the first commercial frequency and the second commercial frequency, and an A / D converter that outputs the digital signal as a data signal; An arithmetic processing unit that performs predetermined data analysis processing based on
The arithmetic processing unit includes:
A noise extraction unit that extracts a noise signal not derived from a living body from the data signal;
A determination unit that identifies the first and second commercial frequencies by detecting aliasing noise of a periodic noise component from the noise signal;
A biological information measuring device comprising:
前記デジタルフィルタのフィルタ特性が、前記判定部で特定された第1及び第2商用周波数の別に応じて変更可能とされていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の生体情報測定装置。 A digital filter for removing the noise signal from the data signal;
The biometric information according to any one of claims 1 to 3, wherein a filter characteristic of the digital filter is changeable according to the first and second commercial frequencies specified by the determination unit. measuring device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007025566A JP2008188216A (en) | 2007-02-05 | 2007-02-05 | Biological information measurement apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007025566A JP2008188216A (en) | 2007-02-05 | 2007-02-05 | Biological information measurement apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008188216A true JP2008188216A (en) | 2008-08-21 |
Family
ID=39748876
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007025566A Pending JP2008188216A (en) | 2007-02-05 | 2007-02-05 | Biological information measurement apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008188216A (en) |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010073908A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | コニカミノルタセンシング株式会社 | Biological information signal processing apparatus, biological information signal processing method and biological information measuring apparatus |
JP2011041699A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Konica Minolta Sensing Inc | Biological information measuring apparatus |
JP2012163543A (en) * | 2010-09-30 | 2012-08-30 | Daihen Corp | Frequency detector |
US8494786B2 (en) | 2009-07-30 | 2013-07-23 | Covidien Lp | Exponential sampling of red and infrared signals |
JP2014124316A (en) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | Nippon Koden Corp | Lifesaving support device and lifesaving support system |
JP2014217707A (en) * | 2013-05-11 | 2014-11-20 | 株式会社 ライフインターフェイス | Biological information measuring device and biological information measuring system |
WO2014192624A1 (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-04 | 株式会社村田製作所 | Living organism sensor |
JP2015139516A (en) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | シャープ株式会社 | Biological information measurement device |
US9211090B2 (en) | 2004-03-08 | 2015-12-15 | Covidien Lp | Selection of ensemble averaging weights for a pulse oximeter based on signal quality metrics |
JPWO2018123676A1 (en) * | 2016-12-27 | 2019-07-11 | アルプスアルパイン株式会社 | Sensor module and biological information display system |
CN110037713A (en) * | 2013-12-16 | 2019-07-23 | 美敦力迷你迈德公司 | Use of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in continuous glucose monitoring |
JP2019154523A (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-19 | 富士ゼロックス株式会社 | Biological information measuring device |
JP2020088526A (en) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | オムロン株式会社 | Photoelectronic sensor |
GB2594581A (en) * | 2020-04-03 | 2021-11-03 | Secr Defence | Computer implemented method for detecting pulsed radiation |
-
2007
- 2007-02-05 JP JP2007025566A patent/JP2008188216A/en active Pending
Cited By (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9211090B2 (en) | 2004-03-08 | 2015-12-15 | Covidien Lp | Selection of ensemble averaging weights for a pulse oximeter based on signal quality metrics |
JPWO2010073908A1 (en) * | 2008-12-26 | 2012-06-14 | コニカミノルタセンシング株式会社 | Biological information signal processing device, biological information signal processing method, and biological information measuring device |
WO2010073908A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | コニカミノルタセンシング株式会社 | Biological information signal processing apparatus, biological information signal processing method and biological information measuring apparatus |
US8494786B2 (en) | 2009-07-30 | 2013-07-23 | Covidien Lp | Exponential sampling of red and infrared signals |
US9380969B2 (en) | 2009-07-30 | 2016-07-05 | Covidien Lp | Systems and methods for varying a sampling rate of a signal |
JP2011041699A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Konica Minolta Sensing Inc | Biological information measuring apparatus |
JP2012163543A (en) * | 2010-09-30 | 2012-08-30 | Daihen Corp | Frequency detector |
JP2014124316A (en) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | Nippon Koden Corp | Lifesaving support device and lifesaving support system |
JP2014217707A (en) * | 2013-05-11 | 2014-11-20 | 株式会社 ライフインターフェイス | Biological information measuring device and biological information measuring system |
US10123744B2 (en) | 2013-05-30 | 2018-11-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Biosensor |
WO2014192624A1 (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-04 | 株式会社村田製作所 | Living organism sensor |
JP6020719B2 (en) * | 2013-05-30 | 2016-11-02 | 株式会社村田製作所 | Biosensor |
CN110037713A (en) * | 2013-12-16 | 2019-07-23 | 美敦力迷你迈德公司 | Use of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in continuous glucose monitoring |
CN110037713B (en) * | 2013-12-16 | 2022-09-16 | 美敦力迷你迈德公司 | Use of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) in continuous glucose monitoring |
JP2015139516A (en) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | シャープ株式会社 | Biological information measurement device |
JPWO2018123676A1 (en) * | 2016-12-27 | 2019-07-11 | アルプスアルパイン株式会社 | Sensor module and biological information display system |
US11096592B2 (en) | 2016-12-27 | 2021-08-24 | Alps Alpine Co., Ltd. | Sensor module and biological information display system |
JP2019154523A (en) * | 2018-03-08 | 2019-09-19 | 富士ゼロックス株式会社 | Biological information measuring device |
JP7106893B2 (en) | 2018-03-08 | 2022-07-27 | 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 | Biological information measuring device |
JP2020088526A (en) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | オムロン株式会社 | Photoelectronic sensor |
JP7034440B2 (en) | 2018-11-21 | 2022-03-14 | オムロン株式会社 | Photoelectric sensor |
GB2594581A (en) * | 2020-04-03 | 2021-11-03 | Secr Defence | Computer implemented method for detecting pulsed radiation |
GB2594581B (en) * | 2020-04-03 | 2022-09-21 | Secr Defence | Computer implemented method for detecting pulsed radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008188216A (en) | Biological information measurement apparatus | |
CN111629666B (en) | Systems and methods for sensing physiological parameters | |
JP5748160B2 (en) | Portable diagnostic device | |
US10478078B2 (en) | Device and method for determining vital signs of a subject | |
US7001337B2 (en) | Monitoring physiological parameters based on variations in a photoplethysmographic signal | |
US6896661B2 (en) | Monitoring physiological parameters based on variations in a photoplethysmographic baseline signal | |
US9560995B2 (en) | Methods and systems for determining a probe-off condition in a medical device | |
US9072439B2 (en) | Photoplethysmographic device and methods therefore | |
JP2004202190A (en) | Biological information measuring device | |
JP5096310B2 (en) | Method and apparatus for determining blood perfusion in a body part | |
JP2007209782A (en) | Signal processing method and device for signal-to-noise ratio improvement | |
JP2005516642A6 (en) | Signal processing method and apparatus for improving signal-to-noise ratio | |
JP2004321807A (en) | Apparatus and method for diagnosing sleep apnea | |
US20140275825A1 (en) | Methods and systems for light signal control in a physiological monitor | |
AU2021295602A1 (en) | Apparatus and method for compensating assessment of peripheral arterial tone | |
JP5299079B2 (en) | Biological information measuring device | |
WO2010073908A1 (en) | Biological information signal processing apparatus, biological information signal processing method and biological information measuring apparatus | |
US20140180042A1 (en) | Methods and Systems for Detecting a Sensor Off Condition Using A Reference Ambient Characteristic | |
JP5531715B2 (en) | Biological information measuring apparatus and method | |
US9888871B2 (en) | Methods and systems for determining a venous signal using a physiological monitor | |
JP5353790B2 (en) | Biological information measuring apparatus and method | |
JP5527277B2 (en) | Signal processing apparatus, signal processing method, and biological information measuring apparatus | |
WO2021064212A1 (en) | Method and system for evaluating the quality of ratio of ratios values | |
US20230270360A1 (en) | Selectable energy modes for measuring blood and tissue oxygenation |