JP2001501847A - 非侵入式光学血液分析用動き適合センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非浸入式光学センサが，測定される生理学的特性を算出するために，動きの信号を使用する。パルスオキシメータに対し，最小自乗または割合比技術が動きの信号自身に適用される。これは，動きの中の変化が，十分に相関が取られた二つの波形の信号を生成するところの，患者のサイトを選択することにより可能となった。とくに，爪，とくに親指の爪上に配置されたセンサが，パルスオキシメータに対して使用されたとき，相関が取られた赤色線および赤外線信号を有する特性を示し，生じた信号が動脈酸素飽和度に相関をもつことが分かった。

Description

【発明の詳細な説明】 非侵入式光学血液分析用動き適合センサ 発明の背景 本発明は、生理学的特性の非侵入式の測定に用いる光学センサに関し、特に、 動きの存在下においてこのような測定をするためのセンサに関する。 多くのタイプの光学センサが、患者の生理学的特性を計測するために使用され ている。典型的に、光学センサは、組織を通じて散乱され、検出される放射光を 与える。酸素飽和度、脈拍数（又はパルス（pulse）数）、ｐＨ、等のような患 者の様々な特性が、このような光を分析することによって測定できる。 拍動酸素測定法が、動脈血のヘモグロビン血中酸素飽和度、組織に供給する個 々の血液脈動の体積、及び患者の各心拍に対応する血液脈動の数を含む（これら に限らない）様々な血液特性を計測するために、典型的に、使用される。これら 特性の計測は、血液が組織を満たす患者の組織の一部分を通じて光を散乱させ、 このような組織での光の吸収度を光電的に感知する非侵入式のセンサの使用によ り達成されてきた。吸収される光の量が、次に、計測された血液成分の量を計算 するために使用される。 組織を通じて散乱される光は、血液中に存在する血液成分の量を 代表する量の血液により吸収される一つ又はそれ以上の波長のものから選択され る。組織を通じて散乱され、透過伝達された光の量は、組織中の血液成分の量の 変化や、これに関連した光吸収度に従って変化する。血液酸素レベルを計測する ため、このようなセンサは、典型的に、血中酸素飽和度を計測するための既知の 技術に従って、少なくとも二つの異なる波長の光を生成するために取り付けられ る光源と、これら波長の両方を感知する光検出器とともに与えられてきた。 既知の非侵入式のセンサは、指、耳、又は頭皮、等の身体の一部分に固定され るデバイスを含む。動物や人間では、これらの身体の一部分の組織は血液で満た されており、組織表面はセンサに明らかにアクセス可能である。ワールド・プレ シジョン・インスツルメンツ（World Precision Instmments）からの光電拍動変 換器が、指の爪を通じて信号を記録するように説明されている。 光学センサは、典型的に、反射式、又は透過式のいずれかである。透過式のセン サは、手の指、足の指、鼻、又はその他の組織の対向側にエミッターと検出器を 有する。これらは、一方の側から他方の側へと組織を通じて伝達された光を計測 する。一方、反射式のセンサは、前頭部や、指にセンサを位置させることが困難 な胎児、等への配置のように、同一側にエミッターと検出器を有する。反射 式のセンサは、同一の表面へ戻って散乱される光を検出する。 拍動酸素測定法では、その目的は、静脈血又は組織自身と区別されるように、 動脈血の酸素量を測定することである。しかし、放射光は、これら三つのもの全 てに吸収され、これらは、これらの間で区別されることが必要である。図１は、 時間に対する検出強度信号の対数のプロットを示す。実線１０は、時間とともに 変化する、拍動型オキシメータでの検出赤外線信号である。点線１２は、検出赤 色線波長信号である。図示のように、その値は、動脈を通じる血液の脈動のため 、心拍周期とともに上下する。線１４下方の信号の部分は、組織、静脈血、及び 動脈血の基線成分によって吸収された光を表す。 適当な信号分析を使用して、動脈血による吸収に起因する抽出ＡＣ部分を残し てＤＣ部分が消去される。図１及び２に示すように、異なる量で変化するが、赤 色線信号と赤外線信号は、同位相にある。図２は、赤外線対数信号に対する赤色 線対数信号の時間のエポック（epoch）にわたるプロットを示し、リサージュの プロットとして共通的に参照される。図示のように、直線が形成されており、こ れらが同位相にあることが示される。 赤色線及び赤外線信号のこの特性は、二つの方法を通じて酸素飽和度の測定を 可能にする。第一の方法では、“割合比”が計算さ れ、これは、最大信号強度とこれに続く最小信号強度を割ることによって得られ た商の対数の赤色線と赤外線との間の比である。この割合比は、次に、動脈血酸 素飽和度を計算するための所定の方程式に使用される。これは、米国特許第４６ ５３４９８号により詳しく説明されている。 “最小自乗法”のように参照される第二の方法では、最小自乗回帰分析が上記 のリサージュのプロットで行われ、時間のエポック中にとられたデータ点の全体 の傾きを決定する。この傾きは、次に、動脈血酸素飽和度を決定するための所定 の方程式で使用される。他の技術が、継続中の米国特許出願第０８／６６０５１ ０号（１９９６年６月７日出願）（発明の名称：Method and Apparatus for Est imating Physiological Parameters Using Model-Based Adaptive Filtering） に記載され、参考文献として組み入れられる。 幾つかの場合においては、身体での酸素使用量の指示を得るために、静脈血の 酸素飽和度を計測することが望まれる。一方、動脈血は、身体への酸素配給量の 指示を与える。Shigaの特許第４９２７２６４号には、静脈血の酸素飽和度が、 加圧カフで静脈圧力を誘導させることによって決定される。これは、心拍数と異 なった周波数において図１の直線１４を効果的に変化させ、それは、個別にフィ ルターされ且つ孤立化され、動脈血の拍動と比較される。無変化部分 は、次に、組織吸収であると仮定され、静脈血吸収を誘導したゆっくりと変化す る圧力と区別される。変形的な方法が、血液が体外に実際に吸引され、次いで体 内に戻る、ところの体外モニタリングで使用される。このような技術は、Odell らの文献（“Use of Pulse Oximetry to Monitor Venous Saturation During Ex tracorporeal Life Support”、Critical Care Medicine、Vol.22、No.4、１９ ９４年４月４日）に記載されている。Odellでは、体外に吸引される静脈血はセ ンサを通過し、吸引機構が、拍動酸素測定技術の使用を可能にする動脈の脈拍を 与える。 動きアーチファクト（artifact）が、医者の意識とは別に、医者の頼る拍動酸 素測定信号を劣化させる。これは、患者のモニタリングが遠隔的である場合、又 は移動が観察するには小さすぎる場合、又はドクターが機器や患者の一部分を見 ている場合に、特に真実である。よって、典型的な技術が、動きの影響を低減し たり、動きを補償するために用いられる。 米国特許第５０２５７９１号に説明される一つのオキシメータシステムでは、 加速器が、動きを検出するために使用される。動きが検出されると、動きに影響 される読み取りが、消去されるか、又は影響されないように指示される。典型的 なオキシメータでは、血液脈拍信号の高点（又はピーク（peak））と低点（又は バレー（valley ））とでとった計測値が、所望の特性を計算するために使用される。動きが、不 正確な信号の高点と低点とを発生させ、その結果、計測値が不正確な値と、間違 った時間で記録されるものとを有することになる。本発明の譲受人であるネルコ ー・ピューリタン・ベネットに譲渡された米国特許第４８０２４８６号には、Ｅ ＫＧ信号がモニターされ、オキシメータの読み出しに相関されて、オキシメータ の読み出しでのノイズ及び動きアーチファクトの脈拍の影響を制限するように同 期化する。これは、周期的な動き信号を追尾するオキシメータの好機を低減する 。ネルコー・ピューリタン・ベネットに譲渡された米国特許第５０７８１３６号 に記載のもののようなその他のシステムは、ノイズ及び動きアーチファクトの影 響を制限しようとする信号処理を使用する。ここで、米国特許第５０７８１３６ 号は、線形挿間及び変化率技術を使用して、オキシメータ信号を分析する。米国 特許第５３３７７４４号には、動きアーチファクトからの信号の影響を受けない ようにするために使用されるセンサの変形物が記載される。 動き信号は、心臓の信号を曖昧にするので、計測値を阻害する。動き信号は、 例えば、身体から物理的に遠ざかるエミッターや検出器、又は動きに応答して周 囲で同様する静脈及び動脈血の体積、又は動きに起因した組織の収縮により短く なったり長くなったりする 信号経路、といった多くの成分を有し得る。 在来的なプラクティスと対照的に、信号分析は、時間とともに変化する動き信 号を直接使用して、酸素飽和度を計算できるものであり得る。幾つかの条件下で 、動きにより誘導される信号からの割合比（又は最小自乗）が、心臓により誘導 される信号の割合比（又は最小自乗）と同一の値を有する。赤色線及び赤外線強 度信号が、ときどき同位相になく、酸素飽和度を計算するための動き信号の使用 を制限する。これを引き起こす要因の一つが図３に示される。図３に示すように 、エミッター２８からの光が、検出器３０への途中に、皮膚１３、皮下脂肪１５ 、筋肉１６及び骨１８を通過する。一方の波長の光が、平均して、経路３２をと り、その間に、他方の波長の光が、より深く透過し、経路３４をとる。二つの波 長の光の経路長で釣合いを失った変化を引き起こし、検出器の信号に位相外れを 生じさせる。 発明の概要 本発明は、計測される生理学的特性を計算するために、動き信号を使用する非 侵入式光学センサを提供する。拍動型オキシメータのために、最小自乗又は割合 比技術が、動き信号自身の傾きに適用される。これは、相互に適切に相関される 二つの波長で動きが信号を発生する患者のサイトを選択することによって可能に なる。適切に 相関された信号は、“閉じた”又は“やや閉じた”リサージュを有する。特に、 爪（特定的に、親指の爪）に配置したセンサが、拍動型オキシメータに使用され るとき、同位相の赤色線及び赤外線信号を有する特徴を示す、ということが決定 された。 本発明は、また、爪に全体的にフィットする光学センサを提供する。接着剤や 指の他の部分にわたる他の固定機構を全く必要とせず、センサ全体を爪と一緒に 移動させる。爪サイトの使用は、赤色線及び赤外線波長の動き信号の位相外れを 低減し、爪の下層にある血液の支配的な動脈血飽和度特性の平均をとる。また、 爪は、センサを取り付けるのに遊離な表面であり、この場所で、取付方法が、動 きに起因した位相差の誤差をさらに制限する低プロフィールで低重量のセンサを 可能にする。 好適に、本発明の爪上のセンサは、反射式のセンサである。一つの実施例では 、典型的な従来技術のセンサよりも近い間隔（好適に５ｍｍ以下、より好適に約 ４ｍｍ）が使用される。爪サイトでの生理学的特性が、より近い間隔での向上し た信号を発生させる、ということが経験的に決定された。また、好適に、センサ は、爪の形状に沿った曲率を有し、接着剤で取り付けられる。 本発明の変形的な実施例では、人偽的な動きが、エアバッグ又は他のもので誘 導され、本発明のセンサで使用できる動き信号を発生 する。特に、これは、低い灌流、弱い心拍又は心臓バイパス外科的処置中の場合 のような無心拍の患者に使用され得る。 本発明の特徴及び利点をより理解するため、添付の図面に関連してとられる以 下の説明を参照するべきである。 図面の簡単な説明 図１は、拍動型オキシメータの赤外線及び赤色線強度信号の対数のグラフであ る。 図２は、相関を示す赤色線及び赤外線信号のグラフである。 図３は、患者を通じる異なる波長の異なる平均経路のダイアグラムである。 図４は、親指上の本発明に従った爪センサの斜視図である。 図５は、親指の断面図であり、その構成成分を示す。 図６は、本発明に従った適合爪センサの一つの実施例の端部の断面図である。 図７は、爪の半月をまたぐように縦方向に配置された、本発明に従ったセンサ のダイヤグラムである。 図８Ａ−８Ｄは、動きの有る場合と無い場合、及び飽和度の高い場合と低い場 合の、本発明に従ったセンサの出力のリサージュのプロットである。 図９Ａは、赤色線及び赤外線周波数分布（時間のＦＦＴの信号） 本発明に従った親指爪センサによる実験結果を示す。 図９Ｂは、図９Ａの結果のリサージュのプロットである。 図１０は、標準の従来技術のセンサと比較した本発明に従ったセンサの酸素飽 和度の読み出しのプロットを示すグラフである。 図１１Ａ及び１１Ｂは、従来技術のセンサと本発明とを比較し、出力波形及び リサージュのプロットが各々に示される。 図１２は、本発明の変形的な実施例のダイヤグラムであり、反射式と透過式と を組み合わせたセンサを示す。 図１３は、本発明の変形的な実施例のダイヤグラムであり、ディスプレイを有 する非分離型爪センサを示す。 図１４は、本発明に従った動き誘導機構を有する爪センサのダイヤグラムであ る。 図１５及び１６は、図１４の動き刺激機構の平面図及び側面図である。 図１７は、飽和度計算に使用される動き又は心拍拍動のいずれかに応答するた めのプログラムの一つの実施例のフローチャートである。 図１８は、動きの制御生成を使用するオキシメータの部分の一つの実施例のブ ロックダイヤグラムである。 図１９は、円筒形レンズと着色接着剤とを使用するセンサの実施 例のダイヤグラムである。 好適実施例の説明 図４に、爪４２（親指の爪又は他の指を任意に使用し得る）上に好適に取り付 けた本発明に従ったセンサ４０を示す。センサは、接着剤でその上に取り付けら れ、エミッター４４とと検出器４６を有する。可撓性の回路４８が、エミッター と検出器とを電気的に接続し、センサと固定バンド５０との間でアコーディオン 形状となっており、引張り応力変形をさらに軽減する。これにより、電気的な接 続コードがセンサ側又はその逆の方向からセンサを引っ張ることがなくなる。バ ンド５０は、例えば、弾性バンド、Velcro（商標）で固定した布ラップ、又は他 のデバイスであり得る。可撓性の回路４８は、電線又は光ファイバーケーブルで あり得る。異なる波長の光は、光ファイバーケーブルを使用してプレミックスさ れ得る。 爪の上部への配置により、手の握りや他の機能に影響される指の手のひら側に センサやケーブルを配置せずに、ケーブルを指又は他の指の上部に沿って伸長さ せることができる。 図示のように、エミッター４４及び検出器４６は、爪の幅にわたって横方向に 配列される。しかし、爪上での縦方向の配列（後述する）や他の配列が可能であ る。エミッタと検出器との間隔は、変えることができるが、最適な間隔は、１０ ｍｍ以下（好適に５ｍｍ 以下、より好適に約４ｍｍ）であることが、実験的にわかった。 爪床は、センサのサイトとして良好であり、これは、動きが、一方のものが他 方のものに大きく相関した赤色線及び赤外線の波長のアーチファクト信号を生成 することが観察されたからである。これが、動脈血酸素飽和度に良く相関する割 合比（又は最小自乗）になる、ということが、発明者により観察された。 図５に、親指の断面図を示す。図示のように、親指は、骨５２と、骨と親指の 爪５６との間の薄い連結組織層５４とを含む。多数の特徴が、向上した信号、及 び同位相にある動き誘導アーチファクトに寄与し得る。図３に示す異なる波長の 経路は、一方の波長が、組織のより深いところへ行こうとすること、及び異なる 移動距離を有すること、を妨げる骨の存在により制限される。この影響は、サイ トとしての親指の爪の選択、及び透過式のセンサと対立されるようなものとして の反射式のオキシメータセンサの使用、によって与えられる。透過式のセンサで は、光は、組織を深く通じて骨の周囲を移動しなければならず、赤色線及び赤外 線は、異なる長さを移動し、動きにより異なって影響される。 連結組織層５４は、薄く、明らかに強く連結する。よって、他のサイト及びセ ンサのタイプの動きアーチファクトを位相外れさせる組織（特に、比か脂肪組織 ）の膨張及び圧縮が、ここで、明らかに 大きく低減される。親指の爪５６自身が強い取付けプラットフォームを与えるの で、センサは、エミッター及び検出器を患者から分離させたり、エミッター及び 検出器に不正確な割合比の値の原因となるギャップを生じさせずに、接着剤でそ れに確実に取り付けることができる。 また、爪５６の下層の領域は、動脈血の飽和度に類似する酸素飽和血液で濃縮 された領域が現れる。爪下層の酸素消費は、ここでの循環よりも比較的小さく、 又は静脈血の相対体積は、無視できるほど小さい。 脈管ではなく、多くの小さい毛細管の存在は、この領域をより均質にし、よっ て、二つの異なる光の波長が、別々の領域を通過することによって異なって影響 される可能性を小さくする。動きが無いときは、高い灌流が、通常の拍動酸素計 測の読み取りがなされることを可能にする。動きのある間、大量の血液が動きに より周囲を移動するので、大量の血液の存在が、強い動き信号が得られることを 可能にする。本発明によって行われた実験では、通常の脈動体積曲線信号のもの の５０倍以上の動きアーチファクト信号が観察された。また、爪サイトは、セン サの波長で光学的に位相一致する爪床組織境界を有する。 酸素飽和度の測定に加えて、爪床は、他の光学センサに良好なサ イトである。例えば、赤外線付近の波長の使用を要するグルコース検出が、使用 され得る。計測できる血液の性質又は構成が、血中ガス（ＣＯ₂、Ｏ₂）、ｐＨ、 グルコース、薬物濃縮、又は他のアナライト（ＴＨｂ、Ｈｃｔ、乳酸エステル、 Ｋ⁺、Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、等）である。 図６は、本発明に従ったセンサ４０の一の実施例の端部の断面図である。図示 のように、エミッター４４及び検出器４６が、可撓性の回路ボード６０に取り付 けられる。電気的コード６２が、回路ボード６０の電気的構成成分に接続される 。センサの本体は、好適に、ブラック・ポロン・フォーム（black poron foam） の半剛性片である。金属製のストライプが、付加的な剛性を与えるために、敷か れ得る。接着剤が、センサの下部側６４に付けられ、それを爪に確実に取り付け る。また、この下部側は、爪の形状に沿った曲線形状となっているが、異なる爪 の形状に適合できるようにやや可撓性をもっている。異なる曲率半径のセンサが 、ために、爪の異なる大きさ及び形状に最適にフィットさせるように与えられ、 又は、底面が、より柔らかく、より適合する材料から作られ得る。 サイトとしての爪の一つの特徴は、爪自身が、エミッターと検出器との間の光 を分岐する光パイプのように作用し得る、ということである。好適に、光は、経 路６６に沿って爪の下層の組織を通して 移動する。しかし、幾らかの光は、光ガイドのような方法ではなく、エミッター と検出器との間の経路６８上を爪自身を通じて反射進行し得る。この分岐を制限 するために、センサの本体は、光を吸収するか、又は対象の波長を少なくとも部 分的に吸収するようにつくられる。このやり方では、光が吸収層に隣接する爪の 側に衝突するたびに、爪に沿って伝達されずに、吸収される。 また、分岐は、エミッター及び検出器を凹所に置き、狭い開口数を与えること によって制限できる。センサの本体の剛性により、凹所に置くことが、動きの間 、距離変化を発生させないであろう。エミッター及び検出器の開口数を０．９以 下の値、好適に０．５以下の値に制限することによって、エミッターが、爪の“ 光ガイド”に光を直接発射しないであろうし、潜在的に経路６８を移動する光が 、検出器の許容角度外であろう。 また、センサを患者に接着する爪は、皮膚にある油分や水分の両を有さないの で、利点がある。 図７は、爪７０６に沿って縦方向に配列したセンサ７００のダイヤグラムであ る。センサは、エミッタと検出器とを有し、両方が、爪の半月上にない。半月は 、図７の実線７０８と爪の根本との間にある明るい色の領域である。エミッター と検出器の両方が半月上に位置した場合、より所望としない光の分岐が生じるで あろう。 図８の図８Ａ−８Ｄは、四つの条件（高飽和度及び低飽和度で、動き有り、及 び動き無し）における、本発明に従ったセンサのリサージュのプロット及び計算 飽和度を示す。高飽和度での図８Ａ及び８Ｂに示すように、計算飽和度１００％ が、動きのあるとき、又は動きの無いときで、等量である。図８Ｂでは、動き信 号が、図８Ａの心臓信号の１０倍以上大きい（図８Ａ及び８Ｃは、１０倍に拡大 したものである）。同様の結果が、飽和度の値が両方の条件下で７０％に計算さ れるところの図８Ｃ及び８Ｄにみられるように低飽和度で起こる。 図９Ａは、８Ｈｚの人偽的な動き拍動を印加した実験において、本発明のセン サの検出赤色線及び赤外線信号の周波数分布のグラフである。信号信号が、５Ｈ ｚ以下の低周波数でみられ、また、８Ｈｚの駆動動き信号もみられる。図９Ｂは 、上記実験における赤色線強度信号対赤外線強度信号のグラフであり、赤色線及 び赤外線強度信号の両方が相関され且つ同一の飽和度を示す。 図１０は、動き無しの実験的試験において本発明に従ったセンサの酸素飽和度 読み取りを示し、他のサイトにある標準の反射式のセンサと比較する。やや近い 一致点は、爪床上のこのセンサのカリブレーションの指示が、在来の反射式のセ ンサに類似することである。 図１１Ａ及び１１Ｂは、動き有りにおける、本発明に従ったセンサの、出力波 形及びリサージュ（図１１Ｂ）と、他のサイトでの標準の在来の反射式のセンサ のもの（図１１Ａ）との比較を示す。 図１２は、本発明の変形的な実施例を示し、本発明に従った爪センサ７０は、 可撓性の回路７２を介して透過式のセンサ７４に取り付けられ、透過式のセンサ ７４は、指に巻き付けられ、指の上部及び底部に配置したエミッター７６と検出 器７８とを有する。このように組み合わせたセンサは、そのプログラムをもつオ キシメータモニターに、動き条件に従ってセンサとセンサとの間で選択させるこ とが可能である。動きがあるときは、爪センサ７０が使用され、動きが無いとき は、心臓拍動信号に対してより感度のあるセンサ７４が使用され得る。変形的に 、一対の赤色線及び赤外線エミッターが、爪上の反射率検出器及び爪外の透過式 の検出器とともに使用される。モードに従って、センサ、又は中間増幅器モジュ ール、又はオキシメータモニター、のスイッチが、検出器の間で選択し得る。他 の実施例では、単一の検出器が、爪上の一対のエミッター、及び爪以外の他の対 のエミッターとともに使用される。変形的に、完全に分離した透過式のセンサが 使用され得る。 数人の患者、特に低い血液灌流の患者では、拍動の波形をロックオンすること が困難であり得る。付加的な透過式のセンサが、この ような患者でのロックオンを可能にするために使用され得る。また、透過式のセ ンサが、“オン・ザ・フライ式”爪センサをカリブレーションするために使用さ れ得る。分岐や他の爪サイトの独特のアスペクトにより、所定のカリブレーショ ンがオフされ得る。透過式及び爪反射率センサを使用する飽和度の計測が、修正 ファクターを反射率センサに印加して、動き無しで行われ得る。この修正は、一 定値を加えるか、又は一定値の積ファクターか、又はこれら両方ともであり得る 。検束が異なる飽和度で行われる場合、カリブレーション直線又は曲線が、オキ シメータによって決定され、カリブレーション曲線に沿った任意位置での調節を 可能にする。その後、動きのある場合に、爪センサが、より正確なカリブレーシ ョンを行うであろう。 図１３は、本発明の変形的な実施例を図示し、本発明に従った自立センサ８０ が、例えば、一つ又はそれ以上の半導体チップを内蔵した演算回路を含み、液晶 ディスプレイのようなディスプレイ８２を有する。一つの実施例では、ボタン８ ４で、拍動と酸素飽和度との間の表示のようなモードを切り替えることができる 。変形的な実施例では、バンド９０に取り付けたモジュール８８への可撓性連結 ８６が使用され得る。モジュール８８は、バッテリーを収納し、又は変形的に、 演算回路やディスプレイを収容し得る。また、いずれ か一方の実施例が、オキシメータへの無線伝送用に使用され、モジュール８８又 はセンサの本体８０のいずれか一方に伝送回路を有し得る。 図１４は、本発明の他の実施例を示し、人偽的な拍動を生成するために、刺激 具が使用される。刺激具は、神経を電気的に刺激して附属器官を動かし、又は空 気式加圧カフを使用して人偽的な拍動を刺激し、又は心臓拍動の使用が不要であ るように、心臓拍動と特徴的に異なる拍動を生成する電気機械的な刺激又は他の 任意の機構を使用する。このような装置は、低い血液灌流又は弱い心拍の患者に 特に利点的である。図１４に示す一つの実施例は、エアバッグ９４を親指の底部 の所定の位置にバンド９６で保持して取り付け、センサ９２を親指の爪上に取り 付けたものである。エアバッグへのホース９８は、周期的にそれを膨らませたり 縮ませて、親指を通じて圧力波を発生し、人偽的に誘導される動きを与える。こ の圧力誘導の動きは、センサ９２に必要な変化を与え、割合比又は最小自乗技術 を使用して酸素飽和度を計測する。動きが心拍の周期範囲にある場合、センサは 、振り返って、オキシメータのモニターと協調して心臓信号を探す。 図１５は、エアバッグ９４の平面図と、隔膜ポンプ１００に連結したホース９ ８とを示す。図１６は、図１５のエアバッグ９４の側 面図であり、これが横に広がった平坦なものであることを示す。 図１７は、酸素飽和度を計算するために心臓拍動又は動き拍動のいすれか一方 が使用できるようにオキシメータを動作するためのプログラムの一部の一つの実 施例のフローチャートである。酸素飽和度は、既知の方法で計算される（ステッ プＡ）。第一の選択肢では、心臓拍動であるか又は動き拍動であることを決定す るために信号が分析される（ステップＢ）。これは、当業者に既知の任意の拍動 条件又は動き検出技術を使用して行われる。動き信号が有り、酸素飽和度の計算 に使用されると、ステップＣで、酸素飽和度信号だけが表示され、そうでなけれ ば、脈拍数（これは、動き拍動数であり、患者の心拍数ではない）が表示される 。心臓信号が使用されると、脈拍数も表示される（ステップＤ）。 変形的に、拍動決定ステップＥは、センサが反射率センサ及び透過度センサの 両方を含むときに、使用され得る。動きが所定の閾値（例えば、動脈拍動信号の 少なくとも二倍）以上で有る場合、動き信号を使用する反射率センサが使用され 、任意の動きフィルタリング又は動き低減技術を変更する（ステップＦ）。動き 信号がこの閾値よりも小さい場合、透過度センサが使用され（ステップＧ）、標 準の動き低減技術（ハードウェア、又はソフトウェア、又はこれら両方）が利用 される。 両方のセンサが、進行中のやり方で働かされ、飽和度及び拍動数が、機器の動 きの評価に従って、最も信頼性のあると考えられるセンサからくるように選択さ れる。同時に、コンピューテーションが、予測飽和度の知識が与えられる動きの 有るときの心拍数の向上した処理信号の予測をさらに可能にする。 図１８は、図１４−１６に示すような人偽的な拍動生成器に関連して使用され る拍動オキシメータモニターのブロック図である。周波数生成器１１０が、動き 拍動のための所望の周波数を発生する。これは、他のノイズに影響されない周波 数を与えるように変化され、又は周波数ホッピングが、他の動き源又はノイズ源 から信号を分離するために使用され得る。ポンプ制御器１１２が、生成された周 波数でポンプ又はモータ１００（図１２）を動作させる。この駆動周波数が既知 であることから、他の周波数が、ノイズを低減するために、フィルターされ得る 。信号が捕獲され、回路１１４によりデジタル形に変換されると、バンドパスフ イルター１１６が、他の周波数信号を低減するために使用される。周波数生成器 １１０からの制御信号が、バンドパス周波数を変化し得る。次に、回路又はプロ セッサ１１８が、酸素飽和度を計算する。中央制御器１２０が、一つの実施例で の異なる反射率及び透過度のエミッターを選択的に動作させ得るセンサ駆動回路 １２２を含む回路の他の部分を制御す る。制御器１２０は、また、一つの実施例での動きと心臓の拍動モードの間を変 更するために、動き有りのために信号を分析し得る。変形的に、別の動きセンサ が、制御器１２０の入力を与える。ここで、例えば、フィルタリング、周波数生 成及び酸素飽和度計算を行うために単一のプロセッサを使用する他の物理的な設 備が可能である。 カリブレーション抵抗器（又は他の能動又は受動要素）１１５が、少なくとも 一つのＬＥＤの平均波長を符号化し、これをカリブレーション・リーダー回路又 はＣＰＵ１２０へ与える。指示される波長は、モニターに貯蔵される係数を選択 するために使用される。このようなカリブレーション技術は、参照文献としての 米国特許第４６２１６４３号に、より詳細に説明される。 図１９は、本発明に従ったセンサ１３０の実施例の分解図である。エミッター １３２が、センサのハウジング内の回路１３４上に取り付けられる。円筒形レン ズ１３６が、開口１３８に取り付けられる。このレンズは、ある角度で爪に衝突 し且つ検出器へ分岐される光を最小化して、爪を通じて光を下方向に向ける。開 口自身が、同一の機能で働くが、これらレンズは、所与の電力でより高い強度を 維持し、又はより少ない電力の使用を可能にして、より多くの光が使用されるこ とを確実にする。検出器１４０が、開口１４２の凹 所に置かれ、受け端部での分岐光を回避する。 センサは、接着層１４６を使用して爪１４４上に固定される。接着剤層は、分 岐経路自身のように作用し得る。従って、接着剤層は、好適に、検出器及びエミ ッターの開口の透過窓１４８、１５０で、使用される波長を透過させないように 着色される。 当業者には理解できるように、本発明は、その精神又は本質的な特徴から逸脱 せずに、たの特定の形態で実施し得る。例えば、センサが、親指の爪以外の指の 爪上に配置でき、足の指の爪上に配置できる。変形的に、センサが、爪の根本に わたって延びる皮膚を折り重ねたクチクラ又は生爪上に配置できる。センサは、 クリップ型のセンサで取付ることができ、又は弾性ラップ、又は附属物を巻き付 けるバンド又は接着剤が使用できる。センサは、動き有りの多数の波長の信号が 適切に相関されるところの爪床以外の場所に配置できる。センサのエミッターは 、光ファイバーを使用して製作され、光を遠隔配置したソースから運び、同等に 、検出器は、光を遠隔検出器へパイプ連通する光ガイドであり得る。従って、本 発明の範囲を記載する以下の請求の範囲を参照するべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレウェリング、ロス アメリカ合衆国カリフォルニア州94605、 オークランド、オリンダ・ビスタ・ドライ ブ 15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 患者の動脈血成分を測定するシステムであって， 検出器と通信する処理装置を含み，その検出器は，前記血液成分の測定のため ，心臓によらない血液の拍動を表す当該検出器からの検出器信号を処理する，と ころのシステム。 2. 前記検出器信号の少なくとも二点が使用される，請求項1に記載のシステム 。 3. さらに，輻射エミッターおよび輻射検出器を含む，前記患者に取り付けられ るセンサを含む，請求項1に記載のシステム。 4. 前記センサは，患者の爪上に完全にフィットするように形状付けられた前記 エミッターおよび前記検出器を含むセンサ体を有する，請求項3に記載のシステ ム。 5. さらに，前記患者のアーチファクトの拍動を生成するために，形状付けられ たスティミュレータを含む，請求項3に記載のシステム。 6. 前記センサは反射度センサである，請求項3に記載のシステム。 7. 前記エミッターおよび前記検出器の間は10ミリメータ以下である，請求項6 に記載のシステム。 8. 前記センサは，爪の曲率に一致するようになっているセンサ体を含む，請求 項3に記載のシステム。 9. 前記検出器は，前記センサからの反射度信号を検出し， さらに，透過度信号を促進するために，前記センサ内に取り付けられた少なく とも一つの，付加的な光学的要素を含む，請求項3に記載のシステム。 10．前記付加的な光学的要素は，付加的な輻射検出器である，請求項9に記載の システム。 11．前記付加的な光学的要素は，付加的な輻射エミッターである，請求項9に記 載のシステム。 12．さらに，微小な動きの間に，前記反射度および透過度信号の相互参照較正手 段を含む，請求項9に記載のシステム。 13．前記処理装置はさらに， 前記検出器からの心臓誘導体積曲線から，生理学的パラメータを決定するよう に構成された第一の処理ユニットと， 前記検出器からの動きのアーチファクト波形から，前記生理学的パラメータを 決定するように構成された第二の処理ユニットと， を含む，請求項1に記載のシステム。 14．さらに，前記検出器信号の動きのアーチファクト内容に応答して第一および 第二の処理ユニットを利用するように構成された制御ユニットを有する，請求項 13に記載のシステム。 15．前記制御ユニットは，前記第一および第二の処理ユニットの間 を切り替えるように構成される，請求項14に記載のシステム。 16．前記制御ユニットは，前記第一および第二の処理ユニットからの信号を組み 合わせるように構成される，請求項14に記載のシステム。 17．前記センサはオキシメータセンサである，請求項3に記載のシステム。 18．反射度光学センサであって， 患者の指の爪に取り付けられるように構成された第二のセンサ体と， 前記爪に近接した前記センサ体に取り付けられた輻射エミッターと， 前記爪に隣接しかつ前記前記エミッターから離れて，前記センサ体に取り付け られた輻射検出器と， を含むセンサ。 19．さらに，前記センサ体を前記爪に取り付けるための接着剤を含み， 前記センサ体は前記爪に完全にフィットするように構成されている，請求項18 に記載のセンサ。 20．さらに前記爪から外れた前記センサの一部を有する，請求項18に記載のセン サ。 21．前記エミッターは，ファイバー光学的光ガイドを含む，請求項18に記載のセ ンサ。 22．前記検出器は，ファイバー光学的光ガイドを含む，請求項18に記載のセンサ 。 23．前記センサは剛直で，爪の曲率と一致する，請求項18に記載のセンサ。 24．前記センサ体は，正確な爪の曲率に適合するように変形可能である，請求項 18に記載のセンサ。 25．前記エミッターおよび前記検出器は，前記センサ体内の凹所に位置する，請 求項18に記載のセンサ。 26．前記センサ体は，前記エミッターにより放射され，前記検出器により検出さ れる輻射に対して，0.9より小さい開口数を与える，請求項18に記載のセンサ。 27．前記センサ体は，前記エミッターにより放射され，前記検出器により検出さ れる輻射に対して，0.5より小さい開口数を与える，請求項18に記載のセンサ。 28．さらに，前記エミッターに近接して取り付けられた円筒状レンズを有する， 請求項18に記載のセンサ。 29．前記センサ体は，前記エミッターと前記検出器との間に，当該センサ体の領 域の少なくとも一部に対して，前記エミッターの少な くとも一つの波長を，少なくとも部分的に吸収する，請求項18に記載のセンサ。 30．さらに， 前記エミッターおよび前記検出器への接続を行うための，前記センサに取り付 けられたケーブルと， 該ケーブルの曲げ力を緩和するために，前記ケーブルを前記センサに近接した 指に取り付けるように構成されたストラップと， を有する，請求項18に記載のセンサ。 31．前記ケーブルは，前記エミッターおよび前記検出器の少なくとも一つに接続 されたファイバー光学ケーブルを含む，請求項30に記載のセンサ。 32．前記ケーブルは，前記エミッターおよび前記検出器の少なくとも一つに接続 された柔軟な回路を含む，請求項30に記載のセンサ。 33．前記検出器は前記エミッターから10ミリメータ以内に取り付けられる。請求 項18に記載のセンサ。 34．前記検出器は，前記エミッターから４ミリメータ以内に取り付けられる，請 求項18に記載のセンサ 35．前記エミッターおよび検出器は，前記指の軸線に対し平行よりは直角に取り 付けられる，請求項18に記載のセンサ。 36．前記エミッターおよび検出器は，前記指の軸線に対し直角より は平行に取り付けられる，請求項18に記載のセンサ。 37．前記エミッターおよび検出器は，両者が取り付けられたとき爪のこずめを覆 うことがないように間隔をあけて配置される。 38．前記センサ体は，前記爪から外れた，前記指の一部と接触する部分を含む， 請求項18に記載のシステム。 39．前記センサはパルスオキシメータセンサである，請求項18に記載のセンサ。 40．光学センサであって， 患者に取り付けられるように構成されたセンサ， 該センサに接続されたエミッター， 反射度信号を検出するために，前記センサに接続され，前記エミッターから離 れた検出器，および 透過度信号を促進するために，前記センサに接続された少なくとも一つの光学 要素， を含む光学センサ。 41．さらに，心臓の拍動の影響を優位に受けて形成された信号を処理するため に，前記透過度信号を利用し，心臓によらない血液の拍動の影響を優位に受けて 形成された信号を処理するために，前記反射度信号を利用する処理手段を含む， 請求項40に記載のセンサ。 42．さらに，動きがあるときに前記反射度信号を使用するために， 前記検出器を選択的に駆動させる手段を有する，請求項40に記載のセンサ。 43．患者の血液特性を表す，前記患者に取り付けられたセンサからの検出器信号 を処理するための光度計装置であって，前記センサは輻射エミッターおよび輻射 検出器を含み，前記モニターは， 前記エミッターを選択的に駆動するために，駆動信号を発生するように構成さ れた制御ユニット，および 前記検出器信号を受信し，前記血液特性の測定のために，前記患者の動きによ り形成される検出器信号波形上の少なくとも二点を利用して前記検出器信号を処 理するように構成された処理ユニット，を含む，光度計装置。 44．輻射エミッターをも含む患者センサ内の輻射検出器からの検出器信号を処理 するための光度計処理装置であって， 前記検出器からの心臓誘導体積曲線から，血液パラメータを決定するように構 成された第一の処理ユニット， 前記検出器からの動きのアーチファクト波形から前記血液パラメータを決定す るように構成されら第二の処理ユニット，および 前記検出器信号の動きのアーチファクトの内容に応答する前記第一および第二 の処理ユニットを利用するように構成された制御ユニット，を含む装置。 45．さらにプロセッサおよびメモリーを含み， 前記第一および第二の処理ユニット，ならびに制御ユニットは，前記メモリー 内に記憶された第一，第二および第三のプログラムである，請求項44に記載の装 置。 46．エミッターおよび検出器を含む患者センサ内の検出器からの検出器信号を処 理するための光度計処理装置であって， 患者からの，心臓誘導動脈血の拍動とは異なるアーチファクトの拍動を形成す るように構成されたスティミュレータ，および 前記アーチファクトの拍動を表す前記検出器からの信号から，動脈血の生理学 的パラメータを決定するように構成された処理ユニット， を有する装置。 47．生理学的パラメータは動脈酸素飽和度である，請求項46に記載の装置。 48．前記スティミュレータは前記患者の付随物の動きを含み，請求項46に記載の 装置。 49．ふくくらんだバッグ，および前記スティミュレータは，前記患者の付随物の 一面に前記バッグを取り付けるように構成された取付機構を含む，請求項46に記 載の装置。 50．さらに，信号を前記検出器から受信するために，連結されたバ ンドパスフィルタを含み， 該バンドバスフィルタは前記スティミュレータの振幅，移動，および周波数の 一つを通過させ，前記異なったことは振幅，位相および周波数の一つである，請 求項46に記載の装置。 51．前記周波数が変化し得る，請求項50に記載の装置。 52．さらに，前記スティミュレータに連結された周波数発生器を含み，請求項46 に記載の装置。 53．前記周波数発生器は，出力周波数を変化させるように構成された，請求項52 に記載の装置。 54．エミッターおよび検出器を有する少なくとも一つの患者センサ内の検出器か らの検出器信号を処理するための光度計処理装置であって， 前記少なくとも一つのセンサからの反射度信号および透過度信号の間で選択す るように構成されたセレクタ，および 前記少なくとも一つのセンサからの体積曲線から生理学的パラメータを決定す るよに構成された処理ユニット， を含む装置。 55．さらに， 前記検出器からの心臓誘導体積曲線から生理学的パラメータを決定するように 構成された第一の処理ユニット， 前記検出器から動きのアーチファクト波形から生理学的パラメータを決定する ように構成された第二の処理ユニット，および 前記セレクタの選択にしたがって，前記第一および第二の処理ユニットの間で ，切り替えるように構成された制御ユニット， を含む，請求項54に記載の装置。 56．前記セレクタは，前記少なくとも一つのセンサからの検出器信号の動きのア ーチファクト内容に応答する，請求項55に記載の装置。 57．動脈血酸素飽和度を測定する方法であって， 少なくとも二つの波長からの測定された光信号について，動きのあるなかで十 分に相関が取られるところの，患者のサイトを選択する工程， 前記パルスオキシメータセンサを前記サイトに配置する工程，および 前記センサを使用して動脈酸素飽和度を測定する工程と， を含む方法。 58．前記光信号は閉じたリサージュを生成する，請求項57に記載の方法。 59．前記十分に相関が取られた信号は，15飽和点内で正確な動脈酸素飽和度を生 成する，請求項57に記載の方法。 60．前記十分に相関が取られた信号は，10飽和点内で正確な動脈酸素飽和度を生 成する，請求項57に記載の方法。 61．前記酸素飽和度は，前記患者の動きにより発生する波形上の少なくとも二つ の点を分析することにより測定される，請求項57に記載の方法。 62．血液特性を測定する方法であって， 少なくとも二つの波長からの測定された光について，動きのあるなかで十分 に相関が取られるところの，患者のサイトを選択する工程， 前記光エミッターおよび光検出器を前記サイトに配置する工程，および 前記血液特性を測定するために前記光検出器から導出された信号を使用する工 程， を含む方法。 63．前記信号は，動きにより誘導された変化を優位に含み，前記サイトは指の爪 である，請求項62に記載の方法。