JP2007203090A

JP2007203090A - 電子式モニター機器における周辺ノイズの影響を減少するための方法および装置

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Publication number: JP2007203090A
Application number: JP2007071689A
Authority: JP
Inventors: Charles A Richardson; エイリチャードスン，チャールズ; Michael Bernstein; バーンスタイン，マイケル; Jerry K Okikawa; ケイオキカワ，ジェリー; Terrence R Bennett; アールベネット，テレンス
Original assignee: Nellcor Inc
Current assignee: Nellcor Inc
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-08-16
Also published as: WO1994009698A1; US5368224A; US5555882A; DE69307912T2; US5885213A; EP0665727B1; AU681357B2; EP0665727A1; JPH08502434A; AU5163993A; JP3958353B2; DE69307912D1; US5713355A

Abstract

【課題】パルス・オキシメータに影響を与えるノイズ源を調節するための方法と装置を提供する。
【解決手段】種々の利用可能な周波数がそれぞれのノイズ・レベルを決定するために評価されて、１つが動作ディマルティプレックサー周波数として働くよう選択される。パルス・オキシメータの通常な動作中、種々の利用可能なディマルティプレックサー周波数の中の何れが最低の関連するノイズをもっているかを決めるために周期的に精査される。動作周波数と関連したノイズ・レベルが、パルス・オキシメータの信号のＳ／Ｎ比を決めるために用いられて、それによってパルス・オキシメータからの信号を限定する。予め決められた閾値未満のＳ／Ｎ比と関連したパルスは受け入れを拒否され、そして血液の酸素飽和度の算出には利用されない。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器、殊にパルス・オキシメータのような電子式の生理学モニター機器に対する周辺からの電磁的なノイズ（光ノイズをも含んだ）の影響を検知するとともに、減少するための方法と装置に関する。

病院で使用される異なった種類の電子機器の数、及び各病院において任意の時刻に使用中の総ての種類の全電子機器の数は増加している。各機器は、その予定した働きを実行する他に、その電子回路の構成と、機器が使用される方法とで支配される周波数と強度で電磁放射を行う。無線式のテレメトリ・モニターのような幾つかの機器では、電磁放射の発射は機器の主要な機能である。

さらに、機器によって発せられる電磁放射に加わって室内照明及び交流電源によって発せられる電磁放射がある。病院の各部屋では、これ等の電子放射は結合し、そして周波数及び強度の瞬時値の特性が室内照明、室内電力、及びその特別な時刻で使用されている機器の性質に依存した、複雑な背景ノイズ・レベルを与える。電子機器の操作に対するこの背景ノイズの効果は、その機器の性質に依存している。ノイズのある環境におけるパルス・オキシメータの使用はよい実例である。

パルス式酸素計測の原理及び商業的に利用可能なパルス・オキシメータは技術的にはよく知られている。例えば、米国特許第４，６５３，４９８号明細書（特許文献１）及び米国特許第４，８６９，２５４号明細書（特許文献２）（これ等双方は、この明細書の中に、あらゆる目的のための引用によって含まれている）に記述されているパルス・オキシメータ・システムのセンサーは、交互に赤色及び赤外の波長で光を患者の組織へ発し、そして１個の光検知器が各周波数の組織を透過した光をよむ。時間変化する光検知器の出力は、センサーによって光の発せられていない「ダーク（dark）」期間によって分離された、透過した赤色及び赤外の信号を表している。センサーの赤色及び赤外の光源と同期したディマルティプレックサー（demultiplexer）が、オキシメータによる引き続く処理のために光検知器出力の赤色及び赤外部分を分離する。

パルス・オキシメータによって測定される生理学的なパラメータは、動脈血の酸素飽和度である。赤色の及び赤外の波長での血液の光吸収の性質は、血液中の酸素ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの相対的な濃度で変化する。従って、酸素飽和の算出に使用される光検知器の出力の部分は、センサー位置での動脈血量における脈動変化によって引き起こされる赤色及び赤外の光伝送における変化である。透過光レベルにおけるこれ等のパルス変化は、透過光の全体の強度に比して小さく、１−３％のオーダーで、背景ノイズの影響を非常に受け易い。

電気的な光の出力は交流電源及びその高調波の周波数に関係した周波数で変化する。周りの光の変化の周波数、基本又は高調波の周波数、がオキシメータのマルティプレックスされた光源の、基本又は高調波の周波数に一致するか、または近いとき、及び周りの光がともかく光検知器に達するときは、オキシメータは赤色及び赤外の光源に関する光検知器出力（即ち、信号）と、周辺光に関する光検知器出力（即ち、ノイズ）とを区別することはできない。したがって、赤色及び赤外の光は室内光の周波数以外の周波数で特徴的にマルティプレックスされる（そして光検知器は同期してディマルティプレックスされる）。例えば、米国特許第４，６５３，４９８号明細書（特許文献１）を参照すること。

しかしながらパルス・オキシメータの動作環境、そこにはＥＣＧモニター、インピーダンス無呼吸モニター、他のモニター機器における絶縁された電源、及び電気的灸点法道具が含まれているが、においては数多くの外の電磁放射源がある。それ等は、それぞれが独自の特徴をもった動作周波数をもっている。オキシメータの動作環境において、潜在的なノイズ源の少なくとも一つによって影響されないオキシメータの同期ディマルティプレックサー周波数を選ぶことは、不可能でないが困難である。

この問題への１つの従来技術の解決法は、低域通過フィルターを光検知器の出力に付け加えて、そして或る周波数、例えば１００乃至３００ｋＨｚ以上の光検知器の出力信号の部分を除去することである。例えば、米国特許第Ｒｅ３３，６４３号明細書（特許文献３）を参照すること。しかしながら、このフィルターはオキシメータの同期ディマルティプレックサー周波数でのノイズの効果を除去しない。

したがって、必要とされることは、電子式モニター機器における周辺の電磁ノイズ、殊にノイズ源の周波数（又はノイズ源周波数の高調波）が、機器が動作しているときの基本周波数又は高調波とほぼ等しいときに、その効果を減らすための方法である。

米国特許第４，６５３，４９８号明細書米国特許第４，８６９，２５４号明細書米国特許第Ｒｅ３３，６４３号明細書

本発明は、電子式モニター機器に影響を与えるノイズ源を調節するための方法と装置を提供する。種々の利用可能な周波数（離散又は連続の）がそれぞれのノイズ・レベルを決めるために評価され、そして１つが動作ディマルティプレックサー周波数として働くように選ばれる。それから、機器の通常の動作の間、種々の利用可能なディマルティプレックサーの周波数が周期的に細かく調べられて、最低の関連したノイズを有するものを再度決定する。この周波数の変化の早いことは、第１のマルティプレックシングで現われるノイズを避けんがために、機器が第１のマルティプレックシング周波数から他へ転ずるのを認める。幾つかの実施例においては、１０００もの周波数チャンネルが利用可能である。

これ等の技術は、発明を病院のような既知の環境において見出される全ノイズに適応させる。このようにして、本発明を異なったノイズ源を有する異なった場所で用いることができる。また、本発明は１つの場所で定時間外で起こるノイズの変化にも適応させることができる。何故ならば、機器はノイズを測定し且つ伝えることができるので、利用者がセンサーを速やかに調節して良好な信号を得ること、及び干渉するノイズ源を検知することができる。

本発明の方法及び装置は、パルス・オキシメータで得られた光検知器の信号を処理するのに利用されるのが望ましい。既知の周波数でオキシメータ信号におけるノイズをモニターするため、オキシメータは「ダーク」において操作されるのが望ましい。別の言葉でいうと、オキシメータの光源（典型的なものは「ＬＥＤｓ」Light Emitting Diodes）がオフにされるが、一方オキシメータは選ばれた周波数での検知器信号をモニターし続ける。このようにして、グランド・ループ、無線式遠隔測定モニター（radio telemetry monitors）、及び周りの総ての他の源と関連のあるノイズは検知され、そして生理学的パルス情報からの寄与なしに限定される。そのように得られたノイズ・レベルは、選ばれた周波数を評価するのに利用することができ、そしてその後に得られる生理学的な信号のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）を査定するのに利用することができる。すなわち、ノイズ・レベルが測定されるので、オキシメータは、それが安全なＳ／Ｎ比を保持している間、ＬＥＤ駆動用の電流を減らすことでパワー（power）を保存することができる。

従って、本発明の一特徴は、パルス・オキシメータのディマルティプレックシング周波数を確認するための方法及び装置である。その周波数では、ノイズの信号に対する寄与が比較的に小さい。このことを成し遂げるためには、複数のマルティプレックシング周波数が、何れが最も穏やかであるかを決めるために評価される。そしてその周波数が血中酸素の飽和度データの収集の間の使用のためとり上げられる。もし動作中に、「採用された」ディマルティプレックシング周波数と干渉するノイズ源が持ち込まれるならば、オキシメータは新しい、より穏やかなディマルティプレックシング周波数を探す。探しだされたなら、それでオキシメータはその周波数へ移る。

本発明の別な特徴は、パルス・オキシメータによって検知された光パルスを「限定」するための方法と装置である。予め決められた閾値以下のＳ／Ｎ比と関連したパルスは除去され、そしてパルス・オキシメータによる更に進んだ利用から取り除かれる。一方、限定されたパルスは血中の酸素飽和度の算出用に利用される。

Ｓ／Ｎ比を近似するのに使用されるノイズの値は種々の源から得てよい。例えば、ディマルティプレックス周波数を選ぶのに利用された「ダーク」ノイズ・レベルを使用することができる。さらに、又はこれに代えて、生理学的信号を、信号における全ノイズを近似する、より高い周波数と関連したパワーを決定するために高域通過フィルターに通すことができる。

本発明のより進んだ理解は以下の議論、および関係した図面を参照することで得ることができる。

本発明の実施例を、電子式の生理学的モニター装置、特にパルス・オキシメータにおいて説明する。この説明のために、ノイズは測定される生理学的なパラメータによる任意の信号は別として、平均からの測定された信号の変動として定義される。

図１を参照すると、本発明の使用に適したパルス・オキシメータ装置のハウジング２６が示されている。外見上、ハウジングはディジタル表示器１、回路選択用のボタン列２から５、警報状態用のライト６から９、光学的に結合された調節用ノブ１０、同期状態用のライト１１、ＬＥＤディジタル式観察用メータ１２、及び電源スイッチ１３を備えている。スピーカー１５が装置のハウジングの下に置かれている。

ハウジング２６のコネクター（示されていない）からワイヤー２７が検知器プローブ２９へ延びている。検知器２９は患者２８の指１４の上に置かれている。検知器２９の指１４への配置を用いると、この発明における読み取りの総てが可能となる。代表的なパルス・オキシメータでは、赤色範囲（例えば、６６０ナノメータ）にある第１の発光ダイオードと、赤外範囲（例えば、９４０ナノメータ）にある第２の発光ダイオードが連続してパルス状に光を出す。

クロック（clock）が発光ダイオードからの連続した光出力を制御して、少なくとも４中１のデューティ・サイクルにする。赤色信号の受信は４つの時間区分の２つの間に起こり、赤外の受信は他の２つの時間区分の間に起こる。２つの波長の各々に対して１回のサイクルは「ダーク（dark）」サイクルである。別の言葉で言うと、ＬＥＤは消灯されて、そして只周辺の光だけ検知される。ダーク信号はＬＥＤ信号から「引き算される」。このようにして、パルス・オキシメータのＳ／Ｎ比を改善する。引き算はダーク信号が受信されるたびにインバータをスイッチすることで行われる。次いで、この変換された信号は周辺の光の効果を減少するために先行の（反転されていない）ＬＥＤ信号と結合される。これは一定の強さの光に対してみごとに動作する。しかしながら、ＡＣ幹線の高調波で時間的に変化する光源は、高調波が同期ディマルティプレックサーの高調波に近くで生じるときはベース帯域のノイズになお寄与する。

この発明の実施例では、パルス・オキシメータは可能な周波数ｆ_Nの分類されたリストからその同期ディマルティプレックサー周波数ｆ_TMUXを選ぶ。利用可能な周波数ｆ_Nは経験によって以下のようにして分類される。すなわち、（１）可能なｆ_TMUXの値の範囲内にノイズ源を確定すること；（２）各ノイズ源に対して、その範囲内にノイズ源に起因する干渉の程度を決定すること；（３）確定されたノイズ源の周波数に一致も又近づきもしないＮ個の可能なｆ_TMUXを選ぶこと；および（４）選ばれた周波数を予期されるノイズからの干渉の増大する程度に従って、動作環境からのノイズによって影響される最も小さいと思われるｆ_TMUX周波数であるｆ_lに関して分類することである。典型的なものとしては、利用可能周波数ｆ_Nはノイズの低下傾向が検知されるまで細かく調べられる。その傾向が逆転するとき、最小のノイズをもった周波数がｆ_TMUXとして採用される。勿論、可能な周波数を精査するための他の方法を使用することもできる。例えば、いかなる利用可能な周波数を検査し、最も小さいノイズの値をもった周波数をｆ_TMUXとして採用する。実施例においては、ｆ_Nの値はパルス・オキシメータ内のＲＯＭに格納される。典型的には、利用可能な周波数は約２００と約３０００Ｈｚとの間で、好適には、約１５００と２５００Ｈｚとの間である。

実施例では、ｆ_TMUXの利用可能な値は、アナログ通過帯域における周波数に相当する、（例えば、５０又は６０Ｈｚの光を発生させる源からの）Ａ．Ｃ．幹線の高調波に特に起因する問題を少なくするよう選ばれている。これは、Ａ．Ｃ．基本周波数又はその高調波がディマルティプレックサー周波数と通過帯域に相当する値だけ違っているときに起こる。例えば、Ａ．Ｃ．幹線が５０Ｈｚの基本周波数を有し、そしてディマルティプレックサーが２０２５Ｈｚで動作していれば、２５Ｈｚの信号が得られる。これは代表的なパルス・オキシメータにおいて使用される０−２０Ｈｚ通過帯域の範囲の外側にある。しかしながら、ディマルティプレックサーの基本波の第２高調波は４０５０Ｈｚで、それはＡ．Ｃ．幹線の高調波に調和し、生理学上の周波数範囲、即ち０−５Ｈｚ、内の信号をつくる。オキシメータは、この「ノイズ」の生理学的信号への寄与を計量する方法を何も有していない。

この問題を処理するためにｆ_TMUXの値はＡ．Ｃ．幹線の高調波にある程度接近しているように意図的に選ばれる。多くの実施例では、ｆ_TMUXの利用可能な周波数はＡ．Ｃ．電源の周波数及びその高調波から約１０−１５Ｈｚだけ分離されている。このようにして、ノイズ信号はアナログ通過帯域に現われるが、生理学的な周波数範囲から十分に離れていて、それはノイズとして容易に確定される。このことは２つの目的にかなっている。第１に、１０−１５Ｈｚでのノイズ・スパイクは、生理学的信号（多分ディマルティプレックサー基本波の第５又は第６高調波である）へ結局組み戻されるＡ．Ｃ．電源ノイズの相対的な大きさを示す「マーカ」として役にたつ。第２には、生理学的信号へ組み戻される電源ノイズの大きさは相対的に小さいと期待することができる。例えば、ディマルティプレックサーの基本波が電源の高調波から１０Ｈｚ離れているならば、第２高調波は２０Ｈｚ離れ、第３は３０Ｈｚ離れ、そして第５又は第６高調波は電源の高調波の近くか又はそれに一致する。しかし、ディマルティプレックサー基本波が２０００乃至３０００Ｈｚの範囲にあるなら、第５又は第６高調波は１０ｋＨｚ又はそれより大きくて、その範囲ではＡ．Ｃ．幹線からのノイズ・パワーは急速に低下する。

実施例においては、利用されるディマルティプレックサー周波数でのノイズはパルス・オキシメータ・センサーの赤色及び／又は赤外の光源が消灯されているときに評価される。ＬＥＤを消灯することによってオキシメータは受動的モニターとなって、ボディ・インピーダンス・モニター、ＡＣ電源、電気灸点法などのような外部の源からの信号を受け容れる。そのように測定された信号は、選択された周波数でのノイズ・レベルの良い基準を与える。

通常の動作状態にあるパルス・オキシメータは「能動的」な信号センサーであるということに留意すべきである。このことは次のこと意味する。すなわち、オキシメータは研究用のシステム（即ち、血液流のある組織）へエネルギーを供給して、そしてシステムは供給されたエネルギーを変調して情報を与えるということである。本発明の技術は、一般に能動的な信号センシング・モニターの何れにも適用できる。このように、例えば、本発明は呼吸モニター、心臓出力モニター、及び無呼吸モニターのような組織インピーダンス技術において利用できる。これ等の技術はエネルギーを電流の形でボディに通し、それでボディの機械的な現象（呼吸する肺又は鼓動する心臓）によって変調される組織インピーダンスがモニターされ得る。能動的な信号センシング装置の他の例には、幾つかの二酸化炭素モニターのような特殊なガス・モニターが含まれる。

図２を参照すると、（パルス・オキシメータで実行されている）実施例の方法は３つのステート又はモードで動作する。すなわち、ステート０、ステート１及びステート２である。パルス・オキシメータがまず働きだすと、それはステート０にある。ステート０では、オキシメータはセンサーのＬＥＤへパワー（power）を与えないが、赤色及び赤外チャンネルでセンサーの光検知器からディジタル化された「信号」を集める。オキシメータはステート０を使用し、ＬＥＤによる患者の組織からの発光によって供給される生理学的信号が無いときに（電気的な及び光的な）周辺のノイズを読みそして最初のｆ_TMUXを選ぶ。このステートでは、オキシメータは飽和度の値を決めることはできないが、受動的モニターとしてノイズを決定することはできる。最初のｆ_TMUXは、その穏やかさに基づいて一群の利用可能な周波数から選ばれる。

ｆ_TMUXがステート０に定められると、システムは両方のＬＥＤが点灯され、そして血液の酸素飽和度がモニターされるステート１へ移動する（工程１）。予め決められたスケジュールに従って、システムは周期的にステート１からステート０へ戻り（工程３）、ｆ_TMUXでのノイズを再評価する。そして必要ならば、新しいｆ_TMUXを得る。ステート１にある間は、システムは実際の信号における高周波ノイズを連続的にモニターし、そしてそのＳ／Ｎ比（信号対ノイズ比）に基づいて生理学的な信号を限定する。限定されなかった信号パルスは血液の酸素飽和度を算出するのに使用されない。また、システムが、もしｆ_TMUXでのＳ／Ｎ比が受け入れられるレベル未満に低下しているということを決定する場合に、新しいｆ_TMUXを求めてステート０へ移動する（工程４）。

システムは、しばしばステート１からステート２へ移動して（工程５）、ｆ_TMUXでのノイズを再評価する。これは１つのＬＥＤ、代表的には赤色ＬＥＤを消灯することによって行われる。これに対し、ステート０は両方のＬＥＤを消灯する。ステート２では、パルス・オキシメータは血液の酸素飽和度を算出することはできないが、パルスの速度及び他に通常に動作している様子を与えることができる。ノイズがステート２において評価されると、システムはステート１へ戻り（工程７）、そしてステート２において算出された新しいノイズ・レベルを利用して通常に動作する。

ステート０におけるノイズの二乗平均の平方根（「ＲＭＳ」）の値は、平均の信号レベルを見積りし、瞬時の信号から平均の信号を減算し、その差を二乗し、測定された期間にわたってこの二乗の値を加算し、そしてその値の平方根をとることによって得られる。図４はステート０でのパルス・オキシメータによって使用されるステート０の広帯域のノイズ・アルゴリズムを含んだ一覧図である。その一覧図は１つのチャンネルだけで行われる信号の読み取り及び計算を示しているが、オキシメータはこのアルゴリズムを必要不可欠なものとして赤色及び赤外の両方のチャンネルにおいて使用するということを理解しておくべきである。図３に示されるように、同期周波数ｆはオキシメータがステート０に入るときはｆ₁に設定される（工程Ａ）。オキシメータは、それから、値を読み初める（工程Ｃ）。ｆ₁（又は工程Ｄにおける任意のｆ_N）に対するＲＭＳダーク・ノイズを計算するために、オキシメータのマイクロプロセッサーは、第１の検知器出力値Ｘ₁を読み取ることによって始め、そしてこの値をＳＵＭとしてオキシメータの記憶装置に格納する。次いで、マイクロプロセッサーは第２の値Ｘ₂を読み取り、それをＳＵＭに加え、そしてその合計を２で除算して平均値を算定する。平均を算定した後、マイクロプロセッサーはｘ₂と平均値との差を決め、その差を二乗し、そしてこの値をＳＵＭＳＱとして記憶装置に格納する。ｘ_iの値は、もしオキシメータがその動作状態にあるならば、赤色及び赤外のＬＥＤが点灯しているときにオキシメータの赤色及び赤外の両チャンネルから読み取られる。

その後、マイクロプロセッサーはＳＵＭＳＱ値を閾値ＴＨＲＥＳＨと比較する。その閾値は、Ｔ_INITで最初に定められて、装置に固有のノイズ認容度に基づく任意の値である。もしＳＵＭＳＱ_RED及びＳＵＭＳＱ_IRがＴＨＲＥＳＨより小さいなら、そのときはマイクロプロセッサーは第３の検知器の値ｘ₃（赤色及び赤外の両チャンネルでの）を読み取り、ｘ₃をＳＵＭに加え、ｘ₃と平均値ＭＥＡＮとの差を定め、その差を二乗し、そしてその二乗された値をＳＵＳＭＱに加える。

マイクロプロセッサーは、今一度ＳＵＭＳＱ値をＴＨＲＥＳＨと比較する。もし両方のＳＵＭＳＱ値が、なおＴＨＲＥＳＨより小さいとき、マイクロプロセッサーは第４の検知器の値ｘ₄を読み取り、ｘ₄をＳＵＭに加え、そして新しい平均の値を算定する。次いで、マイクロプロセッサーはｘ₄と平均値ＭＥＡＮとの差を定め、差を二乗し、そして二乗された値をＳＵＭＳＱに加える。

この操作は、ＳＵＭＳＱ_RED及びＳＵＭＳＱ_IRの両方がＴＨＲＥＳＨより小さい限りは、６５のｘ_iの値に対して繰り返される。平均値ＭＥＡＮの新しい値は、ｘ₈、ｘ₁₆、ｘ₃₂及びｘ₆₄を得た後算定される、すなわちｉが２の累乗であるときはいつも算定される。実施例では、ｘ_1-65を集めそして処理するまでの時間は、５７Ｈｚのオキシメータのディジタル・サンプリング速度で約１秒かかる。ＳＵＭＳＱ_RED及びＳＵＭＳＱ_IRは両方とも６４で除算されて、その商がステップＤにおけるＲＭＳノイズを与えるために１／２乗される。もし両方のＳＵＭＳＱ値が、６４の点の総てについてＴＨＲＥＳＨ（閾値）未満に留まっている（工程Ｅ）なら、そのときはマイクロプロセッサーはＴＨＲＥＳＨ_RED及びＴＨＲＥＳＨ_IRの値を、それぞれＳＵＭＳＱ_RED及びＳＵＭＳＱ_IRへ変え、そしてｆ₁をｆ_TMUXの値として格納する。

つぎに、オキシメータはステート１に入る（工程Ｇ）、ここではＬＥＤは光パルスを放出し始め、そしてマイクロプロセッサーは周波数ｆ₁で生理学的信号をモニターする。

好ましい実施例において、同期式ディマルティプレックサーの赤色及び赤外のアナログ出力は低域通過アナログ・フィルターへ進み（工程Ｒ）、そしてフィルターの出力は５７Ｈｚでデジタルでサンプルされる。その生理学的信号はステート０の低周波ノイズの値ＬＯＦＲＥＱ_{０，ＲＥＤ}及びＬＯＦＲＥＱ_０，ＩＲと比較され（工程Ｓ）、そして関係ある信号の見積値及び生理学的な通過帯域におけるノイズ・パワーを与える。

その間、周波数ｆ₁でＳ／Ｎ比がモニターされ、そして、もしその比が予め定められた閾値以下に低下する（工程Ｈ）なら、周波数ｆ₂が両方のチャンネルで、ｆ₁が有しているよりも低い広帯域ノイズ総量を生ずるかどうかを決めるために、システムはＬＥＤを消してステート０に再び入る（工程Ｂ及びＦ）。もしそうであるなら、そのときはマイクロプロセッサーはＴＨＲＥＳＨ（閾）値を更新し、周波数ｆ₂をｆ_TMUXとして格納し、そしてステート１に再び入る（工程Ｇ）。そうでないときはマイクロプロセッサーは、一層低い広帯域ノイズ総量を有する他の周波数を探す（工程Ｆ）。もし何も見出されないなら、マイクロプロセッサーは、ステート１に入るとき先に格納したｆ_TMUXを使用する。

もし周波数ｆ₁で生理学的信号のＳ／Ｎ比が、予め定められた閾値以下に低下しない（工程Ｈ）なら、マイクロプロセッサーは、検知された生理学的信号から現在の血液の酸素飽和度を普通の方法を用いて計算する（工程Ｉ）。

別の実施例では、システムはｆ_TMUXを選択する前にＲＯＭ上に格納された複数個のｆ_N値と組み合わされたノイズを決め、そして生理学的信号を検知するためステート１へ再び入る。このようなシステムでは、検知器は最低のノイズを伴う周波数が確定されるまでステート０に留まる。可能な周波数の分類された値の何れもが、このステート０のテストを通過しないなら、装置はエラー・メッセージを表示し、そして動作しない。

ステート０の高周波ノイズの同様の算定が、赤色及び赤外の両方のチャンネルでマイクロプロセッサーによって行われる。マイクロプロセッサーが図３の手順において使用のための赤色及び赤外のｘ_i値を読み取ると、そのｘ_i値を７Ｈｚのカットオフ（cutoff）をもった高域通過フィルターへ通し（工程Ｍ）、そしてフィルターされた値ｙ_iをつくる。ｙ_i値の二乗の和がＳＵＭＳＱ_HIとして算定される。

最後のステート０の算出からの赤色及び赤外のＳＵＭＳＱ値は、それぞれ赤色及び赤外チャンネルにおける広帯域ノイズの基準値である。前述したように、マイクロプロセッサーはステート０の広帯域ノイズ値ＢＲＯＡＤ_0,RED及びＢＲＯＡＤ_0,IRをＳＵＭＳＱ／６４の二乗根として算定する（工程Ｄ）。同様に、マイクロプロセッサーはステート０の高周波ノイズ値ＨＩＦＲＥＱ_0,RED及びＨＩＦＲＥＱ_0,IRをＳＵＭＳＱ_HI／６４の二乗根として算定する（工程Ｎ）。最後に、マイクロプロセッサーはステート０の低周波数ノイズ値ＬＯＦＲＥＱ_0,RED及びＬＯＦＲＥＱ_0,IRを、次のように計算する（工程Ｑ）。

LOFREQ_0,RED ²＝BROAD_0,RED ²−HIFREQ_0,RED ²
LOFREQ_0,IR ²＝BROAD_0,IR ²−HIFREQ_0,IR ²

マイクロプロセッサーは、これ等の値をステート１において入来する生理学的な信号を限定するために、以下に詳述されるように、標準の限定テストに加えて用いる。

オキシメータの周辺におけるノイズ源は周期的に変化し、またおそらく先の穏やかなｆ_TMUXと干渉するので、システムはときどきステート０にもどる。従って、ＲＭＳノイズのｆ_TMUXがなお閾値内にあるかどうかを再度決定できる。好適な実施例においては、マイクロプロセッサーは最初のステート０ルーティンの終了後に３０秒間、第２のステート０ルーティンの終了後に１分間、第３のステート０ルーティンの終了後に５分間、それに続くステート０ルーティンの各々の終了後に１５分間ステート０へ戻る。

ステート１はオキシメータの通常の動作状態である。ＬＥＤは交互にｆ_TMUXの周波数で点灯し、そしてマイクロプロセッサーは同じｆ_TMUX周波数を、赤色のＬＥＤに応じた光検知器の信号を赤外のＬＥＤに対応した光検知器の信号から区別するのに使用する。ステート１の間、ステート０において算出されたノイズの値がパルス信号と比較される（工程Ｐ及びＳ）。比較的にノイズに関係のない環境の下で通常モード（即ちステート１）で動作しているパルス・オキシメータは、両方の光チャンネルにおける信号レベル、パルス振幅の良好な内部算定を有する。ＬＥＤが点灯している通常の動作モードの間にパルス振幅によって測定される信号の、ＬＥＤが消灯されて測定され、そして内部の利得に応じて適切に調節されたノイズに対する比は、受信可能な信号に対する一つの基準として役にたつ。これは、ノイズ測定期間と信号測定期間とが時間的に近接しているときのＳ／Ｎ比の正確な見積算定であり、またパルス・オキシメータが急速にｆ_TMUXを変えつつあるとともに、ｆ_TMUXの最も望ましい値を選ぶためにノイズを見積りしつつあるときの適切な測定である。しかしながら、いったんその選択がなされると、オキシメータはＳ／Ｎ比を連続してモニターすることができなければならない。

その上に、非生理学的なノイズの連続的な見積値が算定され、そしてパルス信号と比べられる。連続的なＳ／Ｎ比の近似値は生理学的通過帯域［０．５、５Ｈｚ］におけるパワーの、非生理学的通過帯域［８、２０Ｈｚ］におけるパワーに対する比である。実施例においては、同期式ディマルティプレックサーの赤色及び赤外のアナログ出力は低域通過アナログ・フィルターへ進み（工程Ｒ）、そしてフィルターの出力は５７Ｈｚでディジタルでサンプルされる。次いで、ディジタル信号は赤色及び赤外チャンネルに対するステート１の高周波ノイズの値ＨＩＦＲＥＱ₁を得るため、７Ｈｚで高域通過フィルターを通過する（工程Ｏ）。赤色及び赤外の高域通過フィルターからの各値の二乗は６４点の円形バッファーに格納される。パルスがパルス検知用（ネルカー社モデルＮ−２００パルス・オキシメータにおけるような）のアルゴリズムを使用して検知されると、マイクロプロセッサーは円形バッファーの６４点を加え、６４で除算し、二乗根を作り、そして２つの光チャンネルに対してＨＩＦＲＥＱ_1,RED及びＨＩＦＲＥＱ_1,IRを得る。ステート１において行われるこれ等のノイズ測定は、高周波ノイズだけ見積りされ、そして検知され得るので、ステート０の測定ほどほねのおれるものでないが、その見積値は総ての検知されたパルスをテストするのに有効である。

パルス・オキシメータは、パルスが検知されず且つ任意に定められた期間に限定されないときは、使用者に警告するために休止用の警報を利用する。ネルカーＮ−２００パルス・オキシメータでは、この任意に定められた期間は１０秒である。この発明はノイズの基準失敗の休止を次のように付け加えている。もしパルスがノイズよりも十分に大きくないならば（工程Ｈ）、それは除かれて飽和度は算定されない。もし数個のパルスが除かれるならば（例えば、約５秒後）、ノイズ状態はステート０へ戻り、そしてノイズの新しい見積値が算定される。他方、もしパルスがノイズより十分に大きいならば、新しい飽和度が算定されて表示される（工程Ｉ及びＺ）。周期的に、ステート１において、状態は強制的にステート２になる。ステート１においては、オキシメータは正常に働いていて、そして飽和度の値が、検知され受け入れられた各パルスごとに臨床医に提示される。

もしパルスが５秒間（又は別の適当な期間）ノイズ限定テストを通過するのに失敗すると、オキシメータはステート１からステート０へ移動する。

好適な実施例においては、種々の追加のテストがステート１において得られたパルス信号について行われている。例えば、ステート１（ステート０）で測定された連続的な高周波ノイズは、ステート０の高周波ノイズの値ＨＩＦＲＥＱ_0,RED及びＨＩＦＲＥＱ_0,IRとしばしば比較される（工程Ｐ）。何故ならｆ_TMUXでのノイズは通常の動作中に急に変化し得るからである。もしそのようならば、状態は新しいｆ_TMUXが定められるステート０へ戻る。その上で、生理学的信号はステート０の低周波ノイズの値ＬＯＦＲＥＱ_0,RED及びＬＯＦＲＥＱ_0,IRと比較され（工程Ｓ）、そして関係ある信号の見積値及び生理学的な通過帯域におけるノイズ・パワーを与える。

従来からのパルス・オキシメータ（ネルカーＮ−２００のような）は、検知されたパルスを受け入れるか又は拒否するための一組のパルス限定テストを用いている。本発明は４つの新しいテストを、これ等の従来技術の限定テスト（図４に示され、そして図３において工程Ｈへ一括されているようなテスト）に付け加える。一般的に、これ等の新しいテストはＳ／Ｎ比の閾値を定める。そこではパルス振幅は「信号」であり、ノイズ・パラメータは前に定義されたものである。図４に示されているように、パルス振幅２０は２５、２９、３３、そして３７で、ステート０の広帯域の値２１、及びステート１の高周波の値２２と比較される。パルス限定テスト２７、３１、３５、そして３９は、パルスが受け入れを拒否されるか４０又は受け入れられるか４２を決めるために行われる。実施例では、ノイズ限定テストは次の通りである。

AMPL_RED/BROAD_0,RED≧10
AMPL_IR/BROAD_0,IR≧10
AMPL_RED/HIFREQ_1,RED≧1.5
AMPL_IR/HIFREQ_1,IR≧1.5

もしこれ等の基準のどれかが満たされないならば検知されたパルスは受け入れを拒否される。実施例では、マイクロプロセッサーは検知されたパルスが従来技術のパルス限定テストを通過した後でのみ、これ等の新しいテストを行う。しかしながら、これ等のノイズ閾値テストは、この発明の真意から離れることなしに、他のどのようなパルス限定テストの前、間、後、又は完全に無関係に行われ得る。

オキシメータはこれ等のステート１のノイズ・テストの何れの失敗をも、標準のパルス限定テストの何れの失敗と同じように、即ち、パルスを非限定するということによって処理する。

幾つかの実施例では、また、その方法は受け取られた値から算出される血液飽和度の値を表示する段階を備えている。すなわち、パルスが受け取られないときは最も時間的に近い血液飽和度の値の表示を持続し、それから受け取られたパルスが血液飽和度を算出するために用いられるときは何時でも表示値を新しくするという表示の段階を備える。

３０秒毎にパルス・オキシメータはノイズのステート２に入る。ステート２の目的は、赤色ＬＥＤを消灯し（工程Ｊ）そして赤色のチャンネルの周辺ノイズを測定すること（工程Ｋ）による、最後のステート０のノイズ測定以降に出現した新しいノイズ源を検知することにある。赤外のチャンネルはなお動作しているので、パルス・オキシメータは赤外のパルスが限定の基準を満たしている限りは、そのパルス波形、心臓の早さの見積値、そして可聴のパルス音調を維持することができる。その上、ステート２は比較的に短い期間であるのでパルス・オキシメータは、たとえ新しい飽和度の数が算定できなくても、最後の算定された酸素飽和度の数をステート２の間表示し続ける。

ステート２では、赤色ＬＥＤは約１．４秒の間消灯される。赤色のチャンネルだけに対するステート０のノイズの算定を用いて、マイクロプロセッサーは新しいノイズの値、ＢＲＯＡＤ_2,RED、ＨＩＦＲＥＱ_2,RED、そしてＬＯＦＲＥＱ_2,REDを算定する。次いで、マイクロプロセッサーはこれ等の値を用いて新しいステート０の値を見積りする（工程Ｌ）。赤色チャンネルのステート０の値の見積りのために、マイクロプロセッサーは測定された値を、作業（即ち、ステート１）利得のステート０において使用される利得値に対する比だけ調節する。赤外チャンネルのステート０の値を見積りするために、マイクロプロセッサーは新しく見積りされた赤色チャンネルの値を、赤外の赤色チャンネルの利得に対する比だけ調節する。次いで、パルス・オキシメータはステート１へ戻り、そして新しく見積りされたステート０の値をパルス限定テストにおいて使用する。

実施例では、信号、ノイズ、そして比が、追加の予防手段として赤色チャンネルと同様にＩＲチャンネルについて算定される。しかしながら、もしオキシメータが十分なアイドル時間（idle time）を有していないならば、これ等の値は赤色チャンネルだけで算定される。何故なら、実際の条件下では赤色チャンネルにおけるノイズは、赤外チャンネルでのノイズより大きいか又は等しいからである。

上記方法の大部分は、ネルカー社のＮ−２００のような、現存のパルス・オキシメータを制御しているソフトウエアーを変更することによって実行することができる。別の実施例においては、能動的な信号センシング・モニター（例えば、パルス・オキシメータ）は、エネルギー供給源がオンされていないとき、モニター信号とマルティプレックスされる追加の「ハードウエアー」チャンネルを利用している。代表的なパルス・オキシメータでは、この「ダーク・チャンネル（dark channel）」は赤色及び赤外のチャンネルに加えて、第３のチャンネルとして存在している。勿論、無呼吸用モニターのような、単に１つの信号チャンネルだけ備えている他の装置は、ダーク・チャンネルの導入によって２つのチャンネルをもつことになる。ダーク・チャンネルによって、変化するノイズ環境に素早く対応するためノイズを連続してモニターすることができ、そして前に述べたように、周期的にステート０へ又はステート２へ戻ることの必要性が、最小にされるか又は取り除かれる。しかしながら、ノイズの正確な評価を与えるためには、追加のチャンネルは赤色及び赤外のチャンネルと同様のノイズ特性をもった一連のアナログ・フィルターを必要とする。

結論
本発明は当業者が理解できる範囲において、発明の精神又は本質から離れることなしに、他の特種な形式で実施することができる。例えば、パルス限定テストにおいて使用されるＳ／Ｎ閾値は変更することができるし、その上低域通過フィルターの定まった遮断周波数を調節することもできる。したがって、発明の実施例についての開示は、例証となることを意図したもので、請求項において示されるところの発明の範囲を限定するものではない。

本発明の機器のハウジングと、患者の指へのセンサーの取り付けを示す斜視図である。本発明の３つのステート（states）を結合する過程を示す操作一覧図である。ディマルティプレックシング周波数でノイズ・レベルを決定するために利用される方法の一覧図である。本発明のパルス限定化手順の一覧図である。

Claims

ディマルティプレックサー周波数で２つの信号間の選択を行うディマルティプレックサーを有する能動信号センシング・モニターによって得られた信号中のノイズを調節するための方法であって、
（ａ）第１の選択されたディマルティプレックサー周波数でノイズ・レベルを決定する工程と、
（ｂ）１又はそれ以上の選択された他のディマルティプレックサー周波数でノイズ・レベルを決定する工程と、
（ｃ）第１のディマルティプレックサー周波数のノイズ・レベルと他のディマルティプレックサー周波数のノイズ・レベルとを比較する工程と、
（ｄ）第１及び１又はそれ以上のディマルティプレックサー周波数の中から、比較的低いノイズ・レベルを有する最適のディマルティプレックサー周波数を１つ選択する工程と、
（ｅ）前記最適ディマルティプレックサー周波数で、能動信号センシング・モニターを作動させる工程とからなる方法。
能動信号センシング・モニターが、２つの違った波長の光源をもったセンサーを有するパルス・オキシメータであって、そしてディマルティプレックサー周波数でノイズ・レベルを決定する工程が、光源が発光していない間、パルス・オキシメータの信号をモニターすることによって行われる請求項１記載の方法。
ディマルティプレックサー周波数でノイズ・レベルを決定する工程が、光源が発光していない間、パルス・オキシメータの信号中のノイズの二乗平均の平方根を算出することによって行われる請求項２記載の方法。
能動信号センシング・モニターが、２つの違った波長の光源をもったセンサーを有するパルス・オキシメータであって、そしてディマルティプレックサー周波数でノイズ・レベルを決定する工程が、１つの光源が発光していて残りの光源が発光していない間、パルス・オキシメータの信号中のノイズの二乗平均の平方根を算出することによって行われる請求項１記載の方法。
更に、オキシメータの信号のＳ／Ｎ比を得るために、選択されたディマルティプレックサー周波数でのノイズをパルス・オキシメータの信号と比較する工程を含む請求項２、３または４記載の方法。
モニターが、パルス・オキシメータであって、ここで予め決められた閾値より上のＳ／Ｎ比を有するオキシメータ信号が受け入れられると共に、血液の酸素飽和度を算出するのに用いられ、また予め決められた閾値未満のＳ／Ｎ比を有するオキシメータ信号は拒否されると共に、血液の酸素飽和度を算出するのに用いられない請求項５記載の方法。
能動信号センシング・モニターが組織のインピーダンスの監視用モニターである請求項１記載の方法。
更に、
（ｉ）受け入れられたオキシメータの信号から算出された血液飽和度の値を表示する工程と、
（ｉｉ）オキシメータの信号が拒否されたときは最も近時の血液飽和度の値を表示し続ける工程と、
（ｉｉｉ）受け入れられたオキシメータの信号が血液飽和度を算出するのに使用されるときは必ず、ステップ（ｉ）で表示された血液飽和度の値を更新する工程とを有する請求項６記載の方法。
モニターが、パルス・オキシメータであって、このパルス・オキシメータが赤色及び赤外の光源を含み、そして赤色及び赤外のそれぞれの高周波ノイズは、その光源が発光している間に、パルス・オキシメータの信号パルスの閾周波数より上の周波数成分からモニターされ、さらにオキシメータ信号パルスの振幅をその高周波ノイズで除算することでそれぞれのＳ／Ｎ比が得られる請求項１記載の方法。
モニターが少なくとも１つの光源を有するパルス・オキシメータであって、ここで高周波ノイズは光源が発光している間に、パルス・オキシメータの信号パルスの閾周波数より上の周波数成分からモニターされ、さらにオキシメータ信号パルスの振幅をその高周波ノイズで除算することでそれぞれのＳ／Ｎ比が得られ：信号パルスに関連した高周波ノイズをモニターする工程が、ディジタル化された信号をつくるために、オキシメータ信号パルスをディジタル化して行われる工程と、ディジタル化された信号を、高周波ノイズを与えるために高域通過フィルターへ通す工程とを有する請求項１記載の方法。
能動信号センシング・モニターが、パルスオキシメータであって、
第１波長の光と第２波長の光が、選択されたディマルティプレックサー周波数ｆ_TMUXで交互に発光する工程と；
対象物を通過した光を検知し、そしてディマルティプレックスする工程と、
前記第１及び第２波長で、対象物を通過する光パルスを確認する工程と、
光パルスに関連したＳ／Ｎ比を決定する工程と、
Ｓ／Ｎ比を予め決められた閾値と比較する工程と、
閾値未満の関連したＳ／Ｎ比を有するパルスを、血液の飽和度を算出するのに使用されないように除去する工程と、
閾値より上の関連したＳ／Ｎ比を有するパルスを、血液の飽和度を算出するために利用するように受け入れる工程と、
から更に構成される請求項１記載の方法。
その中から周波数ｆ_TMUXが選択される、複数のディマルティプレックシング周波数が、５０又は６０Ｈｚ及びそれ等の高調波から少なくとも約１０Ｈｚ離れている請求項１１記載の方法。
更に、
（ｉ）受け入れられたパルスから算出された血液飽和度の値を表示する工程と、
（ｉｉ）受け入れられたパルスが血液飽和度を算出するのに使用されるときは必ず、ステップ（ｉ）で表示された血液飽和度の値を更新する工程と、
（ｉｉｉ）パルスが除去されるときは、最も近時の血液飽和度の表示を維持する工程とを有する請求項１１または１２記載の方法。
複数のマルティプレックシング周波数が約１５００と２５００Ｈｚとの間にある請求項１１、１２または１３記載の方法。
（ａ）複数の利用可能な周波数の中から選択されたディマルティプレックサー周波数で作動するディマルティプレックサーと、
（ｂ）前記ディマルティプレックサーに結合され、そしてディマルティプレックサー周波数でオン・オフ動作し、減衰されたエネルギー信号を取り出すために少なくとも生体の一部分へエネルギーを通過させる少なくとも１つのエネルギー供給源と、
（ｃ）前記減衰されたエネルギー信号をモニターする検知器と、
（ｄ）複数の利用可能な周波数の各々でノイズ・レベルを近似するための手段と、
（ｅ）各利用可能な周波数におけるノイズ・レベルに基づいて、複数の利用可能な周波数の中からディマルティプレックサー周波数を選択するための手段と、
からなる生理学的特徴を決定するための能動的信号センシング・モニター。
ノイズ・レベルを近似するための手段が、更に、少なくとも１つのエネルギー供給源がエネルギーを放出しないときは、周辺の信号をモニターするための手段を含む請求項１５記載のモニター。
更に、平均の信号レベルをディマルティプレックサー周波数で算出し、瞬時の信号レベルを測定し、平均の信号レベルを瞬時の信号レベルから減算して差を求め、その差を二乗して二乗値を求め、その二乗値を測定期間にわたって加算して和を求め、そしてその和の平方根をとってディマルティプレックサー周波数でのノイズ・レベルを求めることを繰り返し行うための手段を有する請求項１６記載のモニター。
利用できる周波数が、５０又は６０Ｈｚ及びそれ等の高調波から少なくとも約１０Ｈｚ離れている請求項１５、１６または１７記載のモニター。
利用できる周波数が、約１５００と２５００Ｈｚとの間にある請求項１５，１６，１７または１８記載のモニター。
更に、ノイズ・レベルを近似するための手段へ導かれるフィルターされた信号を生み出すために、減衰されたエネルギー信号の少なくとも一部分をフィルターする高域通過フィルターを有する請求項１５乃至１９のいずれかに記載のモニター。
複数の利用可能な周波数の中からディマルティプレックサー周波数を選択するための手段は、最低のノイズ・レベルをもった利用可能な周波数を選択するための手段を有している請求項１５乃至２０のいずれかに記載のモニター。
モニターがパルス・オキシメータである請求項１５乃至２１のいずれかに記載のモニター。
更に、
オキシメータ信号パルスに関連するＳ／Ｎ比をモニターし、そしてそのＳ／Ｎ比を予め決められた閾値と比較するための信号処理手段と、
閾値未満の関連するＳ／Ｎ比を有するパルスを拒否し、そして閾値より上の関連するＳ／Ｎ比を有するパルスを受け入れる手段であって、血液の酸素飽和度を決定するのに受け入れたパルスが使用され、拒否されたパルスが使用されない手段と、
受け入れられたパルスから決定された血液飽和度の値を表示するための表示装置と、
からなる請求項２２記載のパルス・オキシメータ。
パルスが拒否されるときは、過去に受け入れられたパルスから決定された最も近時の血液飽和度の値を表示装置が表示し、そして受け入れられたパルスが血液飽和度を算出するのに使用されるときは表示された血液飽和度の値を更新する請求項２３記載のパルス・オキシメータ。
更に、信号パルスに関連するＳ／Ｎ比をモニターするための信号処理手段によって使用されるノイズ値を与えるために、オキシメータの信号パルスをフィルターするための高域通過フィルターを含む請求項２３または２４記載のパルス・オキシメータ。
２つの光源と１つの光検知器とからなる前記エネルギー供給源と検出器であって、該２つの光源は交互に光パルスを発生し、そしてその光パルスは対象物を通過して光検知器でモニターされる減衰された光信号を生じさせ、
２つの光源からの信号を分離するディマルティプレックサーであって、該ディマルティプレックサーと光源は調節可能な該選択されたディマルティプレックシング周波数で動作するディマルティプレックサーと、
該複数の利用可能な周波数を記録するＲＯＭと、
前記選択されたディマルティプレックサー周波数を選択し、さらに必要に応じて調節して、利用可能な周波数に関連するノイズを周期的に決定する第１の処理装置と、
光検知器によってモニターされる光信号から血液の酸素飽和度を周期的に決定する第２の処理装置とからなる請求項２２記載のパルス・オキシメータ。
第１の処理装置が、利用できる各周波数に関連したノイズの二乗平均の平方根を周期的に決定し、二乗平均の平方根の最も低いノイズを有する利用可能な周波数を、ディマルティプレックサー周波数として選択する手段を含む請求項２６記載のパルス・オキシメータ。
更に、減衰された光信号に関連するノイズの二乗平均の平方根からＳ／Ｎ比を算出し、減衰された光信号が予め決められた値未満のＳ／Ｎ比をもつときには、第２の処理装置が、血液の酸素飽和度を決定しないようにする第３の処理装置を含む請求項２７記載のパルス・オキシメータ。
光源が赤色及び赤外のＬＥＤである請求項２６，２７または２８記載のパルス・オキシメータ。
第１の処理装置が、２つの光源の少なくとも１つが光パルスを発生していない間に、利用可能な周波数に関連するノイズを決定する請求項２６乃至２９のいずれかに記載のパルス・オキシメータ。