JP2007523717A - 酸素濃度計の周辺光の相殺 - Google Patents

Abstract

パルス酸素濃度測定の方法と装置であり、上記方法および装置は、（１）変調周波数と一般に用いられる送電線周波数（５０，６０，１００，１２０）の公倍数との間の距離におけるノッチフィルタ（４６）と、さらに、（２）ヒトの最高脈拍数よりも大きく、５０，６０，１００または１２０Ｈｚの任意の高調波よりも低い復調周波数とを提供し、ノッチフィルタまたは送電線の高調波からの干渉を防ぐのに最適な復調周波数を選択する一方で、周辺光の干渉をフィルタする。さらに、送電線干渉のような任意の低周波数の干渉に対する周辺光が、発光体の波長各々の前および後の両方において測定され、その後、周辺光の平均は、検出された信号から差し引かれる。

Description

本発明は、酸素濃度計に関し、特に、パルス酸素濃度計における周辺光の相殺技術に関する。

パルス酸素濃度計は、典型的には、動脈血におけるヘモグロビンの血中酸素飽和度、組織に供給する個々の脈拍の血液量、および、患者の各心拍に対応する脈拍の速度を含む様々な血流特性を計測するために用いられるが、それらには限定されない。これら特性の計測は、非侵襲センサを用いることによって達成される。上記非侵襲センサは、血液が灌流する患者の組織の一部を介して光を散乱させ、そのような組織における光の吸収を光電子的に感知する。その後、吸収された量の光は、計測される血液成分の量を計算するために用いられる。

組織を介して散乱された光は、血液中に存在する血液成分の量を表す量において、血液によって吸収された１つ以上の波長として選択される。組織を介して散乱された透過光の量は、組織における血液成分の量の変化、および関連する光の吸収の量の変化にしたがって、変動し得る。血中酸素レベルを計測するため、そのようなセンサは、血中酸素飽和度を計測するための周知の技術にしたがい、典型的には、少なくとも２つの異なる波長の光を生成することに適合した光源と、それら両波長を感知可能な光検出器とを提供される。

周知の非侵襲センサは、例えば指、耳、または頭皮のような体の一部に固定されるデバイスを含む。動物や人間において、これら体の一部の組織は血液によって灌流され、上記組織の表面は、センサに対して容易にアクセス可能である。

酸素濃度計の測定に関連する問題は、組織において配向された光を受信することに加え、周辺光もまた、光検出器によって検出されるということである。周辺光をブロックする試みが行なわれるが、典型的には、若干の周辺光が検出され得る。特別な関心事は、蛍光灯またはその他の光の送電線周波数は、米国では６０Ｈｚであり、ヨーロッパおよびその他の国々では５０Ｈｚであるということである。

典型的には単一の光検出器が用いられるため、例えば赤色および赤外線のような異なる波長の光が時間多重化される。検出された信号は、逆多重化されなければならない。逆多重化周波数は、脈拍数よりも遥かに大きくなるように十分高くなければならない。しかしながら、逆多重化周波数を選択することもまた、周辺光に影響される。一つの論点は、ＡＣ送電線周波数の高調波のエイリアシングである。特許文献１は、各周波数において検出された周辺光干渉の大きさに依存して逆多重化周波数を変更する技術について議論している。

特許文献２は、検出された光信号から暗信号（ｄａｒｋ ｓｉｇｎａｌ；検出された周辺光）を差し引くことについて、議論している。このことは、赤色発光体と赤外線発光体との両方を、それらがオンである間に停止し、周辺光を構成要素とし得る「暗」信号が検出され得るようにすることにより、達成され得る。これは、所望の信号から差し引かれ得る。周辺光に関する論点について扱っているその他の特許の例は、特許文献３、特許文献４、および特許文献５である。

特許文献６は、ノッチフィルタを用いて回線周波数をフィルタすることについて議論している。しかしながら、サンプリングレートが基本的な送電線干渉の周波数の２倍に設定されて記述されているため、送電線干渉の高い高調波が問題として残され、変調周波数をフィルタすることなしに、どのようにして干渉をフィルタし得るのかが、不明瞭である。使用されるノッチフィルタの別の例は、特許文献７に述べられており、ここではＥＧＫ信号に対するノッチフィルタを用いている。
米国特許第５，７１３，３５５号明細書 米国特許第５，８８５，２１３号明細書 米国特許第６，３８５，４７１号明細書 米国特許第５，８４６，１９０号明細書 米国特許第４，７８１，１９５号明細書 米国特許第４，８０２，４８６号明細書 米国特許第４，８０２，４８６号明細書

（本発明の簡単な要約）
本発明は、パルス酸素濃度測定の方法と装置とを提供し、上記方法および装置は、（１）復調周波数と送電線周波数（５０，６０，１００，１２０）の公倍数との間の距離におけるノッチフィルタと、さらに、（２）ヒトの最高脈拍数よりも大きく、５０，６０，１００または１２０Ｈｚの任意の高調波よりも低い復調周波数とを提供する。このため、本発明は、ノッチフィルタまたは送電線の高調波からの干渉を防ぐのに最適な復調周波数を選択することを可能にする一方で、周辺光の干渉の元凶をフィルタすることを可能にする。

一実施形態において、公倍数は１２００であり、復調周波数は、１２００から離れて５Ｈｚから２０Ｈｚの間に存在し、一実施形態では、好ましくは１２１１である。

本発明の別の局面において、暗信号または周辺光は、発光体の波長各々（一実施形態においては、赤色および赤外線）の前および後の両方において測定される。単に暗レベル（ｄａｒｋ ｌｅｖｅｌ）のうちの１つを差し引くのではなく、２つの暗レベルが平均化され、その後、検出された信号から差し引かれる。このことは、検出信号の間の周辺光の変動を補償し、送電線干渉またはその他任意の低周波数の干渉の効果を低減させる。

本発明の別の実施形態において、デジタルフィルタリングとデジタルデシメーションとがデジタル領域で実行される。フロントエンドのハードウェアにおけるゲイン設定の変化がある場合、フィルタは、新しいゲイン設定または出力設定において、メモリ内の値を求められた出力値の評価（ｅｓｔｉｍａｔｅ）に対応させるために、プレロードされる。このプレローディングは、フィルタの出力において有効なデータが入手可能であるときに高速化され得る。

（システムの全体）
図１は、本発明を組み込んだ酸素測定システムの一実施形態を図示している。センサ１０は、赤色ＬＥＤおよび赤外線ＬＥＤならびに光検出器を含んでいる。これらは、ケーブル１２によって基板１４に接続される。ＬＥＤ駆動電流は、ＬＥＤ駆動インターフェース１６によって提供される。センサからの受信された光電流は、Ｉ−Ｖインターフェース１８に提供される。その後、ＩＲのおよび赤色の電圧は、本発明を組み込んだシグマ・デルタインターフェース２０に提供される。シグマ・デルタインターフェース２０の出力は、マイクロコントローラ２２に提供される。マイクロコントローラ２２は、プログラム用のフラッシュメモリと、データ用のＥＥＰＲＯＭとを含む。酸素濃度計はまた、フラッシュメモリ２６に接続されたマイクロプロセッサチップ２４を含む。最後に、クロック２８が用いられ、センサ１０におけるデジタル較正へのインターフェース３０が提供される。分離したホスト３２は、処理された情報を受信し、同時に、アナログ表示を提供するために、ライン３４上のアナログ信号を受信する。

（ノッチフィルタ）
図２は、図１のマイクロコントローラ２２によって処理されるデジタル信号を提供するアナログ−デジタルコンバータ４０を示している。マイクロプロセッサは、信号のデジタル処理を行ない酸素飽和度の計算を行なう本技術分野では周知なその他のブロックと同様に、復調器４２と、４ステージのフィルタ／デシメータ４４と、ノッチを有するローパスフィルタ４６を含み得る。復調の後には赤色チャネルのみが示されているが、同様なチャネルがＩＲ信号に用いられる。

ノッチフィルタは、送電線干渉を取り扱う。送電線干渉は、米国では、電力要求に依存して６０Ｈｚまたは１２０Ｈｚで動作する光によってもたらされる。ヨーロッパおよびその他の地域は、５０Ｈｚおよび１００Ｈｚを用いる。５０Ｈｚ，６０Ｈｚ，１００Ｈｚおよび１２０Ｈｚの公倍数は、１２００Ｈｚである。変調帯域幅は、ヒトが取り得る脈拍の最高値よりも高く、好ましくは５Ｈｚよりも高くなるように選択される。同時に、変調帯域幅は、送電線干渉信号のいかなる高調波よりも低くなるように選択される。２４５０Ｈｚの第２高調波は２０２５Ｈｚにエイリアスされ得るため、望ましい上限としては、２０ヘルツが選択される。一実施形態において、変調周波数は１２１１．２３Ｈｚに選択され得る。この１２１１．２３Ｈｚは、１２００Ｈｚから１１．２３Ｈｚ（５〜２０Ｈｚの範囲内）離れている。したがって、好ましい実施形態では、ノッチフィルタにおいて、１１．２３Ｈｚにゼロが提供される。一実施形態において、ノッチ（４６）を有するローパスフィルタは、１１．２５Ｈｚのノッチを有する８極ベッセルフィルタである。

このため、本発明は、送電線干渉からの干渉を相殺する効果的な手段を提供する。ここで、上記干渉は、検出信号においてエイリアスし得る、蛍光灯上の波紋のようなものである。ハードウェアにおいて、復調器の前にアンチエイリアシングフィルタが提供されているが、これらが効果的であるようにすることは困難であり、このため、検出信号において、いくらかの残余回線干渉が存在し得る。上記残余回線干渉は、デジタル領域において取り扱われる。

（周囲の暗レベルを平均化し、低周波数の干渉を低減させること）
図３は、サンプリング期間の前と後とで周囲の暗レベルを平均化し、送電線またはその他のソースからの低周波数の干渉を補償することにより、周辺光を低減するという本発明の別の局面を図示している。図３は、サンプリングレートが２４００の信号を示している。図３における上向きの傾斜線は、６０Ｈｚの送電線干渉によるものである。この上向きの傾斜（この傾斜は、６０Ｈｚ（または、５０Ｈｚ等）の信号の他の部分では、下向きになり得る）の効果を相殺することが望ましい。

図３は、異なる変調期間の間に検出された信号を示している。検出された信号のレベルは、線５０によって図示されている。第１の暗期５２の間、赤色ＬＥＤまたは赤外線ＬＥＤのいずれかがオンであり、暗光または周辺光のサンプリングを許容する。サンプリングの後、時間期間５４の間に、赤色ＬＥＤはオンにされる。赤色ＬＥＤの輝度がフルになるまでの期間の間に、信号５０が立ち上がる。時間期間５６の間、検出された信号は、赤色ＬＥＤ（オンになっている）に対応する。

赤色ＬＥＤがオフにされた後、信号は、期間５８の間に減衰し、第２の暗期６０がサンプリングされる。

続いて、ＩＲ ＬＥＤは、期間６２の間にオンにされ、期間６４の間にサンプリングされる。期間６６の間にオフにされ、信号減衰し、期間６８の間に第３の暗サンプル（ｄａｒｋ ｓａｍｐｌｅ）が取られる。第３の暗サンプルもまた、第１の暗期間５２に対応し、処理が繰り返される。

図３に見ることができるように、１個の暗レベルのみが用いられる場合、低周波数の干渉によって周辺レベルが変動するような場合に、不正確な周辺レベルが測定され得る。特定の波長に対するサンプリング期間の前および後で暗期を平均化することにより、周辺の暗レベル信号のさらに正確な測定が得られる。例えば、赤色変調期間５６の間の周辺光干渉は、期間５２の間に暗１信号を測定し、期間６０の間に暗２信号を測定し、これら信号を平均化することによって決定される。同様に、赤外変調期間６４に対し、期間６０の間の暗２信号および期間６８の間の暗３信号は、平均化され、ＩＲ信号から差し引かれ、周辺光干渉を相殺し得る。これら計算のすべては、図１のマイクロプロセッサ２２により、デジタル領域において行われる。

（プレローディング・デシメーションおよびベッセルフィルタ）
図４は、フィルタとソフトウェアとがプレロードされる本発明の別の実施形態を図示している。アナログ入力信号は、シグマ・デルタ変調器とマルチ・ビットのアナログ・デジタルコンバータとを介して処理される前に、典型的にはハードウェア増幅器８４において増幅される。シグマ・デルタ変調器８６によって処理し、デジタル領域に変換した後、サンプリングレートを低減させるためにデシメータ８８によってデシメートされ、ベッセルフィルタ８８によってフィルタされる。コントローラ９２は、ベッセルフィルタのメモリとデシメータのメモリとをプレロードし、求める出力値の値がどのようなものかを評価する。このことは、フィルタの整定時間を、入力におけるステップ変化の後に、顕著に低減させ得る。そのような入力におけるステップ変化は、増幅器８４のゲイン設定の変化から発生し得る。ステップ変化は、アクティブにされる特定のＬＥＤにおける変化、ＬＥＤの電力の変化、またはフロントエンドのハードウェアのその他のゲイン設定の変化の結果として交互に生じ得る。コントローラ９２がそれらの変化をアクティブにし得るため、適切な値を用いることによりフィルタとデシメータとをいつプレロードするのかについての知見を有し得る。これらは図４のブロックに示されているが、このことは、好ましい実施形態においては、コントローラ９２、フィルタ８８、およびデシメータ９０として機能するソフトウェアプログラムによって行われる。このフィルタとデシメータとのプレローディングは、整定時間を短縮することにより、有効なデータを迅速に入手可能にし得る。

当業者に理解されるように、本発明は、その主要な特性から逸れることなしにその他の形態に実施され得る。例えば、２つ以上の異なる光の波長が用いられ得る。交互に異なる復調周波数が選択され得る。加えて、ノッチフィルタリングは、検出された信号のその他のデジタル処理の前または後のいずれかにおいて行われ得る。したがって、上記の記述は、例示を意図したものであり、以下の請求の範囲に述べられている本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

図１は、本発明を組み込んだ酸素濃度計のブロック図である。 図２は、ノッチフィルタを含んだ本発明の一実施形態におけるデジタル操作の一部に関するブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態において平均化される複数の暗レベルを示す図である。 図４は、本発明の一実施形態にしたがうデジタルフィルタとデジタルデシメータとのプレローディングを示す図である。

Claims (18)

1. パルス酸素濃度計を操作する方法であって、
   ５０，６０，１００および１２０の公倍数から所定の距離に存在する変調周波数を用いることにより、２つの波長の光を交互に生成することであって、該所定の距離は、ヒトの最高脈拍数よりも大きく、５０，６０，１００または１２０の任意の高調波の距離よりも低い、ことと、
   該光を組織部位に配向することと、
   該組織部位から拡散する光信号を検出することと、
   該公倍数の周波数において、該検出された光信号をノッチフィルタすることと
   を包含する、方法。
2. 前記検出された光信号をデジタル化してデジタル化信号を提供すること
   をさらに包含し、前記ノッチフィルタすることは、該デジタル化信号の上で実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記公倍数は１２００である、請求項１に記載の方法。
4. 前記所定の距離は、５ヘルツから２０ヘルツの間である、請求項１に記載の方法。
5. 前記所定の距離は、約１１ヘルツである、請求項１に記載の方法。
6. 前記ノッチフィルタすることは、前記距離のデジタルフィルタにゼロを提供することによって実行される、請求項１に記載の方法。
7. 前記変調周波数は、第１の波長の光が生成される第１の期間と、光が一切生成されない暗期と、第２の波長の光が生成される第２の期間との間を反復するように用いられ、
   該第１の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第１の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価し、
   該第２の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第２の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価する、
   請求項１に記載の方法。
8. パルス酸素濃度計において検出された光信号を測定する方法であって、
   変調周波数を用いることにより、２つの波長の光を交互に生成することと、
   該光を組織部位に配向することと、
   該組織部位から拡散する検出光信号を検出することと、
   第１の波長の光が生成される第１の期間と、光が一切生成されない暗期と、第２の波長の光が生成される第２の期間との間を反復するように該周波数を用いることと、
   該第１の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第１の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価することと、
   該第２の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第２の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価することと
   を包含する、方法。
9. 前記検出された光信号から、評価されたレベルの周辺光を差し引くこと
   をさらに包含する、請求項８に記載の方法。
10. 少なくとも１つの発光体と、
    ５０，６０，１００および１２０の公倍数から所定の距離に存在する変調周波数を用いることにより、該少なくとも１つの発光体からの２つの波長の光を交互に生成する制御回路であって、該所定の距離は、ヒトの最高脈拍数よりも大きく、５０，６０，１００または１２０の任意の高調波の距離よりも低い、制御回路と、
    組織部位から拡散する検出光信号を検出する検出器と、
    該検出された光信号を処理する処理回路であって、該処理回路は、該公倍数の周波数において該検出された光信号をフィルタするように構成されたノッチフィルタを含む、処理回路と
    を備える、パルス酸素濃度計。
11. 前記検出された光信号をデジタル化してデジタル化信号を提供するアナログ−デジタルコンバータ
    をさらに備え、前記ノッチフィルタは、デジタルフィルタである、請求項１０に記載のパルス酸素濃度計。
12. 前記公倍数は１２００である、請求項１０に記載のパルス酸素濃度計。
13. 前記所定の距離は、５ヘルツから２０ヘルツの間である、請求項１０に記載のパルス酸素濃度計。
14. 前記所定の距離は、約１１ヘルツである、請求項１０に記載のパルス酸素濃度計。
15. 前記ノッチフィルタは、前記距離のデジタルフィルタにゼロを提供する、請求項１０に記載のパルス酸素濃度計。
16. 第１の波長の光が生成される第１の期間と、光が一切生成されない暗期と、第２の波長の光が生成される第２の期間との間を反復するように構成される、前記制御回路と、
    該第１の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第１の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価し、該第２の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第２の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価するように構成される、前記処理回路と
    をさらに備える、請求項１に記載のパルス酸素濃度計。
17. 少なくとも１つの発光体と、
    変調周波数を用いることにより、該少なくとも１つの発光体からの２つの波長の光を交互に生成する、制御回路と、
    組織部位から拡散する検出光信号を検出する検出器と
    を備え、
    該制御回路は、第１の波長の光が生成される第１の期間と、光が一切生成されない暗期と、第２の波長の光が生成される第２の期間との間を反復するように構成され、
    該第１の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第１の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価し、該第２の期間の前または後の暗期において検出された光信号の大きさを平均化することにより、該第２の期間の間に検出された光信号における周辺光のレベルを評価するように構成される、処理回路
    を備える、パルス酸素濃度計。
18. アナログセンサ信号を受信するように結合された入力を有するシグマ・デルタ変調器と、
    センサ信号を増幅し、該アナログセンサ信号として、増幅された信号を提供する、ハードウェア増幅器と、
    該シグマ・デルタ変調器の出力に結合され、デジタル出力を提供する、複数ビットのアナログ・デジタルコンバータと、
    該デジタル出力の上で動作するように構成されたデシメータと、
    該デジタル出力の上で動作するように構成されたデジタルフィルタと、
    該ハードウェア増幅器のゲインを改変させた後に、該デシメータおよびデジタルフィルタに、求められた出力値の評価をプレロードする制御プログラムと
    を備える、酸素濃度計装置。

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