JP2007523727A - シグマ−デルタ変調を用いたマルチビットａｄｃ - Google Patents

Abstract

酸素濃度計はシグマ−デルタ変調器およびマルチビットＡＤＣ（５４）を使用し、ＰＷＭフィードバック（５６）は、高性能のマルチビット変換を可能にする。復調はソフトウェアにおいてなされ、その結果、赤およびＩＲのための単一のハードウェア経路のみを要求する。複数のコンデンサはシグマ−デルタ変調器における積分器（４４）にスイッチされ、赤、ＩＲ、および暗信号に対して異なるコンデンサを有し、その結果、単一のハードウェア経路の使用を可能にする。シグマ−デルタ変調器の入力部におけるスイッチング回路（７６）はサンプルアンドホールドとして動作し、ＰＷＭフィードバック（５６）によって制御される。

Description

本発明は酸素濃度計に関し、より詳細には、パルス酸素濃度計において、アナログ−デジタル変換に関連して使用されるシグマ−デルタ変調器に関する。

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、患者の個々の心拍に対応する脈拍の速度を含む（それらに限定されるわけではない）血液の様々な化学的特性を計測するために使用される。これらの特徴の計測は、非侵襲センサの使用によって達成される。その非侵襲センサは、血液が灌流する患者の組織の一部に光を散乱し、そのような組織における様々な波長における光の吸収を光電測光にて感知する。吸収される光の量は、計測される血液成分の量を計算するために使用される。

組織に散乱された光は、血液中に存在する血液成分の量を示す量において、血液によって吸収された一つ以上の波長として選択される。組織に散乱された、透過光線の量は、組織および関連する光の吸収における血液成分の変化する量に従って変化する。血中酸素レベルを計測するために、そのようなセンサは、典型的には、血中酸素飽和度を計測するための周知の技術に従い、少なくとも二つの異なる波長の光を生成するように適合される光源、および、それらの波長の両方に感度の高い光検出器を提供される。

周知の非侵襲センサは、指、耳、または頭皮などの体の一部に固定される装置を含む。動物や人間においては、これらの体の部分の組織は血液によって灌流され、その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。

典型的には、パルス酸素濃度計におけるアナログ−デジタル変換は、信号が別個の赤およびＩＲ信号に復調された後に、アナログ−デジタル変換のためのシグマ−デルタ変調器を用いてなされる。シグマ−デルタ変調器を用いたパルス酸素濃度計回路の例は、特許文献１にて説明されている。この特許は、二つのシグマ−デルタ変調器の使用を示し、そのうちの一つは赤チャンネルであり、もう一つはＩＲ（赤外線）チャンネルである。シグマ−デルタ変調器は、１ビットのデジタル分解能を提供し、シグマ−デルタ変調器の出力はフィルタリングされ、より高い分解能の信号を生成する。これは、速いオーバーサンプリングレート（通常は１２００Ｈｚ）を使用し、次いで、フィルタリングし、遅い高い分解能の信号を生成することによって達成される。この特許におけるシグマ−デルタ変調器のゲインは、フィードバックパルスの幅を変化させることによって制御される。
米国特許第５，９２１，９２１号明細書

本発明は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）の後に、復調器をソフトウェアドメインに移動させる。シグマ−デルタ変調器は簡素なＡＤＣを用いて使用される。これにより、従来技術のように、二つのＡＤＣを必要とし、赤およびＩＲ成分を復調するよりもむしろ、光電流信号のためのシングル信号経路の使用を可能にする。赤およびＩＲ信号は、ソフトウェアまたはファームウェアプログラムを用いたデジタルドメインにおいて、後に分離される。赤およびＩＲの両方のための同じハードウェアを使用することによって、一方の信号に導入され、もう一方の信号に導入されないゲインエラーは存在しない。赤およびＩＲは同じ周波数応答エラーを有するゆえに、血液酸素化の計算はこのエラーをキャンセルする。ソフトウェアにおける復調はまた、さらに複雑な復調スキームの使用を可能にする。

本発明は、従来技術のシングルビット変換ではなく、シグマ−デルタ変調器を用いた正確なマルチビットＡＤＣ変換を生成することができ、マルチビットフィードバックデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を用いることによって、独自のパルス幅変調（ＰＷＭ）フィードバックを提供する。そのフィードバックＤＡＣは、安定クロックによってクロックされ、二つの電圧基準の間におけるスイッチを制御する制御出力を提供し、それら二つの電圧基準は入力信号に追加される。高電圧基準が追加される時間の量対低電圧基準が追加される時間の量は、正確なアナログフィードバックを与えるために、ＰＷＭ信号を提供する。本発明は、フィードバックが安定クロック信号に依存するゆえ、直線性誤差を低減する。

本発明の別の局面において、シグマ−デルタ変調器のために使用される積分器の入力部におけるスイッチは、サンプルアンドホールド回路を提供する。アナログスイッチは、積分器の演算増幅器の、非反転と反転入力部との間にてスイッチするために使用される。演算増幅器の他の入力部への接続は、同じ電圧レベルにおけるスイッチに対する入力部の電圧を維持する。電圧基準は、この第２の入力部（例えば、非反転入力部）に接続され、必要に応じて、過度の電流のためのソースまたはシンクを提供する。

本発明の別の局面において、複数のコンデンサが、シグマ−デルタ変調器の積分器のために使用される。異なるコンデンサは、受信された入力信号に依存してスイッチされる。これにより、シングルシグマ−デルタ変調器およびＡＤＣが可能となる。その理由は、異なるコンデンサは復調されるそれぞれの信号に対して専用となり得るからである。例えば、第１のコンデンサは、赤信号のために使用され得、第２のコンデンサは、赤外線信号のために使用され得る。付け加えて、第３および第４のコンデンサは、赤と赤外線との間における第１の暗（ｄａｒｋ）信号のために、または、赤外線と赤との間の第２の暗信号のために使用され得る。従って、それぞれのコンデンサは特定の時間スロットに対する量子化誤差を格納し、その特定の時間スロットは、シグマ−デルタ変調器ＡＤＣが、復調される前にその信号を操作することを可能にさせる。

本発明の性質および利点をさらに理解するために、添付の図面に関連する以下の記載への参照がなされるべきである。

（システム全体）
図１は、本発明を具体化する酸素測定システムの実施形態を示す。センサ１０は、赤および赤外線ＬＥＤ、ならびに光検出器を含む。これらは、ケーブル１２によって、基板１４へ接続される。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。ＩＲおよび赤の電圧は、次いで、本発明を組み込む、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、１０ビットＡ／Ｄ変換器を含む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、プログラムのためのフラッシュメモリ、および、データのためのＲＡＭメモリを含む。酸素濃度計はまた、フラッシュメモリ２６に接続されるマイクロプロセッサチップ２４を含む。最後に、クロック２８が使用され、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。別個のホスト３２は、処理された情報を受信し、および、アナログ表示を提供するために、ライン３４上にてアナログ信号を受信する。

本発明の独自のＰＷＭフィードバックを用いたシグマ−デルタ変調器を使用することによって、マイクロコントローラ２２の簡素な内部ＡＤＣが使用され得、さらに、所望のマルチビット精度を提供し得る。本実施形態におけるＡＤＣは１０ビットの連続近似（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）ＡＤＣである。正確に制御されたＰＷＭフィードバックは、電圧基準において、スイッチ５８およびスイッチ６０を介して接続し、それらのスイッチは次いで、積分器の入力部における入力信号を用いて加算ノードにおいて加算される。平均化された加算値は、正および負の基準電圧の間において、所望のフィードバックを提供する。任意のエラーは、以下のパルス期間においてフィードバックされる。

（シグマ−デルタ変調器）
図２は本発明の一実施形態に従った、シグマ−デルタ変調器の回路図であり、図１のシグマ−デルタインターフェース２０およびマイクロコントローラ２２の部分を含む。特に、ライン４０上のアナログ入力部は、抵抗４２を介して、フィードバックコンデンサ４６を有する積分器５１として構成される演算増幅器４４の反転入力部へ提供される。非反転入力部は基準電圧（Ｒｅｆ）に接続される。これは、接続抵抗４８を介して、フィードバックコンデンサ５２を有する積分器５３として接続された第２の演算増幅器５０が後ろに続く。演算増幅器５０はアナログ−デジタル変換器５４に接続され、アナログ−デジタル変換器５４は、図１のマイクロコントローラ２２において、１０ビットのＡ／Ｄ変換器である。

デジタル出力は、第１のスイッチング回路５８および第２のスイッチング回路６０を介したフィードバック回路としての「デジタル−アナログ変換器」５６を介して、フィードバックされる。ＤＡＣ５６はマイクロコントローラ２２の内部にあり、図５に示されるＰＷＭ出力信号を生成する。そのＰＷＭ制御信号に応答して、スイッチング回路５８は、入力信号に接続するために、抵抗６６を介して、ライン６２およびライン６４上の正または負の基準を、演算増幅器４４の反転入力部に交互に接続する。同様に、第２のスイッチング回路６０は、正および負の基準を接続し、スイッチング回路５８のために示される接続からは反転されている。これらは基準電圧６８および７０であり、それらは、抵抗７２を介して、演算増幅器５０の反転入力部に接続される。

デジタル−アナログ変換器５６からのフィードバック信号は、正弦波形を示すシグマ−デルタ変調器のための、図３に示される通常の信号などのような、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号である。ＰＷＭ信号を使用し、二つのみの電圧間をスイッチすることによって、フィードバックの直線性は、クロック信号に依存する。クロック信号が安定しているゆえ、および、アナログ電圧よりもより正確に分割され得るゆえに、直線性誤差は最小限に留められる。従来技術の装置であるシングルビット変換器よりも、マルチビットアナログ−デジタル変換器は、より低いサンプルレートでより正確な結果を可能にする。これは、ソフトウェアにおけるデシメーションフィルタに対する要求を容易にする。

（サンプルアンドホールド）
図４は本発明の一実施形態の回路図であり、スイッチがシグマ−デルタ変調器における積分器に対する入力を制御し、そのスイッチがサンプルアンドホールド回路のために使用されることを示す。図４は、アナログ−デジタル変換器５４、フィードバックデジタル−アナログ変換器５６、スイッチング回路５８、入力抵抗４２および６６、およびコンデンサ４６を有する積分器として構成される演算増幅器４４などの、図２と同様の、多くの回路ブロックを示す。一段のみが、簡略さのために示され、図２と同様の追加的な積分器５３がまた、第２の積分器のためのサンプルアンドホールドのための類似したスイッチを有して、追加され得る。

図４は、Ｄフリップフロップ７４およびスイッチング回路７６を追加する。スイッチ７６は、ホールドの動作のために、演算増幅器４４の入力部から入力部４０を切断する。その入力部が、サンプルが保持された後に再接続される場合、入力部における電圧が、スイッチ５８および抵抗６６を介したフィードバック回路のために激的に変化し得るゆえに、問題が生じ得る。このフィードバックスイッチは、正および負の電圧間をスイッチするゆえ、入力電圧における相当な変化が生じ得る。例えば、フィードバックは、その入力が約１ボルトであるとすると、およそ０〜３ボルトの間において変化し得る。これは、１．５ボルトのスイングという結果になる。そのようなスイングは、演算増幅器４４の反転入力に再接続した後に、電荷注入をコンデンサ４６に生じさせるが、それは望ましくない。

本発明は、ノード７３を演算増幅器４４の非反転入力部に接続することによって、そのような電荷注入を避ける。この非反転入力部はさらに、基準電圧に接続される。これは、蓄積した電流に、移動する場所を与える。電圧の差により、基準電圧７５へ、または基準電圧７５からのいずれかの電流が生じる。従って、再接続の後、最小限の電荷注入が存在する。この構成の結果は、スイッチからの電荷注入が、それが存在する程度において、実質的に一定であり、それは、ソフトウェアまたはファームウェアプログラムを使用するデジタルドメインにおいて処理することによって、後にキャンセルされ得る。

図５は、図４の回路の所定の波形を示す。デジタル−アナログ変換器５６の出力部におけるライン７６上のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号が第１に示される。矢印は、パルスの幅がその信号に依存して変化することを示す。次に、ライン７８上のサンプル／ホールド信号が示され、Ｄフリップフロップ７４の非反転出力部が示される。最後に、演算増幅器４４およびコンデンサ４６の積分器の出力部におけるライン８０上の電圧出力（Ｖｏ）信号が示される。見られ得るように、Ｖｏ信号はＰＷＭ信号がハイである間に減衰し、ＰＷＭ信号がローであり、サンプル／ホールド信号がハイである間に、Ｖｏ信号は増加または積算される。サンプル／ホールド信号がローである間、Ｖｏ信号は一定の状態であり、それはサンプリングされ得る。図５における、それぞれの時間に、同じレベルにおいて示されるが、そのレベルは、積算の量および、ＰＷＭフィードバック信号からのパルスの幅とともに変化する。

（マルチプル・コンデンサ・シグマ−デルタ変調器）
図６は、図４の回路の修正を示し、図４のコンデンサ４６は、４つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４のうちの一つによって置き換えられ、それらは、スイッチング回路８２によって選択される。

典型的な従来のパルス酸素濃度計において、二つの別個の積分器は、アナログドメインにおいて、二つの別個の信号経路および復調を用いて使用される必要があり、その二つの異なる積分器は、赤およびＩＲ信号に対して二つの異なるコンデンサを使用し得る。入力および出力のコンデンサをスイッチすることによる代わりに、信号積分器が使用され得、アナログドメイン復調回路が除去され得る。その代わり、赤およびＩＲ信号は、同じ積分器を介して時分割され、異なるコンデンサは、赤およびＩＲ信号のためにスイッチされる。付け加えて、二つの追加的なコンデンサは、赤およびＩＲ信号間の暗期間追加され得る。暗信号は、ＩＲ信号の後か、赤信号の後かによって変わり得るので、２つの異なるコンデンサは、暗信号１および暗信号２に対応するように提供され得る。従って、本発明によって、信号の復調は、デジタルドメインに移動され、且つ、それがハードウェアによってなされるよりも、ソフトウェアまたはファームウェアにおけるプログラムによってなされることを可能にする。これにより、ハードウェア回路は、単一の信号経路のみを使用することによってそのサイズが縮小されることが可能となり、スペースだけでなく、電力のコストまでも節約することが可能である。

図７は、図５と同様のＰＷＭ、サンプル／ホールド、およびＶｏ信号を有する図６の異なる信号を示し、さらに、入力ライン４０上の電圧入力（Ｖｉ）信号を示す。

入力ラインがＩＲから暗信号１および暗信号２へと変化すると、スイッチング回路８２は、異なるコンデンサＣ１−Ｃ４間をスイッチする。そのスイッチングは、コントローラからの信号によって制御される。というのは、それが赤およびＩＲのＬＥＤをオンおよびオフにスイッチするときを、そのコントローラは知るからであり、従って、同時にコンデンサをスイッチすることができる。

一実施形態において、図２、図４、および図６の特性が組み合わされ、ＰＷＭフィードバックを有する二段積分器を提供し、それぞれの積分器のためのスイッチング回路はその積分器のためにサンプルアンドホールドとして機能し、ならびに、複数のコンデンサは積分器のそれぞれに対してスイッチされる。従って、本発明によって、単一経路が、赤およびＩＲ信号のために、アナログハードウェア回路を介して使用されることが可能となり、構成要素、コスト、回路のサイズ、および電力消費のコストを削減する。復調をハードウェアから、ソフトウェア／ファームウェアにおいてなされるデジタルドメインへと移動させることによって、赤およびＩＲ信号に対しての、フィルタの不適当な組み合わせを心配する必要がなくなる。というのは、同じフィルタが使用されるからである。ハードウェアにおけるフィルタリングの正確性が構成要素の耐久性に依存しているがゆえに、同じ信号経路を使用することで、同じハードウェアの使用が可能となり、その結果、一方の信号に導入され、もう一方に導入されないゲインエラーは取り除かれる。赤およびＩＲ信号が同じ周波数応答を有する場合、酸素飽和度を計算するために、ソフトウェアによって使用されるｒａｔ−ｒａｔ（ｒａｔｉｏ−ｏｆ−ｒａｔｉｏ）等式は、エラーをキャンセルする。また、ソフトウェアにおいて復調することによって、ハードウェアにおいて容易にされ得るよりも、さらに複雑な復調のスキームを可能にする。

当業者によって理解されるように、本発明は、その本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形式において具体化され得る。例えば、３次の変調器は使用され得、あるいは、より高い、または低い分解能のマルチビットアナログ−デジタル変換器が使用され得る。無数の他の変形が本発明の本質的な特性から逸脱することなく、回路においてなされ得る。従って、前述の記載は例示のためのみであって、添付の請求の範囲において説明される本発明の範囲を限定するものではない。

本発明を組み込む酸素濃度計のブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、二段階シグマ−デルタ変調器の回路図である。 典型的なシグマ−デルタ変調器出力の図である。 電荷注入を避けるためのアナログスイッチを有するサンプルアンドホールド回路のためのシグマ−デルタ変調器を用いる本発明の一実施形態に従った、シグマ−デルタ変調器の回路図である。 図４の回路の様々な信号を示すタイミング図である。 積分器において複数のコンデンサを利用する本発明に従った、シグマ−デルタ変調器の一実施形態の回路図である。 図６の回路の異なる信号を示すタイミング図である。

Claims (19)

1. アナログセンサ信号を受信するように接続される入力部を有するシグマ−デルタ変調器と、
   該入力部に接続する第１および第２の基準電圧のスイッチングをするための、該入力部に結合される第１のスイッチング回路と、
   該スイッチング回路によって、該第１および該第２の基準電圧の該スイッチングを制御するための、該シグマ−デルタ変調器の出力部に結合されるフィードバック回路と
   を備える、酸素濃度計装置。
2. デジタル出力を提供するために、前記シグマ−デルタ変調器の前記出力部に結合されるマルチビットアナログ−デジタル変換器をさらに備え、
   前記フィードバック回路は、該デジタル出力部に結合される入力部、および該スイッチング回路に結合される出力部を有する、デジタル−アナログ変換器を含む、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
3. 前記スイッチング回路と前記シグマ−デルタ変調器の入力部との間において結合される抵抗をさらに備える、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
4. 前記シグマ−デルタ変調器が第１および第２の積分器を備え、前記酸素濃度計装置は、
   該第２の積分器の入力部に結合され、前記フィードバック回路によって制御される第２のスイッチング回路であって、前記第１のスイッチング回路が前記第１の電圧基準に接続する場合に、前記第２の電圧基準にスイッチし、該第１のスイッチング回路が該第２の電圧基準にスイッチする場合、該第１の電圧基準にスイッチする、第２のスイッチング回路をさらに備える、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
5. 前記シグマ−デルタ変調器が積分器として構成される演算増幅器を含み、前記酸素濃度計装置は、
   前記入力部を該演算増幅器の反転および非反転入力部に交互に結合するサンプルアンドホールドとして機能するように構成された第２のスイッチング回路と、
   該第２のスイッチング回路のスイッチを制御するための、前記フィードバック回路に結合される、制御回路と
   をさらに備える、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
6. 前記制御回路がフリップフロップを備える、請求項５に記載の酸素濃度計装置。
7. 前記シグマ−デルタ変調器が積分器を含み、前記酸素濃度計装置は、
   少なくとも第１および第２のコンデンサと、
   第１のセンサ信号を受け取った後、該第１のコンデンサを該積分器に接続し、第２のセンサ信号を受け取った後、該第２のコンデンサを該積分器に接続するための、コンデンサスイッチング回路と
   をさらに備える、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
8. 前記第１のセンサ信号が赤信号であり、前記第２のセンサ信号が赤外線信号である、請求項７に記載の酸素濃度計装置。
9. 前記赤および前記赤外線信号の間における暗信号を受け取った後、前記積分器に接続する、第３のコンデンサをさらに備える、請求項８に記載の酸素濃度計装置。
10. 前記赤外線信号と前記赤信号との間における第２の暗信号に対して、前記積分器に接続するための第４のコンデンサをさらに備える、請求項９に記載の酸素濃度計装置。
11. 前記シグマ−デルタ変調器を介したシングル信号経路は、赤および赤外線信号の両方に対して使用される、請求項１に記載の酸素濃度計装置。
12. デジタル出力を提供するために、前記シグマ−デルタ変調器の前記出力部に結合されるマルチビットアナログ−デジタル変換器と、
    該デジタル出力を赤および赤外線デジタル信号に復調するためのプログラムを含むメモリと
    をさらに備える、請求項１１に記載の酸素濃度計装置。
13. アナログセンサ信号を受信するように結合される入力部を有するシグマ−デルタ変調器と、
    該入力部に接続する第１および第２の基準電圧のスイッチングをするための、該入力部に結合される第１のスイッチング回路と、
    デジタル出力を提供するために、該シグマ−デルタ変調器の該出力部に結合されるマルチビットアナログ−デジタル変換器と、
    該スイッチング回路によって、該第１および該第２の基準電圧の該スイッチングを制御するための、該マルチビットアナログ−デジタル変換器出力部に結合されるフィードバック回路であって、パルス幅変調信号を該スイッチング回路に提供する、フィードバック回路と、
    該スイッチング回路と該シグマ−デルタ変調器の入力部との間において結合される抵抗と
    を備える、酸素濃度計装置。
14. アナログセンサ信号を受信するように結合される入力部を有するシグマ−デルタ変調器であって、積分器として構成される演算増幅器を含む、シグマ−デルタ変調器と、
    該入力部を該演算増幅器の反転および非反転入力部に交互に結合することによってサンプルアンドホールドとして機能するように構成されたスイッチング回路と、
    該シグマ−デルタ変調器の出力部と該入力部との間において結合されるフィードバック回路と、
    該スイッチング回路のスイッチを制御するための、該フィードバック回路へ結合される制御回路と
    を備える、酸素濃度計装置。
15. アナログセンサ信号を受信するように結合される入力部を有するシグマ−デルタ変調器であって、積分器を含む、シグマ−デルタ変調器と、
    少なくとも第１および第２のコンデンサと、
    第１のセンサ信号を受け取った後、該第１のコンデンサを該積分器に接続し、第２のセンサ信号を受け取った後、該第２のコンデンサを該積分器に接続するための、コンデンサスイッチング回路と
    を備える、酸素濃度計装置。
16. 前記第１のセンサ信号が赤信号であり、前記第２のセンサ信号が赤外線信号である、請求項１６に記載の酸素濃度計装置。
17. 前記赤および前記赤外線信号の間における暗信号を受け取った後、前記積分器に接続する、第３のコンデンサをさらに備える、請求項１７に記載の酸素濃度計装置。
18. 前記赤外線信号と前記赤信号との間における第２の暗信号に対して、前記積分器に接続するための第４のコンデンサをさらに備える、請求項１８に記載の酸素濃度計装置。
19. アナログセンサ信号を受信するように結合される入力部を有するシグマ−デルタ変調器と、
    デジタル出力を提供するために、該シグマ−デルタ変調器の出力部に結合されるマルチビットアナログ−デジタル変換器と、
    該アナログ−デジタル変換器の出力部と該シグマ−デルタ変調器の入力部との間において結合されるフィードバック回路と、
    該デジタル出力を赤および赤外線デジタル信号に復調するためのプログラムを含むメモリと
    を備え、
    該シグマ−デルタ変調器を介したシングル信号経路が、変調された赤および赤外線信号のために使用される、酸素濃度計装置。

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