JP2007523728A - 生理学的信号のアナログ表示を出力するデルタ−シグマ変調器 - Google Patents

Abstract

本発明は、生理信号のアナログ表示の実質的にリアルタイム表示を提供するための方法および装置を提供する。センサからの波形信号はデジタル形式に変換される。デルタ−シグマ変換器は、簡素なデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）として使用される。その出力は、次いで、簡素なハードウェアフィルタを介して提供され、ほぼリアルタイムにて、アナログ出力信号を与える。そのアナログ出力信号は、他の機器、同期、ディスプレイなどのために使用され得る。

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けるアナログ波形表示に関する。

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光の吸収を光電測光にて感知する。様々な頻度にて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。

センサデータを処理し、酸素飽和度を計算した後、パルス酸素濃度計は、その情報をディスプレイに提示する。一部の酸素濃度計においては、アナログ波形自体を表示することが所望される。例えば、特許文献１は波形を表す表示のための信号を示す。特許文献２もまた、波形表示を検討しており、そのデータは最初にデジタル化され、前置フィルタ処理され、次いで、表示のために再構成されることを説明している。

本発明の譲受人である、Ｎｅｌｌｃｏｒ Ｐｕｒｉｔａｎ Ｂｅｎｎｅｔｔは、アナログ出力を、多数の製品において提供している。そのアナログ出力は、他の機器（例えば、ＥＫＧ、マルチパラメータ・モニタなど）と同期する目的のため、および表示のために使用される。アナログ波形は、時に、ハードウェアの前処理（ｐｒｅ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）回路から提供され、そのアナログ信号が実際の患者の波形と時間的に調子を合わせていることを保証する。

処理後にアナログ波形をディスプレイに提供することにおける問題は、その処理に時間がかかり、従って、提供された信号が遅延し、リアルタイムではなくなってしまうことである。
米国特許第６，１８８，４７０号明細書 米国特許第６，３８５，４７１号明細書

本発明は、生理信号のアナログ表示の実質的にリアルタイム表示を提供するための方法および装置を提供する。センサからの波形信号はデジタル形式に変換される。デルタ−シグマ変換器は、簡素なデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）として使用される。その出力は、次いで、簡素なハードウェアフィルタを介して提供され、ほぼリアルタイムにて、アナログ出力信号を与える。そのアナログ出力信号は、他の機器、同期、ディスプレイなどのために使用され得る。

本発明によって、波形は、デジタル形式に変換され、ソフトウェアに供給されることが可能であり、その一方で、ソフトウェアにおける初期処理の後、ハードウェアへの素早い変換を可能にする。特に、ソフトウェアにおいて復調するパルス酸素濃度計のために、デジタルＩＲ信号は、そのソフトウェアの復調の後に得られ得るが、それは、酸素飽和度を計算するために、処理の一部として使用される、相当に緩慢なソフトウェアフィルタ処理の前である。

一実施形態において、第１の経路において、デジタル信号は処理されるが、第２の経路は、このデジタル化された波形を、デルタ−シグマ変調器に与える。第２の経路は、信号がデジタル波形に変換され、復調された直後に、その信号を取り除く（ｐｉｃｋ ｏｆｆ）。パルス酸素濃度計において、アナログ出力に対しては、ＩＲ信号が選ばれる。というのは、通常、ノイズがより少ないからである。

一実施形態において、デルタ−シグマ変調器は、波形のデジタル化された変形にて動作するソフトウェア変調器である。デルタ−シグマ変調器は、シングルビット、シリアル出力を提供する。この出力は、ハードウェアＲＣフィルタに提供され、次いで、ディスプレイに提供される。

本発明の性質および利点のさらなる理解のために、添付の図面に関連する以下の記載に対して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（ｒｅｄ）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（ｒｅｄ）電圧は、次いで、本発明を組み込む、シグマーデルタインターフェース２０に提供される。シグマー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。

（ハードウェアにおける従来技術の復調）
図２は、アナログ出力信号を生成する従来技術の回路の例を示す。患者センサからの信号は、電流−電圧変換器（Ｉ−Ｖ）３６およびフィルタ３７を介して、ハードウェアにおいて処理される。赤（ｒｅｄ）およびＩＲ信号は、次いで、復調器３８において復調される。赤信号は、フィルタ３９および増幅器４０の第１のチャンネルを介してＡＤＣ４１に提供される。同様に、ＩＲ信号は、フィルタ４２、増幅器４３、およびＡＤＣ４４の第２のチャンネルを介して提供される。アナログ出力は、ＡＤＣ４４の入力において、ＩＲ信号から得られる。

（本発明におけるソフトウェアにおける復調）
図３は、本発明の一実施形態を示し、復調がハードウェアにおいてなされず、ソフトウェアにおいてなされ、そのため、アナログＩＲ信号は単に、ハードウェアにおいて利用可能ではない。患者センサからの信号は、電流−電圧変換器４５およびフィルタ４６を介して、ハードウェアにおいて処理され、次いで、ＡＤＣ４７に供給される。ソフトウェアにおいて、復調器は、赤およびＩＲ信号を分離する。赤信号は、次いで、ソフトウェアフィルタ４９に提供され、さらなる処理は図示されない。ＩＲ信号は、同様に、ソフトウェアフィルタ５０を介して提供され、さらなる処理は図示されない。ソフトウェアフィルタリングが相当な時間遅延を生じさせ得るゆえ、フィルタ５０の前のＩＲ信号は、アナログ形式に変換される。シグマ−デルタ変調器５１は、簡素なデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）として使用される。シグマ−デルタ変調器を使用することによって、変換プロセスは単純になり、迅速になされ得る。その結果、アナログ信号は、次いで、簡素なＲＣフィルタ５２においてフィルタリングされ得る。

（シグマ−デルタ変調器および簡素なＤＡＣのためのフィルタ）
図４は、本発明の一実施形態に従った、図３のデルタ−シグマ変調器５１のブロック図である。この変調器は、好適には、図１のマイクロコントローラ２２上にて走るソフトウェアにおいてインプリメントされる。ライン５２上の入力は、デジタル化されたセンサ信号である。好適な実施形態において、この信号は赤信号とは反対に赤外線（ＩＲ）信号である。赤外線が選ばれるのは、それが典型的には、赤信号よりも、よりクリーンな信号だからである。図４は、異なる等式のグラフ表示であり、該異なる等式は、五分位数（ｑｕｉｎｔｉｌｅ ｓｉｇｎａｌ）信号のための、二次ノイズ形成を生成するようにインプリメントされる。一つのインプリメンテーションにおいて、異なる等式をインプリメントする擬似コードは、

Ｘはライン５２上の入力である
Ｙはライン５４上の出力である
Ａ、Ｂ、およびＣは、一つの反復から次へデータを格納する中間変数である
２０６μＳ毎のループ
Ａ＝Ｘ−Ｃ＋（２^＊Ｂ）
Ｃ＝Ｂ
ｉｆ Ａ＞１／２ ｔｈｅｎ
Ｙ＝１
ｅｌｓｅ
Ｙ＝０
ｅｎｄ ｉｆ
Ｂ＝Ａ−Ｙ
ｅｎｄ ｌｏｏｐ

このコードは、２０６μＳ毎に実行するループにおいて実行され、その出力（Ｙ）は、入力（Ｘ）と等しい平均値を有する、４８４５ビット／秒のビットストリームである。

ライン５４上の出力は、好適には、４８４５Ｈｚビットストリームである。これは、図５に示されるハードウェアフィルタの入力６０に提供される。このフィルタは、抵抗６２および６４、ならびに、コンデンサ６６および６８を含む。このフィルタは、デジタル出力信号上で動作し、それをアナログ形式に変換し、ディスプレイに提供され得るライン７０上の出力を生成する。そのフィルタはパッシブの、二次ＲＣフィルタであり、出力上のバッファを有さない。任意のバッファが、必要に応じて、表示される前に、ホストシステムによってなされ得る。

図６は、パルス酸素濃度計モニタ７４上のアナログディスプレイ７２の例を示す。このディスプレイの信号は、図５のライン７０から提供される。

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、デルタ−シグマ変調器は、二次とは異なる次数であっても良い。一部のフィルタリングは、ハードウェアフィルタに先立って、ソフトウェアにおいてなされ得、ハードウェアフィルタの異なる構成が使用され得る。従って、前述の記載は、例示することを意図されており、請求の範囲において示される本発明の範囲を制限しない。

本発明を組み込む酸素濃度計のブロック図である。 アナログ出力信号を生成する従来技術の回路のブロック図である。 本発明に従った、アナログ出力信号を生成する回路の一実施形態のブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、ソフトウェアデルタ−シグマ変調器のブロック図である。 本発明の一実施形態に従った、ハードウェアＲＣフィルタの一実施形態の回路図である。 本発明の一実施形態に従った、アナログ表示を示すモニタの前面図である。

Claims (9)

1. 生理学的モニタを操作する方法であって、
   患者から生理学的波形を含む信号を検出する工程と、
   該波形をデジタル形式に変換する工程と、
   該波形をデルタ−シグマ変調器に与える工程と、
   アナログ波形出力を提供するために、該波形をフィルタリングする工程と
   を包含する、方法。
2. 前記波形のデジタル形式を復調する工程をさらに包含し、前記デルタ−シグマ変調器が該復調の後、該波形を処理する、請求項１に記載の方法。
3. 前記フィルタリングする工程が、前記デルタ−シグマ変調器の出力に結合されるハードウェアフィルタによって実行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記デルタ−シグマ変調器がシングルビット出力を提供する、請求項２に記載の方法。
5. 酸素濃度計を操作する方法であって、
   患者から、パルス酸素測定波形を含む信号を検出する工程と、
   該波形をデジタル形式に変換する工程と、
   該波形のデジタル形式を赤およびＩＲ信号に復調する工程と、
   該赤およびＩＲ信号のうちの一つをソフトウェアデルタ−シグマ変調器に与える工程と、
   該デルタ−シグマ変調器から、シングルビット・シリアル出力を提供する工程と、
   ハードウェアフィルタを用いて、シングルビット・シリアル出力をフィルタリングする工程と
   を包含する、方法。
6. 生理学的モニタ装置であって、
   患者から生理学的波形を含む信号を受信する入力と、
   該波形をデジタル形式に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   該波形をデジタル形式からアナログ形式に変換するように構成されるデルタ−シグマ変調器を含むプロセッサと、
   該波形をフィルタリングするための、該デルタ−シグマ変調器の出力に結合されるフィルタと
   を備える、装置。
7. 前記デルタ−シグマ変調器が、シリアル・シングルビット出力を生成するソフトウェア変調器である、請求項６に記載の酸素濃度計装置。
8. 前記フィルタがハードウェアＲＣフィルタである、請求項６に記載の酸素濃度計装置。
9. 患者からパルス酸素測定波形を含む信号を受信する入力と、
   該波形をデジタル形式に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   プロセッサであって、
   該波形を赤およびＩＲ信号に分離するための復調器と、
   シリアル・シングルビット出力を生成することによって、デジタル形式における該赤およびＩＲ信号のうちの一つをアナログ信号に変換するように構成されるソフトウェアデルタ−シグマ変調器と
   を含むプロセッサと、
   該波形をフィルタリングするための、該デルタ−シグマ変調器の出力に結合されるハードウェアＲＣフィルタと
   を備える、酸素濃度計装置。

Images