JP2007527772A - 信号品質測定基準に基づいたパルス酸素濃度計のためのアンサンブル平均重みの選択 - Google Patents

Abstract

酸素濃度計における信号をアンサンブル平均する方法およびシステムであって、光の二つの異なる波長に対応する血液灌流組織からの第１および第２の電磁放射信号を受信することと、電磁信号の信号の質の評定を得ることと、信号の質の評定を用いて、アンサンブルアベレージャに対する重みを選択することと、アンサンブルアベレージャを用いて、電磁信号をアンサンブル平均することとを包含する。該重みを選択することは、信号の不整脈の程度の測度、第１および第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度、信号の長期平均パルス振幅に対する電流パルス振幅のレシオを得ることによっての、モーション・アーチファクトの程度の測度、信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオ、および信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオからなる群より選択された一つ以上のパラメータの組み合わせを形成することを含み得る。

Description

本発明は一般に酸素濃度計に関する。より詳細には、パルス酸素濃度計からの検出された信号を含む信号のアンサンブル平均のために使用される、アンサンブル平均重みの選択に関する。

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、および、患者の脈拍の速度を含む血液の様々な特性を測定するために使用される。これらの特徴の測定は、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通過させ、そのような組織における光の吸収および散乱を光電測光にて感知する。吸収され散乱された光の量は、技術的に周知である様々なアルゴリズムを使用して、組織における血液成分の量を推定するために使用される。パルス酸素濃度測定における「パルス」とは、心臓周期の間、組織における動脈血の、時間とともに変化する量に由来する。感知式光学測定から処理される信号は、よく知られたプレチスモグラフィの波形であり、それは、血液が灌流する患者の組織の一部を介した光学的エネルギーの周期的な減衰に対応する。

アンサンブル平均は、一時的な平均スキームであり、重み係数の使用を含む。パルス酸素濃度計において、アンサンブル平均は、新しいサンプルの重み平均および一つ前のパルス周期からのアンサンブル平均サンプルを計算するために使用される。アンサンブル平均のために選択および／または使用される重みは、アンサンブル平均プロセスに相当の影響を与える。そのような重みは画一的に選択され得るか、または、アンサンブル平均される信号の特性に基づき得る。例えば、Ｃｏｎｌｏｎの特許文献１はアンサンブル平均を開示しており、そこで、異なる重みが異なるパルスに割り当てられ、合成の平均化されたパルス波形は酸素飽和度を計算するために使用される。アンサンブル平均重みを調整するためのＣｏｎｌｏｎの信号測定基準（ｍｅｔｒｉｃ）は、モーション・アーチファクトの度合いの測定、低灌流の度合いの測定（例えば、閾値以下のパルス振幅）、および脈拍数に基づく。

しかしながら、パルス酸素濃度計からの検出された波形を含む信号をアンサンブル平均するために使用されるアンサンブル平均重みの選択のための、より柔軟でより強力な方法を提供することが所望される。
米国特許第４，６９０，１２６号明細書

本発明は、パルス酸素濃度計からの、検出された波形に対応する信号のアンサンブル平均のために使用されるアンサンブル平均重みの選択に関する。アンサンブル平均重みの選択は、様々な信号の質の測定基準またはインジケータの一つ以上または組み合わせに基づく。一実施形態において、本発明はパルス酸素濃度計における信号をアンサンブル平均するの方法を提供する。該方法は、光の二つの異なる波長に対応する血液灌流組織からの第１および第２の電磁放射信号を受信することと、該電磁信号の信号の質の評定を得ることと、該信号の質の評定を用いて、アンサンブルアベレージャに対する重みを選択することと、該アンサンブルアベレージャを用いて、該電磁信号をアンサンブル平均することとを含む。

一局面において、アンサンブル平均重みの選択は、様々な信号の質のインジケータの評定および使用を含み、ここで、重みを選択することが、主に以下の信号の質のパラメータ：信号の不整脈の程度の測度、第１および前記第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度、信号の長期平均パルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得ることによっての、モーション・アーチファクトの程度の測度、信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオ、および、信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオ、のうちの一つ以上の組み合わせを形成することを含む。

本発明の実施形態の性質および利点の完全なる理解のために、添付の図面に関連して記載された詳細な記載への参照がなされるべきである。

本発明の実施形態に従った方法およびシステムは、パルス酸素濃度計からの検出された波形に対応する信号をアンサンブル平均するために使用されるアンサンブル平均重みの選択に関する。アンサンブル平均重みの選択は、様々な信号品質測定基準またはインジケータの一つ以上の組み合わせに基づく。本発明の実施形態は特に、パルス酸素濃度計モニタおよびパルス酸素濃度測定センサなどにおける、動脈血およびパルスレートまたは心拍数におけるヘモグロビンの酸素飽和度の測定に対し応用可能であり、この測定の参照により説明される。しかしながら、認識すべきは、本発明の実施形態は、ＥＣＧ、血圧などの、任意の一般的な患者モニタおよび関連する患者センサに等しく応用可能であることであり、従って、非酸素濃度測定またはパルス酸素濃度測定装置にもまた応用可能である。

典型的なパルス酸素濃度計は二つの生理学的パラメータ、すなわち、動脈血ヘモグロビンの酸素飽和率（ＳｐＯ_２またはｓａｔ）および脈拍数を測定する。酸素飽和度は様々な技術を用いて推定され得る。一つの一般的な技術において、光検出器によって生成される光電流は調整され、赤（ｒｅｄ）信号から赤外（ＩＲ）信号の変調レシオのレシオ（レシオオブレシオ（ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒａｔｉｏｓ））を決定するために処理される。この変調レシオ（ｒａｔｉｏ）は、動脈酸素飽和度と良く相関することが観察されている。パルス酸素濃度計およびセンサは、一組の患者、健康な被験者、または動物における、インビボで測定された動脈酸素飽和度（ＳａＯ_２）の範囲に亘る変調レシオを測定することによって、経験的に較正され得る。観察された相関は、患者の変調レシオの測定値に基づき、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を推定するために、逆の方法において使用される。変調レシオを使用した酸素飽和度の推定は、米国特許第５，８５３，３６４号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＳＴＩＭＡＴＩＮＧ ＰＨＹＳＩＯＬＯＧＩＣＡＬ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ ＵＳＩＮＧ ＭＯＤＥＬ−ＢＡＳＥＤ ＡＤＡＰＴＩＶＥ ＦＩＬＴＥＲＩＮＧ」（発行日、１９９８年１２月２９日）、および米国特許第４，９１１，１６７号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＵＬＳＥＳ」（発行日、１９９０年３月２７日）に記載され、その両方が、あらゆる目的に対してその全体において、参照により、本明細書において援用される。酸素濃度飽和度と変調レシオとの間の関係は、例えば、米国特許第５，６４５，０５９号、「ＭＥＤＩＣＡＬ ＳＥＮＳＯＲ ＷＩＴＨ ＭＯＤＵＬＡＴＥＤ ＥＮＣＯＤＩＮＧ ＳＣＨＥＭＥ」（発行日１９９７年７月８日）に記載され、あらゆる目的に対してその全体において、参照により、本明細書において援用される。多くのパルス酸素濃度計は、第１に決定された飽和度または脈拍数を有するプレチスムグラフ信号を抽出するが、それらの両方が干渉を受け易い。

図１は本発明の実施形態をインプリメントするように構成され得るパルス酸素濃度計の一実施形態のブロック図である。本発明の実施形態は、以下に記載されるように、マイクロプロセッサ１２２によって実行されるデータ処理アルゴリズムとしてインプリメントされ得る。光源１１０からの光は血液が灌流する組織１１２を通過し、散乱し、光検出器１１４によって、検出される。光源および光検出器を含むセンサ１００はまた、光源１１０の波長を示す信号を提供するエンコーダ１１６を含み得、それにより、酸素濃度計は酸素飽和度を計算するための適切な較正係数を選択することができる。エンコーダ１１６は、例えば、抵抗であり得る。

センサ１００はパルス酸素濃度計１２０に接続される。酸素濃度計は内部バス１２４に接続されるマイクロプロセッサ１２２を含む。また、ＲＡＭメモリ１２６およびディスプレイ１２８がバスに接続される。時間処理ユニット（ＴＰＵ）１３０はタイミング制御信号を光駆動回路１３２に提供し、その光駆動回路１３２は光源１１０が照射されたときで、多数の光源が使用される場合、異なる光源に対する多数のタイミングを制御する。ＴＰＵ１３０はまた、増幅器１３３およびスイッチング回路１３４を介して、光検出器１１４から信号のゲートイン（ｇａｔｉｎｇ−ｉｎ）を制御する。これらの信号は適切な時間にサンプリングされ、それは、多数の光源が使用される場合、多数の光源のうちのどの光源が照射されるかに依存する。受信された信号は、増幅器１３６、ローパスフィルタ１３８、およびアナログ−デジタル変換器１４０を通過する。デジタルデータは、次いで、キューシリアルモジュール（ＱＳＭ）１４２に格納され、ＱＳＭ１４２が満たされると、ＲＡＭ１２６へ後にダウンロードされる。一実施形態において、受信された多数の光波長またはスペクトルのための別個の増幅器、フィルタ、およびＡ／Ｄ変換器の多数のパラレル経路が存在し得る。

光検出器１１４によって受信された光に対応する受信された信号の値に基づき、マイクロプロセッサ１２２は、様々なアルゴリズムを用いた酸素飽和度を計算する。これらのアルゴリズムは係数を必要とし、その係数は、例えば、使用される光の波長に対応して経験的に決定され得る。これらはＲＯＭ１４６に格納される。二波長システムにおいて、任意の対の波長スペクトルに対して選択された係数の特定のセットは、特定のセンサ１００における特定の光源に対応するエンコーダ１１６によって指示される値によって決定される。一実施形態において、多数の抵抗値は異なる係数のセットを選択するように割り当てられ得る。別の実施形態において、同じ抵抗は、近赤源（ｎｅａｒ ｒｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）または遠赤源（ｆａｒ ｒｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）のいずれかを用いて対となった赤外線源に対して適切な係数の中から選択するように使用される。近赤または遠赤のセットどちらが選択されるかは、制御入力部１５４からの制御入力を用いて選択され得る。制御入力部１５４は、例えば、パルス酸素濃度計上のスイッチ、キーボード、リモートホストコンピュータからの命令を提供するポートであり得る。さらに、任意の数の方法またはアルゴリズムは、患者の脈拍数、酸素飽和度、または任意の他の所望される生理学的パラメータを決定するために使用され得る。

上記で説明された例示的なパルス酸素濃度計の簡潔な記載は、アンサンブルアベレージャ（ａｖｅｒａｇｅｒ）に対しての、アンサンブル平均重みを調整する方法を記載するための基礎として役に立つ。それは、図２に関連して以下において記載される。

本発明の実施形態は、パルス酸素濃度計を動作する目的のために、光信号を処理するために使用されるより大きな信号処理システムの一部としてインプリメントされ得る。そのような信号処理システムは図２に示され、それは、本発明の一実施形態に従ったパルス酸素濃度計の信号処理アーキテクチャであるブロック図２００である。本発明の実施形態に従った信号処理アーキテクチャ２００は、パルス酸素濃度計のプロセッサによって実行されるソフトウェアアルゴリズムとしてインプリメントされ得る。酸素飽和度および脈拍数を計算することに付け加えて、システム２００はフィルタ重み係数を決定するために使用される様々な信号測定基準を測定する。信号測定基準は、パルスがプレチスモグラフまたはノイズであり得るかどうかを示すものである。信号測定基準は、例えば、頻度（人間の心拍数（ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ）の範囲内である）、形（心臓のパルス（ｃａｒｄｉａｃ ｐｕｌｓｅ）のような形）、立ち上がり時間などに関連され得る。図２に示されるシステムは酸素飽和度および脈拍数の両方を計算する。システム２００はまた、静脈の脈拍ならびにセンサーオフおよびパルス損失状態を検出するために使用され、以下に別個に記載される。

（Ｉ．酸素飽和度計算）
ブロック２０２は、信号調整ブロックの動作を表す。デジタル化された赤および赤外信号または波形は、このブロックにおいて、（１）一階微分をし、ベースラインシフトを取り除く、（２）固定係数を用いてローパスフィルタリングをする、および（３）レシオを保存するためにＤＣ値によって分割する、ことによって受信され、調整される。信号調整サブシステムの機能は、人間のプレチスモグラフにおいて生じるより高い周波数を強調し、モーションアーチファクトが通常、集中される低周波数を減衰する。信号調整サブシステムは、初期化の間に識別されたハードウェア特性に基づき、そのフィルタ係数（ワイドバンドまたはナローバンド）を選択する。ブロック２０２への入力はデジタル化された赤信号または赤外信号であり、その出力は前処理された（ｐｒｅ−ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ）赤信号または赤外信号である。

ブロック２０４は、パルス識別および検定（ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ブロックの動作を表す。ローパスフィルタリングされたデジタル化された赤信号および赤外信号はこのブロックに提供され、パルスを識別し、動脈拍動と同じように、それらを検定する。これは、調整前（ｐｒｅ−ｔｒａｉｎｅｄ）の神経網を用いてなされ、主に赤外信号上にてなされる。パルスはその振幅、形、および頻度を試験することによって識別される。このブロックへの入力は、ブロック２０８からの平均パルス期間である。この機能は脈拍数を用いて、先行する検定を変更する。ブロック２０４の出力は、不整脈および個々のパルスの質を程度を指示する。ブロック２０４への入力は、（１）前処理の赤信号および赤外信号、（２）平均パルス期間、および（３）ローパスフィルタからのローパス波形である。ブロック２０４からの出力は、（１）不整脈の程度、（２）パルス振幅変形、（３）個々のパルスの質、（４）パルス警告通知、および（５）検定されたパルス期間および段階（ａｇｅ）を含む。

ブロック２０６は、信号品質測定基準を計算するために使用される。このブロック（ブロック２０６）は、パルスの形（例えば、微分スキュー（ｓｋｅｗ））、期間の可変性、パルスの振幅および可変性、レシオオブレシオの可変性、および脈拍数に関連する頻度を決定する。ブロック２０６への入力は、（１）未処理のデジタル化された赤信号およびＩＲ信号、（２）不整脈の程度、個々のパルスの質、パルス振幅変形、（３）前処理の赤信号およびＩＲ信号、および（４）平均パルス期間を含む。ブロック２０６からの出力は、（１）ローパスおよびアンサンブル平均フィルタ重み、（２）センサオフ検出器のための測定基準、（３）規格化された前処理波形、および（４）変調率を含む。

ブロック２０８は、平均パルス期間を計算する。このブロック（ブロック２０８）は受信されたパルスからの平均パルス期間を計算する。ブロック２０８への入力は、検定されたパルス期間および段階を含む。ブロック２０８からの出力は平均パルス期間を含む。

ブロック２１０は、ローパスフィルタおよびアンサンブル平均サブシステムの機能を表す。ブロック２１０のローパスフィルタおよびアンサンブル平均は、ブロック２０６によって処理された、規格化および前処理された波形である。ローパスフィルタに対する重みは信号測定基準ブロック２０６によって決定される。その信号はまた、アンサンブル平均されており（すなわち、脈拍およびその高調波に近い当該のものとは異なる周波数は減衰される）、アンサンブル平均フィルタ重みはまた、信号測定基準ブロック２０６によって決定される。信号の質が低下したとフラグされた場合、より少ない重みが割り当てられる。その信号が不整脈とフラグされた場合、さらなる重みが割り当てられる。というのは、アンサンブル平均は、不整脈の間、適切ではないからである。赤の波形および赤外の波形は、別々に処理されるが、同じフィルタリング重みを有する。フィルタリングは遅延し（例えば、およそ１秒）、その信号測定基準が最初に計算されることが可能となる。

フィルタは継続的に可変の重みを使用する。サンプルがアンサンブル平均されない場合、以前のフィルタリングサンプに対する重みが重み平均においてゼロに設定され、新しいサンプルはアルゴリズムを介して処理される。このブロックは、信号の段階、および／またはフィルタリングの累計量（応答時間および処理における遅延の合計）を追跡する。古すぎる結果は、良いパルスがしばらく検出されていない場合、フラグされる。ブロック２１０への入力は、（１）規格化された前処理の赤信号および赤外信号、（２）平均パルス期間、（３）ローパスフィルタ重みおよびアンサンブル平均フィルタ重み、（４）利用可能であれば、ＥＣＧトリガ、（５）ゼロ交差トリガのためのＩＲ基本波形を含む。ブロック２１０からの出力は（１）フィルタリングされた赤信号およびＩＲ信号、および（２）段階を含む。

ブロック２１２は、フィルタされた波形のレシオオブレシオ変化を推定し、平均重みを計算する動作を表す。フィルタリングのための可変の重みはレシオオブレシオ変化によって制御される。この可変−重みフィルタリングの効果は、アーチファクトが増加するとレシオオブレシオがゆっくりと変化し、アーチファクトが減少すると迅速に変化するというものである。このサブシステムは、素早いモードと通常モードという２つのモードを有する。例えば、素早いモードにおけるフィルタリングは、３秒の段階測定基準をターゲットにし、そのターゲット段階は、通常モードにおいて、５秒であり得る。素早いモードにおいて、現在の値の最小重みはより高いレベルにおいてクリップされる。すなわち、低い重みは、ノイズが存在する場合、最も新しいレシオオブレシオ計算に割り当てられる。ブロック２１２への入力は、（１）フィルタリングされた赤信号およびＩＲ信号ならびに段階、（２）較正係数、および（３）応答モード（例えば、ユーザスピード設定）を含む。ブロック２１２からの出力は、レシオオブレシオ計算のための平均重みを含む。平均重みは、平均化されたレシオオブレシオおよび段階を計算するために、フィルタリングされたＩＲ波形および赤波形とともに、ブロック２１４への入力として使用される。

ブロック２１６は酸素飽和度を計算する動作を表す。飽和度は、較正係数および平均化されたレシオオブレシオを用いたアルゴリズムを使用して計算される。ブロック１１６への入力は、（１）平均化されたレシオオブレシオ、および（２）較正係数を含む。ブロック２１６からの出力は、酸素飽和度値である。

（ＩＩ．脈拍数計算）
ブロック２１８は、脈拍識別として、ブロック２０２によって調整された信号をローパスフィルタおよびアンサンブル平均する。ローパスフィルタに対する重みは信号測定基準ブロック２０６によって決定される。その信号はまた、アンサンブル平均され（すなわち、脈拍数およびその高調波に近い当該のものとは異なる周波数が減衰される）、そのアンサンブル平均フィルタ重みはまた、信号測定基準ブロック２０６によって決定される。より少ない重みは、その信号の質が低下したとフラグされた場合に割り当てられる。その信号が不整脈としてフラグされる場合、さらなる重みが割り当てられる。というのは、アンサンブル平均は、不整脈の間、適切ではないからである。赤波形および赤外波形は別々に処理される。フィルタリングが遅延し、（例えば、およそ１秒）その信号測定基準が最初に計算されることが可能となる。

フィルタは継続的に可変の重みを使用する。サンプルがアンサンブル平均されない場合、次いで、以前のフィルタリングサンプに対する重みが重み平均においてゼロに設定され、新しいサンプルはアルゴリズムを介して処理される。このブロック（ブロック２１８）は、信号の段階、およびフィルタリングの累計量（応答時間および処理における遅延の合計）を追跡する。古すぎる結果は、フラグされる（良いパルスがしばらく検出されていない場合）。ブロック２１８への入力は、（１）前処理された赤信号およびＩＲ信号、（２）平均パルス期間、（３）ローパスフィルタ重みおよびアンサンブル平均フィルタ重み、（４）利用可能であれば、ＥＣＧトリガ、（５）ゼロ交差トリガのためのＩＲ基本波を含む。ブロック２１８からの出力は（１）フィルタリングされた赤信号およびＩＲ信号、および（２）段階を含む。

ブロック２２０、すなわちフィルタリングされたパルス識別および検定ブロックは、フィルタリングされた波形からのパルス期間を計算し、その結果は、パルスがブロック２０４によって不適格とみなされた場合にのみ、使用される。ブロック２２０への入力は、（１）フィルタリングされた赤信号およびＩＲ信号ならびに段階、（２）平均パルス期間、（３）ハードウェアＩＤまたはノイズフロア（ｆｌｏｏｒ）、および（４）ＩＲエネルギーおよび赤エネルギーを検出するために使用されるセンサの種類またはタイプを含む。ブロック２２０からの出力は、検定されたパルス期間および段階を含む。

ブロック２２２、すなわち平均パルス期間および脈拍数計算ブロックは、脈拍数および平均パルス期間を計算する。このブロック（ブロック２２２）は、入力としての、検定されたパルス期間および段階を受信し、（１）平均パルス期間および（２）出力としての脈拍数を提供する。

（ＩＩＩ．静脈拍）
ブロック２２４、すなわち静脈拍検出ブロックは、入力として、ブロック２０２からの、前処理された赤および赤外信号ならびに段階を受信する。ブロック２２４はまた、一枚歯櫛型（ｓｉｎｇｌｅ−ｔｏｏｔｈ ｃｏｍｂ）フィルタを使用した時間ドメインにおいてＩＲ基本波形を提供し、その波形は、アンサンブル平均フィルタ（例えばブロック２１０および２１８）への出力される。ブロック２２４への入力は、（１）フィルタリングされた赤および赤外信号ならびに段階、および（２）脈拍数を含む。ブロック１２４からの出力は、静脈拍およびＩＲ基本波形の指示を含む。一実施形態において、ブロック２２４は、ＩＲ−赤リサジュープロットの「開き（ｏｐｅｎｎｅｓｓ）」を測定し、フラグ（例えばＶｅｎｏｕｓ＿Ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）がセットされるべきかどうかを決定する。出力フラグ（例えば、Ｖｅｎｏｕｓ＿Ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）は定期的に（例えば毎秒）更新される。付け加えて、ＩＲ基本波形はアンサンブル平均フィルタへ出力される。

（ＩＶ．センサオフ）
ブロック２２６、すなわちセンサオフおよびパルス振幅の損失の検出ブロックは、調整前の神経網を用いて、そのセンサが、例えば患者などの、血液が灌流する組織の表面から離れて（ｏｆｆ）いるかどうかを決定する。神経網への入力は、直前の数秒前に亘るＩＲ値および赤値の動作のいくつかの局面を検定する測定基準である。サンプルは、システム２００のサブシステムの多くによって無視されるが、その一方で、信号状態は、パルスが存在していることを示さないか、または、センサが監視サイト上にないことを示すかのいずれかである（例えば、パルス存在、切断、パルス損失、センサがオフであり得る、センサオフ、など）。ブロック２２６への入力は、（１）信号検定測定基準、（２）酸素濃度計のＬＥＤ輝度および増幅器ゲイン、および（３）酸素濃度計のハードウェア構成を示すＩＤを含む。ブロック２２６からの出力はセンサオフ指示を含む信号状態を含む。

上に記載されたアーキテクチャ２００において、ブロック２２６の機能である、パルス損失およびパルス検索指示は、信号処理アーキテクチャのいくつかの部分からの情報を用いて引き出され得る。付け加えて、有効なセンサが接続されていない場合、あるいは、センサオフまたはパルス増幅の損失が信号処理アーキテクチャによって検出された場合、信号処理アーキテクチャは、酸素飽和度または脈拍数を計算するために、受信されたＩＲ波形または赤波形を使用しない。

上で説明された本発明に従ったパルス酸素濃度計信号処理アーキテクチャの一実施形態の簡潔な記載は、上のブロック２１０およびブロック２１８によって一般的に示されるように、パルス酸素濃度計からの検出された波形に対応する信号のアンサンブル平均のために使用されるアンサンブル平均重みの選択に関する方法および装置を記載するための基礎としての役割を果たす。

（アンサンブル平均重み）
上で説明したように、アンサンブル平均重みの選択は、様々な信号の質の測定基準またはインジケータの一つ以上または組み合わせに基づく。特に、一実施形態においては、アンサンブル平均重みを調整するために使用される測定基準は、不整脈の程度の測度を含む。この測定基準は、患者が不整脈であるような場合、アンサンブル平均の程度を減少するために使用される。というのは、アンサンブル平均は、極めて変化し易い周波数成分を有する信号に対しては、あまり良く働かないからである。アンサンブル平均を調整するために使用される別の測定基準は、レシオオブレシオの可変性の程度の測度（例えば、ＩＲ波形と赤波形との間の類似性または相関の欠如など）を含む。この測定基準は、モーションまたは他のノイズ源の存在に敏感である。この測定基準は、異なる波長における二つの同時波形の間の類似性ではなく、おそらくは同じ波長に由来する現在と以前のパルス波形との間の類似性を比較する測定基準をＣｏｎｌｏｎが教示しているという点において、Ｃｏｎｌｏｎなどの他の周知の技術とは異なる。アンサンブル平均重みを調整するために使用される別の測定基準は、長期平均パルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを含む。長期平均パルス振幅とは、全てのパルスが検定された場合、おそらく１分の応答時間を有し、多くのパルスが不適格とされた場合、数分の応答時間を有する平均を意味する。この測定基準は、Ｃｏｎｌｏｎと類似して、モーション・アーチファクトの程度をキャプチャするように設計されているが、しかしながら、この測定基準はアナログ測定基準であり、他方で、Ｃｏｎｌｏｎの測定基準は、いくつかの別個の状態（例えば、アーチファクトなし、低いアーチファクト、高いアーチファクト）を有するに過ぎない。アンサンブル平均重みを調整するために使用される別の測定基準は、以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを含む。この測定基準は、大きなモーション・アーチファクトが開始または停止する場合、アンサンブル平均重みを迅速に変化させるために使用される。アンサンブル平均重みを調整するために使用される別の測定基準は、単一のパルスに対する信号の全体的な質の測定基準の測度を含み、その測定基準はそれ自体、上記された測定基準を含むいくつかの他の測定基準の組み合わせである。この測定基準は、モーション・アーチファクトが低くなり、入力波形が甚だしくアンサンブル平均された波形よりも良い質であると考えられる場合、アンサンブルフィルタリングを迅速に低減させるために使用される。アンサンブル平均重みを調整するために使用される別の測定基準は、平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオを含む。この測定基準は、心臓が鼓動をスキップする場合（それは時折多くの人々に起き得る）において、アンサンブルフィルタリングを低減させるように使用される。

サブシステム（２１０および／または２１８）は、パルス識別および検定サブシステム（２０４）が潜在的なパルスの評価を完了したと通知された場合、そのサブシステムは、アンサンブル平均サブシステムのインスタンスによって使用されるアンサンブル平均重みを更新する。別個の重みは、出力が飽和度および心拍を計算することにおいて使用される二つのアンサンブル平均インスタンスに対して計算される。これらの重みは、入力波形がアンサンブル平均されていないパルス識別および検定サブシステムのインスタンスによって提供される測定基準に一部基づく。

Ｓａｔ＿Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔの式は以下：

ｂｏｕｎｄ（ａ，ｂ，ｃ）はｍｉｎ（ｍａｘ（ａ，ｂ），ｃ）を示す。

上述の式は、レシオオブレシオの分散の低い値に対して０．５の初期重みという結果になる。Ｓｈｏｒｔ＿ＲｏＲ＿ＶａｒｉａｎｃｅおよびＰｕｌｓｅ＿Ｑｕａｌ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅは、共に時間間隔に亘り計算される（例えば、３秒の間隔）。Ｐｕｌｓｅ＿Ｑｕａｌ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅのインターバルは、最も最近のパルス（これは通常、最も最近のサンプルを含む）の検定または拒否にて終了する。重みは、高レシオオブレシオ分散によって、および、通常、モーション・アーチファクトを示す、Ｌｏｎｇ＿Ｔｅｒｍ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ａｍｐ＿Ｒａｔｉｏの高い値によって、低減される。Ａｒｒ＿Ｍｉｎ＿Ｆｉｌｔ＿Ｗｔ＿Ｆｏｒ＿Ｓａｔは、不整脈の程度を検定する、Ｐｅｒｉｏｄ＿Ｖａｒに主として基づくアンサンブル平均重み（範囲０．０５〜０．５５）に、最小値を課す。これは、アンサンブル平均が異なる周期を有するパルスに対してあまり有効ではないゆえに、なされる。最も最近のパルスが良いＰｕｌｓｅ＿Ｑｕａｌ＿Ｓｃｏｒｅを受信した場合、これは、０．５から１．０へとＳａｔ＿Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔの最大値を増加させ得る。

Ｒａｔｅ＿Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔの式は、以下のとおりである。

これらの式は、Ｓａｔ＿Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔに対する式と、以下の理由で異なる：
ａ）Ａｒｒ＿Ｐｒｏｂを計算するために使用される閾値は幾分か低い。なぜならば、不整脈はパルス検定に先立ってアンサンブル平均によって曖昧になるべきではないことが所望されるからである。
ｂ）Ｓｈｏｒｔ＿Ｔｅｒｍ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ａｍｐ＿Ｒａｔｉｏの小さい値は、通常、モーション・アーチファクトが低くなることを示し、それは、アンサンブル平均重みが迅速に増加し得ることを意味する。これは、パスル検定にとっては、経験的には有利であるけれども、レシオオブレシオのフィルタリングおよび飽和度計算にとっては有利ではない。
ｃ）以前の不整脈を有するか、または有せず、心臓が鼓動をスキップする場合、結果として、平均より長い（ｌｏｎｇｅｒ−ｔｈａｎ−ａｖｅｒａｇｅ）Ｑｕａｌｉｆｉｅｄ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ｐｅｒｉｏｄは、続くパルス検定から、スキップされた鼓動を曖昧にしないように、アンサンブル平均重みを増加する。

一局面において、上記されたように決定されているアンサンブル平均重みは、酸素飽和度および脈拍数を計算することにおいて使用するための、検出された波形を処理するための二つの別個のアンサンブルアベレージャに対して使用される。酸素飽和度を計算するために使用されるアンサンブルアベレージャは、規格化されている信号上にて動作し、他方、脈拍数計算のためのアンサンブルアベレージャは規格化されていない信号上にて動作する。酸素飽和度および心拍に対する別個のアンサンブル平均を用いたパルス酸素濃度計は、本願譲受人に譲受された、同時係属の特許出願である、「Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｅｎｓｅｍｂｌｅ Ａｖｅｒａｇｉｎｇ ｆｏｒ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ」（代理人整理番号：ＴＴＣ−００９１０３−０２２７００ＵＳ）において記載され、あらゆる目的に対してその全体において、参考として本明細書において援用される。その特許出願において、二つのアンサンブルアベレージャを介した二つの経路に対して選ばれた測定基準は、酸素飽和度または脈拍数計算に対してアンサンブル平均を最適化するように変更され得る。例えば、酸素飽和度を計算することと比較して、脈拍数を計算するために使用された場合、不整脈を検出するための測定基準に対して、より低い閾値が使用される。また、短期パルス振幅レシオに対する測定基準は、モーション・アーチファクトが低くなる場合には、小さくなり、これは、酸素飽和度計算においてよりも脈拍数計算においてさらなる重みが与えられる。

（定義）
（データ入力）
Ａｖｇ＿Ｐｅｒｉｏｄ〜脈拍数計算サブシステムによってレポートされる平均パルス期間
Ｌｏｎｇ＿Ｔｅｒｍ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ａｍｐ＿Ｒａｔｉｏ〜以前のパルス振幅と比較された、定量化された最後のパルス振幅。パルス識別および検定サブシステムによって提供される。実質的に１．０よりも大きい値は通常、モーション・アーチファクトを示し、結果、より低いＥｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔｓとなる
Ｐｅｒｉｏｄ＿Ｖａｒ〜パルス識別および検定サブシステムからの期間の可変測定基準。不整脈の程度を測定するために使用される。例えば、０．１０の値は、連続したパルス期間の間の平均差異がＡｖｇ＿Ｐｅｒｉｏｄの１０％であることを示す
Ｐｕｌｓｅ＿Ｑｕａｌ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ〜パルス識別および検定サブシステムからのＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ測定基準
Ｐｕｌｓｅ＿Ｑｕａｌ＿Ｓｃｏｒｅ〜パルス識別および検定サブシステムにおけるパルス検定神経網によるスコア。ゼロは極端に乏しく、１．０は良好である
Ｑｕａｌｉｆｉｅｄ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ｐｅｒｉｏｄ〜パルス識別および検定サブシステムによって検定された最も最近のパルス期間
Ｓｈｏｒｔ＿Ｔｅｒｍ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ａｍｐ＿Ｒａｔｉｏ〜以前のパルス振幅と比較して最後のパルス振幅を検定する。

（出力）
［０００１］Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｒａｔｉｏ〜脈拍数に対するＭｅａｎ＿ＩＲ＿Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＿Ｃｏｎｔｅｎｔのレシオ
ＬＰＦ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ〜レシオオブレシオの可変性を検定する。ＬＰＦ＿Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓからの９秒のウィンドウに亘り計算される
Ｒａｔｅ＿ＬＰＦ＿Ｗｅｉｇｈｔ〜パルス検定および脈拍数計算のために使用される波形を前処理するアンサンブル平均サブシステムのインスタンスによって使用されるローパスフィルタ重み
ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ〜レシオオブレシオの可変性を検定する。Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓからの９秒のウィンドウに亘り計算される。例えば、０．１０の値は、サンプル間のレシオオブレシオの値が、平均レシオオブレシオ値と、その平均レシオオブレシオ値の平均１０％ほど異なっている
Ｓａｔ＿Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔ〜パルス検定および脈拍数計算のために使用される波形を前処理するアンサンブル平均サブシステムのインスタンスによって使用されるアンサンブル平均重み
Ｓａｔ＿ＬＰＦ＿Ｗｅｉｇｈｔ〜パルス検定および脈拍数計算のために使用される波形を前処理するアンサンブル平均サブシステムのインスタンスによって使用されるローパスフィルタ重み
Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ〜ＩＲおよび赤のＰｒｅ＿Ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓのスケールされたバージョン
Ｓｈｏｒｔ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ〜レシオオブレシオの可変性を検定する。Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓからの３秒のウィンドウに亘り計算される。

（内部変数）
Ａｒｒ＿Ｐｒｏｂ〜アンサンブル平均の量を制限する不整脈の見込み。Ｐｅｒｉｏｄ＿Ｖａｒに基づき、二つのＥｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔｓのそれぞれに特定である閾値を有する
Ａｒｒ＿Ｍｉｎ＿Ｆｉｌｔ＿Ｗｔ＿Ｆｏｒ＿Ｒａｔｅ、Ａｒｒ＿Ｍｉｎ＿Ｆｉｌｔ＿Ｗｔ＿Ｆｏｒ＿Ｓａｔ〜それぞれのＡｒｒ＿Ｐｒｏｂ値に基づいた、二つのＥｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔｓに対する最小値
ＬＰＦ＿Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ〜ＬＰＦ＿ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅを計算するために使用される、Ｓｃａｌｅｄ＿Ｗａｖｅｆｏｒｍｓのローパスフィルタバージョン
Ｍｅａｎ＿ＩＲ＿Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＿Ｃｏｎｔｅｎｔ〜ＩＲ入力波形の平均周波数成分の推定。Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＿Ｒａｔｉｏ測定基準を計算するために使用される
ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ＿Ｂａｓｅｄ＿Ｆｉｌｔ＿Ｗｔ〜ＲｏＲ＿Ｖａｒｉａｎｃｅ測定基準およびＬｏｎｇ＿Ｔｅｒｍ＿Ｐｕｌｓｅ＿Ａｍｐ＿Ｒａｔｉｏに基づいた、Ｅｎｓｅｍｂｌｅ＿Ａｖｅｒａｇｉｎｇ＿Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｗｅｉｇｈｔｓに対する成分。

したがって、当業者によって理解されるように、アンサンブル平均重みの選択に関連する本発明は、本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態において具体化され得る。例えば、本明細書における実施形態は時間ドメインにおいて記載されているが、周波数ベースの方法もまた、本発明の実施形態に等しく妥当なものである。したがって、前述の開示は例示を意図されたものであり、以下の請求項の範囲において説明される本発明の範囲を制限するものではない。

例示的な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パルス酸素濃度計の信号処理構成のブロック図である。

Claims (18)

1. 酸素濃度計におけるアンサンブル平均信号の方法であって、
   光の二つの異なる波長に対応する血液灌流組織からの第１および第２の電磁放射信号を受信することと、
   該電磁信号の信号の質の評定を得ることと、
   該信号の質の評定を用いて、アンサンブルアベレージャに対する重みを選択することと、
   該アンサンブルアベレージャを用いて、該電磁信号をアンサンブル平均することと
   を包含する、方法。
2. 前記信号の質の評定を得ることが、該信号の不整脈の程度の測度を得ることを包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記信号の質の評定を得ることが、前記第１および前記第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度を得ることをさらに包含する、請求項２に記載の方法。
4. 前記信号の質の評定を得ることが、前記信号において存在するモーション・アーチファクトの程度の測度を得ることをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記モーション・アーチファクトの程度の測度を得ることが、前記信号の長期平均パルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得ることを包含する、請求項４に記載の方法。
6. 前記信号の質の評定を得ることが、前記信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得ることを包含する、請求項１に記載の方法。
7. 前記信号の質の評定を得ることが、単一のパルスに対する信号の全体的な質の測定基準の程度の測度を得ることを包含し、該測定基準がそれ自体、いくつかの他の測定基準の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
8. 前記信号の質の評定を得ることが、前記信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオを得ることを包含する、請求項１に記載の方法。
9. 前記重みを選択することが、前記信号の不整脈の程度の測度、前記第１および前記第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度、前記信号の長期平均パルス振幅に対する電流パルス振幅のレシオを得ることによっての、モーション・アーチファクトの程度の測度、前記信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオ、および、前記信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオ、からなる群より選択された一つ以上のパラメータの組み合わせを形成することを包含する、請求項１に記載の方法。
10. 酸素濃度計におけるアンサンブル平均信号のための装置であって、
    光の二つの異なる波長に対応する血液灌流組織からの第１および第２の電磁放射信号を受信する手段と、
    該電磁信号の信号の質の評定を得る手段と、
    該信号の質の評定を用いて、アンサンブルアベレージャに対する重みを選択する手段と、
    該重みを用いて、該電磁信号をアンサンブル平均するアンサンブルアベレージャと
    を備える、装置。
11. 前記信号の質の評定の得る手段が、該信号の不整脈の程度の測度を得るように構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記信号の質の評定を得る手段が、前記第１および前記第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度を得るようにさらに構成されている、請求項１１に記載の装置。
13. 前記信号の質の評定を得る手段が、前記信号に存在するモーション・アーチファクトの程度の測度を得るように構成されている、請求項１０に記載の装置。
14. 前記信号の質の評定を得る手段が、前記信号の長期平均振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得るようにさらに構成されている、請求項１０に記載の装置。
15. 前記信号の質の評定を得る手段が、前記信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得るように構成されている、請求項１０に記載の装置。
16. 前記信号の質の評定を得る手段が、単一のパルスに対する信号の全体的な質の測定基準の程度の測度を得るように構成されており、該測定基準がそれ自体、いくつかの他の測定基準の組み合わせである、請求項１０に記載の装置。
17. 前記信号の質の評定を得る手段が、前記信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオを得るように構成されている、請求項１０に記載の装置。
18. 前記重みを選択する手段が、前記信号の不整脈の程度の測度、前記第１および前記第２の電磁放射信号間における類似性または相関の程度の測度、前記信号の長期平均パルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオを得ることによっての、モーション・アーチファクトの程度の測度、前記信号の以前のパルス振幅に対する現在のパルス振幅のレシオ、および、前記信号の平均パルス期間に対する現在のパルス期間のレシオ、からなる群より選択された一つ以上のパラメータの組み合わせを形成するように構成されている、請求項１０に記載の装置。

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