JP2009039548A - 信号処理装置 - Google Patents
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- G06F2218/00—Aspects of pattern recognition specially adapted for signal processing
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Abstract
【課題】生理学的モニタシステムを提供する。
【解決手段】人体組織により減衰される少なくとも第1及び第2の波長の光を検出するように構成され、検出光に基づいて一つ以上の強度信号を出力する。一つ以上の強度信号のうちの少なくとも1つに基づいてパルシング血液の少なくとも一つの生理学的特性を表わす少なくとも第1の値を決定するために、第1の計算手法を利用し、一つ以上の強度信号のうちの少なくとも1つに基づいて、生理学的特性を表わす少なくとも第2の値を決定するために第2の計算手法を利用する。生理学的特性を表す結果としての値を決定するために2つの計算手法の内の少なくとも1つを用いる生理学的モニタシステム。
【選択図】図4b
【解決手段】人体組織により減衰される少なくとも第1及び第2の波長の光を検出するように構成され、検出光に基づいて一つ以上の強度信号を出力する。一つ以上の強度信号のうちの少なくとも1つに基づいてパルシング血液の少なくとも一つの生理学的特性を表わす少なくとも第1の値を決定するために、第1の計算手法を利用し、一つ以上の強度信号のうちの少なくとも1つに基づいて、生理学的特性を表わす少なくとも第2の値を決定するために第2の計算手法を利用する。生理学的特性を表す結果としての値を決定するために2つの計算手法の内の少なくとも1つを用いる生理学的モニタシステム。
【選択図】図4b
Description
本発明は信号処理の分野に関する。より詳細には、本発明は、一次信号部分及び二次信号部分を含む測定信号の処理に関し、測定信号のこれらコンポーネントのいずれについてもほとんどわかっていない時に、一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを除去又は導出するように測定信号を処理することに関する。さらに詳細に言えば、本発明は、一次信号部分と二次信号部分の間の相関を最少化して一次信号及び/又は二次信号を生成することを簡便化する新規方法により測定信号をモデリングすることに関する。本発明は血液酸素飽和系を含む生理学的モニタリングシステムに特に有用である。
典型的に信号処理装置(プロセッサ)は、一次信号部分及び二次信号部分を含む複合測定信号から一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを除去又は導出するように使用される。例えば、複合信号はノイズと必要部分とを含み得る。二次信号部分が一次信号部分とは異なる周波数スペクトルを占める場合には、低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、及び高域通過フィルタ等の従来のフィルタリング技術を利用して、全体の信号から一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを除去又は導出することができる。一次信号部分及び/又は二次信号部分が固定周波数で存在する場合には、固定シングル又はマルチノッチフィルタも使用できる。
一次信号部分と二次信号部分の間に周波数スペクトルの重複部分が存在することはよくあるケースである。さらに複雑なことに、一次信号部分及び二次信号部分の一方又は双方の統計的特性は時間と共に変化する。このような場合には、従来のフィルタリング技術は一次信号又は二次信号のいずれを抽出するにも無効である。しかしながら、一次信号部分又は二次信号部分のいずれかの記述を導出できれば、適応ノイズキャンセル等の相関キャンセルを使用して、信号の一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを除去して他の部分と分離することができる。換言すれば、信号部分の1つの部分に関する十分な情報があれば、その信号部分を抽出することができる。
適応ノイズキャンセラ等の従来の相関キャンセラは、複合信号の部分に適応して除去するように、その伝達関数を動的変更する。しかしながら、相関キャンセラには、二次信号部分のみに相関する二次基準か、又は一次信号部分のみに相関する一次基準か、のいずれかが必要である。例えば、測定信号がノイズと必要な信号とを含む場合、ノイズ基準を利用できれば相関キャンセラを用いてノイズを除去することができる。これはよくあることである。基準信号の振幅は対応する一次信号部分又は二次信号部分の振幅と必ずしも同じである必要はないが、それらは一次信号部分又は二次信号部分の周波数スペクトルに類似した周波数スペクトルを有する。
多くの場合、二次信号部分及び/又は一次信号部分については何も又はほとんど知られていない。一次信号部分及び二次信号部分を含む測定信号のこれら部分に関する情報を容易に決定できない1つの領域は、生理学的モニタリングである。生理学的モニタリングは一般に、人体等の生理学系から得られる測定信号を含む。典型的に生理学的モニタリングシステムを用いて行われる測定は、例えば心電図、血圧、血液ガス飽和度(例えば酸素飽和度)、カプノグラフ、他の血液成分モニタリング、心拍数、呼吸数、脳電図(EGG)、及び麻酔深さを含む。他のタイプの測定には、人体内の物質の圧力及び量の測定があり、例えば心拍出量、静脈酸素飽和度、動脈酸素飽和度、ビリルビン、全ヘモグロビン量、呼吸検査、薬物検査、コレステロール検査、グルコース検査、溢血、及び二酸化炭素検査、プロテイン検査、一酸化炭素検査、及び他の生体内の測定等がある。かかる測定におい
て生じる複雑な問題は、測定過程中の患者の外的及び内的動作(例えば筋肉運動、静脈運動、及びプローブ等の動き)に起因する。
て生じる複雑な問題は、測定過程中の患者の外的及び内的動作(例えば筋肉運動、静脈運動、及びプローブ等の動き)に起因する。
選択された形態のエネルギーが媒体を通過する時の既知のエネルギー減衰特性を用いることにより、多くのタイプの生理学的測定を行うことができる。
血液ガスモニタは、生物組織又は成分により減衰されるエネルギーの測定に基づく生理学的モニタリングシステムの一例である。血液ガスモニタは、検査媒体中に光を送り、その光の減衰を時間の関数として測定する。動脈血液に反応する血液ガスモニタの出力信号は、患者の動脈拍動を表す波形である成分を含む。患者の拍動に関連する成分を含むこのタイプの信号はプレチスモグラフ波と呼ばれ、これは図1の曲線sで示される。プレチスモグラフ波形は血液ガス飽和度測定で用いられる。心拍のように、動脈中の血液量が増減することにより、図1の周期波sにより示されるようにエネルギー減衰に増減が生じる。
血液ガス減衰測定のために光エネルギーを透過させる媒体として、血液が皮膚近くで流れる指、耳たぶ又は人体の他の部分を使用するのが典型的である。図2で概略的に示す指は皮膚、脂肪、骨、筋肉等を含み、その各々は、略予測可能且つ一定に、指への入射エネルギーを減衰させる。しかしながら、例えば指の肉厚の部分が不意に押されたりすると、指の動きによりエネルギー減衰が随伴性となる。
より現実的な測定波形Sの一例を図3で示す。これは動作の影響を示している。信号の一次プレチスモグラフ波形sは脈拍を表す波形であり、図1のノコギリ状パターンに対応する。二次的な動作により生じる信号振幅の大きな変位によりプレチスモグラフ信号sが不明瞭になる。振幅にわずかな変化が生じても、二次信号成分nの存在下で一次信号成分sを識別するのは困難である。
脈拍酸素計は、血液中の動脈酸素飽和度を非侵入的に測定する血液ガスモニタの1つのタイプである。心臓のポンプ作用により、新たに酸素を含んだ血液が動脈内に送り込まれ、より大きなエネルギー減衰が生じる。当該技術ではよく理解されているように、酸素含有血液の動脈飽和度は、別々の波長において測定された2つのプレチスモグラフ波形のピークに対する谷の深さから測定され得る。図3で示されるプレチスモグラフ波形に表されるように、患者の動作により複合信号に動作アーチファクトが加わる。このような動作アーチファクトにより測定信号が乱される。
米国特許第5,490,505号
ベルナードウィドロー(Bernard Widrow)及びサミュエルスターンズ(Samuel Stearns)著「適応型信号処理(Adaptive Signal Processing)」,プレンティス・ホール(Prentice Hall ),1985年,第6章及び第12章
シモン・ハイキン(Simon Haykin)著「適応型フィルタ理論(Adaptive Filter Theory)」,プレンティス・ホール(Prentice Hall ),1986年
「ラインバーガー、線形および非線形プログラミング(Luenberger, Linear & Nonlinear Programming)」,第2版,アディソン−ウェスリー(Addison-Wesley),1984年
ビン・ヒー(Bin He)及びリチャード・ジェイ.コーヘン(Richard J. Cohen)著「Body Surface Laplacian ECG Mapping」,アイ・トリプルイー・生化学工学における研究論文(IEEE Transactions on Biomedical Engineering),39巻第11号,1992年11月
本発明は、信号処理装置(Signal Processing Apparatus )という名称の特許文献1(1993年10月6日出願,出願第08/132,812号)で示された方法及び装置の
改良である(この特許出願は本願の譲渡人に譲渡されている)。本発明は、複合測定信号の一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを分離するために本発明による新規の信号モデルを用いる幾つかの異なる実施形態を含む。1つの実施形態では、信号プロセッサは、第1測定信号と、この第1測定信号に相関する第2測定信号を得る。第1信号は、第1の一次信号部分と第1の二次信号部分を含む。第2信号は、第2の一次信号部分と第2の二次信号部分を含む。これらの信号は、媒体にエネルギーを伝播させ、透過又は反射後の減衰信号を測定することにより得ることができる。あるいは、これら信号は媒体の発生するエネルギーを測定することによって得ることもできる。
改良である(この特許出願は本願の譲渡人に譲渡されている)。本発明は、複合測定信号の一次信号部分又は二次信号部分のいずれかを分離するために本発明による新規の信号モデルを用いる幾つかの異なる実施形態を含む。1つの実施形態では、信号プロセッサは、第1測定信号と、この第1測定信号に相関する第2測定信号を得る。第1信号は、第1の一次信号部分と第1の二次信号部分を含む。第2信号は、第2の一次信号部分と第2の二次信号部分を含む。これらの信号は、媒体にエネルギーを伝播させ、透過又は反射後の減衰信号を測定することにより得ることができる。あるいは、これら信号は媒体の発生するエネルギーを測定することによって得ることもできる。
或る実施形態では、第1測定信号及び第2測定信号は、第1測定信号又は第2測定信号のいずれかから一次信号部分を含まない二次基準を生成するように処理される。この二次基準は、第1測定信号及び第2測定信号の各々の二次信号部分に相関する。二次基準は、例えば適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラを介して第1測定信号及び第2測定信号の各々の二次部分を除去するように用いられる。相関キャンセラは、第1入力及び第2入力を得て、第2入力に相関する全ての信号成分を第1入力から取り去るデバイスである。本明細書中では、このような機能を実行する又はほぼ実行する任意のユニットを相関キャンセラと考える。適応相関キャンセラは、基準信号及び測定信号に応答してその伝達関数を動的に変更して基準信号に存在する周波数を測定信号から除去する動的マルチノッチフィルタに類比して説明することができる。故に、典型的な適応相関キャンセラは、或る成分を除去する必要のある信号を受信し、その不要部分の基準信号を受信する。相関キャンセラの出力は、不要部分を除去された所望な信号に対する有効な近似である。
あるいは、第1測定信号及び第2測定信号は、それらのいずれかから二次信号部分を含まない一次基準を生成するように処理され得る。次いで一次基準は、相関キャンセラを介して第1測定信号及び第2測定信号の各信号の一次部分を除去するように使用され得る。相関キャンセラの出力は、一次信号を除去された二次信号に対する有効な近似であり、同一機器又は補助機器におけるその後の処理に使用され得る。この能力においては、第1測定信号若しくは第2測定信号のいずれかと共に第2相関キャンセラに入力される基準信号として、二次信号に対する近似を使用することにより、それぞれ第1の一次信号部分若しくは第2の一次信号部分のいずれかを計算することができる。
生理学的モニタは、本発明の信号プロセッサから利益を得ることができる。生理学的測定においてはしばしば、第1の一次部分と第1の二次部分を含む第1信号と、第2の一次部分及び第2の二次部分を含む第2信号が得られる。患者の身体(又は例えば呼気、血液、若しくは組織等の人体から得られる物質)を通るように又は静脈内にエネルギーを送り、透過又は反射後に減衰信号を測定することにより、これら信号を得ることができる。あるいは、例えば心電図において等、信号は患者の身体により生成されたエネルギーを測定することにより得られることができる。本発明の信号プロセッサを介して信号を処理することにより、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラに入力される二次基準又は一次基準のいずれかが得られる。
本発明から利益を得る1つの生理学的モニタリング装置は、プレチスモグラフ波と呼ばれる動脈拍動を表す信号を測定するモニタリングシステムである。この信号は、血圧測定、血液成分測定等に使用することができる。このような使用の特定的な例は、脈拍酸素計測法である。脈拍酸素計測法は、血液中の酸素飽和度の測定を含む。このような構成では、信号の一次部分は、血液が皮膚近くを流れる人体の部分をエネルギーが通過する時のエネルギー減衰に対する動脈血液の寄度である。心臓のポンプ作用により、周期的に動脈内に血液流量の増減が生じて周期的な減衰が生じるが、周期的な波形は動脈拍動を表すプレチスモグラフ波形である。二次部分はノイズである。本発明では、エネルギーが人体を通過する時のエネルギー減衰に対する静脈血液の寄与にこの信号の二次部分が関連するよう
に、測定信号をモデリングする。二次部分はまた患者の動作に起因するアーチファクトを含み、このアーチファクトにより静脈血液が予測不可能に流れることによって予測不可能な減衰が生じ、周期的なプレチスモグラフ波形が乱される。呼吸もまた、患者の脈拍数より低い周波数であるのが典型的であるが、二次部分又はノイズ部分に変化を生じさせる。従って本発明によれば、プレチスモグラフ波形を形成する測定信号は、その一次部分が減衰に対する動脈血液の寄与を示し、その二次部分が他の幾つかのパラメータに起因するように、モデリングされる。 脈拍酸素計測法による酸素飽和度測定に特定的に適用される生理学的モニタは、異なる波長の光を発して第1信号及び第2信号を生成する2つの発光ダイオード(LED)を含む。2つの異なるエネルギー信号の各々が、例えば指又は耳たぶ等の吸収媒体を通過した後に、これら2つの異なるエネルギー信号の減衰を検出器が記録する。減衰信号は概して、一次信号部分(動脈に関する減衰)及び二次信号部分(ノイズ)の両部分を含む。帯域通過フィルタ等の静的フィルタリングシステムが、対象とする既知の帯幅外の二次信号の部分を除去すると、しばしば動作により生じる又はしばしば除去することの困難な随伴性の又はランダムな二次信号部分が一次信号部分と共に残ってしまう。
に、測定信号をモデリングする。二次部分はまた患者の動作に起因するアーチファクトを含み、このアーチファクトにより静脈血液が予測不可能に流れることによって予測不可能な減衰が生じ、周期的なプレチスモグラフ波形が乱される。呼吸もまた、患者の脈拍数より低い周波数であるのが典型的であるが、二次部分又はノイズ部分に変化を生じさせる。従って本発明によれば、プレチスモグラフ波形を形成する測定信号は、その一次部分が減衰に対する動脈血液の寄与を示し、その二次部分が他の幾つかのパラメータに起因するように、モデリングされる。 脈拍酸素計測法による酸素飽和度測定に特定的に適用される生理学的モニタは、異なる波長の光を発して第1信号及び第2信号を生成する2つの発光ダイオード(LED)を含む。2つの異なるエネルギー信号の各々が、例えば指又は耳たぶ等の吸収媒体を通過した後に、これら2つの異なるエネルギー信号の減衰を検出器が記録する。減衰信号は概して、一次信号部分(動脈に関する減衰)及び二次信号部分(ノイズ)の両部分を含む。帯域通過フィルタ等の静的フィルタリングシステムが、対象とする既知の帯幅外の二次信号の部分を除去すると、しばしば動作により生じる又はしばしば除去することの困難な随伴性の又はランダムな二次信号部分が一次信号部分と共に残ってしまう。
本発明の1つの実施形態によるプロセッサは、測定信号から一次信号部分を除去して、残りの二次信号部分の組み合わせである二次基準を得る。二次基準は、両方の二次信号部分に相関する。二次基準と少なくとも1つの測定信号は、二次信号のランダムな又は随伴性の部分を除去する適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラに入力される。これにより、測定信号波長の1つで測定された一次プレチスモグラフ信号に対する有効な近似が得られる。当該技術で知られるように、人体内の酸素含有動脈血液量の定量的測定は、プレチスモグラフ信号から多様な方法で得ることができる。
本発明のプロセッサはまた、測定信号から二次信号部分を除去して、残りの一次信号部分の組み合わせである一次基準を得ることができる。この一次基準は、両方の一次信号部分に相関する。一次基準と測定信号の少なくとも1つは、測定信号の一次部分を除去する相関キャンセラに入力される。これにより、測定信号の波長の1つにおける二次信号に対する有効な近似が得られる。この信号は、補助機器から二次信号を除去するだけでなく、静脈血液酸素飽和度を測定することにも有用であり得る。
本発明の信号モデルによれば、各々が一次信号部分及び二次信号部分を有する2つの測定信号を係数により関連づけることができる。本発明により規定される係数に関して2つの式を関連づけることにより、係数は動脈酸素飽和度とノイズ(静脈酸素飽和度と他のパラメータ)に関する情報を提供する。本発明のこの態様によれば、モデルにおいて規定された一次信号部分と二次信号部分との間の相関を最小化することにより、係数を決定できる。従って、本発明の信号モデルを多くの方法で用いて測定信号に関する情報を得ることができる。これについては好適な実施形態の詳細な説明においてさらに明らかになるであろう。
本発明の一態様は、少なくとも2つの測定信号S1 及びS2 を処理するために信号プロセッサにおいて使用される方法である。少なくとも2つの測定信号の各々は一次信号部分sと二次信号部分nを含み、信号S1 及びS2 は以下の関係にある。
S1 =s1 +n1
S2 =s2 +n2
ここで、s1 、s2 、n1 、n2 は以下の関係を有する。
S2 =s2 +n2
ここで、s1 、s2 、n1 、n2 は以下の関係を有する。
s1 =ra s2 、及び、n1 =rv n2
上記式においてra 、rv は係数である。
上記式においてra 、rv は係数である。
本発明の方法は多くのステップからなる。s1 とn1 の間の相関を最小化する係数ra の値が決定される。次いで、決定されたra の値を用いて第1信号及び第2信号の少なくとも1つが、第1測定信号又は第2測定信号の少なくとも1つからnを減算するように処理され、クリーンな信号が形成される。
或る実施形態では、クリーンな信号はディスプレイ上にディスプレイされる。第1信号と第2信号が生理学的信号である別の実施形態では、上記方法はさらに、クリーンな信号を処理して、第1測定信号又は第2測定信号から生理学的パラメータを決定するステップを含む。或る実施形態では、パラメータは動脈酸素飽和度である。別の実施形態では、パラメータはECG信号である。測定信号の第1部分が心臓プレチスモグラフを示すというまた別の実施形態では、上記方法はさらに、脈拍数を算出するステップを含む。
本発明の別の態様は、生理学的モニタを含む。モニタは、一次部分s1 及び二次部分n1 を有する第1測定信号S1 を受信するように第1入力を構成される。モニタはまた、一次部分s2 及び二次部分n2 を有する第2測定信号S2 を受信するように第2入力を構成される。有利なことに、第1測定信号S1 と第2測定信号S2 は以下の関係にある。
S1 =s1 +n1
S2 =s2 +n2
ここで、s1 及びs2 とn1 及びn2 は以下の関係を有する。
S2 =s2 +n2
ここで、s1 及びs2 とn1 及びn2 は以下の関係を有する。
s1 =ra s2 、及び、n1 =rv n2
上記式においてra 、rv は係数である。
上記式においてra 、rv は係数である。
モニタはさらに、走査基準プロセッサを有し、この走査基準プロセッサはra の複数の可能値に応答して、ra の各可能値を第2測定信号に乗算し、得られた値の各々を第1測定信号から減算し、複数の出力信号を得る。第1測定信号を受信するように第1入力を構成され、飽和度走査基準プロセッサから複数の出力信号を受信するように第2入力を構成された相関キャンセラは、複数の出力信号と第1測定信号の間の相関キャンセルに対応する複数の出力ベクトルを提供する。相関キャンセラから複数の出力ベクトルを受け取るように入力を構成された積算手段は、複数の出力ベクトルに応答して各出力ベクトルに対する対応パワーを決定する。極値検出手段は、その入力を積算手段の出力に連結される。極値検出手段は、各出力ベクトルに対する対応パワーに応答して、選択されたパワーを検出する。
或る実施形態では、複数の可能値は、選択された血液成分に対する複数の可能値に対応する。或る実施形態では、選択された血液成分は動脈血液酸素飽和度である。別の実施形態では、選択された血液成分は静脈血液酸素飽和度である。また別の実施形態では、選択された血液成分は一酸化炭素である。
本発明の別の態様は生理学的モニタを含む。モニタは、一次部分s1 と二次部分n1 を有する第1測定信号S1 を受信するように第1入力を構成される。モニタはまた、一次部分s2 と二次部分n2 を有する第1測定信号S2 を受信するように第2入力を構成される。第1測定信号S1 及び第2測定信号S2 は、以下の関係に従う。
S1 =s1 +n1
S2 =s2 +n2
s1 及びs2 とn1 及びn2 は、
s1 =ra s2 , n1 =rv n2
という関係を有し、ここでra 及びrv は係数である。
S2 =s2 +n2
s1 及びs2 とn1 及びn2 は、
s1 =ra s2 , n1 =rv n2
という関係を有し、ここでra 及びrv は係数である。
変換モジュールは、第1測定信号及び第2測定信号に応答すると共に、ra の複数の可能値に応答する。極値計算モジュールは、少なくとも1つのパワー曲線に応じてsとnの間の相関を最小化するra の値を選択し、このra の値から対応する飽和度値を出力として算出する。ディスプレイモジュールは、算出された飽和度値の出力に応答して飽和度値をディスプレイする。
本発明は、各々が一次信号部分と二次信号部分を有する第1測定信号及び第2測定信号を使用するシステムを含む。換言すれば、第1複合信号S1(t)=s1(t)+n1(t)、第2複合信号S2(t)=s2(t)+n2(t)とすれば、本発明のシステムを使用して、一次信号部分s(t)又は二次信号部分n(t)のいずれかを分離することができる。処理後のシステムの出力は、二次信号部分n(t)に対する有効な近似n"(t) 、又は一次信号部分s(t)に対する有効な近似s"(t) を提供する。
本発明のシステムは、一次及び/又は二次信号部分n(t)が、一定部分、予測可能部分、随伴的部分、ランダム部分等の1つ以上の部分を含み得る場合に特に有用である。一次信号近似s"(t)又は二次信号近似n"(t)は、複合信号S(t)から可能な限り多くの二次信号部分n(t)又は一次信号部分s(t)を除去することにより得られる。残りの信号はそれぞれ、一次信号近似s"(t)又は二次信号近似n"(t) のいずれかを形成する。二次信号n(t)の一定部分及び予測可能部分は、例えば単純な減算、低域通過、帯域通過、及び高域通過フィルタリング等の従来のフィルタリング技術を用いて容易に除去される。随伴的部分は、その予測不可能な性質により除去が困難である。統計学的にでも随伴的信号について幾分わかっている場合には、随伴的信号は従来のフィルタリング技術を介して測定信号から少なくとも部分的に除去できる。しかしながら、二次信号n(t)の随伴的部分に関する情報はわからないことが多い。この場合には、従来のフィルタリング技術では通常不十分である。
二次信号n(t)を除去するには、本発明による信号モデルは第1測定信号S1 と第2測定信号S2 に関して以下のように定義する。
S1 =s1 +n1
S2 =s2 +n2
s1 =ra s2 、及び、n1 =rv n2
又は、
ra=s1/s2、及びrv=n1/n2
ここで、s1 及びn1 は少なくともいくらか(好ましくは実質的に)相関しておらず、s2 及びn2 は少なくともいくらか(好ましくは実質的に)相関していない。第1測定信号S1 及び第2測定信号S2 は、上に定義したように相関係数ra 及びrv により関連づけられる。これらの係数の使用及び選択について、以下により詳細に記載する。
S1 =s1 +n1
S2 =s2 +n2
s1 =ra s2 、及び、n1 =rv n2
又は、
ra=s1/s2、及びrv=n1/n2
ここで、s1 及びn1 は少なくともいくらか(好ましくは実質的に)相関しておらず、s2 及びn2 は少なくともいくらか(好ましくは実質的に)相関していない。第1測定信号S1 及び第2測定信号S2 は、上に定義したように相関係数ra 及びrv により関連づけられる。これらの係数の使用及び選択について、以下により詳細に記載する。
本発明の一態様では、この信号モデルは適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラと組み合わせて使用され、測定信号の随伴的部分を除去又は導出する。
一般に、相関キャンセラは2つの信号入力と1つの出力を有する。これら入力のうちの1つは、二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) のいずれかであり、これらはそれぞれ、複合信号S(t)中に存在する二次信号部分n(t)及び一次信号部分s(t)に相関する。他の入力は、複合信号S(t)に対するものである。理想的には、相関キャンセラの出力s"(t) 又はn"(t) はそれぞれ、一次信号部分s(t)又は二次信号部分n(t)
にのみ対応する。しばしば、相関キャンセラのアプリケーションにおいて最も難しい作業は、測定信号S(t)の二次部分n(t)及び一次部分s(t)にそれぞれ相関する基準信号n'(t) 及びs'(t) を決定することであり、なぜなら、上述したようにこれらの部分は測定信号S(t)から分離することが極めて難しいからである。本発明の信号プロセッサでは、二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) は、2つの異なる波長λa及びλbにおいて同時に又は略同時に測定される2つの複合信号から決定される。 本発明による信号プロセッサと相関キャンセラを備える一般的なモニタのブロック図を図4a及び図4bで示す。2つの測定信号Sλa(t)とSλb(t)は検出器20により受信される。いくつかの生理学的測定を行うには1つ以上の検出器があったほうがよいことを当業者は理解するであろう。各信号は、信号調整手段22a及び22bにより調整される。調整は、一定部分を除去するように信号をフィルタリングし、操作の簡便さのために信号を増幅すること等の手順を含むが、これに限定されない。信号は次にアナログ−ディジタル変換器24a及び24bによりディジタルデータに変換される。第1測定信号Sλa(t)は、本明
細書中でsλa(t)とラベル付けされる第1の一次信号部分と、nλa(t)とラベル付けされる第1の二次信号部分とを含む。第2測定信号Sλb(t)は、第1測定信号Sλa(t)と少なくとも部分的に関連しており、本明細書中でsλb(t)とラベル付けされ
る第2の一次信号部分と、nλb(t)とラベル付けされる第2の二次信号部分とを含む
。典型的には、第1の二次信号部分nλa(t)と第2の二次信号部分nλb(t)は、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に対して相関していない及び/又は随伴的である。二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)はしばしば、生理学的測定において患者の動作により生じるものである。
にのみ対応する。しばしば、相関キャンセラのアプリケーションにおいて最も難しい作業は、測定信号S(t)の二次部分n(t)及び一次部分s(t)にそれぞれ相関する基準信号n'(t) 及びs'(t) を決定することであり、なぜなら、上述したようにこれらの部分は測定信号S(t)から分離することが極めて難しいからである。本発明の信号プロセッサでは、二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) は、2つの異なる波長λa及びλbにおいて同時に又は略同時に測定される2つの複合信号から決定される。 本発明による信号プロセッサと相関キャンセラを備える一般的なモニタのブロック図を図4a及び図4bで示す。2つの測定信号Sλa(t)とSλb(t)は検出器20により受信される。いくつかの生理学的測定を行うには1つ以上の検出器があったほうがよいことを当業者は理解するであろう。各信号は、信号調整手段22a及び22bにより調整される。調整は、一定部分を除去するように信号をフィルタリングし、操作の簡便さのために信号を増幅すること等の手順を含むが、これに限定されない。信号は次にアナログ−ディジタル変換器24a及び24bによりディジタルデータに変換される。第1測定信号Sλa(t)は、本明
細書中でsλa(t)とラベル付けされる第1の一次信号部分と、nλa(t)とラベル付けされる第1の二次信号部分とを含む。第2測定信号Sλb(t)は、第1測定信号Sλa(t)と少なくとも部分的に関連しており、本明細書中でsλb(t)とラベル付けされ
る第2の一次信号部分と、nλb(t)とラベル付けされる第2の二次信号部分とを含む
。典型的には、第1の二次信号部分nλa(t)と第2の二次信号部分nλb(t)は、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に対して相関していない及び/又は随伴的である。二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)はしばしば、生理学的測定において患者の動作により生じるものである。
信号Sλa(t)及びSλb(t)は、基準プロセッサ26に入力される。基準プロセッサ26は、ファクタra =sλa(t)/sλb(t)か、又はファクタrv =nλa(t
)/nλb(t)か、のいずれかを第2測定信号Sλb(t)に乗算し、第2測定信号Sλb(t)を第1測定信号Sλa(t)から減算する。信号係数ファクタra 及びrv は、2つの信号Sλa(t)とSλb(t)が減算された時に、それぞれ一次信号部分sλa(t
)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のいずれかを消去する
ように決定される。従って、基準プロセッサ26の出力は、二次信号部分nλa(t)及
びnλb(t)の双方に相関する図4aの二次基準信号n'(t) =nλa(t)−ra nλb(t)か、又は一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)の双方に相関する図4aの二
次基準信号s'(t) =sλa(t)−rv sλb(t)か、のいずれかである。基準信号n'(t) 又はs'(t) は測定信号Sλa(t)又はSλb(t)のうちの1つと共に相関キャンセラ27に入力され、相関キャンセラ27は基準信号n'(t) 又はs'(t) を使用して、二次信号部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくは
sλb(t)のいずれかを測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)から除去する。相関
キャンセラ27の出力は、有効な一次信号近似s"(t) 又は二次信号近似n"(t) である。或る実施形態では、近似s"(t) 又はn"(t) はディスプレイ28上にディスプレイされる。
)/nλb(t)か、のいずれかを第2測定信号Sλb(t)に乗算し、第2測定信号Sλb(t)を第1測定信号Sλa(t)から減算する。信号係数ファクタra 及びrv は、2つの信号Sλa(t)とSλb(t)が減算された時に、それぞれ一次信号部分sλa(t
)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のいずれかを消去する
ように決定される。従って、基準プロセッサ26の出力は、二次信号部分nλa(t)及
びnλb(t)の双方に相関する図4aの二次基準信号n'(t) =nλa(t)−ra nλb(t)か、又は一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)の双方に相関する図4aの二
次基準信号s'(t) =sλa(t)−rv sλb(t)か、のいずれかである。基準信号n'(t) 又はs'(t) は測定信号Sλa(t)又はSλb(t)のうちの1つと共に相関キャンセラ27に入力され、相関キャンセラ27は基準信号n'(t) 又はs'(t) を使用して、二次信号部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくは
sλb(t)のいずれかを測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)から除去する。相関
キャンセラ27の出力は、有効な一次信号近似s"(t) 又は二次信号近似n"(t) である。或る実施形態では、近似s"(t) 又はn"(t) はディスプレイ28上にディスプレイされる。
1つの実施形態では、適応ノイズキャンセラ30(その一例を図5aのブロック図で示す)を相関キャンセラ27として使用し、随伴的な二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のうちのいずれか1つを第1信号Sλa(t)及び第2測定Sλb(t)から除去する。図5aの適応ノイズキャンセラ30は、二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)に相関する二次基準n'(t) のサンプルを1つの入力として有する。二次基準n'(t) は、本文で述べるように本発明のプロセッサ26により2つの測定信号Sλa(t)及びSλb(t)から決定される。適応ノイズキャンセラへの第2の入力は、第1複合信号Sλa(t
)=sλa(t)+nλa(t)か、又は第2複合信号Sλb(t)=sλb(t)+nλb
(t)のいずれかのサンプルである。
)=sλa(t)+nλa(t)か、又は第2複合信号Sλb(t)=sλb(t)+nλb
(t)のいずれかのサンプルである。
図5bの適応ノイズキャンセラ30を使用しても、第1測定信号Sλa(t)及び第2
測定信号Sλb(t)から一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)のいずれか1つを除
去することができる。適応ノイズキャンセラ30は、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に相関する一次基準s'(t) のサンプルを1つの入力として有する。一次基準s'(t) は、本文中で述べるように本発明のプロセッサ26により2つの測定信号Sλa(t
)及びSλb(t)から決定される。適応ノイズキャンセラ30への第2の入力は、第1
測定信号Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t)か又はSλb(t)=sλb(t)+n
λb(t)のいずれかのサンプルである。
測定信号Sλb(t)から一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)のいずれか1つを除
去することができる。適応ノイズキャンセラ30は、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に相関する一次基準s'(t) のサンプルを1つの入力として有する。一次基準s'(t) は、本文中で述べるように本発明のプロセッサ26により2つの測定信号Sλa(t
)及びSλb(t)から決定される。適応ノイズキャンセラ30への第2の入力は、第1
測定信号Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t)か又はSλb(t)=sλb(t)+n
λb(t)のいずれかのサンプルである。
適応ノイズキャンセラ30は、基準信号n'(t) 又はs'(t) と測定信号Sλa(t)
又はSλb(t)の両方に共通する周波数を除去するように機能する。基準信号は二次信
号部分nλa(t)及びnλb(t)か又は一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)かのいずれかに相関するので、基準信号はそれに従って随伴的である、又は同じように挙動する。適応ノイズキャンセラ30は、基準信号n'(t) 又はs'(t) のスペクトル分布に基づく動的マルチノッチフィルタに類似し得るように作用する。
又はSλb(t)の両方に共通する周波数を除去するように機能する。基準信号は二次信
号部分nλa(t)及びnλb(t)か又は一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)かのいずれかに相関するので、基準信号はそれに従って随伴的である、又は同じように挙動する。適応ノイズキャンセラ30は、基準信号n'(t) 又はs'(t) のスペクトル分布に基づく動的マルチノッチフィルタに類似し得るように作用する。
図5cは、マルチノッチフィルタの一例の伝達関数を示す。伝達関数の振幅におけるノッチ又はディップは、信号がノッチフィルタを通過した時に減衰又は除去される周波数を示す。ノッチフィルタの出力は、ノッチが存在する周波数を除去された複合信号である。適応ノイズキャンセラ30に類似して、ノッチが存在する周波数は適応ノイズキャンセラ30への入力に基づいて連続的に変化する。 適応ノイズキャンセラ30(図5a及び図5b)は、s"λa(t)、s"λb(t)、n"λa(t)又はn"λb(t)とラベル付けされる出力信号を生成し、この出力信号は適応ノイズキャンセラ30内の内部プロセッサ32にフィードバックされる。内部プロセッサ32が所定のアルゴリズムに従ってその独自の伝達関数を調整することにより、図5aでbλ(t)とラベル付けされ、図5bでcλ(t)とラベル付けされた内部プロセッサ32の出力が、二次信号部分nλa(t)若し
くはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかに近似す
ることになる。図5aの内部プロセッサ32の出力bλ(t)が測定信号Sλa(t)若
しくはSλb(t)から減算されると、出力信号s"λa(t)=sλa(t)+nλa(t
)−bλa(t)又は出力信号s"λb=sλb(t)+nλb(t)−bλb(t)が得られる。内部プロセッサは、s"λa(t)又はs"λb(t)がそれぞれ一次信号sλa(t)
又はsλb(t)に略等しくなるようにs"λa(t)又はs"λb(t)を最適化する。図
5bの内部プロセッサ32の出力cλ(t)が測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)から減算されると、n"λa(t)=sλa(t)+nλa(t)−cλa(t)又はn"λb
=sλb(t)+nλb(t)−cλb(t)と規定される出力信号が得られる。内部プロ
セッサは、n"λa(t)又はn"λb(t)がそれぞれ一次信号nλa(t)又はnλb(t)に略等しくなるようにn"λa(t)又はn"λb(t)を最適化する。
くはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかに近似す
ることになる。図5aの内部プロセッサ32の出力bλ(t)が測定信号Sλa(t)若
しくはSλb(t)から減算されると、出力信号s"λa(t)=sλa(t)+nλa(t
)−bλa(t)又は出力信号s"λb=sλb(t)+nλb(t)−bλb(t)が得られる。内部プロセッサは、s"λa(t)又はs"λb(t)がそれぞれ一次信号sλa(t)
又はsλb(t)に略等しくなるようにs"λa(t)又はs"λb(t)を最適化する。図
5bの内部プロセッサ32の出力cλ(t)が測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)から減算されると、n"λa(t)=sλa(t)+nλa(t)−cλa(t)又はn"λb
=sλb(t)+nλb(t)−cλb(t)と規定される出力信号が得られる。内部プロ
セッサは、n"λa(t)又はn"λb(t)がそれぞれ一次信号nλa(t)又はnλb(t)に略等しくなるようにn"λa(t)又はn"λb(t)を最適化する。
内部プロセッサ32の伝達関数の調整に使用され得る1つのアルゴリズムは、プレンティス・ホール(Prentice Hall )により出版され1985年に著作権を得られた、ベルナードウィドロー(Bernard Widrow)及びサミュエルスターンズ(Samuel Stearns)著の「Adaptive Signal Processing」の第6章及び第12章に述べられている最小自乗アルゴリズムである。第6章及び第12章を含めてこの本全体の内容を援用して本文の記載の一部とする。
図5a及び図5bの適応プロセッサ30は、アンテナのサイドローブキャンセル、パターン認識、一般的な周期的干渉の消去、及び長距離電話伝送ラインにおけるエコーの消去を含む多くの問題に適用され、成功をおさめた。しかしながら、nλa(t)、nλb(t)、sλa(t)及びsλb(t)の部分は測定複合信号Sλa(t)及びSλb(t)から容易に分離できないので、適切な基準信号n'(t) 若しくはs'(t) を見出すために、か
なりの工夫がしばしば必要である。実際の二次部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかを推測的に利用できれば、相関キャンセル等の技術は必要ではないだろう。
一次基準信号及び二次基準信号の一般的決定
基準信号n'(t) 及びs'(t) が決定され得る方法を以下に説明する。検出器により例えば波長λaにおいて第1信号が測定されると、信号Sλa(t)が得られる:
Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t) (1)
ここでsλa(t)は一次信号部分であり、nλa(t)は二次信号部分である。
なりの工夫がしばしば必要である。実際の二次部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次信号部分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかを推測的に利用できれば、相関キャンセル等の技術は必要ではないだろう。
一次基準信号及び二次基準信号の一般的決定
基準信号n'(t) 及びs'(t) が決定され得る方法を以下に説明する。検出器により例えば波長λaにおいて第1信号が測定されると、信号Sλa(t)が得られる:
Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t) (1)
ここでsλa(t)は一次信号部分であり、nλa(t)は二次信号部分である。
異なる波長λbにおいても同様の測定が同時に若しくは略同時に行われ、次のものが得
られる:
Sλb(t)=sλb(t)+nλb(t) (2)
なお、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)が略同時に得られる限り、二次信号成分nλa(t)及びnλb(t)は相関する。なぜなら、任意のランダムな又は随伴的な関数により、各測定値に略同様に影響が及ぼされるからである。実質的に予測可能な一次信号成分sλa(t)及びsλb(t)もまた互いに相関する。
られる:
Sλb(t)=sλb(t)+nλb(t) (2)
なお、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)が略同時に得られる限り、二次信号成分nλa(t)及びnλb(t)は相関する。なぜなら、任意のランダムな又は随伴的な関数により、各測定値に略同様に影響が及ぼされるからである。実質的に予測可能な一次信号成分sλa(t)及びsλb(t)もまた互いに相関する。
基準信号n'(t) 及びs'(t) を得るために、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)はそれぞれ、一次信号成分又は二次信号成分を除去するように変換される。本発明によれば、これを実行する1つの方法は、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)と二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)の間の比例定数ra 及びrv を見出し、信号を次のようにモデル化することである。
sλa(t)=ra sλb(t)
nλa(t)=rv nλb(t) (3)
本発明の信号モデルによれば、これらの比例関係は、吸収測定及び生理学的測定を含む(しかし、これらに限定されない)多くの測定において満たされる。さらに、本発明の信号モデルによれば、大抵の測定において、比例定数ra 及びrv を以下のように決定できる:
nλa(t)≠ra nλb(t)
sλa(t)≠rv sλb(t) (4)
式(2) にra を乗算し、次いで式(2) を式(1) から減算すると、一次信号項sλa(t
)及びsλb(t)が消去されて次の単一の式が得られる:
n'(t) =Sλa(t)−ra Sλb(t)
=nλa(t)−ra nλb(t)
(5a)
これは、二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)の各々に相関し、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラにおいて二次基準n'(t) として使用されることができる非ゼロ信号となる。
nλa(t)=rv nλb(t) (3)
本発明の信号モデルによれば、これらの比例関係は、吸収測定及び生理学的測定を含む(しかし、これらに限定されない)多くの測定において満たされる。さらに、本発明の信号モデルによれば、大抵の測定において、比例定数ra 及びrv を以下のように決定できる:
nλa(t)≠ra nλb(t)
sλa(t)≠rv sλb(t) (4)
式(2) にra を乗算し、次いで式(2) を式(1) から減算すると、一次信号項sλa(t
)及びsλb(t)が消去されて次の単一の式が得られる:
n'(t) =Sλa(t)−ra Sλb(t)
=nλa(t)−ra nλb(t)
(5a)
これは、二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)の各々に相関し、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラにおいて二次基準n'(t) として使用されることができる非ゼロ信号となる。
式(2) にrv を乗算し、次いで式(2) を式(1) から減算すると、一次信号項sλa(t
)及びsλb(t)が消去されて次の単一の式が得られる:
s'(t) =Sλa(t)−rv Sλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t)
(5b)
これは、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に相関し、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラにおいて一次基準s'(t) として使用されることができる非ゼロ信号となる。
吸収システムにおける一次基準信号及び二次基準信号の測定の例
相関キャンセルは、吸収測定と総称される多くの測定に特に有用である。本発明のプロセッサにより決定される基準n'(t) 又はs'(t) に基づいて、適応ノイズキャンセル等の相関キャンセルを有利に使用できる吸収タイプのモニタの一例は、吸収材料が変化を受けた場合に吸収材料中のエネルギー吸収成分の濃度を決定するモニタである。かかる変化は、情報を必要とされる力又は一次的力、あるいは、材料における機械的な力等のランダムな若しくは随伴的な二次的力により生じ得る。動作等のランダムな若しくは随伴的な干渉により、測定された信号に二次的成分が生じる。これら二次的成分は、適切な二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) がわかれば、相関キャンセラにより除去又は導出されることができる。
)及びsλb(t)が消去されて次の単一の式が得られる:
s'(t) =Sλa(t)−rv Sλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t)
(5b)
これは、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)に相関し、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラにおいて一次基準s'(t) として使用されることができる非ゼロ信号となる。
吸収システムにおける一次基準信号及び二次基準信号の測定の例
相関キャンセルは、吸収測定と総称される多くの測定に特に有用である。本発明のプロセッサにより決定される基準n'(t) 又はs'(t) に基づいて、適応ノイズキャンセル等の相関キャンセルを有利に使用できる吸収タイプのモニタの一例は、吸収材料が変化を受けた場合に吸収材料中のエネルギー吸収成分の濃度を決定するモニタである。かかる変化は、情報を必要とされる力又は一次的力、あるいは、材料における機械的な力等のランダムな若しくは随伴的な二次的力により生じ得る。動作等のランダムな若しくは随伴的な干渉により、測定された信号に二次的成分が生じる。これら二次的成分は、適切な二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) がわかれば、相関キャンセラにより除去又は導出されることができる。
A1 、A2 、A3 ... AN とラベル付けされたN個の異なる吸収成分を有するコンテナ42を含む概略的なN成分吸収材料を図6aに示す。図6aにおけるA1 〜AN の成分は、コンテナ42内に略規則的に層状に配列される。特定のタイプの吸収システムの一例は、光エネルギーがコンテナ42を通過し、一般的なベール(Beer Lambert)の光吸収法則に従って吸収されるシステムである。波長λaの光に対しては、この減衰は以下により近
似化され得る:
似化され得る:
まず、両サイドの自然対数をとり、項を操作することにより信号を変換すると、信号は信号成分が乗算ではなく加算により結合されるように変換される。
式中、I0 は入射光エネルギーの強度;Iは透過光エネルギー強度;εi,λaは波長λa
におけるi番目の成分の吸収係数;xi (t)は、i番目の層の光経路の長さ、即ち、光エネルギーが通過するi番目の層の材料の厚さ;ci(t)は、厚さxi(t)に関連するボリュームでのi番目の成分の濃度;である。吸収係数ε1 〜εN は、各波長において一定の既知の値である。大抵の濃度c1(t)〜cN(t)は、各層の光経路長さxi(t)
の大抵のものと同じく、わかっていないのが典型的である。光経路の全長は、各層の個々の光経路長さxi(t)の各々の合計である。
におけるi番目の成分の吸収係数;xi (t)は、i番目の層の光経路の長さ、即ち、光エネルギーが通過するi番目の層の材料の厚さ;ci(t)は、厚さxi(t)に関連するボリュームでのi番目の成分の濃度;である。吸収係数ε1 〜εN は、各波長において一定の既知の値である。大抵の濃度c1(t)〜cN(t)は、各層の光経路長さxi(t)
の大抵のものと同じく、わかっていないのが典型的である。光経路の全長は、各層の個々の光経路長さxi(t)の各々の合計である。
層の厚さを変化させる力を材料が何も受けなければ、各層の光経路の長さは概して一定である。この結果、光エネルギーは略一定に減衰するので、測定信号には略一定のオフセットが生じる。典型的には、材料を摂動させる力に関する知識が通常必要であるので、信号のこのオフセット部分にはほとんど関心がない。変化を受けない場合に略一定の成分吸収から得られた一定の不要な信号部分を含む、対象とする既知の帯幅外の任意の信号部分
が除去される。これは従来の帯域通過フィルタリング技術により容易に達成される。しかしながら、材料に力が及ぼされると、各成分層は摂動により他の層とは異なるように影響を及ぼされる。各層の光経路長さxi(t)の幾らかの摂動により、所望の若しくは一次
情報を示す変位が測定信号に生じる可能性がある。各層の光経路長さxi(t)の他の摂
動により、測定信号中の一次情報を覆い隠す不要な若しくは二次的変位が生じる。二次的変位に関する二次信号成分は、測定信号から一次情報を得るために除去されなければならない。同様に、二次的変位により発生する二次信号成分が計算できれば、単純な減算又は相関キャンセル技術を介して測定信号から一次信号成分を得ることができる。
が除去される。これは従来の帯域通過フィルタリング技術により容易に達成される。しかしながら、材料に力が及ぼされると、各成分層は摂動により他の層とは異なるように影響を及ぼされる。各層の光経路長さxi(t)の幾らかの摂動により、所望の若しくは一次
情報を示す変位が測定信号に生じる可能性がある。各層の光経路長さxi(t)の他の摂
動により、測定信号中の一次情報を覆い隠す不要な若しくは二次的変位が生じる。二次的変位に関する二次信号成分は、測定信号から一次情報を得るために除去されなければならない。同様に、二次的変位により発生する二次信号成分が計算できれば、単純な減算又は相関キャンセル技術を介して測定信号から一次信号成分を得ることができる。
相関キャンセラは、吸収材料を摂動若しくは変化させて一次信号成分又は二次信号成分のいずれかを生じさせた力とは異なるように材料を摂動若しくは変化させる力によりそれぞれ生じた二次信号成分又は一次信号成分のいずれかを、吸収材料を透過若しくは反射された後に測定された複合信号から除去する。説明の目的で、一次信号sλa(t)である
と思われる測定信号の部分が、対象とする成分A5 と関連する減衰項ε5 c5 x5 (t)であり、成分A5 の層が他の成分A1 〜A4 及びA6 〜AN の各層とは異なる摂動により影響を受けると仮定する。かかる状況の一例は、関係する情報が一次的であると思われる力が層A5 に及ぼされ、さらに各層に影響を与える力を材料全体が受ける場合である。この場合には、成分A5 の層に影響を与えるトータルの力は、他の層の各々に影響を与えるトータルの力とは異なり、成分A5 の層の力と結果的な摂動とに関する情報が一次的であると思われるので、成分A1 〜A4 及びA6 〜AN による減衰項が二次信号部分nλa(
t)を構成する。材料全体に影響を与える付加的な力がA5 の層を含む各層において同じ摂動を生じさせても、成分A5 の層におけるトータルの力は、成分A1 〜A4 及びA6 〜AN の他の層の各々とは異なるトータルの摂動を有することになる。
と思われる測定信号の部分が、対象とする成分A5 と関連する減衰項ε5 c5 x5 (t)であり、成分A5 の層が他の成分A1 〜A4 及びA6 〜AN の各層とは異なる摂動により影響を受けると仮定する。かかる状況の一例は、関係する情報が一次的であると思われる力が層A5 に及ぼされ、さらに各層に影響を与える力を材料全体が受ける場合である。この場合には、成分A5 の層に影響を与えるトータルの力は、他の層の各々に影響を与えるトータルの力とは異なり、成分A5 の層の力と結果的な摂動とに関する情報が一次的であると思われるので、成分A1 〜A4 及びA6 〜AN による減衰項が二次信号部分nλa(
t)を構成する。材料全体に影響を与える付加的な力がA5 の層を含む各層において同じ摂動を生じさせても、成分A5 の層におけるトータルの力は、成分A1 〜A4 及びA6 〜AN の他の層の各々とは異なるトータルの摂動を有することになる。
二次信号成分に関連する層に影響を与えるトータルの摂動がランダムな若しくは随伴的な力により生じることも多々ある。これにより、層の厚さと各層の光経路長さxi(t)
が随伴的に変化されることとなり、このことによってランダムな若しくは随伴的な二次信号成分Nλa(t)が生成される。しかしながら、二次信号部分nλa(t)が随伴的であるか否かに関わらず、二次信号成分nλa(t)は、成分A5 の層以外の層における摂動
が成分A5 の層における摂動と異なる限り、本発明のプロセッサにより決定される二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) をそれぞれ1つの入力とする適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラを介して、除去又は導出されることができる。相関キャンセラは一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)のいずれかに対する有効な近似を得る。一次信号に対する近似が得られる場合には、いくつかの生理学的測定では一次信号成分に関係する厚さ(この例ではx5(t))がわかっている若しくは決定されることができるので、
対象とする成分の濃度c5(t)を多くの場合に決定することができる。
が随伴的に変化されることとなり、このことによってランダムな若しくは随伴的な二次信号成分Nλa(t)が生成される。しかしながら、二次信号部分nλa(t)が随伴的であるか否かに関わらず、二次信号成分nλa(t)は、成分A5 の層以外の層における摂動
が成分A5 の層における摂動と異なる限り、本発明のプロセッサにより決定される二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) をそれぞれ1つの入力とする適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラを介して、除去又は導出されることができる。相関キャンセラは一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)のいずれかに対する有効な近似を得る。一次信号に対する近似が得られる場合には、いくつかの生理学的測定では一次信号成分に関係する厚さ(この例ではx5(t))がわかっている若しくは決定されることができるので、
対象とする成分の濃度c5(t)を多くの場合に決定することができる。
相関キャンセラは、略同時に測定された2つの測定信号Sλa(t)及びSλb(t)から決定された二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) を使用する。Sλa(t)は、
式(7) において上述のように決定される。Sλb(t)は異なる波長λbにおいて同様に決定される。二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) のいずれかを見出すために、減衰された透過エネルギーが2つの異なる波長λa及びλbにおいて測定され、ログ変換を介して変換される。信号Sλa(t)及びSλb(t)を以下のように書くことができる(ログ変換できる)。
式(7) において上述のように決定される。Sλb(t)は異なる波長λbにおいて同様に決定される。二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) のいずれかを見出すために、減衰された透過エネルギーが2つの異なる波長λa及びλbにおいて測定され、ログ変換を介して変換される。信号Sλa(t)及びSλb(t)を以下のように書くことができる(ログ変換できる)。
信号のさらなる変換は、式(3) と同様にra 及びrv を規定する本発明の信号モデルによる比例関係であり、これによりノイズ基準n'(t) と一次基準s'(t) が決定できる。これらは以下の通りである。
ε5 ,λa=ra ε5 ,λb (12a)
nλa=rv nλb (12b)
ここで、
nλa≠ra nλb (13a)
ε5 ,λa≠rv ε5 ,λb (13b)
である。
式(12)及び(13)の両方が同時に満たされることはよくある。式(11)にra を乗算し、得られたものを式(9) から減算すると、二次信号成分の線形和であるゼロでない二次基準が得られる。
ε5 ,λa=ra ε5 ,λb (12a)
nλa=rv nλb (12b)
ここで、
nλa≠ra nλb (13a)
ε5 ,λa≠rv ε5 ,λb (13b)
である。
式(12)及び(13)の両方が同時に満たされることはよくある。式(11)にra を乗算し、得られたものを式(9) から減算すると、二次信号成分の線形和であるゼロでない二次基準が得られる。
式(11)にrv を乗算し、得られたものを式(9) から減算すると、一次信号成分の線形和である一次基準が得られる。
s'(t) =Sλa(t)−rv Sλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t) (14b)
=c5 x5 (t)ε5 ,λa−rv c5 x5 (t)ε5 ,λb (15b)
=c5 x5 (t)[ε5 ,λa−rv ε5 ,λb] (16b)
二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) のいずれかのサンプルと、測定信号Sλa(t
)若しくはSλb(t)のいずれかのサンプルは、図5a及び図5bにその一例が示され
る適応ノイズキャンセラ30等の相関キャンセラ27に入力され、その好適な例は「結合プロセス推定手段の実行を用いる好適な相関キャンセラ(Preferred Correlation Canceler Using a Joint Process Estimator Implementation )」という見出しで本明細書中に示されている。相関キャンセラ27は、測定信号の二次部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次成分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかを除去し、一次信号の有効な近似s"λa(t)≒ε5 λac5 x5 (t)若しくはs"λb(t)≒ε5 λbc5 x5 (t)か、又は二次信号の有効な近似n"λa(t)≒nλa(t)若しくはn"λb(t)≒
nλb(t)かのいずれかを得る。一次信号が得られる場合には、一次信号に対する近似
s"λa(t)若しくはs"λb(t)から濃度c5 (t)が以下のように決定され得る:
c5 (t)≒s" λa(t)/ε5 ,λax5 (t) (17a)
c5 (t)≒s" λb(t)/ε5 ,λbx5 (t) (17b)
上述のように、吸収係数は各波長λa及びλbにおいて一定であり、この例では一次信号成分に関係する厚さx5(t)は多くの場合わかっているか若しくは時間の関数として決定
されることができるので、成分A5 の濃度c5(t)を算出することができる。
1つより多くの成分を含むボリュームにおける濃度若しくは飽和度の決定
図6bを参照すると、N個の異なる成分を複数の層に配置された別の材料が示される。この材料では、2つの成分A5 及びA6 は厚さx5,6 (t)=x5 (t)+x6 (t)を有する1つの層内に見られ、この層において略ランダムに位置されている。これは、図6aの成分A5 及びA6 の層の結合に類似する。成分A5 及びA6 の層の結合等の層同士の結合は、全体の力が同一である場合に適しており、この場合には2つの層の光経路長さx5 (t)及びx6 (t)には同一の変化が及ぼされることになる。
s'(t) =Sλa(t)−rv Sλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t) (14b)
=c5 x5 (t)ε5 ,λa−rv c5 x5 (t)ε5 ,λb (15b)
=c5 x5 (t)[ε5 ,λa−rv ε5 ,λb] (16b)
二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) のいずれかのサンプルと、測定信号Sλa(t
)若しくはSλb(t)のいずれかのサンプルは、図5a及び図5bにその一例が示され
る適応ノイズキャンセラ30等の相関キャンセラ27に入力され、その好適な例は「結合プロセス推定手段の実行を用いる好適な相関キャンセラ(Preferred Correlation Canceler Using a Joint Process Estimator Implementation )」という見出しで本明細書中に示されている。相関キャンセラ27は、測定信号の二次部分nλa(t)若しくはnλb(t)又は一次成分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかを除去し、一次信号の有効な近似s"λa(t)≒ε5 λac5 x5 (t)若しくはs"λb(t)≒ε5 λbc5 x5 (t)か、又は二次信号の有効な近似n"λa(t)≒nλa(t)若しくはn"λb(t)≒
nλb(t)かのいずれかを得る。一次信号が得られる場合には、一次信号に対する近似
s"λa(t)若しくはs"λb(t)から濃度c5 (t)が以下のように決定され得る:
c5 (t)≒s" λa(t)/ε5 ,λax5 (t) (17a)
c5 (t)≒s" λb(t)/ε5 ,λbx5 (t) (17b)
上述のように、吸収係数は各波長λa及びλbにおいて一定であり、この例では一次信号成分に関係する厚さx5(t)は多くの場合わかっているか若しくは時間の関数として決定
されることができるので、成分A5 の濃度c5(t)を算出することができる。
1つより多くの成分を含むボリュームにおける濃度若しくは飽和度の決定
図6bを参照すると、N個の異なる成分を複数の層に配置された別の材料が示される。この材料では、2つの成分A5 及びA6 は厚さx5,6 (t)=x5 (t)+x6 (t)を有する1つの層内に見られ、この層において略ランダムに位置されている。これは、図6aの成分A5 及びA6 の層の結合に類似する。成分A5 及びA6 の層の結合等の層同士の結合は、全体の力が同一である場合に適しており、この場合には2つの層の光経路長さx5 (t)及びx6 (t)には同一の変化が及ぼされることになる。
しばしば、1つより多くの成分を含み独特の力を受ける所与の厚さ内の或る成分の濃度又は飽和度、即ちパーセント濃度を見出すことが望ましい。所与のボリューム内の或る成分の濃度若しくは飽和度の測定は、このボリューム内の任意の数の成分が同一のトータル力を受けることにより同一に摂動若しくは変化される場合に行われることができる。多くの成分を含む1ボリューム内の1つの成分の飽和度を決定するには、入射光エネルギーを吸収する成分と同数の測定信号が必要である。光エネルギーを吸収しない成分は飽和度の決定に重要でないことが理解されるであろう。濃度を決定するには、入射光エネルギーを吸収する成分と同数の信号と、濃度の合計に関する情報とが必要である。
独自の動作下にある厚さが2つの成分だけを含むことがよくある。例えば、A5 及びA6 を含む所与のボリューム内のA5 の濃度若しくは飽和度を知ることが望ましい場合がある。この場合には、一次信号sλa(t)及びsλb(t)がA5 及びA6 に関連する項を含み、ボリューム内のA5 若しくはA6 の濃度又は飽和度の測定が行われ得る。ここで飽和度の測定について述べる。A5 及びA6 の両方を含むボリューム内のA5 の濃度はまた、A5 +A6 =1、即ち選択された特定の測定波長において入射光エネルギーを吸収しない成分がボリューム内に存在しない場合にも決定されることができる。測定信号Sλa(
t)及びSλb(t)は、以下のように書くことができる(ログ変換できる):
Sλa(t)=ε5 ,λac5 x5,6 (t)
+ε6 ,λac6 x5,6 (t)+nλa(t) (18a)
=sλa(t)+nλa(t) (18b)
Sλb(t)=ε5 ,λbc5 x5,6 (t)
+ε6 ,λbc6 x5,6 (t)+nλb(t) (19a)
=sλb(t)+nλb(t) (19b)
図6cで示されるように、各々が同じように2つの成分を含むが別の動作を被る2つ以上の厚さが1つの媒体内に存在することもよくあることである。例えば、A5 及びA6 を含む所与のボリューム内のA5 の濃度又は飽和度と共に、それぞれA5 及びA6 と同じ成分を有するA3 及びA4 を含む所与のボリューム内のA3 の濃度又は飽和度を知ることが望ましい場合がある。この場合にも、一次信号sλa(t)及びsλb(t)は、A5 及びA6 の両方に関連する項を含み、二次信号nλa(t)及びnλb(t)の部分はA3 及びA4 の両方に関連する項を含む。A3 及びA4 の層は一次信号の式には入らないが、なぜ
なら、A3 及びA4 は異なる周波数により、又は一次信号に関係する力とは相関しないランダムな若しくは随伴的な二次的力により摂動されると考えられるからである。成分3及び5並びに成分4及び6は同じであるとされるので、それらは同一の吸収係数を有する(即ちε3 λa=ε5 λa;ε3 λb=ε5 λb;ε4 λa=ε6 λa;ε4 λb=ε6 λb)。しかしながら概して言えば、A3 及びA4 はA5 及びA6 とは異なる濃度を有するので、異なる飽和度を有することになる。よって、1つの媒体内の単一の成分は、それに関連する1つ以上の飽和度を有し得る。このモデルに従う一次信号及び二次信号は以下のように書くことができる:
t)及びSλb(t)は、以下のように書くことができる(ログ変換できる):
Sλa(t)=ε5 ,λac5 x5,6 (t)
+ε6 ,λac6 x5,6 (t)+nλa(t) (18a)
=sλa(t)+nλa(t) (18b)
Sλb(t)=ε5 ,λbc5 x5,6 (t)
+ε6 ,λbc6 x5,6 (t)+nλb(t) (19a)
=sλb(t)+nλb(t) (19b)
図6cで示されるように、各々が同じように2つの成分を含むが別の動作を被る2つ以上の厚さが1つの媒体内に存在することもよくあることである。例えば、A5 及びA6 を含む所与のボリューム内のA5 の濃度又は飽和度と共に、それぞれA5 及びA6 と同じ成分を有するA3 及びA4 を含む所与のボリューム内のA3 の濃度又は飽和度を知ることが望ましい場合がある。この場合にも、一次信号sλa(t)及びsλb(t)は、A5 及びA6 の両方に関連する項を含み、二次信号nλa(t)及びnλb(t)の部分はA3 及びA4 の両方に関連する項を含む。A3 及びA4 の層は一次信号の式には入らないが、なぜ
なら、A3 及びA4 は異なる周波数により、又は一次信号に関係する力とは相関しないランダムな若しくは随伴的な二次的力により摂動されると考えられるからである。成分3及び5並びに成分4及び6は同じであるとされるので、それらは同一の吸収係数を有する(即ちε3 λa=ε5 λa;ε3 λb=ε5 λb;ε4 λa=ε6 λa;ε4 λb=ε6 λb)。しかしながら概して言えば、A3 及びA4 はA5 及びA6 とは異なる濃度を有するので、異なる飽和度を有することになる。よって、1つの媒体内の単一の成分は、それに関連する1つ以上の飽和度を有し得る。このモデルに従う一次信号及び二次信号は以下のように書くことができる:
式(20c),(21c)の右辺に斜体で示した信号nλa(t)及びnλb(t)は、3,4の層の省略を除いて左辺の二次信号nλa(t)及びnλb(t)と同様である。
摂動されない場合に成分の略一定の吸収から得られる一定の不要な二次信号部分を含む対象とする既知の帯域幅外の信号は、一次信号若しくは二次信号に係わらず、対象とする帯域幅内の一次信号若しくは二次信号のいずれかに対する近似を決定するために削除されるべきである。これは、従来の帯域通過フィリタリング技術により容易に達成される。前述の例と同じように、二次信号成分に関連する層に影響を及ぼすトータルの摂動若しくは変化は、ランダムな若しくは随伴的な力により生じ、これにより各層の厚さ又は層の光経路長さxi (t)が随伴的に変化され、ランダムな若しくは随伴的な二次信号成分nλa
(t)が生成される。二次信号部分nλa(t)が随伴的であるか否かに関わらず、成分
A5 及びA6 の層以外の層における摂動が成分A5 及びA6 の層における摂動と異なる限り、本発明のプロセッサにより決定される二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) を1つの入力とする適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラを介して、二次信号成分nλa(
t)が除去又は導出されることができる。相関キャンセラにより、随伴的な二次信号成分nλa(t)及びnλb(t)又は一次成分sλa(t)及びsλb(t)のいずれかを式(18)及び(19)から又は式(20)及び(21)から有利に除去することができる。この場合も相関キャンセラは、一次基準s'(t) 又は二次基準n'(t) のいずれかのサンプルと、式(18)及び(19)の複合信号Sλa(t)又はSλb(t)のいずれかのサンプルを必要とする。
飽和度測定のための一次及び二次基準信号の決定
本発明の一態様により測定信号Sλa(t)及びSλb(t)から基準信号s'(t) 又はn'(t) を決定する1つの方法は、一定飽和度方法と呼ばれるものである。この方法では、A5 及びA6 を含むボリュームにおけるA5 の飽和度(Saturation)とA3 及びA4 を含むボリュームにおけるA3 の飽和度は、いくらかの時間の間はほぼ一定のままであると仮定する。即ち、上記飽和度は、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の多くのサンプルに対して略一定である。
Saturation(A5(t)) = c5(t)/[c5(t) + c6(t)] (22a)
Saturation(A3(t)) = c3(t)/[c3(t) + c4(t)] (22b)
Saturation(A5(t)) = [1 + [c6(t)/c5(t)]]-1 (23a)
Saturation(A3(t)) = [1 + [c4(t)/c3(t)]]-1 (23b)
飽和度は一般に生理学的システムにおいて比較的ゆっくりと変化するので、多くのサンプルにおいてこの仮定が成り立つ。
一定(constant)飽和度の仮定は、以下のように仮定することに等しい。
c5(t)/c6(t) = constant1 (24a)
c3(t)/c4(t) = constant2 (24b)
なぜなら、式(23a) 及び (23b)における上記以外の項が定数である、即ち1であるからである。
(t)が生成される。二次信号部分nλa(t)が随伴的であるか否かに関わらず、成分
A5 及びA6 の層以外の層における摂動が成分A5 及びA6 の層における摂動と異なる限り、本発明のプロセッサにより決定される二次基準n'(t) 又は一次基準s'(t) を1つの入力とする適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラを介して、二次信号成分nλa(
t)が除去又は導出されることができる。相関キャンセラにより、随伴的な二次信号成分nλa(t)及びnλb(t)又は一次成分sλa(t)及びsλb(t)のいずれかを式(18)及び(19)から又は式(20)及び(21)から有利に除去することができる。この場合も相関キャンセラは、一次基準s'(t) 又は二次基準n'(t) のいずれかのサンプルと、式(18)及び(19)の複合信号Sλa(t)又はSλb(t)のいずれかのサンプルを必要とする。
飽和度測定のための一次及び二次基準信号の決定
本発明の一態様により測定信号Sλa(t)及びSλb(t)から基準信号s'(t) 又はn'(t) を決定する1つの方法は、一定飽和度方法と呼ばれるものである。この方法では、A5 及びA6 を含むボリュームにおけるA5 の飽和度(Saturation)とA3 及びA4 を含むボリュームにおけるA3 の飽和度は、いくらかの時間の間はほぼ一定のままであると仮定する。即ち、上記飽和度は、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の多くのサンプルに対して略一定である。
Saturation(A5(t)) = c5(t)/[c5(t) + c6(t)] (22a)
Saturation(A3(t)) = c3(t)/[c3(t) + c4(t)] (22b)
Saturation(A5(t)) = [1 + [c6(t)/c5(t)]]-1 (23a)
Saturation(A3(t)) = [1 + [c4(t)/c3(t)]]-1 (23b)
飽和度は一般に生理学的システムにおいて比較的ゆっくりと変化するので、多くのサンプルにおいてこの仮定が成り立つ。
一定(constant)飽和度の仮定は、以下のように仮定することに等しい。
c5(t)/c6(t) = constant1 (24a)
c3(t)/c4(t) = constant2 (24b)
なぜなら、式(23a) 及び (23b)における上記以外の項が定数である、即ち1であるからである。
この仮定を用いると、一定飽和度方法における二次基準信号n'(t) 及び一次基準信号s'(t) の決定を可能にする比例定数ra 及びrv は:
である。
本発明によれば、多くの場合において式(26)及び(30)の両式は同時に満たされ、比例定数ra 及びrv を決定できる。さらに、各波長における吸収係数ε5 λa、ε6 λa、ε5 λb、ε6 λbは一定であり、一定飽和度方法の中心となる仮定は、c5 (t)/c6 (t)及びc3 (t)/c4 (t)が多くのサンプル周期にわたって一定であるということである。故に、相関キャンセラからの出力である一次信号若しくは二次信号のいずれかに対する新たな近似から、わずかなサンプル毎に新たな比例定数ra 及びrv が決定され得る。従って、本発明のプロセッサでは、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の実質的にすぐ前のサンプルセットに対して相関キャンセラにより見出された、一次信号sλa(t)
及びsλb(t)若しくは二次信号nλa(t)及びnλb(t)のいずれかに対する近似
が用いられて、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の次のサンプルセットに対する比例定数ra 及びrv が計算される。
及びsλb(t)若しくは二次信号nλa(t)及びnλb(t)のいずれかに対する近似
が用いられて、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の次のサンプルセットに対する比例定数ra 及びrv が計算される。
式(19)にra を乗算し、得られた式を式(18)から減算することにより、ゼロでない二次基準信号が得られる。
n’(t)=Sλa(t)−raSλb(t)
=nλa(t)−ranλb(t) (31a)
式(19)にrv を乗算し、得られた式を式(18)から減算することにより、ゼロでない一次基準信号が得られる。
s’(t)=Sλa(t)−rvSλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t) (31b)
患者のモニタリングにおいて一定飽和度方法を用いると、初期比例係数は以下に説明するように決定できる。患者は初期化期間でさえも無動作のままでいる必要はない。比例係数ra 及びrv の値が決定されると、相関キャンセラは二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) と共に使用され得る。
一定飽和度方法を用いての一次基準信号及び二次基準信号の信号係数の決定
本発明の一態様によれば、図7aで示されるように、第2の測定仮定信号Sλb(t)
=sλb(t)+nλb(t)に複数の信号係数r1 、r2 ... rn の各々を乗算し、得られた各式を第1測定信号Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t)から減算することによ
り、r=r1 、r2 ... rn に対する複数の基準信号を得るように、本発明の図4a及び図4bの基準プロセッサ26を構成することができる。
R’(r,t)=sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t) (32)
換言すれば、可能な信号係数のクロスセクションを示すために複数の信号係数が選択される。
n’(t)=Sλa(t)−raSλb(t)
=nλa(t)−ranλb(t) (31a)
式(19)にrv を乗算し、得られた式を式(18)から減算することにより、ゼロでない一次基準信号が得られる。
s’(t)=Sλa(t)−rvSλb(t)
=sλa(t)−rv sλb(t) (31b)
患者のモニタリングにおいて一定飽和度方法を用いると、初期比例係数は以下に説明するように決定できる。患者は初期化期間でさえも無動作のままでいる必要はない。比例係数ra 及びrv の値が決定されると、相関キャンセラは二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) と共に使用され得る。
一定飽和度方法を用いての一次基準信号及び二次基準信号の信号係数の決定
本発明の一態様によれば、図7aで示されるように、第2の測定仮定信号Sλb(t)
=sλb(t)+nλb(t)に複数の信号係数r1 、r2 ... rn の各々を乗算し、得られた各式を第1測定信号Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t)から減算することによ
り、r=r1 、r2 ... rn に対する複数の基準信号を得るように、本発明の図4a及び図4bの基準プロセッサ26を構成することができる。
R’(r,t)=sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t) (32)
換言すれば、可能な信号係数のクロスセクションを示すために複数の信号係数が選択される。
上記式(32)の複数の基準信号から一次基準s'(t) 若しくは二次基準n'(t)のいずれ
かを決定するために、複数の仮定信号係数r1 、r2 ... rn から信号係数ra 及びrv が決定される。一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)
及びnλb(t)が例えば以下のように基準関数R'(r,t) に代入された場合にそれら
のいずれかがキャンセル若しくは略キャンセルされるように、係数ra 及びrv が選択される。
かを決定するために、複数の仮定信号係数r1 、r2 ... rn から信号係数ra 及びrv が決定される。一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)
及びnλb(t)が例えば以下のように基準関数R'(r,t) に代入された場合にそれら
のいずれかがキャンセル若しくは略キャンセルされるように、係数ra 及びrv が選択される。
換言すれば、係数ra 及びrv は、一次信号部分と二次信号部分の間の相関の最小値を
反映する値で選択される。実際には、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)若しくは二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)に関する情報が前もって十分に存在することは通常ない。この情報不足により、複数の係数r
1 、r2 ... rn のどれが信号係数ra =sλa(t)/sλb(t)及びrv =nλa(
t)/nλb(t)に対応するかを決定することが困難である。
反映する値で選択される。実際には、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)若しくは二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)に関する情報が前もって十分に存在することは通常ない。この情報不足により、複数の係数r
1 、r2 ... rn のどれが信号係数ra =sλa(t)/sλb(t)及びrv =nλa(
t)/nλb(t)に対応するかを決定することが困難である。
複数の係数r1 、r2 ... rn から信号係数ra 及びrv を決定する1つの方法は、図7aで示されるように、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)の1つに対応する第1の入力を受信し、複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... R'(rn ,t) の各1つに連続して対応する第2の入力を受信する適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラ27を使用する。基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... R'(rn ,t) の各々に対して、相関キャンセラ27の対応する出力は、相関キャンセラ27の出力を二乗する「二乗」オペレーション28に入力される。二乗オペレーション28の出力は、インテグレータ29に提供され、累積出力信号(二乗値の合計)が形成される。累積出力信号はその後、極値検出手段31に入力される。極値検出手段31の目的は、図7b及び図7cのように累積出力信号における最大値を供する係数を観察することによりr1 、r2 ... rn のセットから信号係数ra 及びrv を選択することである。換言すれば、相関キャンセラ27からエネルギー若しくはパワー等の最大の積算出力を提供する係数が、本発明の信号モデルによる一次信号部分と二次信号部分の間の最小相関に関連する信号係数ra 及びrv に対応する。累積出力信号において最小値若しくは最小の変化を提供するr1 、r2 ... rn のセットからの係数を信号係数ra 及びrv とするように位置づけることを必要とするシステムジオメトリを構成することもできる。
相関キャンセラ27と共に本発明のプロセッサにおいて複数の係数を使用して信号係数ra 及びrv を決定することは、相関キャンセラの特性を用いることにより実証され得る。x、y及びzが時間により変化する3つの信号の任意の集合であるとすると、いくつかの相関キャンセラの特性(Property)C(x,y)は以下のように定義され得る:
Property (1) C(x,y)=0 x,yが相関する場合 (34a)
Property (2) C(x,y)=x x,yが相関しない場合 (34b)
Property (3) C(x+y,z)=c(x,z)+c(y,z) (34c)
Property(特性)(1) 、(2) 、(3) を用いれば、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)の1つに対応する第1入力と複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... R'(rn ,t) の連続する各1つに対応する第2入力を有する相関キャンセラのエネルギー若しくはパワー出力が、一次基準s'(t) 及び二次基準n'(t) の生成に必要な信号係数ra 及びrv を決定できることを実証するのは容易である。相関キャンセラへの第1入力として測定信号Sλa(t)を受信し、第2入力として複数の基準信号R'(r1 ,t) 、
R'(r2 ,t) 、... 、R'(rn ,t) を受信すると、j=1,2,... nに対する相関キャンセラの出力C(Sλa(t),R'(rj ,t) )は以下のように書くことができる
。
C(sλa(t)+nλa(t),sλa(t)−rj sλb(t)+nλa(t)−rj n
λb(t)) (35)
ここで、j=1,2,... ,nとし、次の式を用いた。
R’(r,t)=Sλa(t)−rSλb(t) (36)
Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t) (37a)
Sλb(t)=sλb(t)+nλb(t) (37b)
Property(3) を使用することにより、式(35)を2つの項に展開することができる。
C(Sλa(t),R’(r,t))=C(sλa(t),sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t))+C(nλa(t),sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t)) (38)
Property(1) 及び(2) を使用すると、相関キャンセラの出力は以下のように規定される。
C(Sλa(t),R'(rj ,t))=sλa(t)δ(rj −ra )+nλa(t)δ(
rj −rv ) (39)
ここで、δ(x)はユニットインパルス関数である。
Property (1) C(x,y)=0 x,yが相関する場合 (34a)
Property (2) C(x,y)=x x,yが相関しない場合 (34b)
Property (3) C(x+y,z)=c(x,z)+c(y,z) (34c)
Property(特性)(1) 、(2) 、(3) を用いれば、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)の1つに対応する第1入力と複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... R'(rn ,t) の連続する各1つに対応する第2入力を有する相関キャンセラのエネルギー若しくはパワー出力が、一次基準s'(t) 及び二次基準n'(t) の生成に必要な信号係数ra 及びrv を決定できることを実証するのは容易である。相関キャンセラへの第1入力として測定信号Sλa(t)を受信し、第2入力として複数の基準信号R'(r1 ,t) 、
R'(r2 ,t) 、... 、R'(rn ,t) を受信すると、j=1,2,... nに対する相関キャンセラの出力C(Sλa(t),R'(rj ,t) )は以下のように書くことができる
。
C(sλa(t)+nλa(t),sλa(t)−rj sλb(t)+nλa(t)−rj n
λb(t)) (35)
ここで、j=1,2,... ,nとし、次の式を用いた。
R’(r,t)=Sλa(t)−rSλb(t) (36)
Sλa(t)=sλa(t)+nλa(t) (37a)
Sλb(t)=sλb(t)+nλb(t) (37b)
Property(3) を使用することにより、式(35)を2つの項に展開することができる。
C(Sλa(t),R’(r,t))=C(sλa(t),sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t))+C(nλa(t),sλa(t)−rsλb(t)+nλa(t)−rnλb(t)) (38)
Property(1) 及び(2) を使用すると、相関キャンセラの出力は以下のように規定される。
C(Sλa(t),R'(rj ,t))=sλa(t)δ(rj −ra )+nλa(t)δ(
rj −rv ) (39)
ここで、δ(x)はユニットインパルス関数である。
δ(x)=0 x≠0である場合
δ(x)=1 x=0である場合 (40)
相関キャンセラの出力C(Sλa(t),R'(rj ,t) )の時間変数tは、そのエネ
ルギー若しくはパワーを計算することにより省くことができる。相関キャンセラの出力エネルギーは以下のように規定される。
Eλa(rj )=∫C2(Sλa(t),R'(rj ,t)dt
=δ(rj −ra )∫s2 λa(t)dt
+δ(rj −rv )∫n2 λa(t)dt (41a)
相関キャンセラへの第1入力として測定信号Sλb(t)を選択し、同様に第2入力と
して複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... 、R'(rn ,t) を同様に
うまく選択できたことを理解されたい。この場合、相関キャンセラエネルギー出力は、
Eλb(rj )=∫C2(Sλb(t),R'(rj ,t))dt
=δ(rj −ra )∫s2 λb(t)dt
+δ(rj −rv )∫n2 λb(t)dt (41b)
である。
δ(x)=1 x=0である場合 (40)
相関キャンセラの出力C(Sλa(t),R'(rj ,t) )の時間変数tは、そのエネ
ルギー若しくはパワーを計算することにより省くことができる。相関キャンセラの出力エネルギーは以下のように規定される。
Eλa(rj )=∫C2(Sλa(t),R'(rj ,t)dt
=δ(rj −ra )∫s2 λa(t)dt
+δ(rj −rv )∫n2 λa(t)dt (41a)
相関キャンセラへの第1入力として測定信号Sλb(t)を選択し、同様に第2入力と
して複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... 、R'(rn ,t) を同様に
うまく選択できたことを理解されたい。この場合、相関キャンセラエネルギー出力は、
Eλb(rj )=∫C2(Sλb(t),R'(rj ,t))dt
=δ(rj −ra )∫s2 λb(t)dt
+δ(rj −rv )∫n2 λb(t)dt (41b)
である。
実際の状況では連続的な時間の測定信号だけでなく離散的な時間の測定信号も使用され得ることも理解されたい。本発明に従って離散的変換を実行するシステムを図11〜図22を参照して説明する。離散的時間測定信号を用いる場合には、台形法則、中点法則、ティック(Tick)の法則、シンプソンズ(Simpson's )の近似や他の技術等の積分近似方法を使用して、相関キャンセラのエネルギー若しくはパワー出力を計算することが可能である。離散的時間信号測定の場合には、相関キャンセラのエネルギー出力は、台形法則を用いて以下のように書くことができる:
ti はi番目の離散的時間、t0 は初期時間、tn は最終時間、Δtは離散的時間の測定サンプルとサンプルの間の時間である。
上で規定した図7bのエネルギー関数は、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)と複数の基準信号R'(r1 ,t) 、R'(r2 ,t) 、... 、R'(rn ,t) の多くの間の
相関により相関キャンセラの出力が通常はゼロであることを示している。しかしながら、エネルギー関数は、基準信号R'(rj ,t)における一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のいずれかのキャンセルに対応するrj の値ではゼロではない。これらの値が信号係数ra 及びrv に対応する。
相関により相関キャンセラの出力が通常はゼロであることを示している。しかしながら、エネルギー関数は、基準信号R'(rj ,t)における一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のいずれかのキャンセルに対応するrj の値ではゼロではない。これらの値が信号係数ra 及びrv に対応する。
一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)又は二次信号部分nλa(t)及びnλb(t)のいずれかがゼロに等しいか若しくは略ゼロとなる時間があることを理解されたい。このような場合には、1つのみの信号係数値が相関キャンセラの最大エネルギー若しくはパワー出力を提供する。
相関キャンセラの最大のエネルギー又はパワー出力を提供する信号係数値は1つ以上あり得るので、あいまいな事態が生じ得る。基準関数R'(r,t) と共に信号係数が一次基準若しくは二次基準のいずれかを提供することはすぐには明確になり得ない。このような場合には、物理的システムの制約を利用することが必要である。例えば、脈拍酸素計測では、一次プレチスモグラフ波の特色を有する動脈血液は、二次的な随伴的若しくはランダム信号の特色を有する静脈血液よりも大きい酸素飽和度を有する。従って脈拍酸素計測では、動脈脈動に起因する一次信号比ra =sλa(t)/sλb(t)は、2つの信号係数値のうちの小さい方の値であり、一方主に静脈血液の流れに起因する二次信号比rv =nλa(t)/nλb(t)は、2つの信号係数値のうちの大きい方の値である。λa=66
0nmであり、λb=910nmであると仮定する。
0nmであり、λb=910nmであると仮定する。
複数の基準信号及び相互相関技術の実際の実行では、Property(特性)(1) 、(2) 、(3) として上に挙げた理想的な特徴は正確には満たされず、その近似となる。従って、本発明のこの実施形態を実際に実行すると、図7bで示される相関キャンセラのエネルギー曲線は、無限に小幅のデルタ関数からなるのではなく、図7cで示されるように有限幅を関連づけられる。
相関キャンセラから最大のエネルギー若しくはパワー出力を生成する信号係数値を2つよりも多く有することができることも理解されたい。このような状況は、各測定信号が2つより多くの成分を含む場合に起こり、各成分は以下のような比により関連づけられる:
である。
故に、適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラと共に基準信号を用いることにより、各々が1つの比により関連づけられる2つ以上の信号成分に信号を分解することができる。
結合プロセス推定手段の実行を用いる好適な相関キャンセラ
本発明のプロセッサにより二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかが決定されると、相関キャンセラはハードウェア若しくはソフトウェアのいずれにおいても実行できる。相関キャンセラの好適な実行は、結合プロセス推定手段を用いて適応ノイズキャンセラを実行することである。
結合プロセス推定手段の実行を用いる好適な相関キャンセラ
本発明のプロセッサにより二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかが決定されると、相関キャンセラはハードウェア若しくはソフトウェアのいずれにおいても実行できる。相関キャンセラの好適な実行は、結合プロセス推定手段を用いて適応ノイズキャンセラを実行することである。
図5a及び図5bの適応ノイズキャンセラと共に上述した内部プロセッサ32の最小自乗平均(LMS)を実行するのは比較的容易であるが、本発明の生理学的モニタリングの大抵のアプリケーションに対して望ましい適用速度に欠けている。従って、或る実施形態では、最小自乗格子型結合プロセス推定手段モデルと呼ばれる、より高速の適応ノイズキャンセル方法を使用する。結合プロセス推定手段60は図8に図示され、プレンティスホール(Prentice-Hall)が著作権を有し、1986年に出版されたシモン・ハイキン(Simon Haykin)著の「Adaptive Filter Theory」の第9章に詳述されている。第9章を含むこの
本全体の内容を援用して本発明の一部とする。
本全体の内容を援用して本発明の一部とする。
結合プロセス推定手段の機能は、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)から二次信号部分nλa(t)若しくはnλb(t)か又は一次信号部分sλa(t)若しくはsλb(t)のいずれかを除去し、一次信号近似s"λa(t)若しくはs"λb(t)のいずれかを得ることである。故に、結合プロセス推定手段は、一次信号sλa(t)若しくはsλb(t)か又は二次信号nλa(t)若しくはnλb(t)のいずれかの値を推定する。結合プ
ロセス推定手段60への入力は、二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかと、複合測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)である。その出力は、二次信号若しくは一次信号のいずれかを除去された信号Sλa(t)若しくはSλb(t)に対する有効な近似、即ち、sλa(t)、sλb(t)、nλa(t)、nλb(t)に対する有効な近似である。
ロセス推定手段60への入力は、二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかと、複合測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)である。その出力は、二次信号若しくは一次信号のいずれかを除去された信号Sλa(t)若しくはSλb(t)に対する有効な近似、即ち、sλa(t)、sλb(t)、nλa(t)、nλb(t)に対する有効な近似である。
図8の結合プロセス推定手段60は最小自乗格子型予測手段70と回帰フィルタ80と共に使用される。二次基準信号n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかが最小自乗格子型予測手段70に入力され、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)が回帰フィルタ80に入力される。以下の記載における簡便さのために、結合プロセス推定手段60により一次部分sλa(t)若しくは二次部分nλa(t)のいずれかを推定される測定信号はSλa(t)であるとする。しかし、Sλb(t)を回帰フィルタ80に入力して、この信号の一次部分sλb(t)若しくは二次部分nλb(t)を推定することもできる。
結合プロセス推定手段60は、基準n'(t) 若しくはs'(t) と測定信号Sλa(t)
の両方に存在する全ての周波数を除去する。二次信号部分nλa(t)は通常、一次信号
部分sλa(t)の周波数とは関係のない周波数を含む。二次信号部分nλa(t)が一次信号部分sλa(t)と正確に同じスペクトルを含むということはあり得ない。しかしな
がら、sλa(t)及びnλa(t)が同様のスペクトルを含む状況(可能性は低い)では、この方法では正確な結果が得られない。機能的には、結合プロセス推定手段60は、二次信号部分nλa(t)若しくは一次信号部分sλa(t)のいずれかに相関する基準入力信号n'(t) 若しくはs'(t)と入力信号Sλa(t)を比較して、同一である全ての周波数を除去する。従って、結合プロセス推定手段60は動的マルチノッチフィルタとして作用し、患者の動作と共に随伴的に変化する際に二次信号成分nλa(t)における周波数
を除去したり、患者の動脈脈動と共に変化する時には一次信号成分sλa(t)における
周波数を除去したりする。これにより、一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)のいずれかと略同じスペクトル成分を有する信号が得られる。従って、結合プロセス推定手段60の出力s"λa(t)若しくはn"λa(t)は、一次信号sλa(t)若しくは
二次信号nλa(t)のいずれかに対する非常に有効な近似となる。
の両方に存在する全ての周波数を除去する。二次信号部分nλa(t)は通常、一次信号
部分sλa(t)の周波数とは関係のない周波数を含む。二次信号部分nλa(t)が一次信号部分sλa(t)と正確に同じスペクトルを含むということはあり得ない。しかしな
がら、sλa(t)及びnλa(t)が同様のスペクトルを含む状況(可能性は低い)では、この方法では正確な結果が得られない。機能的には、結合プロセス推定手段60は、二次信号部分nλa(t)若しくは一次信号部分sλa(t)のいずれかに相関する基準入力信号n'(t) 若しくはs'(t)と入力信号Sλa(t)を比較して、同一である全ての周波数を除去する。従って、結合プロセス推定手段60は動的マルチノッチフィルタとして作用し、患者の動作と共に随伴的に変化する際に二次信号成分nλa(t)における周波数
を除去したり、患者の動脈脈動と共に変化する時には一次信号成分sλa(t)における
周波数を除去したりする。これにより、一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)のいずれかと略同じスペクトル成分を有する信号が得られる。従って、結合プロセス推定手段60の出力s"λa(t)若しくはn"λa(t)は、一次信号sλa(t)若しくは
二次信号nλa(t)のいずれかに対する非常に有効な近似となる。
結合プロセス推定手段60は、図8で示されるように、ゼロステージで始まりm番目のステージで終了するステージに分けられる。ゼロステージを除いて各ステージは全ての他のステージと同じである。ゼロステージは結合プロセス推定手段60の入力ステージである。第1ステージ〜m番目のステージが、直前のステージ即ち(m−1)番目のステージで生成された信号に作用することにより、有効な一次信号近似s"λa(t)若しくは二次信号近似n"λa(t)がm番目のステージの出力として生成される。
最小自乗格子型予測手段70は、レジスタ90及び92と、加算エレメント100及び102と、遅延エレメント110を含む。レジスタ90及び92は、前方反射係数Γf,m(t)と後方反射係数Γb,m(t)の乗算値を含み、この乗算値は、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) とこれら基準信号n'(t) 若しくはs'(t) から得られた信号とを乗算したものである。最小自乗格子型予測手段の各ステージは、前方予測誤差fm (t)と後方予測誤差bm (t)を出力する。添字のmはステージを示す。
各サンプルセットに対して、即ち測定信号Sλa(t)の1つのサンプルと略同時に導
出される基準信号n'(t) 若しくはs'(t) の1つのサンプルに対して、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) のサンプルが最小自乗格子型予測手段70に入力される。ゼロステージの前方予測誤差f0 とゼロステージの後方予測誤差b0(t) は、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) に等しいようにセットされる。後方予測誤差b0(t) は、最小自乗格子型予測手段70の第1ステージにおいて遅延エレメント110により1サンプル周期だけ遅延
される。故に、基準n'(t) 若しくはs'(t) の直前の値は、第1ステージ遅延エレメント110を含む計算において使用される。ゼロステージの前方予測誤差は、前方反射係数値Γf,1(t)レジスタ90値を乗算された遅延ゼロステージ後方予測誤差b0(t−1) の負の値に加算され、第1ステージの前方予測誤差f1 (t)が生成される。さらに、ゼロステージの前方予測誤差f0(t) は、後方反射係数Γb,1(t)レジスタ92の値を乗算され、ゼロステージの遅延後方予測誤差b0(t−1) に加算されて、第1ステージの後方予測誤差b1(t)が生成される。最小自乗格子型予測手段70のその後の各ステ
ージmでは、以前の前方予測誤差値fm-1(t) と、1サンプル周期分遅延された後方予測誤差値bm-1(t−1) を用いて、現在のステージの前方予測誤差fm(t)及び後方予測
誤差bm(t)の値が生成される。
出される基準信号n'(t) 若しくはs'(t) の1つのサンプルに対して、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) のサンプルが最小自乗格子型予測手段70に入力される。ゼロステージの前方予測誤差f0 とゼロステージの後方予測誤差b0(t) は、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) に等しいようにセットされる。後方予測誤差b0(t) は、最小自乗格子型予測手段70の第1ステージにおいて遅延エレメント110により1サンプル周期だけ遅延
される。故に、基準n'(t) 若しくはs'(t) の直前の値は、第1ステージ遅延エレメント110を含む計算において使用される。ゼロステージの前方予測誤差は、前方反射係数値Γf,1(t)レジスタ90値を乗算された遅延ゼロステージ後方予測誤差b0(t−1) の負の値に加算され、第1ステージの前方予測誤差f1 (t)が生成される。さらに、ゼロステージの前方予測誤差f0(t) は、後方反射係数Γb,1(t)レジスタ92の値を乗算され、ゼロステージの遅延後方予測誤差b0(t−1) に加算されて、第1ステージの後方予測誤差b1(t)が生成される。最小自乗格子型予測手段70のその後の各ステ
ージmでは、以前の前方予測誤差値fm-1(t) と、1サンプル周期分遅延された後方予測誤差値bm-1(t−1) を用いて、現在のステージの前方予測誤差fm(t)及び後方予測
誤差bm(t)の値が生成される。
後方予測誤差bm (t)は回帰フィルタ80の協働ステージmに供給される。ここで回帰係数値κm,λa(t)を含むレジスタ96に入力される。例えば、回帰フィルタ80
のゼロステージでは、ゼロステージ後方予測誤差b0(t) にゼロステージ回帰係数k0 ,λa(t)のレジスタ96の値が乗算されて、加算エレメント106において信号Sλa(t)の測定値から減算され、第1ステージ推定誤差信号e1 ,λa(t)が生成される。
第1ステージ推定誤差信号e1,λa(t)は、一次信号若しくは二次信号のいずれかに
対する最初の近似である。この第1ステージの推定誤差信号e1 ,λaは回帰フィルタ8
0の第1ステージに入力される。第1ステージ回帰係数κ1 ,λa(t)のレジスタ96
の値を乗算された第1ステージ後方予測誤差b1 (t)が第1ステージ誤差信号e1 ,λa(t)から減算され、第2ステージの推定誤差e2 ,λa(t)が生成される。第2ステージの推定誤差信号e2 ,λa(t)は、一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(
t)のいずれかに対する幾分良い第2の近似である。
のゼロステージでは、ゼロステージ後方予測誤差b0(t) にゼロステージ回帰係数k0 ,λa(t)のレジスタ96の値が乗算されて、加算エレメント106において信号Sλa(t)の測定値から減算され、第1ステージ推定誤差信号e1 ,λa(t)が生成される。
第1ステージ推定誤差信号e1,λa(t)は、一次信号若しくは二次信号のいずれかに
対する最初の近似である。この第1ステージの推定誤差信号e1 ,λaは回帰フィルタ8
0の第1ステージに入力される。第1ステージ回帰係数κ1 ,λa(t)のレジスタ96
の値を乗算された第1ステージ後方予測誤差b1 (t)が第1ステージ誤差信号e1 ,λa(t)から減算され、第2ステージの推定誤差e2 ,λa(t)が生成される。第2ステージの推定誤差信号e2 ,λa(t)は、一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(
t)のいずれかに対する幾分良い第2の近似である。
一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)に対する有効な近似em ,λa(t
)が決定されるまで、最小自乗格子型予測手段70及び回帰フィルタ80において各ステージに対して同じ処理が反復される。前方予測誤差fm (t)、後方予測誤差bm (t)、推定誤差信号em ,λa(t)を含む上述の各信号は、各ステージmにおいて前方反射
係数Γf,m(t)、後方反射係数Γb,m(t)、回帰係数κm,λa(t)のレジス
タ90、92及び96の値を算出するのに必要である。前方反射係数Γf,m(t)、後方反射係数Γb,m(t)及び回帰係数κm,λa(t)のレジスタ90、92及び96
の値を算出するには、前方予測誤差fm (t)、後方予測誤差bm (t)、推定誤差信号em ,λa(t)の信号に加えて、図8に示される値に基づく多数の中間変数(図8には
示されていない)が必要である。
)が決定されるまで、最小自乗格子型予測手段70及び回帰フィルタ80において各ステージに対して同じ処理が反復される。前方予測誤差fm (t)、後方予測誤差bm (t)、推定誤差信号em ,λa(t)を含む上述の各信号は、各ステージmにおいて前方反射
係数Γf,m(t)、後方反射係数Γb,m(t)、回帰係数κm,λa(t)のレジス
タ90、92及び96の値を算出するのに必要である。前方反射係数Γf,m(t)、後方反射係数Γb,m(t)及び回帰係数κm,λa(t)のレジスタ90、92及び96
の値を算出するには、前方予測誤差fm (t)、後方予測誤差bm (t)、推定誤差信号em ,λa(t)の信号に加えて、図8に示される値に基づく多数の中間変数(図8には
示されていない)が必要である。
中間変数は、前方予測誤差の二乗の重み付け合計Fm (t)、後方予測誤差の二乗の重み付け合計Βm (t)、スカラーパラメータΔm (t)、変換ファクタγm (t)、及び別のスカラーパラメータρm,λa(t)を含む。前方予測誤差の重み付け合計Fm (t
)は以下のように定義される:
)は以下のように定義される:
上記式中、波長識別子即ちa又はbを有さないλは、波長に関係のない一定の乗算値であり、典型的には1以下、即ちλ≦1である。後方予測誤差Βm (t)の重み付け誤差は、次のように定義される:
上記式中、波長識別子即ちa又はbを有さないλは、波長に関係のない一定の乗算値であり、典型的には1以下、即ちλ≦1である。前掲のハイキン(Haykin)著の文献のセクション9.3に述べられると共に式(59)、(60)で後に定義されるように、これらの重み付け合計中間誤差信号をより簡単に求められるように操作することができる。
結合プロセス推定手段の説明
結合プロセス推定手段60のオペレーションは以下の通りである。結合プロセス推定手段60がオンされると、パラメータΔm−1(t)、前方予測誤差信号の重み付け合計Fm−1(t)、後方予測誤差信号の重み付け合計Βm−1(t)、パラメータρm,λa
(t)、及びゼロステージの推定誤差e0 ,λa(t)を含む中間変数及び信号の初期値
が初期化され、ゼロに初期化されるものもあれば、小さな正の数δに初期化されものもある。
Δm-1(0) =0; (46)
Fm-1(0) =δ; (47)
Βm-1(0) =δ; (48)
ρm,λa(0)=0 (49)
e0 ,λa(t)=Sλa(t) t≧0の場合 (50)
図8で示されるように、初期化の後、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)の同時のサンプルと二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかとが結合プロセス推定手段60に入力される。ゼロステージに対して、前方予測誤差信号f0(t) 及び後方予測誤差信号b0(t) と、前方誤差信号の重み付け合計F0(t) 及び後方誤差信号の重み付け合計Β0(t) を含む中間変数と変換ファクタγ0(t) とが、以下により計算される:
f0 (t)=b0 (t)=n'(t) (51a)
F0 (t)=Β0 (t)=λF0 (t−1)+|n'(t) |2 (52a)
γ0 (t−1)=1 (53a)
二次基準n'(t) が使用される場合には、以下のようになる:
f0 (t)=b0 (t)=s'(t) (51b)
F0 (t)=Β0 (t)=λF0 (t−1)+|s'(t) |2 (52b)
γ0 (t−1)=1 (53b)
一次基準s'(t) が使用される場合にも、波長識別子a又はbのないλは波長に関係のない一定の乗算値である。
結合プロセス推定手段の説明
結合プロセス推定手段60のオペレーションは以下の通りである。結合プロセス推定手段60がオンされると、パラメータΔm−1(t)、前方予測誤差信号の重み付け合計Fm−1(t)、後方予測誤差信号の重み付け合計Βm−1(t)、パラメータρm,λa
(t)、及びゼロステージの推定誤差e0 ,λa(t)を含む中間変数及び信号の初期値
が初期化され、ゼロに初期化されるものもあれば、小さな正の数δに初期化されものもある。
Δm-1(0) =0; (46)
Fm-1(0) =δ; (47)
Βm-1(0) =δ; (48)
ρm,λa(0)=0 (49)
e0 ,λa(t)=Sλa(t) t≧0の場合 (50)
図8で示されるように、初期化の後、測定信号Sλa(t)若しくはSλb(t)の同時のサンプルと二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかとが結合プロセス推定手段60に入力される。ゼロステージに対して、前方予測誤差信号f0(t) 及び後方予測誤差信号b0(t) と、前方誤差信号の重み付け合計F0(t) 及び後方誤差信号の重み付け合計Β0(t) を含む中間変数と変換ファクタγ0(t) とが、以下により計算される:
f0 (t)=b0 (t)=n'(t) (51a)
F0 (t)=Β0 (t)=λF0 (t−1)+|n'(t) |2 (52a)
γ0 (t−1)=1 (53a)
二次基準n'(t) が使用される場合には、以下のようになる:
f0 (t)=b0 (t)=s'(t) (51b)
F0 (t)=Β0 (t)=λF0 (t−1)+|s'(t) |2 (52b)
γ0 (t−1)=1 (53b)
一次基準s'(t) が使用される場合にも、波長識別子a又はbのないλは波長に関係のない一定の乗算値である。
各ステージにおける前方反射係数Γf,m(t)、後方反射係数Γb,m(t)、及び回帰係数κm,λa(t)のレジスタ90、92及び96の値はその後、前ステージの出力に従ってセットされる。第1ステージにおける前方反射係数Γf,1(t)、後方反射係数Γb,1(t)、及び回帰係数κ1 ,λa(t)のレジスタ90、92及び96の値は、結合プロセス推定手段60のゼロステージにおける値を用いてアルゴリズムに従ってセットされる。m≧1の各ステージにおいて、パラメータΔm-1(t) 、前方反射係数Γf,m(t)のレ
ジスタ90の値、後方反射係数Γb,m(t)のレジスタ92の値、前方誤差信号fm (t
)及びbm (t)、ハイキンの文献のセクション9.3で扱われた前方予測誤差の二乗の重み付け合計Fm,t(t)、ハイキンの文献のセクション9.3で扱われた後方予測誤差
の二乗の重み付け合計Βb,m(t)、変換ファクタγm(t)、パラメータρm,λa(t)
、回帰係数κm,λa(t)のレジスタ96の値、及び推定誤差em+1,λa(t);の値を含む中間値及びレジスタ値が以下に従ってセットされる。
Δm-1(t) =λΔm-1(t−1) +{bm-1(t−1)f* m-1(t) /γm-1(t) } (54)
Γf,m(t)=−{Δm-1(t) /Βm-1(t−1)} (55)
Γb,m(t)=−{Δ* m-1(t) /Fm-1(t)}
(56)
fm (t)=fm-1(t) +Γf,m(t)bm-1(t−1)
(57)
bm (t)=bm-1(t−1) +Γb,m(t)fm-1(t)
(58)
Fm (t)=Fm-1(t) −{|Δm-1(t) |2 /Βm-1(t−1) }
(59)
Βm (t)=Βm-1(t−1) −{|Δm-1(t) |2 /Fm-1(t) }
(60)
γm (t−1)=γm-1(t−1) −{|bm-1(t−1) |2 /Βm-1(t−1) }
(61)
ρm,λa(t)=λρm,λa(t−1)+{bm (t)ε* m,λa(t)/γm (t)}
(62)
κm,λa(t)={ρm,λa(t)/Βm (t)}
(63)
εm+1,λa(t)=εm,λa(t)−κ* m (t)bm (t)
(64)
ここで、(* )は複素共役を示す。
ジスタ90の値、後方反射係数Γb,m(t)のレジスタ92の値、前方誤差信号fm (t
)及びbm (t)、ハイキンの文献のセクション9.3で扱われた前方予測誤差の二乗の重み付け合計Fm,t(t)、ハイキンの文献のセクション9.3で扱われた後方予測誤差
の二乗の重み付け合計Βb,m(t)、変換ファクタγm(t)、パラメータρm,λa(t)
、回帰係数κm,λa(t)のレジスタ96の値、及び推定誤差em+1,λa(t);の値を含む中間値及びレジスタ値が以下に従ってセットされる。
Δm-1(t) =λΔm-1(t−1) +{bm-1(t−1)f* m-1(t) /γm-1(t) } (54)
Γf,m(t)=−{Δm-1(t) /Βm-1(t−1)} (55)
Γb,m(t)=−{Δ* m-1(t) /Fm-1(t)}
(56)
fm (t)=fm-1(t) +Γf,m(t)bm-1(t−1)
(57)
bm (t)=bm-1(t−1) +Γb,m(t)fm-1(t)
(58)
Fm (t)=Fm-1(t) −{|Δm-1(t) |2 /Βm-1(t−1) }
(59)
Βm (t)=Βm-1(t−1) −{|Δm-1(t) |2 /Fm-1(t) }
(60)
γm (t−1)=γm-1(t−1) −{|bm-1(t−1) |2 /Βm-1(t−1) }
(61)
ρm,λa(t)=λρm,λa(t−1)+{bm (t)ε* m,λa(t)/γm (t)}
(62)
κm,λa(t)={ρm,λa(t)/Βm (t)}
(63)
εm+1,λa(t)=εm,λa(t)−κ* m (t)bm (t)
(64)
ここで、(* )は複素共役を示す。
これらの式により、誤差信号fm (t)、bm (t)、em,λa(t)は二乗又は互
いに乗算され、誤差を二乗することにより、Δm-1(t) 等の新たな中間誤差値が生成される。誤差信号及び中間誤差値は、上記式(54)〜(64)に示されるように、回帰的に共に結合される。それらは次のステージにおいて誤差信号を最小化するように相互作用する。
いに乗算され、誤差を二乗することにより、Δm-1(t) 等の新たな中間誤差値が生成される。誤差信号及び中間誤差値は、上記式(54)〜(64)に示されるように、回帰的に共に結合される。それらは次のステージにおいて誤差信号を最小化するように相互作用する。
一次信号sλa(t)若しくは二次信号nλa(t)のいずれかに対する有効な近似が結合プロセス推定手段60により決定された後、測定信号Sλa(t)のサンプルと二次基
準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかのサンプルを含む次のサンプルセットが結合プロセス推定手段60に入力される。前方反射係数Γf,m(t)及び後方反射係数Γb,m(t)のレジスタ90、92の値と回帰係数κm,λa(t)のレジスタ96の値は、以
前に入力されたSλa(t)のサンプルの一次信号部分sλa(t)若しくは二次信号部分nλa(t)のいずれかを推定するのに必要な乗算値を反映したものであるので、再初期
化プロセスは再び起こらない。故に、前のサンプルからの情報を用いて、各ステージにおける現サンプルセットの一次信号部分若しくは二次信号部分のいずれかが推定される。
準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかのサンプルを含む次のサンプルセットが結合プロセス推定手段60に入力される。前方反射係数Γf,m(t)及び後方反射係数Γb,m(t)のレジスタ90、92の値と回帰係数κm,λa(t)のレジスタ96の値は、以
前に入力されたSλa(t)のサンプルの一次信号部分sλa(t)若しくは二次信号部分nλa(t)のいずれかを推定するのに必要な乗算値を反映したものであるので、再初期
化プロセスは再び起こらない。故に、前のサンプルからの情報を用いて、各ステージにおける現サンプルセットの一次信号部分若しくは二次信号部分のいずれかが推定される。
上述の結合プロセス推定手段のより数値的に安定した好適な実施形態では、正規化結合プロセス推定手段が使用される。結合プロセス推定手段のこのバージョンは、正規化変数が−1と1の間となるように上述の結合プロセス推定手段のいくつかの変数を正規化する。正規化結合プロセス推定手段は、以下の条件に従って定義される変数を再定義することにより、ハイキンの文献の640ページの問題12のように動作を行う。
この変形により、式(54)〜(64)を以下の正規化式に変換することができる。
正規化結合プロセス推定手段の初期化
時間の指標tにおいて入力された基準ノイズをN(t)とし、時間の指標tにおいて入力されたノイズを足した結合信号をU(t)と定義とすると、以下の式が得られる(ハイキンのテキスト619ページ参照):
1. 時間t=0においてアルゴリズムが以下のように初期化される
時間の指標tにおいて入力された基準ノイズをN(t)とし、時間の指標tにおいて入力されたノイズを足した結合信号をU(t)と定義とすると、以下の式が得られる(ハイキンのテキスト619ページ参照):
1. 時間t=0においてアルゴリズムが以下のように初期化される
2. 各時間t≧1において、種々のゼロ次の変数を以下のように生成する。
3. 回帰フィルタリングに対して、時間指標t=0において以下のようにセットすることによりアルゴリズムを初期化する。
4. 各時間t≧1において、ゼロ次の変数を生成する
従って、正規化結合プロセス推定手段は、より安定したシステムに対して使用されることができる。
別の実施形態では、相関キャンセルは、図8aで図示されると共にプレンティス−ホール(Prentice-Hall )が著作権を有する1986年に出版されたシモン・ハイキン(Simon Haykin)著の「Adaptive Filter Theory」の第18章に詳述されるQRDアルゴリズムを用いて実行される。
ハイキンの文献から適用する以下の式は、図8aのQRD−LSL図に対応する(この図もハイキンの文献から適用する)。
計算
a. 予測:時間t=1,2,... 、及び予測次数m=1,2,... M(Mは最終の予測次数である)に対して以下を計算する:
計算
a. 予測:時間t=1,2,... 、及び予測次数m=1,2,... M(Mは最終の予測次数である)に対して以下を計算する:
結合プロセス推定のフローチャート
相関キャンセラに入力される基準n'(t) 若しくはs'(t) を決定するために本発明の基準プロセッサを備える生理学的モニタ等の信号プロセッサでは、結合プロセス推定手段
60のタイプの適応ノイズキャンセラは、反復ループを有するソフトウェアプログラムを介して実行されるのが一般的である。ループの1反復は、図8で示される結合プロセス推定手段の単一ステージに類似する。故に、ループがm回反復されると、結合プロセス推定手段60のmステージに等しくなる。
相関キャンセラに入力される基準n'(t) 若しくはs'(t) を決定するために本発明の基準プロセッサを備える生理学的モニタ等の信号プロセッサでは、結合プロセス推定手段
60のタイプの適応ノイズキャンセラは、反復ループを有するソフトウェアプログラムを介して実行されるのが一般的である。ループの1反復は、図8で示される結合プロセス推定手段の単一ステージに類似する。故に、ループがm回反復されると、結合プロセス推定手段60のmステージに等しくなる。
測定信号Sλa(t)の一次信号部分sλa(t)若しくは二次信号部分nλa(t)を
推定するサブルーチンのフローチャートを図9で示す。このフローチャートは、二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかを決定する基準プロセッサの機能を示している。結合プロセス推定手段のフローチャートは、ソフトウェアで実行される。
推定するサブルーチンのフローチャートを図9で示す。このフローチャートは、二次基準n'(t) 若しくは一次基準s'(t) のいずれかを決定する基準プロセッサの機能を示している。結合プロセス推定手段のフローチャートは、ソフトウェアで実行される。
生理学的モニタがオンされると、ブロック120で「ノイズキャンセラの初期化」と示されるように、一回目の初期化が実行される。初期化により全てのレジスタ90、92及び96と遅延エレメント変数110が、式(46)〜(50)で上述された値にセットされる。
次いで、複合測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の同時サンプルのセットが、図9のフローチャートで示されるサブルーチンに入力される。次いで、遅延エレメントプログラム変数の各々の時間の更新が起こり、それはブロック130で「[Z-1]エレメントの時間の更新」動作により示される通りである。遅延エレメント変数110の各々に格納される値は、遅延エレメント変数110の入力における値にセットされる。故に、ゼロステージの後方予測誤差b0(t) は第1ステージの遅延エレメント変数として格納され、第1ステージ後方予測誤差b1(t) は第2ステージの遅延エレメント変数として格納される、というように格納が行われる。
次いで、測定信号サンプルSλa(t)及びSλb(t)のセットを用いて、比率計測的若しくは上述の一定飽和度方法を用いて基準信号が得られる。これは、ブロック140の「2つの測定信号サンプルに対する基準[n'(t) 若しくはs'(t) ]の計算」動作により示される。
ブロック150の「ゼロステージ更新」動作で示されるように、次にゼロステージの更新が実行される。ゼロステージ後方予測誤差b0(t) 及びゼロステージ前方予測誤差f0(t) が、基準信号n'(t) 若しくはs'(t) の値に等しくなるようにセットされる。さらに、前方予測誤差の重み付け合計Fm (t)と後方予測誤差の重み付け誤差Βm (t)が、式(47)及び(48)で定義される値に等しくなるようにセットされる。
次いで、ブロック160の「m=0」動作で示されるようにループカウンタmが初期化される。図9のフローチャートに対応するサブルーチンにより使用される全ステージ数を規定するmの最大値も定義される。典型的には、一次信号若しくは二次信号のいずれかに対する最良の近似に収束するための規準を結合プロセス推定手段60が一旦満たすと反復を停止するようにループが構成される。さらに、ループが反復を停止するループ反復の最大数が選択され得る。本発明の生理学的モニタの好適な実施形態では、反復の最大数はm=6からm=10と選択されるのが有利である。
ループ内では、図9のブロック170の「LSL格子型のm番目のセルの次数の更新」動作により示されるように、前方反射係数Γf,m(t)及び後方反射係数Γb,m(t)
のレジスタ90及び92の値がまず計算される。これには、現ステージ、次のステージ、及び回帰フィルタ80におけるレジスタ90、92及び96の値を決定することに使用される中間変数及び信号値の計算が必要である。
のレジスタ90及び92の値がまず計算される。これには、現ステージ、次のステージ、及び回帰フィルタ80におけるレジスタ90、92及び96の値を決定することに使用される中間変数及び信号値の計算が必要である。
ブロック180の「回帰フィルタ(単数又は複数)のm番目の次数の更新」により示されるように、次に回帰フィルタレジスタ96の値κm,λa(t)が計算される。mがそ
の所定の最大値(この好適実施形態ではm=6若しくはm=10)に達するまで、又はブロック190の「実行」決定からのYES経路により示されるように値が収束するまで、ブロック170及び180の2つの次数更新動作が連続m回実行される。コンピュータのサブルーチンでは、前方予測誤差の重み付け合計Fm (t)と後方予測誤差の重み付け合計Βm (t)が或る小さな正の数未満であるかどうかをチェックすることにより、収束が決定される。ブロック200の「出力の計算」により示されるように、次に出力が計算される。図9のフローチャートに対応する基準プロセッサ26と結合プロセス推定手段60のサブルーチンにより決定されるように、この出力は一次信号若しくは二次信号のいずれかに対する有効な近似である。ブロック210の「ディスプレイ」に示されるように、この出力はディスプレイされる(若しくは別のサブルーチンの計算に使用される)。
の所定の最大値(この好適実施形態ではm=6若しくはm=10)に達するまで、又はブロック190の「実行」決定からのYES経路により示されるように値が収束するまで、ブロック170及び180の2つの次数更新動作が連続m回実行される。コンピュータのサブルーチンでは、前方予測誤差の重み付け合計Fm (t)と後方予測誤差の重み付け合計Βm (t)が或る小さな正の数未満であるかどうかをチェックすることにより、収束が決定される。ブロック200の「出力の計算」により示されるように、次に出力が計算される。図9のフローチャートに対応する基準プロセッサ26と結合プロセス推定手段60のサブルーチンにより決定されるように、この出力は一次信号若しくは二次信号のいずれかに対する有効な近似である。ブロック210の「ディスプレイ」に示されるように、この出力はディスプレイされる(若しくは別のサブルーチンの計算に使用される)。
2つの測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の新たなサンプルセットが、図9のフローチャートに対応するプロセッサ及び結合プロセス推定手段60の適応ノイズキャンセラのサブルーチンに入力され、これらのサンプルに対して処理が反復される。しかしながら、初期化プロセスは再び行われないことに注目されたい。測定信号サンプルSλa(t)及
びSλb(t)の新たなセットは、基準プロセッサ26及び結合プロセス推定手段適応ノ
イズキャンセラサブルーチンに連続して入力される。出力は連続波を示すサンプルチェインを形成する。この波形は、波長λaにおける一次信号波形sλa(t)若しくは二次信号波形nλa(t)のいずれかに対する有効な近似である。波形はまた、波長λbにおける一次信号波形sλb(t)及び二次信号波形nλb(t)のいずれかに対する有効な近似でもあり得る。
びSλb(t)の新たなセットは、基準プロセッサ26及び結合プロセス推定手段適応ノ
イズキャンセラサブルーチンに連続して入力される。出力は連続波を示すサンプルチェインを形成する。この波形は、波長λaにおける一次信号波形sλa(t)若しくは二次信号波形nλa(t)のいずれかに対する有効な近似である。波形はまた、波長λbにおける一次信号波形sλb(t)及び二次信号波形nλb(t)のいずれかに対する有効な近似でもあり得る。
図8aのQRDアルゴリズムに対応するフローチャートは、各参照番号にaの付いた図9aで示される。
相関キャンセラの出力からの飽和度の計算
生理学的モニタは、一次信号s"λa(t)若しくはs"λb(t)又は二次信号n"λa(t)若しくはn"λb(t)の近似を用いて、或る成分に1つ以上の成分を含む所定ボリューム中の1つの成分の飽和度のような別の量を計算する。一般に、このような計算には2つの波長における一次信号若しくは二次信号のいずれかに関する情報が必要である。例えば、一定飽和度方法には、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の両信号の一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)の有効な近似が必要である。動脈飽和度は、両信号に対する近似、即ちs"λa(t)及びs"λb(t)から決定される。一定飽和度方法はまた、二次信号部分nλa(t)若しくはnλb(t)の有効な近似を必要とする。静脈飽和度の推定は、これらの信号に対する近似、即ちn"λa(t)及びn"λb(t)から決定され得る。
相関キャンセラの出力からの飽和度の計算
生理学的モニタは、一次信号s"λa(t)若しくはs"λb(t)又は二次信号n"λa(t)若しくはn"λb(t)の近似を用いて、或る成分に1つ以上の成分を含む所定ボリューム中の1つの成分の飽和度のような別の量を計算する。一般に、このような計算には2つの波長における一次信号若しくは二次信号のいずれかに関する情報が必要である。例えば、一定飽和度方法には、測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の両信号の一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)の有効な近似が必要である。動脈飽和度は、両信号に対する近似、即ちs"λa(t)及びs"λb(t)から決定される。一定飽和度方法はまた、二次信号部分nλa(t)若しくはnλb(t)の有効な近似を必要とする。静脈飽和度の推定は、これらの信号に対する近似、即ちn"λa(t)及びn"λb(t)から決定され得る。
図10では2つの回帰フィルタ80a及び80bを有する結合プロセス推定手段60が示される。第2回帰フィルタ80bは、一定飽和度方法により使用される測定信号Sλb
(t)を受信して、基準信号n'(t) 若しくはs'(t)を決定する。第1回帰フィルタ8
0a及び第2回帰フィルタ80bは独立している。後方予測誤差bm (t)は各回帰フィルタ80a及び80bに入力され、第2回帰フィルタ80bに対する入力は第1回帰フィルタ80aをバイパスする。
(t)を受信して、基準信号n'(t) 若しくはs'(t)を決定する。第1回帰フィルタ8
0a及び第2回帰フィルタ80bは独立している。後方予測誤差bm (t)は各回帰フィルタ80a及び80bに入力され、第2回帰フィルタ80bに対する入力は第1回帰フィルタ80aをバイパスする。
第2回帰フィルタ80bは、第1回帰フィルタ80aのものと同様に配置されるレジスタ98及び加算エレメント108を有する。第2回帰フィルタ80bは、式(54)〜(64)により規定されるものと共に付加的な中間変数を介して動作する。即ち、ρm,λb(t)=
λρm,λb(t−1)+{bm (t)e* m,λb(t)/γm (t)}
(65)
及び、ρ0 λb(0)=0 (66)
である。第2回帰フィルタ80bは、第1回帰フィルタの誤差信号値em+1,λa(t)と
同様に定義される誤差信号値を有する。即ち、
em+1,λb(t)=em,λb(t)−κ* m,λb(t)bm (t); (67)
及び、
e0 ,λb(t)=Sλb(t) t≧0の場合 (68)
である。第2回帰フィルタは、第1回帰フィルタの誤差信号値と同様に定義される回帰係数κm,λb(t)レジスタ98値を有する。即ち、
κm,λb(t)={ρm,λb(t)/Βm (t)}
(69)
である。これらの値は式(46)〜(64)で定義される中間変数値、信号値、レジスタ及びレジスタ値と共に使用される。これらの信号は、波長λaに対する同様の信号のすぐ隣に付加
的な信号を置くことにより規定される次数において計算される。
λρm,λb(t−1)+{bm (t)e* m,λb(t)/γm (t)}
(65)
及び、ρ0 λb(0)=0 (66)
である。第2回帰フィルタ80bは、第1回帰フィルタの誤差信号値em+1,λa(t)と
同様に定義される誤差信号値を有する。即ち、
em+1,λb(t)=em,λb(t)−κ* m,λb(t)bm (t); (67)
及び、
e0 ,λb(t)=Sλb(t) t≧0の場合 (68)
である。第2回帰フィルタは、第1回帰フィルタの誤差信号値と同様に定義される回帰係数κm,λb(t)レジスタ98値を有する。即ち、
κm,λb(t)={ρm,λb(t)/Βm (t)}
(69)
である。これらの値は式(46)〜(64)で定義される中間変数値、信号値、レジスタ及びレジスタ値と共に使用される。これらの信号は、波長λaに対する同様の信号のすぐ隣に付加
的な信号を置くことにより規定される次数において計算される。
一定飽和度方法では、Sλb(t)は第2回帰フィルタ80bに入力される。この出力
は、一次信号s"λb(t)若しくは二次信号s"λb(t)に対する有効な近似である。
は、一次信号s"λb(t)若しくは二次信号s"λb(t)に対する有効な近似である。
第2回帰フィルタ80bを追加しても、図9のフローチャートにより示されるコンピュータプログラムサブルーチンは実質的には変わらない。1つのみの回帰フィルタのm番目のステージの次数の更新の代わりに、回帰フィルタ80a及び80bの両フィルタのm番目のステージの次数の更新が行われる。これは、図9の動作ブロック190の「回帰フィルタ(単数又は複数)のm番目のステージの次数の更新」においてフィルタの複数表示により特徴づけられる。回帰フィルタ80a及び80bは独立して動作するので、図9のフローチャートによりモデル化される基準プロセッサ及び結合プロセス推定手段60適応ノイズキャンセラのサンブルーチンにおいて独立した計算が実行できる。
QRDアルゴリズムを用いると共に2つの回帰フィルタを使用する図10の結合プロセス推定手段の別の図が図10aで示される。このタイプの結合プロセス推定手段は、ハイキンの文献に述べられたQRDアルゴリズムを用いる相関キャンセルに対して用いられる。
飽和度の計算
一次信号部分若しくは二次信号部分に対する有効な近似s"λa(t)及びs"λb(t)若しくはn"λa(t)及びn"λb(t)を結合プロセス推定手段60が一旦決定すると、例えばA5 及びA6 を含むボリュームにおけるA5 の飽和度が種々の公知の方法に従って計算され得る。算術的に、一次信号に対する近似はλa及びλbを用いて次のように記述される:
s"λa(t)≒ε5 ,λac5 x5,6 (t)+ε6 ,λac6 x5,6 (t)
(70)
及び、
s"λb(t)≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t)+ε6 ,λbc6 x5,6 (t)
(71)
式(70)及び(71)は、3つの未知の値、即ちc5 (t)、c6 (t)及びx5,6 (t)を有する2つの式に相当する。A5 及びA6 を含むボリューム中のA5 の飽和度とA3 及びA4 を含むボリューム中のA3 の飽和度が実質的に変化しない、2つの異なってはいるが近い時間t1 及びt2 において、一次信号部分若しくは二次信号部分に対する近似を得ることにより飽和度を決定できる。例えば、一次信号に対しては時間t1 及びt2 において以下のように推定される:
s"λa(t1 )≒ε5 ,λac5 x5,6 (t1 )+ε6 ,λac6 x5,6 (t1 )
(72)
s"λb(t1 )≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t1 )+ε6 ,λbc6 x5,6 (t1 )
(73)
s"λa(t2 )≒ε5 ,λac5 x5,6 (t2 )+ε6 ,λac6 x5,6 (t2 )
(74)
s"λb(t2 )≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t2 )+ε6 ,λbc6 x5,6 (t2 )
(75)
次いで、式(72)〜(75)の信号に関連する異なる信号が決定され得る。即ち:
Δsλa=s"λa(t1 )−s"λa(t2 )≒ε5 ,λac5 Δx+ε6 ,λac6 Δx
(76)
Δsλb=s"λb(t1 )−s"λb(t2 )≒ε5 ,λbc5 Δx+ε,λbc6 Δx
(77)
ここで、Δx=x5,6 (t1 )−x5,6 (t2 )である。時間t=(t1 +t2 )/2における平均飽和度(Saturation)は:
飽和度の計算
一次信号部分若しくは二次信号部分に対する有効な近似s"λa(t)及びs"λb(t)若しくはn"λa(t)及びn"λb(t)を結合プロセス推定手段60が一旦決定すると、例えばA5 及びA6 を含むボリュームにおけるA5 の飽和度が種々の公知の方法に従って計算され得る。算術的に、一次信号に対する近似はλa及びλbを用いて次のように記述される:
s"λa(t)≒ε5 ,λac5 x5,6 (t)+ε6 ,λac6 x5,6 (t)
(70)
及び、
s"λb(t)≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t)+ε6 ,λbc6 x5,6 (t)
(71)
式(70)及び(71)は、3つの未知の値、即ちc5 (t)、c6 (t)及びx5,6 (t)を有する2つの式に相当する。A5 及びA6 を含むボリューム中のA5 の飽和度とA3 及びA4 を含むボリューム中のA3 の飽和度が実質的に変化しない、2つの異なってはいるが近い時間t1 及びt2 において、一次信号部分若しくは二次信号部分に対する近似を得ることにより飽和度を決定できる。例えば、一次信号に対しては時間t1 及びt2 において以下のように推定される:
s"λa(t1 )≒ε5 ,λac5 x5,6 (t1 )+ε6 ,λac6 x5,6 (t1 )
(72)
s"λb(t1 )≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t1 )+ε6 ,λbc6 x5,6 (t1 )
(73)
s"λa(t2 )≒ε5 ,λac5 x5,6 (t2 )+ε6 ,λac6 x5,6 (t2 )
(74)
s"λb(t2 )≒ε5 ,λbc5 x5,6 (t2 )+ε6 ,λbc6 x5,6 (t2 )
(75)
次いで、式(72)〜(75)の信号に関連する異なる信号が決定され得る。即ち:
Δsλa=s"λa(t1 )−s"λa(t2 )≒ε5 ,λac5 Δx+ε6 ,λac6 Δx
(76)
Δsλb=s"λb(t1 )−s"λb(t2 )≒ε5 ,λbc5 Δx+ε,λbc6 Δx
(77)
ここで、Δx=x5,6 (t1 )−x5,6 (t2 )である。時間t=(t1 +t2 )/2における平均飽和度(Saturation)は:
である。Δx項は除算により飽和度計算からなくなったことが理解される。故に、飽和度を計算するには一次成分に関係する厚さを知る必要はない。
脈拍酸素計測
本発明のプロセッサを使用して、動作の引き起こした随伴的な二次信号部分を除去する相関キャンセラに入力される二次基準n'(t) を決定する生理学的モニタの特定の例は、脈拍酸素計測である。本発明のプロセッサを使用して、ディスプレイするために若しくは相関キャンセラへの入力のために使用され得る一次信号基準s'(t) を決定し、患者の動作及び静脈血液酸素飽和度に関する情報を導出する脈拍酸素計測も実行され得る。
脈拍酸素計測
本発明のプロセッサを使用して、動作の引き起こした随伴的な二次信号部分を除去する相関キャンセラに入力される二次基準n'(t) を決定する生理学的モニタの特定の例は、脈拍酸素計測である。本発明のプロセッサを使用して、ディスプレイするために若しくは相関キャンセラへの入力のために使用され得る一次信号基準s'(t) を決定し、患者の動作及び静脈血液酸素飽和度に関する情報を導出する脈拍酸素計測も実行され得る。
典型的に脈拍酸素計測は、例えば耳たぶ、指、ひたい、若しくは胎児の頭皮のような表面近くを血液が流れる媒体を通るようにエネルギーを伝播する。エネルギーが媒体を伝播した又は媒体から反射された後、減衰信号が測定される。脈拍酸素計測は、酸素含有血液の飽和度を推定する。
新しく酸素を含んだ血液は、身体により使用されるために心臓から動脈へと高圧力で送り出される。動脈内の血液量は心拍と共に変化し、この変化は心拍数若しくは脈拍でのエネルギー吸収の変化をもたらす。
酸素がなくなった、又は脱酸素化された血液は、未使用の酸素含有血液と共に静脈により心臓に戻される。静脈内の血液量は呼吸率と共に変化し、呼吸率は典型的には心拍数よりもずっと低速である。故に、静脈の厚さが動作により変化しない場合には、静脈血液はエネルギー吸収に低周波数の変化を生じさせる。静脈の厚さが動作により変化する場合には、エネルギー吸収における低周波数の変化は動作アーチファクトによるエネルギー吸収
の随伴的な変化と結合される。
の随伴的な変化と結合される。
媒体中のエネルギー伝播を用いる吸収測定では、指等の表面近くを血液が流れる身体の一部の片側に2つの発光ダイオード(LED)が配置され、指の反対側には光検出器が配置される。典型的には、脈拍酸素計測においては、一方のLEDが好適には赤色光波長である可視波長を発し、他方のLEDが赤外光波長を発する。しかしながら、他の波長の組み合わせを使用してもよいことを当業者は理解するであろう。指は、皮膚、組織、筋肉、動脈血液及び動脈血液、脂肪等を含み、その各々は、異なる吸収係数、異なる濃度、異なる厚さ、及び光経路長の変化により異なるように光エネルギーを吸収する。患者が動いていなければ、血液の流れを除いて吸収は略一定である。従来のフィルタリング技術を介して一定の減衰が決定され、信号から減じられる。患者が動作すると、バックグラウンド流体(例えば動脈血液とは異なる飽和度を有する静脈血液)の動きにより光経路長が変化すること等の摂動が生じる。従って、測定信号は随伴的となる。随伴的な動作により生じるノイズは典型的に、従来のフィルタリング技術を介しては予め決定されることができない、及び/又は、測定信号から減じられることができない。故に、動脈血液及び静脈血液の酸素飽和度を決定することがより困難となる。
脈拍酸素計測の生理学的モニタの概略図を図11〜図13に示す。図11は、脈拍酸素計299の一般的なハードウェアブロック図を示す。センサ300はLED等の2つの光エミッタ301及び302を有する。赤色波長光を発するLED301と赤外波長光を発する別のLED302が指310に隣接して配置される。減衰された可視光エネルギー及び赤外光エネルギーに対応する電気信号を生成する光検出器320はLED301及び302の反対側に位置される。光検出器320は、前置アナログ信号調整回路330に接続される。
前置アナログ信号調整回路330は、アナログ−ディジタル変換回路332に出力を接続される。アナログ−ディジタル変換回路332は、ディジタル信号処理システム334に出力を接続される。ディジタル信号処理システム334はディスプレイ336に対する出力として所望のパラメータを提供する。例えばディスプレイに対する出力は、血液酸素飽和度、心拍数、及び明瞭なプレチスモグラフ波形である。
信号処理システムはまた、ディジタル−アナログ変換回路338にエミッタ電流制御出力337を提供し、ディジタル−アナログ変換回路338は光エミッタ駆動回路340に対する制御情報を提供する。光エミッタ駆動回路340は、光エミッタ301、302に接続される。ディジタル信号処理システム334はまた、前置アナログ信号調整回路330に対する利得制御出力342を提供する。図11aは、エミッタ駆動回路340とディジタル−アナログ変換回路338の組み合わせの好適な実施形態を示す。図11aで示されるように、駆動回路は第1入力ラッチ321、第2入力ラッチ322、同期化ラッチ323、電圧基準324、ディジタル−アナログ変換回路325、第1スイッチバンク326、第2スイッチバンク327、第1電圧−電流変換器328、第2電圧−電流変換器329と、図11のLEDエミッタ301、302に対応するLEDエミッタ301、302を含む。
図11aで示される好適な駆動回路は、図11の酸素計299におけるノイズのほとんどがLEDエミッタ301、302により生じることを本発明が見出した点で有益である。従って、図11aのエミッタ駆動回路は、エミッタ301、302からのノイズを最小化するように設計される。第1入力ラッチ321及び第2入力ラッチ324は、DSPバスに直接接続される。故に、これらのラッチは、図11aの駆動回路に通じるDSPバス上に存在する帯域幅(ノイズとなる)をかなり最小化する。第1入力ラッチ及び第2入力ラッチの出力は、これらのラッチがDSPバス上のそれらのアドレスを検出した時に変化
するだけである。第1入力ラッチはディジタル−アナログ変換回路325に対するセッティングを受け取る。第2入力ラッチはスイッチバンク326、327に対するスイッチング制御データを受け取る。同期化ラッチは、エミッタ301、302の作動とアナログ−ディジタル変換回路332の作動の同期化を維持する同期化パルスを受け取る。
するだけである。第1入力ラッチはディジタル−アナログ変換回路325に対するセッティングを受け取る。第2入力ラッチはスイッチバンク326、327に対するスイッチング制御データを受け取る。同期化ラッチは、エミッタ301、302の作動とアナログ−ディジタル変換回路332の作動の同期化を維持する同期化パルスを受け取る。
電圧基準はまた、ディジタル−アナログ変換回路325に対する低ノイズDC電圧基準として選択される。さらに、この実施形態では、電圧基準は非常に低いコーナー周波数(この実施形態では例えば1Hz)を有する低域通過出力フィルタを有する。ディジタル−アナログ変換器325はまた、非常に低いコーナー周波数(例えば1Hz)を有する低域通過フィルタをその出力に有する。ディジタル−アナログ変換回路は、エミッタ301、302の各々に対する信号を提供する。
本実施形態では、電圧−電流変換回路328、329の出力は、折返し構成で接続されるエミッタ301、302のうちの1つのみのエミッタが任意の所与の時間に作動するようにスイッチされる。さらに電圧−電流変換回路は、非作動エミッタに対し、それが完全に作動しないようにその入力をスイッチオフさせる。このことで、スイッチング回路及び電圧−電流変換回路からノイズが低減される。本実施形態では、低ノイズ電圧−電流変換回路が選択され(例えばOp 27 Op Amps )、ノイズを低減するために低域通過フィルタを有するようにフィードバックループが構成される。本実施形態では、後述されるように、電圧−電流変換回路328、329の低域通フィルタリング機能は、エミッタに対するスイッチング速度である625Hzよりちょっと高いコーナー周波数を有する。故に図11aの好適な駆動回路は、エミッタ301、302のノイズを最小化する。
一般に、赤色光エミッタ301及び赤外光エミッタ302の各々はエネルギーを発し、このエネルギーは指310により吸収され、光検出器320により受け取られる。光検出器320は、それに当たる光エネルギーの強度に対応する電子信号を提供する。前置アナログ信号調整回路330は強度信号を受信し、以下に述べるようにこれらの信号をフィルタ処理のために調整する。得られた信号はアナログ−ディジタル変換回路332に提供され、ディジタル信号処理システム334によるさらなる処理のためにアナログ信号からディジタル信号へと変換される。ディジタル信号処理システム334は、本文中で「飽和度変換」と呼ばれる変換を提供するために2つの信号を使用する。血液飽和度モニタリング以外のパラメータのモニタリングに対しては、飽和度変換は、所望のパラメータに依存して濃度変換、生体内変換等とした方がよいことを理解されたい。以下の記載から明らかになるように、飽和度変換という用語を用いて、時間変域値から飽和度変域値へとサンプルデータを変換するオペレーションについて述べる。本実施形態では、ディジタル信号処理システム334の出力は、検出信号の明瞭なプレチスモグラフ波形を提供し、酸素飽和度と脈拍数の値をディスプレイ336に提供する。
本発明の異なる実施形態では、1つ以上の出力を提供できることを理解されたい。ディジタル信号処理システム334はまた、エミッタ電流制御出力337におけるエミッタ電流制御信号と共に光エミッタ301、302を駆動するための制御を提供する。この値はディジタル値であり、ディジタル−アナログ変換回路338により変換され、変換回路338はエミッタ電流駆動回路340に制御信号を提供する。エミッタ電流駆動回路340は、赤色光エミッタ301と赤外光エミッタ302に対する適切な電流駆動を提供する。生理学的モニタのオペレーションに関するさらなる詳細について以下に記載する。本実施形態では、光エミッタはエミッタ電流駆動回路340を介して駆動され、625Hzでディジタル変調される光伝送を提供する。本実施形態では、光エミッタ301、302は、検出器により検出されると共に前置アナログ信号調整回路330により調整される許容可能な強度を提供するパワーレベルで駆動される。所与の患者に対してディジタル信号処理システム334によりこのエネルギーレベルが決定されると、赤色光エミッタ及び赤外光
エミッタの電流レベルは一定に維持される。しかしながら、前置アナログ信号調整回路330に入力される電圧に影響を与える部屋の周囲光の変化や他の変化に対しては電流を調整できないことを理解されたい。本発明では、赤色光エミッタ及び赤外光エミッタは以下のように変調される:625Hzの完全な1赤色光サイクルに対しては、赤色光エミッタ301が最初の1/4サイクルの間作動され、残りの3/4サイクルはオフされる;625Hzの完全な1赤外光サイクルに対しては、赤外光エミッタ302が1/4サイクルの間作動され、残りの3/4サイクルはオフされる。一時に信号を1つだけ受信するために、これらエミッタは、その各々が625Hzの1サイクル当り1/4サイクルの間のみ作動され、1/4サイクルを隔てて交互に順にオンオフされる。 指310を通るように血液(又は他のサンプル媒体)が送り出されることにより、光信号が減衰される(振幅を変調される)。減衰された(振幅を変調された)信号は、赤色光及び赤外光に対する625Hzのキャリア周波数で光検出器320により検出される。光検出器を1つだけ使用するので、光検出器320は、赤色光信号及び赤外光信号の両信号を受信して、複合的な時間分割信号を形成する。
エミッタの電流レベルは一定に維持される。しかしながら、前置アナログ信号調整回路330に入力される電圧に影響を与える部屋の周囲光の変化や他の変化に対しては電流を調整できないことを理解されたい。本発明では、赤色光エミッタ及び赤外光エミッタは以下のように変調される:625Hzの完全な1赤色光サイクルに対しては、赤色光エミッタ301が最初の1/4サイクルの間作動され、残りの3/4サイクルはオフされる;625Hzの完全な1赤外光サイクルに対しては、赤外光エミッタ302が1/4サイクルの間作動され、残りの3/4サイクルはオフされる。一時に信号を1つだけ受信するために、これらエミッタは、その各々が625Hzの1サイクル当り1/4サイクルの間のみ作動され、1/4サイクルを隔てて交互に順にオンオフされる。 指310を通るように血液(又は他のサンプル媒体)が送り出されることにより、光信号が減衰される(振幅を変調される)。減衰された(振幅を変調された)信号は、赤色光及び赤外光に対する625Hzのキャリア周波数で光検出器320により検出される。光検出器を1つだけ使用するので、光検出器320は、赤色光信号及び赤外光信号の両信号を受信して、複合的な時間分割信号を形成する。
複合的な時分割信号は、前置アナログ信号調整回路330に提供される。前置アナログ信号調整回路330とアナログ−ディジタル変換回路332に関するさらなる詳細を図12で示す。図12で示すように、前置回路302は、予備増幅器342、高域通過フィルタ344、増幅器346、プログラム可能利得増幅器348、及び低域通過フィルタ350を有する。予備増幅器342は、光検出器320からの複合電流信号を対応する電圧信号に変換し、信号を増幅するトランスインピーダンス増幅器である。本実施形態では、増幅器は処理を簡便にするために信号振幅を増幅する所定の利得を有する。本実施形態では、予備増幅器342の電源電圧は−15VDC及び+15VDCである。理解されるように、減衰信号は、時間次第で赤外光若しくは赤色光を示す成分ばかりでなく周囲光を示す成分も含む。赤色光及び赤外光以外の光がセンサ300近辺に存在すると、この周囲光は光検出器320により検出される。従って、予備増幅器の利得は、標準的で妥当な動作状態の下で信号中の周囲光が予備増幅器を飽和させることのないように選択される。
本実施形態では、予備増幅器342はAnalogDevices社製のAD743JR OpAmp を含む。このトランスインピーダンス増幅器は、所望のシステムに対して幾つかの望ましい特徴、例えば;低等価入力電圧ノイズ、低等価入力電流ノイズ、低入力バイアス電流、高利得帯域幅積、低い全高周波歪、高いコモンモードリジェクション、高い開ループ利得、及び高い電源リジェクション比;を呈する点で特に有益である。
予備増幅器342の出力は、高域通過フィルタ344への入力として接続される。予備増幅器の出力はまた、アナログ−ディジタル変換回路332に第1入力346を提供する。本実施形態では、高域通過フィルタは、約1/2−1Hzのコーナー周波数を有する単極フィルタである。しかしながら或る実施形態では、コーナー周波数は容易に約90Hzに高められる。理解されるように、赤色光信号及び赤外光信号の625Hzキャリア周波数は、90Hzコーナー周波数よりもずっと高い。高域通過フィルタ344は増幅器346に入力されるようにその出力を接続される。本実施形態では、増幅器346はユニット利得増幅器を含む。しかしながら、増幅器346の利得は、単一レジスタのバリエーションにより調整可能である。増幅器346の利得は、予備増幅器342の利得が周囲光の影響を補償するように減少される場合に増大される。
増幅器346の出力は、プログラム可能利得増幅器348への入力を提供する。プログラム可能利得増幅器348はまた、利得制御信号ライン343上でディジタル信号処理システム(DSP )334からのプログラミング入力を受信する。プログラム可能利得増幅器348の利得は、ディジタル形式でプログラム可能である。利得は、患者ごとにテスト媒体が変わるために初期化若しくはセンサ配置を動的に調整される。例えば、異なる指から
の信号は幾らか異なる。従って、処理に適切な信号を得るために、プログラム可能利得増幅器348により動的に調整可能な増幅器が提供される。
の信号は幾らか異なる。従って、処理に適切な信号を得るために、プログラム可能利得増幅器348により動的に調整可能な増幅器が提供される。
プログラム可能利得増幅器はまた、エミッタ駆動電流が一定に保持される別の実施形態においても有益である。この実施形態では、アナログ−ディジタル変換回路332の入力において適切なダイナミックレンジを得るために、エミッタ駆動電流が患者ごとに調整される。しかしながら、エミッタ駆動電流を変更することでエミッタの波長が変化し、これが次に酸素計測の計算の結果に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、エミッタ駆動電流は全ての患者に対して固定するのが有益であろう。本発明の別の実施形態では、アナログ−ディジタル変換回路への入力において適切にダイナミックレンジ内に存在する信号を得るために、プログラム可能利得増幅器をDSPにより調整することができる。このようにエミッタ駆動電流は全ての患者に対して固定され、エミッタ駆動電流の変化による波長シフトを削減できる。
プログラム可能利得増幅器348の出力は、低域通過フィルタ350への入力として接続される。有益なことに、低域通過フィルタ350は本実施形態では10kHzのコーナー周波数を有する単極フィルタである。この低域通過フィルタは、本実施形態では抗エーリアシングを提供する。
低域通過フィルタ350の出力は、アナログ−ディジタル変換回路332への第2入力352を提供する。図12はまた、アナログ−ディジタル変換回路の追加的な欠点を示す。本実施形態では、アナログ−ディジタル変換回路332は、第1アナログ−ディジタル変換回路354と第2アナログ−ディジタル変換回路356を含む。有益なことに、第1アナログ−ディジタル変換回路354は第1入力346からアナログ−ディジタル変換回路332への入力を受け取り、第2アナログ−ディジタル変換回路356はアナログ−ディジタル変換回路332への第2入力352において入力を受信する。
或る有益な実施形態では、第1アナログ−ディジタル変換回路354は診断的なアナログ−ディジタル変換回路である。(ディジタル信号処理システムにより実行される)診断作業は、高域通過フィルタ344への入力を信号が飽和しているかどうかを決定するために予備増幅器342により増幅される検出器の出力を読み取ることである。本実施形態では、高域通過フィルタ344への入力が飽和状態になると、前置アナログ信号調整回路330が「0(ゼロ)」出力を提供する。あるいは、第1アナログ−ディジタル変換回路354は未使用のままである。
第2アナログ−ディジタル変換回路352は、前置信号調整回路330から調整された複合アナログ信号を受信し、その信号をディジタル形態に変換する。本実施形態では、第2アナログ−ディジタル変換回路356は、単一チャネルのデルタ−シグマ変換回路を含む。本実施形態では、CrystalSemiconductor社製のCS5317−KSデルタ−シグマアナログ−ディジタル変換回路を使用する。かかる変換回路は、低コストであると共に低ノイズ特徴を呈する点で有益である。より詳細には、デルタ−シグマ変換回路は、ノイズ変調器及びデシメーションフィルタという2つの主な部分を含む。選択された変換回路は、ノイズシェーピングを提供するために2次のアナログデルタ−シグマ変調器を使用する。ノイズシェーピングとは、フラットレスポンスから、より高い周波数のノイズを増大することでより低い周波数のノイズを減少するレスポンスへとノイズスペクトルを変更することに関していう。次いでデシメーション(decimation)フィルタは、より低周波数で16ビット性能を提供するように、再シェーピングされた高周波数ノイズをカットする。この変換回路は、生成する16ビットデータワードごとに128回データをサンプリングする。このように、変換回路は優良なノイズリジェクション、ダイナミックレンジ及び低周波歪を提供し、これは低い灌流及び電気メス等の重要な測定状況に役
立つ。
立つ。
さらに、単一チャネル変換回路を用いることにより、2つ以上のチャネルを互いに調和させる必要はない。デルタ−シグマ変換回路はまた、ノイズ制御を高めるためにノイズシェーピングを呈する点で有益である。一例のアナログ−ディジタル変換回路は、CrystalSemiconductor社製のCS5317である。本実施形態では、第2アナログ−ディジタル変換回路356は、20kHzのサンプルレートで信号をサンプリングする。第2アナログ−ディジタル変換回路356の出力は、20kHzでデータサンプルをディジタル信号処理システム334(図11)に提供する。
図13ではディジタル信号処理システム334を詳しく示す。本実施形態では、ディジタル信号処理システムはマイクロコントローラ360、ディジタル信号プロセッサ362、プログラムメモリ364、サンプルバッファ366、データメモリ368、読出し専用メモリ370及び通信レジスタ372を含む。本実施形態では、ディジタル信号プロセッサ362は、AnalogDevices社製のAD21020である。本実施形態では、マイクロコントローラ360は、プログラムメモリ中に構築されたモトローラ(Motorola)製68HCO5を含む。本実施形態では、サンプルバッファ366は、アナログディジタル変換回路332からの20kHzサンプルデータを受信し、このデータはデータメモリ368に格納される。本実施形態では、データメモリ368はスタティックランダムアクセスメモリの32,000ワード(本実施形態ではワードは40ビットである)を含む。
マイクロコントローラ360は、従来のJTAGタップラインを介してDSP362に連結される。マイクロコントローラ360は、タップラインを介してプログラムメモリ364にDSP362に対するブートローダを転送し、DSP362をプログラムメモリ364からブートさせる。プログラムメモリ364におけるブートローダは、DSP362に対する動作命令を読出し専用メモリ370からプログラムメモリ364へと転送する。有益なことに、プログラムメモリ364は、DSP362に対する非常に高速のメモリである。
マイクロコントローラ360は、通信レジスタ372を介してエミッタ電流制御及び利得制御信号を提供する。
図14〜図20は、ディジタル信号処理システム334により実行される脈拍酸素計299のオペレーションの機能を示すブロック図である。後述される信号処理機能は、本実施形態ではDSP362により実行され、マイクロコントローラ360がシステム管理を提供する。本実施形態では、オペレーションはソフトウェア/ファームウェア制御される。図14は、ディジタル信号処理システム334に入力される20kHzサンプルデータに実行されるオペレーションの一般的な機能を示すブロック図である。図14で示されるように、復調モジュール400で示される復調がまず実行される。次に、デシメーションモジュール402で示されるデシメーションが、得られたデータに実行される。デシメーションオペレーションから得られたデータにおいて、統計モジュール404で示されるように所定の統計が行われ、飽和度変換モジュール406で示されるように飽和度変換が実行される。統計オペレーションを実行されたデータと飽和度変換オペレーションを実行されたデータは、飽和度計算モジュール408で示される飽和度オペレーションと、脈拍数計算モジュール410で示される脈拍数オペレーションに送信される。
一般に、復調オペレーションは複合信号から赤色光信号及び赤外信号を分離し、625Hzキャリア周波数を除去して、生データポイントを残す。デシメーションオペレーションに生データポイントが625Hzインターバルで提供されると、サンプルが62.5H
zのサンプルへと10分の1に減少される。デシメーションオペレーションはまた、サンプルに幾つかのフィルタリングを提供する。得られたデータには統計オペレーション及び飽和度変換オペレーションが実行され、その信号中の動作アーチファクト及び他のノイズに非常に耐性のある飽和度値が計算される。飽和度値は飽和度計算モジュール408において確認され、脈拍数計算モジュール410を介して脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形が得られる。種々のオペレーションに関するさらなる詳細については、図15〜図21を用いて説明する。
zのサンプルへと10分の1に減少される。デシメーションオペレーションはまた、サンプルに幾つかのフィルタリングを提供する。得られたデータには統計オペレーション及び飽和度変換オペレーションが実行され、その信号中の動作アーチファクト及び他のノイズに非常に耐性のある飽和度値が計算される。飽和度値は飽和度計算モジュール408において確認され、脈拍数計算モジュール410を介して脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形が得られる。種々のオペレーションに関するさらなる詳細については、図15〜図21を用いて説明する。
図15は復調モジュール400のオペレーションを示す。復調信号フォーマットは図15に示される。図15には複合信号の1つの完全な625Hzサイクルが示され、最初の1/4サイクルはアクティブな赤色光と周囲光信号であり、2番目の1/4サイクルは周囲光信号であり、3番目の1/4サイクルはアクティブな赤外光信号と周囲光信号であり、4番目の1/4サイクルは周囲光信号である。図15で示されるように、20kHzのサンプリング周波数の場合、上述の625Hzの単一フルサイクルは、20kHzデータの32のサンプル、即ち、赤色光及び周囲光に関連する8個のサンプルと、周囲光に関連する8個のサンプルと、赤外光及び周囲光に関連する8個のサンプルと、周囲光に関連する最終の8個のサンプルと、を含む。
信号処理システム334は光エミッタ300、302の作動を制御するので、全体のシステムは同期される。データは、デマルチプレクス(dMUX)モジュール421で示される時分割デマルチプレクスオペレーションを使用して、4つの8サンプルパケットに同時に分割される(そしてそれにより復調される)。1つの8サンプルパケット422は赤色光信号と周囲光信号を示し;第2の8サンプルパケット424は周囲光信号を示し;3番目の8サンプルパケット426は減衰された赤外光信号と周囲光信号を示し;4番目の8サンプルパケット428は周囲光信号を示す。選択信号はデマルチプレクスオペレーションを同期的に制御し、デマルチプレクス回路421の入力において時分割マルチプレクス複合信号を4つのサブパートに分割する。
図15の加算オペレーション430、432、434、436において示されるように、次に各パケットからの最後の4サンプルの合計が計算される。本実施形態では、最後の4サンプルを使用するのは、本実施形態のアナログ−ディジタル変換回路356における低域通過フィルタが設定時間を有するからである。故に、各8サンプルパケットから最後の4つのサンプルを収集することにより、以前の信号がクリーンになる。この加算オペレーションはノイズ排除を強化する積算オペレーションを提供する。減算サモジュール438、440で示されるように、次いで各周囲光サンプルの合計が赤色光サンプル及び赤外サンプルの合計から減算される。減算オペレーションは、データ中に存在する周囲光信号をいくらか減衰させる。本実施形態では、減算モジュール438、440のオペレーションにより約20dBの周囲光の減衰が提供される。得られた赤色光及び赤外光の合計値は、4除算モジュール442、444に示されるように、4で除算される。得られた各値は、625Hzの赤色光信号及び赤外光信号の各1つのサンプルを提供する。
625Hzのキャリア周波数が復調オペレーション400により取り除かれたことを理解されたい。復調オペレーション400の出力における625Hzのサンプルデータは、キャリア周波数のないサンプルデータである。ナイキストサンプリング要求を満足するために、(人間の脈拍は毎分約25〜250ビート、若しくは約0.4Hz〜4Hzであることを理解した上で)20Hz未満が必要である。従って、デシメーションオペレーションにおいて625Hzの分解能が62.5Hzに減じられる。
図16は、デシメーションモジュール402のオペレーションを示す。赤色光信号及び赤外光信号のサンプルデータが、それぞれ赤色光信号及び赤外光信号バッファ/フィルタ
450、452に625Hzで提供される。本実施形態では、赤色光信号及び赤外光信号バッファ/フィルタは519個のサンプル深さである。有利なことに、バッファフィルタ450、452は連続的な先入れ先出しバッファとして機能する。519個のサンプルには低域通過フィルタリングが実行される。好ましくは、低域通過フィルタリングは約−110dBの減衰と共に約7.5Hzのカットオフ周波数を有する。バッファ/フィルタ450、452は519タップに対する係数を有する有限インパルスレスポンス(FIR)を形成する。サンプル周波数を1/10にするには、赤色光信号デシメーションモジュール454及び赤外光信号デシメーションモジュール456に示されるように、低域通過フィルタの計算が10個のサンプル毎に実行される。換言すれば、各10個の新たなサンプルがバッファ/フィルタ450、452に移送されると、インパルスレスポンス(係数)に519フィルタタップを乗算することにより、低域通過フィルタ計算が実行される。各フィルタ計算により、赤色光出力バッファ458及び赤外光出力バッファ460の出力サンプルが提供される。本実施形態では、赤色光出力バッファ458及び赤外光出力バッファ460はまた、570のデータサンプルを保持する連続するFIFOバッファでもある。570のサンプルは、赤外光サンプル及び赤色光サンプル若しくはサンプルパケット(本文中では「スナップショット」ともいう)を提供する。図14で示されるように、出力バッファは、統計オペレーションモジュール404、飽和度変換モジュール406、及び脈拍数計算モジュール410に対するサンプルデータを提供する。
450、452に625Hzで提供される。本実施形態では、赤色光信号及び赤外光信号バッファ/フィルタは519個のサンプル深さである。有利なことに、バッファフィルタ450、452は連続的な先入れ先出しバッファとして機能する。519個のサンプルには低域通過フィルタリングが実行される。好ましくは、低域通過フィルタリングは約−110dBの減衰と共に約7.5Hzのカットオフ周波数を有する。バッファ/フィルタ450、452は519タップに対する係数を有する有限インパルスレスポンス(FIR)を形成する。サンプル周波数を1/10にするには、赤色光信号デシメーションモジュール454及び赤外光信号デシメーションモジュール456に示されるように、低域通過フィルタの計算が10個のサンプル毎に実行される。換言すれば、各10個の新たなサンプルがバッファ/フィルタ450、452に移送されると、インパルスレスポンス(係数)に519フィルタタップを乗算することにより、低域通過フィルタ計算が実行される。各フィルタ計算により、赤色光出力バッファ458及び赤外光出力バッファ460の出力サンプルが提供される。本実施形態では、赤色光出力バッファ458及び赤外光出力バッファ460はまた、570のデータサンプルを保持する連続するFIFOバッファでもある。570のサンプルは、赤外光サンプル及び赤色光サンプル若しくはサンプルパケット(本文中では「スナップショット」ともいう)を提供する。図14で示されるように、出力バッファは、統計オペレーションモジュール404、飽和度変換モジュール406、及び脈拍数計算モジュール410に対するサンプルデータを提供する。
図17は、統計モジュール404の機能オペレーションをさらに詳細に示している。要約すると、統計モジュール404は、赤色光チャネル及び赤外光チャネルに対する1次の酸素計測計算及びRMS信号値を提供する。統計モジュールはまた、赤色光信号と赤外光信号の間の相互相関を示す相互相関出力を提供する。 図17で示されるように、統計オペレーションは、キャリア周波数を除去された減衰赤外光信号及び赤色光信号を示す2つのサンプルパケット(本実施形態では例えば62.5Hzの570のサンプル)を受信する。赤外光信号及び赤色光信号の各パケットは、ログモジュール480、482で示されるように、ログ機能を用いて正規化される。正規化の後には、DC除去モジュール484、486で示されるように、信号のDC部分が除去される。本実施形態では、DC除去は、赤色光スナップショット及び赤外光スナップショットの各々からサンプルの最初の1つのDC値を確認し、それぞれのパケットにおける全てのサンプルからこのDC値を除去することを含む。
DC信号が除去されると、赤色光帯域通過フィルタモジュール488及び赤外光帯域通過フィルタモジュール490で示されるように、信号に帯域通過フィルタリングが実行される。本実施形態では、各パケットに570のサンプルがある場合には、帯域通過フィルタは、リニアフェーズレスポンスを有し、歪をほとんど若しくは全く有さないFIRフィルタを提供する301のタップを有するように構成される。本実施形態では、帯域通過フィルタは34ビート/分〜250ビート/分の通過帯域を有する。フィルタ処理された赤色光信号を示す270のフィルタ処理サンプルとフィルタ処理された赤外光信号を示す270のフィルタ処理サンプルを得るために、301のタップは570のサンプル上をスライドする。理想的なケースでは、帯域通過フィルタ488、490が信号中のDCを除去する。しかしながら、DC除去オペレーション484、486は、本実施形態においてDC除去を補佐する。
フィルタ処理の後、最後の120のサンプルを選択するモジュール492、494で示されるように、(本実施形態では270のサンプルの)各パケットから最後の120のサンプルが、さらなる処理のために選択される。以下に述べられるように、本実施形態では、同一のデータパケットを処理する飽和度移送モジュール406に対する設定時間内に最初の150のサンプルが入るので、最後の120のサンプルが選択されることになる。
赤色光信号及び赤外光信号の120サンプルパケットに従来の飽和度式計算が実行される。本実施形態では、従来の飽和度計算は2つの異なる方法で実行される。1つの計算は、第1赤色光信号RMSモジュール496及び赤外光信号RMSモジュール498で示されるように、120サンプルパケットがRMS値全体を得るように処理される。赤色光信号及び赤外光信号の得られたRMS値は、第1のRED_RMS/IR_RMS比オペレーション500に対する入力値を提供し、オペレーション500は飽和度式モジュール502への入力としてRMS赤色光信号値とRMS赤外光信号値の比を提供する。当業者には理解されるように、既知の赤色光波長及び赤外光波長(典型的にはλred =650nm及びλIR=910nm)に対して検出される赤色光対赤外光の強度の比は、患者の酸素飽和度に関連する。従って、飽和度式モジュール502は、その出力504において所定比に対する既知の飽和度値を提供する従来のルックアップテーブル等を示す。赤色光RMS値及び赤外光RMS値はまた、飽和度オペレーションモジュール404の出力としても提供される。
従来の飽和度オペレーション502に加え、第1相互相関モジュール506に示されるように120サンプルパケットには相互相関オペレーションが実行される。第1相互相関モジュール506は、赤外光信号と赤色光信号との間に良好な相関が存在するかどうかを決定する。この相互相関は、欠陥のある又は機能不全の検出器を検出することに有益である。相互相関はまた、信号モデル(即ち式(1) 〜(3) のモデル)が満たされる時の検出にも有益である。2つのチャネル同士の間の相関が低すぎると、信号モデルは満たされない。これを決定するために、正規化された相互相関は、各データスナップショットに対して相互相関モジュール506により計算されることができる。
相互相関が低すぎる場合には、酸素計299はオペレータに警告(例えば聞こえるように、見えるように、等)を発する。本実施形態では、選択されたスナップショットが0.75未満の正規化相関を得る場合に、そのスナップショットを適格化しない。信号モデルを満たす信号は、しきい値よりも大きい相関を有する。
赤色光及び赤外光の120サンプルパケットはまた、120のサンプルが5つの等しいサンプルビンに分割されることを除いて、上述と同じ方法で第2飽和度オペレーション及び相互相関オペレーションを実行される。RMS、比、飽和度、及び相互相関オペレーションがビン毎に実行される。これらのオペレーションは、図17における5分割等価ビンモジュール510、512、第2赤色光及び赤外光RMSモジュール514、516、第2RED−RMS/IR−RMS比モジュール518、第2飽和度式モジュール520、及び第2相互相関モジュール522に示される。
図18は、図14で示される飽和度変換モジュール406に関するさらなる詳細を示す
。図18に示されるように、飽和度変換モジュール406は、基準プロセッサ530、相関キャンセラ531、マスタパワー曲線モジュール554、及びビンパワー曲線モジュール533を含む。飽和度変換モジュール406は、基準プロセッサ26、相関キャンセラ27、及び積算手段29を有する図7aに相関して、図7cで示される別個の信号係数に対して1つのパワー曲線を提供することができる。飽和度変換モジュール406は、データのスナップショットから飽和度スペクトルを得る。換言すれば、飽和度変換406は、スナップショットに存在する飽和度値の情報を提供する。
。図18に示されるように、飽和度変換モジュール406は、基準プロセッサ530、相関キャンセラ531、マスタパワー曲線モジュール554、及びビンパワー曲線モジュール533を含む。飽和度変換モジュール406は、基準プロセッサ26、相関キャンセラ27、及び積算手段29を有する図7aに相関して、図7cで示される別個の信号係数に対して1つのパワー曲線を提供することができる。飽和度変換モジュール406は、データのスナップショットから飽和度スペクトルを得る。換言すれば、飽和度変換406は、スナップショットに存在する飽和度値の情報を提供する。
図18で示されるように、飽和度変換モジュール406の基準プロセッサ530は、基準生成モジュール534、DC除去モジュール536、及び帯域通過フィルタモジュール538を有する。デシメーションオペレーションからの赤色光及び赤外光の570サンプルパケットは、基準プロセッサ530に提供される。さらに、複数の可能な飽和度値(「飽和度軸走査」)が飽和度基準プロセッサ530への入力として提供される。本実施形態では、117の飽和度値が飽和度軸走査として提供される。好適な実施形態では、117の飽和度値の範囲は34.8〜105.0の血液酸素飽和度に均一に及ぶ。従って本実施形態では、117の飽和度値は相関キャンセラ531により使用される基準信号を生成する基準プロセッサ530に対する軸走査を提供する。換言すれば、基準プロセッサは、各飽和度値を提供され、その結果基準信号が飽和度値に対応するように生成される。相関キャンセラは、本実施形態では結合プロセス推定手段550及び低域通過フィルタ552により形成される。
走査値は、117の走査値よりも高い若しくは低い分解能を提供するように選択されることができる。走査値は、不均一に離間されてもよい。
図18に示されるように、飽和度式モジュール532は、入力として飽和度軸走査値を受信し、出力として比rn を提供する。図7a〜図7cの総括的な説明に比較すると、この比rn は上に概説した複数の走査値に対応する。飽和度式は、入力として受信された飽和度値に対応する既知の比r(赤色光/赤外光)を提供する。
比rn は、赤色光及び赤外光のサンプルパケットのように、基準生成回路534への入力として提供される。基準生成回路534は、赤色光若しくは赤外光のサンプルのいずれかに比rn を乗算し、その値をそれぞれ赤外光若しくは赤色光のサンプルから減算する。例えば、本実施形態では、基準生成回路534は、赤色光サンプルに比rn を乗算して、この値を赤外光サンプルから減算する。得られた値は、基準生成回路534の出力となる。このオペレーションは、飽和度走査値の各々(例えば、本実施形態では117個の値が可能)に対して計算される。従って、得られたデータは570のデータポイントの各々の117の基準信号ベクトルとして述べることができ、以後これを基準信号ベクトルと呼ぶことにする。このデータをアレイ等に格納することもできる。
換言すれば、赤色光サンプルパケットと赤外光サンプルパケットが、一次信号部分s'(t) 及び二次信号部分n'(t) を有する赤色光測定信号Sred (t)及び赤外光測定信号SIR(t)を示すと仮定すると、基準生成回路の出力は、上述した信号モデルに従う二次基準信号n'(t) となり、以下のように表される:
n'(t) =Sir(t)−rn Sred (t)
本実施形態では、基準信号ベクトル及び赤外光信号は、基準プロセッサ530のDC除去モジュール536への入力として提供される。統計モジュール404におけるDC除去モジュール484、486のようなDC除去モジュール536は、それぞれの入力に対する最初のサンプルのDC値(又はパケット中の最初のいくつかの若しくは全てのサンプル
の平均)を確認する。得られたサンプル値は、帯域幅通過フィルタ538に与えられる。
n'(t) =Sir(t)−rn Sred (t)
本実施形態では、基準信号ベクトル及び赤外光信号は、基準プロセッサ530のDC除去モジュール536への入力として提供される。統計モジュール404におけるDC除去モジュール484、486のようなDC除去モジュール536は、それぞれの入力に対する最初のサンプルのDC値(又はパケット中の最初のいくつかの若しくは全てのサンプル
の平均)を確認する。得られたサンプル値は、帯域幅通過フィルタ538に与えられる。
基準プロセッサ530の帯域幅通過フィルタ538は、統計モジュール404の帯域幅通過フィルタ488、490と同じタイプのフィルタリングを実行する。従って、帯域幅通過フィルタ処理を実行された570のサンプルは結果的に、残り270のサンプルとなる。帯域幅通過フィルタ538の第1出力542おいて得られたデータは、270のサンプルからなる1つのベクトルである(本実施形態ではフィルタ処理された赤外光信号を表す)。故に、帯域幅通過フィルタ538の第2出力540において得られたデータは、各々が270のデータポイントからなる117の基準信号ベクトルであり、それは飽和度基準プロセッサ530に提供された飽和度軸走査値の各々に対応する。
赤色光サンプル及び赤外光サンプルパケットは、基準プロセッサ530において使用される際にスイッチングされ得る。さらに、DC除去モジュール536及び帯域幅通過フィルタモジュール538は、基準プロセッサ530にデータが入力される前に実行されることができる。なぜなら、基準プロセッサにおいて実行される計算は線形的であるからである。これにより、処理のかなりの経済性が生じる。
基準プロセッサ530の出力は、図8を参照して上述したタイプの結合プロセス推定手段550に対する第1及び第2の入力を提供することを理解されたい。結合プロセス推定手段550への第1入力は、本実施形態では赤外光信号を表す270サンプルパケットである。この信号は、一次信号部分及び二次信号部分を含む。結合プロセス推定手段への第2の入力は、各々が270のサンプルの117の基準信号ベクトルである。
結合プロセス推定手段はまた、ラムダ入力543、最小誤差入力544、及びセル構成数入力545を受信する。これらのパラメータは当該技術ではよく理解されている。ラムダパラメータはしばしば、結合プロセス推定手段に対する「忘却パラメータ」と呼ばれる。ラムダ入力543は、結合プロセス推定手段に対するキャンセル率の制御を提供する。本実施形態では、ラムダは0.8等の低い値にセットされる。信号の統計は一定していないので、低い値によりトラッキングが改良される。最小誤差入力544は、結合プロセス推定手段550に対する初期化パラメータ(従来的には「初期化値」として知られている)を提供する。本実施形態では、最小誤差値は10-6である。この初期化パラメータにより、結合プロセス推定手段500が初期計算時に0(ゼロ)で除算されることがなくなる。結合プロセス推定手段550のセル数入力545は、結合プロセス推定手段のセル数を構成する。本実施形態では、飽和度変換オペレーション406に対するセルの数は6である。当該技術では理解されるように、各正弦波に対して、結合プロセス推定手段は2つのセルを必要とする。35〜250ビート/分の範囲に2つの正弦波が存在する場合には、2つの心拍数正弦波と1つのノイズ正弦波に対して6個のセルが存在する。
結合プロセス推定手段550は、相関キャンセラ531への第2入力540に提供される複数の基準信号ベクトル(本実施形態では連続した全ての117の基準ベクトル)の各々に基づいて、相関キャンセラへの第1入力542に第1入力ベクトルを受信する。相関キャンセルにより、117の基準ベクトルの各々に対して1つの出力ベクトルが得られる。各出力ベクトルは、第1入力ベクトルと対応する基準信号ベクトルが共通して有さない情報を示す。得られる出力ベクトルは、結合プロセス推定手段に対する出力として提供され、低域通過フィルタモジュール552に与えられる。本実施形態では、低域通過フィルタ552は、25のタップと、62.5Hzのサンプリング周波数を有する10Hzのコーナー周波数とを有するFIRフィルタを含む。
本実施形態の結合プロセス推定手段550は150のデータポイントの設定時間を有する。故に、各270のポイント出力ベクトルから最後の120のデータポイントがさらな
る処理に使用される。本実施形態では、出力ベクトルは全体としてさらに処理され、等しいデータポイント数の複数のビンに分割される。図18で示されるように、出力ベクトルは、マスタパワー曲線モジュール554と5分割ビンモジュール556に提供される。5分割ビンモジュール556は、各出力ベクトルを等しいデータポイント数の5つのビンに分割する。各ビンは次いで、ビンパワー曲線モジュール558に提供される。
る処理に使用される。本実施形態では、出力ベクトルは全体としてさらに処理され、等しいデータポイント数の複数のビンに分割される。図18で示されるように、出力ベクトルは、マスタパワー曲線モジュール554と5分割ビンモジュール556に提供される。5分割ビンモジュール556は、各出力ベクトルを等しいデータポイント数の5つのビンに分割する。各ビンは次いで、ビンパワー曲線モジュール558に提供される。
マスタパワー曲線モジュール554は、以下のように飽和度変換を実行する:各出力ベクトルに対して、データポイントの二乗の合計が確認される。これは、各出力ベクトル(各出力ベクトルは飽和度走査値の1つに対応する)に対応する二乗値の合計を提供する。これらの値は、図22で示されるようにマスターパワー曲線555に対するベースを提供する。パワー曲線の水平軸は飽和度軸走査値を示し、垂直軸は各出力ベクトルの二乗値の合計(又は出力エネルギー)を示す。換言すれば、図22で示されるように、二乗の各合計は、出力ベクトルを生成した対応する飽和度走査値の水平軸におけるポイントにおいて垂直「エネルギー出力」軸上にプロットされる二乗値の合計の大きさを用いてプロットされることができる。これにより、マスターパワー曲線558が得られ、その一例が図22に示される。これにより、全ての可能な飽和度値を検討し、仮定された飽和度値に対する出力値を調査することにより、減衰エネルギーのスペクトル内容が調査される飽和度変換が提供される。理解されるように、相関キャンセラ531への第1入力及び第2入力がほとんどの部分で相関している場合、相関キャンセラ531の対応する出力ベクトルの二乗の合計は非常に低い。逆に、相関キャンセラ531への第1入力と第2入力があまり相関を示さない場合には、出力ベクトルの二乗の合計は高い。従って、基準信号のスペクトル内容と相関キャンセラの第1入力がほとんど、生理学的ノイズ(呼吸による静脈血液の動き)及び非生理学的ノイズ(例えば動作により発生される)から構成される場合には、出力エネルギーは低いであろう。基準信号のスペクトル内容及び相関キャンセラへの第1入力が相関しない場合には、出力エネルギーはもっと高くなる。
対応する変換は、飽和度変換パワー曲線が各ビンに対して生成されることを除いて、ビンパワー曲線モジュール558により実行される。得られるパワー曲線は、飽和度変換モジュール406の出力として提供される。
一般に、本発明の信号モデルによれば、図22で示されるようにパワー曲線において2つのピークが存在する。1つのピークは、血液の動脈酸素飽和度に対応し、もう1つのピークは血液の静脈酸素濃度に対応する。本発明の信号モデルに関連しては、最高の飽和度値に対応するピーク(最大の大きさを有するピークである必要はない)は、比例係数ra に対応する。換言すれば、比例係数ra は、動脈飽和度に対して測定される赤色光/赤外光比に対応する。同様に、最低の飽和度値に対応するピーク(最低の大きさを有するピークである必要はない)は概して、静脈酸素飽和度に対応し、この静脈酸素飽和度は本発明の信号モデルにおける比例係数rv に対応する。従って、比例係数rv は、静脈酸素飽和度に対応する赤色光/赤外光比である。
動脈酸素飽和度を得るには、最高の飽和度値に対応するパワー曲線のピークを選択することができる。しかしながら、値の信頼性を高めるために、さらなる処理が実行される。図19は、飽和度変換モジュール406と統計モジュール404の出力に基づく飽和度計算モジュール408のオペレーションを示す。図19に示されるように、ビンパワー曲線及びビン統計は、飽和度計算モジュール408に提供される。本実施形態では、マスタ曲線は飽和度モジュール408に提供されずに、システムオペレーションにおける視覚チェックのためにディスプレイされることができる。ビン統計は、赤色光RMS値及び赤外光RMS値、シード(seed)飽和度値と、統計モジュール404からの赤色光信号及び赤外光信号の間の相互相関を示す値とを含む。
飽和度計算モジュール408はまず、ビン属性計算モジュール560により示されるように複数のビン属性を決定する。ビン属性計算モジュール560は、ビンパワー曲線からの情報とビン統計からの情報とからデータビンを収集する。本実施形態では、このオペレーションは、データビン中の最高の飽和度値に対応するように各パワー曲線からのピークの飽和度値を配置することを含む。本実施形態では、平滑化微分フィルタ関数とパワー曲線をたたみこむことによって対象とするパワー曲線の1次導関数をまず計算することにより、最高のピークの選択が実行される。本実施形態では、平滑化微分フィルタ関数(FIRフィルタを用いる)は、以下の係数を有する。
0.014964670230357
0.098284046672706
0.204468276324813
2.717182664241813
5.704485606695227
0.000000000000000
−5.704482606695227
−2.717182664241813
−0.204468276324813
−0.098294046682706
−0.014964670230367
このフィルタは微分及び平滑化を実行する。次いで、対象とするオリジナルのパワー曲線における各ポイントが評価され、次(1) 及び(2) のような条件が満たされた場合に可能なピークとなるように決定される:(1) ポイントがパワー曲線中の最大値の少なくとも2%である;(2) 1次導関数の値が0より大きい数から0以下の数へと変化する。可能なピークであると見出された各ポイントに対して、隣接するポイントが調査され、3つのポイントのうち最大のポイントが真のピークであると考えられる。
0.014964670230357
0.098284046672706
0.204468276324813
2.717182664241813
5.704485606695227
0.000000000000000
−5.704482606695227
−2.717182664241813
−0.204468276324813
−0.098294046682706
−0.014964670230367
このフィルタは微分及び平滑化を実行する。次いで、対象とするオリジナルのパワー曲線における各ポイントが評価され、次(1) 及び(2) のような条件が満たされた場合に可能なピークとなるように決定される:(1) ポイントがパワー曲線中の最大値の少なくとも2%である;(2) 1次導関数の値が0より大きい数から0以下の数へと変化する。可能なピークであると見出された各ポイントに対して、隣接するポイントが調査され、3つのポイントのうち最大のポイントが真のピークであると考えられる。
これらの選択されたピークに対するピーク幅も計算される。対象とするパワー曲線のピーク幅は、パワー曲線における全てのポイントを合計し、パワー曲線における最小値とポイント数の積を減算することにより計算される。本実施形態では、ピーク幅の計算はビンパワー曲線の各々に対して行われる。最大値はピーク幅として選択される。
さらに、全体のスナップショットからの赤外光RMS値、赤色光RMS値、各ビンに対するシード飽和度値、そして統計モジュール404からの赤色光信号と赤外光信号との相互相関もまた、データビン中に配置される。次いで属性が使用され、ビン適格化論理モジュール562に示されるようにデータビンが許容可能なデータからなるかどうかが決定される。
赤色光信号と赤外光信号の間の相関が非常に低い場合には、ビンは放棄される。所与のビンに対して選択されたピークの飽和度値が同一のビンに対するシード飽和度よりも低い場合には、ピークはシード飽和度値と置き換えられる。赤色光RMS値若しくは赤外光RMS値のいずれかが非常に小さいしきい値未満であれば、ビンは全て放棄され、飽和度値は提供されない。なぜなら、測定信号が小さすぎて意味のあるデータを得ることができないと判断されるからである。ビンが許容可能なデータを含まない場合には、例外処理モジュール563がデータが誤りであるというメッセージをディスプレイ336に提供する。
いくつかのビンが適格であれば、許容可能なデータを有するとして適格とされたそれらのビンと適格でないビンは、許容されるビンの平均と置き換えられる。各ビンは、時間シーケンスを維持するためにタイムスタンプを与えられる。ボーターオペレーション565
は、各ビンを調査し、最高の飽和度値を選択する。これらの値は、クリップ及び平滑化オペレーション566に送信される。
は、各ビンを調査し、最高の飽和度値を選択する。これらの値は、クリップ及び平滑化オペレーション566に送信される。
クリップ及び平滑化オペレーション566は基本的に、低域通過フィルタを用いて平均処理を実行する。低域通過フィルタは、平滑化フィルタ選択モジュール568により選択される調整可能な平滑化処理を提供する。平滑化フィルタ選択モジュール568は、高信頼性テストモジュール570により実行される信頼性決定に基づいてそのオペレーションを実行する。高信頼性テストは、ビンパワー曲線に対するピーク幅の調査である。ピーク幅は、患者の動作を示す何らかの表示を提供し、ピーク幅が広ければ動作を示す。従って、ピーク幅が広ければ、平滑化フィルタはスローダウンされる。ピーク幅が狭ければ、平滑化フィルタの速度は増大する。従って、平滑化フィルタ566は、信頼性のレベルに基づいて調整される。クリップ及び平滑化モジュール566の出力は、本発明に従って酸素飽和度値を提供する。
この好適な実施形態では、クリップ及び平滑化フィルタ566は、新しい飽和度値を受け取り、それを現在の飽和度値に比較する。その差の大きさが16(%酸素飽和度)未満であれば、値は合格である。そうではなく、新しい飽和度値がフィルタ処理された飽和度値未満である場合には、新しい飽和度値がフィルタ処理された飽和度値より16だけ低い値に変更される。新しい飽和度値がフィルタ処理された飽和度値より大きければ、新しい飽和度値はフィルタ処理された飽和度値より16だけ大きい値に変更される。
高い信頼性が存在する間(動作がない間)には、平滑化フィルタは、以下のように計算される単極若しくは指数関数的平滑化フィルタである:
y(n)=0.6* x(n)+0.4* y(n−1)
ここで、x(n)はクリップされた新しい飽和度値であり、y(n)はフィルタ処理された飽和度値である。
y(n)=0.6* x(n)+0.4* y(n−1)
ここで、x(n)はクリップされた新しい飽和度値であり、y(n)はフィルタ処理された飽和度値である。
動作状態中には、3極IIR(有限インパルスレスポンス)フィルタが使用される。その特徴は、それぞれ0.985、0.900、及び0.94の値を有する3つの時間定数ta 、tb 、及びtc により制御される。以下の関係を用いて3つの時間定数から直接形態I,IIRフィルタに対する係数が計算される:
a0 =0
a1 =tb +(tc )(ta +tb )
a2 =(−tb )(tc )(ta +tb +(tc )(ta ))
a3 =(tb )2 (tc )2 (ta )
b0 =1−tb −(tc )(ta +(tc )(tb ))
b1 =2(tb )(tc )(ta −1)
b2 =(tb )(tc )(tb +(tc )(ta )−(tb )(tc )(ta )−ta )
図20及び図21は、脈拍数計算モジュール410(図14)をより詳細に示す。図20に示されるように、脈拍数計算モジュール410は、トランジェント除去及び帯域幅フィルタモジュール578、動作アーチファクト抑制モジュール580、飽和度式モジュール582、動作状態モジュール584、第1及び第2スペクトル推定モジュール586、588、スペクトル分析モジュール590、スルーレート制限モジュール592、出力フィルタ594、及び出力フィルタ係数モジュール596を有する。
a0 =0
a1 =tb +(tc )(ta +tb )
a2 =(−tb )(tc )(ta +tb +(tc )(ta ))
a3 =(tb )2 (tc )2 (ta )
b0 =1−tb −(tc )(ta +(tc )(tb ))
b1 =2(tb )(tc )(ta −1)
b2 =(tb )(tc )(tb +(tc )(ta )−(tb )(tc )(ta )−ta )
図20及び図21は、脈拍数計算モジュール410(図14)をより詳細に示す。図20に示されるように、脈拍数計算モジュール410は、トランジェント除去及び帯域幅フィルタモジュール578、動作アーチファクト抑制モジュール580、飽和度式モジュール582、動作状態モジュール584、第1及び第2スペクトル推定モジュール586、588、スペクトル分析モジュール590、スルーレート制限モジュール592、出力フィルタ594、及び出力フィルタ係数モジュール596を有する。
さらに図20に示されるように、脈拍数計算モジュール410はデシメーションモジュール402の出力から赤外光及び赤色光の570のサンプルスナップショットを受け取る。脈拍数計算モジュール410はさらに、飽和度計算モジュール408からの出力である飽和度値を受信する。さらに、信頼性テストモジュール570により計算される(上述のピーク幅計算と同じである)最大ピーク幅もまた、脈拍数計算モジュール410への入力として提供される。赤外光及び赤色光サンプルパケット、飽和度値、及び動作状態モジュール584の出力は、動作アーチファクト抑制モジュール580に提供される。
平均ピーク幅値は、動作状態モジュール584への入力を提供する。本実施形態では、ピーク幅が広ければ、これは動作を示すものとして受け取られる。動作が検出されなければ、信号におけるスペクトル推定は、動作アーチファクト抑制なしに直接実行される。
動作が検出された場合には、動作アーチファクトは動作アーチファクト抑制モジュール580を用いて抑制される。動作アーチファクト抑制モジュール580は飽和度変換モジュール406と略同じである。動作アーチファクト抑制モジュール580は、第2スペクトル推定モジュール588への入力として接続される出力を提供する。第1スペクトル推定モジュール586及び第2スペクトル推定モジュール588は、スペクトル分析モジュール590に入力を提供する出力を有する。スペクトル分析モジュール590はまた、動作状態モジュール584の出力を入力として受け取る。スペクトル分析モジュール590の出力は、脈拍数計算モジュール410の初期心拍率決定であり、スルーレート制限モジュール592への入力を提供される。スルーレート制限モジュール592は、出力フィルタ594に接続される。出力フィルタ594はまた、出力フィルタ係数モジュール596から入力を受信する。出力フィルタ594は、ディスプレイ336(図11)に対してフィルタ処理された脈拍数を提供する。
動作がない場合には、DC除去及び帯域幅フィルタモジュール578で示されるように、信号の1つがDC除去及び帯域幅フィルタ処理される。DC除去及び帯域幅フィルタモジュール578は、DC除去及び帯域幅フィルタモジュール536、538と同じフィルタ処理を提供する。動作のない状態の間は、フィルタ処理された赤外光信号が第1スペクトル推定モジュール586に提供される。 本実施形態では、スペクトル推定は、心拍数情報の周波数スペクトルを提供するチャープ(Chirp)Z変換を含む。所望の出力に対す
る周波数レンジはチャープZ変換で示されることができるため、従来のフーリエ変換ではなくチャープZ変換を使用する。従って本実施形態では、30〜250ビート/分の心拍数の周波数スペクトルが提供される。本実施形態では、周波数スペクトルは、スペクトルからの第1高調波を脈拍数として選択するスペクトル分析モジュール590に提供される。通常、第1高調波は、最大のマグニチュードを有すると共に脈拍数を示す周波数スペクトル中のピークである。しかしながら、或る状況では、第2の高調波若しくは第3の高調波がより大きいマグニチュードを呈することもできる。これを理解すれば、第1高調波を選択するには、スペクトル中の最大ピークの少なくとも1/20の振幅を有する第1ピークが選択される。これによって、ノイズにより生じるチャープZ変換のピークを心拍数として選択する可能性が最小化される。
る周波数レンジはチャープZ変換で示されることができるため、従来のフーリエ変換ではなくチャープZ変換を使用する。従って本実施形態では、30〜250ビート/分の心拍数の周波数スペクトルが提供される。本実施形態では、周波数スペクトルは、スペクトルからの第1高調波を脈拍数として選択するスペクトル分析モジュール590に提供される。通常、第1高調波は、最大のマグニチュードを有すると共に脈拍数を示す周波数スペクトル中のピークである。しかしながら、或る状況では、第2の高調波若しくは第3の高調波がより大きいマグニチュードを呈することもできる。これを理解すれば、第1高調波を選択するには、スペクトル中の最大ピークの少なくとも1/20の振幅を有する第1ピークが選択される。これによって、ノイズにより生じるチャープZ変換のピークを心拍数として選択する可能性が最小化される。
動作が生じた場合には、動作アーチファクト抑制モジュール580を用いてスナップショットにおいて動作アーチファクト抑制が実行される。動作アーチファクト抑制モジュール580を図21でより詳細に示す。図21に見るように、動作アーチファクト抑制モジュール580は、飽和度変換モジュール406(図18)と略同じである。従って、動作アーチファクト抑制モジュールは、動作アーチファクト基準プロセッサ570及び動作アーチファクト相関キャンセラ571を有する。
動作アーチファクト基準プロセッサ570は、飽和度変換モジュール406の基準プロセッサ530を同じである。しかしながら、基準プロセッサ570は、117の飽和度走査値を用いて全体の飽和度変換を実行するのではなく、飽和度モジュール408からの飽和度値を使用する。従って基準プロセッサ570は、飽和度式モジュール581、基準生
成手段582、DC除去モジュール583、及び帯域幅通過フィルタモジュール585を有する。これらのモジュールは、飽和度変換基準プロセッサ530における対応するモジュールと同じである。本実施形態では、飽和度式モジュール581は、飽和度変換モジュール406において実行されたような飽和度軸変換を実行するのではなく、飽和度計算モジュール408から動脈飽和度値を受信する。なぜなら、動脈飽和度が選択されたので、軸走査を実行する必要がないからである。従って、飽和度式モジュール581の出力は、比例定数ra (即ち動脈飽和度値に対する赤色光対赤外光比)に対応する。そうでない場合、基準プロセッサ570は飽和度変換モジュール406の基準プロセッサ530と同じ機能を実行する。
成手段582、DC除去モジュール583、及び帯域幅通過フィルタモジュール585を有する。これらのモジュールは、飽和度変換基準プロセッサ530における対応するモジュールと同じである。本実施形態では、飽和度式モジュール581は、飽和度変換モジュール406において実行されたような飽和度軸変換を実行するのではなく、飽和度計算モジュール408から動脈飽和度値を受信する。なぜなら、動脈飽和度が選択されたので、軸走査を実行する必要がないからである。従って、飽和度式モジュール581の出力は、比例定数ra (即ち動脈飽和度値に対する赤色光対赤外光比)に対応する。そうでない場合、基準プロセッサ570は飽和度変換モジュール406の基準プロセッサ530と同じ機能を実行する。
動作アーチファクト相関キャンセラ571はまた、飽和度変換相関キャンセラ531(図18)と同様である。しかしながら、動作アーチファクト抑制相関キャンセラ571は、わずかに異なる動作アーチファクト結合プロセス推定手段572を使用する。従って、動作アーチファクト抑制相関キャンセラ571は、結合プロセス推定手段572及び低域通過フィルタ573を有する。動作アーチファクト結合プロセス推定手段572は、セル数入力574により選択されるセルの数が異なること(本実施形態では6〜10)、忘却パラメータが異なること(本実施形態では0.98)、そして適応により時間遅延が異なることにおいて飽和度変換結合プロセス推定手段550とは異なる。低域通フィルタ573は、飽和度変換相関キャンセラ531の低域通過フィルタ552と同じである。
基準プロセッサに飽和度値が1つのみ提供されるので、570のサンプルの各入力パケットに対して、動作アーチファクト抑制相関キャンセラ571の出力において270のサンプルの出力ベクトルが1つのみ得られる。本実施形態では、相関キャンセラへの第1入力として赤外光波長が提供される場合には、相関キャンセラ571の出力は、明瞭な赤外光波形を提供する。上述のように、赤外光波長信号及び赤色光波長信号は、動作アーチファクト抑制相関キャンセラ571の出力において明瞭な赤色光波形が提供されるようにスイッチングされることができる。基準プロセッサ570が基準信号として相関キャンセラ571に入力されるノイズ基準を生成できる患者の実際の飽和度値はわかっているので、相関キャンセラ571の出力は明瞭な波形である。動作アーチファクト抑制モジュール580の出力における明瞭な波形は、ディスプレイ336に送信できる明瞭なプレチスモグラフである。
上述のように、別法の結合プロセス推定手段は、QRD最小自乗格子型方法(図8a、図9a及び図10a)を使用する。従って、結合プロセス推定手段573(並びに結合プロセス推定手段550)は、QRD最小自乗格子型オペレーションを実行する結合プロセス推定手段に置き換えられることもできる。
図21aは、結合プロセス推定手段572を結合プロセス推定手段572aに置き換えられた動作アーチファクト抑制モジュールの別の実施形態を示す。結合プロセス推定手段572aは、図10aのようなQRD最小自乗格子型システムを含む。この実施形態によれば、QRDアルゴリズムに対して必要に応じて異なる初期化パラメータが使用される。
初期化パラメータは、図21aで「セル数」、「ラムダ」、「最小誤差合計」、「初期γ」、「初期誤差合計」と記されている。セル数及びラムダは、結合プロセス推定手段572における同様のパラメータに対応する。「初期γ」は、ゼロ次数ステージを除く全てのステージに対するγ初期化変数に対応し、それは前述のようにQRD式において1に初期化される。初期誤差合計は、QRD式で上述のδ初期化パラメータを提供する。オーバーフローを回避するために、QRD式及び最小誤差合計における各除算において実際計算された分母の大きい方が使用される。本実施形態では、好適な初期化パラメータは以下の通りである:
セルの数=6
ラムダ=0.8
最小誤差合計=10-20
初期γ=10-2
初期誤差合計=10-6
動作アーチファクト抑制モジュール580からの明瞭な波形出力はまた、第2スペクトル推定モジュール588への入力を提供する。第2スペクトル推定モジュール588は、第1スペクトル推定モジュール586と同じチャープZ変換を実行する。動作がない場合には、第1スペクトル推定モジュール586からの出力がスペクトル分析モジュール586に提供される。動作が生じた場合には、第2スペクトル推定モジュール588からの出力がスペクトル分析モジュール590に提供される。スペクトル分析モジュール590は適切なスペクトル推定モジュールからの周波数スペクトルを調査して、脈拍数を決定する。動作が生じた場合には、スペクトル分析モジュール590は、スペクトル中の最高の振幅を有するピークを選択する。なぜなら、動作アーチファクト抑制モジュール580が全ての他の周波数を実際の心拍数のピーク未満の値に減衰させるからである。動作がない場合には、スペクトル分析モジュールは上述のように心拍数としてスペクトル中の第1高調波を選択する。
セルの数=6
ラムダ=0.8
最小誤差合計=10-20
初期γ=10-2
初期誤差合計=10-6
動作アーチファクト抑制モジュール580からの明瞭な波形出力はまた、第2スペクトル推定モジュール588への入力を提供する。第2スペクトル推定モジュール588は、第1スペクトル推定モジュール586と同じチャープZ変換を実行する。動作がない場合には、第1スペクトル推定モジュール586からの出力がスペクトル分析モジュール586に提供される。動作が生じた場合には、第2スペクトル推定モジュール588からの出力がスペクトル分析モジュール590に提供される。スペクトル分析モジュール590は適切なスペクトル推定モジュールからの周波数スペクトルを調査して、脈拍数を決定する。動作が生じた場合には、スペクトル分析モジュール590は、スペクトル中の最高の振幅を有するピークを選択する。なぜなら、動作アーチファクト抑制モジュール580が全ての他の周波数を実際の心拍数のピーク未満の値に減衰させるからである。動作がない場合には、スペクトル分析モジュールは上述のように心拍数としてスペクトル中の第1高調波を選択する。
スペクトル分析モジュール590の出力は、スルーレート制限モジュール592への入力として生の心拍数を提供する。本実施形態では、スルーレート制限モジュール592は、2秒間のインターバル当り20ビート/分より多い変化を防止する。
出力フィルタ594は、クリップ及び平滑化フィルタ566に関して上述した指数関数的平滑化フィルタに類似した指数関数的平滑化フィルタを含む。出力フィルタは、出力フィルタ係数モジュール596を介して制御される。動作が大きい場合には、このフィルタはスローダウンし、動作がほとんど若しくは全くない場合には、このフィルタはより高速にサンプリングを行って明瞭な値を維持することができる。出力フィルタ594からの出力は患者の脈拍であり、これはディスプレイ336に提供され、有益である。
飽和度変換モジュールの別法−フィルタのバンク
飽和度変換モジュール406の飽和度変換の別法は、図23で示されるフィルタのバンクを用いて実行できる。図23に示されるように、第1フィルタバンク600及び第2フィルタバンク602の2つのフィルタバンクが提供される。第1フィルタバンク600は、対応する第1フィルタバンク入力604において第1測定信号Sλb(t)(本実施形
態では赤外光信号サンプル)を受信し、第2フィルタバンク602は対応する第2フィルタバンク入力606において第2測定信号Sλa(t)(本実施形態では赤色光信号サン
プル)を受信する。好適な実施形態では、第1及び第2フィルタバンクは、一定のセンター周波数とコーナー周波数を有する静的な回帰多相帯域通過フィルタを使用する。回帰多相フィルタはハリス(Harris)他の文献に述べられている。この文献「Digital Single Processing With Efficient Polyphase Recursive All-Pass Filters 」は、付録Aとして添付した。しかしながら、アダプティブな実行も可能である。本実施形態では、回帰多相帯域通過フィルタエレメントは各々、特定のセンター周波数及び帯域幅を含むように設計される。
飽和度変換モジュールの別法−フィルタのバンク
飽和度変換モジュール406の飽和度変換の別法は、図23で示されるフィルタのバンクを用いて実行できる。図23に示されるように、第1フィルタバンク600及び第2フィルタバンク602の2つのフィルタバンクが提供される。第1フィルタバンク600は、対応する第1フィルタバンク入力604において第1測定信号Sλb(t)(本実施形
態では赤外光信号サンプル)を受信し、第2フィルタバンク602は対応する第2フィルタバンク入力606において第2測定信号Sλa(t)(本実施形態では赤色光信号サン
プル)を受信する。好適な実施形態では、第1及び第2フィルタバンクは、一定のセンター周波数とコーナー周波数を有する静的な回帰多相帯域通過フィルタを使用する。回帰多相フィルタはハリス(Harris)他の文献に述べられている。この文献「Digital Single Processing With Efficient Polyphase Recursive All-Pass Filters 」は、付録Aとして添付した。しかしながら、アダプティブな実行も可能である。本実施形態では、回帰多相帯域通過フィルタエレメントは各々、特定のセンター周波数及び帯域幅を含むように設計される。
各フィルタバンクにはN個のフィルタエレメントが存在する。第1フィルタバンク600におけるフィルタエレメントの各々は、第2フィルタバンク602中に、マッチングする(即ち同一のセンター周波数及び帯域幅を有する)フィルタエレメントを有する。図23で示されるように、N個のエレメントのセンター周波数及びコーナー周波数は各々、N個の周波数レンジ、0からF1 、F1 −F2 、F2 −F3 、F3 −F4 ... FN-1 −FN を占めるように設計される。(206)
フィルタエレメントの数は1〜無限大の範囲に及ぶことができる。しかしながら本実施形態では、センター周波数が25ビート/分〜250ビート/分の周波数レンジにわたるように約120の別個のフィルタエレメントを分離する。
フィルタエレメントの数は1〜無限大の範囲に及ぶことができる。しかしながら本実施形態では、センター周波数が25ビート/分〜250ビート/分の周波数レンジにわたるように約120の別個のフィルタエレメントを分離する。
フィルタの出力は、特定の周波数における第1測定信号及び第2測定信号(本例では赤色光及び赤外光)の一次信号及び二次信号についての情報を含む。マッチングするフィルタ(第1フィルタバンク600における1つと第2フィルタバンク602における1つ)の各ペアの出力が、飽和度決定モジュール610に提供される。図23は説明を容易にするために飽和度決定モジュール610を1つだけ示す。しかしながら、フィルタエレメントの各マッチングペアに対して飽和度決定モジュールが提供され、並行処理が行われることもできる。各飽和度決定モジュールは、比率モジュール616及び飽和度式モジュール619を有する。 比率モジュール616は、第2出力対第1出力の比を形成する。例えば本例では、各赤色光RMS値対各対応する赤外光RMS値(赤色光/赤外光)は比率モジュール616において決定される。比率モジュール616の出力は、入力比に対する対応する飽和度値を参照する飽和度式モジュール618への入力を提供する。
飽和度式モジュール618の出力は、マッチングフィルタペアの各々に対して(ヒストグラムモジュール620において示されるように)収集される。しかしながら、収集されたデータは、最初は周波数と飽和度の関数である。図22に示される曲線に似た飽和度変換曲線を形成するために、図24で示されるようにヒストグラム等が生成される。横軸は飽和度値を示し、縦軸は各飽和度値において収集されたポイントの数の合計(飽和度式モジュール618からの出力)を示す。換言すれば、10個の異なるフィルタマッチングペアに対する飽和度式モジュール618の出力が98%の飽和度値を示す場合には、図24のヒストグラムにおけるポイントは98%の飽和度に10の値を反映する。これにより、図22の飽和度変換曲線に類似する曲線が生じる。このオペレーションは、ヒストグラムモジュール620において実行される。
ヒストグラムの結果は、図22のパワー曲線に類似するパワー曲線を提供する。従って動脈飽和度は、最高の飽和度値に対応するピーク(対象とする領域における発生の最大数)(例えば、最高の飽和度値ピークに対応する図面中のピークc)を選択することによりヒストグラムから計算されることができる。同様に、静脈若しくはバックグラウンド飽和度は、飽和度計算モジュール408における処理と同様の方法で、最低の飽和度値に対応するピークを選択することによりヒストグラムから決定することができる。
ヒストグラムの別法としては、最高飽和度値に対応する出力飽和度(ヒストグラム中のピークである必要はない)を、対応する比を表すra を有する動脈飽和度として選択することができる。同様に、最低飽和度値に対応する出力飽和度を、対応する比を表すrv を有する静脈若しくはバックグラウンド飽和度として選択することができる。例えば本実施形態では、図24のヒストグラム中のエントリaを動脈飽和度として選択し、最低の飽和度値を有するヒストグラム中のエントリbを静脈若しくはバックグラウンド飽和度として選択する。
以上説明したように、本発明によれば、特定的に脈拍酸素計測に対して、一次信号部分及び二次信号部分を以下のようにモデル化できる。
Sred =s1 +n1 (赤色光) (89)
SIR=s2 +n2 (赤外光) (90)
s1 =ra s2 及びn1 =rv n2 (91)
式(91)を式(89)に挿入すると以下の式になる。
SIR=s2 +n2 (赤外光) (90)
s1 =ra s2 及びn1 =rv n2 (91)
式(91)を式(89)に挿入すると以下の式になる。
Sred =ra s2 +rv n2 (赤色光) (92)
なお、式(89)〜(92)のモデルではSred 及びSIRを使用する。それは、以下の説明が特定的に血液酸素計測に関するからである。Sred 及びSIRは、以前の文中のS1 及びS2 に対応し、これから先の説明は任意の測定信号S1 及びS2 に対して行われる。
なお、式(89)〜(92)のモデルではSred 及びSIRを使用する。それは、以下の説明が特定的に血液酸素計測に関するからである。Sred 及びSIRは、以前の文中のS1 及びS2 に対応し、これから先の説明は任意の測定信号S1 及びS2 に対して行われる。
上に説明したように、ra 及びrv (これらは飽和度式を介して動脈血液酸素及び静脈血液酸素に対応する)は、多くの可能な係数を走査する上述の飽和度変換を用いて決定することができる。赤色光及び赤外光データに基づいてra 及びrv を得る別の方法は、sk が少なくともいくらか(好ましくは実質的に)nk と相関しない(ここでk=1又は2)として、sk とnk の間の相関(Correlation )を最小化するra 及びrv を探すことである。これらの値は、k=2に対する以下の統計的計算関数を最小化することにより見出すことができる。
式中、iは時間を示す。
正規化相関等の他の相関関数も使用できることを理解されたい。
ノイズ成分が所望の信号成分に相関しない場合には、この量の最小化により多くの場合において単一のペアのra 及びrv が提供される。この量の最小化は、式(90)及び(92)よりs2 及びn2 を求め、ra 及びrv の可能な値の相関の最小値を見出すことにより、達成されることができる。s2 及びn2 を求めることにより以下が提供される。
2×2マトリックスにより、以下が提供される。
2×2マトリックスにより、以下が提供される。
ブラックマンウィンドウ(Blackman Window )は、ここでの好適な実施形態である。信号とノイズとの間の相関を最小化する多くの付加的な関数があることを理解されたい。上述の関数は単純な関数の1つである。従って、
複数の離散的なデータポイントにおいて最小化を行うために、赤色光サンプルポイントの二乗の合計、赤外光サンプルポイントの二乗の合計、赤色光サンプルポイントと赤外光サンプルポイントの積の合計がまず計算される(ウィンドウ関数wi を含む)。
これらの値は、相関式(93b) で使用される。故に相関式は、2つの変数ra 及びrv を用いる式になる。ra 及びrv を得るために、ra 及びrv の可能な値の有効なクロスセクションに対して徹底的な走査が実行される。次いで相関関数の最小値が選択され、最小値を生じるra 及びrv の値がra 及びrv として選択される。
ra 及びrv が得られると、比ra 及びrv に対応する酸素飽和度を提供する統計モジュール404の飽和度式502等の飽和度式にra 及びrv を提供することにより、動脈酸素飽和度及び静脈酸素飽和度を決定することができる。
ra 及びrv を得るためのさらなる実行においても上述と同じ信号モデルセットを使用
する。この実行に従ってra 及びrv を決定するために、信号s2 中のエネルギーはs2 がn2 と相関しないという制約の下で最大化される。ここでも、この実行は本発明の信号モデルにおけるs及びnの間の相関を最小化することに基づく。ここで信号sは動脈脈動に関連し、信号nはノイズ(動作アーチファクト及び他のノイズだけでなく、静脈血液に関する情報も含む)である;ra は動脈飽和に関連する比(赤色光/赤外光)であり、rv は静脈飽和に関連する比(赤色光/赤外光)である。従って本発明のこの実行においては、ra 及びrv は、信号s2 及びn2 が相関しない場合に信号s2 のエネルギーが最大化されるように決定される。信号s2 のエネルギー(ENERGY (s2) )は以下の式により規定される:
する。この実行に従ってra 及びrv を決定するために、信号s2 中のエネルギーはs2 がn2 と相関しないという制約の下で最大化される。ここでも、この実行は本発明の信号モデルにおけるs及びnの間の相関を最小化することに基づく。ここで信号sは動脈脈動に関連し、信号nはノイズ(動作アーチファクト及び他のノイズだけでなく、静脈血液に関する情報も含む)である;ra は動脈飽和に関連する比(赤色光/赤外光)であり、rv は静脈飽和に関連する比(赤色光/赤外光)である。従って本発明のこの実行においては、ra 及びrv は、信号s2 及びn2 が相関しない場合に信号s2 のエネルギーが最大化されるように決定される。信号s2 のエネルギー(ENERGY (s2) )は以下の式により規定される:
式中、R1 は赤光信号のエネルギー、R2 は赤外光信号のエネルギー、及びR1,2 は赤色光信号と赤外光信号との相関である。
s2 とn2 の間の相関(Correlation(s2, n2) )は以下により定義される。
上に説明したように、制約は、sk 及びnk (本実施形態ではk=2)が相関しないことである。この「相関キャンセル制約」は、下に示すように式(97)の相関をゼロに設定することにより得られる。
−R1 +(ra +rv )R12−ra rv R2 =0 (98)
換言すれば、目的は式(98)の制約の下で式(94)を最大化することである。
−R1 +(ra +rv )R12−ra rv R2 =0 (98)
換言すれば、目的は式(98)の制約の下で式(94)を最大化することである。
目的を達成するために、以下のようにコスト関数が規定される(例えば本実施例のラグランジュ最適化)。
式中、μはラグランジュ乗数である。コスト関数を解くra 、rv 及びμの値は、「Luenberger, Linear & Nonlinear Programming」( アディソン−ウェスリー(Addison-Wesley),第2版,1984年)で述べられたような制約付き最適化方法を用いて見出されることができる。
同一ラインに沿って、赤色光信号Sred 及び赤外光信号SIRが静的でない場合には、上で規定した関数R1 、R2 、及びR12は時間に依存する。従って、2つの式を用いると、2つの異なる時間において式(98)で規定された相関キャンセル制約を示すことにより2つの未知数を得ることができる。相関キャンセル制約は、2つの異なる時間t1 及びt2 において以下のように表されることができる。
−R1 (t1 )+(ra +rv )R12(t1 )−ra rv R2 (t1 )=0
(100)
−R1 (t2 )+(ra +rv )R12(t2 )−ra rv R2 (t2 )=0
(101)
式(100) 及び(101) はra 及びrv において非線形であるので、変数の変化により線形技術を使用してこれら2つの式を解くことができる。従って、x=ra +rv ;y=ra rv を用いて式(100) 及び(101) は次のようになる。
R12(t1 )x−R2 (t1 )y=R1 (t1 ) (102)
R12(t2 )x−R2 (t2 )y=R1 (t2 ) (103)
これらの式(102) 及び(103) をx及びyに対して解くことができる。変数式の変化からra 及びrv を求めることにより以下が得られる:
−R1 (t1 )+(ra +rv )R12(t1 )−ra rv R2 (t1 )=0
(100)
−R1 (t2 )+(ra +rv )R12(t2 )−ra rv R2 (t2 )=0
(101)
式(100) 及び(101) はra 及びrv において非線形であるので、変数の変化により線形技術を使用してこれら2つの式を解くことができる。従って、x=ra +rv ;y=ra rv を用いて式(100) 及び(101) は次のようになる。
R12(t1 )x−R2 (t1 )y=R1 (t1 ) (102)
R12(t2 )x−R2 (t2 )y=R1 (t2 ) (103)
これらの式(102) 及び(103) をx及びyに対して解くことができる。変数式の変化からra 及びrv を求めることにより以下が得られる:
式(104) はrv の2つの値に帰結する。この実施形態では、x2 −rv y>0となるrv 値が選択される。rv の両値がx2 −rv y>0となれば、t2 においてs2 のエネルギー(Energy (s2))を最大化するrv が選択される。rv は次いで上記式に与えられ、ra が得られる。あるいは、rv の決定と同じ方法でra を直接見出すこともできる。
飽和度変換の別法−コンプレックスFFT
患者の血液酸素飽和度、脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形はまた、コンプレックス(複素)FFTを用いる本発明の信号モデルを使用しても得られ、これについて図25a〜図25cを参照してさらに説明する。一般に、各々が第1部分(信号の所望の部分を示す)及び第2部分(信号の不要な部分を示す)を有する2つの測定信号(2つの測定信号は係数ra 及びrv により相関されることができる)を用いる式(89)〜(92)の信号モデルを使用することにより、デシメーションオペレーション402の出力から複数のサンプルポイントにおいて離散的ベースの高速飽和度変換を使用することができる。
飽和度変換の別法−コンプレックスFFT
患者の血液酸素飽和度、脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形はまた、コンプレックス(複素)FFTを用いる本発明の信号モデルを使用しても得られ、これについて図25a〜図25cを参照してさらに説明する。一般に、各々が第1部分(信号の所望の部分を示す)及び第2部分(信号の不要な部分を示す)を有する2つの測定信号(2つの測定信号は係数ra 及びrv により相関されることができる)を用いる式(89)〜(92)の信号モデルを使用することにより、デシメーションオペレーション402の出力から複数のサンプルポイントにおいて離散的ベースの高速飽和度変換を使用することができる。
図25aは図14に略対応するが、前述した飽和度変換が高速飽和度変換にかわっている。換言すれば、図25aのオペレーションは、図14のオペレーションに代わることができる。図25aに示されるように、高速飽和度変換は高速変換/脈拍数計算モジュール630で示される。図14と同じく、出力は動脈酸素飽和度、明瞭なプレチスモグラフ波形、及び脈拍数である。図25b及び図25cは、高速飽和度変換/脈拍数計算モジュール630に関するさらなる詳細を示している。図25bで示されるように、高速飽和度変換モジュール630は、図17の赤外光ログモジュール480及び赤色光ログモジュール482のようにログ正規化を実行する赤外光ログモジュール640及び赤色光ログモジュール642を有する。同様に、赤外光DC除去モジュール644及び赤色光DCモジュール646が存在する。さらに、赤外光高域通過フィルタモジュール645及び赤色光高域通過フィルタモジュール647、ウィンドウ関数モジュール648、640、コンプレックスFFTモジュール652、654、選択モジュール653、655、マグニチュードモジュール656、658、しきい値モジュール660、662、ポイント毎比率モジュール670、飽和度式モジュール672、及び選択飽和度モジュール680が存在する。フェーズモジュール690、692、フェーズ識別モジュール694、及びフェーズしきい値モジュール696も存在する。選択飽和度モジュール680の出力は、動脈飽和度出力ライン682において動脈飽和度を提供する。
この別法の実施形態では、赤色光信号及び赤外光信号のスナップショットはデシメーションモジュール402からの562のサンプルである。赤外光DC除去モジュール644及び赤色光DC除去モジュール646は、図17の赤外光DC除去モジュール484及び赤色光DC除去モジュール486とわずかに異なっている。図25bの赤外光DC除去モジュール644及び赤色光DC除去モジュール646では、各チャネルに対する563の全てのサンプルポイントの平均が計算される。この平均は次いで、各サンプルからベースラインのDCを除去するために、それぞれのスナップショットにおいて各個々のサンプルポイントから除去される。赤外光DC除去モジュール644及び赤色光DC除去モジュール646は、赤外光高域通過フィルタモジュール645及び赤色光高域通過フィルタモジュール647のそれぞれに入力を提供する。
高域通過フィルタモジュール645、647は、係数の51のタップを有するFIRフィルタを含む。好ましくは高域通過フィルタは30というサイドローブレベルパラメータと0.5Hzのコーナー周波数(即ち、30ビート/分)を有するチェビシェフ(Chebychev )フィルタを含む。このフィルタの性能を変えることもできることを理解されたい。562のサンプルポイントが高域通過フィルタに入り、51の係数タップがあるので、高域通過フィルタモジュールの出力では、これらのそれぞれの赤外光スナップショット及び赤色光スナップショットから512のサンプルが提供される。高域通過フィルタの出力は
、各それぞれのチャネルに対するウィンドウ関数モジュール648、650に入力を提供する。 ウィンドウ関数モジュール648、650は、従来のウィンドウ関数を実行する。本実施形態ではカイザー(Kaiser)ウィンドウ関数を使用する。図25bを通して関数はポイント毎分析を維持する。本実施形態では、カイザーウィンドウ関数の時間帯域幅積は7である。ウィンドウ関数モジュールの出力は、それぞれのコンプレックス高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform、FFT)モジュール652、654に入力を提供する。
、各それぞれのチャネルに対するウィンドウ関数モジュール648、650に入力を提供する。 ウィンドウ関数モジュール648、650は、従来のウィンドウ関数を実行する。本実施形態ではカイザー(Kaiser)ウィンドウ関数を使用する。図25bを通して関数はポイント毎分析を維持する。本実施形態では、カイザーウィンドウ関数の時間帯域幅積は7である。ウィンドウ関数モジュールの出力は、それぞれのコンプレックス高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform、FFT)モジュール652、654に入力を提供する。
コンプレックスFFTモジュール652、654は、データスナップショットにおける赤外光チャネル及び赤色光チャネルのそれぞれにおいてコンプレックスFFTを実行する。コンプレックスFFTからのデータは次いで、2つの経路において分析され、経路の1つはマグニチュードを調査し、もう1つはコンプレックスFFTデータポイントからのフェーズを調査するものである。しかしながら、さらなる処理の前に、データは赤外光選択モジュール653及び赤色光選択モジュール655に提供される。なぜなら、FFTオペレーションの出力は0〜1/2のサンプリング率と1/2のサンプリング率からの反復情報を提供するからである。選択モジュールは、0〜1/2サンプリング率(本実施形態では例えば0〜31.25Hz)からサンプルのみを選択し、心拍数の周波数レンジ及び心拍数の1つ以上の高調波をカバーするようにそれらのサンプルから選択を行う。本実施形態では、20ビート/分から500ビート/分の周波数レンジに入るサンプルが選択される。必要に応じてこの値を変更して心拍数の高調波を得ることもできる。従って選択モジュールの出力は、256のサンプルとなる。本実施形態では、FFTの出力のサンプルポイント2−68がさらなる処理に用いられる。
処理の第1経路では、選択モジュール653、655からの出力は、赤外光マグニチュードモジュール656及び赤色光マグニチュードモジュール658に提供される。マグニチュードモジュール656、658は、マグニチュード機能を実行し、ここでコンプレックスFFTポイントのポイント毎のマグニチュードはそれぞれのチャネルの各々に対して選択される。マグニチュードモジュール656、658の出力は、赤外光しきい値モジュール660及び赤色光しきい値モジュール662に入力を提供する。
しきい値モジュール660、662はポイント毎にサンプルポイントを調査して、特定のしきい値を個々のポイントの大きさが越えるポイントを選択する。このしきい値は、スナップショット中の残りの全てのポイントの中で検出される最大の大きさのパーセンテージでセットされる。本実施形態では、しきい値オペレーションのパーセンテージは、最大の大きさの1%として選択される。
しきい値処理の後、データポイントはポイント毎比率モジュール670に送信される。ポイント毎比率モジュールは赤色光値対赤外光値の比をポイント毎にとる。しかしながら、比率をとるポイントを適格化するためにさらなるテストが行われる。図25bに見られるように、選択モジュール653、655からのサンプルポイント出力はまた、赤外光フェーズモジュール690及び赤色光フェーズモジュール692に提供される。フェズモジュール690、692はFFTポイントからフェーズ値を選択する。フェーズモジュール690、692の出力は、フェーズ識別モジュールに与えられる。
フェーズ識別モジュール694は、フェーズモジュール690、692から対応するデータポイント同士の間のフェーズの差を計算する。任意の2つの対応するポイント同士の間のフェーズ差が本実施形態における特定のしきい値(例えば0.1ラジアン)未満であれば、サンプルポイントは適格である。2つの対応するサンプルポイントのフェーズが離れすぎている場合には、これらのサンプルポイントは使用されない。フェーズしきい値モジュール696の出力は、RED/IR比率モジュール670への可能入力を提供する。
従って、サンプルポイントの特定ペアの比をとるために、以下の3つのテストが行われる:
6. 赤色光サンプルは赤色光しきい値660をパスしなければならない
7. 赤外光サンプルは赤外光しきい値662をパスしなければならない
8. 2つのポイント同士の間のフェーズはフェーズしきい値696において決定された所定のしきい値未満でなくてはならない
適格なサンプルポイントに対しては、比率モジュール670で比がとられる。適格でないポイントに対しては、飽和度式672の出力において飽和度がゼロにセットされる。
従って、サンプルポイントの特定ペアの比をとるために、以下の3つのテストが行われる:
6. 赤色光サンプルは赤色光しきい値660をパスしなければならない
7. 赤外光サンプルは赤外光しきい値662をパスしなければならない
8. 2つのポイント同士の間のフェーズはフェーズしきい値696において決定された所定のしきい値未満でなくてはならない
適格なサンプルポイントに対しては、比率モジュール670で比がとられる。適格でないポイントに対しては、飽和度式672の出力において飽和度がゼロにセットされる。
得られた比は、統計モジュール504における飽和度式モジュール502、520と同じである飽和度式モジュールに提供される。換言すれば、飽和度式モジュール672は、ポイント毎の比を受け取り、離散的比率ポイントに対応する対応飽和値を出力として提供する。飽和度式モジュール672からの飽和度ポイント出力は、周波数に対する飽和度としてプロットされることのできる一連の飽和度ポイントを提供する。周波数基準は、コンプレックスFFTステージにおいてポイントに入れられる。
本発明による2つの方法のうちの1つにおいて、選択動脈飽和度モジュール680で示されるように、動脈(及び静脈)飽和度が選択されることができる。1つの方法によれば、動脈飽和度値は、1つのパケットに対する飽和度式モジュール672からの全てのポイント出力に対する最大の飽和値に対応するポイントとして単純に選択されることができる。あるいは、異なる周波数(ポイント)における飽和値の数を合計して、各特定の飽和値に対する発生数のヒストグラムを形成するというように、図22のヒストグラムに類似するヒストグラムを生成することもできる。いずれの方法においても、動脈飽和度が得られて、動脈飽和度出力ライン682において選択動脈飽和度モジュールへの出力として提供されることができる。静脈飽和度を得るためには、最大の動脈飽和値ではなく、ゼロでない値を示すポイントの最小動脈飽和値が選択される。飽和度はディスプレイ336に提供されることができる。
高速飽和度変換情報を使用して、図25cで示される明瞭なプレチスモグラフ波形と脈拍数を提供することもできる。脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形を得るためには、いくつかの付加的な機能が必要である。図25cで示されるように、脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形は、ウィンドウ関数モジュール700、スペクトル分析モジュール702、及びウィンドウ関数モジュール704を用いて決定される。
図25cで示すように、ウィンドウ関数モジュール700の入力は、コンプレックスFFTモジュール652若しくは654の出力から得られる。本実施形態では、測定信号は1つだけ必要である。ウィンドウ関数モジュール700の別の入力は、選択動脈飽和度モジュール680の出力から得られる動脈飽和度である。
ウィンドウ関数モジュールは、動脈飽和度値に非常に近い飽和度値を示した周波数に実質的に相関する周波数をパスするように選択されるウィンドウ関数を実行する。本実施形態では、以下のウィンドウ関数が選択される。
式中、SATn はサンプルポイントに対する各特定周波数に対応する飽和度値に等しく、SATart は選択動脈飽和度モジュール680の出力における選択された動脈飽和度を示す。このウィンドウ関数は、赤色光信号若しくは赤外光信号のいずれかのコンプレックスFFTを表すウィンドウ関数入力に適用される。ウィンドウ関数モジュール700の出力は、FFTにより決定された周波数スペクトルで表される赤色光信号若しくは赤外光信号であり、この信号からは動作アーチファクトがウィンドウ関数により除去されている。多くの可能なウィンドウ関数を提供できることを理解されたい。さらに、上述のウィンドウ関数を用いた場合に、より高いパワーを用いることによりノイズがより多く抑制されることを理解されたい。
脈拍数を得るために、ウィンドウ関数モジュール700からの出力ポイントはスペクトル分析モジュール702に提供される。スペクトル分析モジュール702は、図20のスペクトル分析モジュール590と同じである。換言すれば、スペクトル分析モジュール702は、ウィンドウ関数700の出力ポイントにより示される周波数スペクトルにおける第1の高調波を決定することにより、脈拍数を決定する。スペクトル分析モジュール702の出力は脈拍数である。
明瞭なプレチスモグラフ波形を得るためにウィンドウ関数700の出力が反転ウィンドウ関数モジュール704に与えられる。反転ウィンドウ関数モジュール704は、図25bのウィンドウ関数モジュール648若しくは650のカイザーウィンドウ関数の反転を実行する。換言すれば、反転ウィンドウ関数704は、画定されたポイントに対するカイザー関数のポイント毎の反転を実行する。 従って、コンプレックスFFT及びウィンドウ関数を用いることにより、プレチスモグラフ波形からノイズを抑制して動脈飽和度、脈拍数及び明瞭なプレチスモグラフ波形を得ることができる。上の記載は主に周波数ドメインにおけるオペレーションに関するものであるが、時間ドメインにおいても同様の結果を得るオペレーションを実行できることを理解されたい。
一般化された式への関連
上の脈拍酸素計測に関して述べた測定を、より一般的な事項に関連させる。各波長λa
及びλbで指310を透過させた信号(ログ変換)は以下のように示される:
一般化された式への関連
上の脈拍酸素計測に関して述べた測定を、より一般的な事項に関連させる。各波長λa
及びλbで指310を透過させた信号(ログ変換)は以下のように示される:
上記変数は次のように図6cに関連させることにより最もよく理解できる:図6cのA3 及びA4 を含む層が試験媒体中の静脈血液を示し、A3 が脱酸素化されたヘモグロビン(Hb)を示し、A4 が静脈血液中の酸素化されたヘモグロビン(HB02)を示すと仮定する。同様に、図6のA5 及びA6 を含む層が試験媒体中の動脈血液を示し、A5 が脱酸素化されたヘモグロビン(Hb)を示し、A6 が動脈血液中の酸素化されたヘモグロビン(HB02)を示すと仮定する。従って、cv Hb02は静脈中の酸素化ヘモグロビンの濃度を示し、cv Hbが静脈血液中の脱酸素化ヘモグロビンの濃度を示し、xv が静脈血液の厚さ(例えばA3 及びA4 を含む層の厚さ)を示す。同様に、cA Hb02は動脈血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度を示し、cA Hbは動脈血液中の脱酸素化ヘモグロビンの濃度を示し、xA は動脈血液の厚さ(例えばA5 及びA6 を含む層の厚さ)を示す。
選択される波長は、可視赤色光レンジ中の1つ、即ちλaと、赤外光レンジ中の1つ、
即ちλbとであるのが典型的である。選択される典型的な波長値はλa=660nm及びλb
=910nmである。一定飽和度方法によれば、cA Hb02(t)/cA Hb(t)=constant1 (定数1)でありcv Hb02(t)/cv Hb(t)=constant2 (定数2)と仮定される。動脈血液及び静脈血液の酸素飽和度はサンプルレートに対してゆっくりと変化し、この仮定が成り立つ。式(105) 及び(106) の比例係数は以下のように記載することができる:
即ちλbとであるのが典型的である。選択される典型的な波長値はλa=660nm及びλb
=910nmである。一定飽和度方法によれば、cA Hb02(t)/cA Hb(t)=constant1 (定数1)でありcv Hb02(t)/cv Hb(t)=constant2 (定数2)と仮定される。動脈血液及び静脈血液の酸素飽和度はサンプルレートに対してゆっくりと変化し、この仮定が成り立つ。式(105) 及び(106) の比例係数は以下のように記載することができる:
脈拍酸素計測では、式(108) 及び(109) の両式が同時に満たされ得る。
ra (t)を式(106) に乗算し、次いで式(105) から式(106) を減算すると、ゼロでない二次基準信号n'(t) が以下のように決定される:
rv (t)を式(106) に乗算し、次いで式(105) から式(106) を減算すると、ゼロでない一次基準信号s'(t) が以下のように決定される:
s'(t) =Sλa(t)−rv (t)Sλb(t) (110b)
=sλa(t)−rv (t)sλb(t) (111b)
一定飽和度仮定では、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)と共に吸収に対する静脈の寄与はキャンセルされない。故に、患者が安静にしている時の静脈吸収による低周波数変調吸収と、患者が動いている時の静脈吸収による変調吸収の両方に関連する周波数が二次基準信号n'(t) で示される。故に、相関キャンセラ若しくは上述の他の方法により、動作の下で指の静脈血液による随伴的に変調された吸収と、静脈血液の一定の低周波数
周期的吸収の両吸収が除去若しくは導出される。
s'(t) =Sλa(t)−rv (t)Sλb(t) (110b)
=sλa(t)−rv (t)sλb(t) (111b)
一定飽和度仮定では、一次信号部分sλa(t)及びsλb(t)と共に吸収に対する静脈の寄与はキャンセルされない。故に、患者が安静にしている時の静脈吸収による低周波数変調吸収と、患者が動いている時の静脈吸収による変調吸収の両方に関連する周波数が二次基準信号n'(t) で示される。故に、相関キャンセラ若しくは上述の他の方法により、動作の下で指の静脈血液による随伴的に変調された吸収と、静脈血液の一定の低周波数
周期的吸収の両吸収が除去若しくは導出される。
明瞭な波形を得るための図11の酸素計測のオペレーションを示すために、図26及び図27は、一定飽和度方法を使用する本発明の基準プロセッサへの入力のために測定される信号、即ちSλa(t)=Sλred(t)及びSλb(t)=SλIR(t)を示す。各信
号の第1セグメント26a及び27aは、動作アーチファクトによる乱れが比較的ない;即ち、患者はこれらのセグメントの測定時間中には実質的に動作しなかった。故にこれらのセグメント26a及び27aは大体において、各測定波長における一次プレチスモグラフ波形を示している。各信号の第2セグメント26b及び27bは動作アーチファクトにより影響を及ぼされている;即ち、患者はこれらのセグメントが測定された時間中に動作した。これらセグメント26b及び27bは、動作により生じた測定信号における大きな変位を示している。各信号の第3セグメント26c及び27cは、動作アーチファクトにより比較的影響を受けていないので、大体において各測定波長における一次プレチスモグラフ波形を示している。
号の第1セグメント26a及び27aは、動作アーチファクトによる乱れが比較的ない;即ち、患者はこれらのセグメントの測定時間中には実質的に動作しなかった。故にこれらのセグメント26a及び27aは大体において、各測定波長における一次プレチスモグラフ波形を示している。各信号の第2セグメント26b及び27bは動作アーチファクトにより影響を及ぼされている;即ち、患者はこれらのセグメントが測定された時間中に動作した。これらセグメント26b及び27bは、動作により生じた測定信号における大きな変位を示している。各信号の第3セグメント26c及び27cは、動作アーチファクトにより比較的影響を受けていないので、大体において各測定波長における一次プレチスモグラフ波形を示している。
図28は、本発明の基準プロセッサにより測定された二次基準信号n'(t) =nλa(
t)−ra nλb(t)を示している。ここでも、二次基準信号n'(t) は二次信号部分
nλa(t)及びnλb(t)に相関している。故に、二次基準信号n'(t) の第1セグメント28aは略フラットであり、これは各信号の第1セグメント26a及び27aにおいて動作によりノイズがほとんど生じていないという事に対応している。二次基準信号n'(t) の第2セグメント28bは大きな変位を示しており、これは各測定信号において動作により大きな変位が生じたことに対応している。ノイズ基準信号n'(t) の第3セグメント28cは略フラットであり、これもまた、各測定信号の第3セグメント26c及び27cにおいて動作アーチファクトがないことに対応している。
t)−ra nλb(t)を示している。ここでも、二次基準信号n'(t) は二次信号部分
nλa(t)及びnλb(t)に相関している。故に、二次基準信号n'(t) の第1セグメント28aは略フラットであり、これは各信号の第1セグメント26a及び27aにおいて動作によりノイズがほとんど生じていないという事に対応している。二次基準信号n'(t) の第2セグメント28bは大きな変位を示しており、これは各測定信号において動作により大きな変位が生じたことに対応している。ノイズ基準信号n'(t) の第3セグメント28cは略フラットであり、これもまた、各測定信号の第3セグメント26c及び27cにおいて動作アーチファクトがないことに対応している。
基準プロセッサは、一次基準信号s'(t) =sλa(t)−rv sλb(t)を得るためにも使用できることを理解されたい。一次基準信号s'(t) は概してプレチスモグラフ波形を示す。
図29及び図30は、二次基準信号n'(t) を用いて相関キャンセラによる推定された一次信号sλa(t)及びsλb(t)に対する近似s"λa(t)及びs"λb(t)を示している。なお、図26〜図30の拡縮は、各図が各信号の変化をよりよく示すために同じではない。図29及び図30は、基準プロセッサにより測定された二次基準信号n'(t) を用いての相関キャンセラの効果を示している。セグメント29b及び30bは、測定信号のセグメント26b及び27bのように動作により生じたノイズの影響を受けていない。さらに、セグメント29a、30a、29c及び30cは、動作によるノイズの生じていない測定信号セグメント26a、27a、26c及び27cから略変化されなかった。
一次基準信号s'(t) を用いて相関キャンセラにより推定された二次信号nλa(t)
及びnλb(t)に対する近似n"λa(t)及びn"λb(t)も本発明により決定できる
ことを理解されたい。
脈拍酸素計測における測定信号の一次信号部分及び二次信号部分の推定方法
上述の相関キャンセラの種々の実施形態をソフトウェア中で実行することは、上記式及び上記記述をふまえれば比較的簡単である。しかしながら、一定飽和度方法と、式(54)〜(64)を用いて結合プロセス推定を実行する結合プロセス推定手段572とを用いて一次基準s'(t) を計算するCプログラミング言語で書かれたコンピュータプログラムサブルーチンのコピーを付録Bに記載した。この結合プロセス推定手段は、各々が一次基準信号s'(t) に相関する一次部分と二次基準信号n'(t) に相関する二次部分とを有する2つの測定信号の一次信号部分に対する有効な近似を推定する。このサブルーチンは、特定的に
は脈拍酸素計測に適用されるモニタに対する図9のフローチャートに示されるステップを実行する別の方法である。2つの信号は、2つの異なる波長λa及びλbで測定され、λa
は典型的に可視光領域にあり、λbは赤外光領域にあるのが典型的である。例えば、一定
飽和度方法を用いる脈拍酸素計測を行うように特定的に書かれた本発明の実施形態では、λa=660nm、λb=940nmである。
及びnλb(t)に対する近似n"λa(t)及びn"λb(t)も本発明により決定できる
ことを理解されたい。
脈拍酸素計測における測定信号の一次信号部分及び二次信号部分の推定方法
上述の相関キャンセラの種々の実施形態をソフトウェア中で実行することは、上記式及び上記記述をふまえれば比較的簡単である。しかしながら、一定飽和度方法と、式(54)〜(64)を用いて結合プロセス推定を実行する結合プロセス推定手段572とを用いて一次基準s'(t) を計算するCプログラミング言語で書かれたコンピュータプログラムサブルーチンのコピーを付録Bに記載した。この結合プロセス推定手段は、各々が一次基準信号s'(t) に相関する一次部分と二次基準信号n'(t) に相関する二次部分とを有する2つの測定信号の一次信号部分に対する有効な近似を推定する。このサブルーチンは、特定的に
は脈拍酸素計測に適用されるモニタに対する図9のフローチャートに示されるステップを実行する別の方法である。2つの信号は、2つの異なる波長λa及びλbで測定され、λa
は典型的に可視光領域にあり、λbは赤外光領域にあるのが典型的である。例えば、一定
飽和度方法を用いる脈拍酸素計測を行うように特定的に書かれた本発明の実施形態では、λa=660nm、λb=940nmである。
結合プロセス推定手段の記載における式(54)〜(64)で規定された変数に対するプログラム変数の対応は以下の通りである:
Δm (t)=nc[m].Delta
Γf,m(t)=nc[m].fref
Γb,m(t)=nc[m].bref
fm (t)=nc[m].ferr
bm (t)=nc[m].berr
Fm (t)=nc[m].Fswsqr
Βm (t)=nc[m].Bswsqr
γm (t)=nc[m].Gamma
ρm,λa(t)=nc[m].Roh a
ρm,λb(t)=nc[m].Roh b
em,λa(t)=nc[m].err a
em,λb(t)=nc[m].err b
κm,λa(t)=nc[m].Κ a
κm,λb(t)=nc[m].Κ b
プログラムの第1部分は、動作ブロック120の「相関キャンセラの初期化」で示されるようにレジスタ90、92、96及び98と中間変数値の初期化を実行する。プログラムの第2部分は、動作ブロック130の「レフト[Z-1]エレメントの時間の更新」で示されるように、各遅延エレメント変数110の入力における値が遅延エレメント変数110に格納されるように遅延エレメント変数110の時間の更新を実行する。飽和度の計算は、別のモジュールで実行される。酸素飽和度の計算の種々の方法は当業者には公知である。かかる計算は、前掲のG.A.ムック(Mook)他とマイケル R.ニューマン(Michael R. Neuman )の文献に述べられている。酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度が決定されると、飽和度値は式(72)〜(79)と同様に決定され、時間t1 及びt2 における測定は、時間的には異なっているが飽和度が比較的一定である近い時間で行われる。脈拍酸素計測に対しては、時間t=(t1 +t2 )/2における平均飽和度は以下により決定される:
Δm (t)=nc[m].Delta
Γf,m(t)=nc[m].fref
Γb,m(t)=nc[m].bref
fm (t)=nc[m].ferr
bm (t)=nc[m].berr
Fm (t)=nc[m].Fswsqr
Βm (t)=nc[m].Bswsqr
γm (t)=nc[m].Gamma
ρm,λa(t)=nc[m].Roh a
ρm,λb(t)=nc[m].Roh b
em,λa(t)=nc[m].err a
em,λb(t)=nc[m].err b
κm,λa(t)=nc[m].Κ a
κm,λb(t)=nc[m].Κ b
プログラムの第1部分は、動作ブロック120の「相関キャンセラの初期化」で示されるようにレジスタ90、92、96及び98と中間変数値の初期化を実行する。プログラムの第2部分は、動作ブロック130の「レフト[Z-1]エレメントの時間の更新」で示されるように、各遅延エレメント変数110の入力における値が遅延エレメント変数110に格納されるように遅延エレメント変数110の時間の更新を実行する。飽和度の計算は、別のモジュールで実行される。酸素飽和度の計算の種々の方法は当業者には公知である。かかる計算は、前掲のG.A.ムック(Mook)他とマイケル R.ニューマン(Michael R. Neuman )の文献に述べられている。酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度が決定されると、飽和度値は式(72)〜(79)と同様に決定され、時間t1 及びt2 における測定は、時間的には異なっているが飽和度が比較的一定である近い時間で行われる。脈拍酸素計測に対しては、時間t=(t1 +t2 )/2における平均飽和度は以下により決定される:
サブルーチンの第3部分では、動作ブロック140の「2つの測定信号サンプルに対する一次基準若しくは二次基準(s'(t) 若しくはn'(t) )を計算する」で示されるように、式(3) のような一定飽和度方法により決定される比例定数ra (t)及びrv (t)を用いて信号Sλa(t)及びSλb(t)に対する一次基準若しくは二次基準が計算される。飽和度は、別のサブルーチンで計算され、ra(t)若しくはrv(t)の値は、複合測定信号Sλa(t)及びSλb(t)の一次部分sλa(t)及びsλb(t)若しくは二次部分nλa(t)及びnλb(t)を推定するためにこのサブルーチンに入れられる。
動作ブロック150の「ゼロステージ更新」で示されるようにプログラムの第4部分は、Zステージの更新を実行し、Zステージの後方予測誤差b0 (t)は計算されたばかりの基準信号n'(t) 若しくはs'(t) の値に等しくセットされる。さらに、中間変数F0 及びΒ0 (t)(プログラム中のnc[m].Fswsqr及びnc[m].Bswsqr)が計算され、回帰フィルタ80a及び80bにおける最小自乗格子型予測手段70中のレジスタ90、92、96及び98の値の設定に使用される。
プログラムの第5の部分は反復ループであり、ループカウンタMは、図9の動作ブロック160の「m=0」動作で示されるように、m=NC CELLSの最大値を有するようにゼロにリセットされる。NC CELLSは、ループの反復の所定の最大値である。例えば、NC CELLSの典型的な値は、6〜10である。ループの状態は、ループが最低5回反復するようにセットされ、変換テストが満足されるまで若しくはm=NC CELLSとなるまで反復し続ける。変換テストは、4つの予測誤差の重み付け合計プラス後方予測誤差の重み付け合計が小さい数、典型的には0.00001未満である(即ちFm (t)+Βm (t)≦0.00001)であるかどうかである。
プログラムの第6の部分は、動作ブロック170の「LSL予測手段のm番目のステー
ジの次数更新」に示されるように、前方及び後方反射係数Γm,f(t)及びΓm,b(t)レジスタ90及び92値(プログラム中のnc[m].fref及びnc[m],bref)を計算する。前方及び後方予測誤差fm (t)及びbm (t)(プログラム中のnc[m].ferr及びnc[m].berr)が計算される。さらに、中間変数Fm (t)、Βm (t)及びγ(t)(プログラム中のnc[m].Fswsqr、nc[m].Bswsqr、nc[m].gamma)が計算される。ループの第1サイクルは、プログラムのゼロステージ更新部分で計算されたnc[0].Fswsqr及びnc[0].Bswsqrを使用する。
ジの次数更新」に示されるように、前方及び後方反射係数Γm,f(t)及びΓm,b(t)レジスタ90及び92値(プログラム中のnc[m].fref及びnc[m],bref)を計算する。前方及び後方予測誤差fm (t)及びbm (t)(プログラム中のnc[m].ferr及びnc[m].berr)が計算される。さらに、中間変数Fm (t)、Βm (t)及びγ(t)(プログラム中のnc[m].Fswsqr、nc[m].Bswsqr、nc[m].gamma)が計算される。ループの第1サイクルは、プログラムのゼロステージ更新部分で計算されたnc[0].Fswsqr及びnc[0].Bswsqrを使用する。
プログラムの第5部分で開始されたループ内のプログラムの第7部分は、動作ブロック180の「回帰フィルタ(単数若しくは複数)のm番目のステージの次数の更新」に示されるように、両方の回帰フィルタ中の回帰係数レジスタ96及び98値κm,λa(t)及びκm,λb(t)(プログラム中のnc[m].K a及びnc[m].K b)を計算する。中間誤差信号em,λa(t)及びem,λb(t)と変数ρm,λa(t)及びρm,
λb(t)(サブルーチン中のnc[m].err a及びnc[m].err b、n
c[m].roh a及びnc[m].roh b)も計算される。
λb(t)(サブルーチン中のnc[m].err a及びnc[m].err b、n
c[m].roh a及びnc[m].roh b)も計算される。
ループは収束のテストをパスするまで反復される。結合プロセス推定手段の収束テストは、動作ブロック190の「実行」までループが反復する度毎に同様に実行される。前方予測誤差及び後方予測誤差の重み付け合計Fm (t)+Βm (t)が0.00001以下であれば、ループは終了する。そうでない場合には、プログラムの第6及び第7の部分が繰り返される。
このサブルーチンの出力は、プログラムに入力されるサンプルセットSλa(t)及び
Sλb(t)の一次信号部分に対する有効な近似s"λa(t)及びs"λb(t)又は二次
信号に対する有効な近似n"λa(t)及びn"λb(t)である。測定信号サンプルの多くのセットの一次信号部分若しくは二次信号部分に対する近似が結合プロセス推定手段により推定された後、出力のコンパイルは、各波長λa及びλbにおけるプレチスモグラフ波若しくは動作アーチファクトに対する有効な近似である波を提供する。
Sλb(t)の一次信号部分に対する有効な近似s"λa(t)及びs"λb(t)又は二次
信号に対する有効な近似n"λa(t)及びn"λb(t)である。測定信号サンプルの多くのセットの一次信号部分若しくは二次信号部分に対する近似が結合プロセス推定手段により推定された後、出力のコンパイルは、各波長λa及びλbにおけるプレチスモグラフ波若しくは動作アーチファクトに対する有効な近似である波を提供する。
付録Bのサブルーチンは、式(54)〜(64)を実行する1つの実施形態にすぎないことを理解されたい。正規化QRD−LSL式の実行も簡単であるが、正規化式のサブルーチンを付録Cとして添付し、QRD−LSLアルゴリズムのサブルーチンを付録Dとして添付する。
適応ノイズキャンセラ等の相関キャンセラで使用される基準信号を決定し、生理学的測定から一次成分及び二次成分を除去若しくは導出する本発明のプロセッサを備える生理学的モニタの1つの実施形態を脈拍酸素計測の形態で述べてきたが、他のタイプの生理学的モニタにも上述の技術を使用できることが当業者には明らかであろう。
さらに、本発明で述べた信号処理技術を用いて、連続した時間若しくは略連続した時間で生理学的システムの動脈血液酸素飽和度及び静脈血液酸素飽和度を計算することもできる。これらの計算は、生理学的システムが故意の動作影響を受けるか否かにかかわらず、実行され得る。
さらに、基準信号を決定するために一次信号部分若しくは二次信号部分を除去又は導出することを可能にするログ変換以外の測定信号の変換及び比例ファクタの決定も可能であることが理解されるであろう。さらに、比例ファクタrは第1信号の一部対第2信号の一部の比として本文中で述べられたが、第2信号の一部対第1信号の一部の比として決定された同様の比例定数も本発明のプロセッサで使用され得るであろう。後者の場合、二次基
準信号は、概してn'(t) =nλb(t)−rnλa(t)に類似するであろう。
準信号は、概してn'(t) =nλb(t)−rnλa(t)に類似するであろう。
さらに、結合プロセス推定以外の相関キャンセル技術を本発明の基準信号と共に使用できることが理解される。これらは、とりわけ、最小自乗アルゴリズム、ウェーブレット(wavelet)変換、スペクトル推定技術、ニューラルネットワーク、ウェイナー及びカルマン(Weiner and Kalman )フィルタを含むが、これらに限定されない。
当業者は、多くの異なるタイプの生理学的モニタに本発明の技術を使用できることを理解するであろう。他のタイプの生理学的モニタは、心電図、血圧モニタ、血液成分モニタ(酸素飽和度以外)、カプノグラム、心拍数モニタ、呼吸モニタ、若しくは麻酔深さモニタ等を含むが、これらに限定されない。さらに、ブレサライザー、薬物モニタ、コレステロールモニタ、グルコースモニタ、二酸化炭素モニタ、若しくは一酸化炭素モニタ等の人体内の物質の圧力及び量を測定するモニタに上述の技術を使用することもできる。
さらに、一次成分及び二次成分の両成分を含む複合信号から一次信号若しくは二次信号を除去又は導出する上述の技術はまた、非常に密に相互相関する、人体の部位から導かれる心電図(ECG)の信号にも実行できることを、当業者は理解するであろう。図31で示されるような3極ラプラシアン電極センサ(これは、「IEEE Transactions on Biomedical Engineering 」という文献の39巻第11号(1992年11月)に含まれるビン ヒー(Bin He)とリチャード ジェイ.コーヘン(Richard J. Cohen)による「Body Surface Laplacian ECG Mapping」という論説において述べられた2極ラプラシアン電極の変形である)をECGセンサとして使用できることを理解されたい。本発明の要求を満たすように用いられ得る無数の可能なECGセンサの形態が存在することも理解されるべきである。同タイプのセンサはEEG及びEMG測定にも使用できる。
さらに当業者は、透過エネルギーではなく、反射エネルギーから構成される信号にも上述の技術を実行できることを理解するであろう。音響エネルギー、X線エネルギー、γ光線エネルギー、若しくは光エネルギーを含む(しかしこれらに限定されない)任意のタイプのエネルギーの測定信号の一次部分若しくは二次部分を上述の技術により推定できることも理解されるであろう。故に当業者は、信号が人体の一部を透過され、人体のこの部分を戻るように人体内から反射される超音波を用いるモニタ等のモニタにも本発明の技術を適用できることを理解するであろう。さらにエコーカルジオグラフィ等のモニタは、透過及び反射に依存するところが大きいので、本発明の技術を使用することができる。
生理学的モニタにより本発明を述べてきたが、本発明の信号処理技術は、生理学的信号の処理を含む(しかしこれに限定されない)多くの領域で使用されることができる。本発明は、検出器を含む信号プロセッサが、第1の一次信号部分及び第1の二次信号部分を含む第1信号部分と第2の一次信号部分及び第2の二次信号部分を含む第2信号部分とを含む第1信号を受信する任意の状況において本発明を提供することができる。故に本発明の信号プロセッサは、多数の信号処理領域に容易に適用可能である。
付録 A
効率的な多位相回帰全通過フィルタを使用したデジタル信号処理
フレッド ハリス* 、マキシミリエン ドゥ’オレエ ドゥ ラントレマンジェ、及びエイ・ジー.コンスタンチニデス**
* アメリカ合衆国 92182−0190 カリフォルニア州 サンディエゴ
サンディエゴ州立大学 電気コンピューター工学技術部
**イギリス国 ロンドン ディー ダブリュ 7−2 ビー ティー イクシビッション
ロード 化学技術医科帝国大学 電気工学部 信号処理課
要約:デジタルフィルタは、多位相回帰全通過回路網として著しく小さな計算負荷で実現されることができる。これらのネットワークはM並列全通過サブフィルタの合計として、位相偏移を通過帯域の中に建設的に加えさせ且つ停止帯域に破壊的に加えさせるように選択させて、形成される。我々がここで提供する設計技術は、新しい最適化アルゴリズム(後に詳細に述べられる)によって得られるプロトタイプのM−通過回帰全通過フィルタである。これらのフィルタは、全通過座標変換、再サンプリング、及びカスケード選択の組み合わせで操作される。我々は、ここで提供する技術によって得られるサンプリングシステムの例に沿って、この新しいアルゴリズムを使用した幾つかの設計について表す。
International Conference on Signal Processingでの報告
1991年9月4月〜6月、イタリア、フィレンツェ
1.イントロダクション
標準の有限インパルス応答(FIR)フィルタが図32に示されたようにタップ付き遅延線の内容の重み付け合計としてモデルにされることができる。この合計は(1)に表され、このフィルタの伝達関数は(2)に表される。
効率的な多位相回帰全通過フィルタを使用したデジタル信号処理
フレッド ハリス* 、マキシミリエン ドゥ’オレエ ドゥ ラントレマンジェ、及びエイ・ジー.コンスタンチニデス**
* アメリカ合衆国 92182−0190 カリフォルニア州 サンディエゴ
サンディエゴ州立大学 電気コンピューター工学技術部
**イギリス国 ロンドン ディー ダブリュ 7−2 ビー ティー イクシビッション
ロード 化学技術医科帝国大学 電気工学部 信号処理課
要約:デジタルフィルタは、多位相回帰全通過回路網として著しく小さな計算負荷で実現されることができる。これらのネットワークはM並列全通過サブフィルタの合計として、位相偏移を通過帯域の中に建設的に加えさせ且つ停止帯域に破壊的に加えさせるように選択させて、形成される。我々がここで提供する設計技術は、新しい最適化アルゴリズム(後に詳細に述べられる)によって得られるプロトタイプのM−通過回帰全通過フィルタである。これらのフィルタは、全通過座標変換、再サンプリング、及びカスケード選択の組み合わせで操作される。我々は、ここで提供する技術によって得られるサンプリングシステムの例に沿って、この新しいアルゴリズムを使用した幾つかの設計について表す。
International Conference on Signal Processingでの報告
1991年9月4月〜6月、イタリア、フィレンツェ
1.イントロダクション
標準の有限インパルス応答(FIR)フィルタが図32に示されたようにタップ付き遅延線の内容の重み付け合計としてモデルにされることができる。この合計は(1)に表され、このフィルタの伝達関数は(2)に表される。
フィルタの周波数依存ゲインに関係があるのは位相偏移であって重み付け項ではないことに注意頂きたい。この重み付け項は、主にフィルタの通過帯域幅及び停止帯域減衰を制御するために使用される。空間的ビーム化(ビームスポイルとして公知である)(1)及び信号合成(peak-to-rms 制御)(2)から得られるアイデアは、同じ目的を果たすために構成された位相偏移を(任意の振幅で)使用することである。
我々がここで記載するフィルタのクラスは、FIRフィルタの重みを周波数依存位相変位で単位ゲインを示す全通過サブフィルタに置き換える。多位相構造を予期して、全通過サブフィルタ(図34(3)に図示)は、Zn の一次多項式であり、Mは該構造のタップの数である。この複合形式は、41bの多位相構造を反映した修飾された形式で図41aに表されている。この構造の伝達関数は(4)に表されている。
図44a及び44bは、各通過につきそれぞれ2つ及び3つの全通過ステージを有する2通過及び5−通過フィルタのためのこの新しいアルゴリズムから得られた等しいリップル設計の例を表す。最適な設計への相互抑制(前述の論文誌に述べた)は、5−通過フィルタの各通過当りのステージの可能数を、最適5−通過フィルタが該設計に割り当てられたものより3つ少ないステージを使用するように、シーケンス(1、1、1、1、0)、(2、2、2、1、2)、(3、3、2、2、2)、等に制限する。同様に、2通過フィルタはシーケンス(1、1)、(2、1)、(2、2)、(2、3)、(3、3)、等に制限される。
2.2通過フィルタ
我々は、たとえ我々の論点を2通過フィルタに絞ったとしても、この構造には多くの興味深い特性と明確な用途があることを発見した。設計されたように、2通過フィルタは、0.25fで3dB帯域幅の半帯域幅フィルタである。このゼロ点が半分のサンプリング周波数に制限されれば、該フィルタは標準アープされた双一次変換によって得られた半帯域幅バターワースと同じである。この特別ケースの場合、根の位置の実数部はゼロになる。もしこのゼロ点が等価リップル停止帯域の動作のために最適化されたら、該フィルタは制約された楕円形フィルタになる。この制約は、相補全通過フィルタの特性に関係がある。我々は、2通過フィルタのための全通過セクションをH0 (0)及びH1 (0)に決め(図35に図示)、合計の半分及びこれらの通過の差A(0)及びB(0)をそれぞれ低域通過及び高域通過フィルタに決める。我々は、全通過セクションが(5)を満たし、この(5)から我々は(6)に示される低域通過フィルタと高域通過フィルタとの間のパワーの関係を導き出す。
2.2通過フィルタ
我々は、たとえ我々の論点を2通過フィルタに絞ったとしても、この構造には多くの興味深い特性と明確な用途があることを発見した。設計されたように、2通過フィルタは、0.25fで3dB帯域幅の半帯域幅フィルタである。このゼロ点が半分のサンプリング周波数に制限されれば、該フィルタは標準アープされた双一次変換によって得られた半帯域幅バターワースと同じである。この特別ケースの場合、根の位置の実数部はゼロになる。もしこのゼロ点が等価リップル停止帯域の動作のために最適化されたら、該フィルタは制約された楕円形フィルタになる。この制約は、相補全通過フィルタの特性に関係がある。我々は、2通過フィルタのための全通過セクションをH0 (0)及びH1 (0)に決め(図35に図示)、合計の半分及びこれらの通過の差A(0)及びB(0)をそれぞれ低域通過及び高域通過フィルタに決める。我々は、全通過セクションが(5)を満たし、この(5)から我々は(6)に示される低域通過フィルタと高域通過フィルタとの間のパワーの関係を導き出す。
あらゆるフィルタ設計と同様、推移帯域幅は固定された次数で帯域減衰の外に交換されることができる、又は推移帯域幅はフィルタ次数を増加させることによって固定された減衰のために急勾配にされることができる。2通過構造によって実施されることができる楕円形フィルタ及びバターワースフィルタのためのモノグラフがあるが、等価リップルフィルタの簡単なおよその関係は(9)に表されており、この場合、A(dB)はdBで表した減衰であり、Δfが推移帯域幅だとすると、Nはフィルタにおける全通過セグメントの総数である。
ヒルベルト変換は、半帯域フィルタの特定のタイプであると考えられる。これは広帯域90’位相変位回路網をモデルにし、実行することができる。HTは
(10)に表されたような解析信号a(n)を形成するためにDSPアプリケーションにしばしば使用され、この信号は正(又は負)の周波数帯域に制限されるスペクトラムを有する信号である。
2B.補間及びデシメーションフィルタ
2対1の再サンプリング(アップ又はダウン、一般に補間及びデシメーションとして識別される)をするためにいかなる半帯域幅のフィルタが使用されてもよい。有限インパルス応答(FIR)フィルタは、挿入されたゼロ入力ポイント
(アップサンプリング)を処理しない多位相分配で操作されることができる、又は棄てられた出力ポイント(ダウンサンプリング)を計算することができる。このオプションは、一般の回帰フィルタには使用できないが、回帰全通過M−通過フィルタのためのオプションである。M−通過フィルタは、M次サブフィルタの内部遅延及び各通過の遅延線の相互作用のために、多位相セグメントに区切られる。この関係は、特に2−通過フィルタに特に簡単に見られる。インデックスn0 に加えられたインパルスは高域側通過を介して同時に出力に貢献する一方、該低域側通過からはその超過遅延Z1 によって次のインデックスまで出力が得られない。その同じ次のインデックスの間、高域側通過は、そのZ2 多項式に関連するZ1 通過がないので、出力に貢献しない。従って、該フィルタは該フィルタの交互の通過からのインパルス応答の連続的なサンプルを与える。
2対1の再サンプリング(アップ又はダウン、一般に補間及びデシメーションとして識別される)をするためにいかなる半帯域幅のフィルタが使用されてもよい。有限インパルス応答(FIR)フィルタは、挿入されたゼロ入力ポイント
(アップサンプリング)を処理しない多位相分配で操作されることができる、又は棄てられた出力ポイント(ダウンサンプリング)を計算することができる。このオプションは、一般の回帰フィルタには使用できないが、回帰全通過M−通過フィルタのためのオプションである。M−通過フィルタは、M次サブフィルタの内部遅延及び各通過の遅延線の相互作用のために、多位相セグメントに区切られる。この関係は、特に2−通過フィルタに特に簡単に見られる。インデックスn0 に加えられたインパルスは高域側通過を介して同時に出力に貢献する一方、該低域側通過からはその超過遅延Z1 によって次のインデックスまで出力が得られない。その同じ次のインデックスの間、高域側通過は、そのZ2 多項式に関連するZ1 通過がないので、出力に貢献しない。従って、該フィルタは該フィルタの交互の通過からのインパルス応答の連続的なサンプルを与える。
ダウンサンプリングは、減少された入力レートで動作する該フィルタの各通過に交互の入力サンプルを与えることによって達成される。第二通過の遅延が入力コミュテーション
によって達成されるので、その通過の物理的な遅延は除去される。フィルターされダウンサンプルされた出力は、該二つの通過の応答の合計又は差異によって生成される。入力サンプルポイント当りの計算レートは、再サンプルされなかったフィルターのものの半分であり、従って図44aの2−通過フィルタがダウンサンプリングに使用されるなら、入力ポイント当り3回乗算を実行する。
によって達成されるので、その通過の物理的な遅延は除去される。フィルターされダウンサンプルされた出力は、該二つの通過の応答の合計又は差異によって生成される。入力サンプルポイント当りの計算レートは、再サンプルされなかったフィルターのものの半分であり、従って図44aの2−通過フィルタがダウンサンプリングに使用されるなら、入力ポイント当り3回乗算を実行する。
アップサンプリングはダウンサンプリングプロセスを逆にすることによってなされる。これは該2通過への同じ入力の伝送、及びそれらの出力間の変換を伴う。再サンプリングの両形態は、図37に図示されている。前の例においてと同様、図44aの2−通過フィルタがアップサンプリングに使用される場合、出力ポイント当り3回乗算を実行する。
補足的出力のダウンサンプリング及びアップサンプリングのカスケード操作は、2帯域マキシマリデシメーテッドクオドレチャミラーフィルタリング及び再構成(5)を実行する。
アップサンプリングフィルタ又はダウンサンプリングフィルタの複数ステージのカスケード化は、データポイント当り著しく少ないワークをロードして高次サンプルレート変換を達成することができる。例えば、0.4fのカットオフ周波数を有する信号に対して96dBダイナミックレンジを有する1対16のアップサンプラーは、次数 (3、3)、
(2、2)、(2、1)及び(1、1)の全通過ステージの連続的に少ない数を有する2−通過フィルタを要する。これは出力ポイント当り約2.7回の演算の平均ワークロードでは、16の出力のために全部で42回乗算を必要とする。
(2、2)、(2、1)及び(1、1)の全通過ステージの連続的に少ない数を有する2−通過フィルタを要する。これは出力ポイント当り約2.7回の演算の平均ワークロードでは、16の出力のために全部で42回乗算を必要とする。
2C.反復多位相全通過フィルタ
最初の方で述べた全通過回路網は、Zn の多項式によって、及び特に2−通過フィルタにはZ2 によって形成される。オリジナルフィルタのK倍のスペクトル反復を示す高次フィルタを得るために有効な変換は、各Z2 をZ2kに置き換えることである。K=2の場合、DCに集中した半帯域フィルタは、DC及びf,/2に集中した一対の1/4帯域フィルタになる。反復フィルタのスペクトル反復の例は、図38に示されている。
最初の方で述べた全通過回路網は、Zn の多項式によって、及び特に2−通過フィルタにはZ2 によって形成される。オリジナルフィルタのK倍のスペクトル反復を示す高次フィルタを得るために有効な変換は、各Z2 をZ2kに置き換えることである。K=2の場合、DCに集中した半帯域フィルタは、DC及びf,/2に集中した一対の1/4帯域フィルタになる。反復フィルタのスペクトル反復の例は、図38に示されている。
この変換が1/Kによってプロトタイプのフィルタのスペクトルを換算し、通過帯域幅及び推移幅の両方を減少させることに注意願いたい。従って、非常に急な推移帯域幅及び狭いフィルタは、遅延要素を介して得られる2K次の低次多項式の使用により実現される。反復スペクトル領域におけるエネルギーは、様々な次数の再サンプリングを取り入れたフィルタ及び減少された次数の反復フィルタのシーケンスによって、除去されることができる。
3.有効全通過フィルタバンク
有効スペクトル分配は、反復低域通過フィルタ及びHTフィルタの出力をカスケード化及び再サンプリングすることによって得られる。例えば、4つのクワドラントに集中した4チャネルフィルタバンクのスペクトルは、相補半帯域フィルタによって形成されることができ、これに図39の左側に表されたような再サンプリングされた一対のHTフィルタが続く。この70dB減衰フィルタセットのためのワークロードは、出力チャネル当り3回の乗算である。
3.有効全通過フィルタバンク
有効スペクトル分配は、反復低域通過フィルタ及びHTフィルタの出力をカスケード化及び再サンプリングすることによって得られる。例えば、4つのクワドラントに集中した4チャネルフィルタバンクのスペクトルは、相補半帯域フィルタによって形成されることができ、これに図39の左側に表されたような再サンプリングされた一対のHTフィルタが続く。この70dB減衰フィルタセットのためのワークロードは、出力チャネル当り3回の乗算である。
以前のセットをストラッドルする4−チャネルフィルタバンク(即ち4つの主軸方向に集中した)は、2つの相補半帯域フィルタによって、次に相補半帯域再サンプルフィルタ及び再サンプルHTフィルタによって反復されて、形成されることができる。このフィルタセットのこのスペクトルは、図39の右側に表される。この70dB減衰フィルタセットのためのワークロードは、出力チャネル当り2回の乗算である。
4.他の全通過変換
プロトタイプの相補全通過フィルタセットはまた、標準の全通過変換(6)によって任意帯域幅及び任意の中心周波数のフィルタに変換されることもできる。半帯域フィルタのための低域通過変換は(12)に示される。
4.他の全通過変換
プロトタイプの相補全通過フィルタセットはまた、標準の全通過変換(6)によって任意帯域幅及び任意の中心周波数のフィルタに変換されることもできる。半帯域フィルタのための低域通過変換は(12)に示される。
帯域通過変換は、(13)に表される。
他の変換及び幾何学(7)は、デジタル全通過構造と共に使用されることができ、読者は豊富なオプションのために列挙された本論文の参考文献に向けられる。
単位サークルの周りを囲むと、全通過サブフィルタが各極ゼロペアの近くの位相において急速な変化を示していることがはっきりする。極の位置を適切に選択することによって、M通過フィルタの各レッグの位相変位は、選択されたスペクトル間隔以上に2π/Mの乗算によってマッチさせられる又は変化されることができる。これはM=2及びM=4で図43a−図43dで示されている。全通過サブフィルタの係数は、標準アルゴリズム(3)又はハリス及びドレイエによって開発された新しいアルゴリズムによって決定されることができ、最近出版された論文誌(SignalProcessing誌)に報告されている。
5.結論
全通過多相フィルタ構造の形成及び使用性を検証した。次に我々はM−通過全通過フィルタセットに簡単に適用できる幾つかの全通過変換を提供した。2−通過回路網について強調されたが、本論文は任意のMに簡単に拡張することができる。M通過フィルタを設計するための新しいアルゴリズムのセットについて言及したが、これは近い将来SignalProcessing誌に報告されるであろう。我々は本論文に表された例を生成するために使用するためのこのアルゴリズムの可能性を呈示してきた。
5.結論
全通過多相フィルタ構造の形成及び使用性を検証した。次に我々はM−通過全通過フィルタセットに簡単に適用できる幾つかの全通過変換を提供した。2−通過回路網について強調されたが、本論文は任意のMに簡単に拡張することができる。M通過フィルタを設計するための新しいアルゴリズムのセットについて言及したが、これは近い将来SignalProcessing誌に報告されるであろう。我々は本論文に表された例を生成するために使用するためのこのアルゴリズムの可能性を呈示してきた。
これらの構造の主な利点は、所与のフィルタータスクのための非常に低いワークロードである。他の紙(8、9、10)は、これらのフィルタによって呈示された有限演算への低感度について論じた。これらのフィルタの使用に対する主な障害は、これらの新しさ及びフィルタ重み計算のための利用可能な設計方法の欠如である。(該書籍において拝聴された優秀な調査に沿った)本論文は第一の問題を扱い、次の論文は第二の問題を扱う。
6.Acknowledgment
この研究は、サンディエゴ州立大学(SDSU)及びカリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)の総合回路システム(ICAS)についての、産業/大学共同リサーチセンター(I/UCRC)が一部スポンサーとなった。
6.Acknowledgment
この研究は、サンディエゴ州立大学(SDSU)及びカリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)の総合回路システム(ICAS)についての、産業/大学共同リサーチセンター(I/UCRC)が一部スポンサーとなった。
7.文献
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Claims (2)
- 心拍の影響を受けた血液を移動させている人体組織によって、減衰する少なくとも第1及び第2の波長の光を検出するように構成され、検出光に基づいて一つ以上の出力信号を出力するように構成される光検出器と、
1つ以上の出力信号のうちの1つから動作誘導ノイズを除去するのに適している第1の計算手法(i)、及び、第2の計算手法(ii)を利用できる、電子処理システムを含む患者監視装置であって、
前記電子処理システムが、第1及び第2の計算手法のうちの少なくとも1つを用いることにより生理学的パラメータを表す値を決定する、
患者監視装置。 - パルシング血液を移動させている人体組織により減衰される少なくとも第1及び第2の波長の光を検出するように構成され、検出光に基づいて1つ以上の出力信号を出力するように構成される光検出器と、
少なくとも1つ以上の出力信号のうちの少なくとも1つのタイム・ドメイン解析における少なくとも一部に基づく第1の計算手法、及び、少なくとも1つ以上の出力信号のうちの少なくとも1つの周波数ドメイン解析における少なくとも一部に基づく第2の計算手法を利用できる電子処理システムと、
を含み、
前記電子処理システムは、前記第1及び第2の計算手法のうちの少なくとも1つを用い
ることにより生理学的パラメータを表示する値を決定する、
患者監視装置。
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