JP2012095940A - 脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】体動に対して頑健性を有し脈拍変化にも追随可能な脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法を提供する。
【解決手段】生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、時間幅に基づいて脈拍推定値を算出する時間幅測定工程と、受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算し、スペクトル分布に基づいて脈拍推定値を算出するスペクトル分布計算工程と、時間幅測定工程及びスペクトル分布計算工程のそれぞれにおける、現時刻の脈拍推定値と前時刻までの脈拍推定値との重み付き平均により脈拍数を算出する脈拍数算出工程と、を有し、時間幅測定工程、スペクトル分布計算手段、及び脈拍数算出工程を逐次実行することにより、時系列の脈拍推定値及び脈拍数を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、血管組織からのＬＥＤ透過光又は反射光を利用した脈拍計及び血中酸素飽和度測定のためのパルスオキシメータにおいて、受光信号のディジタル処理法に関するものである。

従来の脈拍計として、血管組織からのＬＥＤ透過光又は反射光に対する受光信号波形において、各周期でのピーク及びボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又はボトム間の時間幅から脈拍数を推定する方法がある。
また、従来のパルスオキシメータでは、赤色光及び赤外光のそれぞれの信号波形に対するピーク値及びボトム値を読み取ることにより、両者の比から血中酸素飽和度を求めている。

いずれも体動などの外来雑音がないことを前提としており、わずかでも雑音が混入すると信号波形の周期性が乱れ、本来脈拍に同期すべき波形のピークやボトムが無秩序に現れるため、正しく脈拍が推定されず、それに基づいて計算される血中酸素飽和度にも大きな誤差がともなう。

これら以外に従来の方法として、周波数スペクトル分布において脈拍成分が基本周波数の整数倍の位置に鋭いピークを形成する倍音スペクトル構造を有することに着目し、これを利用する方法がある。この方法では、倍音ピークの位置が脈拍周波数を表すことを用いて赤色光及び赤外光に対するそれぞれのピーク値の比から血中酸素飽和度を計算している。

しかし、この方法では、雑音成分の周波数が脈拍成分の周波数と大きく異なる場合には雑音に良い耐性を示すものの、両者が近接又は一致する場合は雑音の影響を避けることは難しい。

特許第２８１６９４４号明細書 特開２００８−２２０７２２号公報 特開２００２−１７６９４号公報 特開２００９−２２４８４号公報

雑音成分の周波数と脈拍成分の周波数が近接又は一致する場合に雑音の影響を避け難いという問題に対して、加速度センサなどを利用して体動を検出し、その周波数スペクトル分布と、脈拍信号の倍音スペクトル構造との違いに着目して、体動による雑音の影響を減じる方法が提案されている（特許文献１）。
しかし、この方法は、加速度センサを別に設ける必要があり、装置のコストアップにつながること、及び、加速度センサから検出された信号が必ずしも体動を忠実に表しているとは限らないことから、雑音抑制の効果が限定的であるなどの問題がある。

これに対して、別のセンサを用いることなしに、受光信号をアナログフィルタ処理することにより、体動の影響を除く方法も提案されている（特許文献２）。
この方法では、ＬＥＤ発光の点滅周波数を脈拍周波数より十分高く設定し、その点滅周波数近傍の周波数成分を抽出するフィルタと、それより低い周波数成分を抽出するフィルタを用い、後者により体動の周波数スペクトル成分を得て、それを前者から取り除くことによって脈拍情報を得るものである。

しかし、この方法は、体動による外来光の浸入が原因となる雑音を取り除くのには有効であるが、ＬＥＤ光の照射位置のずれや血流の乱れなどにより、血管組織を経由した透過光又は反射光に混入した雑音成分に対する分離は困難である。

また、受光信号の周波数スペクトルに対する処理により、体動の影響を取り除く方法も提案されている。
例えば、あるレベル以上のスペクトルピークが複数存在する場合には体動の影響があると判断し、前時刻で推定された脈拍スペクトルピークに周波数及びピーク値として近いものを選択する方法（特許文献３）や、脈拍信号の周波数スペクトピークが互いに倍音関係にあることを用いて、体動の周波数スペクトルピークと区別するする方法（特許文献４）が提案されている。
しかし、いずれの方法も、体動の影響が大きくなり一旦脈拍のスペクトルピークを追跡し損なうと、正しい脈拍ピークへの復帰が難しく、安定した脈拍推定が困難になるという問題がある。

そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ透過・反射光を利用した脈拍数の測定と血中酸素飽和度の測定に関して、体動に対して頑健性を有し脈拍変化にも追随可能にするディジタル信号処理方式を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の脈拍数測定方法は、生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、時間幅に基づいて脈拍推定値を算出する時間幅測定工程と、受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算し、スペクトル分布に基づいて脈拍推定値を算出するスペクトル分布計算工程と、時間幅測定工程及びスペクトル分布計算工程のそれぞれにおける、現時刻の脈拍推定値と前時刻までの脈拍推定値との重み付き平均により脈拍数を算出する脈拍数算出工程と、を有し、時間幅測定工程、スペクトル分布計算手段、及び脈拍数算出工程を逐次実行することにより、時系列の脈拍推定値及び脈拍数を得ることを特徴としている。

本発明の脈拍数測定方法は、生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、それに対応する倍音スペクトル分布を生成する時間幅測定工程と、受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算するスペクトル分布計算工程と、現時刻における倍音スペクトル分布、現時刻におけるスペクトル分布、並びに、前時刻までに得られた倍音スペクトル分布及びスペクトル分布の重み付き平均をとることによりスペクトル分布を更新するスペクトル分布更新工程と、を有し、時間幅測定工程、スペクトル分布計算工程、及びスペクトル分布更新工程を逐次実行することにより、各時刻での脈波のスペクトル分布を求めた上で、その最大ピーク周波数から脈拍数を算出することを特徴としている。

本発明の脈拍数測定方法においては、生体の体動により、時間幅測定工程において時間幅の測定が困難な場合は、スペクトル分布計算工程において計算した、現時刻のスペクトル分布と前時刻の推定値を用いて脈拍数を算出することが好ましい。

本発明の脈拍数測定方法においては、脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、周波数が倍音関係にないピークは、体動成分であると判断し追跡対象から除外することが好ましい。

本発明の脈拍数測定方法においては、脈派のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択することが好ましい。

本発明の血中酸素飽和度測定方法は、上述のいずれかの脈拍数測定方法によって算出された脈拍数を基準として、赤色光及び赤外光について受光した受光素子による受光信号の周波数解析によって得られたスペクトル分布において脈拍数の周波数に最も近いスペクトルピークを選択し、赤色光及び赤外光についてのスペクトルピークの値の比から第１血中酸素飽和度を求め、スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第２血中酸素飽和度を推定し、第１血中酸素飽和度と第２血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴としている。

本発明の血中酸素飽和度測定方法においては、第２血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、平均の計算から除外することが好ましい。

また、スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対してｎ倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第ｎ血中酸素飽和度を推定し、第１から第ｎ血中酸素飽和度までの平均あるいは取捨選択により最終的な血中酸素飽和度を算出してもよい。

本発明の血中酸素飽和度測定方法では、第ｎ血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、平均の計算から除外する。

本発明の脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法によると、体動に対して頑健性を有し脈拍変化にも追随可能であるため、脈拍計及びパルスオキシメータの測定精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る脈拍測定の流れを示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る脈拍測定の流れを示すフローチャートである。 図２に示すダウンサンプリングの出力波形の例を示すグラフである。 図２に示すスペクトル分布の例を示すグラフである。 図２に示す倍音スペクトル分布の例を示すグラフである。 図２に示すスペクトル分布の加算によって生成されたスペクトル分布の例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る血中酸素飽和度測定の流れを示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る血中酸素飽和度測定の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る図８に示すスペクトル分布の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。
本発明は、ＬＥＤを照射した生体の血管組織からの透過光及び／又は反射光を利用した脈拍及び血中酸素飽和度の計測において、体動下でも安定かつ高精度な測定を可能にする信号処理方式を提供するものである。

以下に説明する実施形態では、前記透過光及び／又は反射光の受光信号から得られる脈波信号のピーク・ボトムを検出する波形ピーク・ボトム検出法と、前記受光信号の短時間周波数解析から脈波スペクトルを計算するスペクトル解析法と、を併用している。

さらに、前述の波形ピーク・ボトム検出法とスペクトル解析法のそれぞれにおいて脈拍推定を行い、その結果（現時刻での推定結果）と前時刻までの推定結果とを統合することにより、体動の状況に対応した最終的な脈拍値を得る。
具体的な処理の流れは下記のとおりである。

まず、脈拍の推定について、図１〜図６を参照しつつ説明する。図１は、脈拍測定の流れを示すブロック図である。図２は、脈拍測定の流れを示すフローチャートである。図３は、図２に示すダウンサンプリング（ステップＳ１００）の出力波形の例を示すグラフである。図４は、図２に示すスペクトル分布（ステップＳ１０３）の例を示すグラフである。図５は、図２に示す倍音スペクトル分布（ステップＳ１０６）の例を示すグラフである。図６は、図２に示すスペクトル分布の加算（ステップＳ１０８）によって生成されたスペクトル分布の例を示すグラフである。

図１を参照して、ダウンサンプリング出力までの流れを説明する。
パルス発生器１０１からのパルス信号はアンプ１０２で増幅され、このパルス信号によりＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１０３が駆動される。ＬＥＤ１０３は、一定の周波数（例えば２００Ｈｚ）で測定対象物Ｓ側へ発光する。受光素子１０４は、指や耳たぶなどの生体内血管組織Ｓを通過又は反射した光を受光する。脈拍にあわせて血管断面積が変化しそれに応じて光の減衰量が変わるため、受光素子１０４が受光した光は生体内血管組織Ｓにおける脈波に対応した振幅が生じる。

受光素子１０４は受光した光に対応する受光信号を出力する。この受光信号は、アンプ１０５で増幅される。増幅・同期された受光信号は、Ａ／Ｄ変換器１０６によりディジタル信号に変換される。この変換は、省電力化のために発光している間だけ回路が動作するように、パルス発生器１０１からＬＥＤ１０３への出力信号と同期制御される。

Ａ／Ｄ変換器１０６によってディジタル信号は、ＤＣカット回路１０７によって不要なＤＣ（直流）成分をカットされる。さらに、この信号は、脈拍推定には不要な周波数成分（例えば５０Ｈｚ以上）をＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１０８でカットされ、ダウンサンプリングされた信号１０９が出力される。このダウンサンプリング出力信号１０９（図３、図２のステップＳ１００）の周波数は、例えば２５Ｈｚである。

また、Ａ／Ｄ変換器１０６によってディジタル信号に変換された信号は、ピーク・ボトム検出のために、ＬＦＰ１２０によって高周波ノイズが除去される。このＬＦＰ１２０は、例えば、８サンプル移動平均を実行する。

ダウンサンプリング出力信号１０９は脈拍検出部１１０で処理される。この処理工程について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
窓関数演算回路１１１は、ダウンサンプリングされた信号１０９（ステップＳ１００）に窓関数を乗じる（ステップＳ１０１）。この演算結果に対して、ＦＦＴ回路１１２は、例えば５秒の時間幅に切り出した後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行する（ステップＳ１０２）。つづいて、スペクトル分布計算回路１１３が、高速フーリエ変換された信号から周波数スペクトル分布（スペクトル分布１）を算出する（ステップＳ１０３、スペクトル分布計算工程）。このような短時間周波数解析によって算出された周波数スペクトル分布の例を図４に示す。また、スペクトル分布計算回路１１３は、算出したスペクトル分布に基づいて脈拍推定値を算出する。

一方、時間幅測定回路１１４は、ＬＦＰ１２０によって高周波ノイズがカットされた信号の波形の各周期におけるピークとボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又は各ボトム間の時間幅を算出する（ステップＳ１０４、時間幅測定工程）。スペクトル分布計算回路１１５は、算出された時間幅から脈拍の推定が可能か否かを判断する（ステップＳ１０５）。脈拍の推定が可能と判断した場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、スペクトル分布計算回路１１５は、時間幅に基づいて脈拍推定値及び脈拍周波数を算出し、この脈拍周波数の倍音位置にピークが現れるように倍音スペクトル分布（合成スペクトル分布）を生成する（ステップＳ１０６）。生成された倍音スペクトル分布の例を図５に示す。

脈拍の推定が可能でないと判断した場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、スペクトル分布計算回路１１５はスペクトル分布を生成しない（ステップＳ１０７）。

次に、加算回路１１６は、ステップＳ１０３で算出した元スペクトル分布と、ステップＳ１０６で生成した倍音スペクトル分布と、これら両スペクトル分布の前時刻のスペクトル分布（ステップＳ１０９）と、を一定の割合で加算し、これをもって現時刻でのスペクトル分布を生成・更新し、このスペクトル分布から脈拍数を算出する（ステップＳ１０８、脈拍数算出工程、スペクトル分布更新工程）。この加算に用いる前時刻のスペクトル分布は、スペクトル分布計算回路１１３が算出したスペクトル分布１とスペクトル分布計算回路１１５が生成した倍音スペクトル分布を、遅延回路１１７が時系列で記憶し、現時刻よりも１つ前の時刻のスペクトル分布を加算回路１１６へ出力する。また、一定の割合での加算は、例えば、スペクトル分布１、倍音スペクトル分布、及び前時刻のスペクトル分布について重み付け平均することにより行う。生成された修正スペクトル分布の例を図６に示す。

つづいて、ピーク検出回路１１８は、修正スペクトル分布において前時刻の脈拍推定値に最も近い周波数をとるピークを選択する（ステップＳ１１０）。このとき、ピーク検出回路１１８は、選択したピークの近傍に、基準異常のピーク値をとり、かつ、そのピーク周波数の２倍以上の整数倍の値を持つピーク（倍音ピーク）が存在しているか否かを判断する（ステップＳ１１１）。このような倍音ピークが存在している場合（ステップＳ１１１でＹＥＳ）、その倍音ピークを選択し（ステップＳ１１２）、そのピーク周波数をもって現時刻における最終的な脈拍値とする（ステップＳ１１３）。

ここで、ステップS１１０における脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択する。

一方、倍音ピークが存在しない場合（ステップＳ１１１でＮＯ）、選択されたピークが体動成分であると判断して追跡対象から除外し、ステップＳ１１０で選択したピーク周波数をもって現時刻における最終的な脈拍値とする（ステップＳ１１３）。
したがって、ステップS１１３において、脈波のスペクトル分布の最大ピーク周波数から脈拍数を算出している。
以上の処理を一定の時間間隔（例えば０．５秒毎）で繰り返し計算していくことにより、時系列の脈拍推定値及び脈拍数を時系列データとして得ることができる。

次に、血中酸素飽和度の推定について、図７〜９を参照しつつ説明する。図７は、血中酸素飽和度測定の流れを示すブロック図である。図８は、血中酸素飽和度測定の流れを示すフローチャートである。図９は、図８に示すスペクトル分布（ステップＳ２０３）の例を示すグラフである。

図７を参照して、ダウンサンプリング出力までの流れを説明する。
パルス発生器１０１からは、赤外光用と赤色用のパルス信号が出力され、アンプ２０２ａ、２０２ｂでそれぞれ増幅される。増幅されたパルス信号により、赤外域の発光のためのＬＥＤ２０３ａと赤色発光のためのＬＥＤ２０３ｂが駆動される。これらのＬＥＤ２０３ａ、２０３ｂは、一定の周波数（例えば２００Ｈｚ）で測定対象物Ｓ側へ発光する。赤外光用の受光素子２０４ａ及び赤色光用の受光素子２０４ｂは、指や耳たぶなどの生体内血管組織Ｓを通過又は反射した赤外光及び赤色光をそれぞれ受光する。

受光素子２０４ａ、２０４ｂは、受光した光に対応する受光信号をそれぞれ出力する。これらの受光信号は、アンプ２０５ａ、２０５ｂでそれぞれ増幅される。増幅・同期された受光信号は、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器１０６によりディジタル信号に変換される。この変換は、省電力化のために発光している間だけ回路が動作するように、パルス発生器１０１からＬＥＤ２０３ａ、２０３ｂへの出力信号と同期制御される。

Ａ／Ｄ変換器１０６によってディジタル信号に変換された信号は、ＡＣ・ＤＣ分離器２０７によりＡＣ（交流）成分とＤＣ（直流）成分に分離される。ＡＣ／ＤＣ計算回路２０８は、赤外光と赤色光の受光信号のそれぞれについて、分布されたＡＣ成分とＤＣ成分の比をもって血中酸素飽和度測定用の信号とする。

また、Ａ／Ｄ変換器１０６によってディジタル信号に変換された信号は、ピーク・ボトム検出のために、ＬＦＰ１２０によって高周波ノイズが除去される。このＬＦＰ１２０は、例えば、８サンプル移動平均を実行する。

さらに、赤色光信号と赤外光信号のそれぞれについて、ＬＰＦ１０８を通して不要な周波数成分をカットしてダウンサンプリングされた信号２１０が出力される。このダウンサンプリング出力信号２１０の周波数は、例えば５０Ｈｚである。

ダウンサンプリング出力以後の処理工程について、図７及び図８を参照しつつ説明する。
窓関数演算回路１１１は、ダウンサンプリングされた信号２１０（ステップＳ２００）に窓関数を乗じる（ステップＳ２０１）。この演算結果に対して、ＦＦＴ回路１１２は、例えば５秒の時間幅に切り出した後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行する（ステップＳ２０２）。つづいて、スペクトル分布計算回路１１３が、高速フーリエ変換された信号から周波数スペクトル分布を算出する（ステップＳ２０３）。算出された周波数スペクトル分布の例を図９に示す。図９において、ＩＲスペクトル分布は赤外光のスペクトル分布、Ｒスペクトル分布は赤色光のスペクトル分布である。

一方、脈拍検出部１１０では、上述の脈拍の推定と同様に、時間幅測定回路１１４が、高周波ノイズがカットされた信号２１０の波形の各周期におけるピークとボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又は各ボトム間の時間幅を算出する（図２のステップＳ１０４）。スペクトル分布計算回路１１５は、算出された時間幅から脈拍の推定が可能か否かを判断する（図２のステップＳ１０５）。脈拍の推定が可能と判断した場合（図２のステップＳ１０５でＹＥＳ）、スペクトル分布計算回路１１５は、算出された時間幅を基準として脈拍推定値及び脈拍周波数を算出する（図８のステップＳ２０５）。

このようにして推定された脈拍周波数を基準として、ＩＲ倍音ピーク選択回路２１４ａ及びＲ倍音ピーク選択回路２１４ｂは、赤外光及び赤色光について、その周波数に最も近いスペクトルピークをそれぞれ選択する（ステップＳ２０４）。Ｒ／ＩＲ比計算回路２１５は、ステップＳ２０４で選択した赤外光と赤色光の両者のピーク値の比を算出し、この比から血中酸素飽和度（ＳｐＯ２）を求める（第１血中酸素飽和度、ステップＳ２０６）。ここで、「ＳｐＯ２」は、「ｐｅｒｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ」又は「ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｐｕｌｓｅ ｏｘｉｍｅｔｒｙ」の略語である。

倍音選択・平均化回路２１６は、ステップＳ２０４で選択した赤外光と赤色光のピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、ステップＳ２０６と同様に両者の比から血中酸素飽和度（ＳｐＯ２）を求める（第２血中酸素飽和度）。

倍音選択・平均化回路２１６は、第１血中酸素飽和度と第２血中酸素飽和度について、前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがあるか否かを判断する（ステップＳ２０７）。
前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがある場合（ステップＳ２０７でＹＥＳ）、倍音選択・平均化回路２１６は、そのピークのみを１〜２個選択する（ステップＳ２０８）。
前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがない場合（ステップＳ２０７でＮＯ）、倍音選択・平均化回路２１６は、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断して、血中酸素飽和度が高いピークを赤外光と赤色光についてそれぞれ選択する（ステップＳ２１１）。

倍音選択・平均化回路２１６は、ステップＳ２０４で選択した赤外光と赤色光のピーク周波数に対してｎ倍音関係にあるピークについても同様に、ステップＳ２０６において両者の比から血中酸素飽和度（ＳｐＯ２）を求めてもよい（第ｎ血中酸素飽和度）。この場合、倍音選択・平均化回路２１６は、ピークを１〜ｎ個選択する（ステップＳ２０８）。ここで、ｎは１より大きな整数である。

倍音選択・平均化回路２１６は、ステップＳ２０８又はＳ２１１で選択されたピークについて重み付け平均を実行する（ステップＳ２０９）。この重み付け平均においては、前時刻の血中酸素飽和度を参照する（ステップＳ２１０）。
倍音選択・平均化回路２１６は、算出した平均から最終的な血中酸素飽和度を決定する。ただし、各倍音ピークから推定された血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、その倍音ピークは体動の影響を受けていると判断し、平均化の計算から除外する。スペクトル分布の計算までは前述の脈拍推定とほぼ共通しているので、例えば赤色光の方を脈拍推定と血中酸素飽和度推定について共通化してもよい。

以上説明した本実施形態の脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法は、体動の影響を受けにくくかつ急な脈拍変化にも対応した、脈拍数及び血中酸素飽和度の高精度な測定が可能である。これにより、従来は困難であった運動中の測定が可能となる。
また、ディジタル信号処理だけで測定を実現しているため、既存装置のソフトウェアの入れ替えだけで上記高性能化が可能であり低コストである。さらに、アルゴリズムがシンプルなため、固定小数点のＣＰＵでも実装可能である。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法は、経皮的に脈拍数や血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメータに有用である。

１０１ パルス発生器
１０２、１０５ アンプ
１０３ ＬＥＤ
１０４ 受光素子
１０６ Ａ／Ｄ変換器
１０７ ＤＣカット回路
１０８ ＬＰＦ
１１０ 脈拍検出部
１１１ 窓関数演算回路
１１２ ＦＦＴ回路
１１３、１１５ スペクトル分布計算回路
１１４ 時間幅測定回路
１１６ 加算回路
１１７ 遅延回路
１１８ ピーク検出回路
２０２ａ、２０２ｂ アンプ
２０３ａ、２０３ｂ ＬＥＤ
２０４ａ、２０４ｂ 受光素子
２０５ａ、２０５ｂ アンプ
２０７ ＡＣ・ＤＣ分離器
２０８ ＡＣ／ＤＣ計算回路
２１４ａ ＩＲ倍音ピーク選択回路
２１４ｂ Ｒ倍音ピーク選択回路
２１５ Ｒ／ＩＲ比計算回路
２１６ 倍音選択・平均化回路

Claims (9)

1. 生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、前記時間幅に基づいて脈拍推定値を算出する時間幅測定工程と、
   前記受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算し、前記スペクトル分布に基づいて脈拍推定値を算出するスペクトル分布計算工程と、
   前記時間幅測定工程及び前記スペクトル分布計算工程のそれぞれにおける、現時刻の脈拍推定値と前時刻までの脈拍推定値との重み付き平均により脈拍数を算出する脈拍数算出工程と、
   を有し、
   前記時間幅測定工程、前記スペクトル分布計算手段、及び前記脈拍数算出工程を逐次実行することにより、時系列の脈拍推定値及び脈拍数を得ることを特徴とする脈拍数測定方法。
2. 生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、それに対応する倍音スペクトル分布を生成する時間幅測定工程と、
   前記受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算するスペクトル分布計算工程と、
   現時刻における前記倍音スペクトル分布、現時刻における前記スペクトル分布、並びに、前時刻までに得られた前記倍音スペクトル分布及び前記スペクトル分布の重み付き平均をとることによりスペクトル分布を更新するスペクトル分布更新工程と、
   を有し、
   前記時間幅測定工程、前記スペクトル分布計算工程、及びスペクトル分布更新工程を逐次実行することにより、各時刻での脈波のスペクトル分布を求めた上で、その最大ピーク周波数から脈拍数を算出することを特徴とする脈拍数測定方法。
3. 前記生体の体動により、前記時間幅測定工程において前記時間幅の測定が困難な場合は、前記スペクトル分布計算工程において計算した、現時刻のスペクトル分布と前時刻の推定値を用いて脈拍数を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脈拍数測定方法。
4. 前記脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、周波数が倍音関係にないピークは、体動成分であると判断し追跡対象から除外することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脈拍数測定方法。
5. 前記脈派のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脈拍数測定方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の脈拍数測定方法によって算出された脈拍数を基準として、赤色光及び赤外光について受光した前記受光素子による前記受光信号の周波数解析によって得られたスペクトル分布において前記脈拍数の周波数に最も近いスペクトルピークを選択し、
   赤色光及び赤外光についての前記スペクトルピークの値の比から第１血中酸素飽和度を求め、
   前記スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第２血中酸素飽和度を推定し、
   前記第１血中酸素飽和度と前記第２血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴とする血中酸素飽和度測定方法。
7. 前記第２血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、前記倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、前記平均の計算から除外することを特徴とする請求項６に記載の血中酸素飽和度測定方法。
8. 前記ピーク周波数に対してｎ倍音関係にある各ピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第ｎ血中酸素飽和度を推定し、
   第１から第ｎまでの血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴とする請求項６に記載の血中酸素飽和度測定方法。
9. 前記第ｎ血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、前記倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、前記平均の計算から除外することを特徴とする請求項８に記載の血中酸素飽和度測定方法。