JP2018533390A - バイタルサインセンサ及びユーザのバイタルサインを測定する方法 - Google Patents

Abstract

ＰＰＧセンサは、少なくとも３つの波長Ｙ１乃至Ｙ３の光を放射し、反射光を検出する。ＰＰＧセンサは、第１の波長Ｙ１と第３の波長Ｙ３との検出された光の出力信号の平均から、第２の波長Ｙ２で検出された光の出力信号を差し引くことによって、検出された光信号から運動アーチファクトを補正するための、運動補正ユニット１３０を含む。第２の波長Ｙ２は、第１の波長と第３の波長との間に等間隔にある。

Description

本発明は、バイタルサインセンサ及びユーザのバイタルサインを測定する方法に関する。

光心拍数センサは、ユーザの心拍数のようなバイタルサインを監視又は検出することでよく知られている。このような心拍数センサは、フォトプレチスモグラフ（ＰＰＧ）センサに基づき得、ボリューム的器官測定を取得するために使用され得る。光パルスセンサ又はパルスオキシメータによって、人間の皮膚の光吸収の変化が検出され、これらの測定値に基づき、ユーザの心拍数又は他のバイタルサインが決定され得る。ＰＰＧセンサは、ユーザの皮膚の中へ光を放射している発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源を含む。放射された光は、皮膚の中で散乱され、少なくとも部分的に血液によって吸収される。光の一部は皮膚を出て、光検出器によって捕捉され得る。光検出器によって捕捉される光の量は、ユーザの皮膚の内部の血液量の指標とされ得る。したがって、ＰＰＧセンサは、特定の波長での吸収測定を通して、皮膚の真皮及び皮下組織における血液の灌流を監視し得る。脈動する心臓に起因して血液量が変化される場合、ユーザの皮膚から戻る散乱光も変化する。したがって、光検出器によって検出された光信号を監視することによって、ユーザの皮膚の中のパルス、ひいては心拍数が決定され得る。さらに、少なくとも２つの色が使用される時、酸素化又は脱酸素化ヘモグロビンのような血液化合物及び酸素飽和度が決定され得る。

心拍のパルス信号は、人体組織の血液量の変化を測定しているフォトプレチスモグラフＰＰＧによって検出され得る。ＰＰＧセンサにおいて、発光ダイオード、例えば ５２０ｎｍ（緑色）と８５０ｎｍ（赤外線）との間の波長は、ユーザの皮膚上に光を放射するために使用される。透過型ＰＰＧ測定は６５０乃至８５０ｎｍの波長範囲の光で行われる一方で、反射型ＰＰＧ測定は５２０乃至５７０ｎｍで使用される。

光はユーザの皮膚の中で散乱され、光の一部は血液によって吸収される。反射光は皮膚を出て、光ダイオードによって検出され得る。したがって、光ダイオードの出力信号は、血液量の指標及び血液量の変化、すなわちユーザの皮膚の中のパルスであり得る。

図１は、従来技術による動作のないＰＰＧセンサの出力信号を示すグラフを示す。グラフにおいて、心拍数又はパルス信号は明確に検出可能である。

しかし、動作がある場合、ＰＰＧセンサの出力信号は歪み得る。

図２は、従来技術による運動のない及び運動のあるＰＰＧセンサの出力信号を示す。図２において、ＰＰＧセンサの出力電圧Ｖが経時的に示される。領域Ａ１及び領域Ａ３において、運動は存在しない。しかし、運動は領域Ａ２において存在する。運動の影響により領域Ａ２から分かるように、パルス信号は決定されることがより困難である。静脈の血圧がより低いため、領域Ａ２におけるアーチファクトの大部分は、ユーザの静脈の血液に起因する。

米国特許第７，７２７，１５９Ｂ２号は、運動アーチファクト補正能力を有するＰＰＧセンサを開示する。

本発明の目的は、バイタルサインセンサの出力信号における運動アーチファクトを除去することによる、信号対雑音比を増加させたバイタルサインセンサの提供である。

本発明の一態様によれば、光バイタルサインセンサが、ユーザのバイタルサインを測定又は決定するために提供される。光バイタルサインセンサは、フォトプレチスモグラフセンサ（ＰＰＧ）であり得る。光源は、ユーザの皮膚に向けられる少なくとも３つの波長の光を生成する。センサはまた、少なくとも３つの波長の光の強度を検出する光検出器ユニットを含み、光は、ユーザの皮膚の中へ放射され又は皮膚から放射された光の反射を示す。センサはまた、第１の波長で検出された光強度と第３の波長で検出された光強度との平均から、第２の波長で検出された光強度を差し引くことによって、光検出器によって検出された光強度から運動アーチファクトを補正する、運動補正ユニットを含む。第１、第２、及び第３の波長は、約５５０ｎｍ付近に配置される。第２の波長は、第１の波長と第３の波長との間で等間隔の位置にある。例として、第１の波長は５３０ｎｍであり、第２の波長は５５０ｎｍであり、第３の波長は５７０ｎｍである。

本発明の一態様によれば、第２の波長は、第１の波長と第３の波長との和を２で割ったものに相当する。第１、第２、及び第３の波長がそれに応じて選択される場合、これは簡単で効果的な運動アーチファクト補正をもたらす。

本発明のさらなる態様によれば、第２の波長は約５５０ｎｍに相当する。したがって、第１の波長は５３０ｎｍであり、第３の波長は５７０ｎｍである。代替的に、第１の波長は５４０ｎｍであり、第３の波長は５６０ｎｍになり得る。

本発明のさらなる態様によれば、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する光バイタルサインセンサを有する、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法が提供される。光バイタルサインセンサはＰＰＧセンサである。光は、少なくとも３つの波長で生成され、ユーザの皮膚に向けられる。ユーザの皮膚の中へ放射され又は皮膚から放射された光の反射を示す光の強度は、少なくとも３つの波長で検出される。第１の波長で検出された光強度と第３の波長で検出された光強度との平均から、第２の波長で検出された光強度を差し引くことによって、検出された光から運動アーチファクトが補正される。第１、第２、及び第３の波長は、約５５０ｎｍ付近に配置される。第２の波長は、第１の波長と第３の波長との間に等間隔にある。

本発明のさらなる態様によれば、上に定義した光バイタルサインセンサにおけるユーザの心拍数を監視するためのコンピュータプログラムが提供される。コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムが光バイタルサインセンサを制御するコンピュータ上で実行される時、又はコンピュータプログラムが光バイタルサインセンサで実行される時に、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法のステップを光バイタルサインセンサに実行させるためのプログラムコード手段を含む。

本発明の一態様によれば、バイタルサインセンサは、ＬＥＤベースのＰＰＧセンサを含む。ＬＥＤ光は、ユーザの皮膚を透過し、反射され、その一部は光検出器に到達し得る。光検出器の出力は、血液量の割合及び酸素化又は脱酸素化ヘモグロビンのような血液化合物を監視するために使用され得る。特に、ＬＥＤ光源からの光の吸収又は反射の量は、心拍数及び血液量の割合又は血液化合物を決定するために使用され得る。心拍数は血液量の割合に関係する。さらに、本発明によるＰＰＧセンサは、したがって、ユーザのバイタルサインの非侵襲的測定を可能にする光センサである。

本発明の一態様によれば、ＰＰＧセンサは、ユーザの心拍数を測定又は検出するために提供される。ＰＰＧセンサは、ＬＥＤのような少なくとも１つの光源、及び光ダイオードのような少なくとも１つの光検出器を含む。光ダイオードによって受信された信号は、ユーザの心拍数を決定するために処理される。ＰＰＧセンサを装着している間にユーザの運動によって生成される任意の運動アーチファクトを補正するために、互いに等間隔にあり、５５０ｎｍ付近に配置された３つの異なる波長の光がＰＰＧセンサによって放射される。運動アーチファクトを光検出器の出力信号から除去するために、第２の波長の光検出器の出力信号は、第１の波長と第３の波長との光検出器の平均出力信号から差し引かれる。

本発明の好ましい実施形態はまた、従属請求項又はそれぞれの独立請求項の上記の実施形態若しくは態様の組み合わせであり得ることを理解されたい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになるであろう。

従来技術によるＰＰＧセンサの出力信号のグラフを示す。 従来技術によるＰＰＧセンサの出力信号を示す。 本発明の一態様によるバイタルサインセンサの動作原理の基本的な描写を示す。 本発明の一態様によるユーザの皮膚から反射された光の強度を示すグラフを示す。 ＰＰＧセンサからの光の波長に対する出力信号の振幅の依存性を示すグラフを示す。 血液により反射された光のスペクトル、及びユーザの腱によって反射された光のスペクトルを示すグラフを示す。 本発明の一態様による光バイタルサインセンサのブロック図を示す。 本発明の一態様による運動補正なし及びありのＰＰＧセンサの出力信号のグラフを示す。

図３は、バイタルサインセンサの動作原理の基本的な描写を示す。図３において、その接触面１０１を有する心拍数センサ１００は、例えばユーザの腕に配置又は設置される。バイタルサインセンサは、フォトプレチスモグラフＰＰＧセンサに基づき得る。接触面１０１は、ユーザの皮膚１０００上に直接設置され得る。心拍数センサ１００は、少なくとも１つの光源１１０及び少なくとも１つの光検出器１２０を含む。光源１１０は、例えば接触面１０１を介して、ユーザの皮膚１０００上又は中へ光を放射する。一部の光は反射され、反射光は光検出器１２０によって検出され得る。一部の光は、ユーザの組織を透過され光検出器１２０によって検出され得る。反射光に基づき、心拍数のようなユーザのバイタルサインが決定され得る。信号対雑音比を改善し、ユーザの心拍数又は他のバイタルサインを決定するために、運動補正ユニット１３０は、少なくとも１つの検出器１２０の出力からの運動アーチファクトを補正する。

ＰＰＧセンサの出力信号は、ユーザの血管の血液動作を表示する。ＰＰＧセンサの出力信号の品質は、血流速度、皮膚形態、及び皮膚温度に依存し得る。追加的に、ＰＰＧセンサにおける光損失はまた、ＰＰＧセンサの出力信号の品質に影響を及ぼす。ＰＰＧセンサの光効率は、光があるメディアから別のメディアに透過する時の反射損失に依存し得る。さらに、ユーザの皮膚の表面での光の散乱はまた、ＰＰＧセンサの光学効率に影響を及ぼす。

本発明の一態様によるＰＰＧセンサ又は光バイタルサインセンサは、（時計又はスマートウォッチのような）リストデバイスとして実施され得る。光バイタルサインセンサはまた、例えば補聴器のような、ユーザの耳の後ろに装着される装置として実施され得る。

任意に、本発明によるＰＰＧセンサはまた、非侵襲性センサ、非接触センサ、又はコンタクトレスセンサとして実施され得る。このようなコンタクトレスセンサは、少なくとも２つの（非接触の）光ファイバ（送信器又は光源として１つの光ファイバ及び受信器として１つの光ファイバ）を含み得、ユーザのバイタルサインを検出するために使用され得る。

図４は、本発明の一態様によるユーザの皮膚から反射された光の強度を示すグラフを示す。図４において、ユーザの皮膚１０００から反射された光Ｉのスペクトルが、波長Ｗ（ｎｍ）にわたって示される。しかし、反射光の振幅は、血液の脈動及びユーザの動作又はＰＰＧセンサとユーザとの相対的な動作に起因して変化し得る。

図５は、ＰＰＧセンサからの光の波長Ｗ（ｎｍ）に対する出力信号の振幅ＰＡの依存性を示すグラフを示す。図５において、運動ＰＰＧ２に起因する反射光の振幅、及びパルスＰＰＧ１に起因する反射光の振幅が波長にわたって示される。

図５から分かるように、パルスの振幅は特に高く、５５０ｎｍ付近の波長では異なる。

図６は、血液により反射された光のスペクトル、及びユーザの腱によって反射された光のスペクトルを示すグラフを示す。図６において、上の曲線は、ユーザの血液によって反射された光Ｉのスペクトルに対する依存性を示す。下の曲線は、ユーザの腱によって反射された光Ｉのスペクトルを示す。血液によって反射された光は２つの別個のピークを有するが、腱によって反射された光は、波長Ｗ（ｎｍ）が増加するにつれてほぼ直線的な減少を有する。

図７は、本発明の一態様による光バイタルサインセンサのブロック図を示す。光バイタルサインセンサ１００は、ユーザの皮膚１０００と直接接触して設置され得る接触面１０１を含む。光バイタルサインセンサは、３つの発光ダイオード１１１乃至１１３を有し得る照明ユニット１１０を含む。これらの３つの発光ダイオード１１１乃至１１３は、３つの異なる波長で光１１１ａ、１１２ａ、１１３ａを放射する。代替的に、照明ユニット１１０はまた、３つの異なる波長で光１１１ａ、１１２ａ、１１３ａを放射し得る１つの調整可能な発光ダイオードを含む。

光バイタルサインセンサ１００はさらに、反射光１２１ａ乃至１２３ｃを検出可能な光検出器ユニット１２０を含む。照明ユニット１１０は、３つの波長で光１１１ａ乃至１１３ａを放射可能であり得る。光検出器１２０は、３つの異なる波長１２１ａ乃至１２３ｂの反射光を検出可能な３つの異なる光ダイオード１２１乃至１２３を含む。光検出器１２０の出力は、出力信号に対して運動補正を行っている運動補正ユニット１３０に転送される。運動補正１３０は、光検出器の出力信号から運動アーチファクトを除去する働きをする。

３つの異なる波長は、Ｙ_１、Ｙ_２、及びＹ_３である。これらの３つの波長Ｙ_１乃至Ｙ_３は、５５０ｎｍ付近のピークの１つに配置される。本発明の一態様によれば、光検出器の出力信号は、ユーザの血液Ｂからの反射光に起因する光検出器の出力信号と腱Ｔからの反射光との和である。したがって、出力信号Ｙ_ｂｔはＹ_ｂ＋Ｙ_ｔであり得、指標“ｂ”は血液に相当し、指標“ｔ”は腱に相当する。この式を３点に適用すると、結果は以下のようになる。

図６から推論されるように、３点の座標は、以下のような等差級数の項である。

本発明の一態様によれば、中間波長は、以下のように、第１の波長と第３の波長との間で等間隔の位置にある。

本発明の一態様によれば、運動補正は、以下の式に基づき得る。

上式において、式１乃至４を代入すると、腱の影響が除去されることが分かり、以下の式をもたらす。

Ｙ_１ｂ及びＹ_３ｂは、互いにほぼ一致し、式は以下のとおりである。

したがって、この式が使用される場合、血液変動に起因する反射光のみが決定されるように、腱の影響は除去され得る。

例として、第１の波長Ｙ_１は５３０ｎｍであり、第２の波長Ｙ_２は５５０ｎｍであり、第３の波長Ｙ_３は５７０ｎｍである。第２の波長が第１の波長と第３の波長との間に等間隔にある限り、他の波長も可能である。換言すれば、第２の波長は、第１の波長と第３の波長との中間に配置される。

図８は、本発明の一態様による運動補正なし及びありのＰＰＧセンサの出力信号のグラフを示す。

開示された実施形態の他の変形は、図、開示及び添付の請求項の研究から請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。

請求項において、用語“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数を排除しない。

単一のユニット又は装置は、請求項に記載されたいくつかの項目の機能を果たす。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの測定の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はハードウェアの一部として供給される、光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上に記憶／分配されるが、インターネット又は他の有線又は無線通信システムのような他の形態で分配される。

請求項のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (6)

1. ユーザのバイタルサインを測定する光バイタルサインセンサであって、
   前記ユーザの皮膚に向けられる少なくとも３つの波長の光を生成する光源であって、第１、第２、及び第３の波長は約５５０ｎｍ付近にあり、前記第２の波長は前記第１の波長と前記第３の波長との間に等間隔にある、光源と、
   前記少なくとも３つの波長の光の強度を検出する少なくとも１つの光検出器ユニットであって、前記光は、前記ユーザの前記皮膚の中へ放射され又は前記皮膚から放射された光の反射を示す、少なくとも１つの光検出ユニットと、
   前記第１の波長で検出された光強度と前記第３の波長で検出された光強度との平均から、前記第２の波長で検出された光強度を差し引くことによって、前記光検出器によって検出された光強度から運動アーチファクトを補正する、運動補正ユニットと
   を含む、光バイタルサインセンサ。
2. 前記第２の波長は、前記第１の波長と前記第３の波長との和を２で割ったものに相当する、請求項１に記載の光バイタルサインセンサ。
3. 前記第２の波長は約５５０ｎｍに相当する、請求項２に記載の光バイタルサインセンサ。
4. 前記光バイタルサインセンサはフォトプレチスモグラフセンサである、請求項１に記載の光バイタルサインセンサ。
5. 光バイタルサインセンサを用いてユーザのバイタルサインを測定する方法であって、
   前記ユーザの皮膚に向けられる少なくとも３つの波長の光を生成するステップと、
   前記少なくとも３つの波長の光の強度を検出するステップであって、前記光は、前記ユーザの前記皮膚から放射された光の反射を示す、ステップと、
   前記第１の波長で検出された光強度と前記第３の波長で検出された光強度との平均から、前記第２の波長で検出された光強度を差し引くことによって、検出された光から運動アーチファクトを補正するステップと
   を含み、
   前記第１、第２、及び第３の波長は約５５０ｎｍ付近にあり、前記第２の波長は前記第１の波長と第３の波長との間に等間隔にある、
   方法。
6. 請求項１に記載の光バイタルサインセンサを監視するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムが前記光バイタルサインセンサを制御するコンピュータ上で実行される時に、請求項５に記載のユーザのバイタルサインを測定する方法のステップを前記光バイタルサインセンサに実行させるためのコンピュータコード手段を含む、コンピュータプログラム。

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