JP2020512044A - 対象の生理学的情報を感知するセンサデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、対象の生理学的情報を取得するセンサデバイス及び方法に関する。センサデバイスは、ＰＰＧセンサ２０、モーションセンサ３０、及び対象の生理学的情報を取得するデバイス１０を含む。デバイスは、（ｉ）上記第１の組の搬送波信号又は上記第１の組の搬送波信号と直交する第２の搬送波信号の搬送波信号において運動基準信号を変調して変調信号を得て、上記変調信号を上記変調ＰＰＧ信号と結合して出力信号を得ることにより、又は（ｉｉ）上記変調されたＰＰＧ信号を復調し、上記運動基準信号を用いて上記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行してアーチファクト低減ＰＰＧ信号を得て、上記アーチファクト低減ＰＰＧ信号を上記第１の組の搬送波信号において変調して出力信号を得ることにより、生理学的情報を搬送する上記出力信号を生成する処理ユニット１３を有する。

Description

本発明は、対象の身体部分に配置するためのセンサデバイス及び対象の生理学的情報を感知する方法に関する。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）信号は、例えば日常生活の活動（ＡＤＬ）、心肺運動検査（ＣＰＸ）、又は心肺蘇生法（ＣＰＲ）におけるその使用を妨げる動きに対して非常に敏感である。ＡＤＬでは、ＰＰＧは例えば、てんかん患者の脈拍数変化を検出するために研究される。なぜなら、これは発作を示し得るからである。動きに対する感受性は、例えば脈拍数変動（ＰＲＶ）を得るための心拍間（心拍間隔、ＩＢＩ）分析を妨げる。動きは、酸素飽和度（ＳｐＯ２）測定にも影響を及ぼし得、例えば、ＣＰＸ中に偽陽性不飽和化を引き起こす。ＣＰＲの間、胸部圧迫によるモーションアーチファクトは、信号中の自発的パルスの検出を複雑にする。ＡＤＬ、ＣＰＸ、及びＣＰＲにおけるモーションアーチファクトの一般的な側面は、それらの準周期的な性質である。スポーツモニタリングの場合、これは通常、アルゴリズムによるフィルタリングと信号における全期間の拒絶とにより回避され、これは、応答における遅延と臨床環境では許容できない不正確さをもたらす。

これらの状況では、運動基準信号を使用するアーチファクト低減アルゴリズムが、ＰＰＧ信号品質及びその適用性を向上させることができる。運動基準信号は例えば、加速度計及び／又はジャイロスコープ及び／又は気圧センサ及び／又はレーザドップラ測定を使用して取得されることができる。アーチファクト参照を介して、モーションアーチファクトが推定され、測定されたＰＰＧ信号から減算され、アーチファクトを低減したＰＰＧ信号が得られることができる。これは、他の（既存の）アルゴリズムにより更に分析されることができる。
ＵＳ２０１６／０２０６２４７Ａ１号は、生理学的データの強化された測定及び補正を提供するシステム、方法、装置、及びソフトウェアを開示する。第１の例では、生理学的測定システムが、患者に関する測定されたフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）を取得し、測定されたＰＰＧと同時に測定された患者に関する基準信号を取得するよう構成される。基準信号は、少なくとも患者の動きに関連するノイズ成分を含む。生理学的測定システムはまた、測定されたＰＰＧのノイズ成分を低減するため参照信号と共に少なくとも適応フィルタを使用して、測定されたＰＰＧからフィルタリングされたＰＰＧを決定し、フィルタリングされたＰＰＧから基準信号のノイズ成分の少なくとも一部をスペクトル的に減算することにより最終ＰＰＧを決定し、最終ＰＰＧに基づき患者の１つ又は複数の生理学的測定基準を識別するよう構成される。

ＵＳ５，６９２，５０５号は、適応ノイズ除去を含むパルスオキシメータの受信信号を処理する回路を開示する。

本発明の目的は、対象の生理学的情報を感知するため対象の身体部分に配置するためのセンサデバイスを提供し、及び対応する方法を提供することである。これは、例えば、センサデバイスを患者モニタ又はパルスオキシメトリフロントエンドと結合するセンサコネクタを変えることなく、運動基準測定をセンサデバイスに統合することを可能にする。

本発明の第１の態様において、対象の生理学的情報を感知するため上記対象の身体部分に配置するためのセンサデバイスが提供され、このセンサデバイスは、
１つ又は複数の搬送波信号の第１の組において変調されたフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を提供するＰＰＧセンサと、
上記センサデバイスが配置される上記身体部分の運動を表す運動基準信号を提供するモーションセンサと、
上記対象の生理学的情報を取得するデバイスであって、
上記ＰＰＧ信号を得るＰＰＧ信号入力と、
上記運動基準信号を得る運動信号入力と、
（ｉ）上記第１の組の搬送波信号又は上記第１の組の搬送波信号と直交する第２の搬送波信号の搬送波信号において上記運動基準信号を変調して変調信号を得て、上記変調信号を上記変調ＰＰＧ信号と結合して出力信号を得ることにより、
又は（ｉｉ）上記変調されたＰＰＧ信号を復調し、上記運動基準信号を用いて上記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行して上記アーチファクト低減ＰＰＧ信号を得て、上記アーチファクト低減ＰＰＧ信号を上記第１の組の搬送波信号において変調して出力信号を得ることにより、生理学的情報を搬送する上記出力信号を生成する処理ユニットとを含む、デバイスとを有する。

本発明の更なる態様では、対応する方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載された方法は、請求項に記載されたセンサデバイス、特に従属請求項に規定され、本書に開示されるデバイスと同様の及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、ＰＰＧ測定の部位で運動測定を行う、即ちセンサデバイス（本書では「プローブ」とも呼ばれる）、例えばＰＰＧプローブに運動測定を統合させるという考えに基づかれる。この運動測定は、運動周波数を推定し、続いてＰＰＧ信号におけるモーションアーチファクトを推定するために使用される。推定されたモーションアーチファクトを除去することは、アーチファクトが低減されたＰＰＧ信号を回復することを可能にする。これは、更に分析され、例えばＰＲ、ＩＢＩ、及びＳｐＯ２が決定されることができる。代替的に、アーチファクト参照は、ＰＰＧ信号周波数スペクトルにおける運動関連周波数成分を識別し、それらを心臓関連周波数成分と区別することを可能にし得る。更に別の手法では、動きにより破損され分析されるべきではないＰＰＧ信号のセグメントを識別するのに、運動信号が使用されることができる。

こうして、本発明の一態様によれば、統合されたモーションアーチファクト処理を備えるセンサデバイス、例えばＰＰＧ／ＳｐＯ２プローブが提案され、その結果、それは、設置ベース（installed base）のソケット、例えば患者モニタのパルスオキシメトリソケットとピン互換性及びソフトウェア互換性を維持する。これは例えば、ＣＰＲ中の脈拍検出のための専用ＰＰＧプローブの開発を可能にし、ほとんどのパルスオキシメトリ業者の既存のソケットにレトロフィットする可能性を提供する。これはまた、提案されたセンサデバイスが何らかの形で識別されることを意味する。なぜなら、例えば患者モニタの電子機器におけるソフトウェアが同じだからである。しかし、取得したデータの表示態様は変更される必要がある。センサデバイスの識別は、手動又は自動で行われることができる。

センサデバイスにおいて、加速度計、ジャイロスコープ、気圧センサ、レーザドップラ測定、又は他の種類の運動測定が統合される。関連する信号処理は、センサデバイス自体に統合されることができ、又は、処理用の専用デバイスに、コンピュータ若しくはプロセッサに、若しくは患者モニタにおいて別々に提供されることができる。信号処理は様々な関連オプションを含む。１つのオプションは、それが更に分析されることができるよう、変調されたＰＰＧ出力信号へと運動測定を変調することを含み、別のオプションは、ＰＰＧ信号におけるモーションアーチファクトを低減するため運動測定値をアーチファクト参照として使用して信号処理を適用し、更に処理されることができるよう出力において変調されたアーチファクト低減ＰＰＧ信号を提供することを含む（このオプションは、パッシブで補正されていないセンサからの信号を模倣する）。

本発明はこうして、複数の問題を克服する。多くの状況において、運動基準信号を持つことは、これらの信号の適用性及び解釈を向上させるためにＰＰＧ信号からモーションアーチファクトを除去するのに有利であり得る。運動基準信号は、パルスオキシメータ／ＰＰＧシステムの設置ベースに簡単に追加されることはできない。運動基準をプローブに統合することにより、運動基準信号が設置ベースに対して利用可能にされることができる。その結果、プローブコネクタが、既存のソケットとピン互換性を持ち続ける。プローブにおけるこの機能を使用するために、いくつかの実施形態ではソフトウェアによる解決策／更新が行われることができる。代替的な実施形態は、完全に形状適合機能互換にされ得る。その結果、パルスオキシメトリユニットに対するソフトウェアの変更は必要とされない。これは、サードパーティのパルスオキシメータ設備へのアップグレードとしてこのデバイスを販売する可能性を開く。更に、運動基準信号は、ＰＰＧ／ＳｐＯ２測定の部位で正確に得られる。運動測定をプローブに統合することは、（臨床）ワークフローに複雑さを追加することを防止する。なぜなら、それは、追加的なセンサを追加することを必要としないからである。

本願の文脈において、「通信する」とは、測定された運動信号の直接送信だけでなく、変調後の測定された運動信号の送信も含むと理解されるべきであることに留意されたい。

出力信号を取得するための処理を実現する様々なオプションがある。第１のオプションは、符号化チャネル又は第２の搬送波を使用することができ、これらのオプションは、それらがＰＰＧ信号コンステレーションを変更しないという意味で類似性を持つ。従って、これらの第１のオプションは、既存の変調されたＰＰＧ信号に運動情報を追加することを含む。第２のオプションは、ＰＰＧ信号を運動信号により置き換えるか、又はＰＰＧ信号をクリーンにしてクリーンにした信号を再度変調する。このオプションは、ＰＰＧ信号コンステレーションを変更する。従って、これらの第２のオプションは、信号コンステレーションを変更する、即ちＰＰＧ信号を置換する、ＰＰＧ信号を復調、クリーニング、及び変調することにより、変調ＰＰＧ信号のコンステレーションに運動情報を組み込むことを含む。

特定の一実施形態によれば、上記処理ユニットが、利用可能な符号化チャネル又は上記第１の組の搬送波信号に直交する第２の搬送波信号において、上記運動基準信号を変調し、上記変調運動基準信号を上記変調ＰＰＧ信号と結合して出力信号を得るよう構成される。

別の特定の実施形態によれば、上記処理ユニットが、ＰＰＧ信号を変調し、上記変調された運動基準信号を上記変調されたＰＰＧ信号の残りに追加して上記出力信号を得るのに、上記第１の搬送波信号を使用しないことにより、置き換えられるＰＰＧ信号に対応する上記第１の搬送波信号において変調された上記運動基準信号で、上記変調されたＰＰＧ信号の１つを置き換えるか、又は上記出力信号を得るのに、上記変調されたＰＰＧ信号を除去し、これを上記変調された運動基準信号で置き換えるよう構成される。

好ましい実施形態によれば、上記運動信号入力が、異なる方向に関する複数の運動基準信号を取得し、上記処理ユニットは、上記複数の運動基準信号を変調して上記変調されたＰＰＧ信号に組み込むよう構成される。運動基準信号は、例えば、空間内の３つの直交方向に対する３つの加速度計信号を含むことができる。複数の運動基準信号を使用することは、一般的にアーチファクト低減の精度を高める。

別の実施形態では、上記処理ユニットが、上記複数の運動基準信号を単一の１次元運動基準信号に併合し、上記単一の１次元運動基準信号を変調し、これを上記変調されたＰＰＧ信号に組み込むよう構成される。こうして、複数の運動基準信号が容易に送信されることができる。複数の運動基準信号を併合することは、個々の運動信号の瞬時パワーを加算すること、又は複数の運動基準信号の軸のノルムを転送することを含み得る。

別の実施形態では、運動基準信号は、接続されるセンサのタイプを識別するため、及び／又はＳｐＯ２を決定するのにどの較正曲線を使用するべきかを決定するために使用される既存の符号化チャネルを介してモニタに提供され得る。運動信号が、この符号化チャネルを介して直接送信されることができ、又は運動チャネルの変調バージョンが、この符号化チャネルを介して送信されることができる。後者の場合、チャネルは、使用されるセンサ及び／又は必要とされる較正曲線を符号化するために依然として使用され得る。

上記ＰＰＧ信号入力が、上記対象の組織に光を照射する１つ又は複数の発光体と、上記組織を透過し及び／又は上記組織から反射される光を検出する光検出器とを備えるセンサデバイスからＰＰＧ信号を取得するよう構成されることができ、上記処理ユニットは、上記第１の組の搬送波信号において変調された変調光を放射するよう、又は上記検出された光を上記第１の組の搬送波信号で復調するよう、上記発光体を制御することができる。発光体は、例えば、赤外光及び赤色光をそれぞれ発する２つのＬＥＤを有し、光検出器は、透過光又は反射光を感知する対応するフォトダイオードとすることができる。

上記処理ユニットが、上記ＰＰＧ信号から上記第１の組の搬送波信号を決定し、上記第２の搬送波信号を上記第１の組の搬送波信号と直交するように適合させるか、又は上記第１の組の搬送波信号から搬送波信号を識別し、対応するＰＰＧ信号は、運動基準信号により置き換えられるよう構成されることができる。これは、運動基準信号を送信するための他の有用なオプションを提供する。搬送波信号の識別は、変調周波数にロックし、２つの変調されたＰＰＧ信号の一方の変調位相に調整することを含み得る。

別の実施形態では、上記処理ユニットが、上記運動基準信号を使用して相関除去を使用することにより、上記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行し、アーチファクト低減されたＰＰＧ信号を取得するよう構成される。これにより、相関除去は、モーションアーチファクトの推定の活性化及びモーションアーチファクト推定値のＰＰＧ信号からの減算のためのゲーティング関数と組み合わされた直交高調波モデルにおける直交運動基準信号の位相を使用して、直交運動基準信号を構築することにより実行され得る。これは実際に使用されることができ、合理的な結果を提供する実現を表す。

上記処理ユニットはまた、周波数ロックループＦＦＬを備える２次一般化積分器を使用して運動基準信号における運動の周波数を追跡するよう構成されてもよい。２次一般化積分器及び周波数ロックループの適応速度は、積分器時定数及びＦＦＬゲインにより決定される。これにより、上記処理ユニットは、固定積分器時定数及び固定ＦＦＬゲインを使用する、又は適応積分器時定数及び適応ＦＦＬゲインを使用するよう構成され、適応積分器時定数及び適応ＦＦＬゲインは、それぞれ時間と共に増加及び減少される。これは、実際に使用されることができ、合理的な結果を提供する別の実現を表す。

対象の生理学的情報を感知するために対象の身体部分に配置するための提案されたセンサデバイスは一般に、ＰＰＧセンサと、モーションセンサと、変調されたＰＰＧ信号及び運動基準信号に基づき対象の生理学的情報を得る本書に開示されるデバイスとを含む。

センサデバイスは更にハウジングを備えていてもよく、その中にＰＰＧセンサ、モーションセンサ及びデバイスが配置される。従って、センサデバイスは、例えば指クリップの形で、従来のパルスオキシメータの形態を持つ。

センサデバイスは、対象の身体にセンサデバイスを配置するための１つ又は複数の保持要素を更に含み得る。斯かる保持要素は、クランプ、接着テープ、ベルト、リストバンドなどを含み得る。

一実施形態では、上記ＰＰＧセンサが、上記対象の組織に光を放射する１つ又は複数の発光体と、ＰＰＧ信号を提供するため、上記組織を透過し及び／又は上記組織から反射される光を検出する光検出器とを有する。更に、上記モーションセンサは、加速度計及び／又はジャイロスコープ及び／又は気圧センサ及び／又はレーザドップラー測定値を含むことができる。

本発明によるセンサデバイスの一般的なレイアウトの概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるデバイスの一般的なレイアウトの概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるセンサデバイスの第１の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 センサデバイスの第２の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるセンサデバイスの第３の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 本発明によるセンサデバイスの第４の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。 相関除去に基づかれるモーションアーチファクト低減方式の例示的な回路ダイアグラムを示す図である。 ２次一般化積分器の例示的な回路ダイアグラムを示す図である。 モーションアーチファクト低減方式の例示的な回路図における様々な信号のダイアグラムを示す図である。 モーションアーチファクト低減方式の有効性を示すスペクトログラムを示す図である。 本発明によるセンサデバイスの例示的実現の概略ダイアグラムを示す図である。 センサデバイスの第５の実施形態の概略ダイアグラムを示す図である。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１は、本発明による対象の生理学的情報を感知するため対象の身体部分に配置するための、プローブとも呼ばれるセンサデバイス１の一般的なレイアウトの概略図を示す。センサデバイス１は、第１の組の搬送波信号において変調されたＰＰＧ信号１００を提供するＰＰＧセンサ２０を備える。一実施形態では、ＰＰＧセンサ２０は、ＰＰＧ測定を実行するための光学系を含むことができる。例えば、１つ又は複数の波長の１つ又は複数のＬＥＤ２１（例えば図３に示される）、及び１つ又は複数の波長範囲に感応する１つ又は複数のフォトダイオード２２（例えば図３に示される）を含む。

センサデバイス１は、身体部分の運動を表す運動基準信号１０１を提供するモーションセンサ３０を更に含み、その身体部分にセンサデバイスが配置される。一実施形態では、モーションセンサは、運動基準測定値を取得するための三軸加速度計及び／又はジャイロスコープ及び／又は気圧センサ及び／又はレーザドップラー測定値を含むことができる。

更にまた、センサデバイス１は、変調されたＰＰＧ信号及び運動基準信号に基づき対象の生理学的情報を取得するデバイス１０を備える。一実施形態では、デバイス１０は、測定されたＰＰＧ信号１００及び運動基準信号１０１を単一の出力信号１０２にマージするためのハードウェア及び／又はソフトウェアを含み得る。その結果、プローブが設置ベースのフォトプレチスモグラフ又はパルスオキシメータにおける既存のＰＰＧ／ＳｐＯ２ソケットとピン互換性を保つ。

図２は、本発明による対象の生理学的情報を取得するデバイス１０の一般的なレイアウトの概略図を示す。デバイス１０は一般に、第１の組の１つ又は複数の搬送波信号において変調されたＰＰＧ信号１００を取得するＰＰＧ信号入力１１を備える。上記ＰＰＧ信号１００は、対象の体の一部に配置されたセンサデバイス１、例えば患者の指に配置されたＳｐＯ２プローブにより提供される。ＰＰＧ信号入力１１は例えば、センサデバイス１のＰＰＧセンサ２０の対応する信号出力と結合された信号インタフェースであるか、又はコンピュータのデータインタフェースであってもよい。

デバイス１０は、運動基準信号１０１を取得する運動信号入力１２を更に含む。上記運動基準信号１０１は、センサデバイスにより提供され、センサデバイスが配置される身体部分の運動を表す。運動信号入力１２は例えば、センサデバイス１のモーションセンサ３０の対応する運動信号出力と結合された運動信号インタフェースであるか、又はコンピュータのデータインタフェースであってもよい。

デバイス１０は、変調されたＰＰＧ信号１００及び運動基準信号１０１から生理学的情報を搬送する出力信号１０２を生成する処理ユニット１３を更に含む。処理ユニット１３は例えば、プロセッサ又はコンピュータとすることができる。本発明により提供される処理ユニット１３の様々な構成が存在し、これは、以下に詳細に説明される。

デバイス１０は、専用デバイスとして構成されてもよく、センサデバイス１若しくはセンサデバイス１が結合される他のデバイス（例えば患者モニタ）に統合されてもよく、又はコンピュータ若しくは既存のデバイス（病院ＰＣなど）のプロセッサ上で実行されるソフトウェアで実現されてもよい。デバイス１０の出力信号１０２の更なる評価、例えば、バイタルサインの計算又は抽出は通常、コンピュータ又は患者モニタ又はパルスオキシメトリフロントエンドなどの専用デバイスに含まれる。一実施形態では、評価はデバイス１０にも含まれる。

運動基準信号１０１は、デバイス１０において様々な態様で使用されることができる。第１のオプションでは、例えば、ＰＰＧ信号及びその高調波の変調周波数とは異なる周波数で搬送波上の運動基準信号を変調することにより、運動基準信号が変調ＰＰＧ信号と混合されることができる。第２のオプションでは、測定されたＰＰＧ信号が復調され、続いて、運動基準信号を使用して、例えば相関除去を介してアーチファクトが低減され、その後、アーチファクト低減ＰＰＧ信号に再び初期変調方式が適用されることができる。第１のオプションは、計算負荷の観点からは好ましいが、受信ユニットのフロントエンド及び／又はアルゴリズムの変更を必要とする。第２のオプションは、パッシブプローブからのＰＰＧ信号のみを期待する既存のＰＰＧ／ＳｐＯ２フロントエンドとＰＰＧ／ＳｐＯ２プローブとを互換にするために適用されることができる。

プローブにおける追加のハードウェアへの電力は、ＬＥＤへの接続からエネルギーを取り出すか、又は該当する場合は未使用のケーブル、若しくは一部のベンダーがソケットで規定した既存のＤＣラインを使用することにより、既存の接続を通じて供給されることができる。代替的に、プローブにおける追加のハードウェアは、バッテリにより給電されることができる。

図３は、本発明によるセンサデバイス２の第１の実施形態の概略図を示す。センサデバイス２は、モーションセンサ３０として三軸加速度計による統合された運動測定を含む。３つ（一般的には複数）の運動基準信号１０１は、変調器１４により変調され、エミッタ駆動信号１０３の変調周波数（この実施形態では発光体２１のＬＥＤ駆動信号）とは異なる周波数で、加算ユニット１５（両方ともデバイス１０の処理ユニット１３の一部又は実現である）によりセンサデバイス２の出力信号１０２に加算される。こうして、統合された運動測定を備えるセンサデバイス２は既存のパルスオキシメトリソケットとピン互換性がある。それらが受信側のハードウェアの要件に適合する場合、他の変調方式も同様に使用され得る。

代替的に、センサデバイスがＳｐＯ２測定にではなく脈拍検出にのみ使用される場合、例えば赤又は赤外光を発するため、ただ１つのエミッタ信号（光信号）が必要とされる。この場合、加速度計３０から得られる１次元（１Ｄ）運動測定値は、変調方式においてＰＰＧ信号１００の１つを置き換えることができる。既に処理された１Ｄ運動信号１０１は、例えば「赤色光ＰＰＧ信号」として転送され得る。接続されるデバイス、例えば患者モニタは、例えば「符号化抵抗」を介して、修正されたセンサデバイスを自動的に認識することができ、好ましくは修正されたソフトウェアにおける動き補償及び／又は識別のためのアルゴリズムを含む。

図４は、センサデバイス３の第２の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、エミッタ駆動信号（例えばＬＥＤ供給電流）１０３が、出力信号１０２の代わりに変調される。プローブ／組織の組み合わせは、この用途に関連する全ての事項について線形システムであるので、出力の変調は、出力側ではなく発光体２１の供給側で等価的に実行されることができる。これは、追加のハードウェアの電源がこれらの信号線から供給される場合に特に有益である。このタスクを実行することができる動的負荷及び制御可能な電源設計は、当技術分野において一般的に知られており、使用されることができる。

この実施形態では、エミッタ駆動信号の変調方式は、センサデバイス３において既知であり、運動基準信号１０１の変調方式は、発光体変調方式と互換性があるよう設計される。いくつかの実施形態では、変調方式が既知にもかかわらず、センサデバイス３は、運動基準信号を適切に変調するために必要に応じて、変調周波数及び変調位相を測定するためのハードウェア及び／又はソフトウェアを依然として含み得る。

結合デバイス、例えばパルスオキシメトリフロントエンドでは、運動基準信号が、出力信号１０２からベースバンドに復調され、ＰＰＧ信号におけるモーションアーチファクトを検出、除去、又は他の方法で処理するために使用される。これは、フロントエンド受信アルゴリズムへの修正を必要とする場合がある。

図５は、本発明によるセンサデバイス４の第３の実施形態の概略図を示す。センサデバイス４は、三軸加速度計３０による統合された運動測定を含む。３つの運動基準信号１０１は、エミッタ駆動信号１０３の変調周波数とは異なる周波数で出力信号１０２上に適応的に変調される。こうして、センサデバイス４は、既存のパルスオキシメトリソケットとピン互換性がある。

この実施形態では、エミッタ駆動信号１０３の変調方式は、センサデバイス４において先験的には知られていない。フォトダイオード信号スペクトル、即ちＰＰＧ信号１００のスペクトルは、スペクトル分析器１６で分析され、エミッタ変調周波数が決定され、運動基準信号１０１の変調に利用可能な他の周波数が選択される。

結合デバイス、例えばパルスオキシメトリフロントエンドでは、運動基準信号が、ベースバンドに復調され、ＰＰＧ信号におけるモーションアーチファクトを検出、除去、又は他の方法で処理するために使用される。また、この実施形態は、フロントエンド受信アルゴリズムに対する修正を必要とし得る。

図６は、本発明によるセンサデバイス５の第４の実施形態の概略図を示す。センサデバイス５は、統合されたモーションアーチファクト低減を含む。運動を測定するのに、三軸加速度計３０が用いられる。運動基準信号１０１から、１つ又は複数のアーチファクト基準信号１０４がモーションアーチファクト基準ユニット１７により得られる。測定されたＰＰＧ信号１００は、復調器１８により復調され、続いてモーションアーチファクト低減ユニット１９が、例えば相関除去を介して、モーションアーチファクト低減のために構築された運動基準信号１０４を使用する。アーチファクトが低減されたＰＰＧ信号１０５は、次に、変調器１４により再び変調されて、既存のパルス酸素濃度計ソケット、技術及びソフトウェアと互換性のある出力信号１０２が提供される。

図１２は、センサデバイス７の第５の実施形態の概略図を示す。センサデバイス７は統合された運動測定値を含む。運動を測定するのに、三軸加速度計３０が用いられる。個々の運動信号１０１は変調され、変調された信号は、パルスオキシメトリセンサにおいて通常利用可能な符号化チャネルを介して、パルスオキシメトリフロントエンドに出力信号１０２として送出される。これらの符号化チャネルは通常、接続されるセンサを識別し、及び／又はＳｐＯ２を測定するために使用する較正曲線を決定するために使用される。コーディングは抵抗値を介して行われる。変調された運動信号は、パルスオキシメトリフロントエンドにこの抵抗を介して送られることができる。こうして、センサデバイス７は、既存のパルスオキシメトリソケットとピン互換性がある。接続されるデバイス、例えば患者モニタは、例えば「コーディング抵抗」を介して修正されたセンサデバイスを自動的に認識することができ、好ましくは運動基準信号を復調するためのアルゴリズムと、運動基準信号を使用した動き補償及び／又は識別のためのアルゴリズムとを備える修正されたソフトウェアを含む。代替的に、センサデバイス７は最初に、複数の運動基準信号１０１を単一の運動基準信号にマージすることができる。これは、符号化チャネルを介してパルスオキシメトリフロントエンドに送られることができる。

図７は、相関除去に基づかれるモーションアーチファクト低減ユニット１９の例示的な回路図を示す。ユニット１９は複数の段を含む。第１の段１９１において、それは運動基準信号ｍ_ｒｅｆ［ｎ］を取り、運動周波数Ｗ_ＦＬＬ［ｎ］を追跡する。動きの追跡は、例示的な実施形態において図８に示される周波数ロックループ（ＦＬＬ）を備える２次一般化積分器（ＳＯＧＩ）を使用して実行されることができる。ＳＯＧＩ及びＦＬＬの適応速度は、それぞれＳＯＧＩ時定数

とＦＬＬゲイン

により決定される。運動基準信号ｍ_ｒｅｆ［ｎ］は、（３軸）加速度計及び／又はジャイロスコープ及び／又は気圧センサ及び／又はレーザドップラー測定値から得られることができる。

第２の段１９２において、それは運動周波数Ｗ_ＦＬＬ［ｎ］を使用して複数の直交運動基準信号を構成する。運動周波数Ｗ_ＦＬＬ［ｎ］は、直交成分の位相

を構成するために使用される。ここで、「ｍｏｄ」はモジュロ演算であり、

は０に初期化される。

第３の段１９３において、これらの位相は、その推定値ｍａ_ｅｓｔ［ｎ］：

によりモーションアーチファクトを記述するために直交調波モデルにおいて使用される。ここで、Ｇ［ｎ］はアーチファクト推定値をオンオフするゲート関数であり、係数ａ_ｋ［ｎ］及びｂ_ｋ［ｎ］は、最小二乗平均（ＬＭＳ）アルゴリズムを介して推定される。

ゲーティング関数は、例えば運動周波数Ｗ_ＦＬＬ［ｎ］の安定性を評価することにより、アーチファクト低減が適用されることができるかどうかを評価する。運動周波数の追跡が十分に安定している場合、Ｇ［ｎ］は１に等しい。運動周波数の追跡が不安定である場合、Ｇ［ｎ］は０に等しい。運動周波数の安定性は、例えば

を介して評価されることができる。ここでサンプリング周波数はｆ_ｓ[Ｈｚ]であり、

が成り立つ。フィルタＨ_Ｇ（ｚ）は、Ｗ_ＦＬＬ［ｎ］の絶対差の包絡線を追跡し、ヒステリシス検出Ｇ_ｈ[ｎ]を滑らかにするために使用される。ここで、Ｇ_ｈ[ｎ]は０に初期化される。

第４の段１９４において、モーションアーチファクト推定値が、測定されたＰＰＧ信号から減算され、モーションアーチファクトが除去され、アーチファクトが低減されたＰＰＧ信号ｐｐｇ_ａｒ［ｎ］が得られる。

周期的モーションアーチファクトは、図９及び図１０に示されるように本発明により効果的に除去されることができる。図９は、モーションアーチファクト低減方式の例示的な回路図における様々な信号の図を示す。図１０は、モーションアーチファクト低減方式の効果を示すスペクトログラムを示す。

図９は、対象がトレッドミル上を歩いている間に測定された帯域通過フィルタ処理された赤外線額ＰＰＧ信号２００を示す。モーションアーチファクトはＰＰＧ信号の周期的変動を引き起こし、モーションアーチファクトによる相殺的干渉は、信号のフェージングを引き起こす。アーチファクト推定値ｍａ_ｅｓｔ[ｎ]２０１は、額で測定された加速度測定信号をｍ_ｒｅｆ[ｎ]に使用することにより得られる。測定されたＰＰＧ信号からｍａ_ｅｓｔ［ｎ］を減算すると、アーチファクトが低減されたＰＰＧ信号２０２が得られる。アーチファクト低減信号の振幅は安定している。

図１０は、スペクトログラムを示しており、図７に示されるモーションアーチファクト低減ユニット１９において使用されるようなアルゴリズムによるアーチファクト除去の有効性を示す。スペクトログラムは、図９に示されるＰＰＧ信号２００のエピソードを含む。図１０は、測定されたＰＰＧ信号２００のスペクトログラム３００を示し、そこでは、ステップレートに関連する周波数における脈拍数及び歩行誘発周波数成分が見える。モーションアーチファクト推定値２０１のスペクトログラム３０１は、これらの歩行誘導周波数成分を含む。アーチファクト低減信号２０２のスペクトログラム３０２に見られるように、歩行誘導周波数成分はアーチファクト低減信号２０２において除去される。

例えば周期的なモーションアーチファクトが胸部圧迫により引き起こされるＣＰＲ用途に特有な、センサデバイスの更に別の実施形態では、図７に示されるモーションアーチファクト低減ユニット１９の実施形態で使用されるようなアーチファクト低減アルゴリズムが、改善された性能のために適合され得る。ＳＯＧＩ時定数

及びＦＬＬゲイン

に固定値を使用する代わりに、パラメータが適応的にされることができる。最初に、圧縮率がシステムにより知られていないとき、パラメータ

は小さい値を持つことができ、

は、圧縮率の学習をスピードアップするために大きい値を持つことができる。アルゴリズムが比較的一定のＷ_ＦＬＬ［ｎ］で示されるように収束すると、パラメータ

の値は増加され、

の値は小さくされることができる。これは、フィルタをより狭くして性能を向上させる。

図１１は、本発明によるセンサデバイス６の例示的実施の概略図を示す。この実施形態では、センサデバイス６は、ハウジング６０を持つ手首装着型装置として構成され、その中にＰＰＧセンサ２０、モーションセンサ３０、及びデバイス１０が配置される。センサデバイス６は、対象の身体４００、この場合患者の腕に、センサデバイス６を配置するための、１つ又は複数の保持要素６１、この場合リストバンドを更に含む。センサデバイスはもちろん、異なる態様で、例えばフィンガークリップ、イヤークリップ、ウェアラブルなどとして実現されることができる。

本発明は、既存のフォトプレチスモグラフ及びパルスオキシメータに適用される。なぜなら、本発明の本質は、既存のＰＰＧ／ＳｐＯ２ソケットとのピン互換性を保証するからである。本発明は、例えばＣＰＲ（例えば、Ｐｈｉｌｉｐｓ ＨｅａｒｔＳｔａｒｔ ＭＲｘ及び後継デバイス）、ＣＰＸ、スポーツ、及び携帯型監視（例えば、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｉｎｔｅｌｌｉｖｕｅ ＭＸ４０及び後継デバイス）の文脈において、ＰＰＧ信号の適用性を改善することができる。それはまた、異なった製造業者のパルスオキシメータに適用されることができ、従って設置ベースへのアップグレードオプションが提供される。

本発明が、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されるが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であって限定的ではないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解及び実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

コンピュータープログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な非一時的媒体において格納／配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。

請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 対象の生理学的情報を感知するため前記対象の身体部分に配置するためのセンサデバイスであって、
   １つ又は複数の搬送波信号の第１の組において変調されたフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を提供するＰＰＧセンサと、
   前記センサデバイスが配置される前記身体部分の運動を表す運動基準信号を提供するモーションセンサと、
   前記対象の生理学的情報を取得するデバイスであって、
   前記ＰＰＧ信号を得るＰＰＧ信号入力と、
   前記運動基準信号を得る運動信号入力と、
   （ｉ）前記第１の組の搬送波信号又は前記第１の組の搬送波信号と直交する第２の搬送波信号の搬送波信号において前記運動基準信号を変調して変調信号を得て、前記変調信号を前記変調ＰＰＧ信号と結合して出力信号を得ることにより、
   又は（ｉｉ）前記変調されたＰＰＧ信号を復調し、前記運動基準信号を用いて前記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行してアーチファクト低減ＰＰＧ信号を得て、前記アーチファクト低減ＰＰＧ信号を前記第１の組の搬送波信号において変調して出力信号を得ることにより、生理学的情報を搬送する前記出力信号を生成する処理ユニットとを含む、デバイスとを有する、センサデバイス。
2. 前記処理ユニットが、前記第１の組の搬送波信号に直交する第２の搬送波信号において前記運動基準信号を変調し、前記変調された運動基準信号を前記変調されたＰＰＧ信号と結合して前記出力信号を得る、請求項１に記載のセンサデバイス。
3. 前記処理ユニットが、ＰＰＧ信号を変調し、前記変調された運動基準信号を前記変調されたＰＰＧ信号の残りに追加して前記出力信号を得るのに、前記第１の搬送波信号を使用しないことにより、置き換えられるＰＰＧ信号に対応する前記第１の搬送波信号において変調された前記運動基準信号で、前記変調されたＰＰＧ信号の１つを置き換える、請求項１に記載のセンサデバイス。
4. 前記処理ユニットが、前記出力信号を得るのに、前記変調されたＰＰＧ信号を除去し、これを前記変調された運動基準信号で置き換えることにより、前記置き換えられたＰＰＧ信号に対応する前記第１の搬送波信号において変調された前記運動基準信号で前記変調ＰＰＧ信号の１つを置き換える、請求項１に記載のセンサデバイス。
5. 前記運動信号入力が、異なる方向に関する複数の運動基準信号を取得し、前記処理ユニットは、前記複数の運動基準信号を変調して前記変調されたＰＰＧ信号に組み込む、請求項１に記載のセンサデバイス。
6. 前記処理ユニットが、前記複数の運動基準信号を単一の１次元運動基準信号に併合し、前記単一の１次元運動基準信号を変調し、これを前記変調されたＰＰＧ信号に組み込む、請求項５に記載のセンサデバイス。
7. 前記ＰＰＧ信号入力が、前記対象の組織に光を照射する１つ又は複数の発光体と、前記ＰＰＧ信号を提供するため、前記組織を透過し及び／又は前記組織から反射される光を検出する光検出器とを備えるセンサデバイスからＰＰＧ信号を取得し、
   前記処理ユニットは、前記第１の組の搬送波信号において変調された変調光を放射するよう、又は前記検出された光を前記第１の組の搬送波信号で復調するよう、前記発光体を制御する、請求項１に記載のセンサデバイス。
8. 前記処理ユニットが、前記ＰＰＧ信号から前記第１の組の搬送波信号を決定し、前記第２の搬送波信号を前記第１の組の搬送波信号と直交するように適合させるか、又は前記第１の組の搬送波信号から搬送波信号を識別し、対応するＰＰＧ信号は、運動基準信号により置き換えられる、請求項１に記載のセンサデバイス。
9. 前記処理ユニットが、前記運動基準信号を使用して相関除去を使用することにより、前記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行し、アーチファクト低減されたＰＰＧ信号を取得する、請求項１に記載のセンサデバイス。
10. 前記ＰＰＧセンサ、前記モーションセンサ及び前記デバイスが内部に配置されるハウジングを更に有する、請求項１に記載のセンサデバイス。
11. 前記対象の身体に前記センサデバイスを配置するための１つ又は複数の保持要素を更に有する、請求項１に記載のセンサデバイス。
12. 前記ＰＰＧセンサが、前記対象の組織に光を放射する１つ又は複数の発光体と、前記ＰＰＧ信号を提供するため、前記組織を透過し及び／又は前記組織から反射される光を検出する光検出器とを有する、請求項１に記載のセンサデバイス。
13. 前記モーションセンサは、加速度計及び／又はジャイロスコープ及び／又は気圧センサ及び／又はレーザドップラー測定値を含む、請求項１に記載のセンサデバイス。
14. 対象の身体部分に配置されたセンサデバイスにより前記対象の生理学的情報を感知する方法において、
    前記センサデバイスにより１つ又は複数の搬送波信号の第１の組において変調されたフォトプレチスモグラフィＰＰＧ信号を感知するステップと、
    前記センサデバイスにより運動基準信号を感知するステップであって、前記運動基準信号が、前記センサデバイスが配置される前記身体部分の運動を表す、ステップと、
    （ｉ）前記第１の組の搬送波信号又は前記第１の組の搬送波信号と直交する第２の搬送波信号の搬送波信号において前記運動基準信号を変調して変調信号を得て、前記変調信号を前記変調ＰＰＧ信号と結合して出力信号を得ることにより、
    又は（ｉｉ）前記変調されたＰＰＧ信号を復調し、前記運動基準信号を用いて前記復調されたＰＰＧ信号においてアーチファクト低減を実行してアーチファクト低減ＰＰＧ信号を得て、前記アーチファクト低減ＰＰＧ信号を前記第１の組の搬送波信号において変調して出力信号を得ることにより、生理学的情報を搬送する前記出力信号を生成するステップとを有する、方法。

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