JP2628717B2 - 脈拍酸素計システム - Google Patents

脈拍酸素計システム

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JP2628717B2 JP63255764A JP25576488A JP2628717B2 JP 2628717 B2 JP2628717 B2 JP 2628717B2 JP 63255764 A JP63255764 A JP 63255764A JP 25576488 A JP25576488 A JP 25576488A JP 2628717 B2 JP2628717 B2 JP 2628717B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、酸素計システムに関し、そして特に、動脈
血液の酸素含有量を測定する脈拍酸素計システムに関す
る。
従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 脈拍酸素計は、ある血管の状態を測定するために役立
つ非侵入性の医療技術である。この技術の実際におい
て、光が、動脈血流を含む患者の身体を通過されられ
る。光学センサーが身体を通過した光を検出するために
使用され、そして多様な波長における検出光の変動は、
動脈酸素飽和及び／又は脈拍数を決定するために使用さ
れる。酸素飽和は、ビーアの法則として公知な形式の古
典的な吸収式のある形式を使用して計算することができ
る。
先行技術の酸素計において、動脈血流が存在する組織
を通る光の２つの波長の透過を表現する電気信号が生成
される。これらの信号は実質的に一定の成分によって強
力に占められ、脈動する血液流を表現する成分はずっと
小さな成分である。受信された信号は、時々DC成分と呼
ばれる平均信号レベルによって割り算することにより正
規化される。正規化は、両波長の信号において行われ、
比較できるスケールの信号サンプルを生成する。
正規化の後、サンプルは、しばしば対数値に変換さ
れ、そしてその後、酸素飽和を計算するために使用され
る。酸素飽和を計算するために使用される公式は、一般
に、項の連続展開の商の形式である。これらの計算は、
しばしば複雑であり、実行において時間を消費し、そし
て実質的な計算能力を必要とする。
問題点を解決するための手段 本発明の原理により、簡単であるが正確な脈拍酸素計
システムが提供される。２つの波長の光の透過からの受
信アナログ信号は、アナログ対デジタル（A/D）コンバ
ータの動的範囲の実質的な部分を占めるように、制御に
よりオフセットされる。次に、信号は、心拡張の終了が
検出されるまで、それぞれ監視される。心拡張の終了に
おける信号レベルは、心収縮中発生する信号に関連した
基準値として使用される。心収縮中発生する一連のサン
プルは、心収縮期の各信号波形の積分を計算するために
使用され、そしてその後、積分値は、対応する基準値に
よって割り算される。心収縮の終了において、光のそれ
ぞれの波長に対してそのように計算された２つの項は、
２つの項の商を形成するために使用される。この商は、
指示値であり、索引テーブルをアクセスするために使用
され、これにより酸素飽和のレベルが読み出されかつ表
示される。商を形成する項は、心収縮において取られた
各光の波形の積分を有効に表現し、そして心拡張と心収
縮の間の移行における信号レベルによって割り算され
る。
実施例 最初に第１図を参照すると、本発明の原理により構成
された脈拍酸素計システムが示される。２つの発光ダイ
オード（LED）12と14は、適切なコネクタによって、LED
を交互に付勢する駆動回路10に接続される。LEDは、動
脈血流を含む組織に、赤色光と赤外線（IR）と呼ばれる
２つの所定波長における光を透過させる。脈動する血液
流によって影響を受けた透過光は、フォトダイオード16
によって受光される。フォトダイオードは受光された光
の信号を電気信号に変換し、電気信号は適切なコネクタ
によって信号分離器20に結合される。信号分離器20は、
赤色光とIR信号成分を分離し、それらは次に振幅復調器
22によって検出される。これらの機能を行うための回路
構成は、1987年10月８日提出され、「脈拍酸素計血量計
システム」と題する、米国特許出願第（CRK−96）号に
おいてさらに具体的に記載されている。
分離された赤色及びIR信号は、増幅器24によって増幅
され、そしてオフセット回路30に結合される。オフセッ
ト回路30は、A/Dコンバータ32の入力動的範囲の有効部
分を占めるように、赤色及びIR信号レベルを制御により
シフトする。A/Dコンバータ32は、オフセット及び非オ
フセット信号をデジタル化し、これらは、デジタル処理
装置34に結合される。デジタル処理装置34は、以下に十
分に記載される方法により、心収縮の始まりが検出され
るまで、連続信号サンプルを監視する。心拡張から心収
縮への移行における信号ピークは記憶され、そして心収
縮における各信号波形の積分が行われる。各積分値は、
それぞれの記憶されたピーク信号レベルによって割り算
され、そして２つの結果として得られた項が、指示値と
呼ばれる商を形成するために使用される。指示値は、動
脈血流の酸素飽和の高度に分解された測定値を表現す
る。指示値は、索引テーブル36において、対応する酸素
飽和値をアクセスするために使用され、そしてこの値
は、酸素飽和のパーセントとしてディスプレイ38に表示
される。
オフセット回路30は、第２図に図式的に示される。２
つのそのような回路が提供され、一方は赤色信号用であ
り、そしてもう一方はIR信号用である。IR信号のための
回路が第２図に示されるが、これは赤色信号のための回
路と同一である。第２図において、IR信号は、コンデン
サ40によって、FET増幅器のような高インピーダンス増
幅器42の入力に容量結合される。コンデンサ40と増幅器
42への入力との接合部にスイッチ44がある。スイッチ44
は、デジタル処理装置34の制御によって開閉され、オフ
セット電圧源V0からコンデンサ40を選択的に充電する。
増幅器42によって生成された増幅信号は、A/Dコンバー
タ32に結合される。
オフセット回路の効果は、受信された光信号の脈動成
分を「拡大する」ことである。回路は、信号を適当な所
定レベルにシフトすることによってこれを行い、このレ
ベルにおいて、信号は増幅され、A/Dコンバータの動的
入力範囲の実質的部分を占める。第３図は、このシフト
が行われる方法を説明する。第３図の例において、時間
により変動する脈動IR信号成分IR（ｔ）は、初期的に、
ゼロから「フル」に伸長する範囲の中心にあることが見
られる。これは、コンデンサ40、スイッチ44、及び増幅
器42の接合部に出現する信号である。心拡張の終了にお
いて、IR（ｔ）信号は40で示されたピークに到達する。
信号レベルは、心収縮中、42として示されたレベルに下
降し、その後信号は、心拡張中、再び40のレベルに上昇
する。この例において、ピーク40が「フル」範囲レベル
の近くにあるようにピーク40を増大させることが望まし
い。このレベルにおける信号の続く増幅は、A/Dコンバ
ータの入力範囲の実質的な部分を信号が占有させる結果
を生じさせる。
IR（ｔ）信号の最初の数サイクルは、スイッチ44が開
であるときの信号条件を示す。この時点において、コン
デンサ40は一定電荷を有し、そしてIR（ｔ）信号を増幅
器に結合する。オフセットの程度は、コンデンサにおけ
る電荷によって確立される。デジタル処理装置は信号レ
ベルが極めて低いことを感知し、そして時間tcにおいて
スイッチ44が閉じられる。コンデンサ40の右側の板は、
今、オフセット電圧源V0からの電流によって充電され、
信号レベルを急速に上昇させる。時間t0において、スイ
ッチ44は開かれ、そしてコンデンサにおける電荷は一定
にとどまる。増幅器42への入力、IR（ｔ）信号に従う
が、高いレベルにおいて行われる。時間tc′とt0′にお
いて、スイッチ44は閉じられそしてもう一度開かれ、信
号レベルをさらに高位にシフトさせる。時間t0′の後、
増幅器42の入力における信号は、心拡張の終了における
ピークが40′で示されたように到達されるまで、IR
（ｔ）信号に従い続ける。シフトされたIR（ｔ）信号
は、増幅器42の高入力インピーダンスによって最少化さ
れる電流の漏れによって劣化されるまで、「拡大され
た」所望範囲内の新レベルにおいて続く。IR（ｔ）信号
レベルが、漏れにより所望範囲の外側にドリフトするな
らば、スイッチ44は心拡張中再び周期的に閉じられ、再
び信号をシフトさせる。オフセット回路は、常に、オフ
セット電圧V0の選択によって決定された所望範囲内のレ
ベルに信号を駆動する。本発明の好ましい実施態様にお
いて、以下に記載されるように、測定値は心収縮中に取
られるが、心拡張中のみ信号をシフトすることが重要で
ある。
デジタル処理装置34は、IR（ｔ）とRe d（ｔ）信号の
サンプル値に応答し、酸素飽和を示す指示値を生成す
る。好ましい実施態様におけるデジタル処理装置は、第
４図の流れ図によって示されたコンピュータ・プログラ
ムを実行する。IR（ｔ）とRe d（ｔ）信号のサンプル
は、心拡張と心収縮の間の移行において非オフセット信
号の信号ピークが検出されるまで、連続的に監視され
る。これは、波形の傾斜を連続的に計算しそして変曲点
を探すことによって行うことができる。好ましい実施態
様において、信号ピークIRpeakのREDpeakは、それぞれ
の信号波形の導関数を計算することによって突きとめら
れる。これらのピーク値は記憶され、そして信号波形の
積分器は初期化される。それから、それぞれの波形の積
分器は、心収縮中、各オフセット信号を積分する。積分
はノイズの影響を減少し、そして最大分解能に対する
「拡大された」（オフセット）信号において行われる。
心収縮の最後は、信号波形の次の変曲点、または導関数
の符号変化によって示される。
心収縮期間で各々実行された積分関数、∫IRと∫RE
D、は次に、指示値を計算するために組み合わされる。
∫IR関数は記憶されたIRpeak値によって割り算され、そ
して∫RED関数は、記憶されたREDpeak値によって割り算
される。割り算された関数は、指示値を規定する商に組
み合わされる。それから指示値は、索引テーブル36をア
クセスするために使用され、この場合酸素飽和の対応す
る値が、見いだされかつ表示される。
索引テーブルは、LEDとフォトダイオードを酸素飽和
の公知のレベルの組織サンプルに適用することによっ
て、経験的に作成することができる。酸素飽和のレベル
が変わるとき、対応する指示値が書き留められ、そして
酸素飽和値が指示値に対応して索引テーブルに記憶され
る。
第５図を参照すると、第４図のコンピュータ・プログ
ラムの動作がグラフにより示される。オフセットIR
（ｔ）波形は、心拡張の最後において、ピーク値IRmax
に達することが見られる。（RED（ｔ）波形は類似の形
状を有し、そして同時にピーク値REDmaxに達する。従っ
てIR信号に関する議論は、双方を記載するために十分で
ある。）一旦IRmax（又はIRpeak）が達せられたなら
ば、積分器は心収縮中波形の積分を開始する。それぞれ
の時点において取られたそれぞれの値IR1、IR2、・・
・、IRn-1、IRminと、IRmaxレベルとの間の振幅は、第
５図において点線で描かれた領域として示された波形積
分値を規定する。波形が、心収縮の終了であるIRminに
おいて最小値に到達するとき、波形の積分は終了する。
その後、波形は、次の心拡張期間中再び上昇する。シス
テムは、積分計算に対して心拡張中の情報を使用しない
ために、デジタル処理装置が、信号レベルを再び位置付
けるためにオフセット回路を作動させるのはこの期間中
である。
示されたように計算された指示値は、酸素飽和の正確
な指示に対して十分な分解能を提供することが見いださ
れた。
本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。
1.血液酸素飽和を測定する酸素計システムであって、 ２つの異なる波長の光により、動脈血液を含む組織を
照射する手段； 該照射手段からの光を受信し、そして光の該２つの波
長の対応する電気信号を生成する手段； 心拡張から心収縮に照射された血液の移行における該
信号のピークを測定する手段； 積分値を生成するために、心収縮中該信号波形を積分
する手段； 指示値を決定するために、該積分値と信号ピークを組
み合わせる手段； 動脈血液の酸素飽和の指示を生成するために、該指示
値に応答する手段； とを具備する酸素計システム。
2.該受信手段は、２つの異なる波長の光を示す別々の信
号成分を生成し、該受光に応答する手段を含む上記１に
記載の酸素計システム。
3.該受信手段は、光の２つの波長の電気信号を生成し、
該別々の信号成分に応答する復調器手段をさらに含む上
記２に記載の酸素計システム。
4.該復調器手段は振幅復調器からなる上記３に記載の酸
素計システム。
5.アナログ信号をデジタル信号に変換し、規定された入
力動的範囲を示す変換手段と、 該２つの波長の光に対応する電気信号に応答する入力
および該変換手段の入力に結合された出力とを有し、該
受信信号のレベルを該変換手段の該入力動的範囲の有効
部分にシフトする手段とをさらに具備する上記１に記載
の酸素計システム。
6.該シフト手段は、オフセット電圧源と、該電気信号を
シフトさせるために該オフセット電圧源によって選択的
に充電されるコンデンサとを含む上記５に記載の酸素計
システム。
7.該変換手段は、レベル・シフトされていない該２つの
波長の光に対応する該電気信号を受信するために、さら
に結合される上記５に記載の酸素計システム。
8.該測定手段は、心拡張から心収縮への移行における信
号ピークを検出するために、連続信号に応答する上記１
に記載の酸素計システム。
9.該測定手段は、心収縮の終了において最小信号レベル
を検出するために、連続信号にさらに応答する上記８に
記載の酸素計システム。
10.該積分手段は、該測定手段による該信号ピークの検
出に応答して初期化され、そして該信号波形の積分は、
該測定手段による該最小信号レベルの検出により終了す
る上記９に記載の酸素計システム。
11.該検出信号ピークの値を記憶する、該測定手段に応
答する手段をさらに含む上記10に記載の酸素計システ
ム。
12.該組み合わせ手段は、該信号ピーク値により該積分
値を割り算することにより、商を生成する上記11に記載
の酸素計システム。
13.該組み合わせ手段は、光の該波長の一方に対応する
第１の商と、光の該波長の他方に対応する第２の商とを
生成する上記12に記載の酸素計システム。
14.該組み合わせ手段は、該第２の商により該第１の商
を割り算することにより、指示値を生成する上記13に記
載の酸素計システム。
15.光の該波長の一方が赤外線領域にあり、そして光の
該波長の他方が赤色領域にあり、該第１の商は赤外線光
信号に対応し、そして該第２の商は赤色光信号に対応す
る上記14に記載の酸素計システム。
16.該指示値に応答する該手段は索引テーブルからなる
上記14に記載の酸素計システム。
17.該電気信号生成手段は、 光の該２つの波長に対応する該電気信号のレベルをシ
フトさせる手段と、 該シフトされた受信信号と、シフトされていない受信
信号とのデジタル化サンプルを生成する手段とを含み、 この場合、該測定手段はシフトされていない受信信号
に応答し、そして該積分手段は該シフトされた受信信号
に応答する上記10に記載の酸素計システム。
18.該シフト手段は心拡張期間中選択的に動作される上
記５に記載の酸素計システム。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の原理により構成された脈拍酸素計の
ブロック図。 第２図は、脈動信号波形を強調するために使用される回
路を概略的に示す図。 第３図は、第２図の回路の動作をグラフにより示す図。 第４図は、酸素飽和を決定するために使用されたコンピ
ュータ・プログラムの流れ図。 第５図は、第４図のコンピュータ・プログラムの動作を
グラフにより示す図 10……駆動回路、12、14……発光ダイオード、16……フ
ォトダイオード、20……信号分離器、22……振幅復調
器、24……増幅器、30……オフセット回路、32……A/D
コンバータ、34……デジタル処理装置、36……索引テー
ブル、38……ディスプレイ、40……コンデンサ、42……
高インピーダンス増幅器、44……スイッチ、V0……オフ
セット電圧源。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】血液酸素飽和を測定する酸素計システムで
    あって、 ２つの異なる波長の光により、動脈血液を含む組織を照
    射する手段； 該照射手段からの光を受信し、そして光の該２つの波長
    の対応する電気信号を生成する手段； 心拡張から心収縮に照射された血液の移行における該信
    号のピークを測定する手段； 積分値を生成するために、心収縮中該信号波形を積分す
    る手段； 指示値を決定するために、該積分値と信号ピークを組み
    合わせる手段； 動脈血液の酸素飽和の指示を生成するために、該指示値
    に応答する手段； とを具備する酸素計システム。
JP63255764A 1987-10-09 1988-10-11 脈拍酸素計システム Expired - Lifetime JP2628717B2 (ja)

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