JP3116255B2 - Pulse oximeter - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は生体における赤色光と赤
外光の異なる２つの波長の吸光特性の差を利用して被験
者の動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測定するため
のパルスオキシメータに関し、特に外来光によるノイズ
の影響を効果的に除去できるようにしたパルスオキシメ
ータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for continuously measuring the oxygen saturation of arterial blood of a subject in a non-invasive manner by utilizing the difference between two light absorption characteristics of red light and infrared light in a living body. The present invention relates to a pulse oximeter, and more particularly to a pulse oximeter capable of effectively removing the influence of noise due to extraneous light.
【０００２】[0002]
【従来の技術】動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測
定するには、従来からパルスオキシメータが用いられて
いる。このパルスオキシメータでは、プローブを被験者
の指先や耳朶に装着し、プローブから赤と赤外の異なる
波長の光を生体に時分割に照射して、異なる２波長の透
過光または反射光から得られる吸光度の脈動成分の比Ф
から酸素飽和度Ｓを測定するものである。赤色光にはた
とえば６６０ｎｍの基準波長が用いられるとともに、赤
外光にはたとえば９４０ｎｍの波長が用いられ、プロー
ブ内にはこれらの波長を発する２つの発光ダイオードと
受光用の１つのフォトダイオードが内蔵されている。い
ま、赤色光の波長の吸光度の脈動成分をΔＡ１、赤外光
の波長の吸光度の脈動成分をΔＡ２とすると、異なる２
波長の吸光度の比Фは、次式で与えられる。 Ф＝ΔＡ１／ΔＡ２ 酸素飽和度Ｓは、この吸光度の比Фの関数ｆとして算出
することができる。 Ｓ＝ｆ（Ф）2. Description of the Related Art A pulse oximeter has been conventionally used for continuously measuring the oxygen saturation of arterial blood noninvasively. In this pulse oximeter, a probe is attached to a fingertip or an earlobe of a subject, and light of different wavelengths of red and infrared is radiated from the probe to a living body in a time-division manner, and the light can be obtained from transmitted light or reflected light of two different wavelengths. Ratio of pulsating component of absorbanceФ
Is used to measure the oxygen saturation S. A reference wavelength of, for example, 660 nm is used for red light, and a wavelength of, for example, 940 nm is used for infrared light, and two light emitting diodes emitting these wavelengths and one photodiode for receiving light are built in the probe. Have been. Now, assuming that the pulsation component of the absorbance at the wavelength of red light is ΔA1 and the pulsation component of the absorbance at the wavelength of infrared light is ΔA2,
The ratio 吸 光 of the absorbance of the wavelength is given by the following equation. Ф = ΔA1 / ΔA2 The oxygen saturation S can be calculated as a function f of this absorbance ratio Ф. S = f (Ф)
【０００３】ところで、このようなパルスオキシメータ
では、測定中にプローブのフォトダイオードに室内照明
などからの外来光が飛び込むと、測定信号に光雑音によ
るノイズ成分が混入してしまい、正確に酸素飽和度Ｓを
測定できなくなる。そこで、このような外来光によるノ
イズの影響を除去する試みが従来からいろいろとなされ
ている。たとえば図４に示すパルスオキシメータでは、
電圧シフト回路４２を用いてこの外来光によるノイズの
影響を軽減できるようにしたものである。以下、このパ
ルスオキシメータの構成と動作を説明する。この図で、
プローブに内蔵された発光ダイオード３は赤色発光用の
ダイオードであり、発光ダイオード５は赤外発光用のダ
イオードである。これら発光ダイオード３，５には直流
電源Ｖc が接続されているとともに、駆動用のトランジ
スタ２，４がそれぞれ直列に接続されている。マイクロ
コンピュータなどから構成される演算・制御回路４１か
らは、図５（ａ）に示す赤色光発光用の制御信号Ｋ１が
トランジスタ２のベースに出力され、図５（ｂ）に示す
赤外光発光用の制御信号Ｋ２がトランジスタ４のベース
に出力される。制御信号Ｋ１，Ｋ２はたとえば２５０Ｈ
ｚの周波数を有しており、これらの制御信号Ｋ１，Ｋ２
によってトランジスタ２，４が交互にオン・オフされる
ことで、発光ダイオード３，４が２ｍｓｅｃの周期で交
互に発光する。このプローブから発せられた赤色光およ
び赤外光は、動脈血流を含む被験者の生体組織６に入光
され、この生体組織６で吸光されたあとの透過光または
反射光がプローブ内に設けられた受光素子のフォトダイ
オード７によって検出される。[0003] In such a pulse oximeter, if extraneous light from indoor lighting or the like enters the photodiode of the probe during measurement, a noise component due to optical noise is mixed into the measurement signal, and the oxygen saturation is accurately measured. The degree S cannot be measured. Therefore, various attempts have been made to remove the influence of noise due to such extraneous light. For example, in the pulse oximeter shown in FIG.
The voltage shift circuit 42 is used to reduce the influence of noise due to the extraneous light. Hereinafter, the configuration and operation of this pulse oximeter will be described. In this figure,
The light emitting diode 3 incorporated in the probe is a diode for emitting red light, and the light emitting diode 5 is a diode for emitting infrared light. A DC power supply Vc is connected to these light emitting diodes 3 and 5, and driving transistors 2 and 4 are respectively connected in series. A control signal K1 for emitting red light shown in FIG. 5A is output to the base of the transistor 2 from an arithmetic / control circuit 41 composed of a microcomputer or the like, and an infrared light emission shown in FIG. Control signal K2 is output to the base of transistor 4. The control signals K1 and K2 are, for example, 250H
z, and these control signals K1, K2
As a result, the transistors 2 and 4 are turned on and off alternately, so that the light emitting diodes 3 and 4 emit light alternately at a cycle of 2 msec. The red light and the infrared light emitted from the probe enter the living tissue 6 of the subject including the arterial blood flow, and the transmitted light or the reflected light after being absorbed by the living tissue 6 is provided in the probe. The light is detected by the photodiode 7 of the light receiving element.
【０００４】このフォトダイオード７の受光出力は差動
増幅器８で増幅され、図５（ｄ）に示す増幅信号Ｋ４が
得られる。図中、Ｒは赤色光の信号であり、ＩＲは赤外
光の信号である。この信号Ｋ４は次段の電圧シフト回路
４２に入力される。この電圧シフト回路４２は、差動増
幅器８の出力端子に直列に接続されたコンデンサ４３
と、このコンデンサ４３の出力端と接地間に接続された
半導体スイッチ４４とにより構成されている。この半導
体スイッチ４４は、トランジスタ２，４がともにオフの
とき、すなわち発光ダイオード３，５がともに消灯して
いる期間だけ制御回路４１からのオン・オフ制御信号Ｋ
３（図５（ｃ））によってオンされ、どちらか一方の発
光ダイオード３または５が発光している期間はオフされ
るようになっている。したがって、発光ダイオード３，
５がともに消灯し、スイッチ４４がオンされて接地に短
絡されているときは、電圧シフト回路４２の出力は０Ｖ
であり、発光ダイオード３または５が発光するときは、
電圧シフト用のコンデンサ４３の作用で、半導体スイッ
チ４４がオンからオフに切り換えられる瞬間の差動増幅
器８の出力を基準レベルとした受光電圧を取り出すこと
ができる。この動作により外来光によるノイズ成分を除
去できる。The light receiving output of the photodiode 7 is amplified by a differential amplifier 8 to obtain an amplified signal K4 shown in FIG. In the figure, R is a signal of red light, and IR is a signal of infrared light. This signal K4 is input to the next-stage voltage shift circuit 42. The voltage shift circuit 42 includes a capacitor 43 connected in series to the output terminal of the differential amplifier 8.
And a semiconductor switch 44 connected between the output terminal of the capacitor 43 and the ground. The semiconductor switch 44 turns on / off the control signal K from the control circuit 41 only when the transistors 2 and 4 are off, that is, only when the light emitting diodes 3 and 5 are off.
3 (FIG. 5 (c)), and is turned off while either one of the light emitting diodes 3 or 5 is emitting light. Therefore, the light emitting diode 3,
5 are both turned off and the switch 44 is turned on and short-circuited to ground, the output of the voltage shift circuit 42 is 0 V
And when the light emitting diode 3 or 5 emits light,
By the action of the capacitor 43 for voltage shift, it is possible to extract a light receiving voltage with the output of the differential amplifier 8 as a reference level at the moment when the semiconductor switch 44 is switched from on to off. By this operation, a noise component due to extraneous light can be removed.
【０００５】この電圧シフト回路４２の出力端子は、ア
ナログスイッチなどからなる信号切換えスイッチ２６を
介して赤色受光出力検波用の増幅器２９または赤外受光
出力検波用の増幅器３２の入力端子に接続される。この
信号切換えスイッチ２６は、赤色発光ダイオード３が発
光しているときに演算・制御回路４１からの切換え制御
信号Ｋ４によって増幅器２９が選択されるように切り換
えられ、赤外発光ダイオード５が発光しているときは切
換え制御信号Ｋ４によって増幅器３２が選択されるよう
に切り換えられる。発光ダイオード３，５が消灯してい
るときは解放となる。これら増幅器２９，３２の入力端
子には、信号切換えスイッチ２６が増幅器２９，３２を
選択しないときに（解放のときに）電圧を保持するため
のコンデンサ４５，４６がそれぞれ接続されている。各
増幅器２９，３２の検波出力信号は、赤色光または赤外
光の生体組織６における吸光度を示す電圧信号となり、
この信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３，３５を介
してＡ／Ｄ変換器３４，３６にそれぞれ入力される。デ
ィジタル信号に変換された各検波信号は、演算・制御回
路４１に取り込まれ、酸素飽和度Ｓが算出される。An output terminal of the voltage shift circuit 42 is connected to an input terminal of an amplifier 29 for detecting a red received light output or an amplifier 32 for detecting an infrared received light output via a signal changeover switch 26 such as an analog switch. . The signal switch 26 is switched so that the amplifier 29 is selected by the switching control signal K4 from the arithmetic and control circuit 41 when the red light emitting diode 3 is emitting light, and the infrared light emitting diode 5 emits light. When it is, switching is performed so that the amplifier 32 is selected by the switching control signal K4. When the light emitting diodes 3 and 5 are turned off, they are released. The input terminals of the amplifiers 29 and 32 are connected to capacitors 45 and 46 for holding a voltage when the signal changeover switch 26 does not select the amplifiers 29 and 32 (when released). The detection output signals of the amplifiers 29 and 32 are voltage signals indicating the absorbance of the red light or the infrared light in the living tissue 6,
This signal is input to A / D converters 34 and 36 via low-pass filters (LPFs) 33 and 35, respectively. Each detection signal converted into a digital signal is taken into the arithmetic and control circuit 41, and the oxygen saturation S is calculated.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のパルス
オキシメータでは、自然光のような一定の外来光が光雑
音としてプローブ内のフォトダイオード７に入光する場
合、図６（ａ）に示すように差動増幅器８の出力に重畳
するノイズ成分ＥN は直流となり、電圧シフト回路４２
によって増幅器８の出力電圧をこのノイズ分ＥN だけグ
ランド側（０Ｖ側）にシフトすることにより、ノイズの
除去を容易に行なうことができる。図６（ｂ）は、この
直流のノイズ成分ＥN を除去したあとの電圧シフト回路
４２の出力波形を示しており、赤色光による出力電圧分
ＥR と赤外光による出力電圧分ＥIRに重畳していたノイ
ズ成分がきれいに取り除かれているのがわかる。In the above-mentioned conventional pulse oximeter, when a certain external light such as natural light enters the photodiode 7 in the probe as optical noise, as shown in FIG. 6A. The noise component EN superimposed on the output of the differential amplifier 8 becomes DC, and the voltage shift circuit 42
By shifting the output voltage of the amplifier 8 to the ground side (0 V side) by the amount of the noise EN, the noise can be easily removed. FIG. 6B shows the output waveform of the voltage shift circuit 42 after removing the DC noise component EN, and is superimposed on the output voltage ER of red light and the output voltage EIR of infrared light. It can be seen that the noise component that has been removed is clearly removed.
【０００７】ところで、外来光が自然光ではなく蛍光灯
のような室内照明から発せられる場合は、このような照
明光には商用交流周波数を基本波とした種々の周波数成
分が含まれている。したがって、光雑音にこのような周
波数成分を含む場合、電圧シフト回路４２ではノイズの
除去を簡単に行なえなくなる。図７（ａ）に、このよう
な交流成分のノイズＥACが重畳している差動増幅器８の
出力電圧波形を示す。電圧シフト回路４２では半導体ス
イッチ４４がオンからオフに切り換えられる瞬間の増幅
器８の出力電圧を基準にした電圧シフトを行なうので、
この場合、電圧シフト回路４２からはノイズ成分ＥACの
勾配によって異なる図７（ｂ）に示すような電圧波形が
出力される。この出力波形に示されるように、光雑音が
上り勾配のときは、赤色光による出力電圧分Ｒと赤外光
による出力電圧分ＩＲにノイズ分Ｎ１が加え合わされた
かたちで誤差が混入するようになり、光雑音が下り勾配
のときはノイズ分Ｎ２が引かれたかたちで誤差が混入さ
れるようになる。このように外来光に周波数成分が含ま
れる場合、電圧シフト回路４２だけでは十分にノイズの
除去を行なえず、ノイズの振幅状態によって異なる誤差
が測定信号に混入してしまうので、正確な酸素飽和度Ｓ
の測定を困難にしていた。When external light is emitted from indoor lighting such as a fluorescent lamp instead of natural light, such illumination light contains various frequency components having a commercial AC frequency as a fundamental wave. Therefore, when such frequency components are included in the optical noise, the voltage shift circuit 42 cannot easily remove the noise. FIG. 7A shows an output voltage waveform of the differential amplifier 8 on which such AC component noise EAC is superimposed. The voltage shift circuit 42 performs a voltage shift based on the output voltage of the amplifier 8 at the moment when the semiconductor switch 44 is switched from on to off.
In this case, a voltage waveform as shown in FIG. 7B is output from the voltage shift circuit 42 depending on the gradient of the noise component EAC. As shown in this output waveform, when the optical noise has an upward gradient, an error is mixed in such a manner that the noise component N1 is added to the output voltage component R due to red light and the output voltage component IR due to infrared light. In other words, when the optical noise has a downward gradient, an error is mixed in a form in which the noise N2 is subtracted. When the extraneous light contains a frequency component as described above, the voltage shift circuit 42 alone cannot sufficiently remove the noise, and errors different depending on the amplitude state of the noise are mixed in the measurement signal. S
Measurement was difficult.
【０００８】そこで、交互に発光される赤色光と赤外光
の発光周期を可能な限り短くすることが考えられる。こ
のようにすることにより、増幅器８の出力信号中に含ま
れる１周期中の光雑音の電圧変化が小さくなって直流に
近づき、電圧シフト回路４２でノイズ成分を除去したあ
との誤差を十分に小さくできる。しかし、蛍光灯からは
パルス性のノイズも発しているので、このようなノイズ
成分Ｐ１，Ｐ２が図７（ｃ）に示すように丁度消灯から
発光に切り換わる境界時間に飛び込むと、電圧シフト回
路４２から出力される受光出力信号に図７（ｄ）に示す
ように非常に大きな誤差分が伴うようになり、正確な酸
素飽和度Ｓを測定できなくなる。Ｎ３，Ｎ４は誤差とし
て埋もれた信号電圧を示す。Therefore, it is conceivable to shorten the light emission cycle of the red light and the infrared light that are alternately emitted as much as possible. By doing so, the voltage change of the optical noise in one cycle included in the output signal of the amplifier 8 becomes small and approaches DC, and the error after the noise component is removed by the voltage shift circuit 42 is made sufficiently small. it can. However, since pulse noise is also emitted from the fluorescent lamp, when such noise components P1 and P2 jump into the boundary time at which the light is switched from off to emission as shown in FIG. As shown in FIG. 7 (d), the received light output signal output from 42 has a very large error, which makes it impossible to measure the oxygen saturation S accurately. N3 and N4 indicate signal voltages buried as errors.
【０００９】このように電圧シフト回路４２では、周波
数成分を含む外来光によるノイズ成分を除去することが
難しいが、発光周波数を外来光によるノイズの影響を受
け難い周波数に設定することで、ノイズを除去する方法
が考えられる。蛍光灯から発せられるノイズ光の周波数
成分は、商用交流周波数の整数倍の高調波を含んでお
り、商用周波数が５０Ｈｚであると、その整数倍の雑音
周波数が存在している。したがって、交互に発光する赤
と赤外の発光周波数をｆＨｚに設定したとすると、検波
したあとの信号に乗ってくる雑音の周波数は、 （ｆ−ｎ・５０）Ｈｚ となる。いま、発光周波数をｆ＝５７５Ｈｚに設定した
すると、光雑音の最小周波数は２５Ｈｚとなり、この雑
音周波数は検出しようとする動脈血流による脈動の最大
周波数を上回っており、検波信号をローパスフィルタ３
３，３５に通すことによってこのノイズ成分を除去する
ことができる。しかし、この商用交流周波数は各国で公
称５０Ｈｚと６０Ｈｚが使われているが、多くの国でこ
の商用周波数に誤差が伴っているため、公称の商用周波
数から算出した発光周波数に設定したとしても、光雑音
によるノイズ成分を効果的に除去することは難しい。ま
た、パルスオキシメータが電池駆動機器であると、機器
内に商用交流電源が引き込まれていないため、使用され
ている商用周波数を検出することができず、パルスオキ
シメータ内でノイズの影響を受けない発光周波数に設定
することができなくなる。したがって、このようなノイ
ズ除去方法を採用した場合、電池駆動のパルスオキシメ
ータでは予め使用されている商用周波数が分かっている
地域でなければ、光雑音の除去ができない。As described above, in the voltage shift circuit 42, it is difficult to remove noise components due to extraneous light including frequency components. However, by setting the emission frequency to a frequency that is hardly affected by noise due to extraneous light, noise can be reduced. There is a method of removing it. The frequency component of the noise light emitted from the fluorescent lamp includes harmonics that are integral multiples of the commercial AC frequency, and when the commercial frequency is 50 Hz, there is an integral multiple of the noise frequency. Therefore, assuming that the emission frequencies of red and infrared light, which alternately emit light, are set to fHz, the frequency of the noise on the signal after detection is (f−n · 50) Hz. If the emission frequency is set to f = 575 Hz, the minimum frequency of optical noise is 25 Hz, which is higher than the maximum frequency of pulsation due to the arterial blood flow to be detected.
This noise component can be removed by passing the noise through the components 3 and 35. However, although the nominal 50 Hz and 60 Hz are used for the commercial AC frequency in each country, since the commercial frequency has an error in many countries, even if it is set to the emission frequency calculated from the nominal commercial frequency, It is difficult to effectively remove noise components due to optical noise. Also, if the pulse oximeter is a battery-operated device, the commercial AC power supply is not drawn into the device, and therefore the commercial frequency used cannot be detected, and the pulse oximeter is affected by noise in the pulse oximeter. No emission frequency can be set. Therefore, when such a noise removing method is adopted, optical noise cannot be removed in a battery-operated pulse oximeter unless the commercial frequency used in advance is known.
【００１０】本発明は、このような従来の技術が有する
課題を解決するために提案されたものであり、周波数成
分を含む外来光がプローブのフォトダイオードに混入す
る場合でも、この光雑音の除去を効果的に行なうことが
できるパルスオキシメータを提供することを目的とす
る。The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art, and removes optical noise even when extraneous light containing frequency components enters the photodiode of the probe. It is an object of the present invention to provide a pulse oximeter capable of effectively performing the above.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】ところで、従来のパルス
オキシメータにおいて、差動増幅器８の次段に低域除去
回路を接続して、外来光からのノイズをこの低域除去回
路で除去したあとに、電圧シフト回路４２に信号を入力
する方法が考えられる。この方法により外来光からのノ
イズをある程度除去することができ、低域除去回路の遮
断周波数を上げていくことで、ノイズは除去される方向
に向う。しかし、差動増幅器８から取り出される受光出
力信号（図８（ａ）参照）のいかんによらず、遮断周波
数を上げていくと、赤外光側の信号が電圧の小さな赤色
光側の信号に引き込まれてしまい、低域除去回路の出力
波形（図８（ｂ）参照）が大きく歪むため、図８（ｃ）
に示すように赤色光を反映する電圧信号Ｒと赤外光を反
映する電圧信号ＩＲとの分離がうまくいかなくなる。こ
れは、つぎのような理由によるものである。従来のパル
スオキシメータでは、２ｍｓｅｃの周期で赤色光および
赤外光の発光ダイオード３，５を交互に発光させてお
り、差動増幅器８からは図５（ｄ）に示したような５０
０Ｈｚのキャリアを２５０Ｈｚの信号Ａ２でＡＭ変調し
たのと等価な信号Ｋ４が取り出される。このときの差動
増幅器８の出力信号のパワースペクトル分布を図９に示
す。この図から明らかなように、生体組織６で吸光され
たあとの赤色光と赤外光の受光出力信号に含まれる情報
は、２５０Ｈｚから７５０Ｈｚの占有帯幅Ｗ２に分布し
ている。したがって、赤色光を反映する電圧信号と赤外
光を反映する電圧信号との分離度を十分にとるには、低
域除去回路の遮断周波数を２５０Ｈｚ以上に上げること
はできず、従来のパルスオキシメータではノイズの除去
を十分に行なえないことになる。Means for Solving the Problems In the conventional pulse oximeter, a low-frequency elimination circuit is connected to the next stage of the differential amplifier 8 to remove noise from extraneous light by the low-frequency elimination circuit. Next, a method of inputting a signal to the voltage shift circuit 42 can be considered. By this method, noise from extraneous light can be removed to some extent, and by increasing the cut-off frequency of the low-frequency removal circuit, the noise is removed. However, regardless of the received light output signal (see FIG. 8A) extracted from the differential amplifier 8, as the cutoff frequency is increased, the signal on the infrared light side becomes a signal on the red light side with a small voltage. Since the output waveform of the low-frequency elimination circuit (see FIG. 8B) is greatly distorted, the waveform of FIG.
As shown in (1), the separation of the voltage signal R reflecting the red light and the voltage signal IR reflecting the infrared light is not successful. This is due to the following reasons. In the conventional pulse oximeter, the light emitting diodes 3 and 5 for red light and infrared light alternately emit light at a cycle of 2 msec, and the differential amplifier 8 outputs 50 light as shown in FIG.
A signal K4 equivalent to a 0-Hz carrier AM-modulated with a 250-Hz signal A2 is extracted. FIG. 9 shows the power spectrum distribution of the output signal of the differential amplifier 8 at this time. As is clear from this figure, the information included in the received light output signals of the red light and the infrared light after being absorbed by the living tissue 6 is distributed in the occupied bandwidth W2 from 250 Hz to 750 Hz. Therefore, in order to sufficiently separate the voltage signal reflecting the red light and the voltage signal reflecting the infrared light, the cutoff frequency of the low-frequency elimination circuit cannot be increased to 250 Hz or more. The meter will not be able to sufficiently remove noise.
【００１２】そこで、本発明によるパルスオキシメータ
では、動脈血流を含む生体組織に赤色光と赤外光の異な
る２波長の光をそれぞれ照射する第１および第２の光源
と、赤色光の生体組織への照射と遮断を所定周波数でｎ
回継続して行なう第１のタイミングと、その後赤外光の
生体組織への照射と遮断を前記所定周波数と同じ周波数
でｎ回継続して行なう第２のタイミングとを繰り返すこ
とで、継続的に赤色光と赤外光が生体組織に照射される
ように第１および第２の光源を制御する制御手段と、こ
れら第１および第２の光源から照射された赤色光と赤外
光の２波長について生体組織によって吸光されたあとの
光出力を検出する受光素子と、この受光素子から得られ
る受光信号を増幅する増幅器と、この増幅器の出力信号
から所定の低域遮断周波数で低域成分を除去する低域除
去回路と、この低域除去回路の出力信号を検波したあと
の信号から２波長についての動脈血流による吸光度の脈
動成分の比を算出するとともに、得られた吸光度の比か
ら動脈血の酸素飽和度を算出する演算手段と有する構成
としてある。ここで、第１および第２の光源は赤色発光
ダイオードおよび赤外発光ダイオードで構成でき、これ
らの光源を制御する制御手段と酸素飽和度を算出する演
算手段をマイクロコンピュータなどからなる演算・制御
回路によって構成できる。Therefore, in the pulse oximeter according to the present invention, first and second light sources for irradiating living tissue including arterial blood flow with light of two different wavelengths, red light and infrared light, respectively, Irradiation and blocking of tissue at a predetermined frequency n
The first timing is performed continuously, and then the irradiation and blocking of the infrared light to the living tissue are performed at the same frequency as the predetermined frequency.
In by repeating the second timing to continuously n times, and a control means for controlling the first and second light sources so as continuously red light and infrared light is irradiated to a living tissue, they A light-receiving element for detecting light output of two wavelengths of red light and infrared light emitted from the first and second light sources after being absorbed by living tissue, and an amplifier for amplifying a light-receiving signal obtained from the light-receiving element A low-frequency elimination circuit for removing a low-frequency component from the output signal of the amplifier at a predetermined low-frequency cutoff frequency; It is configured to have an arithmetic means for calculating the ratio of the pulsating component of the absorbance and calculating the oxygen saturation of the arterial blood from the obtained absorbance ratio. Here, the first and second light sources can be constituted by a red light emitting diode and an infrared light emitting diode, and a control means for controlling these light sources and a calculation means for calculating the oxygen saturation include a calculation / control circuit comprising a microcomputer or the like. Can be configured.
【００１３】[0013]
【作用】上述した構成によれば、赤色光をｎ回所定周波
数ｆo でオン・オフしたあとに、赤外光をｎ回所定周波
数ｆo でオン・オフするというタイミングで、生体組織
に２波長の光を照射できるようにしたので、受光素子か
らは周波数ｆo のキャリアを、２波長についての吸光度
の情報を含むｆo ／ｎの周波数でＡＭ変調したのと等価
な信号を取り出すことができる。これにより、キャリア
周波数ｆo を中心とした吸光度の情報を含む有意な周波
数帯幅（占有帯幅）を狭めることができ、結果的に低域
除去回路の遮断周波数を上げられることで、受光素子に
混入する周波数成分を持つ外来光のノイズを効果的に除
去できる。According to the above-described structure, two wavelengths are applied to the living tissue at the timing of turning on / off the red light n times at the predetermined frequency fo after turning on / off the red light n times at the predetermined frequency fo. Since light can be irradiated, a signal equivalent to that obtained by AM-modulating a carrier having a frequency of fo at a frequency of fo / n including information on absorbance for two wavelengths can be extracted from the light receiving element. As a result, the significant frequency bandwidth (occupied bandwidth) including the information on the absorbance centered on the carrier frequency fo can be narrowed, and as a result, the cutoff frequency of the low-frequency elimination circuit can be increased. Noise of extraneous light having a frequency component to be mixed can be effectively removed.
【００１４】[0014]
【実施例】以下、本発明によるパルスオキシメータの具
体的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１のブ
ロック図に、このパルスオキシメータの一実施例を示
す。なお、説明にあたっては従来例と同様部分に同一符
号を付して重複する部分の説明を一部省略する。この図
で、赤色発光ダイオード３および赤外発光ダイオード５
は，演算・制御回路１からの図２（ａ）に示す赤色光発
光用制御信号Ｓ１および図２（ｂ）に示す赤外光発光用
制御信号Ｓ２に基づいて発光と消灯が制御され、これら
発光ダイオード３，５からの赤色光および赤外光が動脈
血流を含む生体組織６に照射される。ここで、赤色発光
ダイオード３がＴ１の期間（第１のタイミング期間）に
ｎ回（ｎは２以上の整数）発光と消灯を繰り返したあと
に、赤外発光ダイオード５がつぎのＴ２の期間（第２の
タイミング期間）にｎ回発光と消灯を繰り返し、これら
のタイミングが繰り返されることで各発光ダイオード
３，５が継続的に発光される。なお、Ｔ１＝Ｔ２に設定
される。生体組織６に向けて照射された赤色光および赤
外光は、生体組織６に含まれる動脈血流の酸素飽和度Ｓ
に応じた波長特有の吸光特性で減光されたあとに、その
透過光または反射光がフォトダイオード７によって受光
される。この実施例では、赤色光および赤外光の透過光
を検出している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a specific embodiment of a pulse oximeter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the pulse oximeter. In the description, the same parts as those in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the description of the overlapping parts is partially omitted. In this figure, a red light emitting diode 3 and an infrared light emitting diode 5
The light emission and extinguishing are controlled based on a red light emission control signal S1 shown in FIG. 2A and an infrared light emission control signal S2 shown in FIG. 2B from the arithmetic and control circuit 1. The red light and the infrared light from the light emitting diodes 3 and 5 irradiate the living tissue 6 including the arterial blood flow. Here, after the red light emitting diode 3 repeatedly emits light and turns off the light n times (n is an integer of 2 or more) during a period T1 (first timing period), the infrared light emitting diode 5 turns on the next period T2 ( Light emission and extinguishing are repeated n times during the second timing period), and the light emitting diodes 3 and 5 emit light continuously by repeating these timings. Note that T1 = T2 is set. The red light and the infrared light radiated toward the living tissue 6 emit the oxygen saturation S of the arterial blood flow contained in the living tissue 6.
After the light is attenuated by the absorption characteristic peculiar to the wavelength corresponding to the light, the transmitted light or the reflected light is received by the photodiode 7. In this embodiment, transmitted light of red light and infrared light is detected.
【００１５】フォトダイオード７の受光出力は、差動増
幅器８で増幅されたあとに、低域除去回路９に入力され
る。図２（ｃ）は、差動増幅器８の出力信号Ｓ３を示
す。この低域除去回路９は、増幅器８の出力端子に直列
に接続されたコンデンサ１０と、このコンデンサ１０の
出力端と接地間に接続された抵抗１１と、出力側に直列
に接続されたバッファ増幅器１２とから構成されてい
る。この低域除去回路９では、この回路で決められる低
域遮断周波数によって受光信号中の低域成分の除去が行
なわれ、その出力信号Ｓ４（図２（ｄ）の信号波形）が
ＡＭ検波回路１３に送られる。The light-receiving output of the photodiode 7 is input to a low-frequency elimination circuit 9 after being amplified by a differential amplifier 8. FIG. 2C shows the output signal S3 of the differential amplifier 8. The low-frequency elimination circuit 9 includes a capacitor 10 connected in series to the output terminal of the amplifier 8, a resistor 11 connected between the output terminal of the capacitor 10 and the ground, and a buffer amplifier connected in series to the output side. 12. The low-frequency removing circuit 9 removes low-frequency components in the received light signal by the low-frequency cutoff frequency determined by this circuit, and outputs the output signal S4 (the signal waveform of FIG. 2D) to the AM detection circuit 13. Sent to
【００１６】このＡＭ検波回路１３の構成を説明する
と、バッファ増幅器１２の出力端子が抵抗１６を介して
差動増幅器１４の反転入力端子に接続され、この差動増
幅器１４の非反転入力端子が接地されている。差動増幅
器１４の出力端子は、ダイオード１７のアノードに接続
されているとともに、ダイオード１８のカソードに接続
されている。ダイオード１７のカソードは、抵抗１９を
介して差動増幅器１４の反転入力端子に接続され、抵抗
２１を介して次段の差動増幅器１５の反転入力端子に接
続されている。さらに、このダイオード１７のカソード
は抵抗２１を介して接地されている。また、ダイオード
１８のアノードは抵抗２２を介して差動増幅器１４の非
反転入力端子に接続され、抵抗２４を介して次段の差動
増幅器１５の非反転入力端子に接続されている。また、
アノードと抵抗２２，２４の接続点は、抵抗２３を介し
て接地されている。差動増幅器１５の非反転入力端子は
抵抗２５Ａを介して接地されている。また、この差動増
幅器１５の出力端子は抵抗２５Ｂを介して反転入力端子
に接続されているとともに、アナログスイッチからなる
信号切換え回路２６の入力端子に接続される。なお、各
抵抗には同一の抵抗値ものが使用される。The configuration of the AM detection circuit 13 will be described. The output terminal of the buffer amplifier 12 is connected to the inverting input terminal of a differential amplifier 14 via a resistor 16, and the non-inverting input terminal of the differential amplifier 14 is grounded. Have been. The output terminal of the differential amplifier 14 is connected to the anode of the diode 17 and to the cathode of the diode 18. The cathode of the diode 17 is connected via a resistor 19 to the inverting input terminal of the differential amplifier 14 and via a resistor 21 to the inverting input terminal of the next stage differential amplifier 15. Further, the cathode of the diode 17 is grounded via the resistor 21. Further, the anode of the diode 18 is connected to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 14 via the resistor 22, and is connected to the non-inverting input terminal of the next stage differential amplifier 15 via the resistor 24. Also,
The connection point between the anode and the resistors 22 and 24 is grounded via the resistor 23. The non-inverting input terminal of the differential amplifier 15 is grounded via a resistor 25A. The output terminal of the differential amplifier 15 is connected to an inverting input terminal via a resistor 25B and to an input terminal of a signal switching circuit 26 composed of an analog switch. The resistors having the same resistance value are used.
【００１７】このＡＭ検波回路１３によって両波検波さ
れた図２（ｅ）に示す赤色光および赤外光の受光信号の
検波信号Ｓ５は、演算・制御回路１から出力される図２
（ｆ）に示す切換え制御信号Ｓ６によって信号切換え回
路２６が切り換えられることで、平滑フィルタを介して
増幅器２９，３２にそれぞれ分配される。図２（ｇ）に
示す信号Ｓ７は分配されたあとの赤色光側の検波信号で
あり、図２（ｈ）に示す信号Ｓ８は赤外光側の検波信号
である。なお、平滑フィルタは増幅器２９，３２の入力
端子にそれぞれ直列に挿入された抵抗２７，３０と、増
幅器３２の入力端子と接地間にそれぞれ接続されたコン
デンサ２８，３１とからなる。The detection signal S5 of the received light signal of red light and infrared light shown in FIG. 2 (e) detected by the AM detection circuit 13 is shown in FIG.
When the signal switching circuit 26 is switched by the switching control signal S6 shown in (f), the signal is distributed to the amplifiers 29 and 32 via the smoothing filter. The signal S7 shown in FIG. 2G is a detection signal on the red light side after being distributed, and the signal S8 shown in FIG. 2H is a detection signal on the infrared light side. The smoothing filter includes resistors 27 and 30 inserted in series with the input terminals of the amplifiers 29 and 32, respectively, and capacitors 28 and 31 connected between the input terminal of the amplifier 32 and the ground, respectively.
【００１８】増幅器２９，３２を通った赤色光の検波信
号および赤外光の検波信号は、各光が生体組織６を透過
したあとの吸光度の情報を反映した電圧信号である。こ
れらの検波信号はローパスフィルタ３３，３５を介して
Ａ／Ｄ変換器３４，３６に入力され、ディジタル信号に
変換されたあとに演算・制御回路１に取り込まれる。こ
の演算・制御回路１では、赤色光および赤外光の吸光度
の脈動成分の比Φを算出し、この吸光度の比Φから酸素
飽和度Ｓを求める演算を行なう。The detection signal of the red light and the detection signal of the infrared light that have passed through the amplifiers 29 and 32 are voltage signals reflecting the information on the absorbance after each light has passed through the living tissue 6. These detection signals are input to A / D converters 34 and 36 via low-pass filters 33 and 35, and are converted into digital signals and then taken into the arithmetic and control circuit 1. The arithmetic and control circuit 1 calculates the ratio Φ of the pulsating components of the absorbance of the red light and the infrared light, and calculates the oxygen saturation S from the ratio Φ of the absorbance.
【００１９】このようにこのパルスオキシメータでは、
各発光制御信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて赤色発光ダイオー
ド３がｎ回発光と消灯を繰り返したあとに、その後の休
止期間に赤外発光ダイオード５がｎ回発光と消灯を繰り
返すというタイミングで各発光ダイオード３，５を発光
させているので、増幅器８からは図２（ｃ）に示したよ
うな出力電圧波形が取り出される。いま、発光期間にお
ける各発光ダイオード３，５の発光周波数ｆ0 を５００
Ｈｚとすると、増幅器８の出力信号Ｓ３は５００Ｈｚの
キャリアを２５０／ｎＨｚの信号Ａ１でＡＭ変調したの
と等価な信号となる。このときの増幅器８の出力信号Ｓ
３のパワースペクトルを図３に示す。この図から明らか
なように増幅器８の出力信号は、５００Ｈｚのキャリア
周波数ｆ0 を中心にして５００−（２５０／ｎ）Ｈｚの
周波数ｆ1 の下側帯波から５００＋（２５０／ｎ）Ｈｚ
の周波数ｆ2の上側帯波の範囲に分布しており、情報を
持つスペクトルの占有帯幅Ｗ１は５００／ｎＨｚとなっ
ている。したがって、この占有帯幅Ｗ１は従来に比べて
１／ｎに縮退している。なお、ｆa ，ｆb は、従来の下
側帯波と上側帯波を示す。これにより、低域除去回路９
の低域遮断周波数を上げても、有用な信号成分が除去さ
れてしまうことはなく、この低域除去回路９によって蛍
光灯などの周波数成分を含む外来光のノイズを十分に除
去することが可能となる。Thus, in this pulse oximeter,
After the red light emitting diode 3 repeats light emission and extinguishment n times based on the respective light emission control signals S1 and S2, the light emitting diodes 5 repeat light emission and extinguishment n times during the rest period thereafter. Since the lights 3 and 5 emit light, an output voltage waveform as shown in FIG. Now, the light emission frequency f0 of each of the light emitting diodes 3 and 5 during the light emission period is set to 500.
Hz, the output signal S3 of the amplifier 8 is a signal equivalent to the result of AM-modulating a carrier of 500 Hz with a signal A1 of 250 / nHz. The output signal S of the amplifier 8 at this time
3 is shown in FIG. As is apparent from this figure, the output signal of the amplifier 8 is 500+ (250 / n) Hz from the lower band of the frequency f1 of 500- (250 / n) Hz centering on the carrier frequency f0 of 500 Hz.
And the spectrum having information has an occupied bandwidth W1 of 500 / nHz. Therefore, the occupied band width W1 is reduced to 1 / n as compared with the related art. Here, fa and fb indicate a conventional lower band wave and an upper band wave, respectively. Thereby, the low-frequency removing circuit 9
Even if the low-frequency cutoff frequency is increased, useful signal components are not removed, and the low-frequency removal circuit 9 can sufficiently remove external light noise including frequency components such as fluorescent lights. Becomes
【００２０】つぎに、各発光ダイオード３，５の発光周
波数ｆ0 を５００Ｈｚから数ｋＨｚに高めた場合につい
て説明する。この発光周波数をたとえば１０ｋＨｚに設
定し、連続した発光回数ｎをたとえば２０回とすると、
占有帯幅Ｗ１は５００Ｈｚとなり、下側帯波の周波数ｆ
1 は９．７５ｋＨｚとなる。これにより、蛍光灯などの
外来光に数ｋＨｚのノイズ成分が含まれていたとして
も、低域除去回路９の遮断周波数を９ｋＨｚ以上に設定
することができ、周波数成分を含む外来光のノイズを完
全に除去することができる。Next, the case where the light emitting frequency f0 of each of the light emitting diodes 3 and 5 is increased from 500 Hz to several kHz will be described. If this light emission frequency is set to, for example, 10 kHz, and the number n of continuous light emission is set to, for example, 20 times,
The occupied band width W1 is 500 Hz, and the lower band frequency f
1 is 9.75 kHz. Thereby, even if noise light of several kHz is included in extraneous light such as a fluorescent lamp, the cutoff frequency of the low-frequency elimination circuit 9 can be set to 9 kHz or more, and noise of extraneous light including frequency components can be reduced. It can be completely removed.
【００２１】なお、図１に示したパルスオキシメータで
は、低域除去回路９の出力信号Ｓ４をＡＭ検波回路１３
に入力する構成となっているが、低域除去後の信号Ｓ４
を図４に示した電圧シフト回路４２に通し、その後信号
切換え回路２６に入力するような回路構成も可能であ
る。In the pulse oximeter shown in FIG. 1, the output signal S4 of the low-frequency elimination circuit 9 is output from the AM detection circuit 13
, But the signal S4 after the low-frequency elimination
May be passed through the voltage shift circuit 42 shown in FIG. 4 and then input to the signal switching circuit 26.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、赤
と赤外の２つの波長の光を生体組織に時分割に入射して
異なる波長の吸光度の情報を得るにあたって、赤色光を
所定の周波数ｆ0 で断続的にｎ回入光したあとに、赤外
光を同周波数ｆ0 で断続的にｎ回入光するというタイミ
ングで、２波長の光を生体組織に照射しているため、受
光素子からは、中心周波数ｆ0 に伴う吸光度の情報を含
む周波数分の占有帯幅を狭めた受光信号を取り出すこと
ができ、結果的に低域除去回路の遮断周波数を上げるこ
とができる。これにより、受光素子に混入した周波数成
分を含む外来光のノイズをこの低域除去回路によって効
果的に除去することができ、従来よりも高精度に酸素飽
和度Ｓの測定を行なうことができる。As described above, according to the present invention, when light of two wavelengths, red and infrared, is incident on living tissue in a time-division manner and information on absorbance at different wavelengths is obtained, a predetermined amount of red light is used. Since the infrared light is intermittently input n times at the same frequency f0 after intermittently inputting n times at the frequency f0, two wavelengths of light are applied to the living tissue. From the element, it is possible to extract a light receiving signal having a narrow occupied bandwidth corresponding to the frequency including the information on the absorbance associated with the center frequency f0, and as a result, it is possible to increase the cutoff frequency of the low band removing circuit. Thus, noise of extraneous light including frequency components mixed into the light receiving element can be effectively removed by the low-frequency removing circuit, and the oxygen saturation S can be measured with higher accuracy than before.
【図１】本発明によるパルスオキシメータの一実施例を
示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing one embodiment of a pulse oximeter according to the present invention.
【図２】図１のパルスオキシメータの動作を説明するた
めの波形図である。FIG. 2 is a waveform chart for explaining the operation of the pulse oximeter of FIG.
【図３】受光出力信号のパワースペクトルを示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a power spectrum of a received light output signal.
【図４】従来のパルスオキシメータを示す回路図であ
る。FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional pulse oximeter.
【図５】従来のパルスオキシメータの動作を説明するた
めの波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of a conventional pulse oximeter.
【図６】光雑音が直流成分である場合の電圧シフト回路
の動作を説明するための波形図である。FIG. 6 is a waveform chart for explaining the operation of the voltage shift circuit when optical noise is a DC component.
【図７】光雑音が周波数成分やパルス成分を含む場合の
電圧シフト回路の動作を説明するための波形図である。FIG. 7 is a waveform diagram for explaining an operation of the voltage shift circuit when optical noise includes a frequency component and a pulse component.
【図８】従来のパルスオキシメータに低域除去回路を採
用した場合の不具合点を説明するための波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram for explaining a problem when a low-frequency elimination circuit is employed in a conventional pulse oximeter.
【図９】従来のパルスオキシメータで受光出力に現れる
パワースペクトルを示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a power spectrum appearing in a received light output in a conventional pulse oximeter.
１ 演算・制御増幅回路 ３ 赤色発光ダイオード ５ 赤外発光ダイオード ６ 生体組織 ７ フォトダイオード ８ 差動増幅器 ９ 低域除去回路 １３ ＡＭ検波回路 ２６ 信号切換え回路 ２９，３２ 増幅器 ３３，３５ ローパスフィルタ ３４，３５ Ａ／Ｄ変換器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Operation / control amplification circuit 3 Red light emitting diode 5 Infrared light emitting diode 6 Biological tissue 7 Photodiode 8 Differential amplifier 9 Low band removal circuit 13 AM detection circuit 26 Signal switching circuit 29,32 Amplifier 33,35 Low-pass filter 34,35 A / D converter
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 5/145 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) A61B 5/145
Claims (1)
光の異なる２波長の光をそれぞれ照射する第１および第
２の光源と、 赤色光の生体組織への照射と遮断を所定周波数でｎ回継
続して行なう第１のタイミングと、その後赤外光の生体
組織への照射と遮断を前記所定周波数と同じ周波数でｎ
回継続して行なう第２のタイミングとを繰り返すこと
で、継続的に赤色光と赤外光が生体組織に照射されるよ
うに第１および第２の光源を制御する制御手段と、 これら第１および第２の光源から照射された赤色光と赤
外光の２波長について生体組織によって吸光されたあと
の光出力を検出する受光素子と、 この受光素子から得られる受光信号を増幅する増幅器
と、 この増幅器の出力信号から所定の低域遮断周波数で低域
成分を除去する低域除去回路と、 この低域除去回路の出力信号を検波したあとの信号から
２波長についての動脈血流による吸光度の脈動成分の比
を算出するとともに、得られた吸光度の比から動脈血の
酸素飽和度を算出する演算手段とを有することを特徴と
するパルスオキシメータ。1. A first and a second light source for irradiating a living tissue including an arterial blood flow with light of two different wavelengths, red light and infrared light, respectively, and irradiating and blocking red light on the living tissue. A first timing of continuously performing n times at the frequency, and then irradiating and blocking the infrared light to the living tissue at the same frequency as the predetermined frequency for n times
Control means for controlling the first and second light sources so as to continuously irradiate the living tissue with red light and infrared light by repeating the second timing continuously performed; And a light-receiving element that detects light output after being absorbed by living tissue for two wavelengths of red light and infrared light emitted from the second light source; and an amplifier that amplifies a light-receiving signal obtained from the light-receiving element. A low-frequency removing circuit for removing a low-frequency component from the output signal of the amplifier at a predetermined low-frequency cutoff frequency; and a signal obtained by detecting the output signal of the low-frequency removing circuit. A pulse oximeter comprising: a calculating means for calculating a ratio of a pulsation component and calculating an oxygen saturation of arterial blood from the obtained absorbance ratio.
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