JP3238813B2

JP3238813B2 - パルスオキシメータ

Info

Publication number: JP3238813B2
Application number: JP32003893A
Authority: JP
Inventors: 慶二山口
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JPH07171139A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動脈血酸素飽和度を非
観血的に計測するパルスオキシメータに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、生体情報を連続的に計測するモ
ニタ類は、高度な計測精度よりも電気ノイズや体動など
により値が変動しない安定性や、トラブルによって計測
が中断しにくい連続性が要求される。パルスオキシメー
タについても同様である。尚、一般に、採血により観血
的に計測を行った動脈血酸素飽和度ＳａＯ₂ に対して、
これと区別するために、パルスオキシメータにより測定
された動脈血酸素飽和度をＳｐＯ₂ と表現しているた
め、以下これに従う。

【０００３】パルスオキシメータによる動脈血酸素飽和
度ＳｐＯ₂ （以下、単にＳｐＯ₂ という）のモニタリン
グは、生命を脅かす低酸素状態を察知するために行うも
のであり、ノイズなどにより不用意に値が変動しないだ
けの安定性が要求される。ところで、パルスオキシメー
タは、血行動態を観測するために光学系素子を使用して
いる。従って、得られた信号は体動に対し非常に脆弱で
あり、ＳｐＯ₂ 値は不安定になり易い性質をもってい
る。

【０００４】一般に、ＳｐＯ₂ は、比較的ゆっくりした
速度で変化することが知られている。従って、従来より
この変動を抑えるため移動平均が行われていた。移動平
均するにあたり、移動平均点数を増やせばより安定性能
は向上する。他の従来の方法としては、脈波検出あるい
はＳｐＯ₂ 演算の糧でノイズ判定を行い、ノイズが重畳
していた場合は演算結果の信頼性が乏しいとして、無効
とするかもしくは重みを小さくすた加重移動平均を行う
考え方もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、移動平
均点数を増やせばＳｐＯ₂ 値の安定性能はより向上する
が、反面、ＳｐＯ₂ 値の小さな変化は捕らえ難くなり、
応答性能も低下する。また、移動平均では、ノイズがな
く正確にＳｐＯ₂ が演算できたデータとノイズにより誤
差が極端に大きくなったデータとを、区別することなし
に均一に平均化するので、見かけ上は安定するが誤差成
分自体は少しも減少しておらず、その分安定化効率は悪
い。だが、低酸素状態は極めて危険な状態であるため、
いち速く察知するため応答性能が良い方が望ましい。

【０００６】一方、ノイズ判定を行った場合、ノイズの
誤判定（false positive）が多いと計測の連続性を損な
ってしまう。また、ノイズの検出漏れ（false negativ
e）が多いと安定性能が向上しない問題があるので、ノ
イズ判定の精度は充分に高い必要があるが、１００％の
確度で判定を行うことは不可能であり、ノイズ判定を高
精度に行うためには、信号形状の多様性に対応したアル
ゴリズムを構築しなければならない。従って、処理量が
増え計測のリアルタイム性を損なう心配がある。また、
一般に加重移動平均を行うと、重みの種類に対応するた
め移動平均のような演算の簡略化ができず、処理時間が
長くなる。

【０００７】本発明は、前記従来の欠点を除去し、簡単
な構成により応答性能および安定性能を向上させたパル
スオキシメータを提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明のパルスオキシメータは、波長の異なる複数
の光を皮膚の表面から照射し、該複数の光の反射光もし
くは該複数の光の透過光の信号から、脈波が検出される
度に、動脈血酸素飽和度を演算する酸素飽和度演算手段
と、前記酸素飽和度演算手段で新たに動脈血酸素飽和度
が演算される度に、それまでの所定数の連続して演算さ
れた動脈血酸素飽和度を更新保存する第１記憶手段と、
前記第１記憶手段に更新保存された所定数の動脈血酸素
飽和度の大きさを比較して中央値となる動脈血酸素飽和
度を選択する中央値選択手段と、前記中央値選択手段で
新たに中央値が選択される度に、それまでの所定数の連
続して選択された中央値を更新保存する第２記憶手段
と、前記第２記憶手段に更新保存された所定数の選択さ
れる中央値の平均値を演算する平均値演算手段と、前記
平均値演算手段により演算される平均値を、新たに計測
された動脈血酸素飽和度として表示する酸素飽和度表示
手段とを備えることを特徴とする。

【０００９】さらに、前記第１記憶手段に更新保存され
る検出された動脈血酸素飽和度の所定数は３個であるこ
とを特徴とする。

【００１０】さらに、前記第２記憶手段に更新保存され
る選択される中央値の所定数は１６個であることを特徴
とする。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を用いて詳
細に説明する。

【００１２】図８、図９および図１０を用いて、本発明
の応答性能および安定性能の効果を説明する。

【００１３】図８（Ａ）は、ノイズの重畳されていない
場合の透過光信号を示す。図８（Ｂ）は、（Ａ）の透過
光信号よりそのまま演算した動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ
₂ ）を示す。図９（Ａ）は、体動によりノイズの重畳し
た場合の透過光信号を示す。図９（Ｂ）は、（Ａ）の透
過光信号をそのまま演算した動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ
₂ ）およびさらに３点比較処理を行った動脈血酸素飽和
度（ＳｐＯ₂ ）を示す。

【００１４】図８（Ａ）は、測定部位（人差指）を動か
さないようにしたときに測定した透過光信号をＢは赤外
光信号として、Ｒは赤色光信号として検出したものであ
る。そして、ノイズの影響を受けていないため、透過光
信号は乱れていない。また、図８（Ｂ）から解るよう
に、換気性能が正常な場合、動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ
₂ ）はほぼ１００％に近い値を指示する。

【００１５】これに対して、図９（Ａ）は、体動により
測定部位が動いているときに測定した透過光信号をＢは
赤外光信号として、Ｒは赤色光信号として検出したもの
である。そして、ノイズの影響を受けているので、透過
光信号が乱れている。また、図９（Ｂ）から解るよう
に、ＳｐＯ₂ 値が大きく変動することがたびたび見られ
る。なお、○は透過光信号をそのまま演算したＳｐＯ₂
値を示し、●は３点比較処理したＳｐＯ₂ 値を示す。

【００１６】ここで、図９（Ｂ）に示したＳｐＯ₂ を比
較手段により、３拍分のＳｐＯ₂ 値を比較して中央値を
保存する。すなわち、図９において、１、２、３を比較
すると１が中央値であるので、１をａとして保存する。
次に、２、３、４を比較すると４が中央値であるので、
４をｂとして保存する。次に、３、４、５を比較すると
４が中央値であるので、４をｃとして保存する。このよ
うに順次、ＳｐＯ₂ 値（１、２、３、…）を３点比較し
て処理していくと、処理後のＳｐＯ₂ 値（ａ、ｂ、ｃ、
…）が得られる。その結果、明らかにノイズにより誤差
が発生した３、１０のＳｐＯ₂ 値は無視されて安定した
推移を得ることができる。

【００１７】比較手段による処理により、特異的なＳｐ
Ｏ₂ 値が発生した場合は効果的に安定させることがで
き、何点か連続的に変動した場合においてもある程度は
安定化処理ができる。しかしながら、実際はＳｐＯ₂ 値
の変動の仕方は多様であり、比較手段だけでは不十分で
ある。さらに、ＳｐＯ₂ 値を安定化させるためには、比
較点数を増やす方法があるが、比較点数を増やすと処理
量が急激に増えリアルタイムに処理することができなく
なる。したがって、比較手段による処理されたＳｐＯ₂
値に対し、移動平均を行うことにより安定性能を向上さ
せる。

【００１８】図１０は、動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ₂ ）
の減少過程において比較処理の効果を示す。なお、○は
透過光信号をそのまま演算したＳｐＯ₂ 値を示し、●は
３点比較処理したＳｐＯ₂ 値を示す。また、▲は３点移
動平均処理したＳｐＯ₂ 値を示し、▼は７点移動平均処
理したＳｐＯ₂ 値を示す。

【００１９】図１０において、ノイズが重畳しているた
め、透過光信号をそのまま演算したＳｐＯ₂ 値は１点だ
け特異的に変動している。このＳｐＯ₂ 値を３点比較処
理および３点移動平均処理して安定化させたさせると、
３点比較処理をしたＳｐＯ₂値は３点移動平均処理をし
たＳｐＯ₂ 値に比べ安定していることがわかる。これに
より、比較処理の方が移動平均処理に比べ効果的にノイ
ズの影響を安定化処理できることがわかる。さらに、移
動平均点数を増やして７点移動平均処理を行うと、安定
性は３点比較処理に比べほぼ同じくらいであるが、応答
性が悪くなるのと同時に特異的に変動したＳｐＯ₂ 値の
影響が継続している。これにより、移動平均点数を増や
し移動平均のみで安定性を向上させることは、応答性の
劣化と誤差の影響を継続させることがわかる。

【００２０】ここで、図８、図９および図１０は実際に
透過光信号およびＳｐＯ₂ の測定したグラフの一部分を
拡大して用いているので、図２および図３に表すノイズ
の影響は実際のグラフから見るとほんのわずかなもので
ある。このため、実際にはもっと大きなノイズの影響を
受けるため、安定性を向上させるためには、もっと多く
の移動平均点数が必要である。

【００２１】本実施例との対比を明瞭にするため、図１
１および図１２ないし図１４を用いて、透過光信号と従
来の演算されたＳｐＯ₂ 値との関係を示す。

【００２２】図１１は、１分、２分、３分、４分の人差
指での透過光信号をＢは赤外光信号として、Ｒは赤色光
信号として検出したものである。図１２のＳで示すドッ
トは図１１の透過信号をそのままＳｐＯ₂ に演算したも
のであり、図１３のＸ１で示すドットは図１２に示すＳ
ｐＯ₂ を８点移動平均した演算例であり、図１４のＸ２
で示すドットは図１２に示すＳｐＯ₂ を３２点移動平均
した演算例である。なお、計測開始１分後から約２分間
呼吸停止を行ったものである。

【００２３】指の少しの動きにより、透過光信号は図１
１のように乱れ、それによってＳｐＯ₂ は図１２のＳの
ように大きく変動する。この変動を抑えるために従来よ
り移動平均を行っていたが、移動平均点数が少ない場合
は図１３のＸ１のように十分な安定性は得られず、移動
平均点数が多い場合は図１４のＸ２のように安定はする
が応答性が低下する。

【００２４】図１から図６を用いて、本実施例の装置の
構成例を説明する。

【００２５】図１は、本実施例のパルスオキシメータの
構成を示すブロック図であり、図２は、ヘッドアンプ２
の出力信号の例を表す図であり、図３は、ハイパスフィ
ルタの出力信号の例を表す図であり、図４は、ＳｐＯ₂
演算部６における処理を示す図であり、図５は、比較処
理部７および移動平均部８での構成および動作を示す図
である。

【００２６】図１において、プローブ１は、赤外光用発
光素子と赤色光用発光素子（ＬＥＤ）および赤外光用受
光素子と赤色光用受光素子（ＰＤ）とを備える。そし
て、ヘッドアンプ２にて、反射光もしくは透過光信号は
電気信号に変換され、赤外ＤＣ信号および赤色ＤＣ信号
が出力される（図２参照）。次に、ハイパスフィルタ
（図示せず）にて、赤外ＤＣ信号、赤色ＤＣ信号から赤
外ＡＣ信号、赤色ＡＣ信号が抽出される（図３参照）。
このＤＣ信号およびＡＣ信号は増幅されて、ＡＤ変換器
３に与えられる。ＡＤ変換器３にてＡＤ変換された４ｃ
ｈ信号はＣＰＵ４に入力され、一連の処理が行われる。

【００２７】ＡＤ変換後のＡＣ信号は脈波検出部５に入
力され、脈波検出が行われる。ＡＣ信号は同時に表示制
御部９にも入力され指定の書式に従い表示部１０にて脈
波形が表示される。一方、ＤＣ信号はＳｐＯ₂ 演算部６
に入力される。また、脈波検出部５により脈波が検出さ
れると、脈波検出信号がＳｐＯ₂ 演算部６に入力され
る。次に、ＳｐＯ₂ 演算部６にて、以下の式（１）に基
づいて、ＳｐＯ₂ 演算処理が行われる（図４参照）。

【００２８】ＳｐＯ₂ ＝Ａ×（ｐｐ１／ｒ１）／（ｐｐ０／ｒ０）＋Ｂ（１）このとき、脈波検出部５では、脈波のピークおよびボト
ムの検出も行われ、ｐｐレベル値（図４のｐｐ０、ｐｐ
１）およびボトム時刻（図４のｔ_b ）がＳｐＯ₂ 演算部
９に渡される。ＳｐＯ₂ 演算部６では、ボトム時刻ｔ_b
におけるＤＣ信号レベル（図４のｒ０、ｒ１）と、ｐｐ
０、ｐｐ１よりＳｐＯ₂ 値を演算する。なお、係数Ａ、
Ｂは予め記憶された値を用いる。

【００２９】ＳｐＯ₂ 演算部６にてＳｐＯ₂ 値が求めら
れると、ＳｐＯ₂ 値は比較処理部７に移行される。比較
処理部７では、まず比較処理用バッファ７１のｓ０、ｓ
１のデータはそれぞれｓ１、ｓ２の代入され、今回のＳ
ｐＯ₂ 値がｓ０に代入される（図５（Ａ）参照）。次
に、アルゴリズム７２にて、ｓ０、ｓ１、ｓ２の中央値
がｓａに代入される（図５（Ｂ）参照）。アルゴリズム
７２では、下記の式（２）にバッファ７１からｓ０、ｓ
１、ｓ２にそれぞれ代入され、不等号が真であれば１を
代入され、不等号が偽であれば０を代入されてＵの値が
得られる。そして、Ｕ値に基づいてＵ＝１のときはｓ２
＝ｓａ、Ｕ＝２のときはｓ０＝ｓａ、Ｕ＝４のときはｓ
１＝ｓａとなるように構成されている。

【００３０】Ｕ＝(ｓ０＞ｓ１)＋{(ｓ１＞ｓ２)×２}＋{(ｓ２＞ｓ０)×４} （２）このようにして比較処理部７で得られたｓａは、移動平
均部８に移行される。移動平均部８では、移動平均用バ
ッファ７３において、ポインタｐに対応するバッファ７
３のデータｓａ_p を読み出し（）、それまでの１６点
の合計値ｓｕｍからｓａ_p を引き（）、次に今回のｓ
ａをポインタｐに対応するバッファに書き込み（）、
ｓａ_p が引かれているｓｕｍにｓａを加える（）。そ
して、ポインタｐを次のバッファセグメントに移動する
（）。最後にｓｕｍを１６で割ったものが今回のＳｐ
Ｏ₂ 値として得られる（図５（Ｃ）参照）。

【００３１】移動平均部８により得られたＳｐＯ₂ 値
は、表示制御部９に移行し、所定の書式に従って脈波形
と共にＳｐＯ₂ が表示部１０に表示される。

【００３２】図６（Ａ）は、本実施例のパルスオキシメ
ータの構成を示すフローチャートであり、図６（Ｂ）
は、図６（Ａ）のフローチャート中のタイマ割り込みＳ
２の処理を示す図である。

【００３３】装置が作動すると、図６（Ａ）に示すよう
に、初期設定（ステップ１）にて、脈波検出時間、ＡＤ
変換の条件、割り込みの条件および変数の初期値などが
設定される。次に、タイマ割り込み開始（ステップ２）
にてタイマ割り込みが開始される。なお、割り込み期間
中は、図６（Ｂ）に示すように、まず、４ｃｈＡＤ信号
の変換（ステップ２−１）にて、図２に示す赤外ＤＣ信
号および赤色ＤＣ信号、図３に示す赤外ＡＣ信号および
赤色ＡＣ信号のＡＤ変換が行われ、次に、信号処理（ス
テップ２−２）にて、信号に細かいノイズが重畳してい
ることがあるので、スムージング等の処理が行われる。
そして、波形表示（ステップ２−３）にて、表示部１０
に信号を送り波形の表示が行われる。ステップ２の処理
が終わると、脈波検出（ステップ３）に移り、脈波検出
部５にて脈波の検出が行われる。脈波が検出されないと
きには、脈波検出終了（ステップ７）に移り、脈波検出
が終了していないため再度脈波の検出が行われる。脈波
が検出されると、ＳｐＯ₂演算（ステップ４）に移り、
ＳｐＯ₂ 演算部６にて上述したＳｐＯ₂ 演算処理が行わ
れる。このとき、ＳｐＯ₂ 演算が正常に行われなかった
場合（例えば分母が０になったときが考えられる）に
は、ステップ７に移り、再度脈波の検出が行われる。Ｓ
ｐＯ₂ 演算が正常に演算された場合には、比較処理（ス
テップ５）に移り、比較処理部７にて上述したような所
定の処理が行われる。さらに、ステップ５が終了する
と、移動平均（ステップ６）に移り、移動平均部８にて
上述したような所定の処理が行われる。そして、脈波検
出終了（ステップ７）に移り、ステップ１にて設定され
た脈波検出時間は、ステップ３からステップ６が繰り返
される。設定時間が終了すると、タイマ割り込み終了
（ステップ８）に移り、タイマ割り込みが終了し、後処
理（ステップ９）にて、所定の処理を行った後、装置を
停止する。

【００３４】図７は、図１１に示すデータに対し、本発
明の本実施例の処理を行った結果の例である。従来の演
算結果（図１３、図１４参照）に比較して、ＳｐＯ₂ の
推移は安定化しており、また呼吸停止によるＳｐＯ₂ の
低下も再現されている。応答性については、本実施例の
方が速くＳｐＯ₂ が回復している様子が示されている。

【００３５】なお、本実施例では赤外光および赤色光を
照射して、この２つの光を検出して、該検出信号から動
脈血酸素飽和度を演算する構成を述べたが、これに限る
ものではなく、波長の異なる２つ以上の光を照射して、
該波長の異なる２つ以上の光を検出して、該検出信号か
ら動脈血酸素飽和度を演算するものである。また、本実
施例のＣＰＵ４を構成する各要素は、ハードウエアによ
ってもソフトウエアによっても実現可能である。また、
本実施例の構成例では、３点の比較処理と８点の移動平
均処理との組み合わせで説明したが、当然他の組み合わ
せも可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明のパルスオキシメータは、波長の
異なる複数の光を皮膚の表面から照射し、該複数の光の
反射光もしくは該複数の光の透過光の信号から、脈波が
検出される度に、動脈血酸素飽和度を演算する酸素飽和
度演算手段と、前記酸素飽和度演算手段で新たに動脈血
酸素飽和度が演算される度に、それまでの所定数の連続
して演算された動脈血酸素飽和度を更新保存する第１記
憶手段と、前記第１記憶手段に更新保存された所定数の
動脈血酸素飽和度の大きさを比較して中央値となる動脈
血酸素飽和度を選択する中央値選択手段と、前記中央値
選択手段で新たに中央値が選択される度に、それまでの
所定数の連続して選択された中央値を更新保存する第２
記憶手段と、前記第２記憶手段に更新保存された所定数
の選択される中央値の平均値を演算する平均値演算手段
と、前記平均値演算手段により演算される平均値を、新
たに計測された動脈血酸素飽和度として表示する酸素飽
和度表示手段とを備えることを特徴とすることにより、
簡単な構成により応答特性および安定性能を向上させた
パルスオキシメータを提供できる。すなわち、真の変動
を失うことなく、ノイズ等の影響の誤差による変動の抑
制されている動脈血酸素飽和度を計測値として表示する
ことができる。

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本実施例のパルスオキシメータの構成
を示すブロック図である。

【図２】図２は、ヘッドアンプ２の出力信号の例を表す
図である。

【図３】図３は、ハイパスフィルタの出力信号の例を表
す図である。

【図４】図４は、ＳｐＯ₂ 演算部６における処理を示す
図である。

【図５】図５は、比較処理部７および移動平均部８での
構成および動作を示す図である。

【図６】図６は、本実施例のパルスオキシメータの構成
を示すフローチャートである。

【図７】図７は、図１１に示すデータに対し、本発明の
本実施例の処理を行った結果の例である。

【図８】図８は、本発明の応答性能および安定性能の効
果を説明する図である。

【図９】図９は、本発明の応答性能および安定性能の効
果を説明する図である。

【図１０】図１０は、本発明の応答性能および安定性能
の効果を説明する図である。

【図１１】図１１は、測定される透過光信号を示す図で
ある。

【図１２】図１２は、図１１の透過信号をそのままＳｐ
Ｏ₂ に演算した例を示す図である。

【図１３】図１３は、図１１の透過信号からの従来のＳ
ｐＯ₂ の演算例を示す図である。

【図１４】図１４は、図１１の透過信号からの従来のＳ
ｐＯ₂ の演算例を示す図である。

【符号の説明】

１プローブ２ヘッドアンプ３ＡＤ変換器４ＣＰＵ５脈波検出部６ＳｐＯ₂ 検出部７比較処理部８移動平均部９表示制御部１０表示部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】波長の異なる複数の光を皮膚の表面から照
射し、該複数の光の反射光もしくは該複数の光の透過光
の信号から、脈波が検出される度に、動脈血酸素飽和度
を演算する酸素飽和度演算手段と、前記酸素飽和度演算手段で新たに動脈血酸素飽和度が演
算される度に、それまでの所定数の連続して演算された
動脈血酸素飽和度を更新保存する第１記憶手段と、前記第１記憶手段に更新保存された所定数の動脈血酸素
飽和度の大きさを比較して中央値となる動脈血酸素飽和
度を選択する中央値選択手段と、前記中央値選択手段で新たに中央値が選択される度に、
それまでの所定数の連続して選択された中央値を更新保
存する第２記憶手段と、前記第２記憶手段に更新保存された所定数の選択される
中央値の平均値を演算する平均値演算手段と、前記平均値演算手段により演算される平均値を、新たに
計測された動脈血酸素飽和度として表示する酸素飽和度
表示手段とを備えることを特徴とするパルスオキシメー
タ。
【請求項２】前記第１記憶手段に更新保存される検出さ
れた動脈血酸素飽和度の所定数は３個であることを特徴
とする請求項１に記載のパルスオキシメータ。
【請求項３】前記第２記憶手段に更新保存される選択さ
れる中央値の所定数は１６個であることを特徴とする請
求項１または２に記載のパルスオキシメータ。