JP3627214B2 - 血中吸光物質測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生体組織に光を照射し、その透過光または反射光の強度に基づく信号を処理して例えば酸素飽和度のような血中吸光物質に関する情報を検出する血中吸光物質測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置において、透過光または反射光の強度に基づく信号に体動やプローブのずれなどによるノイズが混入した場合、それ以前に測定した信号を平均化処理し、これに基づいて例えば酸素飽和度や脈拍数等を算出している。
【０００３】
さらにノイズが大きな場合や、ノイズ混入が長時間続いた場合には、ノイズ混入以前の酸素飽和度や脈拍数を保持して表示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにノイズ混入以前の測定値を用いると、現時点での酸素飽和度や脈拍数の変化がわからず、重篤な状態を見逃す可能性がある。
【０００５】
本発明はこのような事態が生じないようにするためになされたものであり、その目的は、生体組織に対する透過光または反射光の強度に基づく信号の処理において、ノイズを除去し、正確に血中吸光物質に関する情報を得ることができるようにしたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
まず本発明の基本的原理を説明する。例えば、異なる２波長λ１、λ２の光を生体組織に照射する。各波長についてその透過光または反射光の強度と、前記生体組織の吸光度の変化分ΔＡ１， ΔＡ２との関係はランバート・ベールの法則により次のように近似できることが知られている。
ΔＡ１＝（ＡＣ／ＤＣ）１ （１）
ΔＡ２＝（ＡＣ／ＤＣ）２ （２）
ここでＡＣは、透過光または反射光の強度の交流成分を示し、ＤＣは、透過光または反射光の強度の直流成分を示し、添字１，２ は各波長を示す（以下同じ）。
【０００７】
体動やプローブのずれなどによりノイズが生じた場合、実際の吸光度の変化分ΔＡ１， ΔＡ２は次のように表される。
ΔＡ１＝（ＡＣ／ＤＣ）１＝（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１＋（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ （３）
ΔＡ２＝（ＡＣ／ＤＣ）２＝（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ２＋（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ２ （４）
ここで、（ＡＣ／ＤＣ）Ｓはノイズが無いとした場合に想定される吸光度の変化分であって、純粋に生体組織の脈動による変化分を示す信号（以下、脈波信号と称する）であり、（ＡＣ／ＤＣ）Ｎはノイズによる吸光度の変化分を示す信号（以下、ノイズ信号と称する）である。
【０００８】
測定信号ΔＡ１ ，ΔＡ２と脈波信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１，（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ２ とノイズ信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ ，（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ２との関係を示すと図５のようになる。
【０００９】
次に、測定信号ΔＡ１， ΔＡ２の周波数成分のうち、生体組織の脈動周波数よりも高い所定周波数ｆ 以上の高域を抽出する。このとき、測定信号ΔＡ１， ΔＡ２の周波数成分の周波数ｆ 以上の成分ΔＡｆ１，ΔＡｆ２ は、式（３）、式（４）より、ノイズ成分のみの式になる。すなわち、
ΔＡｆ１ ＝（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ （５）
ΔＡｆ２ ＝（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ２ （６）
【００１０】
ここで、ΔＡｆ１ とΔＡｆ２ の比を求めると、（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ と（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ２ の比を求めることができる。この比をΨとすると、
Ψ＝｛（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ２｝／｛（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１｝ （７）
となる。図６に、高周波領域において、ノイズ信号が抽出されるまでの過程を示す。
【００１１】
一方、脈波信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１，（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ２ の比をΦとすると、
Φ＝｛（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ２｝／｛（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１｝ （８）
で表される。通常、酸素飽和度はこのΦが分かれば求めることができる（例えば特願平９−３３０５９６号参照）。
【００１２】
ΨとΦを用いるならば、式（４）は、

ここでノイズに関するΨの値は、測定信号の高周波領域で求めたものであるが、ノイズは特定の周波数に偏ることは少ないと考えて、全周波数に亙って同じであると見做している。式（３）と式（９）より次の関係式が得られる。
ΔＡ２−ΨΔＡ１＝（Φ−Ψ）（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１ （１０）
同様にして次の関係式が得られる。
ΔＡ２−ΦΔＡ１＝（Ψ−Φ）（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ （１１）
【００１３】
式（１０）は、脈波信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１ を、測定信号ΔＡ２とΔＡ１で表す式である。Ψは上記のようにして求めることができるから、Φが分かれば脈波信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１ を求めることができる。
【００１４】
式（１１）は、ノイズ信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｓ１ を、測定信号ΔＡ２とΔＡ１で表す式である。Ψは上記のようにして求めることができるから、Φが分かればノイズ信号（ＡＣ／ＤＣ）Ｎ１ を求めることができる。
【００１５】
したがってΦを順次変化させ、各Φについて式（１０）、式（１１）の相互相関関数をとり、相関係数がゼロとなったときのΦを求めるならば、そのときのΦが正しいΦであり、これにより酸素飽和度を求めることができる。
【００１６】
そこで請求項１の発明は、複数の異なる波長の光を生体組織に照射する光照射手段と、この光照射手段からの光であって生体組織の透過光または反射光を受光しそれらの強度に応じた信号を出力する受光手段と、この受光手段の出力信号であって各波長に対応する信号のそれぞれの直流成分と交流成分を求める直流交流検出手段と、この直流交流検出手段が求めた各波長についての交流成分と直流成分の比である交流直流比信号を求める交流直流比検出手段と、前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号について所定周波数以上の成分を抽出する成分抽出手段と、この成分抽出手段が抽出した各波長の抽出成分信号の相互の比を求める抽出成分比検出手段と、この抽出成分比検出手段が検出した比に基づいて血中吸光物質に関する情報を検出する血中吸光物質情報検出手段と、を具備することを特徴とした。
【００１７】
これによれば、抽出成分比検出手段が検出した比は、ノイズ信号だけの波長間の比とすることができ、さらにこの比は、測定により得られる交流直流比信号の全周波数領域に亙って同じと見做すことができるので、ノイズ信号の代わりにこの比を用いて交流直流比信号の処理を行うならば、その処理は簡単化することができる。
【００１８】
請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、前記血中吸光物質情報検出手段は、前記抽出成分比検出手段が検出した比と、前記交流直流比検出手段が検出した交流直流比信号と、この交流直流比信号にノイズが無いとした場合に想定される仮想信号との所定の関係から前記仮想信号を検出すると共に血中吸光物質に関する情報を検出することを特徴とした。
【００１９】
これによりノイズが無いとした場合の仮想信号が得られるので、所望の血中吸光物質に関する情報を精度良く得ることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、複数の異なる波長の光を生体組織に照射する光照射手段と、この光照射手段からの光であって生体組織の透過光または反射光を受光しそれらの強度に応じた信号を出力する受光手段と、この受光手段の出力信号であって各波長に対応する信号のそれぞれの直流成分と交流成分を求める直流交流検出手段と、この直流交流検出手段が求めた各波長についての交流成分と直流成分の比である交流直流比信号を求める交流直流比検出手段と、前記交流直流比信号に含まれるノイズの高周波数成分が大きいか否かを少なくとも判断するノイズ状態判断手段と、このノイズ状態判断手段の判断結果に対応してそれぞれ設けられ、前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号を処理して血中吸光物質に関する情報を検出する複数の信号処理手段と、を備え、この信号処理手段の１つであり、前記ノイズ状態判断手段がノイズの高周波数成分が大きいと判断した場合に対応して設けられた信号処理手段は、前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号について所定周波数以上の成分を抽出する成分抽出手段と、この成分抽出手段が抽出した各波長の抽出成分信号の相互の比を求める抽出成分比検出手段と、この抽出成分比検出手段が検出した比に基づいて血中吸光物質に関する情報を検出する血中吸光物質情報検出手段と、を具備することを特徴とした。
【００２１】
これにより、ノイズの状態に応じて異なる処理が行われるので、一層精度の良い測定結果が得られる。特にノイズの高周波数成分が大きい場合には、請求項１の発明と同じ構成を備えているので、同様の作用が得られる。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記血中吸光物質情報検出手段は、前記抽出成分比検出手段が検出した比と、前記交流直流比検出手段が検出した交流直流比信号と、この交流直流比信号にノイズが無いとした場合に想定される仮想信号との所定の関係から前記仮想信号を検出すると共に血中吸光物質に関する情報を検出することを特徴とした。
【００２３】
これによれば、請求項２の発明と同じ構成を備えているので、同様の作用が得られる。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項２または４の発明において、前記仮想信号に基づいて脈拍数を検出する脈拍数検出手段を備えることを特徴とした。これによれば、血中吸光物質に関する情報の他、脈拍数も検出することができる。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項２または４の発明において、前記仮想信号の波形を表示する表示手段を備えることを特徴とした。これによれば、ノイズの無い本来の脈波信号が表示される。
【００２６】
請求項７の発明は、上記各構成において、血中吸光物質に関する情報は酸素飽和度であることを特徴とした。これによれば、酸素飽和度を精度良く測定することができる。
【００２７】
請求項８の発明は、上記各構成において、複数の異なる波長は２波長であることを特徴とした。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態のパルスオキシメータである。プローブ１は発光部２と受光部３を備え、これらにより指先（生体組織）４を挟持する構成となっている。発光部２は、赤色光（波長λ１）と赤外光（波長λ２）をそれぞれ発光する２つの発光ダイオードを備えている。発光部２は、発光部駆動回路５により駆動されるものである。
【００２９】
受光部３はフォトダイオードを備え、指先の透過光を受光し、その透過光強度に応じた電気信号を出力するものである。受光部３の出力信号は受光信号増幅回路６で増幅され、復調回路７で復調されるようになっている。復調回路７は赤色光と赤外光に応じたそれぞれの信号を分けて出力する。これらの信号は、増幅器９ａ，９ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０ａ，１０ｂでデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ（セントラルプロセッシングユニット）８に至るようにされている。
【００３０】
ＣＰＵ８は、復調回路７と発光部駆動回路５を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換器１０ａ，１０ｂから与えられる信号を処理して、その結果を表示装置１１に出力するものである。ＣＰＵ８が行う処理は図２のフローチャートに基づく。
【００３１】
次に、このように構成された装置の動作を図２を参照して説明する。測定開始となると、ＣＰＵ８は、発光部駆動回路５を制御して、発光部２から赤色光と赤外光を交互に発生させる。これらの光は被験者の指先４を透過して受光部３で電気信号に変換され、受光信号増幅回路６、復調回路７、増幅器９ａ，９ｂ、Ａ／Ｄ変換器１０ａ，１０ｂを経てＣＰＵ８に至る。
【００３２】
ステップ１０１では、入力波形の前処理が行われる。ここで入力された測定信号は直流成分ＤＣ１，ＤＣ２ と交流成分ＡＣ１，ＡＣ２ とに分けられる。この直流成分と交流成分を求めた後はＡＣ１／ＡＣ２，ＤＣ１／ＤＣ２ を算出する（ステップ１０２）。また、実際の吸光度の変化分 ΔＡ１＝（ＡＣ／ＤＣ）１ 、ΔＡ２＝（ＡＣ／ＤＣ）２ を算出する（ステップ１０３）。更にΔＡ１、ΔＡ２を求めた後、それらの波形から脈波を検出し、脈拍数を算出し、酸素飽和度（ＳｐＯ２）を算出しそれらの結果を保持する（ステップ１０５）。
【００３３】
一方ステップ１０３でΔＡ１、ΔＡ２を求めた後、それらの高周波成分を抽出し、Ψを算出し、ノイズ除去波形を算出する（ステップ１０４）。これらの求め方は上記の原理説明で述べた通りである。ここで、抽出する高周波成分を決定する周波数ｆ は予めＣＰＵ８に記憶させておいても良いし、ＣＰＵ８が入力信号の周波数特性から決定したものでも良い。
【００３４】
次に、入力された信号のノイズ状態を判定する（ステップ１０６）。この判定結果により次の３通りに処理が分かれる。
【００３５】
（１）ステップ１０６で、ノイズが小、または無しと判断した場合、ステップ１０５で求めた脈拍数と酸素飽和度を、表示装置１１により表示する（ステップ１０８）。
【００３６】
（２）ステップ１０６でノイズの高周波成分が大きいと判断した場合、ステップ１０４で求めたノイズ除去波形に基づいて脈波を検出し、脈拍数を算出し、表示波形を算出し、酸素飽和度を算出する（ステップ１０７）。ステップ１０７で求めた心拍数、表示波形、酸素飽和度は表示装置１１により表示する（ステップ１０８）。図３に実際の測定により求めた原波形（ＡＣ／ＤＣ）２、と抽出した高周波領域のノイズ信号と、ノイズが除去された脈波信号の例を示す。
【００３７】
（３）ステップ１０６でノイズの低周波成分が大きいと判断した場合、安定時の信号を用いて酸素飽和度を算出する処理を行う（ステップ１０９）。この処理は、特願平４−１８１９４６号（特開平６−２２９４３号）に記載されているものと同様である。その処理を図４に示す。これを説明すると、まずステップ１０２で求めたＡＣ１／ＡＣ２ ， ＤＣ２／ＤＣ１ に基づき、Φを求める（ステップ２０１）。ここでは、Φ＝（ＡＣ１／ＡＣ２） ×（ＤＣ２／ＤＣ１） を脈拍１拍につき１回の割合で求める。ｎ拍目のΦをΦ（ｎ） と表す。
【００３８】
次に、Φのばらつきの程度を表す係数 ｋ，ｋ´ を求める（ステップ２０２）。係数 ｋ，ｋ´ は次式から求める。
ｋ （ｎ） ＝ａ｛Δ^２ Φ（ｎ） ＋Δ^２ Φ（ｎ＋１） ＋Δ^２ Φ（ｎ＋２） ｝
ｋ´（ｎ） ＝ｂ｛Δ^２ Φ（ｎ） ＋Δ^２ Φ（ｎ＋１） ＋Δ^２ Φ（ｎ＋２） ｝
ここで、Δ^２ Φ（ｎ） はΦ（ｎ） の２次差分である。２次差分は１次差分ΔΦ（ｎ） から求められる。１次差分ΔΦ（ｎ） は、
ΔΦ（ｎ） ＝Φ（ｎ） −Φ（ｎ−１）
であり、２次差分Δ^２ Φ（ｎ） は、
Δ^２ Φ（ｎ） ＝ΔΦ（ｎ） −ΔΦ（ｎ−１）
である。ａ，ｂ は適当な定数である。
【００３９】
次に、Φにばらつきがあるかを判断し、ばらつきがある場合には、安定時の（ＡＣ１／ＡＣ２） であってホールドした値（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ）） を補正して保持する（ステップ２０３）。ここでは、次式により（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ）） を補正する。補正したホールド値を（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ））´とすると、
（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ））´＝（１−ｋ´）（ＡＣｎ１／ＡＣｎ２）＋ｋ´（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ））
ここで、ＡＣｎ１，ＡＣｎ２ はＡＣ１，ＡＣ２ の最新の測定値である。
【００４０】
次に、ホールドすべきΦ（ＨＯＬＤ）を算出し保持する（ステップ２０４）。Φ（ＨＯＬＤ）は、次式により求める。
Φ（ＨＯＬＤ）＝（ＡＣ１／ＡＣ２（ＨＯＬＤ））´×（ＡＣｎ１／ＡＣｎ２）
次に最新のΦ（ｎ） の値を補正する（ステップ２０５）。この補正は次式の関係により算出する。
Φ´ ＝（１−ｋ）Φ（ｎ） ＋ｋ Φ（ＨＯＬＤ）
【００４１】
次に、補正したΦから酸素飽和度を算出し（ステップ２０６）、求めた酸素飽和度を表示装置１１により表示する（図２のステップ１０８）。
【００４２】
以上のように本装置によれば、ノイズの状態に応じて処理を行うので、精度良く測定を行うことができる。また、脈拍数が検出され、またノイズの無い信号も表示されるので、患者の状態をより正確に把握することができる。
【００４３】
上記の例では、２波長の光を用い、血中吸光物質に関する情報として酸素飽和度を例にとったが、２波長以上の光を用いるならば、血中吸光物質に関する他の情報としてＭｅｔＨｂ，ＣＯＨｂ，Ｏ２Ｈｂ などの濃度や、色素希釈曲線も同様にして求めることができる。
【００４４】
なお、上記の例ではプローブ１は透過光を検出する構成であったが、これは生体組織の反射光を検出する構成であっても良く、同様に受光信号を処理するなら、同様の作用効果が得られる。
【００４５】
また、上記の例では、判断ステップ１０６の処理を行う時点が、ステップ１０４やステップ１０５より後にあって、測定値のΔＡ１、ΔＡ２をそのまま用いて脈拍数や酸素飽和度を算出したり、ノイズの高周波成分抽出などを行った後で、ノイズの状態を判断したが、この判断ステップはこれらのステップの前であっても良い。さらにはステップ１０２やステップ１０３より前であっても良い。このように判断ステップ１０６を前の方に置くならば、その判断結果に応じた処理のみを行なうようにすることができ、処理の簡素化を図ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、生体組織に対する透過光または反射光の強度に基づく信号の処理において、ノイズは除去され、正確に血中吸光物質に関する情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルスオキシメータの全体構成を示す図。
【図２】図１に示した装置の動作を説明するためのフローチャート図。
【図３】図１に示した装置の動作を説明するためのフローチャート図。
【図４】図１に示した装置により求めた実際の測定結果を示す図。
【図５】測定信号と、脈波信号と、ノイズ信号の関係を示す図。
【図６】ノイズの高周波成分が抽出されるまでの過程を示す図。
【符号の説明】
１ プローブ
２ 発光部
３ 受光部
８ ＣＰＵ
１１ 表示装置

Claims (8)

1. 複数の異なる波長の光を生体組織に照射する光照射手段と、
   この光照射手段からの光であって生体組織の透過光または反射光を受光しそれらの強度に応じた信号を出力する受光手段と、
   この受光手段の出力信号であって各波長に対応する信号のそれぞれの直流成分と交流成分を求める直流交流検出手段と、
   この直流交流検出手段が求めた各波長についての交流成分と直流成分の比である交流直流比信号を求める交流直流比検出手段と、
   前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号について所定周波数以上の成分を抽出する成分抽出手段と、
   この成分抽出手段が抽出した各波長の抽出成分信号の相互の比を求める抽出成分比検出手段と、
   この抽出成分比検出手段が検出した比に基づいて血中吸光物質に関する情報を検出する血中吸光物質情報検出手段と、
   を具備することを特徴とする血中吸光物質測定装置。
2. 前記血中吸光物質情報検出手段は、
   前記抽出成分比検出手段が検出した比と、前記交流直流比検出手段が検出した交流直流比信号と、この交流直流比信号にノイズが無いとした場合に想定される仮想信号との所定の関係から前記仮想信号を検出すると共に血中吸光物質に関する情報を検出することを特徴とする請求項１記載の血中吸光物質測定装置。
3. 複数の異なる波長の光を生体組織に照射する光照射手段と、
   この光照射手段からの光であって生体組織の透過光または反射光を受光しそれらの強度に応じた信号を出力する受光手段と、
   この受光手段の出力信号であって各波長に対応する信号のそれぞれの直流成分と交流成分を求める直流交流検出手段と、
   この直流交流検出手段が求めた各波長についての交流成分と直流成分の比である交流直流比信号を求める交流直流比検出手段と、
   前記交流直流比信号に含まれるノイズの高周波数成分が大きいか否かを少なくとも判断するノイズ状態判断手段と、
   このノイズ状態判断手段の判断結果に対応してそれぞれ設けられ、前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号を処理して血中吸光物質に関する情報を検出する複数の信号処理手段と、
   を備え、
   この信号処理手段の１つであり、前記ノイズ状態判断手段がノイズの高周波数成分が大きいと判断した場合に対応して設けられた信号処理手段は、
   前記交流直流比検出手段が求めた各波長の交流直流比信号について所定周波数以上の成分を抽出する成分抽出手段と、
   この成分抽出手段が抽出した各波長の抽出成分信号の相互の比を求める抽出成分比検出手段と、
   この抽出成分比検出手段が検出した比に基づいて血中吸光物質に関する情報を検出する血中吸光物質情報検出手段と、
   を具備することを特徴とする血中吸光物質測定装置。
4. 前記血中吸光物質情報検出手段は、
   前記抽出成分比検出手段が検出した比と、前記交流直流比検出手段が検出した交流直流比信号と、この交流直流比信号にノイズが無いとした場合に想定される仮想信号との所定の関係から前記仮想信号を検出すると共に血中吸光物質に関する情報を検出することを特徴とする請求項３記載の血中吸光物質測定装置。
5. 前記仮想信号に基づいて脈拍数を検出する脈拍数検出手段を備えることを特徴とする請求項２または４記載の血中吸光物質測定装置。
6. 前記仮想信号の波形を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項２または４記載の血中吸光物質測定装置。
7. 血中吸光物質に関する情報は酸素飽和度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の血中吸光物質測定装置。
8. 複数の異なる波長は２波長であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の血中吸光物質測定装置。

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