JP4641626B2 - 低消費電力型の発光ダイオードドライブを有するパルスオキシメータ - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の背景］
１．発明の分野
本発明は、パルスオキシメータ（パルス酸素濃度計）のような測光器に関するものであり、特に、本発明はオキシメータの光源に効率的に電力を供給するための低消費電力型のドライブを有するパルスオキシメータに関するものである。
【０００２】
２．従来技術の説明
オキシメータは、血液を通過あるいは反射して伝達される光の吸収を分析することにより、血液中のヘモグロビンの酸素割合を測定するために用いられる。典型的なオキシメータは、光を発生してサンプルに照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源と、ＬＥＤに電力を供給するドライブ回路と、サンプルを通過した後のＬＥＤからの光を検出し、分析する検出回路とを含む。ＬＥＤをオンした後、検出回路を「安定」させなければ正確な読取を行うことはできない。そのため既存のオキシメータでは、検出回路が安定する間ＬＥＤに供給された電力が浪費され、かつＬＥＤドライブの回路によって発生された多量の電流が回路の抵抗部品で浪費されるため、非効率に電力が使用されることになる。
【０００３】
［発明の目的と概要］
本発明は上記問題を解決し、オキシメータおよび他の測光器の技術分野で目覚しい進歩を提供する。より詳しくは、本発明は、オキシメータのセトリング時間の間、電力をより効率的に使用する低消費電力型のＬＥＤドライブを有するパルスオキシメータを提供する。
【０００４】
本発明のオキシメータは主に、サンプルに光を照射可能な光源、サンプルを通過した後の光を検出可能な検出回路、および光源に電力を供給するドライブ回路を備える。
【０００５】
ドライブ回路は、オキシメータの起動時に電力を浪費しないように、検出回路が安定した後でのみ最大値に達するよう制御された量の電流をＬＥＤに供給するよう構成されている。また、ドライブ回路は、抵抗部分で多量のエネルギーを浪費することなく、全てのエネルギーを一時的に蓄積し後に電源からＬＥＤに供給するよう構成されている。
【０００６】
ドライブ回路は、電源に接続するための入力と、その入力に接続されたエネルギー蓄積回路とを有する。このエネルギー蓄積回路は、電流が選択された時に最大値に達するように、充電状態に切り替えられると電源からエネルギーを蓄え、また放電状態に切り替えられると徐々に光源に電流を供給するよう動作可能である。
【０００７】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の好適実施例を詳細に説明する。
【０００８】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図１に着目すると、本発明の好適実施例に基づいて構成されたオキシメータ１０が示されている。オキシメータは主に、サンプル１４に光を照射可能な光源１２と、サンプルを通過した後の光を検出可能な検出回路１６と、概して数字１８で表され、光源に電力を供給するドライブ回路とを備えている。サンプルは、人間の指やその他の身体の部位、あるいは患者から採取した血液サンプルなどでもよい。
【０００９】
光源１２は、通常のものであり、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることが好ましいが、測光器で用いられるその他の光源でもよい。検出回路１６は、同じく通常のものであり、オキシメータや他の測光器と共に使用される、光に反応するどのようなセンサーおよび検出回路を含んでいてもよい。
【００１０】
ドライブ回路１８は、光源１２および６ボルトバッテリーのような電源に接続され、光源に電力を供給可能である。ドライブ回路は主に、入力２０、概して数字２２で参照されるエネルギー蓄積回路、概して数字２４で参照される切替回路、および概して数字２６で参照される電流計測回路を備える。
【００１１】
入力２０は以下に説明する通り、電源に接続され、電源からエネルギー蓄積回路２２へ電流を供給するために形成されている。また、入力は、電流制限レジスタ（図示せず）および一つ以上のキャパシタ（図示せず）に接続されており、エネルギー蓄積回路に供給される電流を制限する。
【００１２】
本発明の一形態に従い、エネルギー蓄積回路２２は、回路が充電状態に切り替えられると電源からエネルギーを蓄積し、放電状態に切り替えられると電流を制御しながら光源１２へ供給するよう構成されている。この蓄積回路は、図示のように接続されキャパシタＣ１およびインダクタＬ１を備えていることが好ましい。以下さらに詳しく説明する通り、Ｃ１は、エネルギー蓄積回路が充電状態に切り替えられた時に電源から供給される電荷を蓄積し、エネルギー蓄積回路が放電状態に切り替えられた時に電荷を光源に放電する。Ｌ１は入力２０とＣ１との間に繋がれ、エネルギー蓄積回路が充電状態に切替えられた時にＣ１を充電し、エネルギー蓄積回路が放電状態に切り替えられた時にＣ１から光源に電荷を供給する。
【００１３】
Ｃ１およびＬ１は、電流の半波の一部が光源１２に供給されるよう共振する同調回路を形成する大きさとされ、検出回路１６が安定すると最大値に達するようにされている。ある実施形態では、Ｃ１は１６ｖ、１０μＦの値を、Ｌ１は４７０μＨの値を持つ。
【００１４】
切替回路２４は、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、およびトランジスタＱ３を有することが好ましい。Ｑ１、Ｑ２、およびＱ３は共にエネルギー蓄積回路２２を充電状態と放電状態との間で切り替え、回路２２にエネルギーを選択的に蓄積し、その後、蓄積されたエネルギーを光源１２へ供給する。
【００１５】
Ｑ１は入力２０とエネルギー蓄積回路２２との間に接続され、エネルギーを電源からエネルギー蓄積回路へ選択的に切り替えて回路を充電する。Ｑ１は、電源からエネルギー蓄積回路に供給されるエネルギー量を制御するために、選択された期間Ｑ１をオンするようプログラム可能なプロセッサ２８によりオン／オフを切替えられるのが好ましい。
【００１６】
Ｑ２はエネルギー蓄積回路２２と光源１２との間に接続され、エネルギー蓄積回路に蓄積された電流を光源に選択的に切り替える。Ｑ３はエネルギー蓄積回路とグランドとの間に接続され、光源を選択的に接地する。Ｑ２およびＱ３は、プロセッサ２８またはその他のコントローラによりオン／オフを切替えられるのが好ましい。図に示すとおり、Ｑ３への入力はインバータ３０により反転されるがＱ２への入力は反転されない。そのため、Ｑ２がオンされると必ずＱ３はオフされる。その逆も同じである。
【００１７】
電流計測回路２６はエネルギー蓄積回路２２に接続され、光源１２に供給される電流量を計測することができ、この電流計測は、その後、エネルギー蓄積回路を充電する間Ｑ１をオンにする時間を較正するためのフィードバックとして用いられる。電流計測回路は、キャパシターＣ２、レジスタＲ1 、サンプリングシグマデルタコンバータ３２、およびプロセッサ３４を備えることが好ましい。Ｃ２は５０ｖ、０. ０１μＦの定格を持つのが好ましく、Ｒ１は３. ０１Ｋオームの定格を持つのが好ましい。
【００１８】
［動作］
動作において、まずプロセッサ２８はＱ１およびＱ２をオフ（開く）に、Ｑ３をオン（閉じる）に切り替える。Ｑ１およびＱ２がオフであるから、入力２０に接続された電源はエネルギーをエネルギー蓄積回路２２に供給しておらず、エネルギー蓄積回路は光源に電荷を供給していない。Ｑ３はオンであるから、光源への両方の配線は接地されており、そのため電流は光源へ供給されていない。
【００１９】
オキシメータ１０を操作する際、プロセッサ２８はごく短時間Ｑ１をオンにし、電源からエネルギー蓄積回路へＬ１を通してエネルギーを転送する。Ｃ１に転送されたエネルギー量は、Ｑ１がオンにされていた時間に直結する。そのため、プロセッサ２８は、選択された幅のパルスをＱ１に与え、Ｃ１に供給されるエネルギー量を制御するようプログラム可能である。好ましい形態では、プロセッサはおよそ５から１０μＳの間、Ｑ１をオンにする。
【００２０】
一旦、所望エネルギー量がエネルギー蓄積回路２２に蓄積されると、プロセッサ２８はＱ１をオフにし、エネルギー蓄積回路へのエネルギーの供給を停止する。しかし、Ｑ１がオンの間にＬ１内で作られる磁場が、Ｑ１がオフされた後もＣ１へのエネルギーの供給を継続する。これは、Ｑ１がオフする時、Ｌ１のマイナス側がまだオンのＱ２およびＱ３の基板ダイオードを通して接地されるからである。そのため、Ｌ１上の崩壊する磁場はその全エネルギー（Ｑ２のダイオード通過の際に失われたエネルギーを除く）をＣ１に転送する。
【００２１】
エネルギー蓄積回路２２が完全に充電された後、切替回路２４は、光源を照らすために、蓄積されたエネルギーを光源１２に選択的に放電するよう動作することもできる。特に、プロセッサ２８はＱ２をオンし、Ｑ３をオフするので、Ｌ１およびＣ１は光源に接続される。これによりＣ１の電荷は、Ｌ１とＱ２を通じて光源へ放電される。Ｌ１およびＣ１は前述の通り同調回路を構成するので、一部の電流の正弦波の半波が光源に供給される。ドライブ回路１８は、エネルギー蓄積回路が光源へ放電を始めた後、電流が、選択された時間に最大値に到達するように構成されている。これにより、光源に供給される電流は検出回路１６が安定するのと同時に最大値に到達することができるため、検出回路のセトリング時間の間に浪費されるエネルギーは最小量となる。
【００２２】
一度、エネルギー蓄積回路２２がそのエネルギーを光源１２に放電すれば、再度オキシメータを操作するときには、前述の充電および放電の工程を繰り返し行うことが可能である。
【００２３】
最適量の電流を光源１２に供給し、上述の結果を達成するために、プロセッサ２８によってＱ１に供給されるプログラム可能な幅を持つパルスが選択されなければならない。光源へ供給される最適量の電流は、光源自体に特有な電圧降下に左右されるので、Ｑ１に供給されるパルス幅を較正するために、光源の電圧降下を測定しなければならない。これは、エネルギー蓄積回路２２から光源へ供給される電流を計測することで達成され、その結果、所定のパルス幅になる。
【００２４】
この電流計測は、Ｒ１と共にＣ１に並列なＣ２を流れる電流から得られる。Ｒ１の値が非常に低く本質的に無視できるので、Ｃ２は本質的にＣ１と並列である。さらに、Ｃ１はＣ２よりも１０００倍大きいので、Ｃ２を流れる電流はＣ１を流れる電流の１０００分の１である。Ｒ１は、Ｃ２を流れる電流を、サンプリングシグマデルタコンバータ３２およびプロセッサ３４が計測可能な電圧に変換する。その後、エネルギー蓄積回路２２に供給され、最終的に光源１２へ放電されるエネルギー量を選択的に変化させるためにパルスがＱ１に供給されると、計測された電圧は、幅を変化させるために、プロセッサ２８へのフィードバックとして用いられる。
【００２５】
ドライブ回路１８は一旦適切に較正されると、検出回路１６が安定した後に初めて最大値に達するよう制御された量の電流を光源１２へ供給する。これは検出回路の最初のセトリング時間の間に光源が消費する電力量を削減する。さらに、エネルギー蓄積回路２２は、キャパシタおよびインダクタを含むが抵抗部材は含んでいないので回路の充電および放電状態の間、電力はほとんど浪費しない。
【００２６】
本発明を添付図面に示された好適実施例に基づき説明したが、請求項に挙げられた本発明の範囲内において、同等物を用いてもよいし、置換してもよいのはもちろんである。例えば、本発明のドライブ回路はパルスオキシメータと共に用いられるよう図示して、説明しているが、他の光源自体をドライブする測光器の光源と共に用いても構わない。
【００２７】
本発明の好適実施例を説明したが、新規なものとして請求し、特許証により保護されるよう要求するものは特許請求の範囲の内容を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適実施例に従って構成されたオキシメータの電気回路図である。

Claims (15)

1. サンプルに直接光を照射可能な光源と、
   前記サンプルを通過した後の光を検出可能な検出回路と、
   前記光源に電力を供給するドライブ回路とを備え、
   前記ドライブ回路は、電源に接続するための入力と、
   前記入力に接続され、充電状態に切替えられると、前記電源からエネルギーを蓄積し、放電状態に切替えられると、徐々に電流を前記光源に供給して、該光源がオンしてから前記検出回路が安定した後に、前記電流が最大値に達するように動作可能なエネルギー蓄積回路とを備えることを特徴とする測光器。
2. 前記ドライブ回路は、さらに、前記エネルギー蓄積回路を選択的に前記充電状態と前記放電状態との間で切替える切替回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の測光器。
3. 前記切替回路は、前記入力と前記エネルギー蓄積回路との間に接続され、前記電源から前記エネルギー蓄積回路へエネルギーを切替える第一トランジスタを備えることを特徴とする請求項２に記載の測光器。
4. 前記切替回路は、さらに、前記エネルギー蓄積回路と前記光源との間に接続され、前記エネルギー蓄積回路から前記光源へ電流を切替える第二トランジスタを備えることを特徴とする請求項３に記載の測光器。
5. 前記エネルギー蓄積回路は、当該エネルギー蓄積回路が前記充電状態に切替えられると電荷を蓄え、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態に切替えられると前記光源に前記電荷を放電するキャパシタと、
   前記入力と前記キャパシタとの間に接続され、前記エネルギー蓄積回路が前記充電状態に切替えられると前記キャパシタを充電し、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態に切替えられると前記キャパシタから前記光源に前記電荷を供給するインダクタとを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の測光器。
6. 前記キャパシタおよび前記インダクタは共振し、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態にある時に、前記検出回路が安定すると前記電流の正弦波の一部の半波が最大値に達するように動作可能な同調回路を構成することを特徴とする請求項５に記載の測光器。
7. 前記光源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の測光器。
8. 測光器の光源に電力を供給するドライブ回路であって、
   電源に接続するための入力と、
   前記入力に接続され、充電状態に切替えられると、前記電源からエネルギーを蓄積し、放電状態に切替えられると、前記光源に電流を徐々に供給し、該光源がオンしてから前記検出回路が安定した後に、前記電流が最大値に達するように動作可能なエネルギー蓄積回路とを備えることを特徴とするドライブ回路。
9. 請求項８に記載のドライブ回路であって、さらに、前記エネルギー蓄積回路を前記充電状態と前記放電状態との間で選択的に切替える切替回路を備えることを特徴とするドライブ回路。
10. 前記切替回路は、前記入力と前記エネルギー蓄積回路との間に接続され、前記電源から前記エネルギー蓄積回路へエネルギーを切替える第一トランジスタを備えることを特徴とする請求項９に記載のドライブ回路。
11. 前記切替回路は、さらに、前記エネルギー蓄積回路と前記光源との間に接続され、前記エネルギー蓄積回路から前記光源へ電流を切替える第二トランジスタを備えることを特徴とする請求項１０に記載のドライブ回路。
12. 前記エネルギー蓄積回路は、当該エネルギー蓄積回路が前記充電状態に切替えられると電荷を蓄積し、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態に切替えられると前記電荷を前記光源に放電する第一キャパシタと、前記入力と前記第一キャパシタとの間に接続され、前記エネルギー蓄積回路が前記充電状態に切替えられると、前記第一キャパシタを充電し、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態に切替えられると、前記第一キャパシタから前記光源に前記電荷を供給するインダクタを備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のドライブ回路。
13. 前記第一キャパシタおよび前記インダクタが共振し、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態にある時に、前記検出回路が安定すると前記電流の正弦波の一部の半波が最大値に達するように動作可能な同調回路を構成することを特徴とする請求項１２に記載のドライブ回路。
14. 請求項１２または１３に記載のドライブ回路であって、さらに、前記第一キャパシタに接続され、前記エネルギー蓄積回路が前記放電状態に切替えられると、前記光源へ供給される前記電流を計測する第二キャパシタを備えることを特徴とするドライブ回路。
15. 前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載のドライブ回路。

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