JP6069813B1 - バイタルサイン監視における非線形性効果を補償する監視デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、監視デバイス１０に対して関し、生体の体部分１２に光を放出する光源１４と、環境光要素３０及び上記放出された光の上記体部分１２との相互作用から生じる測定光要素３２を含む光１６を受け、出力信号３４を生成する光センサ１８であって、伝達関数が、上記出力信号３４及び上記受信された光の間の関係を表す、光センサと、上記環境光要素３０に対応する第１の信号部分３６及び上記測定光要素３２に対応する第２の信号部分３８へと上記出力信号３４を分離する環境光取消ユニット２０と、測定信号４０を生成するため、上記伝達関数ｆ及び上記第１の信号部分３６に基づき、上記第２の信号部分３８を復調することにより、上記環境光要素３０の変動を補償する環境光変調除去ユニット２２とを有する。

Description

本発明は、監視デバイス、監視方法及び上記監視デバイスを含む生体のバイタルサインをモニタする装置に関する。

人のバイタルサイン、例えば心拍（ＨＲ）、呼吸レート（ＲＲ）又は血中酸素飽和は、人の現在の状態の指標として、及び重大な医学イベントの強力な予測器として機能する。このため、バイタルサインは、入院患者及び外来患者看護環境において、在宅で、又は、更なる健康、余暇及びフィットネス環境において広くモニタされる。

バイタルサインを測定する１つの態様は、プレチスモグラフィである。プレチスモグラフィは一般に、器官又は体部分のボリューム変化の測定を意味し、特に鼓動毎に対象の体を通り進行する心血管パルス波が原因によるボリューム変化の検出を指す。

フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、関心領域又はボリュームの光反射率又は透過の時間変動変化を評価する光学測定技術である。ＰＰＧは、血液が周囲組織より多くの光を吸収する原理に基づかれる。そのため、すべての心拍に伴う血液量における変動は、これに対応して透過又は反射率に影響を及ぼす。心拍に関する情報の他に、ＰＰＧ波形は、例えば呼吸といった更なる生理的現象に起因する情報を有することができる。異なる波長（典型的に赤及び赤外線）での透過性及び／又は反射率を評価することにより、血中酸素飽和が決定されることができる。

対象の心拍及び（動脈の）血中酸素飽和を測定する典型的なパルス酸素濃度計は、光源として赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤと、患者の体部分を通り（即ち体部分に含まれる組織を通り）透過された光を検出する１つのフォトダイオードとを有する。市販のパルス酸素濃度計は、赤及び赤外線波長での測定の間を高速で切り替え、これにより、組織の同じ領域又はボリュームの透過性を２つの異なる波長で測定する。これは、時間分割多重化と呼ばれる。各波長での時間にわたる透過性は、赤及び赤外線波長に関するＰＰＧ波形を与える。

ＰＰＧに伴う１つの課題は、環境光がセンサへと漏れ、測定を妨害する可能性がある点にある。この環境光は、太陽から、又は電気的ランプ（それは、正味の周波数で光を放出することができる）から生じることができる。別の課題は、ノイズ、特に低周波ノイズ（例えば１／ｆノイズ）が、しかし、高周波ノイズも同様に、測定を妨害する点にある。更に、電磁干渉が、同様に測定を妨害する場合がある。

ＷＯ２０１３／０１９０４２３Ａ１号において、フォトプレチスモグラフデバイス及び方法が開示される。開示されたデバイスは、生体の組織に光パルスを放出する光源と、上記組織から光を受信して、センサ信号を生成する光センサと、上記センサ信号をフィルタリングするフィルタユニットであって、同相フィルタ信号を生成する切替えられた同相低域フィルタと、逆位相フィルタ信号を生成する切替えられた逆位相低域フィルタとを含むフィルタユニットと、光源がスイッチオンにされる第２の時間期間の間にだけ同相フィルタがスイッチオンにされ、光源がスイッチオフにされる第１及び第３の期間に逆位相フィルタがスイッチオンにされるよう、上記光源及び上記フィルタユニットを制御する制御ユニットと、逆位相フィルタ信号を同相フィルタ信号から減算する減算ユニットとを有する。

しかしながら、特に（例えば腕時計デバイスの場合におけるより細い手首ストラップが原因で）環境光源レベルがより高くなる場合及び／又ＬＥＤレベルが電源を節約するためにより低くなる場合、特に精度及び信頼性に関して、ＰＰＧバイタルサイン検出及びバイタルサイン監視の分野には改良の余地がある。

本発明の目的は、環境光効果を可能性として妨害することの取扱いを更に改善する監視デバイス及び監視方法を提供することである。本発明の更なる目的は、生体のバイタルサインをモニタする装置を提供することである。

本発明の第１の側面において、監視デバイスが提示され、これは、
生体の体部分に光を放出する光源と、
環境光要素及び上記放出された光の上記体部分との相互作用から生じる測定光要素を含む光を受け、出力信号を生成する光センサであって、伝達関数が、上記出力信号及び上記受信された光の間の関係を表す、光センサと、
上記環境光要素に対応する第１の信号部分及び上記測定光要素に対応する第２の信号部分へと上記出力信号を分離する環境光取消ユニットと、
測定信号を生成するため、上記伝達関数及び上記第１の信号部分に基づき、上記第２の信号部分を復調することにより、上記環境光要素の変動を補償する環境光変調除去ユニットとを有する。

本発明の更なる側面において、対応する監視方法が提示され、これは、
生体の体部分へ光を放出するステップと、
環境光要素及び上記放出された光の上記体部分との相互作用から生じる測定光要素を含む光を受け、出力信号を生成するステップであって、伝達関数が、上記出力信号及び上記受信された光の間の関係を表す、ステップと、
上記環境光要素に対応する第１の信号部分及び上記測定光要素に対応する第２の信号部分へと上記出力信号を分離するステップと、
測定信号を生成するため、上記伝達関数及び上記第１の信号部分に基づき、上記第２の信号部分を復調することにより、上記環境光要素の変動を補償するステップとを有する。

本発明の更に別の側面において、生体のバイタルサインをモニタする装置が提示され、これは、
本書において開示される監視デバイスと、
上記測定信号から上記生体のバイタルサインに関する情報を得る処理ユニットとを有する。

本発明の更なる側面において、コンピュータで実行されるとき、コンピュータが本書に記載される方法のステップを実行することをもたらすプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム、及びプロセッサにより実行されるとき、本書に記載される方法が実行されることをもたらすコンピュータプログラムを格納する非一時的なコンピュータ可読記録媒体が提供される。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載の方法、装置、コンピュータプログラム及び媒体は、請求項に記載のデバイス及び従属項に記載されるデバイスと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、測定信号において環境光のレベルにおける環境光の効果及び変動の補償を改善することを目的とする。例えばＰＰＧデバイスといったさまざまな監視デバイスは、生体の体部分（即ち体部分における組織又は血液）と光との相互作用の評価に依存する。このため、光源は、生体の体部分に光を放出し、光センサは、体部分との相互作用の後の光をキャプチャする。これにより、反射型測定が行われる、即ち体部分で反射した後の光が評価されるか、又は透過的測定が行われる、即ち体部分を透過した後の光が評価されることが可能である。

光センサと体部分との光タイトな接続を保証することは、しばしば困難である。従って、光源により放出されて、体部分と相互作用した光とは別に、少なくともいくつかの環境光も、光センサの出力信号になる。この環境光は、測定信号に影響を与えることができ、測定信号からバイタルサインに関する情報を得ることをより困難又は不可能にする場合がある。

この効果を補償するため、本発明による監視デバイスにおいて、環境光取消ユニットが使用され、このユニットは、環境光要素に対応する第１の信号部分及びこの信号に含まれる実際に所望される測定光要素に対応する第２の部分へと出力信号を分割する。第２の信号部分は、測定光要素自体、又は、これに関する推定に対応することができる。

しかしながら、環境光は、第２の態様において光センサにより生成される出力信号も妨害する。光源により放出される光は、環境光により変調される。従って、光センサの出力信号における所与のレベルの光のインパクトは、異なるレベルの環境光に対して異なる場合がある。これは、同じ測定光要素が、環境光要素に基づき、異なる第２の信号部分をもたらすことができることを意味する。測定信号を得るため（そこからバイタルサイン情報の更なる評価及び導出のため）第２の信号部分が評価される場合、この効果は補償されることを必要とする。伝達関数、即ち光センサの入力（受信された光）及び出力（出力信号）の間の関係を表す関数が非線形関数である場合、これは特に重要である。

本発明の環境光変調除去ユニットは、この効果を補償する。第２の信号部分は、特定の環境光源レベルでの環境光のインパクトを算出し、このインパクトに基づき、第２の信号部分に関して決定される値を較正することにより復調される。

本書において、環境光要素は、環境光源によりもたらされる光センサによりキャプチャされる光の割合を指す（即ち環境光源レベル）。環境光は、日光により、又は、監視デバイスの近くの人工光源によりもたらされることができる。光センサは、所望の光をキャプチャするだけでなく、少なくともいくつかの環境光もキャプチャする。環境光源レベル、即ち生体の近くの環境光の強度は、（監視デバイスのハウジングの形状に加えて）環境光要素に影響を与える。

測定光要素は、この放出された光が体部分と相互作用した後、光源により放出される光から生じるキャプチャされた光の強度を指す。光センサは、光を受信し、環境光要素及び測定光要素の合計を表す強度値を提供する。結果的に、光センサが２つの要素の間の区別することは、通常不可能である。

信号は、値の連続的であるか時間離散的なシリーズに対応し、又は、（特定の時間点に関する）１つのシングル値に対応する。光センサの出力信号は、測定された強度のアナログ又はデジタル表現である。結果的に、出力信号は、測定光要素から生じる部分（第２の信号部分）及び環境光要素から生じる部分（第１の信号部分）を含む。

信号部分は、信号の部分に対応する。通常、信号部分は、個別の入力光の強度を表す値に対応する。特に、本発明の光センサの出力信号は、２つの信号部分を含む。第１の信号部分は、環境光要素を表す又はこれに対応し、第２の信号部分は、測定光要素を表す又はこれに対応する。信号部分は最終的に、出力信号となる。

信号を分離することは特に、（デジタルの）信号の現在の値を第１及び第２の値へと分割することを指す。これらの第１及び第２の値は、部分と呼ばれる。信号部分は、オリジナル信号と同じ形を持つことができる。各信号部分は、最初の（出力）信号より低い光強度を示す。信号部分を復調する（時々「変調する」とも呼ばれる）ことは、この信号部分により表される光強度を調整することに対応する。このため、一定の又は可変の係数を第２の信号部分に適用する計算又は他の手順を用いて測定信号を算出することが可能でもよい。

伝達関数は、光センサの特性を表す関数である。通常、伝達関数は、同じタイプの異なる光センサに対して、多かれ少なかれ不変である。伝達関数は、所定の入力が光センサに対して提供され、伝達関数を得るために出力が測定される較正手順の間、決定されることができるか、又はセンサのモデルから得られることができる。伝達関数又はその導関数は、監視デバイスに格納されることができる。

本書に使用されるように、光センサは、物理センシング要素（即ち実際のセンサ）自体を指すだけでなく、他の要素を含むこともできる。例えば、受信された光に基づき物理センシング要素により生成された信号を増幅する１つ又は複数のアンプ、フィルタ及び／又は信号形成要素を含むことができる。光センサにより生成された出力信号は、環境光取消ユニットに適用される、結果として生じる信号として理解されたい。こうして、伝達関数は、環境光取消ユニットへのその経路上の出力信号に関するすべての効果を含む。特に、非線形伝達関数は、物理センシング要素自体ではなく、物理センシング要素により生成される信号を増幅するアンプによりもたらされる場合がある。本書において開示されるデバイス及び方法は、環境光取消ユニットまでの経路における任意の非線形性効果を補償する。

本発明は特に、過去のアプローチと比較して、測定に関する環境光の効果を好適に補償することが可能になる利点をもたらす。本書に表される監視デバイスにより提供される測定信号は、バイタルサインをモニタする装置において使用されることができる。こうして斯かる装置により提供されるバイタルサイン情報は、より高い有効性も持つ。本発明のある側面によるデバイス又は装置は、非常に正確なバイタルサイン情報を必要とする用途において有利である。また、高レベルの環境光を持つ領域での用途は、本発明を使用するにあたり興味深い。

第１の実施形態において、上記環境光変調除去ユニットが、上記伝達関数の導関数を決定するよう構成される。この導関数は、リクエストに応じて、受信された光の特定の強度値（例えば出力信号の現在値、動作点）に関して、又は、範囲（得られた関数）に関して決定されることができる。導関数は、テーブルの形、又は、算出詳細の形で格納されることができる。利点は、伝達関数の勾配に依存する環境光源レベルに関する効果を好適に補償することが可能になる点にある。

好ましい実施形態において、上記環境光変調除去ユニットが、上記第２の信号部分に上記伝達関数の上記導関数の逆をかけることにより、上記第２の信号部分を復調するよう構成される。通常、第２の信号部分は、数値により表される。この数値は、現在の動作点での伝達関数の導関数の逆により増倍されることができる。これにより、伝達関数の異なる勾配が補償されることができる。こうして、より高いレベルの環境光（より高い環境光要素）が原因で、伝達関数が現在のワーキング位置、即ち現在の出力信号のレベルにおいてより高い勾配を持つ場合、これは、伝達関数の逆を乗算することにより補償されることができる。これは、環境光要素の変動の効果及び測定信号におけるそのインパクトに関する効果的な補償を得ることが可能になる利点をもたらす。

別の実施形態では、上記環境光取消ユニットが、上記第１の信号部分要素に関する推定を決定し、上記第２の信号部分を決定するため、上記出力信号から上記推定を減算するよう構成される。こうして、第１の信号部分の値に関する推定が減算される。即ち出力信号の値が、第１の信号部分の推定された値分減少される。この推定は例えば、光源ユニットがスイッチを切られるとき、即ち測定光が存在しない（測定光要素が何も受信されない）とき、出力信号を決定することにより得られることができる。出力信号は実質的に、第１の信号部分に対応する。第１の信号部分に関する推定を決定する１つの考えられる方法は、環境光の影響に関する推定を提供し、出力信号からこの推定を取り除く回路が開示されるＷＯ２０１３／０１９０４２３Ａ１号において見つかる。環境光要素に対応する信号部分の推定を取り除くことは、環境光により生じる乱れが効率的に補償されることができるという利点を持つ。

ある実施形態において、伝達関数は、非線形関数である。通常、即ちほとんどの光センサに関して、伝達関数は、非線形関数である。斯かる非線形関数は、出力信号における測定光要素の効果の相当な差を生じさせることができる。これは、環境光要素が変化するとき、第２の信号部分が、同じ測定光要素に関して実質的に異なってもよいことを意味する。すると、本発明の環境光変調除去ユニットにより提供される補償は、さらに重要である。

別の実施形態では、上記監視デバイスは、上記伝達関数を決定する較正ユニットを更に有し、上記較正ユニットが、所定の強度の較正光に露出されるとき、上記光センサの上記出力信号から較正値を決定するよう構成される。斯かる較正ユニットは特に、規定された光強度の光を生成する光放射ユニットと組み合わせて使用されることができる。光センサは、この較正光に露出される。規定された光強度が測定され、この所定の入力に関する光センサの出力（出力信号）が、記録される（較正値又は較正点）。これは、伝達関数に関する基礎を形成する。伝達関数は、異なる単一値又は範囲に関するルックアップテーブルにより表されることができる。伝達関数は、異なる測定位置（較正値）に基づかれる補間法により、又は、少なくとも１つの較正値に対して調整されるモデル関数により表されることもできる。較正は、初めて監視デバイスを使用する前に（即ちセンサ又は監視デバイスの生産の間に）最初に行われる、定期的に行われる、又は、あらゆる使用の前に行われることができる。あらゆる監視デバイスに関して較正手順を実行することが通常有利である。なぜなら、製造プロセス及び／又は物質許容度における差が、伝達関数のかなりの偏差を生じさせる場合があるからである。

好ましい実施態様において、上記較正ユニットが、曲線フィッティングアルゴリズムを複数の較正値に適用するよう構成される。好ましくは、上述された較正手順において決定された値は、伝達関数を得るための曲線フィッティング法への入力として使用される。曲線フィッティングアルゴリズムは、複数の測定位置から連続関数を得ることを可能にする。こうして、出力信号のあらゆる可能な値に対して関数値を割り当てる伝達関数を提供することが可能になる。これにより、連続増加モデル関数を使用することが特に有利である。これは、更なる情報処理において矛盾を回避することを可能にすることができる。考えられる曲線フィッティングアルゴリズムは、例えば最小二乗フィッティング等のアプローチを含む。

上述した監視デバイスの実施形態において、上記光源が、光パルスを放出するよう構成され、上記環境光取消ユニットが、上記光源が電源をオフにされるときの出力信号と、上記光源が光を放出するときの出力信号とに基づき、上記出力信号を分離するよう構成される。光源が、光パルスを発する場合、光源が電源オンにされるときの出力信号と、光源が電源オフにされるときの出力信号との差が、利用されることができる。こうして、環境光要素は、単独で測定され、測定光要素と共に測定される。これは、時分割マルチプレクス化アプローチに対応する。この構成は、測定光要素のインパクトを決定する効果的なアプローチを表す。更に、バイタルサイン情報抽出に関して、脈動する光源が有利である。

好ましい実施態様において、監視デバイスは、第１のフィルタリングされた信号を生成するよう、上記光源が光を放出するとき、第１の低域フィルタで上記出力信号をフィルタリングし、第２のフィルタリングされた信号を生成するよう、上記光源が電源オフにされるとき、第２の低域フィルタで上記出力信号をフィルタリングするよう構成されるフィルタリングユニットを更に含み、上記環境光取消ユニットが、上記第１のフィルタリングされた信号から上記第２のフィルタリングされた信号を減算するよう構成される。これにより、第２の信号部分（又はその推定）を得るため、環境光要素、即ち第１の信号部分のインパクトを出力信号から減算する（アナログ又はデジタルの）信号処理アプローチが可能になる。

更に別の実施形態において、監視デバイスは、環境光を受け、環境光信号を生成する追加的な環境光センサを更に有し、上記環境光取消ユニットが、上記生成された環境光信号から得られる上記環境光要素に関する推定に基づき上記出力信号を分離するよう構成される。上述のパルス化された光源を利用する代わりに又はこれに追加して、環境光レベルの測定に基づき、（測定光要素のない）環境光要素だけに関する推定を得るため追加的な環境光センサを使用することも可能である。その後、第２の信号部分に関する推定を得るため、（環境光要素に対応する）環境光信号は、（環境光要素及び測定光要素に対応する）（オリジナルの）光センサの出力信号から減算されることができる。この実施形態の効果は、光源のパルス化された動作が必要されない点にある。

上述の監視デバイスの好ましい実施態様において、上記光源が、第１の波長の光を放出するよう構成され、上記第１の波長と異なる第２の波長の光を放出する追加的な光源が更に含まれる。異なる波長で光を発する２つの光源を含むことにより、異なる波長の光に関する異なる酸素飽和を持つ血液の吸収特徴における差を利用することが可能になる。これは、患者の血中酸素飽和に関する情報を得ることを可能にする。通常、２つの光源は交互に操作される。即ち順にパルス化される。その後、放出された光は、１つの光センサによりキャプチャされることができる。

更に別の実施形態において、上記光源及び上記光センサが、上記生体の上記体部分の対向側に配置されるよう構成され、上記光の上記測定光要素が、上記体部分を通る上記放出された光の透過から生じる。これにより、透過的測定が可能になる。光は、体部分へと放出されて、体部分の他の側でキャプチャされる。従って、光は、体部分（即ち組織及びその中の血液）と必然的に相互作用する。透過的測定は、堅牢な出力信号が得られることができるという利点を持つ。

別の実施形態では、上記光源及び上記光センサが、上記生体の体部分に向かうよう構成され、上記光の上記測定光要素が、上記体部分での上記放出された光の反射から生じる。これにより、反射型測定が可能になる。光は、体部分へと放出されて、体部分と相互作用して、（部分的に）反射される。反射された光は、光センサを用いてキャプチャ及び評価される。透過的測定が可能でない場合、例えば、放出された光が透過するにはあまりに厚い体部分が検査される場合、これは特に有利である。

本発明のある側面による監視デバイスを示す図である。 光センサの出力特性（伝達関数）に対する光を示すダイヤグラムを示す図である。 本発明による信号処理アプローチを概略的に示す図である。 本発明による監視デバイスの別の実施形態を概略的に示す図である。 本発明のある側面による生体のバイタルサインをモニタする装置を示す図である。 本発明のある側面による生体のバイタルサインをモニタする装置の別の実施形態を示す図である。 本発明のある側面による監視方法を概略的に示す図である。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

本発明は、生体のバイタルサインに関する情報を搬送する測定信号を提供する監視デバイスに関する。この測定信号は、処理ユニットにおいてそこからバイタルサイン情報を得るために評価されることができる。この処理ユニットは、監視デバイスに含まれることができるか、又は別のデバイスの一部とすることができる。本書において、監視に関する装置は、監視デバイスにより提供される測定信号を評価する処理ユニットを伴う監視デバイスを含む装置を指す。

図１は、本発明のある側面による監視デバイス１０を断面図において示す。図示されたデバイス１０は、人の指１２に適用されることができるクリップに対応する。以下において、本発明は、斯かる指クリップセンサの非限定的な例に関して示される。しかしながら、例えば、耳センサ、体着用センサ、又は他の任意のウェアラブル（例えば腕時計タイプのデバイス、体ベルト）等において、本発明の他の用途が可能である。

図示されたデバイス１０は、生体の体部分１２に光を放出する光源１４を有する。図示される実施形態において、体部分は、人の指に対応する。光源１４は通常、ＬＥＤを含む。放出された光は、指１２（又は、より正確には、指における組織及び／又は血液）と相互作用する。相互作用した後、放出された光は、光センサ１８を用いてキャプチャされる。光センサ１８（時々、フロントエンド又はフォトセンサとも呼ばれる）は通常、フォトダイオードを含む。放出された光に加えて、受信された光１６は、環境光も含む。本書において、測定光要素は、光源１４により放出された光に対応する受信された光の部分を表す。この部分は、体部分１２と相互作用し、及び光センサ１８により受信される。環境光要素は、受信された光１６の部分を表す。この部分は、環境から生じる。

光センサ１８は、（アナログ又はデジタルの）出力信号を提供する。この信号は、更に処理されることができる。出力信号は通常、受信された光１６の光強度の読み出しに対応する。光センサが露出される光強度に対する出力信号の関係は、伝達関数と呼ばれる。伝達関数は、光センサ１８のプロパティを表す。

図１に示されるように透過的測定に加えて、反射型測定原理が、利用されることができる（即ち、光センサ及び光源は体部分の同じ側に構成され、反射された光がキャプチャされる）。

本発明による監視デバイス１０の好ましい適用領域は、血中酸素飽和監視である。この用途において、監視デバイス１０は通常、光源１４に加えて、光源１４の光と異なる波長の光を放出する追加的な光源を有する。通常、赤色ＬＥＤ及び赤外線ＬＥＤが使用される。２つのＬＥＤは、通常パルス化される。即ち、互いに干渉しないよう交互に電源をオンにされる。赤及び赤外線スペクトルにおいて放出された光は、体部分１２において血液と相互作用する。この相互作用の後、光は、光センサ１８によりキャプチャされる。血中酸素飽和における変化は、血液の色の変化を生じさせる。特に２つの異なる波長の光が使用される場合、この変化に関する情報は、受信された光を評価することから得られることができる。血中酸素飽和に加えて、心拍及び／又は呼吸レートが、測定信号から得られることができる。

すでに上述したようにこの構成における１つの課題は、通常、光センサ１８により受信されるのが、光源から放出される光だけではない点にある。監視デバイス１０のハウジングの実施形態に基づき、環境光も、光センサ１８により受信される。この環境光は、日光から、又は、人の近くの人工光源から生じることができる。通常、異なるレベルの環境光が、異なる時間において存在する（環境光源レベルにおける変動）。存在する環境光の波長及び／又はその変動（詳細には心拍に相当する周波数での変動に対する）に基づき、この環境光は、意味があるバイタルサイン情報を測定信号から抽出することを困難にする場合がある。なぜなら、所望のバイタルサイン情報に対応する測定信号における変化は通常、小さいからである。

従って、光センサ１８により検出される光は、環境光要素及び測定光要素を含む。両方の要素は、最終的に光センサ１８の出力信号になる。

測定信号における環境光の影響を補償するため、本発明は、環境光取消ユニット２０及び環境光変調除去ユニット２２を提供する。環境光取消ユニット２０は、環境光に対応する第１の部分（環境光要素）及び最初に光源１４により放出された光に対応する第２の部分（測定光要素）へと光センサ１８により提供される出力信号を分離する。環境光変調除去ユニット２２は更に、環境光の異なるレベルに対する光センサ１８の異なる感度から生じる効果を補償する。こうして、環境光変調除去ユニット２２により生成される測定信号は、環境光要素から独立している測定光要素に関する測定に対応する。

環境光は最終的に、２つの態様において光センサの出力信号となる。一方では、特別何も行われない場合、それは出力信号となる。光源から同一量の光がキャプチャされる場合であっても、高いレベルの環境光は、より高い出力信号レベルを生じさせる。他方、環境光は、ＬＥＤ光を変調させる。言い換えると、別のレベルの背景又は環境光に露出されるとき、光センサは、同一量の（追加的な）光を必ずしも同じ信号レベルへと変換するわけではない。（環境光変調除去ユニット２２において）信号部分を復調することは、この効果を除去することに対応する。

第１の効果は、環境光取消ユニット２０（環境光取消回路とも呼ばれる）を提供することにより補償されることができる。これは、環境光の貢献を取り除く。出力信号は、環境光要素に対応する第１の部分及び測定光要素に対応する第２の部分に分けられる。これは、例えば、ＷＯ２０１３／０１９０４２３Ａ１号に提示されるように減算により実行されることができる。そこでは、光源が電源オフにされるとき、パルス光源が、（測定光要素を含まない）環境光要素の測定を得ることを可能にするという事実を利用する回路が示される。測定光要素に対応する出力信号の信号部分（第２の信号部分）に関する推定を得るため、光源１４が電源オフにされるときの光センサ１８の出力信号は、光源１４が電源オンにされるときの出力信号から減算されることができる。

言い換えると、環境光取消は、ＬＥＤ（光源）の光がパルス化されるという事実を利用する。その結果、光センサに環境光だけが存在する時間間隔があり、及び環境光及び光源からの光の合計が光センサに存在する他の時間間隔がある。この機能を提供する１つのありうるアプローチは、光源が電源オンかオフかに基づき、異なるフィルタ、特に異なる態様で構成された低域フィルタを出力信号に適用することである。そこから、環境光要素及び対応する信号部分に関する推定が得られることができる。

本発明の他の実施形態において、出力信号から環境光要素を取り除くための基礎として使用されることができる環境光要素に関する測定を追加的な光センサが提供することが可能でもよい。

第２の効果は更に、図２に示される。図示された伝達関数ｆは、光センサ１８の出力特性を表す。ｘ軸には、入力光源レベルが示される。光源レベルは、光センサ１８に存在する光強度を指す。例えば、光源レベルは、環境光要素及び測定光要素の合計に対応することができる。ｙ軸には、結果として生じる出力信号レベルが示される。この出力信号は、例えば、環境光要素に対応する第１の部分及び測定光要素に対応する第２の部分を含むことができる。時系列表示において、変動する入力は、変動する出力を生成する。いくつかの変動は、例えば、脈動する光源に起因し、他の（通常より小さい）変化は、生体の体部分における変化に起因する。この変化は例えば、変化する吸収を生じさせ、生体のバイタルサイン情報を表す脈動血液である。

伝達関数ｆは通常、連続して増加する関数である。より高い光源レベルは、より高い出力信号レベルをもたらす。図２に示される非線形伝達関数は、図示するためにあり、光センサの入出力の間の関係を質的に示すためだけにある。他の光センサが、異なる伝達関数を持つことができる。

図２に示されるように、環境光は、Ａ_ｌｏｗ及びＡ_ｈｉｇｈの間で変化することができる。更に、脈動する光源が原因で、入力光は時間的に、Ｐにより増加することができる。従って、Ａは環境光要素を表し、Ｐが測定光要素を表す。光センサの出力信号は、ＬＥＤが電源をオフにされるとき、ｆ（Ａｌｏｗ）及びｆ（Ａｈｉｇｈ）の間で変化し、ＬＥＤが電源オンにされるとき、

及び

の間で変化する。ｆ（Ａ）は、第１のケースにおいて、環境光要素に対応する出力信号の信号部分（第１の信号部分）を表す。関数ｆ'は、伝達関数ｆの導関数である。

環境光要素に対応する信号部分が、（環境光取消ユニットにおいて）出力信号から除去される場合、出力は、

及び

の間で変化する。従って、伝達関数ｆが非線形である（それは、通常のケースである）場合、環境光取消ユニットの出力、即ち第２の信号部分はまだ、環境光要素に依存する。これは、本書において環境光変調と呼ばれる。環境光変調除去ユニットは、この環境光変調を補償しようとする。

環境光変調は、ピークトゥピーク出力変動を平均出力信号レベルで割ったもの

として規定されることができる。

この関係は、伝達関数ｆの線形性に関する尺度である。伝達関数ｆの導関数が線形である場合、ｆ'は環境光要素から独立している。すると、環境光変調は、０である。更に、この関係は、環境変調に関する下限も表す。この関係の出力は、ｆ'（即ちｆの非線形性）、Ａｌｏｗ及びＡｈｉｇｈ（より大きい範囲は一般に、ｆ'の変動をより大きくする）における変動に依存し、及びＰ（より大きい値は一般に、非線形性効果が平滑化されることをもたらし、一方、Ｐのより少ない値は、非線形性効果をより明白なものとする）に依存する。これにより、Ｐは、光源のパワーに従う。減少するパワーは、非線形性効果がより明白になることをもたらす。通常、全体の環境光取消≦６０ｄＢが必要とされる。

従って、監視デバイスが相当に高い環境光範囲（大きい変動）に露出される場合、環境光変調除去は特に重要である。その後、光センサの出力特性（伝達関数）に対する光の影響は、支配的になる可能性がある。

本発明は、環境光変調除去ユニット２２を用いてこの効果を補償することを可能にする。図３は、本発明の実施形態におけるデータ処理を示す。環境光要素３０及び測定光要素３２（それは、光源により放出される光に対応する）は、光センサ１８（フロントエンドとも呼ばれる）において受信される光１６と結合する。光センサ１８は、環境光取消ユニット２０に出力信号３４を提供する。この出力信号３４は、第１の信号部分、即ち環境光要素３０に対応する第１の部分、及び第２の信号部分、即ち測定光要素３２に対応する第２の部分を含む。環境光取消ユニット２０は、２つの信号部分を分離する。従って、環境光取消ユニット２０の第１の出力は、第１の信号部分３６（それは、環境光の影響を表す）に対応し、第２の出力は、第２の信号部分３８（それは、生体の体部分を持つ相互作用した後の光源の変調された光を表す）に対応する。伝達関数ｆに基づき、及び第１の信号部分３６に基づき、環境光変調除去ユニット２２は、環境光要素３０の変動の効果を補償し、測定信号４０を生成する（即ち、第２の信号部分を復調する）。この測定信号４０は、現在存在する環境光要素３０から独立して、測定光要素３２を直接表し、生体のバイタルサイン情報を抽出するための基礎として使用されることができる。

言い換えると、環境光取消ユニット２０の出力、即ち環境光要素３０に対応する第１の信号部分３６及び光源の変調された光に対応する第２の信号部分３８は、動作点（それは、環境光要素Ａにより規定される）において、伝達関数ｆの導関数ｆ'の逆に基づき処理される。測定信号４０は、第２の信号部分３８を

により割ったものに対応する。第２の信号部分３８は、測定光要素

に対応するので、これは、Ｐにまで減らされることができる。これは実際の測定光要素３２に対応する。従って、環境光要素Ａの変動の効果は除去され、Ｐを表す測定信号が提供される。

こうして必要とされる伝達関数ｆ（それは、導関数ｆ'を算出するのに必要とされる）は通常、較正手順において決定される。斯かる較正手順は、デバイス１０における較正ユニットにより実行されることができる。好ましくは、較正手順は、デバイス１０の生産時に実行される。通常、人工光源は、さまざまな強度での光（較正光）を提供するよう構成される。光センサの出力信号が測定され、少なくとも１つの較正値が算出される。こうして、較正値は、較正光（光強度）及び対応する出力信号の値ペアに対応する。曲線ｆは、モデルを用いて少なくとも１つの較正値から、又は、曲線フィッティングアルゴリズムを用いて複数の較正値から得られる。その後、ｆ'が微分によりｆから得られ、何らかの形（例えば式又はテーブル）においてデバイス１０に格納される。その結果、それは、上述された処理を実行するため、異なるレベルのＡに適用されることができる。例えば、ｆに関して多項式の曲線フィットが行われる場合、記号的微分／解析的微分が実行されることができ、フィットされた関数からの係数が、導関数ｆ'に関する式に埋められる（例えば

、即ち、係数ａが従う関数ｆがフィットされ、これからｆ'が続く）。

図４は、本発明によるデバイスの更なる実施形態を概略的に示す。そこでは、点線が、監視デバイスにおいて、又は、本発明による生体のバイタルサインをモニタする装置に含まれる、又は含まれないオプションの要素を表す。

光源１４（それは、生体の体部分１２に光を放出する）、光センサ１８、環境光取消ユニット２０及び環境光変調除去ユニット２２とは別に、較正ユニット４２が更に含まれることができる。この較正ユニット４２は、上述された較正手順を実行する。

更に、フィルタリングユニット４４が含まれることができる。斯かるフィルタリングユニット４４は特に、光源１８が光を放出するかどうかに基づき、異なるフィルタリングアプローチを用いて、出力信号をフィルタリングするよう構成されることができる。好ましい実施形態において、光源１４は、パルス化された光を放出する、即ち、パルスの形で周期的に光を放出するよう構成される。光が放出される時間期間は、光が放出されない時間期間により追従される。しかしながら、これは、本発明のすべての実施形態において必要とされるというわけではない。フィルタリングユニット４４は特に、上述されるＷＯ２０１３／１９０４２３Ａ１号において提示される環境光取消手順を実行することを可能にする。

更に、追加的な光センサ４６が含まれることができる。これは（測定光要素なしに）環境光要素だけをキャプチャすることを可能にする。斯かる追加的な光センサ４６は通常、光センサ１８から空間的に分離されて構成される。その結果、それは、測定光要素により妨害されることなしに、光センサ１８に存在する環境光要素に関する推定を得るため、環境光をキャプチャすることを可能にする。この追加的な光センサ４６は好ましくは、フォトダイオードを含む。

また更に、デバイス１０は、追加的な光源４８を有することもできる。この追加的な光源４８は特に、最初の光源１４とは異なる波長の光を放出するＬＥＤを含むことができる。好ましい実施形態において、光源１４は赤色光を放出し、追加的な光源４８は赤外線光を放出する（即ち、赤外線ＬＥＤを含む）。これにより、血液における異なる波長の光の吸収特性を評価することにより、生体の血中酸素飽和の測定を行うことが可能になる。

図５に図示されるよう本発明の更に別の側面において、生体のバイタルサインをモニタする装置５０が提示される。この装置５０は、監視デバイスにより提供される測定信号からバイタルサイン情報を抽出するため、処理ユニット５２（プロセッサとも呼ばれる）を備える監視デバイス１０を含む。処理ユニット５２は、測定信号から生体のバイタルサイン情報を抽出する。このため、好ましくは遠隔フォトプレチスモグラフィが使用される。抽出されたバイタルサイン情報は特に、生体の血中酸素飽和、心拍及び呼吸レートの少なくとも１つを含む。

図５に示される実施形態において、処理ユニットは、監視デバイス１０から空間的に分離される。しかしながら、他の実施態様において、処理ユニット５２が、デバイス１０に一体化されることもできる。

得られたバイタルサイン情報は、ヒト機械インタフェースを用いて、ユーザ又は医師に提供されることができる。このため、無線又は有線インタフェースが、装置５０において提供されることができる。代替的に又は追加的に、バイタルサイン情報は、データベース及び／又はインターネットベースのストレージに直説通信されることができる。

図６は、本発明のある側面による装置５０の別の好ましい実施形態を示す。この実施形態によれば、上述の監視デバイス及び処理ユニットは、腕時計５４に一体化される。好ましくは、本発明による装置は、緑の光を使用する手首着用の心拍センサとして実現されることができる（例えばMIO Alpha、Adidas MiCoachなど）。腕時計５４は、通常の腕時計に類似し、毎日着用されることができる。この腕時計５において、光源及び光センサは、腕時計５４を着用している人の皮膚に面する腕時計の後面に一体化されることができる。処理ユニットは、腕時計のハウジングに一体化されることができる。

斯かる腕時計５４は、フィットネス及びライフスタイル用途領域において、及び医療用途領域においても着用されることができる。腕時計５４は、追加的なセンサ（例えばモーションセンサ、環境センサ等）、ユーザに情報を表示するディスプレイ、及び／又は他のインタフェース要素（音響、触覚型等）を有することもでき、生体のモニタされたバイタルサインに基づき、警報機能を提供することができる。

本発明の他の実施形態において、環境光取消ユニット、環境光変調除去ユニット、処理ユニット、較正ユニット及びフィルタリングユニットは、部分的に又は完全に１つ又は複数のマイクロプロセッサデバイス（例えばＩＣ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等）に含まれることができる。ユニットのいくつか又は全部の機能は、ハードウェア及び／又はソフトウェアにおいて実現されることが可能である。複数のユニットが、１つのユニットに組み合わせられることができる。いくつかの機能は、監視デバイスから空間的に分離されて、有線又は無線インタフェースを用いてこれに接続される１つ又は複数のユニットにおいて実行されることも可能である。

図７において、本発明のある側面による方法が、概略的に示される。方法は、例えばＬＥＤといった光源を用いて光を放出するステップ（ステップＳ１０）を含む。放出された光は、例えばフォトダイオードといった光センサにより、受信される（ステップＳ１２）。このフォトダイオードは、出力信号を提供し、これは、環境光要素に対応する第１の信号部分及び測定光要素に対応する第２の信号部分へとその後分離される（ステップＳ１４）。その後、環境光要素における変動の効果が、測定信号を生成するためを補償される（ステップＳ１６）。

本発明の実施形態は、（例えば病院環境において）乳児、乳児及び成人に関する医療バイタルサイン監視のコンテキストにおいて使用されることができるが、フィットネス及びライフスタイル用途、又は例えば動物といった他の生体に対してさえ使用されることができる。測定信号から抽出されることができるバイタルサイン情報は特に、人の心拍、呼吸レート又は血中酸素飽和に対応する。

図示された指クリップとは別に、本発明の実施形態は、他の体部分（耳、耳たぶ、足指等）に付けられる異なる他のクリップの形、又はパッドの形とすることもできる。本発明は遠隔フォトプレチスモグラフィと呼ばれる一般に既知の技術により（例えばカメラを用いて）ＰＰＧ信号を得るため、体部分から反射される又はこれを通り透過される光をリモートで測定する遠隔監視デバイスにさえ適用されることができる。これは、生体の体部分との物理的接触を必要としない。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な非一時的媒体に格納／配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。

請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 監視デバイスであって、
   生体の体部分に光を放出する光源と、
   環境光要素及び前記放出された光の前記体部分との相互作用から生じる測定光要素を含む光を受け、出力信号を生成する光センサであって、伝達関数が、前記出力信号及び前記受けられた光の間の関係を表す、光センサと、
   前記環境光要素に対応する第１の信号部分及び前記測定光要素に対応する第２の信号部分へと前記出力信号を分離する環境光取消ユニットと、
   測定信号を生成するため、前記伝達関数及び前記第１の信号部分に基づき、前記第２の信号部分を復調することにより、前記環境光要素の変動を補償する環境光変調除去ユニットとを有する、監視デバイス。
2. 前記環境光変調除去ユニットが、前記伝達関数の導関数を決定するよう構成される、請求項１に記載の監視デバイス。
3. 前記環境光変調除去ユニットが、前記第２の信号部分に前記伝達関数の前記導関数の逆をかけることにより、前記第２の信号部分を復調するよう構成される、請求項２に記載の監視デバイス。
4. 前記環境光取消ユニットが、前記第１の信号部分要素に関する推定を決定し、前記第２の信号部分を決定するため、前記出力信号から前記推定を減算するよう構成される、請求項１に記載の監視デバイス。
5. 前記伝達関数が、非線形関数である、請求項１に記載の監視デバイス。
6. 前記伝達関数を決定する較正ユニットを更に有し、前記較正ユニットが、所定の強度の較正光に露出されるとき、前記光センサの前記出力信号から較正値を決定するよう構成される、請求項１に記載の監視デバイス。
7. 前記較正ユニットが、曲線フィッティングアルゴリズムを複数の較正値に適用するよう構成される、請求項６に記載の監視デバイス。
8. 前記光源が、光パルスを放出するよう構成され、
   前記環境光取消ユニットが、前記光源が電源をオフにされるときの出力信号と、前記光源が光を放出するときの出力信号とに基づき、前記出力信号を分離するよう構成される、請求項１に記載の監視デバイス。
9. 第１のフィルタリングされた信号を生成するよう、前記光源が光を放出するとき、第１の低域フィルタで前記出力信号をフィルタリングし、第２のフィルタリングされた信号を生成するよう、前記光源が電源オフにされるとき、第２の低域フィルタで前記出力信号をフィルタリングするよう構成されるフィルタリングユニットを更に含み、
   前記環境光取消ユニットが、前記第１のフィルタリングされた信号から前記第２のフィルタリングされた信号を減算するよう構成される、請求項８に記載の監視デバイス。
10. 環境光を受け、環境光信号を生成する追加的な環境光センサを更に有し、
    前記環境光取消ユニットが、前記生成された環境光信号から得られる前記環境光要素に関する推定に基づき前記出力信号を分離するよう構成される、請求項１に記載の監視デバイス。
11. 前記光源が、第１の波長の光を放出するよう構成され、前記第１の波長と異なる第２の波長の光を放出する追加的な光源を更に有する、請求項１に記載の監視デバイス。
12. 前記光源及び前記光センサが、前記生体の前記体部分の対向側に配置されるよう構成され、
    前記光の前記測定光要素が、前記体部分を通る前記放出された光の透過から生じる、請求項１に記載の監視デバイス。
13. 前記光源及び前記光センサが、前記生体の体部分に向かうよう構成され、
    前記光の前記測定光要素が、前記体部分での前記放出された光の反射から生じる、請求項１に記載の監視デバイス。
14. 生体のバイタルサインをモニタする装置であって、
    請求項１に記載の監視デバイスと、
    前記測定信号から前記生体のバイタルサインに関する情報を得る処理ユニットとを有する、装置。
15. 監視方法において、
    生体の体部分へ光を放出するステップと、
    環境光要素及び前記放出された光の前記体部分との相互作用から生じる測定光要素を含む光を受け、出力信号を生成するステップであって、伝達関数が、前記出力信号及び前記受けられた光の間の関係を表す、ステップと、
    前記環境光要素に対応する第１の信号部分及び前記測定光要素に対応する第２の信号部分へと前記出力信号を分離するステップと、
    測定信号を生成するため、前記伝達関数及び前記第１の信号部分に基づき、前記第２の信号部分を復調することにより、前記環境光要素の変動を補償するステップとを有する、方法。

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