JP7442746B2

JP7442746B2 - 動脈血酸素化測定

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Publication number: JP7442746B2
Application number: JP2023539952A
Authority: JP
Inventors: ディンターコルネルスヘンドリクスベルトスアルノルドスファン; ローレンシアヨハンナフェイブレフツ; エルカンフェリットジジ
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2024-03-04
Anticipated expiration: 2042-01-17
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Description

本開示は、動脈血酸素化測定に関し、特に、フォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）信号から動脈血酸素化の測定値を決定するためのコンピュータ実施方法、コンピュータプログラム製品及び装置に関する。

米国特許出願公開第ＵＳ２００２／０００７１１４号は、生理学的電気信号から所望の生理学的パラメタを検出することに関し、より詳細には、この所望の生理学的パラメタをより正確に検出するために、前記生理学的電気信号からアーチファクトを取り除くことに関する。

米国特許第ＵＳ７１３９５９９号は、ケプストラムドメインのパルスオキシメトリを開示している。

YOUSEFI RASOUL等による論文"A Motion-Tolerant Adaptive Algorithm for Wearable Photoplethysmographic Biosensors", IEEE JOURNAL OF BIOMEDICAL AND HEALTH INFORMATICS, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, vol.18, No.2, 1 March 2014 (2014-03-01), pages 670-681にも背景技術が開示されている。

パルスオキシメトリは、人間の動脈血酸素化（ＳｐＯ_２）を測定するために広く用いられる非侵襲的な方法である。最も一般的に使用されるオキシメータは、指先、つま先又は耳たぶの上に配置され、病院での患者のモニタリングにしばしば使用される。中央化（すなわち、末梢血管の狭窄）の状態でＳｐＯ_２を測定する必要があるとき、額又は鼻が好ましい位置である。上述した位置にあるセンサは、それらセンサが手の使用を妨げたり、加えられた圧力によって不快になったり又は患者に審美的な不満があるため、患者にとって不便である。近年、カメラを用いたＳｐＯ_２の遠隔測定が導入されている。カメラベースのモニタリングは、上述した不便さが無く、敏感な肌の人たち、例えば早産児にも使用される。しかしながら、カメラベースのモニタリングのために、被験者は、カメラの視野内にいる必要がある。

身体に装着され、比較的長期にわたって被験者の様々な異なる生理学的特性を測定するためのセンサ又はセンサユニットが開発されている。そのようなセンサ又はセンサユニットにとって１つの適切な場所は、胸部である。しかしながら、胸部上でのパルスオキシメトリは、以下の困難、１）呼吸の結果として胸部が常に動き、動きアーチファクトを引き起こす、２）胸部上の位置に応じて組織及び骨の組成が異なる、並びに３）測定される血液潅流が低い（これは、例えば指先、つま先、耳たぶ、額等のような身体の末梢部位に用いられ得る透過型のセンサの代わりに、反射型のセンサを用いることに起因する）、がある。ボランティア試験の結果は、胸部装着型のパルスオキシメトリセンサを用いる場合、被験者（通常の空気を吸入する健康なボランティア）間でＳｐＯ_２値の分散が大きいのに対し、指先装着型のパルスオキシメトリセンサから取得されるＳｐＯ_２値の分散はより小さかったことが明らかになった。

従って、被験者の動脈血酸素化（ＳｐＯ_２）の測定は、改善する必要がある。本発明は、独立請求項によって定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。

本明細書に記載される技術は、例えば呼吸（息を吸う、吐く）のような物理的ノイズ又は動きアーチファクトによって、測定される拍動成分（すなわち、測定される血流）が乱される、被験者の身体上の位置にあるパルスオキシメトリの解決策を提供する。そのような位置は、胸部、例えば、上胸部の左側の鎖骨中央線上の第２肋間を含むことができる。そのような位置において、従来のアルゴリズム的方法を使用するＳｐＯ_２の測定値は信頼できない。

従来のパルスオキシメトリは、“比の比(ratio-of-ratio)”の方法に基づいてＳｐＯ_２を決定している。光学密度の比は、時間領域又はスペクトル領域における２つの異なる波長（例えば、赤色及び赤外）のＰＰＧ信号から導出されることができる。これらのＰＰＧ信号は、パルス／血液量の変化に起因する信号成分（本明細書において、これらを、ＰＰＧ信号の“パルス成分”と呼ぶ）、及び（呼吸に起因する動きを含む）ノイズ及び／又は動きアーチファクトに起因する信号成分を含む。ＰＰＧ信号のパルス成分は、このＰＰＧ信号における高調波列であり、脈拍数をこの高調波列の基本周波数（第１高調波）とする。従って、パルス成分は、脈拍数の信号成分と、高次高調波(higher harmonics)、すなわち脈拍数より上の周波数の信号成分とを含む。本明細書に記載される技術は、ＳｐＯ_２が、マルチカラー（異なる波長)のＰＰＧ信号におけるパルス成分の高次高調波から決定されるという洞察に基づいている。ＳｐＯ_２を決定するための従来のスペクトル領域の方法は、ＰＰＧ信号のパルス成分の基本周波数（第１高調波）を必ず考慮している。パルス成分の基本周波数を考慮から外すことは、ＳｐＯ_２の測定値の信頼性の向上を提供する。

第１の具体的な態様によれば、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するためのコンピュータ実施方法が提供される。この方法は、第１及び第２のＰＰＧ信号を受信するステップであって、ここで、第１のＰＰＧ信号は第１の波長の光を用いて取得され、第２のＰＰＧ信号は第２の波長の光を用いて取得され、第１及び第２のＰＰＧ信号は、被験者の血液量の経時的な変化に関するパルス成分を有する、前記受信するステップ、第１及び第２のＰＰＧ信号の測定中に生じる被験者の脈拍数に対応する基本周波数を決定するステップ、並びに前記基本周波数より高い周波数である、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するステップであり、このステップにより、パルス成分の基本周波数を除外した、第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の前記処理された１つ以上の高次高調波に基づいて、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定する、ステップ、を有する。従って、ＳｐＯ_２の測定値を決定するとき、パルス成分の基本周波数は考慮から外れ、このことがＳｐＯ_２の測定値の信頼性を向上させる。

幾つかの実施形態において、前記処理するステップは、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、時間領域又は周波数領域において第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するステップを有する。従って、この第１の態様は、特定領域においてＰＰＧ信号を処理することによってＳｐＯ_２を決定することに限定されない。

幾つかの実施形態において、前記処理するステップは、前記１つ以上の高次高調波に夫々の重み付けを適用するステップ、及びＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記重み付けられた高次高調波を処理するステップを有する。これらの実施形態は、ある特定の高次高調波は、信頼性のあるＳｐＯ_２の測定値を決定するのにより有益であり、従って、前記重み付けは、ＳｐＯ_２の測定値へのその／それら高次高調波の寄与を増大させ得ると認識している。これらの実施形態において、前記夫々の重み付けは、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいている。

代替の実施形態において、前記処理するステップは、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を選択するステップ、並びにＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記選択された１つ以上の高次高調波を処理するステップを有する。これらの実施形態は、ある特定の高次高調波は、他の高次高調波よりも信頼性のあるＳｐＯ_２の測定値を決定するのにより有益であり、従って、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、その／それら特定の高次高調波のみが使用されると認識している。これらの実施形態において、１つ以上の高次高調波を選択するステップは、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいて、１つ以上の高次高調波を選択するステップを有する。

代替の実施形態において、前記処理するステップは、基本周波数より上のカットオフ周波数で第１及び第２のＰＰＧ信号をハイパスフィルタリングするステップ、並びにＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号を処理するステップを有する。これらの実施形態において、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、時間領域で処理されてもよい。これらの実施形態において、カットオフ周波数は、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいて選択される。

幾つかの実施形態において、１つ以上の高次高調波を処理するステップは、第１及び第２のＰＰＧ信号の１つ以上の高次高調波から導出される光学密度の比からＳｐＯ_２の測定値を決定するステップを有する。従って、これらの実施形態は、ＳｐＯ_２を決定するために、高次高調波の使用を前記比の比の手法に適用する。

代替の実施形態において、１つ以上の高次高調波を処理するステップは、１つ以上の高次高調波の振幅からＳｐＯ_２の測定値を決定するステップを有する。

幾つかの実施形態において、基本周波数を決定するステップは、基本周波数を決定するために、第１及び／又は第２のＰＰＧ信号を処理するステップを有する。これらの実施形態は、脈拍数又は心拍数を測定するために別個のセンサを必要としないという利点を提供する。

第２の態様によれば、その中にコンピュータ可読コードが具現化されたコンピュータ可読媒体を有するコンピュータプログラム製品が提供され、前記コンピュータ可読コードは、適切なコンピュータ又は処理器によって実行されるとき、前記コンピュータ又は処理器が、第１の態様又は前記第１の態様の何れかの実施形態による方法を行わせるように構成される。

第３の態様によれば、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するための装置が提供される。前記装置は、被験者の第１及び第２のＰＰＧ信号を受信し、ここで、第１のＰＰＧ信号は第１の波長の組の光を用いて取得され、第２のＰＰＧ信号は第２の波長の組の光を用いて取得され、前記第１及び第２のＰＰＧ信号は、被験者の血液量の経時的な変化に関するパルス成分を有し、前記第１及び第２のＰＰＧ信号の測定中に発生する被験者の脈拍数に対応する基本周波数を決定し、並びに前記基本周波数よりも高い周波数である、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を処理し、前記パルス成分の基本周波数を除いた、前記第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の処理された１つ以上の高次高調波に基づいて、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定する、ように構成される処理ユニットを有する。従って、ＳｐＯ_２の測定値を決定するとき、パルス成分の基本周波数は考慮から外され、これがＳｐＯ_２の測定値の信頼性を向上させる。

幾つかの実施形態において、処理ユニットは、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、時間領域又は周波数領域において、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するように構成される。従って、第３の態様は、特定の領域においてＰＰＧ信号を処理することによってＳｐＯ_２を決定することに限定されない。

幾つかの実施形態において、処理ユニットは、パルス成分の１つ以上の高次高調波に夫々の重み付けを適用し、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記重み付けられた高次高調波を処理することによって、パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するように構成される。これらの実施形態は、ある特定の高次高調波は、信頼性のあるＳｐＯ_２の測定値を決定するのにより有益であり、従って、重み付けは、ＳｐＯ_２の測定値へのその／それら高次高調波の寄与を増大させ得ると認識している。これらの実施形態において、前記夫々の重み付けは、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいている。

代替の実施形態において、前記処理ユニットは、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高次高調波を選択し、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記選択された１つ以上の高次高調波を処理することによって、パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するように構成される。これらの実施形態は、ある特定の高次高調波は、他の高次高調波よりも信頼性のあるＳｐＯ_２の測定値を決定するのにより有益であり、従って、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、その／それら特定の高次高調波のみが使用されると認識している。これらの実施形態において、処理ユニットは、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいて、１つ以上の高次高調波を選択するように構成される。

代替の実施形態において、前記処理ユニットは、第１及び第２のＰＰＧ信号を前記基本周波数より上のカットオフ周波数でハイパスフィルタリングし、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号を処理することによって、パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するように構成される。これらの実施形態において、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、時間領域で処理されてもよい。これらの実施形態において、前記カットオフ周波数は、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいて選択される。

幾つかの実施形態において、前記処理ユニットは、第１及び第２のＰＰＧ信号の１つ以上の高次高調波から導出される光学密度の比からＳｐＯ_２の測定値を決定することによって、パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するように構成される。従って、これらの実施形態は、ＳｐＯ_２を決定するために、高次高調波の使用を前記比の比の手法に適用する。

代替の実施形態において、前記処理ユニットは、１つ以上の高次高調波の振幅からＳｐＯ_２の測定値を決定するように構成される。

幾つかの実施形態において、前記処理ユニットは、基本周波数を決定するために第１及び／又は第２のＰＰＧ信号を処理することによって、この基本周波数を決定するように構成される。これらの実施形態は、脈拍数又は心拍数を測定するために別個のセンサを必要としないという利点を提供する。

代替の実施形態において、前記処理ユニットは、脈拍センサから測定信号を受信し、この測定信号を処理することによって脈拍数を決定するようにさらに構成される。幾つかの実施形態において、前記装置は、脈拍センサをさらに有する。代替の実施形態において、前記処理ユニットは、前記装置と別個の脈拍センサから前記測定信号を受信するように構成される。

これらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明されるであろう。

ここで、例示的な実施形態を、単なる例として、以下の図面を参照して説明する。
図１は、本明細書に記載される技術を実施するために使用される装置のブロック図である。図２は、胸部及び指先の位置で取得される５人の被験者に対し、従来の技術に従って取得されたＳｐＯ_２の測定値を示す図である。図３は、胸部及び指先の位置で取得される５人の被験者に対し、本明細書に記載の技術の実施形態に従って取得されたＳｐＯ_２の測定値を示す図である。図４は、一実施形態によるＳｐＯ２の測定値を決定する例示的な処理を示すブロック図である。図５は、本明細書に記載の技術の実施形態による、ＳｐＯ_２の測定値を決定するための代替の手法の結果を示す２つのグラフである。図６は、例示的な実施形態によるＳｐＯ_２の測定値を決定する方法を示すフローチャートである。

図１は、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するための様々な実施形態によるシステム２のブロック図である。システム２は、１つ以上のＰＰＧセンサ６を用いて取得されるＰＰＧ信号からＳｐＯ_２の測定値を決定するために、本明細書に記載の技術に従って動作する装置４を有する。システム２は、パルスオキシメトリシステム又はパルスオキシメータと呼ばれることができる。

ＰＰＧセンサ６は、被験者の身体に配置され、身体のその部分を通過する血液量に関するＰＰＧ信号を出力する。ＳｐＯ_２を測定するために、少なくとも２つの異なる波長の光、典型的にはスペクトルの赤色部分の１つの波長及びスペクトルの赤外部分の１つの波長に対するＰＰＧ信号が必要とされるが、幾つかの実施形態において、異なる波長の光に対する第３のＰＰＧ信号が使用されることもできる。幾つかの実施形態において、異なる波長の光に対する夫々のＰＰＧ信号を取得することが可能である単一のＰＰＧセンサ６が使用されることができる。他の実施形態において、１つの特定の波長の光に対する夫々のＰＰＧ信号を各々が取得する複数のＰＰＧセンサ６が使用される。

当業者に知られているように、ＰＰＧセンサ６は、光センサ及び典型的には１つ以上の光源を有する。前記光センサは、この光センサが前記１つ以上の光源から身体部分を通過する光を測定するように、前記光源に対して位置決められる（いわゆる透過配置）、又は前記光センサは、この光センサが身体部分から反射される前記光源からの光を測定するように、前記光源に対して位置決められる（いわゆる反射配置）ことができる。胸部装着型のＰＰＧセンサ６の場合、このＰＰＧセンサ６は、反射配置を使用することができるのに対し、例えば指先のような、身体の末梢部位に対しては、透過配置を使用することができる。

ＰＰＧセンサ６によって出力されるＰＰＧ信号は通例、特定の波長の光に対する前記光センサからの未処理の測定信号である。例えば、ＰＰＧ信号は、特定の波長の光の光強度を経時的に表している信号又は測定サンプルの時系列とすることができる。

図１において、１つ以上のＰＰＧセンサ６は、装置４とは別個であるように示されているが、代替の実施形態において、１つ以上のＰＰＧセンサ６は、装置４の一部とすることも可能である。

装置４は、例えば、サーバ、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、タブレットコンピュータ、スマートフォン、スマートウォッチ、センサパッチ等のようなコンピュータ装置の形式でもよいし又はその一部でもよい。装置４は、この装置４の動作を制御する、及び本明細書に記載の方法を実行又は行うように構成される処理ユニット８を含む。特に、処理ユニット８は、ＰＰＧセンサ６からＰＰＧ信号を受信する。

処理ユニット８は、本明細書に記載される様々な機能を行うために、ソフトウェア及び／又はハードウェアを用いて多くの方法で実施される。処理ユニット８は、ソフトウェア又はコンピュータプログラムコードを用いて、必要とされる機能を行うように及び／又は処理ユニット８の構成要素を制御して必要とされる機能を生じさせるようにプログラムされる１つ以上のマイクロプロセッサ又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を有する。処理ユニット８は、幾つかの機能を行うための専用ハードウェア（例えば、増幅器、前置増幅器、アナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）及び／又はデジタル-アナログ変換器（ＤＡＣ））と、他の機能を行うための処理器（例えば、１つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ、制御器、ＤＳＰ及び関連回路）との組合せとして実施されてもよい。本開示の様々な実施形態に用いられる構成要素の例は、これらに限定されないが、従来のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ニューラルネットワークを実施するためのハードウェア及び／又はいわゆる人工知能（ＡＩ）のハードウェアアクセラレータ（すなわち、メインプロセッサと共に使用されるＡＩアプリケーションのために特に設計された処理器又は他のハードウェア）を含む。

処理ユニット８は、装置４の動作を制御するとき及び／又は本明細書に記載の方法を実行或いは行うとき、処理ユニット８によって使用されるデータ、情報及び／又は信号を記憶することができるメモリユニット１０に接続される。幾つかの実装形態において、メモリユニット１０は、処理ユニット８が本明細書に記載される方法を含む１つ以上の機能を行うように、処理ユニット８によって実行され得るコンピュータ可読コードを記憶する。特定の実施形態において、プログラムコードは、スマートウォッチ、スマートフォン、タブレット、ラップトップ又はコンピュータ用のアプリケーションの形式とすることができる。メモリユニット１０は、例えば揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリを含むキャッシュメモリ又はシステムメモリのような如何なる種類の非一時的な機械可読媒体、例えばＲＡＭ(random access memory)、ＳＲＡＭ(static RAM)、ＤＲＡＭ(dynamic RAM)、ＲＯＭ(read-only memory)、ＰＲＯＭ(programmable ROM)、ＥＰＲＯＭ(erasable PROM)及びＥＥＰＲＯＭ(electrically erasable PROM)を有することができ、このメモリユニット１０は、メモリチップ、光ディスク（例えば、ＣＤ、ＤＶＤ又はブルーレイディスク）、ハードディスク、テープストレージソリューション、又はメモリスティック、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、メモリカード等を含むソリッドステート装置の形成で実施されることができる。

幾つかの実施形態において、装置４は、装置４のユーザが、この装置４に情報、データ及び／又は命令を入力することを可能にする、及び／又は装置４が、この装置４のユーザに情報又はデータを出力することを可能にする１つ以上の構成要素を含むユーザインターフェース１２を有する。ユーザインターフェース１２によって出力される情報は、ＳｐＯ_２の測定値を含むことができる。ユーザインターフェース１２は、これらに限定されないが、キーボード、キーパッド、１つ以上のボタン、スイッチ或いはダイヤル、マウス、トラックパッド、タッチスクリーン、スタイラス、カメラ、マイクロフォン等を含む如何なる適切な入力構成要素を有することができる、及び／又はユーザインターフェース１２は、これらに限定されないが、表示スクリーン、１つ以上の光或いは光要素、１つ以上のスピーカ、振動要素等を含む如何なる適切な出力構成要素を有することができる。

装置４の実際の実施形態は、図１に示される構成要素にさらなる構成要素を含めることができると理解される。例えば、装置４は、例えばバッテリのような電源、又は装置４が主電源に接続されることを可能にするための構成要素を含むこともできる。装置４は、他の装置又はセンサとのデータ接続及び／又はデータ交換を可能にするためのインターフェース回路を含むこともできる。例えば、ＰＰＧセンサ６が装置４とは別個である実施形態において、ＰＰＧセンサ６からのＰＰＧ信号は、前記インターフェース回路を介して受信されることができる。さらに、幾つかの実施形態において、システム２は、被験者のさらなる生理学的特性を測定するためのものとすることができ、この場合、システム２は、被験者のこれらの生理学的特性を測定するために使用される１つ以上の追加のセンサを有することができる。

上述したように、従来のパルスオキシメトリは、いわゆる“比の比(ratio-of-ratios)”の方法に基づいてＳｐＯ_２を決定する。光学密度の比ｒは、非脈動（非パルス）成分（ＤＣ_ＲＤ）によって正規化された、赤色光のＰＰＧ信号（ＡＣ_ＲＤ）における脈動（パルス）成分と、非脈動（非パルス）成分（ＤＣ_ＩＲ）によって正規化された、赤外光のＰＰＧ信号（ＤＣ_ＩＲ）における脈動（パルス）成分との比率、すなわち、

によって決定される。

ＰＰＧ信号における脈動／パルス成分は、心拍による被験者の血液量の変化によって引き起こされる。上述したように、脈動／パルス成分は、高調波列であり、脈拍数を基本周波数／第１高調波とする、従って、脈動／パルス成分は、脈拍数に対応する周波数の信号成分と、脈拍数よりも高い周波数の信号成分とを含み、パルス成分の高次高調波を含む。光学密度の比ｒは、経験的な校正ステップ、例えばＳｐＯ_２＝１１０-２５・ｒを用いてＳｐＯ_２の値にマッピングされる。

光学密度の比ｒを導出するためのスペクトル領域ベースの方法の例は、米国特許出願公開第６，６３１，２８１号明細書に記載されるようにＦＡＳＴである。このＦＡＳＴ方法は、正規化された赤色信号及び正規化された赤外信号の個々のスペクトルに基づいて比を決定する。縦軸方向に赤外スペクトル及び横軸方向に赤色スペクトルをプロットすることによってニードルのような先端の描写が得られる。このニードルは、赤外スペクトル及び赤色スペクトルのピークに対応し、ニードルの向きは、飽和に対応する。従来、パルス信号の基本周波数は、その高次高調波に比べ振幅スペクトルにおいて支配的であるため、ＳｐＯ_２は主に、このパルス信号の基本周波数によって決定される。

上述したように、本明細書に記載される技術は、異なる波長のＰＰＧ信号におけるパルス成分の高次高調波からＳｐＯ_２が決定されるという洞察に基づく。ＰＰＧ信号のパルス成分の基本周波数（第一高調波）を考慮から外すことは、ＳｐＯ_２の測定値の信頼性を改善する。従って、本明細書に記載される技術に従って、ＳｐＯ_２の測定値は、パルス成分の基本周波数（第１高調波）よりも高い周波数を持つＰＰＧ信号のパルス成分の部分を処理することによって決定される。幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２の測定値は、ＰＰＧ信号のパルス成分の高次高調波の１つ以上を処理することによって決定される。基本周波数は、ＰＰＧ信号の測定中の被験者の脈拍数である。以下において、“高次高調波”は、脈拍数（ここで、脈拍数は第１高調波／基本周波数である）より上の波形のパルス成分の高調波を指す。

（例えば、”New principle for measuring arterial blood oxygenation, enabling motion-robust remote monitoring”by M. van Gastel, S. Stuijk and G. de Haan (2016), Scientific Reports volume 6, Article number: 38609”に記載されるような）適応パルス血液量（ＡＰＢＶ）方法、及びMasimo SET (信号抽出技術）方法（“Masimo signal extraction pulse oximetry”by J.M. Goldman et al. (2000), JCMC 16: 475-483）に関するノイズキャンセリング（ＮＣ）に基づく方法が以下に使用され、本明細書に記載される技術に従って、パルス成分の高次高調波のみを用いることによって得られる改善を実証する。ノイズキャンセリング（ＮＣ）方法は、ＳｐＯ_２を測定する工程を逆にするという点で、ＡＰＢＶ、Masimo SET方法に類似している。これは、比の集合を調べ、ＰＰＧ波形から抽出される最も高いパルス品質の信号を生成する比からＳｐＯ_２を決定する。パルス品質は、パルス信号の周期性によって決定され、すなわち、パルス信号のパワースペクトルは、完全に周期的な信号が、１(unity)に等しい合計のピークレベル（高調波に関するピークの合計）を持つ一方、如何なる非高調波の又は非周期的な歪みもそのピークレベルを減少させるような倍率(scaling factor)によって正規化される。

本明細書に記載される技術の実施形態において、高次高調波、例えばある周波数より上、例えば２．５Ｈｚより上の高調波から決定される又はある特定の高調波の次数から決定される周期性の量に対して、候補パルス信号（すなわち、異なる波長の光を用いて取得されるＰＰＧ信号）が分析される。

５人の健康なボランティアに行った調査の結果に基づいて、本明細書に提示される技術によって提供されるＳｐＯ_２の測定値の改善が示される。この調査において、身体上の３つの異なる位置に対し、夫々の赤色及び赤外のＰＰＧ信号が同時に取得される。これらの位置は、指先、胸骨及び胸部上であり、具体的には、上胸部の左側にある鎖骨中央線上の第二肋間である。

最初に、図２グラフは、胸部上に位置決められたＰＰＧセンサに対する、２つの従来の方法（ＦＡＳＴ及びＮＣ）によって計算された２分間にわたる平均のＳｐＯ_２の測定値、及びこれら２つの方法から得られる平均の値は方法間でほぼ同じだったため、これらの平均した値である、指先の従来のＳｐＯ_２の測定値を示す。この調査において、胸部上に位置決められたＳｐＯ_２センサは較正されなかったので、方法間の比較は、ＳｐＯ_２の値の拡がりに着目し、絶対値には着目していないことに留意すべきである。図２に示されるＮＣ方法は、本明細書に記載される技術を利用していない、すなわち、ＮＣ方法は、ＳｐＯ_２を計算するために基本周波数を利用している。

従って、殆どの被験者にとって、指先で得られたＳｐＯ_２と、ＦＡＳＴ及びＮＣ技術を用いて得られたＳｐＯ_２との間に大きな差があることが図２から分かる。図２は、指先から得られた測定値は、９４％付近にあり、被験者間で僅かなばらつきがあることを示している。胸部上で得られた測定値は、被験者間でさらに大きく変化し、これら値は、９２％から１００％の間に及んでいる。胸部上で測定されたときのＳｐＯ_２のばらつきは、指先で測定されたＳｐＯ_２のばらつきと比較すると、あまりにも大きく、基準との比較は、米国食品医薬品局（ＦＤＡ）が要求する制限、３．５％の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）の制限を確実に超過している。

図３のグラフは、ＳｐＯ_２を決定するために使用されるＮＣ技術が、ＳｐＯ_２を決定するために、パルスの基本周波数ではなく、高次高調波のみを利用していることを除き、図２と同じ平均したＳｐＯ_２を示している。改良したＮＣ方法を用いて胸部において決定されるＳｐＯ_２の測定値のばらつきは、ＦＡＳＴ方法及び従来のＮＣ方法に比べ大きく減少し、指先で測定されるＳｐＯ_２のばらつきに非常に近いことが図３から分かる。

ＳｐＯ_２の測定値を決定するために高次高調波のみを使用することによってもたらされる改善は、呼吸数は、脈拍数よりも普通は少なく、パルス成分の高次高調波への影響はより小さいので、主に低い周波数範囲に影響を及ぼす呼吸によって生じる動きアーチファクトに起因すると考えられる。静脈血の脈（パルス）は主に低い周波数範囲に影響を及ぼし、その高次高調波は、動脈血の脈（パルス）の高次高調波に比べて存在感が薄いこともある。

幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、基本周波数より上の全ての高調波が使用されるが、代替の実施形態において、１つ以上の高次高調波の選択を行い、ＰＰＧ信号におけるそれら高調波の分析からＳｐＯ_２の測定値が決定されてもよい。後者の場合、前記１つ以上の高次高調波の選択は、動的であり、１つ以上のパラメタに依存する。これらパラメタは、例えば心拍数（脈拍数）若しくは呼吸数のようなバイタルサイン、又は例えば被験者の年齢、脈波伝播時間（ＰＴＴ）及び／又は脈波の形態のような血管の剛性に関するパラメタを含むことができる。

従って、幾つかの実施形態において、呼吸数が増加する又はしきい値より上にある場合、ＳｐＯ_２の測定値は、ＰＰＧ信号におけるパルス成分の高次高調波の全てからではなく、パルススペクトルのより高い周波数範囲から又はより高い高調波の次数で決定される。例えば、２５呼吸／分の呼吸数は、呼吸数のしきい値より上であり、従って、この呼吸数において、ＳｐＯ_２の測定値は、パルス成分の第２高調波より上の周波数から決定される。この例において、脈拍数が６０拍／分である場合、ＳｐＯ_２の測定値は、１８０拍／分の第３及びそれより上の高調波を用いて決定されることができる。

幾つかの実施形態において、脈拍数が増加する又はしきい値より上にある場合、ＳｐＯ_２の測定値は、ＰＰＧ信号におけるパルス成分の第２及びそれより上の高調波成分ではなく、第２高調波より上のパルススペクトルのより高い周波数範囲から又は高調波の次数から決定される。例えば、１２０拍／分（ｂｐｍ）の脈拍数が脈拍数しきい値より上であるので、ＳｐＯ_２の測定値は、パルス成分の第２高調波より上（例えば、第３高調波及びそれより上の高調波）の周波数から決定されてもよい。

幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２を決定するために使用する高次高調波は、被験者の呼吸数及び脈拍数の両方に基づいて決定されてもよい。例えば、パルス成分のどの高次高調波がＳｐＯ_２を決定するために使用されるべきかを決定する際、ＰＰＧ信号における呼吸成分の高調波を考慮することができる。例えば、脈拍数が比較的低い場合、呼吸成分の第２高調波が脈拍数に近いパルス成分の第３又はそれ以上の高調波からＳｐＯ_２の測定値を決定することができる。例えば、脈拍数が５５ｂｐｍであり、呼吸数が２５呼吸／分である場合、呼吸成分の第２高調波は脈拍数に近い。パルス成分の第３高調波（すなわち、１６５ｂｐｍ）は、呼吸成分の第６及び第７高調波（すなわち、夫々１５０呼吸／分及び１７５呼吸／分）によって歪みが少なくなり、高調波の振幅は、通常、高調波の次数の増大に対し減少する。

上記の実施形態を実施するために、装置４又はシステム２は、例えば、脈拍数及び／又は呼吸数のようなバイタルサインを測定するための１つ以上の他のセンサ（そのようなセンサは、夫々“脈拍数センサ”及び“呼吸数センサ”と呼ばれる）をさらに有することができる。例えば、装置４又はシステム２は、心電図（ＥＣＧ）センサ、心弾動図（ＢＣＧ）センサ、抵抗センサ、静電容量センサ、誘導センサ、生体インピーダンスセンサ、空気流センサ、或いは例えば脈拍数及び／又は呼吸数のようなバイタルサインを表す測定信号を供給することができる加速度計を有することができる。これらのセンサは、被験者の上に装着、例えば、ＰＰＧセンサ６と同じ又は同様の身体上の位置に装着されてもよいし、又はこれらのセンサは、被験者の環境、例えば、ベッド内にあってもよい。一方、脈拍数及び／又は呼吸数は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために使用されるＰＰＧセンサ６によって取得されるＰＰＧ信号の一方又は両方から決定されることができる。脈拍数を決定するためのＰＰＧ信号の使用は、当技術分野において十分知られている。さらに、呼吸数は、ＰＰＧ信号、特に胸部に置かれるＰＰＧセンサ６から取得されるＰＰＧ信号をローパスフィルタリングすることによって決定されることができる。

幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２を決定するのに使用する最良の高調波は、被験者の身体上のＰＰＧセンサ６の位置に依存している。例えば、図２及び図３に示された調査データに基づいて、胸骨及び指先で測定されるＰＰＧ信号から取得されるＳｐＯ_２の測定値は、例えば、胸部での測定値は呼吸に起因する胸部の動きによって影響を受けるので、胸部で測定されるＰＰＧ信号よりも差が少ないことを示している。

図４は、一実施形態によるＳｐＯ_２の測定値を決定する例示的な処理を示すブロック図である。この実施形態において、ＳｐＯ_２を決定するのに使用する高次高調波の選択は、例えば脈拍数及び／又は呼吸数のような１つ以上のバイタルサイン、並びに被験者上のＰＰＧセンサの位置に基づいている。従って、ＰＰＧセンサ６からのＰＰＧ信号４２は、高次高調波を選択するために使用される１つ以上のバイタルサインの測定値又は他のパラメタを決定するバイタルサイン測定ブロック４４に入力される。

これら決定されるバイタルサイン又は他のパラメタは、ＰＰＧセンサ６の位置に関する情報４８と一緒にブロック４６に入力される。次いで、ブロック４６は、受信したバイタルサイン又は他のパラメタ及びＰＰＧセンサ６の位置に基づいてＳｐＯ_２を決定するための適切な周波数領域、高次高調波を選択する。

選択された周波数領域、高次高調波を示す情報は、選択された周波数領域又は高次高調波に従って、ＰＰＧ信号４２を用いてＳｐＯ_２の測定値を決定するブロック５０に出力される。幾つかの実施形態において、ブロック５０は、振幅スペクトルにおけるピークを検出することによって、高次高調波成分を“追跡”する。例えば比の比を用いてＳｐＯ_２を決定する標準的な方法では、赤色及び赤外のＰＰＧ信号４２におけるピークを検出及び追跡することができ、これらピークは、ＳｐＯ_２を計算するのに使用される。ＮＣ又はＡＰＢＶに基づく代替の方法では、ＰＰＧ信号の振幅スペクトルにおける高次高調波のピークを追跡して、最適な比を見つけることができる。

代替の手法において、幾つかの実施形態は、高次高調波の周波数を追跡し、各々の高次高調波の複素周波数の値を合計する方法を用いて、高次高調波の振幅から直接ＳｐＯ_２が測定されることを提供する。この手法において、高次高調波は、基本周波数を見つける又は決定し、この基本周波数の整数倍をとって高次高調波に到達することによって、追跡されることができる。このことは、しばしば、例えば１秒毎に繰り返されることができ、これらの高調波の周波数経路を辿ることができる。

基本周波数を検出する方法は幾つかある。例えば、赤外のＰＰＧ信号を分析して、脈拍数の少なくとも２つの期間を持つ赤外のＰＰＧ信号の時間窓の振幅スペクトルにおける第１の有意なピークを見つけることができる。起こり得る最も低い脈拍数が３０ｂｐｍである場合、４秒の窓で十分である。適切な窓関数（例えばハニング窓）を適用した後、フーリエ変換が計算され、対応する振幅スペクトルを算出することができる。脈拍数の起こり得る周波数範囲内における全てのピークを見つけることができる（例えば、脈拍数が３０～１８０ｂｐｍの間にある場合、０．５Ｈｚ～３Ｈｚの間にピークを探すべきである）。この窓内の最大を決定することができ、少なくともこの最大のある特定の割合（例えば、２０％）である第１のピークを識別することができる。この第１のピークが基本周波数である。

以下の例において、第１の有意なピークは、０．６６Ｈｚ(４０ｂｐｍ）に見つけられる。ＳｐＯ_２の測定に１５０～３００ｂｐｍの間の周波数のみが使用される場合、１５０～３００ｂｐｍの間にある基本周波数の高次高調波の振幅が合計される。４０ｂｐｍの基本周波数では、高調波４、５、６及び７はこの範囲内に入る。従って、赤外の振幅スペクトルのこれらの高調波における振幅値が合計される。同じことが赤色のＰＰＧ信号に対しても行われる。同じ時間窓が使用され、振幅スペクトルが計算される。基本周波数は４０ｂｐｍであることを分かっている。従って、赤外のＰＰＧ信号と同じ高調波における振幅値が合計される。赤外及び赤色のＰＰＧ信号の平均振幅は分かっているので、対応するＳｐＯ_２は、上述したように比を用いて計算することができる。

図５は、（基準として指先ベースの測定を使用する）従来の方法に従って指先で取得されるＳｐＯ_２に対する、上記の手法を用いて測定しされるＳｐＯ_２の差を示したものである。図５の上のグラフは、５人の被験者の夫々のＳｐＯ_２の差を周波数に対してプロットし、横軸に脈拍数の第１～第６高調波周波数を示している。ＳｐＯ_２の差は、その特定の周波数におけるパルス成分を用いて測定されるＳｐＯ_２と、従来の方法を用いて指先で測定されるＳｐＯ_２との差を表す。このように、各々の被験者に対する線は、従来の指先ベースの測定とのＳｐＯ_２の差が基本周波数（第１高調波）より上の周波数でどのように変化するかを示している。通常、ＳｐＯ_２は、基本周波数（すなわち、高調波１）における赤色及び赤外のＰＰＧ信号の振幅値の比を用いて測定されるが、図５に示されるように、本明細書に記載される技術に従って、基本周波数よりも高い周波数のパルス成分を代わりに用いて、ＳｐＯ_２の値を取得することができる。

図５の下のグラフは、前記周波数の各々における被験者にわたる前記ＳｐＯ_２の差の標準偏差又は広がり（ＳＴＤＳｐＯ_２と示される）をプロットしている。ＳｐＯ_２を決定するのに最良の高調波は、指先ベースの測定との差が５人の被験者を通して最も少ない場合である。０．３７％の最も少ない広がりは、高調波３．２４（すなわち、３．２４×脈拍数である周波数）であることが分かる。従って、最も近い整数の高調波の次数に対して、前記指先ベースの測定との差は、第３高調波において最も小さく、幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２の測定は、第３高調波におけるパルス成分又は第３．２４高調波におけるパルス成分から計算される比の比に基づいている。ＳｐＯ_２の測定値は、較正されていないので、ＳｐＯ_２の測定値から引かれる必要があるオフセットがあってもよいことが理解される。結果として、基準の指先のセンサからの絶対偏差は、異なる被験者間の偏差よりもあまり重要ではない。

幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２を決定するための高次高調波の分析は、パルス成分の高調波の１つ以上に重み付けを適用することを含む。特定の高調波への重み付けは、その高調波を用いて取得されるＳｐＯ_２の測定値の信頼性を反映している。例えば、図５の下のグラフの例を参照すると、第３高調波及びすぐ近くの周波数でのＳｐＯ_２の測定値は指先ベースの測定値により近いので、これら第３高調波及びすぐ近くの周波数に対しより高い重み付けが使用されるが、第２高調波、及び／又は第４高調波とそれ以上の高調波とに対しより低い重み付けが使用されることができる。幾つかの実施形態において、特定の高調波に適用された重み付けも又は重み付けが代わりに、被験者の１つ以上のバイタルサイン又は他のパラメタに依存することができる。例えば、適切な高次高調波の選択と同じ様に、適用される重み付けは、被験者の脈拍数、呼吸数及び／又は身体上のＰＰＧセンサ６の位置に依存してもよい。この手法は、ＳｐＯ_２を決定するための最適な比を決定するために、高調波の振幅の加重平均が使用されるＮＣ又はＡＢＰＶ方法に使用することができる。

それに加えて又はその代わりに、幾つかの実施形態において、異なる高調波から夫々のＳｐＯ_２の測定値が決定され、これらのＳｐＯ_２の測定値が平均化され、最終的なＳｐＯ_２の測定値を決定する。この平均化は、加重平均でもよく、この場合、ＳｐＯ_２の測定値を決定することは、夫々の高調波を用いて決定されるＳｐＯ_２の測定値に夫々の重みを適用し、この重み付けられたＳｐＯ_２の測定値の加重平均として最終的なＳｐＯ_２の測定値を決定することを含むことができる。特定のＳｐＯ_２の測定値に対する重み付けは、適切な高調波を用いて取得されるＳｐＯ_２の測定値の信頼性を反映することができる。上記のように、特定のＳｐＯ_２の測定値に対する重み付けも又は重み付けが代わりに、被験者の１つ以上のバイタルサイン又は他のパラメタに依存することができる。例えば、適用される重み付けは、被験者の脈拍数、呼吸数及び／又は身体上のＰＰＧセンサ６の位置に依存してもよい。この手法は、ＳｐＯ_２の測定値を決定する標準的な“比の比”の方法と共に使用することができるので、従って、例えば、各々の高調波に対し計算されるＳｐＯ_２の加重平均を取ることができる。

別の手法において、高次高調波の分析は、ある特定の周波数より上の高次高調波のみを考慮するだけである。これは、ＳｐＯ_２の測定値を決定するとき、前記ある特定の周波数より上の全ての高次高調波が考慮されることを除き、前記ある特定の周波数より上の高次高調波の１つ以上の重み付け又は前記加重平均を形成するのと同様の方法で行われることができる。

他の実施形態において、高次高調波の分析は、単一の高次高調波、例えば第３高調波を追跡することを有してもよい。

上記の実施形態において、ＰＰＧ信号はスペクトル（周波数）領域で分析されるのに対し、幾つかの実施形態において、パルス成分の高次高調波の評価は、時間領域でのＰＰＧ信号の分析に適用することができる。特に、ＰＰＧ信号は、基本周波数より上のカットオフ周波数でハイパスフィルタリングされることができる。ハイパスフィルタリングは、ＰＰＧ信号４２の正規化の後に行うことができる。光学密度の比は、例えば、二乗平均平方根（ＲＭＳ）：ＲＭＳ(ハイパスフィルタリングされた赤色)／ＲＭＳ(ハイパスフィルタリングされた赤外）を用いることにより、ハイパスフィルタリングされた赤色及び赤外のＰＰＧ信号から決定することができる。

幾つかの実施形態において、ＳｐＯ_２の測定値を決定する際、ＰＰＧ信号の測定中の被検者の姿勢に関する情報が使用されることができる。被験者の姿勢に関する情報は、被験者によって装着される加速度計からの加速度測定値から導出することができる。ＰＰＧ信号の測定中の被験者の姿勢を考慮に入れることは、決定されるＳｐＯ_２の測定値のロバスト性を高めるために使用される。例えば、ＰＰＧ信号又はＰＰＧ信号の一部が取得されたとき、被験者が特定の姿勢にある場合、ＳｐＯ_２を決定するときに、そのＰＰＧ信号又はＰＰＧ信号のその一部を除外することができる。幾つかの実施形態において、胸部装着型のＰＰＧセンサでは、被験者が横になっているときに取得したＰＰＧ信号は、他の身体姿勢に比べて、ＳｐＯ_２の測定値に偏差をもたらすことが分かっているので、前記特定の姿勢は、被験者が横になっているときである。これは、ＰＰＧセンサと皮膚との接触不良に起因する、又は皮膚のひだに起因するものである。

本明細書に記載される技術は、被験者の胸部に位置決められるＰＰＧセンサ６から取得されるＰＰＧ信号のみ単に適用するのではなく、これら技術は、被験者の如何なる身体部位から取得されるＰＰＧ信号にも適用され得ると理解される。さらに、これら技術は、接触ベースのＰＰＧセンサ（すなわち、透過又は反射ベースのＰＰＧセンサ）を用いて取得されるＰＰＧ信号との使用に限定されるのではなく、カメラを用いて遠隔的に取得されるＰＰＧ信号にも、これら技術が適用されることもできる。

図６のフローチャートは、様々な実施形態による、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するための方法を示す。この方法は、装置４によって、例えば、処理ユニット８によって行われることができる。処理ユニット８は、適切に構成されたコンピュータ可読コードを実行した結果として、前記方法を行うことができる。

ステップ１０１において、被験者に対する第１及び第２のＰＰＧ信号が受信される。第１のＰＰＧ信号は、第１の波長の光に関するか又は第１の波長の光の測定値を含み、第２のＰＰＧ信号は、第２の波長の光に関するか又は第２の波長の光の測定値を含む。幾つかの実施形態において、第１の波長の光は、（例えば、６６０ｎｍの波長を持つ）赤色光とすることができ、第２の波長の光は、（例えば、９４０ｎｍの波長を持つ）赤外光とすることができる、又はその反対とすることもできる。第１及び第２のＰＰＧ信号は、同じ時間期間に関する。幾つかの実施形態において、例えば、被験者の身体の異なる部分上にあるＰＰＧセンサから、各々の波長に対する多重のＰＰＧ信号が受信されることができ、第１及び第２のＰＰＧ信号のこれらの組は、前記方法の後続するステップに従って処理される。

ＰＰＧ信号を生成するＰＰＧセンサ６は、透過又は反射ベースの測定技術を用いてＰＰＧ信号を取得する接触ベースのＰＰＧセンサでもよい。或いは、ＰＰＧ信号を生成するＰＰＧセンサ６は、被験者の皮膚との直接の接触を必要とすることなくＰＰＧ信号を取得する遠隔のＰＰＧセンサ（例えば、１つ以上のカメラ）でもよい。

幾つかの実施形態において、ステップ１０１は、ＰＰＧ信号が生成されると、ＰＰＧセンサ６からＰＰＧ信号を直接受信するステップを有する。これらの実施形態は、ＳｐＯ_２の測定値をリアルタイムで決定することを可能にする。他の実施形態において、ＰＰＧ信号は、メモリユニット１０に記憶されることができ、ステップ１０１が、そのメモリユニット１０からＰＰＧ信号を取り出すステップを有する。

ＰＰＧ信号は、被験者の脈拍／血液量の経時的な変化に関するパルス成分を含む。ＰＰＧ信号は、ノイズ及び／又は（呼吸による動きを含む）動きアーチファクトに起因する信号成分も含むことがある。ＰＰＧ信号のパルス成分は、ＰＰＧ信号の高調波列であり、脈拍数は、この高調波列の基本周波数（第１高調波）である。従って、パルス成分は、脈拍数の信号成分と、高次高調波、すなわちその脈拍数より上の周波数の信号成分とを含む。

次に、ステップ１０３において、第１及び第２のＰＰＧ信号の測定中に生じる被験者の脈拍数が決定される。脈拍数は、第１及び第２のＰＰＧ信号の後続する処理において、基本周波数（第１の高調波）とみなされる。ステップ１０３は、被験者の脈拍数を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号の一方又は両方を処理するステップを有する。ＰＰＧ信号から脈拍数を決定するための技術は、当技術分野で知られており、これら技術は、本明細書においてさらに説明しない。代替の実施形態において、脈拍数は、異なるセンサ、例えば、加速度計、ＥＣＧセンサ、ＢＣＧセンサ等による測定値から決定することができる。この場合、装置４又は処理ユニット８は、これら異なるセンサから信号（第１及び第２のＰＰＧ信号と同じ又は同様の時間に測定される信号）を受信し、心拍数を決定するために、脈拍数を示すその信号を処理することができる。

ステップ１０３において脈拍数が決定されると、ステップ１０５において、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号が処理される。特に、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するために、基本周波数（脈拍数）よりも高い周波数における第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高調波が処理される。

ステップ１０５は、基本周波数よりも高い、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の１つ以上の高調波から導出される光学密度の比からＳｐＯ_２の測定値を決定するステップを有する。すなわち、ステップ１０５において、ＳｐＯ_２の測定値は、基本周波数よりも高い周波数における第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の高調波を用いて決定され、ＳｐＯ_２の測定値を決定するとき、基本周波数及び基本周波数より下のＰＰＧ信号のパルス成分は無視される又は省かれる。

幾つかの実施形態において、ステップ１０５は、第１のＰＰＧ信号を処理して、第１のＰＰＧ信号の非拍動成分（ＤＣ_１）によって正規化された第１のＰＰＧ信号の拍動成分（ＡＣ_１）の高次高調波と、第２のＰＰＧ信号の非拍動成分（ＤＣ_２）によって正規化された第２のＰＰＧ信号の拍動成分（ＡＣ_２）の高次高調波と決定するステップを有する。上記の式（１）に従って、これらの正規化された高次高調波の拍動成分の比からＳｐＯ_２の測定値を決定することができる。

代替の実施形態において、ステップ１０５は、基本周波数よりも高い周波数における第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の高次高調波の振幅からＳｐＯ_２の測定値を決定するステップを有する。

ＳｐＯ_２の測定値が決定されると、そのＳｐＯ_２の測定値は、装置４によって出力されることができる。例えば、ＳｐＯ_２の測定値は、装置４のユーザ、例えば、被験者自身又は被験者の医師若しくは他の介護提供者に表示されることができる。それに加えて又はその代わりに、ＳｐＯ_２の測定値を被験者の患者記録に記憶している別の装置、例えばサーバ又はコンピュータにＳｐＯ_２の測定値が送信される又は別の方法で提供されてもよい。

幾つかの実施形態において、ステップ１０５は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号の高次高調波を時間領域で処理するステップを有する。他の実施形態において、ステップ１０５は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号の高次高調波を周波数領域で処理するステップを有する。

幾つかの実施形態において、ステップ１０５は、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の高次高調波に重み付けを適用するステップを有する。次いで、これら重み付けられた高次高調波からＳｐＯ_２の測定値が決定される。高次高調波に異なる重み付けを適用することは、特定の高調波が結果生じるＳｐＯ_２の測定値に与える影響を増やす又は減らすことができる。幾つかの実施形態において、パルス成分の夫々の高次高調波に適用される重み付けは、被験者の１つ以上のバイタルサイン又は他のパラメタ、例えば、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサ６の位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値に基づくことができる。これらの実施形態において、装置４又はシステム２は、これらのバイタルサイン又はパラメタを測定するための１つ以上の追加のセンサを含むことができる。

幾つかの実施形態、例えば、ＳｐＯ_２を決定するために、ＡＰＢＶ方法を使用する実施形態において、ステップ１０１において、さらなる波長の光のための、少なくとも第３のＰＰＧ信号が受信され、ステップ１０５において、被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号と一緒に処理される。

代替の実施形態において、ステップ１０５は、基本周波数よりも高い１つ以上の高調波に対応する第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の高調波を選択するステップを有する。次いで、第１及び第２のＰＰＧ信号のパルス成分の選択された高調波から、ＳｐＯ_２の測定値が決定される。幾つかの実施形態において、高次高調波の選択は、被験者の１つ以上のバイタルサイン又は他のパラメタ、例えば、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサ６の位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値に基づくことができる。これらの実施形態において、装置４又はシステム２は、これらのバイタルサイン又はパラメタを測定するための１つ以上の追加のセンサを含むことができる。

幾つかの実施形態において、特に、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、ＰＰＧ信号が時間領域で処理される場合、ステップ１０５は、ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、第１及び第２のＰＰＧ信号をハイパスフィルタリングし、これらハイパスフィルタリングされたＰＰＧ信号を処理するステップを有する。ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、基本周波数（脈拍数）より上である。幾つかの実施形態において、前記カットオフ周波数は、パルス成分の低次高調波より上（例えば、第２高調波より上又は第３高調波より上）にすることができる。幾つかの実施形態において、前記カットオフ周波数の値は、被験者の１つ以上のバイタルサイン又は他のパラメタ、例えば、被験者の呼吸数、被験者の脈拍数、被験者の上又は被験者に対するＰＰＧセンサ６の位置、並びに被験者の動き及び／又は姿勢の測定値に基づいて設定されることができる。これらの実施形態において、装置４又はシステム２は、これらのバイタルサイン又はパラメタを測定するための１つ以上の追加のセンサを含むことができる。

従って、従来の技術を用いて決定されるＳｐＯ_２の測定値と比較すると、信頼性を改善した被験者のＳｐＯ_２の測定値を供給する方法及び装置が提供される。特に、明細書に記載される技術を用いて、胸部又は他の胴体中央部分から取得されるＰＰＧ信号から決定されるＳｐＯ_２の測定値の信頼性は、従来の処理技術を用いて指先から取得されるＳｐＯ_２の測定値の信頼性に近づくことができる。

開示される実施形態に対する変形は、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、本明細書に記載される原理及び技術を実施する際に当業者によって理解及び実施されることができる。請求項において、“有する”という用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、複数あることを述べていないことが、それが複数あることを排除するものではない。単一の処理器又は他のユニットが、特許請求の範囲に列挙される幾つかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されてい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示すものではない。コンピュータプログラムは、例えば、他のハードウェアと一緒に又はその一部として提供される光記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体上に記憶又は配布されてもよいが、例えば、インターネット又は他の有線若しくは無線の電気通信システムのような他の形態で配布されてもよい。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims

被験者の動脈血酸素化（ＳｐＯ_２）の測定値を決定するためのコンピュータ実施方法であって、前記方法は、
前記被験者の第１及び第２のフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）信号を受信するステップであって、ここで、前記第１のＰＰＧ信号は、第１の波長の光を用いて取得され、前記第２のＰＰＧ信号は、第２の波長の光を用いて取得され、前記第１及び第２のＰＰＧ信号は、前記被験者の血液量の経時的な変化に関するパルス成分を有する、ステップ、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の測定中に生じる前記被験者の脈拍数に対応する基本周波数を決定するステップ、並びに
前記基本周波数よりも高い周波数における、前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理するステップであり、前記処理するステップは、前記パルス成分の基本周波数を除外した、前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の前記処理された１つ以上の高次高調波に基づいて前記被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定する、ステップ
を有する、方法。
前記処理するステップは、
前記１つ以上の高次高調波に夫々の重み付けを適用するステップ、及び
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記重み付けられた高次高調波を処理するステップ
を有する、請求項１に記載の方法。
前記処理するステップは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の１つ以上の高次高調波を選択するステップ、並びに
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記選択された１つ以上の高次高調波を処理するステップ
を有する、請求項１に記載の方法。
前記処理するステップは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号を、前記基本周波数より上のカットオフ周波数でハイパスフィルタリングするステップ、並びに
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号を処理するステップ
を有する、請求項１に記載の方法。
前記夫々の重み付けは、前記被験者の呼吸数、前記被験者の脈拍数、前記被験者の上又は前記被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに前記被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいている、請求項２に記載の方法。
前記１つ以上の高次高調波を処理するステップは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の１つ以上の高次高調波から導出される光学密度の比から前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するステップ
を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
前記１つ以上の高次高調波を処理するステップは、
前記１つ以上の高次高調波の振幅から前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するステップ
を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
コンピュータ可読コードを具現化したコンピュータ可読媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ可読コードは、適切なコンピュータ又は処理器による実行時に、前記コンピュータ又は処理器に、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法を行わせるように構成される、コンピュータプログラム製品。
被験者の動脈血酸素化（ＳｐＯ_２）の測定値を決定するための装置であって、前記装置は、
前記被験者の第１及び第２のフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）信号を受信し、ここで、前記第１のＰＰＧ信号は、第１の波長の組の光を用いて取得され、前記第２のＰＰＧ信号は、第２の波長の組の光を用いて取得され、前記第１及び第２のＰＰＧ信号は、前記被験者の血液量の経時的な変化に関するパルス成分を有する、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の測定中に生じる前記被験者の脈拍数に対応する基本周波数を決定する、並びに
前記基本周波数よりも高い周波数において、前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の１つ以上の高次高調波を処理し、前記パルス成分の基本周波数を除外した、前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の前記処理された１つ以上の高次高調波に基づいて、前記被験者のＳｐＯ_２の測定値を決定する
するように構成される処理ユニットを有する、装置。
前記処理ユニットは、
前記１つ以上の高次高調波に夫々の重み付けを適用する、及び
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記重み付けた高次高調波を処理する
ことによって、前記１つ以上の高次高調波を処理するように構成される、請求項９に記載の装置。
前記処理ユニットは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記パルス成分の１つ以上の高次高調波を選択する、並びに
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記選択された１つ以上の高次高調波を処理する
ことによって、前記１つ以上の高次高調波を処理するように構成される、請求項９に記載の装置。
前記処理ユニットは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号を、前記基本周波数より上のカットオフ周波数でハイパスフィルタリングする、並びに
前記ＳｐＯ_２の測定値を決定するために、前記ハイパスフィルタリングされた第１及び第２のＰＰＧ信号を処理する
ことによって、前記１つ以上の高次高調波を処理するように構成される、請求項９に記載の装置。
前記夫々の重み付けは、前記被験者の呼吸数、前記被験者の脈拍数、前記被験者の上又は前記被験者に対するＰＰＧセンサの位置、並びに前記被験者の動き及び／又は姿勢の測定値の１つ以上に基づいている、請求項１０に記載の装置。
前記処理ユニットは、
前記第１及び第２のＰＰＧ信号の前記１つ以上の高次高調波から導出される光学密度の比から前記ＳｐＯ_２の測定値を決定する
ことによって、前記１つ以上の高次高調波を処理するように構成される請求項９乃至１３の何れか一項に記載の装置。
前記処理ユニットは、
前記１つ以上の高次高調波の振幅から前記ＳｐＯ_２の測定値を決定する
ことによって、前記１つ以上の高次高調波を処理するように構成される、請求項９乃至１３の何れか一項に記載の装置。