JPH01259840A

JPH01259840A - 増幅器入力の暗電流を修正する血液監視装置及び方法

Info

Publication number: JPH01259840A
Application number: JP63305841A
Authority: JP
Inventors: Alan D Martin; アレン　ディー　マーティン
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1989-10-17
Also published as: EP0319159A1; US4781195A; CA1324187C

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、生物の血液のパラメータを監視するための装
置及び方法に係る。

従来の技術血液中の成る成分は、血液が種々の波長の光をどの程度
吸収するかに影響を及ぼす０例えば。

血液中の酸素はヘモグロビンと結合して酸素ヘモグロビ
ンを形成する。酸素ヘモグロビンは、赤色領域の光より
も赤外線領域の光を強力に吸収し。

一方、ヘモグロビンはその逆の特性を示す。それ故、酸
素ヘモグロビンの濃度が高く且つヘモグロビンの濃度が
低い高酸索斌の血液は、赤色領域における光透過度と赤
外線領域における光透過度との比が島い傾向となる。赤
色波長と赤外線波長とにおける血液の光透過度の比は、
酸素飽和度の尺度として用いることができる。

これまで、この原理は、酸素計において、生物、例えば
、外科手術を受けている患者の身体の血液中の酸素飽和
度を監視するのに利用されている。米国特許第４，４０
７，２９０号に開示されたように、この目的に用いる酸
素計は、赤色及び赤外線の発光ダイオードと、光検出器
とを備えている。これらの発光ダイオード及び光検出器
は。

典型的に、耳たぶや指先のような身体部位に取り付ける
ように構成されたプローブに組み込まれ。

発光ダイオードからの光が身体部位を通して光検出器へ
送られるようになっている。赤色及び赤外線の発光ダイ
オードは、脈拍周波数よりも遥かに高いスイッチング周
波数で交互にオン及びオフを繰り返すようにスイッチン
グされる。光検出器によって発生された信号は、人体部
位を透過する赤色の光及び赤外線の光を表わす交互の部
分を含んでいる。これらの交互の部分は増幅され、そし
て赤色／赤外線のスイッチング動作と同期して作動する
サンプリング装置によって分離され、人体部位の赤色光
透過及び赤外光透過を表わす別々のチャンネルに別々の
信号を発生する。これらの別々の信号は、ローパスフィ
ルタに通されて、上記スイッチング周波数又はそれ以上
の信号成分が除去された後、その特定の波長対時間にお
ける身体部位の光透過度の座標点を表わす。

身体部位における血液の意は、身体における血液の脈拍
流と共に変化するので、上記の各々の信号は、血液によ
る光吸収のみによって生じて身体の脈拍周波数即ち心拍
数で変化する交流成分を含んでいる。又、このような各
信号は、その他の吸収１例えば、身体部位の血液以外の
組織による吸収に関連した不変成分即ち直流成分も含ん
でいる。上記の米国特許第４，４０７，２９０号に開示
されたような公知の数学式によれば、血液中の酸素飽和
度は、これら信号の交流及び直流成分の大きさから導出
することができる。

又、前記特許に開示されたように、その同じ一般的な構
成を用いて、酸素以外の血液の成分。

例えば、二酸化炭素、−酸化炭素（カルボキシヘモグロ
ビンのような）及び／又は血糖を監視することができる
。但し、これらの他の成分が血液の光学特性に成る程度
の影響を及ぼす場合に限る。

又、患者の脈拍に関する情報を交流信号成分から得るこ
とができる。ここで用いるｒ血液のパラメータ」という
用語は、何等かの成分のレベルを含むと共に、心拍数及
び脈拍の有無のような脈拍に関連したパラメータも含む
ものとする。

この形式の測定装置及び方法は、医療の分野で広く利用
されている。然し乍ら、このような装置及び方法は、光
検出器に入射する周囲光線によって障害を受けている。

この装置には、周囲光線により生じた成分を打ち消すた
めの回路が設けられている。これらの回路は１両方の発
光ダイオードがオフであるときに光検出器に入射する全
ての光が周囲光線となるようなインターバル中の増幅さ
れた光検出器信号を表わす「暗電流」信号を得るように
動作する。この暗電流値を使用して、赤外線及び赤色光
線を表わす信号の周囲光線成分を打ち消すことができる
。

発明が解決しようとする′ａ題この解決策は、周囲光線による障害の問題に対して部分
的な解決しか与えない。光検出器に入射する周囲光線は
、患者の身体を透過する光よりも遥かに強い、従って、
周囲光線によって生じた光検出器信号の成分は、身体部
位を透過した光を表わす有用な光検出器信号よりも遥か
に大きなものとなる０周囲光線成分は、一般に前置増幅
器と称されているシステムの第１増幅鼎に過負荷をかけ
る。このような過負荷を避けるために、これまで前置増
幅器の利得が制限されている。前置増幅器で得られる利
得がこのように制限されると、装置全体の感度が失われ
、イｄ号の種々の部分を増幅するのに用いられる後続段
においてより高い利得を必要とすることになる。

これまで用いられている従来型の前置増幅器は、反転及
び非反転入力ノードと出力ノードとを有する演算増幅器
を組み込んでいる。非反転入力ノードはアースされる。

光検出器の信号、典型的には、光電流モードで動作する
ホトダイオードからの電流は、演算増幅器の反転入力ノ
ードに接続される０反転入力ノードと出力ノードとの間
にはフィードバック抵抗器が接続される。この「トラン
スレジスタンス」増幅構成においては、演算増幅器が反
転入力ノードの電圧とは逆の方向の電圧を出力ノードに
発生する。この逆の方向の電圧により、光検出器により
送られた電流とは逆の方向の電流がフィードバック抵抗
器に通される。前置増幅器は、反転入力ノードからフィ
ードバック抵抗器を通して流れる電流が光検出器から反
転入力ノードに向かって流れる電流と正確にバランスが
とれたときに平衡状態に至る。入ってくる信号に対する
出力ノード電圧の比即ち利得は、フィードバック抵抗器
の値に比例する。フィードバック抵抗器の値が大きいほ
ど、バランスをとらねばならない出力ノードの逆向きの
電圧が大きくなる。

これまで用いられている典型的な晴電流打ち消し回路に
おいては、前置増幅器の出力ノードがキャパシタの第１
の側に接続され、一方、キャパシタの第２の側が下流の
信号処理装置に接続される。キャパシタの第２の側とア
ースとの間には制御可能なスイッチが接続される。この
スイッチは。

発光ダイオードがオフであるときにのみ、即ち暗インタ
ーバル中にのみ閉じられる。各暗インターバルの間には
、前置増幅器の出力ノードの電圧が周囲光線によって生
じた成分しか表わさない。キャパシタの第２の側がアー
スされた状態では、キャパシタのまたがる電圧がこの電
圧に等しくなるまでキャパシタの電荷が蓄積する。暗イ
ンターバルが終了するときには、スイッチが開かれ、充
電されたキャパシタが増幅器の出力ノードとその下流の
信号処理装置との間に接続されたまへとなる。

それ故、信号処理装置に印加される電圧は、キャパシタ
の電圧だけ低い前置増幅器の出力電圧、ひいては１周囲
光線によって生じた電圧成分だけ低い前置増幅器の出力
電圧となる。次々の暗インターバル間での周囲光線レベ
ルの変化が比較的小さい限り、この構成体は、理論的に
は１周囲光線によって生じた信号成分の良好な打ち消し
を与える。

然し乍ら、この構成で与えられる暗電流の打ち消しは、
前置増幅器の過負荷の問題を軽減するものではない。従
って、演算増幅器は、依然として、フィードバック抵抗
器に流れる電流が入力ノードに送られた信号の有用な成
分及び周囲光線成分と完全にバランスするに充分な電圧
を出力ノードに発生しなければならない。フィードバッ
ク抵抗器の値、ひいては、前置増幅器の利得は、演算増
幅器の容量を越えないように制限されねばならない。更
に、演算増幅器は、著しい容量性の負荷に直結される。

特定の演算増幅器の設計にもよるが、容量性負荷は演算
増幅器に不安定性を招く。

そこで、血液パラメータ測定装置、特に、そこに用いら
れる周囲光線打ち消し構成体に更に改良を加えることが
要望される。

課題を解決するための手段本発明の１つの特徴は、前置増幅器又は第１増幅段の上
流で暗電流を修正することにより、周囲光線により生じ
る問題を実質的に軽減できるようにしたことである。本
発明のこの特徴による好ましい装置及び方法においては
、周囲光線により生じた光検出器信号の成分に対して実
質的に大きさが等しく然も方向が逆である修正信号が前
置増幅器の入力ノードに送られる。この修正信号は、入
力ノードに送られるので、周囲光線成分が前置増幅器に
対して影響を及ぼす前に光検出器信号の周囲光線成分と
効果的に反作用する。それ故、周囲光線により生じた光
検出器信号の成分が前置増幅器に過負荷をもたらすこと
はない。同じ理由で、このような過負荷を避けるために
前置増幅器の利得を制限する必要はない、従って１本発
明のこの特徴により、身体部位の血液パラメータを監視
するための改良された装置及び方法が提供される。

本発明のこの特徴による装置は、入射する光線を検出し
てその光線斌に関連した光検出器出力信号を発生するた
めの光検出器手段を備えているのが好ましい。又、本発
明の装置は、入力ノードを有していてこの入力ノードに
送られる信号に関連した増幅された信号を発生するため
の前置増幅器手段を備えているのが好ましい。入力ノー
ドは、光検出器出力信号を受け取るために上記光検出器
手段に接続される。光を放射してこの放射された光を身
体部位に向けるための発光手段も設けられており、身体
部位を貫通した放射光線が上記光検出器手段に当たるよ
うにするのが好ましい。上記発光手段の動作を周期的に
中断して暗インターバルを形成するためのタイミング手
段が設けられている。従って、各暗インターバルの間に
、光検出器の出力信号は、光検出器手段に入射する周囲
光線を表わす暗インターバルの光検出器出力信号となる
。手前の暗インターバル中に存在する暗インターバル光
検出器出力信号と大きさが実質的に等しく且つ符号が逆
である修正信号を前置増幅器手段の入力ノードに加える
ための修正手段が設けられている。従って、暗インター
バル間の時間周期中に、発光手段が作動している間に、
入力ノードに送られる正味信号は、修正信号だけ低い光
検出器信号となる。実際に、周囲信号成分は、光検出器
信号が前ｌξ増幅器の六カノードヘ通される前に。

光検出器信号から差し引かれる。前置増幅器手段への入
力信号は、光検出器手段に対する周囲光線の影響に対し
て既に実質的に修正されているので、前置増幅器手段か
らの増幅された信号は１周囲光線の影響に対して実質的
に修正されたものとなる。

上記修正手段は、前置増幅手段からの増幅された信号を
監視することによって各暗インターバル中に存在する光
検出器出力信号を決定する手段を備えているのが好まし
い、従って、修正手段は、各暗インターバル中に修正信
号を供給し、上記増幅された信号がゼロになるまで暗イ
ンターバル中に修正信号を調整し、そしてこの調整によ
って確立された値に修正信号を次の暗インターバルまで
維持するためのフィードバックループ手段を備えている
。従って、修正手段は、各暗インターバル中に上記増幅
された信号を積分するための手段と、最後の手前の暗イ
ンターバル中に蓄積された上記積分され増幅された信号
に応答して、暗インターバル間の時間中に修正信号を発
生する手段とを備えている。典型的に、上記光検出器手
段は、上記光検出器出力信号を光検出器電流として発生
するように構成され、この電流の大きさが上記光検出器
手段に入射する光の量に直接関係するようにされる。従
って、修正手段は１手前の最後の暗インターバル中に存
在する光検出器電流に実質的に等しいが方向が逆である
電流として修正信号を前置増幅器の入力ノードに供給す
る手段を備えている。

又、本発明は、生物の血液のパラメータを監視する方法
も提供する０本発明のこの特徴による好ましい方法は、
装置について上記した機能と同様の段階を備えている０
本発明のこの特徴による好ましい方法においては、光検
出器の出力信号。

即ち電流が各暗インターバル中に決定され、そしてそれ
に対応するが逆向きである修正信号、即ち電流が次に続
く晴インターバルまで前置増幅器手段の入力ノードに供
給される０本発明のこの特徴による方法は、装置で達成
されるものと同様の効果を奏する。

実施例本発明のこれら及び他の目的、特徴、及び効果は、添付
図面を参照した以下の好ましい実施例の詳細な説明より
明らかとなろう。

本発明の１つの実施例による装置はプローブ１０を備え
ており、これは、指１４のような身体部位に取り付ける
ように構成されたクリップ１２に含んでいる。又、プロ
ーブは、クリップ１２に取り付けられた赤色の発光ダイ
オード１６及び赤外線発光ダイオード１８と、これも又
クリップ１２に取り付けられた光検出器即ちホトダイオ
ード２０とを備えている。発光ダイオード即ちｒＬＥＤ
」と、ホトダイオードは、ＬＥＤによって放射された光
が指１４を貫通してホトダイオードに当たるように配置
される。赤色Ｌ　Ｅ　Ｄのドライブ２２と、赤外線即ち
ｒＩＲＪＬＥＤのドライブ２４が各々ＬＥＤ１６及び１
８に接続されている。タイミングユニット２６は、暗イ
ンターバルを間に挟んだ所定の交互のシーケンスに基づ
いて、Ｌ　ＥＤドライブ２２及び２４、ひいては、ＬＥ
Ｄ１６及び１８を駆動するように構成される。各々の暗
インターバル中には、タイミングユニット２６は。

ＬＥＤドライブ、ひいては、両方のＬＥＤを不作動にす
る。従って、ＬＥＤドライブ及びＬＥＤは交互に赤色及
び赤外線の光を発生し、一方、タイミングユニットは、
この光を周期的に中断し、暗インターバルを形成する。

ホトダイオード即ち光検出器２０は、アースされた基準
ノード３０と、出力ノード３２とを有している。前端増
幅器即ち前置増幅手段３４も設けられている。前置増幅
手段３４は、演算増幅器３６を含んでおり、これは、反
転入力ノード３８と、出力ノード４０と、アースされた
非反転入力ノード４２とを有している。ノード３８は、
増幅器３６がノード３８の電圧とは逆向きの電圧を出力
ノード４０に発生するという意味で「反転」ノードであ
る。この反転ノード３８と出力ノード４０との間にはフ
ィードバック抵抗４４が接続されている。光検出器の出
力ノード３２は、演算増幅器３６の反転入力ノード３８
に接続されている。

前置増幅器の出力ノード４０は、サンプリングスイッチ
４６に接続され、次いで、該スイッチは、赤色信号処理
チャンネル４８及びＩＲ信号処理チャンネル５０に接続
されている。サンプリングスイッチ４６は、Ｉ、　Ｅ　
Ｄ　ｌ　６及び１８からの所定シーケンスの赤色及び赤
外線放射と同期して作動するようにタイミングユニット
２６によって制御される。従って、スイッチ４６は、前
置増幅器の出力ノード４０において増幅器の出力信号を
サンプリングし、一連のサンプルを各信号処理チャンネ
ルに供給する。ＬＥＤ１６が赤色の光を発生する間には
、前置増幅器３４から得られた増幅された信号がスイッ
チ４６を通して赤色の光線の信号処理チャンネル４８へ
送られる。これに対し。

赤外線光線がダイオード１８によって放射されるときに
は、増幅された信号がＩＲ信号処理チャンネル５０へ送
られる。暗インターバル中に、いずれの発光ダイオード
も不作動である間に、増幅された出力信号はいずれの信
号処理チャンネルにも送られない。

各々の信号処理チャンネル４８及び５０は、スイッチ４
６を経て送られた周期的な信号サンプルを実質的に連続
的な平滑された信号に変換し、スイッチングプロセス自
体によって生じるスプリアス成分を除去し、そして平滑
された信号の交流及び直流成分を決定するための一般的
に従来型の素子を含んでいる。例えば、各信号処理チャ
ンネルは、スイッチ４６に入力が接続された第１の口−
パスフィルタを含んでいる。この第１のローパスフィル
タは、典型的に、上のカットオフ周波数が約１０Ｈｚで
あり、この周波数より上の信号を減衰するように構成さ
れる。この第１０−バスフイルタの出力は、第１のアナ
ログ／デジタルコンバータに直結されると共に、バイパ
スフィルタの入力にも接続される。このバイパスフィル
タは、約０．５Ｈｚより低い信号を減衰するように構成
される。バイパスフィルタの出力は、信号処理チャンネ
ル内の増幅器の入力に接続され、この増幅器の出力は、
」二のカットオフ周波数が約１０Ｈｚの更に別のローパ
スフィルタに接続される。この更に別のローパスフィル
タの出力は、サンプル／ホールドユニットの入力に接続
され、そしてこのサンプル／ホールドユニットの出力は
、第２のアナログ／デジタルコンバータに接続される。

マイクロプロセッサ５２は、両方の信号処理チャンネル
４８及び５０に接続され、マイクロプロセッサは、各チ
ャンネルの第１及び第２のアナログ／デジタルコンバー
タからのデジタル値を受け取るように構成される。又、
マイクロプロセッサは、デイスプレィユニット５４にも
接続される。

前置増幅器手段３４の出力ノード４０は、積分器スイッ
チ５６の入力側にも接続されている。

このスイッチ５６はタイミングユニット２６によって制
御される。積分器スイッチ５６の出力側は積分器入力抵
抗器５８を経て積分器６２の入力ツードロ０に接続され
る。この積分器は、積分演算増幅器６４を備えており、
その反転入力は積分器六カノードに接続され、その非反
転入力ノードはアースされ、そしてその出力は積分器の
出力ツードロ６に接続される。又、積分器は、積分器入
力ツードロ０と積分器出力ツードロ６との間に接続され
たキャパシタ６８を備えている６積分器６２は、ノード
６０に印加された電圧の積分値に直接関連した電圧をノ
ード６６に発生するように構成される。

インバータ手段６８は、反転入力ツードア２、アースさ
れた非反転入力ノード、及び出力ツードア４を有する演
算増幅器７０を備えている。インバータの入力ツードア
２は、インバータ入力抵抗７６を経て積分器６２の出力
ツードロ６に接続され、インバータ入力ツードア２とイ
ンバータ出力ツードア４との間にはインバータフィード
バック抵抗器７８が接続されている。インバータ出力ツ
ードア４は、比例抵抗器８０を経て前置増幅手段３４の
入力ノード３８に接続されている。

作動に際し、タイミングユニット２６は、ＬＥＤドライ
ブ２２及び２４とＬＥＤ１６及び１８を交互に作動し、
ＬＥＤ及びＬＥＤドライブの動作を周期的に中断させ、
いずれのＬＥＤも発光しない暗インターバルを形成する
。このような各暗インターバル中に、タイミングユニッ
ト２６は、スイッチ５６を閉じ、前置増幅器手段の出力
ノード４０を抵抗５８を経て積分器の入力ツードロ０に
接続させる。暗インターバル中には、周囲光線のみがホ
トダイオード２０に入射する。ホトダイオード２０によ
って生じる電流は、ホトダイオードに入射する光の斌に
直接関係しているので、このときにホトダイオードの出
力ノード３２から流れ出す電流は、周囲光線の量に直接
関係したものとなる。前置増幅器手段の入力ノード３８
に到達するホトダイオードからの電流は、演算増幅器３
６が前置増幅器出力ノード４０の電圧を負の方向に揺動
するようにさせる。この負の電圧は積分器６２の入力ツ
ードロ０に送られ、これにより、積分器６２は、積分器
の出力ツードロ６に正の電圧を発生するようにさせる。

入力ツードロ６におけるこの正の電圧は次第に大きさが
増し、一方、前置増幅器の出力ノード４０の電圧は、ア
ースに対して負になる。

インバータ手段６８は、積分器の出力ツードロ６におけ
る正の電圧に応答してアースに対して負の電圧を出力ツ
ードア４に発生する。出力ツードア４の負の電圧は、積
分器の出力ツードロ６の正の電圧に正比例する。従って
、ノード７４の負の電圧は次第に増加し、一方、前置増
幅器の出力ノード４０の電圧は負に保たれる。従って、
ノード７４に向かって、ひいては、前置増幅器の入力ノ
ード；３８から離れるように流れる電流が次第に増加す
る。この次第に増加する電流は、光検出器から重置増幅
器の入力ノードに向かって流れる電流と反作用する傾向
になる。

換言すれば、抵抗器８０を通る岐路に修正電流が加えら
れ、この修正電流の方向は光検出器２０からの暗電流の
方向と逆になる。光検出器２０からの暗電流が修正電流
を越える限り、前置増幅手段３４の出力ノード４０は負
となり、ひいては、６６に現われる積分器の出力電圧が
負となり、インバータの出力ツードア４の負電圧の大き
さ及び抵抗器８０に流れる修正電流の大きさは増大し続
ける。然し乍ら、修正電流の大きさがダイオード２０か
らの暗電流の大きさに等しいときには、前置増幅手段の
入力ノード３８に流れ込む電流は全くない。従って、前
置増幅手段の出力ノード４０の電圧、ひいては、積分器
入力ツードロ０の電圧は、ゼロ即ちアース電位となる。

従って、ノード６６に呪われる積分器の出力電圧は、安
定化して不変となり、これはノード７４の負電圧、ひい
ては、抵抗器８０の修正電流についても同様である。

従って、システムは、抵抗器８０に流れる修正電流がダ
イオード２０からの暗電流に等しくなったときに平衡状
態に達する。部品の値は、システムが暗インターバルが
終る前に実質的に平衡状態になるように選択される。

暗インターバルの終了する前であって、修正電流が実質
的に平衡状態に達した後に、タイミングユニット２６は
スイッチ５６を開くように動作し、ひいては、積分器６
２の入力ツードロ０を切り離す。スイッチ５６が開きそ
して積分器の入力が切り離されると、積分器の出力は実
質的に一定に保たれ、インバータの出力及び抵抗器８０
の修正電流も実質的に一定に保たれる。この状態は、次
の暗インターバルまで続き、その際に、タイミングユニ
ット２６はスイッチ５６を再び閉じ、同じ作動サイクル
が繰り返されて、修正電流がリセットされる。それ故、
暗インターバルと暗インターバルの間に、システムは、
その直前の暗インターバル中に存在した光検出器出力電
流に実質的に大きさが等しく且つ方向が逆の修正電流を
抵抗器８０に供給する。

暗インターバルと暗インターバルの間に、タイミングユ
ニット２６は、赤色光線及び赤外光線の交互のバースト
を放出するようにＬＥＤドライブ、ひいては、ＬＥＤ１
６及び１８を作動する。

１、、　Ｆ　Ｄからの光線の若干が患者の身体部位、即
ち指先１４を透過してホトダイオード２０へ送られる。

従って、各光線バースト中にホトダイオード２０から発
生される信号は、周囲光線による成分と、透過した光線
により生じた成分とを含んでいる。ホトダイオードに入
射する周囲光線の斌がゆっくりと変化すると仮定すれば
、ホトダイオードに入射する周囲光線の量は、暗インタ
ーバルと暗インターバルとの間の比較的短い時間中に実
質的に一定となる。それ故、暗インターバルと晴インタ
ーバルとの間の時間中の任意の時間における光検出器出
力信号の周囲光線成分は、その手前の暗インターバル中
の周囲光線成分と実質的に等しくなり、ひいては、抵抗
器８０を経て送られる修正電流と大きさが同じで方向が
逆となる。この修正電流は１周囲光線によって生じたホ
トダイオード電流の成分を実質的に打ち消す、前置増幅
器の入力ノード３８への正味電流は、ＬＥＤから送られ
る光によって生じた信号成分と実質的に等しくなる。従
って、ノード４０に現われる前置増幅器の出力電圧は、
信号成分のみを実質的に表わし、ひいては、発光したい
ずれかのＬ　Ｅ　Ｄから身体部位を透過した光のみを表
わすことになる。

タイミング手段２６は、スイッチ４６を作動して前置増
幅器の出力ノード４０からの出力電圧即ち信号を適当な
（１号処理チャンネルに案内し、即ち、赤色のＬＥＤ１
６が発光される間には赤色信号処理チャンネル４８へ案
内し、ＩＲＬＥＤ１８が発光される間にはＩＲ信号処理
チャンネル５０へ案内する。従って、各信号処理チャン
ネルは、当該波長において患者の身体部位を透過した光
、ひいては、その特定波長における身体部位の光透過度
を表わす一連の信号サンプルを受け取る。

赤色光線の信号処理チャンネル４０においては、次々の
信号サンプルがそのチャンネルにある第１ローパスフィ
ルタによって実質的に連続する信号に平滑化される。こ
の連続的な信号は、身体部位の赤色光線透過度と時間と
の座標点を表わす。その４４号を表わす値は１つのアナ
ログ／デジタルコンバータによってマイクロプロセッサ
５２に供給される。赤色透過度信号の交流即ち変化成分
は。

典型的に、直流成分に比して小さいので、このような各
位は直流値の良好な近似を表わす。更に。

マイクロプロセッサ５２は、デジタルローパスフィルタ
作用を果たして、次々のデジタル値からより正確な直流
値を復帰する。赤色光線信号処理チャンネル４８内の第
】ローパスフィルタから得られた信号は、そのチャンネ
ルのバイパスフィルタにも送られる。このバイパスフィ
ルタは、直流成分を除去して交流成分を残し、この交流
成分は。

次いで、増幅されると共に再びローパスフィルタに通さ
れて、残留するスイッング周波数成分等が除去される。

この増幅された交流成分は、次いで、マイクロプロセッ
サ５２の制御のもとで作動するチャンネル４８内のサン
プル／ホールド装置によって次々にサンプリングされる
。これらの次々にサンプリングされた値は、チャンネル
４８内の更に別のアナログ／デジタルコンバータを経て
マイクロプロセッサへ送られ、そしてマイクロプロセッ
サ５２は、これら次々の値から赤色透過度信号の交流値
又はビーク／ピーク値を決定する。赤外線信号処理チャ
ンネル５０も実質的に同様にマイクロプロセッサ５２と
共同して、赤外線透過度信号の交流及び直流成分を復帰
する。これらの透過度信号から、マイクロプロセッサ５
２は、患者の血液中の酸素レベル、即ち「酸素飽和度」
を計算し、その結果をデイスプレィユニット５４に表示
する。患者の血液中の酸素レベルは、次の式に基づいて
計算することができる。

酸素飽和度＝ＡＲ”＋ＢＲ＋Ｃ但し。

Ｒ＝（ＡＣ／ＡＣ）／（ＤＣ／ＤＣ）ＲＩＲＲＩＲＡＣ及びＤＣは、各々、赤光線速過度信号ＲＲの交流及び直流成分であり、ＡＣ及びＤＣは、各々、赤色線透過度信ＩＲＩＲ号の交流及び直流成分であり、そしてＡ、Ｂ及びＣは、標準的な血液中酸素の測定結果に対し
システムの設計に適合する実験曲線によって決定された
定数である。

身体部位の光透過度は患者の脈拍と共に変化するので、
システムは、脈拍周波数よりも高いスイッチング周波数
で赤色光線と赤外線光線との間を切り換えしなければな
らない。典型的には、約３００Ｈｚのスイッチング周波
数が用いられる。

暗インターバルは、典型的に、赤色光線及び赤外線光線
の交互のバーストの間に入れられて各バーストの後に暗
インターバルが続くようにされるか又は１つおきのバー
ストの後に暗インターバルが続くようにされる。第１の
構成では、赤色光線バースト、暗インターバル、赤外線
バースト及び更に別の暗インターバルのシーケンスによ
って１つのスイッチングサイクルが構成され、このスイ
ッチングサイクルは、スイッチング周波数、即ち、典型
的に約１／３００秒に１回の周波数で繰り返される。第
２の構成では、赤色光線バースト、赤外線バーストそし
て単一の暗インターバルより成るシーケンスが各スイッ
チングサイクルに一度繰り返される。スイッチング周波
数に匹敵する割合で暗インターバルが設けられた状態で
は、周囲光線の変化、ひいては、患者又はプローブ１０
が動くといったファクタによりホトダイオード電流の周
囲光線成分もしくは暗インターバルと暗インターバルの
間の信号に生じる変化が著しいものとなる１周囲光線が
典型的に電源周波数の約２倍即ち約１００−１２０Ｈｚ
の著しいちらつき成分を含んでいる場合には、これらの
ちらつき成分が暗インターバルと暗インターバルとの間
に著しい周囲光線変化を誘起することになる。周囲光線
のこれらの変化は、光検出器の出力信号もしくは暗イン
ターバルと晴インターバルとの間の電流に対応する変化
を誘起する。抵抗器８０を経て送られる修正電流は暗イ
ンターバルと暗インターバルとの間で変化しないので、
システムは、これらのちらつきもその他の急激に変化す
る成分も補償せず、従って、これらの成分は、前置増幅
器の出力ノード４０に呪われる増幅された信号に反映さ
れることになる。然し乍ら、従来のシステムの場合と同
様に、これらのちらつき成分は、信号処理チャンネルに
含まれたローパスフィルタによって効果的に阻止される
。換言すれば、脈拍周波数に匹敵する周波数の周囲光線
の変化は、暗インターバルと暗インターバルとの間の変
化を本質的に無視できるに充分なほどゆっくりとしたも
のである。脈拍周波数に匹敵する周波数の変化は、次々
の暗インターバル中に修正′６ｉ流の対応する変化によ
って効果的に追跡される。従って、脈拍周波数に匹敵す
る周波数の周囲光線変化の成分は、修正電流によって効
果的に反作用を受け、従って、前置増幅器の出力信号に
よって除去される。前記のちらつき周波数成分のような
高い周波数の成分は、前１ａ増幅器の出力信号に反映さ
れるが、これらはローパスフィルタ作用によって有用な
信号から分離され、従って、特に重大な影響を及ぼすこ
とはない。

明らかなように、積分器６２、インバータ６８及び抵抗
器８０は互いに共同してサーボフィードバックループを
形成し、これは、周囲光線成分を効果的に保持するか又
は前置増幅手段の入力ノード３８に送られる入力をゼロ
までずらす。この解決策では、アース基準信号を発生す
るために前置増幅器出力にスイッチ式キャパシタを用い
た公知システムに比して多数の効果をもたらす。上記好
ましいシステムに用いられたキャパシタ６８は、公知の
同等のシステムに必要とされるキャパシタよりも遥かに
小さいものである。これにより、前置増幅手段３４の演
算増幅器３６にかＮる容量性の負荷を大幅に減少するこ
とができ、それ故、演算増幅器３６の安定な動作を容易
に得ることができる。

演算増幅器３６は、光検出器出力信号の周囲光線成分に
よって生じる過負荷からより効果的に保護される。同じ
値、ひいては、同じ利得の前置増幅フィードバック抵抗
を用いた公知のシステムに比べて、過負荷を生じること
なく周囲光線に耐え得るシステムの機能は、Ｒ４４／Ｒ
１゜の比で増加される。ここで、Ｒ４４は抵抗器４４の
値であり、Ｒ６゜は抵抗器８０の値である。或いは又、
本発明によるシステムのフィードバック抵抗器の値Ｒ９
４、ひいては、前置増幅手段３４の利得は、公知のシス
テムに用いられた同等の抵抗値よりも数倍も大きくする
ことができ、然も、周囲光線により生じる過負荷に耐え
るという同じ機能を維持することができる。典型的に、
本発明によるシステムは、大きな利得と、周囲光線過負
荷に対する大きな抵抗との組合せを与える。スイッチ５
６に流れる電流は、典型的に、公知の出力−キャパシタ
システムに用いられたスイッチに流れる電流よりも小さ
い。抵抗器５８はスイッチ５６と直列であり、抵抗器５
８の値は、典型的に、スイッチ５６の抵抗値に比して大
きなものである。従って、スイッチ５６の抵抗の変化は
、積分器６２の応答時間に比較的僅かな影響しか及ぼさ
ない。

本発明の更に別の実施例による装置が第２図に示されて
いる。この装置は、ホトダイオード２０′と、前置増幅
手段３４′と、積分器スイッチ５６′と、積分器６２′
とを備えており、これらは第１図について前記したもの
と実質的に同じである。然し乍ら、第１図の実施例で用
いられたインバータ６８及び修正電流抵抗器８０に代っ
て、第２図の装置では、いわゆる「電流ミラー」装置１
００が用いられている。この電流ミラー装置は、負のバ
イアス電圧源１０２を備えていると共に、直列に接続さ
れた２つの抵抗器１０４及び１０６と、それらの間に挿
入されたダイオード１０８とを含む回路１０３を備えて
いる。回路１０３は、積分器６２′の出力ツードロ６′
と、負のバイアス電圧源１０２との間に接続されている
。回路１０３は、２つの抵抗器の間にノード１１０を画
成する。修正電流の岐路１１２は、前置増幅手段３４′
の入力ノード３８′から負の電圧源１０２へと延びてい
る。岐路１１２には、固定抵抗器１１４と、トランジス
タ１１６のコレクタ及びエミッタとが接続されている。

トランジスタ１１６のベースは、回路１０３のノード１
１０に接続されている。明らかなように、トランジスタ
１１６のコレクタとエミッタとの間のインピーダンス、
ひいては、ノード３８′と、負の電圧源１０２との間の
インピーダンスは、ノード］−１０の電圧と共に変化す
る。それ故、岐路１１２に流れる修正電流の大きさは、
積分器の出力ツードロ６′に蓄積される信号即ち電圧の
大きさと共に変化する。

本発明のこの実施例による装置は、第１図を参照して述
べた装置と同様に作動する。この場合にも、各暗インタ
ーバル中に、光検出器２０′からの光検出器出力電流は
、ノード４０′に現われる前置増幅器の出力電圧を負に
至らしめ、ひいては１次第に増加する正の電圧が積分器
の出力ツードロ６′に現われるようにさせる。これによ
り、抵抗器１０４及び１０６に流れる電流を増加させ、
ひいては、ノード】１０の電圧を増加させ、これにより
、トランジスタ１１６のコレクタとエミッタとの間のイ
ンピーダンスを対応的に減少させ、ひいては、岐路１１
２の修正電流を対応的に増加させる。これは、修正電流
が暗インターバル中に存在するホトダイオードの出力電
流即ち暗電流に等しくなってシステムが平衡状態になる
まで続く。

暗インターバルの後に、スイッチ５６′が開く。

ノード６６′に呪われる積分器出力電圧の値、ひいては
、岐路１１２の修正電流は、次の暗インターバルまで実
質的に一定に保たれる。温度に伴うダイオード１０８の
インピーダンスの変化は、温度に伴う抵抗器１１６の特
性の変化と反作用する。

他の点については、システムは、第１図を参照して上記
したのと一般的に同様に作動する。

特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せず
に」−記特徴の多数の変更及び組み合わせが利用できる
ことが明らかである０例えば、ホトダイオード２０又は
２０′は、そのホトダイオードとアースとの間に接続さ
れたバイアス電圧源のごときによって逆バイアスするこ
ともできる。

又、ホトダイオード以外の光検出器を使用することもで
きる。積分器なしでフィードバックループを構成するこ
ともできる。このような１つの構成では、暗インターバ
ル中の増幅された信号を、アナログ／デジタルコンバー
タを経てマイクロプロセッサへ通すことができる。マイ
クロプロセッサは、暗インターバル中にこの信号の値を
記録し。

次の暗インターバルまでこの値を修正電流装置の制御入
力へ供給することができる。マイクロプロセッサは、こ
の動作を整合するためにタイミング手段へリンクされる
。又、監視されるべき血液の唯一のパラメータが脈拍パ
ラメータである場合には、１つの信号処理チャンネルが
必要とされるだけであり、そして１つの光波長が使用さ
れるだけである。又、マイクロプロセッサは、信号処理
チャンネルの増幅器の利得及びＬＥＤドライバに送られ
る電力を制御して種々のアナログ／デジタルコンバータ
に送られる信号を成る範囲に保持するといった他の通常
の機能を実行することもできる。

これら及び他の変更や組み合わせを使用することができ
るので、好ましい実施例の前記説明は、−例に過ぎず、
特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を何等限定す
るものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による装置の部分ブロック
回路図、そして第２図は１本発明の更に別の実施例による装置の一部分
を示す部分回路図である。１０・・・プローブ　　１２・・・クリップ１４・・・
指１６・・・赤色の発光ダイオード１８・・・赤外線発光ダイオード２０・・・光検出器（ホトダイオード）２２．２４・・
・ＬＥＤドライブ２６・・・タイミングユニット３０・・・基準ノード　　３２・・・出力ノード３４・
・・前置増幅器４０・・・フィードバック抵抗器４６・・・サンプリングスイッチ４８．５０・・・信号処理チャンネル５４・・・デイスプレィユニット６２・・・積分器６４．７０・・・演算増幅器６８・・・インバータ手段８０・・・比例抵抗器ＦＩＧ、２手続補正書く方式）％式％３、補正をする者事件との関係　　出願人４、代理人 −（１−、（貌

Claims

【特許請求の範囲】

（１）身体部位における血液のパラメータを監視する装
置において、ａ）入射する光の量に関係した光検出器出力信号を発生
するための光検出器手段と、ｂ）入力ノードを有していてこれに送られた信号に関連
した増幅された信号を発生するための前置増幅手段であ
って、上記入力ノードは、上記光検出器出力信号を受け
取るために上記光検出器手段に接続されているような前
置増幅手段と、ｃ）光線を放射しそしてこの放射した光
線を身体部位に向けるための発光手段であって、上記放
射されて身体部位を透過した光線が上記光検出手段に当
たるようにする発光手段と、ｄ）上記発光手段の動作を周期的に中断して晴インター
バルを形成する手段であって、各々の暗インターバル中
の上記光検出器出力信号が上記光検出器手段に入射する
周囲光線を表わす暗インターバル光検出器出力となるよ
うにする手段と、ｅ）上記暗インターバル光検出器出力
信号と大きさがほゞ等しく且つ方向が逆である修正信号
を上記前置増幅手段の入力ノードに供給して、上記増幅
された信号が上記光検出器手段に対する周囲光線の影響
に対して実質的に修正されるようにする修正手段と、ｆ）上記修正され増幅された信号から血液の上記パラメ
ータを決定する解読手段とを具備することを特徴とする
装置。
（２）上記修正手段は、上記増幅された信号を監視する
ことにより各々の上記暗インターバル中に存在する光検
出器出力信号を決定する手段を備えている請求項１に記
載の装置。
（３）上記修正手段は、上記増幅された信号を実質的に
所定のゼロ値へもっていくように各々の暗インターバル
中に上記修正信号を調整しそして上記修正信号を次の暗
インターバルまでその調整された状態に維持するための
フィードバック手段を備えた請求項２に記載の装置。
（４）上記フィードバック手段は、各々の上記暗インタ
ーバル中に上記増幅された信号を積分する手段と、最後
の手前の暗インターバル中に蓄積された上記積分され増
幅された信号に応答して、暗インターバルと暗インター
バルとの間の各周期中に上記修正信号を発生する手段と
を備えている請求項３に記載の装置。
（５）上記光検出器手段は、上記光検出器出力信号を光
検出器電流として発生する手段を備えており、上記光検
出器電流の大きさは上記光検出器手段に入射する光の量
に直接関係したものであり、上記修正手段は、最後の手
前の暗インターバル中に存在する光検出器電流と実質的
に等しいが方向が逆である電流として上記修正信号を供
給する手段を備えている請求項１に記載の装置。
（６）上記前置増幅手段は、上記入力ノード、出力ノー
ド及びそれらの間に接続されたフィードバック抵抗器を
定める演算増幅器を組み込んだトランスレジスタンス増
幅段を備えている請求項５に記載の装置。
（７）上記修正手段は、入力及び出力を有していて該入
力に送られた信号を積分すると共にこの積分された信号
に比例する出力電圧を発生するための積分器手段と、上
記積分器の入力を上記暗インターバル中にのみ上記前置
増幅手段の出力ノードに接続するための積分器スイッチ
ング手段と、上記積分器出力電圧に応答して上記修正電
流を発生するための電流発生手段とを備えた請求項６に
記載の装置。
（８）上記電流発生手段はインバータ演算増幅器を備え
、該増幅器は、インバータ入力及び出力ノードと、これ
らのインバータ入力及び出力ノードにまたがって接続さ
れたインバータフィードバック抵抗器と、上記インバー
タ入力ノードと上記積分器出力ノードとの間に接続され
たインバータ入力抵抗器と、上記インバータ出力ノード
と上記前置増幅手段の入力ノードとの間に接続された比
例抵抗器とを有している請求項６に記載の装置。
（９）上記電流発生手段は、上記前置増幅手段の入力ノ
ードと所定のバイアス電圧源との間に接続された修正電
流岐路と、上記積分器の出力電圧に基づくインピーダン
スを上記修正電流岐路に与える手段とを備えた請求項７
に記載の装置。
（１０）上記電流発生手段は、上記積分器出力ノードと
所定バイアス電圧源との間に直列に接続された一対の抵
抗器を備え、これらの抵抗器は、それらの間に回路ノー
ドを画成し、インピーダンスを与える上記手段は、上記
回路ノードの電圧に応答する請求項９に記載の装置。
（１１）インピーダンスを与える上記手段は、上記回路
ノードに制御入力が接続されたトランジスタを備えてい
る請求項１０に記載の装置。
（１２）上記発光手段の作動を周期的に中断する上記手
段はタイミング手段を備え、上記積分器のスイッチング
手段は上記タイミング手段に接続されていてそれに応答
する請求項７に記載の装置。
（１３）上記発光手段は複数の波長の光を放射する手段
を含み、上記装置は、更に、上記暗インターバル以外の
時間に別々の波長の光を交互のシーケンスで放射するよ
うに上記発光手段を制御するシーケンス制御手段を備え
ており、上記解読手段は、波長の上記交互のシーケンス
に関連したシーケンスで上記修正されて増幅された信号
をサンプリングしそして上記増幅された信号の別々のサ
ンプルを別々の波長における身体部位の光透過度を表わ
すものとして解読する手段を備えている請求項１に記載
の装置。
（１４）身体部位における血液のパラメータを監視する
方法において、ａ）光検出器手段に入射する光の量に関連した光検出器
出力信号を発生しそしてこの光検出器出力信号を前置増
幅器の入力に供給し、ｂ）上記前置増幅器の入力に送られた信号を増幅して、
増幅された信号を発生する手段と、ｃ）光線を発生しそ
してこの発生された光線を身体部位に向けるこよによっ
て身体部位に光を当て、上記放射されて上記身体部位を
透過した光が上記光検出器に入射するようにし、ｄ）上記光発生段階を周期的に中断して暗インターバル
を形成し、これにより、各々の上記暗インターバル中の
光検出器出力信号が上記光検出器手段に入射する周囲光
線を表わす暗インターバル光検出器出力となるようにし
、そしてｅ）上記光検出器出力信号が上記段階ｂ）において増幅
される前に上記光検出器出力信号から修正信号を差し引
き、上記修正信号の大きさが上記暗インターバル光検出
器出力信号の大きさに実質的に等しくなるようにし、こ
れにより、上記増幅された信号が周囲光線の影響に対し
て実質的に修正されるようにし、そしてｆ）上記修正された増幅信号から血液の上記パラメータ
を決定するという段階を具備したことを特徴とする方法
。