JPH06174A - パルスオキシメータ - Google Patents

パルスオキシメータ

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JPH06174A
JPH06174A JP4136710A JP13671092A JPH06174A JP H06174 A JPH06174 A JP H06174A JP 4136710 A JP4136710 A JP 4136710A JP 13671092 A JP13671092 A JP 13671092A JP H06174 A JPH06174 A JP H06174A
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貞二 鵜川
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朴 武田
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 構成を大幅に簡単化するとともに、演算の処
理手順を簡略化する。 【構成】 生体組織７に基準波長の赤色光を照射する発
光ダイオード２と赤外光を照射する発光ダイオード３
と、これらから照射された２波長について組織７で吸光
された後の光出力を検出する受光素子４と、その検出出
力により２波長についての吸光度の脈動成分ΔＡ１，Δ
Ａ２を検出する検出器１３，１４とよりなる。更に基準
波長からずれた赤色光を用いたときに検出されるΔＡ１
値をゲイン調整して、基準波長の赤色光を用いたときに
得られる既知のΔＡ１値に合わせ込むための、乗算器１
５と、ゲイン調整後のΔＡ１の値と検出器１４からのΔ
Ａ２値を用いて吸光度の比Фを算出する演算器１６と、
その値を用いて動脈血の酸素飽和度Ｓを算出する演算器
１７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は生体における赤色光と赤
外光の異なる２つの波長の吸光特性の差を利用して被験
者の動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測定するため
のパルスオキシメータに関し、特にプローブ内に設けら
れた赤色発光ダイオードの波長のばらつきの補正を簡単
に行なえるようにしたパルスオキシメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測
定するには、従来からパルスオキシメータが用いられて
いる。このパルスオキシメータはプローブを被験者の指
先や耳朶に装着し、プローブから赤と赤外の異なる波長
の光を生体に時分割に照射して、異なる２波長の透過光
または反射光から得られる吸光度の脈動成分の比Фから
酸素飽和度Ｓを測定するものである。赤色光にはたとえ
ば６６０ｎｍの基準波長が用いられるとともに、赤外光
にはたとえば９４０ｎｍの波長が用いられ、プローブ内
にはこれらの波長を発する２つの発光ダイオードと受光
用の１つのフォトダイオードが内蔵されている。いま、
赤色光の波長の吸光度の脈動成分をΔＡ１、赤外光の波
長の吸光度の脈動成分をΔＡ２とする、異なる２波長の
吸光度の比Фは、これらΔＡ１とΔＡ２を用いて次式で
与えることができる。 Ф＝ΔＡ１／ΔＡ２ 酸素飽和度Ｓは、この吸光度の比Фの関数ｆとして次式
で与えられる。 Ｓ＝ｆ（Ф） ところで、酸素飽和度Ｓと吸光度の比Фの関数ｆは特に
赤色光の波長に依存し、同じ酸素飽和度ＳのときのФの
値は赤色光の波長によって異なってくる。図４には、赤
色光の波長が６６０ｎｍのときのФ対Ｓ（Ф−Ｓ）の特
性曲線Ｕ１に対して、６５０ｎｍへずれたときのФ−Ｓ
の特性曲線Ｕ２と、６７０ｎｍにずれたときのФ−Ｓの
特性曲線Ｕ３が示されている。これらの特性曲線からも
明らかのように、プローブ内に内蔵されている赤色発光
ダイオードの波長にばらつきがある場合、何んらかの補
正を行なって正確な酸素飽和度Ｓを測定する必要があ
る。このような必要性は、パルスオキシメータ本体に初
めから付属しているプローブを用いて測定を行なう場合
は、本体側で校正済みであるから問題はないが、別のプ
ローブをオキシメータ本体に装着して酸素飽和度Ｓの計
測を行なおうとするような場合に問題となってくる。
【０００３】そこで、従来はたとえば特開昭５９−６４
０３１号の公報に記載されるパルスオキシメータのよう
に、プローブ内に設けられている赤色発光ダイオードの
波長情報をプローブから外部に出力できるようにし、こ
の波長情報に基づいてオキシメータ本体側で酸素飽和度
Ｓの補正を行なえるようにしたものがある。具体的に
は、波長の値をエンコード化し、プローブ内に赤色発光
ダイオードの波長情報に相当する抵抗が実装されてい
る。オキシメータ本体側では、この抵抗の値を電圧値と
して読み取って波長の値をデコードし、予め本体側に用
意されている赤色光の波長の値と酸素飽和度を計算する
のに必要な補正係数とを記憶したテーブルから該当する
補正係数を選択して、正確な酸素飽和度Ｓを算出できる
ようにしている。
【０００４】図５には、このような従来の補正方式を用
いた一般的なパルスオキシメータのブロック図を示す。
この図で、演算器１６には、検出器１３，１４で得られ
た２つの波長についての吸光度の脈動成分ΔＡ１，ΔＡ
２の値が入力され、これらのΔＡ１，ΔＡ２の値を用い
て吸光度の比Фがこの演算器１６で算出される。算出さ
れたФの値は、次段の演算器１７に送られる。一方、プ
ローブ１には赤色発光ダイオード２の波長情報をエンコ
ード化した抵抗２０が内蔵されており、この抵抗２０が
オキシメータ本体側のデコード部２１で読み取られて波
長の値に変換され、このデコード部２１に接続されたテ
ーブル２２からその波長の値に対応する補正係数が読み
出される。なお、このテーブル２２はＲＯＭ（リード・
オンリ・メモリ）に書き込まれている。この補正係数
は、演算器１７に送られて、演算器１６からの吸光度の
比Фの値とこの補正係数を用いて赤色発光ダイオード２
の波長のばらつきが補正された酸素飽和度Ｓが算出され
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように従来のパル
スオキシメータでは、プローブ１内に設けられた赤色発
光ダイオード２の波長のばらつきを補正するために、こ
の波長の値をエンコード化し、波長情報に相当する抵抗
２０をプローブ１内に実装する必要があるとともに、こ
の抵抗２０の値をオキシメータ本体側で読み取って波長
の値を求めるデコード操作が必要であった。また、読み
取った各波長の値に一対一に対応する補正係数を書き込
んだテーブル２２を本体側に持つ必要があり、パルスオ
キシメータの構成を複雑化する要因となっていた。ま
た、テーブル２２には市販の赤色発光ダイオード２の波
長のばらつきを考慮した複数の補正係数を書き込んでお
く必要があり、場合によっては使用頻度のまれな補正係
数まで用意しなければならず、デコード操作時の処理の
複雑化を招いていた。さらに、従来のパルスオキシメー
タでは、プローブ１側から得た波長情報から補正係数を
選択したあとに、この補正係数を使用して正確な酸素飽
和度Ｓを求める演算を行なわなければならず、酸素飽和
度Ｓを求める処理手順が複雑であった。
【０００６】本発明は、このような従来の技術が有する
課題を解決するために提案されたものであり、プローブ
側に波長情報を入れないことにより、エンコード・デコ
ード操作が不要となり、装置の構成を大幅に簡単化でき
るとともに、酸素飽和度を求める処理手順を簡略化でき
るパルスオキシメータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】まず、本発明の基本的な
考え方を説明する。赤色光の波長の標準値を６６０ｎｍ
とし、プローブ１内に設けられる赤色発光ダイオード２
の波長のばらつきがある程度の範囲内であれば（±１０
ｎｍ程度）、図３に示すように波長が６６０ｎｍのとき
の吸光度の脈動成分の比ФをФ（660)とし、ある波長の
ときのФをФ（ｎ）とすれば、Ф（660)とФ（ｎ）の関
係はつぎのような一次式により近似できる。 Ф（660)＝Ａn ・Ф（ｎ） なお、図中、ｇ0 は基準波長６６０ｎｍのグラフであ
り、ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 ，ｇ4 は波長がそれぞれ６５０ｎ
ｍ，６５５ｎｍ，６６５ｎｍ，６７０ｎｍのときの対応
グラフである。ここで、波長が６６０ｎｍのときの吸光
度の脈動成分をΔＡ１(660) とし、ある波長のときの吸
光度の脈動成分をΔＡ１（ｎ）とすれば、Ф＝ΔＡ１／
ΔＡ２から、上式の一次式はつぎのように書き直すこと
ができる。 ΔＡ１(660) ／ΔＡ２＝Ａn ・（ΔＡ１（ｎ）／ΔＡ
２） この式からΔＡ２を消去すると、ΔＡ１(660) は、 ΔＡ１(660) ＝Ａn ・ΔＡ１（ｎ） で与えられる。この式から明らかのように、赤色光が基
準波長６６０ｎｍからずれたある波長であるときに検出
された吸光度の脈動成分ΔＡ１（ｎ）の値に、適当な係
数Ａnを掛け合わせることにより、既知の基準波長６６
０ｎｍについての吸光度の脈動成分ΔＡ１(660) を求め
ることができ、算出したΔＡ１(660) の値と赤外光にお
ける吸光度の脈動成分ΔＡ２の値とから次式により、赤
色光が基準波長660 ｎｍのときに対応する吸光度の比Ф
（660)を求めることができる。 Ф（660)＝ΔＡ１(660) ／ΔＡ２ その後、求めたФ（660)（単にФとする）を用いて酸素
飽和度Ｓを次式により演算すれば、赤色発光ダイオード
２の波長のばらつきが補正された標準値の波長６６０ｎ
ｍに対応する酸素飽和度Ｓを算出できる。 Ｓ＝ｆ（Ф）
【０００８】このような補正方式を実現するために本発
明によるパルスオキシメータは、被験者に装着されるプ
ローブに設けられ、動脈血流を含む生体組織に所定の基
準波長の赤色光を照射する第１の光源と、上記プローブ
に設けられ、動脈血流を含む生体組織に赤外光を照射す
る第２の光源と、これら第１および第２の光源から照射
された赤色光と赤外光の２波長について生体組織によっ
て吸光されたあとの光出力を検出する受光素子と、この
受光素子の検出出力に基づいて上記２波長についての動
脈血流による吸光度の脈動成分ΔＡ１およびΔＡ２をそ
れぞれ算出する第１の演算器と、上記基準波長からずれ
た波長の赤色光を用いたときに検出される吸光度の脈動
成分ΔＡ１の値をゲインを調整して、上記基準波長の赤
色光を用いたときに得られる既知のΔＡ１の値に合わせ
込むために、上記第１の演算器から出力されるΔＡ１の
値に適当な係数Ａn を乗算するためのゲイン調整手段
と、このゲイン調整手段から出力されるゲイン調整後の
吸光度の脈動成分ΔＡ１の値と上記第１の演算器から出
力される赤外光についての吸光度の脈動成分ΔＡ２の値
とを用いてΔＡ１／ΔＡ２により吸光度の比Фを算出す
る第２の演算器と、この第２の演算器から出力される吸
光度の比Фを用いて動脈血の酸素飽和度Ｓを算出する第
３の演算器とを有する構成としてある。
【００１２】また、本発明によるパルスオキシメータ
は、上記ゲイン調整手段を、上記プローブ内に設けられ
上記係数Ａn の情報を与えられる抵抗と、この抵抗が接
続され上記第１の演算器から出力されるΔＡ１の値を取
り込んで乗算を行なう乗算器とで構成してある。
【００１５】
【実施例】以下、本発明によるパルスオキシメータの具
体的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１のブ
ロック図に、このパルスオキシメータの基本的な構成を
示す。この図で、プローブ１内には赤色光を発する発光
ダイオード２と、赤外光を発する発光ダイオード３と、
これらの発光ダイオード２，３に対峙するフォトダイオ
ードなどの受光素子４とが取り付けられており、このプ
ローブ１から延びる信号ケーブルをパルスオキシメータ
本体に接続したときに、本体側の発振器（ＯＳＣ）５が
発光ダイオード２，３に接続され、増幅器６が受光素子
４に接続される。ここで、発光ダイオード２はたとえば
６６０ｎｍの波長を基準値とする赤色光発光用の第１の
光源を構成し、発光ダイオード３はたとえば９４０ｎｍ
の波長を基準値とする赤外光発光用の第２の光源を構成
している。このプローブ１を被験者の指先や耳朶に装着
したときに、動脈血流を含む生体組織７が発光ダイオー
ド２，３と受光素子４との間に位置するようになる。発
振器５からは、発光ダイオード２，３を交互に点灯させ
るためのパルスが入力され、赤色光と赤外光の異なる２
つの波長の光が生体組織７にパルス状に照射される。生
体組織７によって散乱・吸光されたあとの透過光出力Ｉ
１，Ｉ２は受光素子４によって交互に受光され、増幅器
６で増幅されたあとにマルチプレクサ（ＭＰＸ）８に送
られる。このマルチプレクサ８では、発振器５に同期し
て赤色光側の透過光出力Ｉ１を対数増幅器９に分配する
とともに、赤外光側の透過光出力Ｉ２を対数増幅器１０
に分配する。これら対数増幅器（ＬＯＧ）９，１０では
それぞれ吸光度が求められ、次段のバンドパスフィルタ
（ＢＰＦ）１１，１２に通されることで、脈動成分がそ
れぞれ検出器（ＤＥＴ）１３，１４に送られる。第１の
演算器を構成するこれら検出器１３，１４では、信号波
形のピークとボトムの差を検出することにより、赤色光
の波長における吸光度の脈動成分ΔＡ１と赤外光の波長
における吸光度の脈動成分ΔＡ２とがそれぞれ求められ
る。検出されたΔＡ１の値は、次段の乗算器１５に送ら
れることで、係数Ａn が次式により掛け合わされ、標準
波長６６０ｎｍを用いたときに検出されるΔＡ１(660)
の値に補正される。 ΔＡ１(660) ＝Ａn ・ΔＡ１ ここで、係数Ａn は、プローブ１内で用いられている赤
色発光ダイオード２の特性に応じて予め決められた値で
あり、抵抗値などとしてプローブ１内に入れておくこと
ができる。乗算器１５で算出されたΔＡ１(660) の値と
検出器１４から出力されるΔＡ２の値は、第２の演算器
１６に送られ、この演算器１６において赤色光と赤外光
の２波長についての吸光度の脈動成分の比Фが次式によ
り算出される。 Ф＝ΔＡ１(660) ／ΔＡ２
【００１６】求められたФの値は、標準波長の６６０ｎ
ｍの赤色光を用いたときの２波長の吸光度の脈動成分の
比Ф（660)に近似したものであり、このФの値を用いて
次段の第３の演算器１７で次式により酸素飽和度Ｓを求
める演算を行うことにより、赤色発光ダイオード２の波
長のばらつきが補正された正確な酸素飽和度Ｓを出力端
子１９に取り出すことができる。 Ｓ＝ｆ（Ф） ここで、乗算器１５は、検出器１３から得られるΔＡ１
の値を標準波長６６０ｎｍを用いときに得られるのΔＡ
１(660) の値に合わせ込むためのゲイン調整手段を構成
している。
【００１７】つぎに、図２に示すより具体的なパルスオ
キシメータの構成を説明する。この実施例のパルスオキ
シメータでは、上述した係数Ａn の情報を与えることが
できる抵抗値を持つ抵抗Ｒ２（抵抗値もＲ２とする）が
プローブ１内に実装されている。ここで、この抵抗Ｒ２
はプローブ製造工程においてプローブ１内の赤色発光ダ
イオード２の波長が計測されたときに、この波長の値に
対して一対一に対応する係数Ａn の情報を与える抵抗値
のものが選択されてプローブ１内に組み込まれる。この
プローブ１から延びる信号ケーブルがパルスオキシメー
タ本体に接続されたときに、係数Ａn の情報を与える抵
抗Ｒ２が乗算器１５に接続される。この乗算器１５は、
乗算器１５の一部を構成する差動増幅器１８の反転入力
端子に検出器１３の出力端子が抵抗Ｒ１（抵抗値もＲ１
とする）を介して接続され、差動増幅器１８の入出力端
子間に係数Ａn の情報を与えるプローブ１側の抵抗Ｒ２
が接続された構成となっている。なお、差動増幅器１８
の非反転入力端子は接地される。この乗算器１５では、
Ｒ２／Ｒ１が係数Ａｎの値を与える。この差動増幅器１
８の出力端子は、第２の演算器１６の入力端子に接続さ
れる。ここで、抵抗Ｒ１、プローブ１内の抵抗Ｒ２およ
び差動増幅器１８は、検出器１３からのΔＡ１の値を、
既知である標準波長６６０ｎｍの赤色光のものに合わせ
込むためのゲイン調整手段を構成している。
【００１８】このように構成されるパルスオキシメータ
では、乗算器１５に係数Ａn の情報を与える抵抗Ｒ２が
プローブ１側より接続されることで、この乗算器１５に
おいて検出器１３からのΔＡ１の値に係数Ａn を乗算す
ることができ、出力端子からは補正されたΔＡ１(660)
の値を取り出すことができる。演算器１６では、算出さ
れるΔＡ１(660) の値と検出器１３からのΔＡ２の値を
用いて吸光度の比Фを演算し、次段の演算器１７に出力
する。演算器１７では、このФの値を用いて酸素飽和度
Ｓを求める演算を行なうことにより、赤色発光ダイオー
ド２の波長のばらつきが補正された酸素飽和度Ｓを出力
端子１９に出力できる。この酸素飽和度Ｓは表示部に表
示される。
【００１９】なお、図１および図２の実施例において乗
算部や各演算部を実現するにあたっては、アナログ回路
によらず、ＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニ
ット）を用いた処理によっても実現することができる。
また、上述した実施例では生体組織７を透過した透過光
出力Ｉ１，Ｉ２を検出して、２つの波長についての吸光
度の脈動成分ΔＡ１，ΔＡ２を求めているが、生体組織
７に照射されて減光されたあとの反射光出力を受光素子
４で検出して、ΔＡ１とΔＡ２を求めてもよい。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、あ
る赤色光の波長を用いたときに検出される吸光度の脈動
成分ΔＡ１に対して、適当な係数Ａn を掛け合わせるこ
とにより、検出されたΔＡ１の値を基準となる赤色光の
波長を用いたときに得られる吸光度の脈動成分ΔＡ１の
値に合わせ込むことができ、これにより赤色光の波長の
ばらつきに対して、実用上支障のない誤差の範囲内で補
正した酸素飽和度Ｓを測定できる。これは赤色光の波長
に対してΔＡ１のゲインを変化させるという簡単な回路
で補正を実現でき、このゲインを決定する抵抗をプロー
ブ内に実装しておけば、従来のように波長の情報を与え
てから補正係数を決定するというエンコード・デコード
操作が不要になるため、酸素飽和度Ｓを求める処理手順
を大幅に簡略化できる。これはデコードした結果がすで
にプローブ内の抵抗値として組み込まれていると考える
ことができ、プローブ内の抵抗と補正用の回路とを接続
するだけで即座に補正された酸素飽和度を出力できる。
したがって、本発明によるパルスオキシメータでは、波
長情報をプローブから読み取ったあとにデコード操作を
行なうために必要な波長の値と補正係数とを書き込んで
あるテーブルをオキシメータ本体側に持つ必要がなく、
回路構成を大幅に簡単化できるという利点がある。これ
によりパルスオキシメータの測定精度の向上と信頼性を
高められるとともに、パルスオキシメータのコストダウ
ンを図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパルスオキシメータの基本的な構
成を示すブロック図である。
【図２】本発明によるパルスオキシメータの一実施例を
示すブロック図である。
【図３】標準波長６６０ｎｍのときの吸光度の比Ф(66
0) と、赤色光が基準となる標準波長６６０ｎｍからず
れたある波長のときの吸光度の比Ф（ｎ）との対応関係
を示すグラフである。
【図４】２波長の吸光度の比Фと酸素飽和度Ｓとの関係
を、赤色光の波長が標準波長６６０ｎｍからずれた場合
について示した特性図である。
【図５】従来のパルスオキシメータの構成を示すブロッ
ク図である。
【符号の説明】
１ プローブ ２ 赤色光用の発光ダイオード ３ 赤外光用の発光ダイオード ４ 受光素子 ５ 発振器 ６ 増幅器 ７ 生体組織 ８ マルチプレクサ ９，１０ 対数増幅器 １１，１２ バンドパスフィルタ １３，１４ 検出器 １５ 乗算器 １６ 第２の演算器 １７ 第３の演算器 １８ 差動増幅器 Ｒ２ 係数Ａn の情報を与える抵抗

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 生体に装着されるプローブに設けられ、
    動脈血流を含む生体組織に所定の基準波長の赤色光を照
    射する第１の光源と、 上記プローブに設けられ、動脈血流を含む生体組織に赤
    外光を照射する第２の光源と、 これら第１および第２の光源から照射された２波長につ
    いて生体組織によって吸光されたあとの光出力を検出す
    る受光素子と、 この受光素子の検出出力に基づいて上記２波長について
    の動脈血流による吸光度の脈動成分をそれぞれ算出する
    第１の演算器と、 上記基準波長からずれた波長の赤色光を用いたときに検
    出される吸光度の脈動成分の値をゲインを調整して、上
    記基準波長の赤色光を用いたときに得られる既知の値に
    合わせ込むために、上記第１の演算器から出力される値
    に適当な係数を乗算するためのゲイン調整手段と、 このゲイン調整手段から出力されるゲイン調整後の吸光
    度の脈動成分の値と上記第１の演算器から出力される赤
    外光についての吸光度の脈動成分の値により吸光度比を
    算出する第２の演算器と、 この第２の演算器から出力される吸光度比を用いて動脈
    血の酸素飽和度Ｓを算出する第３の演算器とを有するこ
    とを特徴とするパルスオキシメータ。
  2. 【請求項２】 上記ゲイン調整手段が、上記プローブ内
    に設けられ上記係数の情報を与えられる抵抗と、この抵
    抗が接続され上記第１の演算器から出力される脈動成分
    の値を取り込んで乗算を行なう乗算器とから構成される
    ことを特徴とする請求項１記載のパルスオキシメータ。
JP04136710A 1992-05-28 1992-05-28 パルスオキシメータ Expired - Fee Related JP3091929B2 (ja)

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