JPH0622943A - パルスオキシメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 体動などによるノイズが混入しても安定に測
定を継続でき、しかも応答性の高い測定を行なえるパル
スオキシメータを提供する。 【構成】 動脈血流を含む生体組織４に赤色光と赤外光
を照射する発光ダイオード１，２と生体組織によって吸
光されたあとの光出力を検出するフォトダイオード５
と、このフォトダイオードの受光出力から得られる各波
長の直流成分と脈動成分から２波長についての動脈血流
による吸光度の脈動成分の比Фを算出する第１の演算器
１４と、吸光度の比Фのばらつきの程度を検出するとと
もに、吸光度の比Фにばらつきがある場合は、安定時に
保持した各波長の脈動成分と現在の各波長の直流成分と
を用いて補正された吸光度の比Ф’を算出する補正回路
１５と、この補正回路から出力される吸光度の比Ф’か
ら動脈血の酸素飽和度Ｓを算出する第２の演算器１６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、特に体動によるノイズの
混入を効果的に除去でき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では、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とすると、異なる２
波長の吸光度の比Фは、次式で与えられる。 Ф＝ΔＡ１／ΔＡ２ 酸素飽和度Ｓは、この吸光度の比Фの関数ｆとして算出
することができる。 Ｓ＝ｆ（Ф）

【０００３】ところで、このようなパルスオキシメータ
では、測定中にプローブを装着した手指などを動かす
と、体動による血液の増大が起こり、測定した吸光度の
比Фの値にばらつきが生じて、正確に酸素飽和度Ｓを測
定できなくなる。そこで、このような体動ノイズによる
影響を除去する試みが従来からいろいろとなされてい
る。たとえば特開昭５９−１６０４４６号の公報に記載
されるパルスオキシメータでは、測定限界を定めて処理
を行なうことにより、体動によるノイズが混入した場合
に、平均処理を行なうルーチンへの測定データの取り込
みを停止し、ノイズを含んだ酸素飽和度が算出されない
ようにしている。また、米国特許４４０７２９０号の公
報に記載されているパルスオキシメータでは、測定値に
対して重付け平均処理を行なうことにより、体動により
測定値がばらついた場合は、重み付けを軽くして、ノイ
ズの影響を受けない酸素飽和度が算出されるようにして
いる。また、特表昭６２−５００８４３号の公報のパル
スオキシメータでは、心電図に同期した測定を行なうこ
とにより、脈ではない体動ノイズが混入した場合は、測
定値として取り込まないようにすることで、誤った酸素
飽和度が算出されないようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のパルス
オキシメータで、測定限界を定めて処理を行なうものや
心電図に同期した処理を行なうものでは、体動などによ
るノイズが発生した場合に安定な測定を継続できないと
いう問題点がある。また、平均処理を行なって測定を行
なうものでは、応答性が犠牲になるという問題点があ
る。

【０００５】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、体動など
によるノイズが混入しても安定に測定を継続でき、しか
も応答性の高い測定を行なえるパルスオキシメータを提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明によるパルスオキシメータは、動脈血流を含む
生体組織に赤色光と赤外光の異なる２波長の光をそれぞ
れ照射する第１および第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、この受光素子の受光出力から得られる各
波長の直流成分と脈動成分から２波長についての動脈血
流による吸光度の脈動成分の比を算出する第１の演算器
と、この第１の演算器から出力される吸光度の比のばら
つきの程度を検出するとともに、上記各波長の脈動成分
を安定時に保持し、吸光度の比にばらつきがある場合
は、安定時に保持した各波長の脈動成分と現在の各波長
の直流成分とを用いて補正された吸光度の比を算出する
補正回路と、この補正回路から出力される吸光度の比か
ら動脈血の酸素飽和度を算出する第２の演算器とを有す
る構成としてある。

【０００７】まず、本発明の基本的な考え方を説明す
る。第１の発光ダイオード１から発せられた赤色光は、
動脈血流を含む生体組織４に入射され、この生体組織４
で吸光されたあとにフォトダイオード５で受光される
（図１参照）。このとき図４に示すようにフォトダイオ
ード５での受光出力のうち直流成分をＲ、脈動成分をΔ
Ｒとすると、赤色光の波長における吸光度の脈動成分Δ
Ａ１は、 ΔＡ１＝ΔＲ／Ｒ で与えられる。また、第２の発光ダイオード２から生体
組織４に照射された赤外光は、この生体組織４で吸光さ
れたあとにフォトダイオード５で受光される。このとき
図５に示すようにフォトダイオード５における受光出力
のうち直流成分をＩＲ、脈動成分をΔＩＲとすると、赤
外光の波長における吸光度の脈動成分ΔＡ２は、 ΔＡ２＝ΔＩＲ／ＩＲ で与えられる。したがって、異なる２つの波長の吸光度
の比Фは、 Ф＝ΔＡ１／ΔＡ２ ＝（ΔＲ／Ｒ）／（ΔＩＲ／ＩＲ） となる。この式は、つぎのように書き直すことができ
る。 Ф＝（ΔＲ／ΔＩＲ）×（ＩＲ／Ｒ） ここで、ΔＲとＲの比、ΔＩＲとＩＲの比は、通常１０
％以下である。また、酸素飽和度Ｓの変化に対しては、
直流成分と脈動成分がともに変化する。いま、体動など
によるノイズが発生し、赤色側の受光出力にノイズ成分
Ｎ１が重畳し、赤外光側の受光出力にノイズ成分Ｎ２が
重畳したとすると、吸光度の比Фは、次式のように書き
表せる。 Ф＝{(ΔＲ＋Ｎ1)／( ΔＩＲ＋Ｎ2)｝×{(ＩＲ＋Ｎ2)／
（Ｒ＋Ｎ1)} ここで、直流成分Ｒ，ＩＲは、それぞれ脈動成分ΔＲ，
ΔＩＲに比べて大きな値をとるので、ノイズの影響を受
けにくい。したがって、ノイズの影響を大きく受ける
（ΔＲ／ΔＩＲ）の値を安定時にホールドしておき、吸
光度の比Фがノイズによりばらつく場合に、ホールドし
ておいた（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))の値を用いてФを算出
すれば、体動などによるノイズの影響を抑えた酸素飽和
度Ｓを継続的に測定できる。

【０００８】つぎに、吸光度の比Фのばらつきの程度を
評価する手法と評価したばらつきの程度から吸光度の比
Фを補正する手法を説明する。いま、Фを脈拍１拍につ
き１回測定し、ｎ拍目のФをФ（ｎ）とすると、Фの一
次差分△Ф（ｎ）は、 △Ф（ｎ）＝Ф（ｎ）−Ф（ｎ−１） となる。また、Фの二次差分△² Ф（ｎ）は、 △² Ф（ｎ）＝△Ф（ｎ）−△Ф（ｎ−１） となる。この二次差分△² Ф（ｎ）の大きさからФのば
らつきを評価する。ばらつきの程度を表す係数をｋと
し、適当な定数をａとすると、ｋは次式により表せる。 ｋ（ｎ）＝ａ・｛△² Ф（ｎ）＋△² Ф（ｎ＋１）＋△
² Ф（ｎ＋２）｝ ただし、ｋが１より大きいときは、ｋ＝１とする。ま
た、ｎ拍目のＲ，ＩＲの測定値をＲ（ｎ），ＩＲ（ｎ）
とし、ホールドした（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))の値の補正
値（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’を用いて算出されるФをФ
（HOLD）とすると、 Ф（HOLD）＝（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’×（ＩＲ（ｎ）
／Ｒ（ｎ）） となる。ここで、（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’は、ｎ拍目
の△Ｒ，△ＩＲの測定値を△Ｒ（ｎ），△ＩＲ（ｎ）と
すると、 （ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’＝（１−ｋ’）｛（ΔＲ
（ｎ）／ΔＩＲ（ｎ）｝＋ｋ’（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD)) で与えられる。ここで、適当な定数をｂとすると、ｋ’
は、 ｋ’（ｎ）＝ｂ・｛△² Ф（ｎ）＋△² Ф（ｎ＋１）＋
△² Ф（ｎ＋２）｝ で表せる。ただし、ｋ’が１より大きいときはｋ’＝１
とする。したがって、補正済みのФ’は、ばらつきの程
度を表す係数ｋ、ｎ拍目の実測値Ф（ｎ）およびФ（HO
LD）の値を用いて、次式により求めることができる。 Ф’＝（１−ｋ）Ф（ｎ）＋ｋФ（HOLD） この補正されたФ’の値から、酸素飽和度Ｓは次式によ
り算出される。 Ｓ＝ｆ（Ф’） このように本発明では、Фのばらつきの程度を表す係数
ｋ（０≦ｋ≦１）の値に応じてФ（HOLD）を取り込んで
補正したФ’の値から、ノイズの影響を軽減した酸素飽
和度Ｓを測定することができる。

【０００９】

【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一実施例を示
す。この図で、第１および第２の光源である発光ダイオ
ード１，２は、発振回路３から出力されるパルス信号に
よって交互に駆動される。第１の発光ダイオード１から
発せられる赤色光は、動脈血流を含む被験者の生体組織
４に入射され、この生体組織４によって吸光されたあと
に受光素子のフォトダイオード５によって受光される。
また、第２の発光ダイオード２から生体組織４に照射さ
れた赤外光は、この生体組織４で吸光されたあとに、フ
ォトダイオード５によって受光される。

【００１０】フォトダイオード５の受光出力は、増幅器
６で増幅されたあとにマルチプレクサ（ＭＰＸ）７によ
って発振回路３の出力に同期して分配され、赤色光の受
光出力のうち直流成分Ｒが演算器１４の入力端子１０に
取り込まれるとともに、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を
経た脈動成分△Ｒが演算器１４の入力端子１１に取り込
まれる。また、赤外光の受光出力のうち直流成分ＩＲ
が、演算器１４の入力端子１２に取り込まれ、ハイパス
フィルタ９を経た脈動成分△ＩＲが演算器１４の入力端
子１３に取り込まれる。演算器１４では、 Ф＝（ΔＲ／ΔＩＲ）×（ＩＲ／Ｒ） から吸光度の比Фを求める。

【００１１】算出されたФの値は、図２に示す次段の補
正回路１５に取り込まれる。この補正回路１５の一部を
構成するばらつき検出部１５Ａでは、入力されるФの値
から、 ｋ（ｎ）＝ａ・｛△² Ф（ｎ）＋△² Ф（ｎ＋１）＋△
² Ф（ｎ＋２）｝ ｋ’（ｎ）＝ｂ・｛△² Ф（ｎ）＋△² Ф（ｎ＋１）＋
△² Ф（ｎ＋２）｝ を算出し、Фのばらつきの程度を評価するめための係数
ｋ，ｋ’を求める。また、ホールド部１５Ｂではばらつ
き検出部１５Ａで得られたФのばらつきの程度を表す係
数から、Фが体動ノイズなどによりばらついていると判
断された場合に、安定時の（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))の値
とｋ’の値とから補正された（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’
を算出して保持する。また、予測部１５ｃでは、演算器
１４から送られてくる最新の（ＩＲ（ｎ）／Ｒ（ｎ））
の値とホールド部から取り込まれる（ΔＲ／ΔＩＲ（HO
LD))’の値とからФを予測し、Ф（HOLD）として保持す
る。この演算は、次式により行なわれる。 Ф（HOLD）＝（ΔＲ／ΔＩＲ（HOLD))’×（ＩＲ（ｎ）
／Ｒ（ｎ）） 補正部１５Ｄでは、演算器１４から送られてくるФの値
と予測部１５Ｃから取り込まれるФ（HOLD）の値とばら
つき検出部１５Ａから入力されるｋの値とから補正され
たФ’を次式により算出する。 Ф’＝（１−ｋ）Ф（ｎ）＋ｋФ（HOLD）

【００１２】最終段の演算器１６では、補正回路１５か
ら入力される補正されたФ’の値に基づいて、酸素飽和
度Ｓを次式により算出する。 Ｓ＝ｆ（Ф’） 出力端子１７から取り出される酸素飽和度Ｓの値はモニ
タなどに表示される。

【００１３】図３は、被験者の手指にプローブを装着
し、手指を動かして体動ノイズを発生させながら酸素飽
和度Ｓを測定したときの測定結果を図示したものであ
る。図中Ｇ１は補正後の酸素飽和度Ｓの測定結果を示
し、図中Ｇ２は補正前の酸素飽和度Ｓの測定結果を示
す。この図からも明らかなように、体動ノイズによりば
らついた吸光度の比Фの値を補正回路１５で補正するこ
とにより、体動ノイズによる影響が軽減された正確な酸
素飽和度Ｓを測定することができる。

【００１４】このように本発明の手法によれば、吸光度
の比Фの値がばらついているときでも受光出力の直流成
分を用いて測定を継続できるため、真の酸素飽和度Ｓが
変化すれば、その動きに対して同じ傾向で測定結果を追
従させることができる。また、安定状態においては、ほ
とんど補正動作は働かないので、応答性を損なうことは
ない。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、吸
光度の比Фが体動などによるノイズの混入でばらついて
いると判断された場合に、２波長の安定時の受光出力の
うち脈動成分の値を保持しておき、この保持した値と最
新の受光出力の直流成分の値とから補正された吸光度の
比Ф’を求め、このФ’の値に基づいて酸素飽和度Ｓを
算出している。これにより体動などにより生じたノイズ
の影響を最小限に抑えることができ、従来よりもより正
確な酸素飽和度Ｓの測定を行なうことができる。また、
本発明では平均値処理を行なっていないので、高い応答
性で酸素飽和度を測定できる。また、体動などによるノ
イズが発生した場合に、従来のように測定が中断されて
しまうような不具合は発生せず、継続的に測定を行なえ
るので、被験者の酸素飽和度を連続的に監視できるとい
う利点がある。

【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一実施例を
示すブロック図である。

【図２】図１のパルスオキシメータで補正回路の内部構
成を説明するためのブロック図である。

【図３】補正された酸素飽和度Ｓと補正前の酸素飽和度
Ｓの測定結果を対比して示すグラフである。

【図４】赤色光の受光出力の直流成分と脈動成分を説明
するための波形図である。

【図５】赤外光の受光出力の直流成分と脈動成分を説明
するための波形図である。

【符号の説明】

１，２ 発光ダイオード ３ 発振回路 ４ 生体組織 ５ フォトダイオード ６ 増幅器 ７ マルチプレクサ ８，９ ハイパスフィルタ １４ 演算器 １５ 補正回路 １５Ａ ばらつき検出部 １５Ｂ ホールド部 １５Ｃ 予測部 １５Ｄ 補正部 １６ 演算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動脈血流を含む生体組織に赤色光と赤外
   光の異なる２波長の光をそれぞれ照射する第１および第
   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、 この受光素子の受光出力から得られる各波長の直流成分
   と脈動成分から２波長についての動脈血流による吸光度
   の脈動成分の比を算出する第１の演算器と、 この第１の演算器から出力される吸光度の比のばらつき
   の程度を検出するとともに、上記各波長の脈動成分を安
   定時に保持し、吸光度の比にばらつきがある場合は、安
   定時に保持した各波長の脈動成分と現在の各波長の直流
   成分とを用いて補正された吸光度の比を算出する補正回
   路と、 この補正回路から出力される吸光度の比から動脈血の酸
   素飽和度を算出する第２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。