JPH08512217A - パルス酸素計用電子プロセッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子プロセッサのアーキテクチャが、データ収集およびシステム制御信号の生成などのタスクに必要なコントローラの処理時間の量を低減するような、血液成分の濃度を測定する装置。復調器がプローブと結合されて、第１電気信号をデジタル・データに変換する。インタフェースは復調器と結合されて、デジタル・データを受け取り、デジタル・データの最初の量を受け取ったときに割り込みを生成する。バッファ・メモリはインタフェースと結合されて、デジタル・データを格納する。コントローラ・メモリを有するコントローラ（具体的実施例では、ＣＰＵメモリを有するＣＰＵ）も、バッファ・メモリと結合される。コントローラは、割り込みに応答して、バッファ・メモリからのデジタル・データを、コントローラ・メモリに転送する。ついで、コントローラは、デジタル・データを処理して、動脈酸素濃度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】 パルス酸素計用電子プロセッサ 関連特許の引用 本発明は、共同で譲渡された、パルス酸素計のための電子プロセッサと題する 米国特許出願番号０８／０４０，８３９の一連の同時係属の部分継続出願であり 、その全体の明細書は引用により包含される。 技術分野 本発明は、血液成分の濃度の生体内測定を行う方法と装置に関する。さらに詳 しくは、生体組織に複数の波長の光を導入して、その結果の吸収光と散乱光の減 衰量を測定してヘモグロビンの酸素飽和レベルを算定するパルス酸素計を使用し て、ヘモグロビンの酸素飽和度を測定できる方法と装置について既述する。 背景技術 ヘモグロビンの酸素飽和度、すなわち、血液酸素付加濃度は、試験管内または 生体内を通過するときの血液サンプルの光エネルギーの減衰量を測定することに よって算定できる。血流中では、ヘモグロビンは酸素と緩く結合して、オキシヘ モグロビンを形成し、種々の身体組織 に酸素を輸送して、そこで酸素を放出できる。血液酸素付加濃度の生体内におけ る光学的測定は、ヘモグロビンとオキシヘモグロビンの吸光特性が異なるので、 一定の血液サンプルが光エネルギーを減衰する度合いが、サンプル内の酸素濃度 に直接関係しているという事実に基づいている。たとえば、ヘモグロビンは、オ キシヘモグロビンに比べて、可視赤色光（すなわち、６２０から７２０ナノメー タ（ｎｍ）の波長を有する光）を余り透過しない。そのため、高い酸素濃度の血 液は、低い酸素濃度の血液よりも、可視赤色光を多く透過する。 低酸素症の発症を充分に警告するために、パルス酸素計は、患者のヘモグロビ ン酸素飽和度を正確に絶えずリアルタイムで測定できなければならない。酸素計 は、患者の組織を透過する光の強度を測定するフォトセンサと組み合わせてパル ス光源を採用する形で開発されてきた。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、たとえば 可視赤色光と赤外線を生じる光源として使用されることが多い。一部の装置では 、ＬＥＤは、インタリーブ（interleave）された信号ストリームを作るために順 次パルスを発生させて、これがフォトセンサによって検出される。この信号スト リームは、所望の方法でインタリーブされた可視赤色光、赤外線、周辺電磁放射 線によって構成できる。このような酸素計は通常、光電プローブと電子プロセッ サを含む。光電プローブは、光源とフォトセンサを収容し ており、フォトセンサに検出される前に予め、光を、組織に直接通す（前方散乱 ）か、または組織から反射させる（後方散乱）ことができるように、患者の上に 配置する。光電プローブは通常、患者の指もしくは耳に取り付けられる。 電子プロセッサは、光電プローブと共に使用されて、光源への電力を制御する のに使用され、フォトセンサからの光信号の振幅を測定し、光が組織によって減 衰される度合いを測定し、血液酸素付加濃度のリードアウト値を提供する。この 一般的タイプのパルス酸素計は、New,Jr.,et al.による、共に譲渡された米国特 許第４，６２１，５４３号に開示されており、その明細書全体は引用によりここ に包含される。 血液酸素付加濃度を効果的に連続してリアルタイムでモニタするには、パルス 酸素計の動作が可能な限り自動化されなければならない。たとえば術中、麻酔科 医は、一定期間にわたる、酸素付加濃度に関する最新の正確な生体内情報を必要 とする。このような状況では、酸素計装置を手動で調整する必要がほとんどない 形でこの情報が入手でき、注意をより優先順位の高いタスクからそらせないよう にすることが望ましい。 パルス酸素計の自動化動作は、たとえば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）に具体 化されるなど、コントローラおよび制御回路の使用を通じて達成されてきた。Ｃ ＰＵは 血液酸素付加濃度の計算および表示に使用するのみならず、データ収集，透過光 の強度の調整，ＬＥＤのチョッピング・レート（chopping rate）の制御，光の 強度を測定するための回路利得の調整，およびサンプル・アンド・ホールド（ｓ ／ｈ）回路とアナログ・デジタル（ａ／ｄ）変換器の制御を含め、他の種々のタ スクにも使用されている。これらのタスクはそれぞれ、貴重なＣＰＵ処理時間を 消費するので、入力データを処理して血液酸素付加濃度を計算するのに利用でき る時間の量を削減する。たとえば、ＣＰＵは通常、ＬＥＤ駆動回路を制御するた めにチョップ・サイクルごとに割り込まれ、このチョッピング・レートは通常、 ＬＥＤのＯＮ／ＯＦＦ速度より５から１０倍も速くなっている。チョップ・サイ クルは、各ＬＥＤの「ｏｎ」期間と、どのＬＥＤもエネルギーを伝送しない少な くとも１つの「暗」期間によって構成される。 加えて、パルス酸素計の正確度にとって重要な、ｓ／ｈおよびａ／ｄ回路の制 御は、ＣＰＵ処理時間の相当量を消費し、一部のａ／ｄ回路は、チョップ頻度を 超える率で割り込みを必要とする。これらの回路は、光電プローブからの広いダ イナミック・レンジの光信号をカバーするように頻繁に調整しなければならない 。これらの回路のサンプル・レートはまた、後続のＣＰＵ処理を行うために、測 定した光信号のデジタル化を最適化する ように調整される。また、光源の強度および入力増幅器の利得も、光信号のダイ ナミック・レンジをカバーするのにｓ／ｈおよびａ／ｄ回路を支援するように調 整できる。あいにく、患者の動きは避けられないため、頻繁に回路調整が必要で ある。 図１は、先行技術によって設計されたパルス酸素計２のブロック図である。パ ルス酸素計２は、光電プローブ１０と電子プロセッサ１２を含む。光電プローブ １０は複数のＬＥＤ１４とフォトセンサ１６を含む。対応しあう部材には種々の 図を通して同じ番号が付されている。 ＬＥＤ１４からの光は患者の組織１８を通過し、組織１８を通過または反射し た後、光はフォトセンサ１６によって受光される。フォトセンサ１６は、受け取 ったエネルギーを電子信号に変換し、この信号はついで、入力増幅器２０（通常 は固定利得増幅器）に送られる。この電気信号は増幅されて、これにより後続の 回路によって処理されるのに充分な信号の振幅にする。増幅器２０はまた処理し た信号をバッファする。増幅器２０から、信号は、アナログ・オフセット回路２ ２に与えられ、この回路は、信号の極性を制御し、必要に応じて信号の振幅を選 択的に調整する。信号の振幅はまた、プログラム可能利得回路２４によっても調 整される。このような信号の振幅の調節は、信号が、ｓ／ｈおよびａ／ｄ回路２ ６によって処理される前に行われて、信号の振幅が、回路 ２６の限られたダイナミック・レンジ内に確実に入るようにする。入力信号がこ れらの装置のダイナミック・レンジを超える場合には、信号クリッピング（clip ping）が発生し、これにより、不正確なデータがＣＰＵ２８に与えられる。この ため最終的には結果として、表示器３０に表示される血液酸素付加濃度の計算に エラーが生じる。 上記の振幅調整を行うにあたって、ＣＰＵ２８は、光信号の振幅と、ｓ／ｈお よびａ／ｄ回路２６のダイナミック・レンジとを対比する。振幅がこれらのレン ジの限界に近づくと、ＣＰＵ２８はいくつかのパラメータを調整して、光信号の 振幅をその範囲内に抑える。たとえば、ＣＰＵ２８は、ＬＥＤ駆動回路３２から ＬＥＤ１４に与えられる電力を調整できる。ＣＰＵ２８はまた、アナログ・オフ セット回路２２とプログラム可能利得回路２４の利得をそれぞれ調整できる。ま た、ＣＰＵ２８は、ｓ／ｈおよびａ／ｄ回路２６自体の信号処理速度を調整でき る。 ＣＰＵがパルス酸素計で通常実施するタスクはすべて、前述のものを含めて、 貴重なＣＰＵの処理時間と処理能力を消費する。自動化モニタリングおよび酸素 計回路の調整のためにＣＰＵの使用が増加すると、その結果リアルタイムの性能 に望ましくない劣化が生じて、正確度の向上に必要な拡張計算に使用できる時間 が少なくな る。このため、これらのタスクによるＣＰＵ処理時間の消費が低減されるパルス 酸素計の設計に対する必要性が存在する。 発明の開示 本発明により、電子プロセッサのアーキテクチャが、データ収集およびシステ ム制御信号の生成などのタスクに必要なＣＰＵ処理時間の量を減らすような、血 液成分の濃度を測定する方法および装置が提供される。ＣＰＵ処理時間の相当量 がデータ収集および自動化回路調整によって消費される前述の設計とは対照的に 、本発明では、これらの機能を実施するのに、ＣＰＵから分離された自律回路(a utonomous circuitry)を採用する。 好適な実施例により、シリアル・インタフェース・モジュール（待機シリアル ・モジュール）がデータ収集に使用され、制御信号モジュール（汎用タイマ）が 各種ＬＥＤ駆動回路，アナログおよびデジタル制御信号の生成に使用され、この ため、ＣＰＵは、測定した光信号のリアルタイム処理、および正確度を向上させ るための拡張計算を含めた他のタスクに集中できる。ＣＰＵ処理時間の低減はま た、ワイドレンジａ／ｄ変換器の使用によって実現され、これは、ＣＰＵが、限 られたダイナミック・レンジに対応するために、絶えず回路パラメータを調節す る必要性を排除する。 一実施例によると、プローブによって生成される第１電気信号を用いて動脈酸 素濃度を概算する装置が提供される。復調器がプローブと結合されて、第１電気 信号をデジタル・データに変換する。コントローラ（具体的実施例ではＣＰＵ） は復調器と結合されて、このデジタル・データを処理して動脈酸素濃度を算定す る。制御信号生成器はコントローラと駆動回路と結合されて、プローブ内の電磁 放射線源を駆動する。制御信号生成器は、駆動回路用の駆動信号、また選択的に は入力増幅器の利得を生成するためのものである。制御信号生成器がコントロー ラによって初めて初期化された後は、制御信号生成器はコントローラによる介入 なしにこれを行う。この機構により、ＬＥＤ駆動または入力増幅器利得を処理す るためのコントローラの必要性が排除される。 第２の実施例により、復調器はプローブと結合されて、第１信号をデジタル・ データに変換する。インタフェースは復調器と結合されて、デジタル・データを 受け取って、デジタル・データの最初の量が受け取られた時に、割り込みを発生 する。バッファ・メモリはインタフェースと結合されて、デジタル・データを格 納する。またコントローラ・メモリ（具体的実施例では、ＣＰＵメモリを有する ＣＰＵ）を有するコントローラもバッファ・メモリと結合される。コントローラ は、バッファ・メモリからのデジタル・データを、割り込みに応 答して、コントローラ・メモリに転送する。ついで、コントローラは、デジタル ・データを処理して、動脈酸素濃度を計算する。具体的実施例では、プローブは 、電磁放射線源と検出器を含んでおり、放射線源から電磁放射線の一部を検出し 、これを第１電気信号に変換する。 第３の実施例によると、動脈酸素濃度を概算する方法および装置が提供される 。この実施例では、第１電気信号は、複数の位相によって構成され、それぞれ、 特定のタイプの電磁放射線がプローブ内のセンサによって受け取られる期間に相 当する。第１電気信号の各位相は、複数回サンプリングされる。各位相からのサ ンプルはついて、第１デジタル・データに変換される。ついで各位相からの第１ デジタル・データが平均化され、これにより、各位相の平均デジタル・データを 生成する。これにより各位相のデータに対する信号対雑音比が増加する。各位相 の第２デジタル・データはついで、たとえば、メジアン・フィルタリング（medi an filtering）および／または平均値フィルタリング（averaging filtering） などの適切なフィルタリング技術を用いて、平均デジタル・データから生成され る。ついで動脈酸素濃度が、第２デジタル・データを解析することにより算出さ れる。 第４実施例によると、第１電気信号をデジタル・データに変換するアナログ・ デジタル変換器が、プローブとコントローラとに結合される。アナログ・デジタ ル変換 器はダイナミック・レンジを有し、第１電気信号は振幅レンジを有する。アナロ グ・デジタル変換器のダイナミック・レンジは、第１電気信号の振幅レンジをカ バーするのに充分なものであるので、たとえば、ＬＥＤ駆動および／または入力 増幅器利得を調整することによって、コントローラが第１電気信号の振幅レンジ を処理する必要性を排除している。 別の実施例では、本発明は、ＣＰＵと電磁放射線源とに結合された制御信号モ ジュールを含む。制御信号モジュールは、電磁放射線源を駆動するチョップ駆動 信号、および第１電気信号をゲートするゲート信号を生成し、これにより同期検 波を容易にする。駆動信号およびゲート信号は、いったん制御信号モジュールが ＣＰＵによって初期化されたなら、ＣＰＵの介入なしに生成される。 さらなる実施例によれば、復調器がアナログ・スイッチとして提供される。検 出された光信号の波形は、光電プローブのフォトセンサから、一時制御アナログ ・スイッチに送られて同期検波を行う。各アナログ・スイッチからの出力の１つ はアースに接続される。各アナログ・スイッチには、低域フィルタがそれに続き 、ついで、ワイドレンジａ／ｄ変換器が続く。これらのａ／ｄ変換器からの出力 は、シリアル・インタフェース・モジュールとインタフェースする。このモジュ ールはデー タを収集して、ＣＰＵに与えるのに用いられる。制御信号モジュールは、ＬＥＤ 駆動回路とアナログ・スイッチとに制御信号を与えて、前述のように同期検波を 容易にする。 また別の実施例では、シリアル・インタフェース，バッファ・メモリ，ＣＰＵ ，および制御信号モジュールが１個の集積回路の一部になっている。 本発明の特質と利点に対するさらなる理解は、明細書の残りの部分と図面とを 参照することによって得られよう。 図面の簡単な説明 図１は、先行技術により設計されたパルス酸素計のブロック図である。 図２は、本発明の一実施例により設計された、復調器と処理制御回路とを含む パルス酸素計のブロック図である。 図３は、本発明の一実施例により設計された、復調器の回路図である。 図４は、本発明の一具体的実施例により採用されたマイクロコントローラの内 部ブロック図である。 図５は、ＬＥＤ駆動信号とゲート信号との関係を示すタイミング図である。 図６は、本発明の別の実施例により設計されたパルス 酸素計システムのブロック図である。 図７は、本発明のさらに別の実施例により設計されたパルス酸素計システムの ブロック図である。 図８は、本発明の一具体的実施例による「チョップ・サイクル」を表したもの である。 発明を実施するための最良の形態 本発明により、また図２を参照して、汎用タイマ（ＧＰＴ）モジュール４８が 制御信号を与えて、ＬＥＤを駆動し、入力フォトセンサ信号をゲートして、ＣＰ ＵによるＬＥＤ駆動，アナログおよびデジタル回路のタイミングの初期化後、同 期検波を与える。ＣＰＵ５０が、ＬＥＤ駆動，アナログおよびデジタル回路のタ イミングを制御する必要がある場合には、シリアル・デジタル・データの収集に 、ＣＰＵ処理能力の４０％も消費する。本発明によれば、ＧＰＴ４８は、固定も しくは可変電力出力ＬＥＤドライバ回路３２に、制御信号６８を送る。制御信号 ６８のパラメータはＣＰＵ５０によって初期化されるが、以後はＧＰＴ４８によ って持続される。またＧＰＴ４８からの制御信号６９は、アナログ・スイッチ４ ０の動作を制御するのに使用されて、処理する各信号のタイプ、すなわち、可視 ，赤外線，およびノイズの同期検波を実行する。制御信号６９は、一度にオーバ ーサンプリング（oversampling）復調器３６の一つをイネー ブルして、特定の信号タイプを伝送する。これは、たとえば、２ビット・バイナ リ・デコーダを使用して１つの信号ラインで行うことができ、このデコーダは、 ライン６９上の符合化された信号をベースに、適切な復調器３６を選択する。処 理する信号タイプの数に応じて、任意の数のオーバーサンプリング復調器３６を 使用できると理解されたい。また、１個のオーバーサンプリング復調器３６は、 ＧＰＴ４８からのタイミング信号の適切な入力を通して、複数の信号タイプを処 理するのに使用できる。ＧＰＴ４８がなければ、専用ハードウェアもしくはソフ トウェアが、ＬＥＤ駆動機能およびフォトセンサのゲート機能を実施するのに必 要となる。ソフトウェアによる実現が使用された場合には、ＣＰＵ処理能力のさ らに相当部分が消費されることになる。 好適な実施例によれば、Analog Devices,Inc.のＡＤ７７１０変換器などのワ イドレンジａ／ｄ変換器が利用される。毎秒６０サンプル／１９-２４ビット変 換機能を利用して、この新しいモノリシックａ／ｄ変換器は、少なくとも１８ビ ットの分解能を有するシリアル・デジタル・データを生成でき、酸素計のフォト センサ出力のダイナミック・レンジ全体を正確にサンプリングできる。しかしな がら、これとは対照的に、リーズナブルな価格の現在入手可能なｓ／ｈ装置は最 高約１６ビットに匹敵する処理能力しかなく、これは、回路パラメータ調整の ために、ＣＰＵ処理能力の集中的利用を必要とする。このため、本発明の一実施 例では、回路パラメータ調整のためのＣＰＵ処理能力の使用を排除するのみなら ず、ｓ／ｈ回路の必要性も排除する。 図２は、本発明により設計されたパルス酸素計４の一実施例のブロック図であ る。パルス酸素計４は、光電プローブ１０を採用しており、これはＬＥＤ１４と フォトセンサ１６を含む。光電プローブ１０は図１を参照して説明した通りに動 作する。入力増幅器２０と表示器３０も前述の説明通りに動作する。 フォトセンサ１６は、電子プロセッサ３４に検出光を表す電気信号を与える。 この信号はついで、入力増幅器２０によって処理され、前記増幅器は通常、固定 相互コンダクタンス利得を有する。上記のように、入力増幅器２０は、後続の回 路によって処理されるのに充分な信号の振幅を提供し、また処理した信号をバッ ファする。入力増幅器２０による増幅後、信号はオーバーサンプリング復調器３ ６に送られる。各オーバーサンプリング復調器３６に含まれるのがワイドレンジ ａ／ｄ変換器３８で、これは１９-２４ビットの変換分解能を有する。たとえば ａ／ｄ変換器３８は、Analog Devicis,Inc.のＡＤ７７１０回路でもよい。ａ／ ｄ変換器３８は、ｓ／ｈ回路または回路利得を調整することなく復調器３６に使 用される。復調器３６はまた、信号を処理するアナログ・ス イッチ４０を含み、これは、Analog Devices,Inc.のＡＤＧ２２１でよい。アナ ログ・スイッチ４０の切り換え速度は、ＬＥＤ１４のサイクル速度の約１０倍以 上にすべきである。たとえばＬＥＤ１４が１．６ｋＨｚの周波数で動作している 場合には、アナログ・スイッチ４０の切り換え速度は少なくとも１６ｋＨｚにな ろう。各アナログ・スイッチ４０は、増幅器２０からの出力信号を、アースと、 雑音低減のために低域フィルタ４２を含むチャネルとの間で切り換えを行う。低 域フィルタ４２の約１５Ｈｚのフィルタ・カットオフ周波数は、雑音を拒絶する 一方で、血液酸素付加濃度を表す信号を依然通すのに適切であることが判明して いる。 図３は、本発明により設計されたオーバーサンプリング復調器３６の一実施例 の回路図である。アナログ・スイッチ４０はＡＤＧ２２１でもよく、動作増幅器 ５４はAnalog Devices,Inc.,のＴＬＯＳ４でもよく、ａ／ｄ変換器３８はＡＤ７ ７１０でよい。図３に示すオーバーサンプリング復調器３６の抵抗器とコンデン サの典型的な値を表１に示す。 具体的な実施例では、３つの復調器がプローブとシリアル・インタフェースと の間に並列に結合される。１つの復調器は、赤色ＬＥＤが透過中のとき、シリア ル・データを生成するためのものである。もう１つは、赤外線ＬＥＤが透過中の ときにシリアル・データを生成するためのもので、３番目は、赤色でも赤外線Ｌ ＥＤもないＬＥＤが透過中のとき、シリアル・データを生成するためのものであ る。 フォトセンサ１６からの出力は通常電流信号である。入力増幅器２０は、これ を電圧信号に変換するように動作できる。アナログ・スイッチ４０（図３に示す ）は、アースと低域フィルタ４２との間で、入力信号の切り換えを行い、このフ ィルタは高インピーダンス電圧モードで動作する。この処理は、ワイドレンジａ ／ｄ変換器３８の５０から６０Ｈｚのサンプル・レートと組み合わさって、血液 酸素付加測定に予想される入力信号周波数の全体のレンジをカバーできる。ａ／ ｄ変換器３８はまた、内部デジタル低域パス・フィルタリングを含むこともでき る。このような場合には、低域フィルタ４２は、ａ／ｄ変換器３８のアンチ・エ リアシング・フィルタの働きをする。 本発明により設計されたオーバーサンプリング復調器のいくつかの利点はつぎ の通りである。ｉ）高周波切り換え速度が電力線の高調波から遠いという事実に より、大 幅に雑音が拒絶されること。ii）サンプル・アンド・ホールド回路が排除され、 これにより、サンプル・アンド・ホールド回路が導入するエラーが排除されるこ と。iii）ワイドレンジａ／ｄ変換器のダイナミック・レンジが大きくなること 。 図２に戻って、ａ／ｄ変換器３８からのシリアル・デジタル・データは、待機 シリアル・モジュール（ＱＳＭ）４６に与えられる。ＱＳＭ４６は入力バッファ ４７を有し、このメモリの中に、最高１６バイトの入力シリアル・デジタル・デ ータを格納できる。入力バッファ・メモリ４７がいっぱいの場合には、ＱＳＭ４ ６は割り込みを生成し、これに応答して、ＣＰＵ５０は迅速に入力バッファ・メ モリ４７からのバッファ・データをＲＡＭ５２に転送する。ＱＳＭ４６は、ａ／ ｄ変換器３８からのデータの読み取りを続ける。ＱＳＭ４６はＣＰＵ５０によっ て初期化されて、ａ／ｄ変換器３８からの入力データ・ストリームを自動的に読 み取るが、以後は独立して動作する。パルス酸素計４の動作中、ＱＳＭ４６は、 ＣＰＵ５０による介入なしに、最高１６バイトのシリアル・データを受け取れる 。そのため、ＣＰＵ５０は、１バイトごとに１回というより寧ろ、受け取った１ ６バイトのデータごとに１回のみ割り込みが行われる。これにより、ＣＰＵ５０ は、高度なアルゴリズムを動作させるのにより多くの時間を割くことができ る。また、ＱＳＭ４６は、ＣＰＵによる介入なしに同期ラインとステータス・ラ イン（status line）を処理するので、ＣＰＵ５０が１６バイトのデータを転送 するのに必要な動作は、ＣＰＵ５０が、ａ／ｄ変換器３８から直接１バイトずつ 転送しなければならなかった場合に必要となる動作よりも簡素化される。 ＣＰＵ処理時間の消費を最低限に抑える上記の方式はいずれも独立して使用で き、または他の方式と合わせて使用できて、本発明の適用範囲から逸脱しないこ とを理解されたい。たとえば、ＣＰＵ処理時間に対する要求の削減は、ワイドレ ンジａ／ｄ変換器３８を使用せずに、ＱＳＭ４６とＧＰＴ４８によって実行でき る。このような場合には、レンジの小さなａ／ｄ変換器を採用でき、ＣＰＵ５０ は、信号のクリッピングが発生しないように確保するため、電力レベルおよび回 路利得を動的に計算し設定する必要がある。 パルス酸素計４の具体的実施例では、ＱＳＭ４６，ＧＰＴ４８，ＲＡＭ５２， およびＣＰＵ５０はすべて、図４はマイクロコントローラ４４として示されてい る１個の集積回路の一部として含まれる。ＱＳＭ４６とＧＰＴ４８は、内部バス ５３を介して、ＣＰＵ５０と通信する。マイクロコントローラ４４は、モトロー ラ社のＭＣ６８ＨＣ１６マイクロコントローラでもよい。マイクロコントローラ ４４は、内部ａ／ｄ変換器７０を含む ことができ、これは、ダイナミック・レンジが限られているため、本発明の一部 の実施例では使用に適さない。しかしながら、前述のように、他の実施例では、 内部ａ／ｄ変換器７０は、ワイドレンジａ／ｄ変換器３８の代わりに使用できる 。このような実施例では、ＣＰＵ５０は信号クリッピングが発生しないことを確 保するため、電力レベルおよび回路利得を動的に計算し設定する必要がある。し かしながら、それでも尚、ＱＳＭ４６とＧＰＴ４８の使用によって実現されるＣ ＰＵ処理時間の節減が達成される。 別の実施例では、マイクロコントローラ４４は、モトローラの６８３３２によ って構成できる。６８３３２は６８ＨＣ１６とは、ＧＰＴの代わりに時間処理装 置（ＴＰＵ）を有する点を除いて同様である。ＴＰＵはＧＰＴよりも多くの制御 信号ラインを有するので、より高度な駆動およびゲート方式が可能となる。たと えば、ＧＰＴを採用する実施例（アナログ・スイッチのゲート信号がＬＥＤドラ イブと同期している）と違って、ＴＰＵを採用する実施例は、図５に示すように 独立してそれぞれのアナログ・スイッチをゲートできる。図に示すように、各Ｌ ＥＤのゲートは、当該ＬＥＤの駆動信号がアサートされて少し後に発生し、ドラ イブがオフになる少し前にオフになる。このため、光検出素子と入力増幅器は、 データ・ポイントが採られる前に安定状態に入 れる。図６のブロック図は、このような実施例を示したもので、これは、図２の 実施例とは若干変化している。ＧＰＴ４８は、ＴＰＵ４８’に置き換えられ、制 御信号６８，６９はライン６８’，６９’と置き換えられる。 本発明の別の実施例は、図７の酸素計システム１００を参照して説明される。 この実施例は４つの基本素子を含む。利得ステージ１０２は、演算増幅器ベース の電流電圧変換器である。好適な実施例では、ａ／ｄ変換器１０４は、毎秒５０ ０，０００サンプルで実行する、１２から１４ビットのモノリシック、高速ａ／ ｄ変換器である。プログラム可能ゲート・アレー（ＰＧＡ）１０６は、用途に応 じて設定可能な論理デバイスで、このデバイスはＬＥＤドライブ１１０の制御、 ａ／ｄ変換器１０４の読み取り、およびａ／ｄ変換器１０４からのデータのダウ ンサンプリング（downsampling）を含めて、いくつかの機能を実施する。コント ローラ１０８は、ＰＧＡ１０６の動作を初期化し、ＰＧＡ１０６からダウンサン プルしたデータを用いて、高水準の酸素計計算を実行する。 図７のシステムは、オーバーサンプリングの概念に沿って設計されたものであ る。信号は、最終的なデータ収集速度よりも実質的に高速でより低い分解能でデ ジタル化され、ついで、平均されて、高い信号対雑音比を生じる。図２から図６ を参照して説明した実施例の中で引 用して使用したように、「オーバーサンプリング」という語は、ＬＥＤ駆動速度 （すなわち、チョップ速度）と、最終デジタル・データ収集速度（本発明の具体 的内では波長当り毎秒５７．１サンプル）との間の関係を言う。図７の実施例に 関しては、「オーバーサンプリング」は、ａ／ｄ変換器のサンプル・レートとＬ ＥＤ駆動速度（すなわち、チョップ速度）との関係を指すのに使用される。 図７によれば、ａ／ｄ変換器１０４は、ＬＥＤが駆動される速度よりも大幅に 嵩速で動作する１個のａ／ｄ変換器であり、この１個ａ／d変換器が、「チョッ プ・サイクル」内の各「位相」を何回も、すなわち、各位相につき何百回もしく は何千回もサンプリングできるようにする。この実施例の典型的なチョップ・サ イクルを図８に示す。波形の最初の部分、すなわち、赤外線の位相は、赤外線Ｌ ＥＤが「ｏｎ」になっている期間に相当する。波形の第２および第４の部分、す なわち「暗」位相１，２は、どのＬＥＤも「ｏｎ」になっていない期間に相当す る。波形の第３の部分、すなわち、赤色位相は、赤色ＬＥＤが「ｏｎ」になって いる期間に相当する。チョップ・サイクルの各位相は、ａ／ｄ変換器１０４によ って何回もサンプリングされる。ＰＧＡ１０６は各位相のサンプルを平均化して 、各位相に対し高い信号対雑音比を割り出し、ついで、暗位相に対して得られた 数値 を、それ以前のＬＥＤ位相の数値から引いて、周辺光がない各ＬＥＤ位相に対す る信号レベルの概算値を割り出す。 たとえば、毎秒１０００サイクルのＬＥＤチョップ・レートと毎秒５００，０ ００サンプルのａ／ｄサンプル・レートが選択される場合には、オーバーサンプ リング比は５００である。このことは、位相当り１２５サンプルであることを意 味する。正常な状況下、すなわち、ゼロが雑音を意味する状況の下では、特定の 位相に対するオーバーサンプリングから導出した信号対雑音比の改善は、位相当 りのサンプル数の平方根、すなわちこの場合には係数は１１となる。これは、約 ２０ｄＢ、すなわち２０log（sqrt（１２５））の信号対雑音比の改善を意味す る。信号対雑音比のさらなる改善は、ＬＥＤチョップ・レートが、データがＣＰ Ｕに送られる速度より大幅に速いという事実からも導出できる。毎秒１０００サ イクルの４位相システムの場合、１秒間に、２個のＬＥＤそれぞれに対し２５０ サンプルとなる。毎秒５７．１の典型的なＣＰＵデータ速度が使用される場合に は、約６ｄＢのさらなる改善が達成できる（すなわち、２０log（sqrt（２５０ ／５７．１）＝６．４１）。この改善が、毎秒５００，０００サンプルで動作す る通常の１４ビットａ／ｄ変換器（これは通常、７２ｄＢの信号対雑音比を示す ）に適用される場合には、９８ｄＢの信号対雑音比 が達成できる。 処理速度の制限のために、最終的な所望のデータ速度は、ａ／ｄサンプル・レ ートまたはＬＥＤチョップ・レートよりも大幅に低くなる。ＰＧＡ１０６はａ／ ｄ変換器１０４とインタフェースし、ａ／ｄサンプル・レートでサンプルを受け 取って、所望のデータ速度で、コントローラ１０８が使用するようにデータを伝 送する。一実施例では、ＰＧＡ１０６からの出力は、毎秒５７．１サンプルで８ ビット並列ワードである。別の実施例では、ＰＧＡ１０６の出力は、同じデータ 速度で直列に符合化されたワードによって構成される。また、ＰＧＡ１０６はＬ ＥＤ駆動信号を生成する。コントローラ１０８がレジスタＰＧＡ１０６にＬＥＤ クロック速度を書き込んだ後、ＰＧＡ１０６は、コントローラ１０８のさらなる 介入なしにＬＥＤドライブを制御する。ＰＧＡ１０６はまた、ａ／ｄ変換クロッ クを生成し、ＬＥＤクロック速度に基づき、インタフェース・タイミングを生成 する。 本発明は特定の実施例を参照して具体的に示し説明してきたが、当業者であれ ば、形態および細部における上記その他の変更が、本発明の思想または範囲から 逸脱せずに可能なことは理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プローブが生成した電気信号を用いて動脈酸素濃度を計算する装置であって ： 前記プローブと結合されて、前記電気信号をデジタル・データに変換する少な くとも１個の復調器； 前記少なくとも１個の復調器と結合されて、前記デジタル・データを処理して 前記動脈酸素濃度を計算するコントローラ； 前記コントローラと、前記プローブ内の電磁放射線源を駆動する駆動回路とに 結合される制御信号生成器、 とから構成され、 前記制御信号生成器が、前記駆動回路の駆動信号を生成し、前記駆動信号は、 前記制御信号生成器が前記コントローラによって初期化された後は、前記コント ローラによる介入なしに生成される、ところの装置。 ２．前記制御信号生成器はまた、前記電気信号をゲートするゲート信号を生成し て同期検波を容易にし、前記ゲート信号は、前記制御信号生成器が前記コントロ ーラによって初期化された後は、前記コントローラによる介入なしに生成される 、ところの請求項１に記載の装置。 ３．前記電気信号は複数の位相によって構成され、各位相は、特定のタイプの電 磁放射線が前記プローブ内のセンサによって受け取られている期間に対応し、ま た前記 少なくとも１個の復調器は： 前記電気信号を受け取って、各位相につき複数回サンプリングすることにより 、各位相に対し複数のサンプルを生成する少なくとも１個のアナログ・デジタル 変換器であって、各位相からの前記サンプルを第１デジタル・データに変換する 、ところのアナログ・デジタル変換器；および 前記少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器と結合されて、各位相からの 前記第１デジタル・データをフィルタリングして、これにより、信号対雑音比を 増加させる論理回路であって、前記デジタル・データを生成する、ところの論理 回路； によって構成される請求項１に記載の装置。 ４．前記少なくとも１個の復調器は、ダイナミック・レンジを有するアナログ・ デジタル変換器によって構成され、前記電気信号は振幅レンジを有し、前記ダイ ナミック・レンジは、クリッピングなしに前記振幅レンジをカバーするのに充分 であり、このため、前記電気信号の前記振幅レンジを処理する必要性が排除され る、ところの請求項２に記載の装置。 ５．前記復調器は、所定数のデジタル・バイトが前記復調器によって生成されて 格納された時に、前記コントローラに対する割り込み信号を生成する手段を含み 、前記コントローラは、前記割り込み信号を受け取った後、 前記所定数のデジタル・バイトをバッファ・バイト・メモリからコントローラ・ メモリに転送し、前記コントローラは、中央演算処理装置によって構成され、前 記制御信号生成器は、汎用タイマによって構成される、ところの請求項１に記載 の装置。 ６．プローブによって生成される第１電気信号を用いて動脈酸素濃度を計算する 装置であって： 前記プローブと結合されて、前記第１電気信号をデジタル・データに変換する 少なくとも１個の復調器； 前記復調器と結合されて、前記デジタル・データを受け取り、前記デジタル・ データの最初の量が受け取られたときに、割り込みを生成するインタフェース； 前記インタフェースと結合されて、前記デジタル・データを格納するバッファ ・メモリ； コントローラメモリを有するコントローラ； から構成され、 前記コントローラは前記バッファ・メモリと結合され、前記コントローラは前記 割り込みに応答して、前記デジタル・データを前記バッファ・メモリから前記コ ントローラ・メモリに転送し、前記コントロータは前記デジタル・データを処理 して前記動脈酸素濃度を算出する、ところの装置。 ７．さらに、前記コントローラと、前記プローブ内の電磁放射線源を駆動する駆 動回路とに結合された制御信号 生成器によって構成され、前記制御信号生成器は、前記駆動回路の駆動信号を生 成し、また前記第１電気信号をゲートするゲート信号を生成して同期検波を容易 にするためのものであり、前記駆動信号およびゲート信号は、前記制御信号生成 器が前記コントローラによって初期化された後は、前記コントローラによる介入 なしに生成される、ところの請求項６に記載の装置。 ８．前記少なくとも１個の復調器は： 前記プローブと結合されて、前記第１電気信号をアースに間欠的に切り換え、 これにより、切り換えられた電気信号を生成するアナログ・スイッチ； 前記アナログ・スイッチと結合されて、前記切り換えられた電気信号をフィル タリングして、これにより、フィルタした電気信号を生成するフィルタ； および 前記フィルタと結合されて、前記フィルタした電気信号を前記シリアル・デジ タル・データに変換するアナログ・デジタル変換器； によって構成される、ところの請求項６に記載の装置。 ９．前記第１電気信号は複数の位相によって構成され、各位相は、前記プローブ 内のセンサによって、特定のタイプの電磁放射線が受け取られる期間に対応し、 また前記少なくとも１個の復調器は： 前記第１電気信号を受け取って、各位相を複数回サンプリングして、これによ り、各位相に対し複数のサンプルを生成するための少なくとも１個のアナログ・ デジタル変換器であって、各位相からの前記サンプルを第１デジタル・データに 変換する、ところのアナログ・デジタル変換器；および 前記少なくとも１個のアナログ・デジタル変換器と結合されて、各位相からの 第１デジタル・データをフィルタリングして、これにより信号対雑音比を増加す る論理回路であって、前記デジタル・データを生成する、ところの論理回路； によって構成される、ところの請求項６に記載の装置。 １０．前記インタフェース，前記バッファ・メモリ，前記コントローラ，および 前記制御信号生成器が１個の集積回路の一部であることを特徴とする請求項７記 載の装置。 １１．プローブによって生成される第１電気信号を用いて動脈酸素濃度を計算す る方法であって、前記第１電気信号は複数の位相によって構成され、各位相は、 前記プローブ内のセンサによって、特定のタイプの電磁放射線が受け取られる期 間に対応し、前記方法は： 前記第１電気信号の各位相を複数回サンプリングし、これにより、各位相につ いて複数のサンプルを生成する 段階； 各位相からの前記サンプルを第１デジタル・データに変換する段階； 各位相からの前記第１デジタル・データをフィルタリングして、これにより各 位相についてフィルタしたデジタル・データを生成して、各位相に対して信号対 雑音比を増加させる段階； 各位相の第２デジタル・データを前記平均デジタル・データから生成する段階 ；および 前記第２デジタル・データを解析することにより、前記動脈酸素濃度を算出す る段階； によって構成される、ところの方法。 １２．少なくとも１個の電気信号サイクルの少なくとも３つの位相は、第１電磁 放射線に対応する第１位相，周辺バックグラウンド放射線に対応する第２位相， および第２電磁放射線に対応する第３位相によって構成され、また第２デジタル ・データを生成する工程は： 前記第１位相の前記フィルタしたデジタル・データから前記第２位相の前記フ ィルタしたデジタル・データを引いて、前記第１位相の第２デジタル・データを 求める段階；および 前記第３位相の前記フィルタしたデジタル・データから、前記第２位相の前記 フィルタしたデジタル・データを引いて、前記第３位相の第２デジタル・データ を求め る段階； によって構成される、ところの請求項１１記載の方法。 １３．プローブによって生成された第１電気信号を用いて動脈酸素濃度を計算す る装置であって、前記第１電気信号は複数の位相によって構成され、各位相は、 プローブ内のセンサが特定のタイプの電磁放射線を受け取る期間に対応し、前記 装置は： 前記第１電気信号を受け取り、各位相を複数回サンプリングし、これにより、 各位相につき複数のサンプルを生成する復調器であって、各位相からの前記サン プルを第１デジタル・データに変換する、ところの復調器； 前記復調器と結合されて、各位相から前記第１デジタル・データをフィルタリ ングして、これにより、各位相のフィルタしたデジタル・データを生成して、各 位相に対する信号対雑音比を増加させる論理回路；および 前記論理回路と結合されて、前記第２デジタル・データを解析することにより 、前記動脈酸素濃度を計算するコントローラ； によって構成される、ところの装置。 １４．少なくとも１つの第１電気信号サイクルの少なくとも３つの位相が、第１ 電磁放射線に対応する第１位相，第２電磁放射線に対応する第２位相，および周 辺バックグラウンド放射線に対応する第３位相によって構 成され、また前記論理回路は、前記第１位相の前記フィルタしたデジタル・デー タから、前記第３位相の前記フィルタしたデジタル・データを引いて、前記第１ 位相の前記第２デジタル・データを求め、前記第２位相の前記フィルタしたデジ タル・データから前記第３位相の前記フィルタしたデジタル・データを引いて、 前記第２位相の第２デジタル・データを求めるためのものである、ところの請求 項１３記載の装置。 １５．前記復調器はダイナミック・レンジを有するアナログ・デジタル変換器に よって構成され、前記第１電気信号は振幅レンジを有し、前記ダイナミック・レ ンジは前記振幅レンジをカバーするのに充分であり、これにより、前記コントロ ーラが前記第１電気信号の前記振幅レンジを処理する必要性を排除すること、と ころの請求項１３記載の装置。 １６．プローブによって生成される第１電気信号を用いて動脈酸素濃度を概算す る装置であって、 前記第１電気信号から導出されたデジタル・データを解析することによって、 前記動脈酸素濃度を計算するコントローラ；および 前記プローブと結合されて、前記第１電気信号を前記デジタル・データに変換 するアナログ・デジタル変換器、から構成され、 前記アナログ・デジタル変換器はダイナミック・レン ジを有し、また前記第１電気信号は振幅レンジを有し、前記ダイナミック・レン ジは、前記振幅レンジをカバーするのに充分であり、これにより、前記コントロ ーラが、前記第１電気信号の前記振幅レンジを処理する必要性を排除する、とこ ろの装置。 １７．前記アナログ・デジタル変換器は、前記フィルタした電気信号を、少なく とも１８ビットの分解能を有するシリアル・デジタル・データに変換する、とこ ろの請求項１６に記載の装置。