JPH10201743A - オキシメータ - Google Patents

オキシメータ

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JPH10201743A
JPH10201743A JP9007948A JP794897A JPH10201743A JP H10201743 A JPH10201743 A JP H10201743A JP 9007948 A JP9007948 A JP 9007948A JP 794897 A JP794897 A JP 794897A JP H10201743 A JPH10201743 A JP H10201743A
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JP
Japan
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light
voltage signal
converter
current
noise component
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JP9007948A
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Inventor
Akihiko Yanaga
秋彦 彌永
Takekiyo Inoue
武清 井上
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Advanced Medical Inc
Original Assignee
Advanced Medical Inc
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度特性、オフセット特性の調整が容易で、而
も小型化、小電力化を図る。 【解決手段】指Hに異なる波長の光を発光する2つの発
光素子4、5と、指を透過する異なる波長の光を受光
し、それぞれの波長の光強度に対応した電流信号を出力
する受光素子6と、受光素子から出力される電流信号を
電圧信号に変換する電流電圧変換回路9と、電流電圧変
換回路から出力される電圧信号をデジタル化するA/D
変換器10と、2つの発光素子の発光タイミングを制御
し且つA/D変換器によるA/D変換を2つの発光素子
の発光タイミングに対応させるマイクロコンピュータ2
0とを備え、マイクロコンピュータにはA/D変換器で
変換されたデジタル電圧信号AD1、AD2から高周波領
域の雑音成分および低周波領域の雑音成分をそれぞれ除
去するデジタルフィルタ21が内蔵されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はオキシメータに係
り、特に動脈血の酸素飽和度を無侵襲且つ連続的に測定
するオキシメータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、動脈血の酸素飽和度SaO2
を無侵襲且つ連続的に測定するためにオキシメータが使
用されている。オキシメータは動脈血の脈動により生ず
る組織透過光の脈動を利用するもので、血液の脈動分の
減光度を2つの光波長で測定し、その比を求めて酸素飽
和度に換算するものである。
【0003】このようなオキシメータは図9に示すよう
に、人体の一部Hに装着されるセンサ部51と、センサ
部51からの信号が入力され演算処理する測定部52と
から成る。センサ部51は人体の一部H内に異なる波長
の光を発光する第1光発光素子53および第2光発光素
子54と、人体の一部Hを透過する異なる波長の光を受
光し、第1光発光素子53および第2光発光素子54の
各波長の光強度に対応した電流信号を出力する受光素子
55とを備え、この第1光発光素子53および第2光発
光素子54と受光素子55とは、人体の一部Hを介して
互いに対向するように配置される。第1光発光素子53
は第1光駆動回路56、第2光発光素子54は第2光駆
動回路57にそれぞれ接続され、この第1光駆動回路5
6および第2光駆動回路57は後述するマイクロコンピ
ュータ65に内蔵されたタイミング回路66により作ら
れるタイミングによって制御される。
【0004】測定部52は受光素子55から入力される
光強度に対応した電流信号を電圧信号に変換する電流電
圧変換回路58と、電流電圧変換回路58から入力され
る電圧信号をそれぞれの波長の光強度に対応した電圧信
号に分配する分配回路59と、分配回路59で分配され
た第1光に対応する電圧信号を増幅し該電圧信号に重畳
された高周波領域の雑音成分(以下、「高周波雑音成
分」という。)を除去する第1光DC処理回路60と、
第1光DC処理回路60で高周波雑音成分が除去された
第1光の電圧信号に重畳された低周波領域の雑音成分
(以下、「低周波雑音成分」という。)を除去する第1
光AC処理回路61と、分配回路59で分配された第2
光に対応する電圧信号を増幅し該電圧信号に重畳された
高周波雑音成分を除去する第2光DC処理回路62と、
第2光DC処理回路62で高周波雑音成分が除去された
第2光の電圧信号に重畳された低周波雑音成分を除去す
る第2光AC処理回路63と、第1光DC処理回路6
0、第1光AC処理回路61、第2光DC処理回路62
および第2光AC処理回路63からそれぞれ入力される
アナログの電圧信号をデジタル信号に変換するA/D変
換器64と、第1光駆動回路56、第2光駆動回路5
7、分配回路59、A/D変換器64およびタイミング
回路66を制御するCPU67が内蔵されたマイクロコ
ンピュータ65とを備えている。
【0005】第1光DC処理回路60および第2光DC
処理回路62は、電圧信号を増幅する増幅器と、増幅器
で増幅された電圧信号から高周波雑音成分を除去するロ
ーパスフィルタとを、それぞれ有している。また、第1
光AC処理回路61および第2光AC処理回路63は、
第1光DC処理回路60および第2光DC処理回路62
でDC処理された電圧信号に重畳された低周波雑音成分
を除去するハイパスフィルタを、それぞれ有している。
【0006】このように構成されたオキシメータ50の
測定動作について、図10に示すタイミングチャートを
用いて説明する。人体の一部Hにセンサ部51を装着す
ると、CPU67はタイミング回路66により作られる
タイミングによって第1光駆動回路56を制御して、第
1光発光素子53を駆動させる。第1光発光素子53か
ら発光された第1光は指を透過することにより減衰され
受光素子55に受光される。受光素子55はこの減衰さ
れた第1光の強度に対応した電流を出力し、この出力電
流は電流電圧変換回路58により電圧信号に変化され
る。CPU67は第1光発光素子53が発光している間
に、分配器59を制御して第1光の電圧信号を第1光D
C処理回路60に接続させる。この際、第1光の電圧信
号は第2光DC処理回路62には接続されない。
【0007】次に、CPU67は第1光発光素子53の
発光を停止させ、第2光駆動回路57を制御して、第2
光発光素子54を駆動させる。第2光発光素子54から
発光された第2光は人体の一部Hを透過することにより
減衰され受光素子55に受光される。受光素子55は、
第1光を受光したときと同様に、減衰された第2光の強
度に対応した電流を出力し、この出力電流は電流電圧変
換回路58により電圧信号に変化される。CPU67は
第2光発光素子54が発光している間に、分配器59を
制御して第2光の電圧信号を第2光DC処理回路62に
接続させる。この際、第2光の電圧信号は第1光DC処
理回路60には接続されない。
【0008】第1光DC処理回路60に接続された第1
光の電圧信号は、第1光DC処理回路60で増幅され且
つ該電圧信号に重畳された高周波雑音成分が除去され
る。この高周波雑音成分が除去された第1光の電圧信号
は、第1光AC処理回路61で第1光の電圧信号に重畳
された低周波雑音成分が除去される。同様に、第2光D
C処理回路62に接続された第2光の電圧信号は、第2
光DC処理回路62で増幅され且つ該電圧信号に重畳さ
れた高周波雑音成分が除去される。この高周波雑音成分
が除去された第2光の電圧信号は、第2光AC処理回路
63で第2光の電圧信号に重畳された低周波雑音成分が
除去される。
【0009】このように、DC処理、AC処理された第
1光電圧信号および第2光電圧信号は、第2光発光素子
54の発光が停止されるとCPU67による制御で駆動
されたA/D変換器64によって、第1光AC処理回路
61から入力される第1光AC処理信号、第1光DC処
理回路60から入力される第1光DC処理信号、第2光
AC処理回路63から入力される第2光AC処理信号、
第2光DC処理回路62から入力される第2光DC処理
信号の順番に、それぞれデジタル信号に変換される。
【0010】得られた各デジタル信号は、CPU67に
よって所定のデジタル演算処理が行なわれ、酸素飽和度
が算出される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、分岐さ
れている第1光DC処理回路60および第2光DC処理
回路62には、それぞれ温度特性、オフセット特性の異
なった増幅器が使用されているので、増幅器自体の特性
の調整は個々に調整しなければならない難点があった。
また同一型番の増幅器を使用しても個々に調整しなけれ
ばならなかった。
【0012】また、使用される分配回路59、第1光D
C処理回路60、第1光AC処理回路61、第2光DC
処理回路62、第2光AC処理回路63はアナログ回路
なので、回路が複雑になりIC化が困難になる難点があ
った。したがって、オキシメータの小型化、小電力化が
困難になっていた。さらに、図11(a)、(b)に示
すように、A/D変換器64によるA/D変換範囲にお
いて、第1光DC処理回路60、および第2光DC処理
回路62から得られる各電圧V1、V2と、0点との差分
が直流電圧値であるので、脈波振幅電圧を高分解能で認
識するのが非常に困難であった。
【0013】本発明は、このような従来の難点を解決す
るためになされたもので、温度特性、オフセット特性の
調整が容易で、而も小型化、小電力化が図れるオキシメ
ータを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る本発明のオキシメータは、生体の組織内に異なる波長
の光を発光する2つの発光素子と、組織を透過する異な
る波長の光を受光し、それぞれの波長の光強度に対応し
た電流信号を出力する受光素子と、受光素子から出力さ
れる電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路
と、電流電圧変換回路から出力される電圧信号をデジタ
ル化するA/D変換器と、2つの発光素子の発光タイミ
ングを制御し且つA/D変換器によるA/D変換を2つ
の発光素子の発光タイミングに対応させるマイクロコン
ピュータとを備えた血液中の酸素飽和度測定装置であっ
て、マイクロコンピュータにはA/D変換器で変換され
たデジタル電圧信号から高周波領域の雑音成分および低
周波領域の雑音成分をそれぞれ除去するデジタルフィル
タが内蔵されたものである。
【0015】また、本発明のオキシメータにおいてデジ
タルフィルタは、高周波領域の雑音成分および低周波領
域の雑音成分を同時に除去する櫛形フィルタを使用する
のが好ましい。このように構成された本発明のオキシメ
ータは、電流電圧変換回路から出力された電圧信号をA
/D変換器でデジタル化させ、このA/D変換器でデジ
タル化されたデジタル電圧信号はマイクロコンピュータ
に内蔵されたデジタルフィルタによって高周波領域の雑
音成分および低周波領域の雑音成分がそれぞれ除去され
る。これにより、マイクロコンピュータで酸素飽和度を
求めるための所定の演算処理を行なうことが可能になる
ので、アナログ回路のDC処理回路およびAC処理回路
が必要なくなる。また、マイクロコンピュータによっ
て、A/D変換器によるA/D変換を2つの発光素子の
発光タイミングに対応させるように制御するので、分配
回路が必要なくなる。
【0016】このように、A/D変換後に高周波領域の
雑音成分および低周波領域の雑音成分を除去することが
できるので、IC化させることができる。これにより、
小型化、小電力化が図れるようになる。また、デジタル
フィルタとして櫛形フィルタを使用することにより、デ
ジタル電圧信号のDC、AC処理を同時に行なうことが
できる。
【0017】
【本発明の実施の形態】以下、本発明のオキシメータの
実施の一形態について図面を参照して説明する。本発明
のオキシメータは図1に示すように、人体の一部H、例
えば指、腕等に装着されるセンサ部2と、センサ部2か
らの信号が入力され演算処理する測定部3とから成る。
センサ部2は生体の組織内に異なる波長の光を発光する
第1光発光素子4および第2光発光素子5と、組織を透
過する異なる波長の光を受光し、第1光発光素子4およ
び第2光発光素子5の各波長の光強度に対応した電流信
号を出力する受光素子6とを備え、この第1光発光素子
4および第2光発光素子5と受光素子6とは組織、例え
ば手指Hを介して互いに対向するように配置される。第
1光発光素子4は第1光駆動回路7、第2光発光素子5
は第2光駆動回路8にそれぞれ接続され、この第1光駆
動回路7および第2光駆動回路8は後述するマイクロコ
ンピュータ20に内蔵されたタイミング回路22により
作られるタイミングによって制御される。
【0018】測定部3は受光素子6から入力される光強
度に対応した電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変
換回路9と、電流電圧変換回路9から出力される電圧信
号をデジタル化するA/D変換器10と、デジタルフィ
ルタである櫛形フィルタ21、タイミング回路22およ
びCPU23が内蔵され第1光駆動回路7、第2光駆動
回路8およびA/D変換器10を制御するマイクロコン
ピュータ20と、マイクロコンピュータ20のCPU2
3からの演算処理データを表示する表示部11とを備え
ている。
【0019】マイクロコンピュータ20に内蔵された櫛
形フィルタ21の周波数特性は図2に示すように、基本
設計周波数およびそのオーバートーンx0、x1、x
2、x3、x4、・・・・・を急峻に減衰できるもので
ある。ここで、設計周波数を商用電源50または60H
zにすれば、x0:DC、x1:50Hz(60H
z)、x2:100Hz(120Hz)、x3:150
Hz(180Hz)となることから、 商用電源ノイズ
(ハムノイズ)を除去することができる(図3)。した
がって、A/D変換器10から出力されるデジタル電圧
信号から高周波領域の雑音成分および低周波領域の雑音
成分を同時に除去することできる。
【0020】また、マイクロコンピュータ20に内蔵さ
れたタイミング回路22はCPU23からの制御に基づ
き、第1光発光素子4および第2光発光素子5の発光タ
イミングを第1光駆動回路7および第2光駆動回路8を
介して制御させる。さらに、CPU23はこの発光タイ
ミングに対応させてA/D変換器によるA/D変換を制
御すると共に、高周波領域の雑音成分および低周波領域
の雑音成分が除去されたデジタル電圧信号から直流成分
電圧VDCおよび脈波振幅電圧VACを求めるものであ
る。この直流成分電圧VDCおよび脈波振幅電圧VAC
を求めるためのデジタル演算処理は図4に示すように、
デジタル電圧信号のピークとボトム(あるいはボトムと
ピーク)間において所定回数サンプリングする。このサ
ンプリングデータから直流成分電圧VDCは時間積分さ
れ、
【0021】
【数1】
【0022】と求めることができる。ここで、niはA
D変換値、nはP−B(B−P)間の変換数とする。ま
た、サンプリングデータから脈波振幅電圧VACは時間
積分され、
【0023】
【数2】
【0024】と求めることができる。即ち、サンプリン
グデータよりの絶対値差の総和が求められることにな
る。ここで、図5に示すように直流成分DCに重畳され
た交流成分ACが4〜5LsB、Bottom−Peak間のサン
プリング回数を50回とすると、
【0025】
【数3】
【0026】となる。したがって、その時の誤差は、
【0027】
【数4】
【0028】となることから、約1%の誤差に収束させ
ることができ、測定上の誤差をかなり軽減できる。この
ように構成されたオキシメータ1の測定動作について、
図6に示すタイミングチャートおよび図7に示すフロー
チャートを用いて説明する。なお、A/D変換器は、従
来のオキシメータに使用されるA/D変換器より高分解
能のものを使用する。
【0029】例えば指Hにセンサ部2を装着すると、C
PU23はタイミング回路22により作られるタイミン
グによって第1光駆動回路7を制御して、第1光発光素
子4を駆動させる。第1光発光素子4から発光された第
1光は指Hを透過することにより減衰され受光素子6に
受光される(ステップ101、102、103、10
4)。受光素子6はこの減衰された第1光の強度に対応
した電流信号を出力し、この出力電流は電流電圧変換回
路9により電圧信号に変化される。CPU23は第1光
発光素子4が発光している間に、A/D変換器10によ
ってこの電圧信号をデジタル電圧信号(以下、「第1光
デジタル信号」という。)AD1に変換させ、この第1
光デジタル電圧信号AD1を櫛形フィルタ21に通過さ
せる。これにより、第1光デジタル電圧信号AD1から
高周波領域の雑音成分および低周波領域の雑音成分を同
時に除去することができる(ステップ109)。
【0030】この後、CPU23はタイミング回路22
により作られるタイミングによって第2光駆動回路8を
制御して、第2光発光素子5を駆動させる。第2光発光
素子5から発光された第2光は指Hを透過することによ
り減衰され受光素子6に受光される(ステップ105、
106、107、108)。受光素子6はこの減衰され
た第2光の強度に対応した電流信号を出力し、この出力
電流は電流電圧変換回路9により電圧信号に変化され
る。CPU23は第2光発光素子5が発光している間
に、A/D変換器10によってこの電圧信号をデジタル
電圧信号AD2(以下、「第2光デジタル信号」とい
う。)に変換させ、この第2光デジタル電圧信号AD2
を櫛形フィルタ21に通過させる。これにより、第2光
デジタル電圧信号AD2から高周波領域の雑音成分およ
び低周波領域の雑音成分を同時に除去することができる
(ステップ109)。
【0031】高周波領域の雑音成分および低周波領域の
雑音成分が除去された第1光デジタル電圧信号ADC
1、第2光デジタル電圧信号ADC2はそれぞれCPU2
3にて、波形のピークが検索され(ステップ110)、
次に時間積分が開始され(ステップ111)、さらに波
形のボトムが検索される(ステップ112)。そして、
時間積分が終了すると(ステップ113)、CPU23
にて第1光VDC1、第2光VDC2、第1光VAC1、
第2光VAC2が検出される(ステップ114)。ここ
で、第1光VDC1=第1光による直流成分電圧、第2
光VDC2=第2光による直流成分電圧、第1光VAC1
=第1光による脈波振幅電圧、第2光VAC2=第2光
による脈波振幅電圧なので、血中酸素飽和度%SaO2
は、
【0032】
【数5】
【0033】と求めることができる(fは第1光、第2
光吸光度で決まる所定の係数)。なお、発光素子の発光
強度および受光素子の波長による感度ばらつきがあるの
で、脈波振幅電圧VACを算出するためには、
【0034】
【数6】
【0035】と求めることになる。即ち、脈波成分(脈
波振幅電圧)以外の直流成分電圧(発光素子の発光強度
のばらつき、組織の吸光、電気回路の性能のばらつき等
を含めた成分)で除算することにより正規化しなけれ
ば、正確な血中酸素飽和度%SaO2を求めることがで
きない。このようにマイクロコンピュータ20で演算さ
れた血中酸素飽和度%SaO2は、表示部11に表示さ
れる。なお、血中酸素飽和度%SaO2は乳児の手の
平、足の平に装着して測定した場合には、%SpO2
する。
【0036】また、本実施の一形態においてはデジタル
フィルタとして櫛形フィルタを使用したが、これに限ら
ず、高周波領域の雑音成分を除去するローパスフィルタ
および低周波領域の雑音成分を除去するハイパスフィル
タを使用してもよい。また、本実施の一形態においては
A/D変換器に従来のA/D変換器より高分解能なもの
を使用していたが、従来のA/D変換器を使用してもよ
い。この際、図8(a)、(b)に示すように、従来の
A/D変換器の直流利得を上げ仮想オフセットを増幅す
ることにより脈波成分(脈波振幅電圧)を認識できるよ
うになる。
【0037】さらに、本実施の一形態においてはタイミ
ング回路およびデジタルフィルタをマイクロコンピュー
タに内蔵したが、CPUコアに構築してもよい。
【0038】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のオキシ
メータによれば、A/D変換器で変換されたデジタル電
圧信号を、マイクロコンピュータに内蔵されたデジタル
フィルタによって高周波領域の雑音成分および低周波領
域の雑音成分をそれぞれ除去するので、温度特性、オフ
セット特性の調整が容易になり、而も装置の小型化、小
電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のオキシメータの実施の一形態を示すブ
ロック図。
【図2】図1に示すオキシメータに使用される櫛形フィ
ルタの伝達特性を示すグラフ。
【図3】図1に示すオキシメータに使用される櫛形フィ
ルタによる処理を示す図で、(a)は櫛形フィルタに入
力する入力波形図、(b)は通過後の波形図。
【図4】図1に示すオキシメータに使用されるマイクロ
コンピュータによるサンプリング状態を示す波形図。
【図5】図1に示すオキシメータに使用されるマイクロ
コンピュータによるサンプリング状態の具体例を示す波
形図。
【図6】図1に示すオキシメータの動作タイミングチャ
ート図。
【図7】図1に示すオキシメータのマイクロコンピュー
タによる動作フローチャート図。
【図8】図1に示すオキシメータに、従来、使用されて
いたA/D変換器を使用するときの当該A/D変換器の
変換特性を示す図で、(a)はA/D変換範囲を示す説
明図、(b)は電流電圧変換回路に入力される電流信号
の波形、およびマイクロコンピュータに入力されるデジ
タル電圧信号の波形をそれぞれ示す波形図。
【図9】従来のオキシメータを示すブロック図。
【図10】従来のオキシメータの動作タイミングチャー
ト図。
【図11】従来のオキシメータのA/D変換器の変換特
性を示す図で、(a)はA/D変換範囲を示す説明図、
(b)は電流電圧変換回路に入力される電流信号の波
形、第1光DC処理回路から出力される高周波雑音成分
が除去された第1光の電圧信号の波形、および第2光D
C処理回路から出力される高周波雑音成分が除去された
第2光の電圧信号の波形をそれぞれ示す波形図。
【符号の説明】
1・・・・・・オキシメータ 4、5・・・・・・発光素子 6・・・・・・受光素子 9・・・・・・電流電圧変換回路 10・・・・・・A/D変換器 20・・・・・・マイクロコンピュータ 21・・・・・・(櫛形フィルタ)デジタルフィルタ AD1、AD2・・・・・・デジタル電圧信号 H・・・・・・指(生体の組織)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】生体の組織内に異なる波長の光を発光する
    2つの発光素子と、前記組織を透過する前記異なる波長
    の光を受光し、それぞれの波長の光強度に対応した電流
    信号を出力する受光素子と、前記受光素子から出力され
    る前記電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路
    と、前記電流電圧変換回路から出力される前記電圧信号
    をデジタル化するA/D変換器と、前記2つの発光素子
    の発光タイミングを制御し且つ前記A/D変換器による
    A/D変換を前記2つの発光素子の前記発光タイミング
    に対応させるマイクロコンピュータとを備えた血液中の
    酸素飽和度測定装置であって、前記マイクロコンピュー
    タには前記A/D変換器で変換されたデジタル電圧信号
    から高周波領域の雑音成分および低周波領域の雑音成分
    をそれぞれ除去するデジタルフィルタが内蔵されたこと
    を特徴とするオキシメータ。
  2. 【請求項2】前記デジタルフィルタは前記高周波領域の
    雑音成分および前記低周波領域の雑音成分を同時に除去
    する櫛形フィルタであることを特徴とする請求項1記載
    のオキシメータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004029251A1 (ja) * 2002-09-24 2004-04-08 Arkray, Inc. フルクトシルアミンオキシダーゼ
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