(57)【要約】【課題】パルスオキシメータにおいて、発光エネルギーの増加による悪影響を招くことなく、脈動が小さい低灌流の被験者についても、精度良くＳｐＯ２値の測定を行う。【解決手段】生体における赤色光Ｒと赤外光ＩＲとの２つの波長の吸光特性の差（脈波振幅成分の比）を利用してＳｐＯ２値を非観血的に測定するパルスオキシメータにおいて、前記２つの波長の光をそれぞれ発生する発光素子の発光レベルの差による影響を打ち消すために透過光の交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを順次周期的に測定するにあたって、（ａ）で示す従来の検出期間Ｔ１に対して、（ｂ）で示すように、時間αだけ、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣを短縮する一方、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣを延長する。【選択図】図４
2010233908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
血流のある生体組織に、第１および第２の波長の光を照射し、前記生体組織を透過または反射した光の受光光量の比に基づいて血中酸素飽和度を演算するようにしたパルスオキシメータにおいて、
前記第１および第２の波長の光をそれぞれ発生する第１および第２の光源と、
前記第１および第２の光源を駆動する発光制御部と、
前記生体組織を透過または反射した前記第１および第２の波長の光を受光する受光素子と、
前記受光素子での前記受光光量の比に基づいて前記血中酸素飽和度を演算する演算処理部とを備え、
前記演算処理部は、前記第１および第２の波長での受光光量として、前記透過または反射光の変動成分と非変動成分とを順次測定した測定値の比を用い、
前記発光制御部は、前記第１の波長での変動成分の検出期間および非変動成分の検出期間、ならびに前記第２の波長での変動成分の検出期間および非変動成分の検出期間を予め定める周期毎に順次繰返し、前記変動成分の検出期間は、前記非変動成分の検出期間に比べて、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくすることを特徴とするパルスオキシメータ。
【請求項２】
前記発光制御部は、前記変動成分の検出期間を、前記非変動成分の検出期間に比べて長くすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善す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。
【請求項３】
前記発光制御部は、前記変動成分の検出期間における発光光量を、前記非変動成分の検出期間における発光光量に比べて大きくすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善す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。
【請求項４】
前記発光制御部は、前記変動成分の検出期間を、前記非変動成分の検出期間に比べて長くすること、および前記変動成分の検出期間における発光光量を、前記非変動成分の検出期間における発光光量に比べて大きくすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動脈や静脈などの血流のある生体組織に赤色光と赤外光とを照射し、透過または反射した光を利用して、２つの波長の吸光特性の差から血中酸素飽和度を非観血的に測定するパルスオキシメータに関し、特に脈動が小さく、信号の交流成分が小さい低灌流の場合の精度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記のようなパルスオキシメータでは、前記赤色光および赤外光を被験者の指などに交互に照射して、その透過光または反射光をシリコンフォトダイオードなどの受光素子で光電変換し、得られた入射光強度に応じた電流出力を、オペアンプを用いた電流電圧変換回路を用いて電圧信号として取出している。その後、前記電圧信号は更に増幅回路によって増幅され、アナログ／デジタル変換回路によってデジタル信号に変換されて演算装置に入力され、前記２つの波長の吸光特性の差から前記血中酸素飽和度が計算される。
【０００３】
具体的には、前記赤色光および赤外光のデータは血管の脈動に従って大きさが変化する。ある時間の中で、赤色光の変化した交流成分（脈波信号）をＲＡＣ、赤外光の変化した交流成分（脈波信号）をＩＲＡＣ、赤色光の変化していない直流成分をＲＤＣ、赤外光の変化していない直流成分をＩＲＤＣとすると、赤色光と赤外光との変化割合の比Ｐは以下の式で表される。
【０００４】
Ｐ＝（ＲＡＣ／ＲＤＣ）／（ＩＲＡＣ／ＩＲＤＣ）          ・・・（１）
この比Ｐは、赤色光と赤外光との透過光または反射光の脈波振幅比から求まるが、前記赤色光および赤外光を発生する光源（ＬＥＤ）の発光量が異なる場合、各脈波振幅は前記透過光または反射光の絶対レベルの影響を受けるので、この影響を除くために、前記直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣで前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣを正規化している。
【０００５】
そして、前記比Ｐは、使用している光源の波長や半値幅等の特性によって異なり、その比Ｐと、採血式オキシメータによって予め測定された前記血中酸素飽和度（ＳｐＯ２値）との関係を表すテーブルを利用することによって、その瞬間のＳｐＯ２値を求めることができ、その瞬時のＳｐＯ２値に、たとえば移動平均などの処理を施すことによって、パルスオキシメータで表示するＳｐＯ２値を得ることができる。
【０００６】
このとき、特許文献１では、前記赤色光および赤外光の各光源の発光時のＡ／Ｄカウント値から、その前後に測定した非発光時のＡ／Ｄカウント値を減算し、これを１回の発光時のデータとしている。こうして非発光時のカウント値を減算することで、定常的に入射している外光成分や、回路のオフセット成分を除去し、発光による純粋な信号成分のみを取出すことになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３２５３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなパルスオキシメータにおいて、光源から生体に光を照射し、透過または反射して得られる信号は、上述のように生体組織内の血管の脈動によって大きさが変動する。しかしながら、その変動分、すなわち前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの、非変動分、すなわち前記直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣに対する割合は、抹消血管の状態の個人差や、周囲の寒暖の状態による血管収縮状態の違い等によって変化し、大きい場合は４０％近くあるが、小さい場合には０．５％以下になることもある。
【０００９】
上述の特許文献１では、上述のように外光成分や回路のオフセット成分については除去できるが、このような微小な交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣを良好なＳ／Ｎで測定できないという問題がある。すなわち、前記成分以外にも、空間や基板を介して伝播するノイズが前記成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣ；ＲＤＣ，ＩＲＤＣに侵入する。このノイズは、定常的に略一定レベルでランダムに発生しており、振幅レベルの大きい直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣと、振幅レベルの小さい交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣとに略同じレベルで侵入する。したがって、前記振幅レベルの小さい交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣでは、前記ノイズによって振幅レベルが大きくばらつき（Ｓ／Ｎが大きく低下し）、結果的に計算されるＳｐＯ２値にばらつきが生じる。
【００１０】
そこで、このような交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣのばらつきを抑える目的で、サンプリングの期間を長くして、その間の平均値を求めることで、前記ランダムノイズの影響を抑えることが考えられる。しかしながら、そうなると、パルスオキシメータにおけるパルス発光の期間が長くなり、前記血管を透かして見せる程の大光量の光が生体に照射され続けることになる。したがって、熱による悪影響が発生する可能性があり、前記非観血的、すなわち非侵襲であるという該パルスオキシメータの利点を大きく損なうことになる。また、前記サンプリング期間を長くすると、光源の消費電力が大きくなり、特に夜間や移動中の状態を測定可能な携帯タイプのパルスオキシメータでは、動作可能時間が短くなったり、バッテリの大型化を招くという問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、光源の発光エネルギーの増大を招くことなく、ランダムノイズに対するＳ／Ｎを向上し、精度良く測定することができるパルスオキシメータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のパルスオキシメータは、血流のある生体組織に、第１および第２の波長の光を照射し、前記生体組織を透過または反射した光の受光光量の比に基づいて血中酸素飽和度を演算するようにしたパルスオキシメータにおいて、前記第１および第２の波長の光をそれぞれ発生する第１および第２の光源と、前記第１および第２の光源を駆動する発光制御部と、前記生体組織を透過または反射した前記第１および第２の波長の光を受光する受光素子と、前記受光素子での前記受光光量の比に基づいて前記血中酸素飽和度を演算する演算処理部とを備え、前記演算処理部は、前記第１および第２の波長での受光光量として、前記透過または反射光の変動成分（ＡＣ）と非変動成分（ＤＣ）とを順次測定した測定値の比を用い、前記発光制御部は、前記第１の波長での変動成分（ＡＣ）の検出期間および非変動成分（ＤＣ）の検出期間、ならびに前記第２の波長での変動成分（ＡＣ）の検出期間および非変動成分（ＤＣ）の検出期間を予め定める周期毎に順次繰返し、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間は、前記非変動成分（ＤＣ）の検出期間に比べて、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくすることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、生体における赤色光と赤外光との２つの波長の吸光特性の差（脈波振幅成分の比）を利用して血中酸素飽和度を非観血的に測定するパルスオキシメータにおいて、前記２つの波長の光をそれぞれ発生する第１および第２の光源の発光レベルの差による影響を打ち消すために、受光素子での前記受光光量の比に基づいて前記血中酸素飽和度を演算する演算処理部が、前記第１および第２の波長での受光光量として、前記透過または反射光の変動成分（脈波振幅成分（ＡＣ））と非変動成分（ＤＣ）とを順次測定した測定値の比を用いて、前記変動成分（ＡＣ）を前記非変動成分（ＤＣ）で正規化する。このため、前記第１および第２の光源を駆動する発光制御部は、前記第１の波長での変動成分（ＡＣ）の検出期間および非変動成分（ＤＣ）の検出期間、ならびに前記第２の波長での変動成分（ＡＣ）の検出期間および非変動成分（ＤＣ）の検出期間を予め定める周期毎に順次繰返し行う。このとき本発明では、前記発光制御部は、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間は、前記非変動成分（ＤＣ）の検出期間に比べて、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくする。
【００１４】
したがって、空間や基板を介して伝播し、定常的に略一定レベルでランダムに発生しているノイズが、前記変動成分（ＡＣ）と非変動成分（ＤＣ）とに同じレベルで侵入しても、相対的に大きな振幅が得られ、元々Ｓ／Ｎの良好な非変動成分（ＤＣ）については、予め定める周期当りの発光エネルギーの低下でＳ／Ｎが低下するが、相対的に小さな振幅しか得られず、元々Ｓ／Ｎの悪い変動成分（ＡＣ）については、前記発光エネルギーの増加で著しくＳ／Ｎを向上することができる。これによって、トータルの発光エネルギーは一定のままとして、該発光エネルギーの増加による悪影響を招くことなく、脈動が小さく、脈波振幅成分（ＡＣ）が小さい測定条件の悪い低灌流の被験者についても、精度良く血中酸素飽和度の測定を行うことができる。
【００１５】
また、本発明のパルスオキシメータでは、前記発光制御部は、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間を、前記非変動成分（ＤＣ）の検出期間に比べて長くすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、発光に伴う時間平均電流を増やさずに、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間のサンプル数を増加して、或いは積分時間を長くして、該変動成分（ＡＣ）のＳ／Ｎを向上することができる。
【００１７】
好ましくは、前記受光素子および該受光素子で得られた光電変換電流を電流電圧変換するアンプの応答時定数を、前記変動成分（ＡＣ）および非変動成分（ＤＣ）の検出期間からそれぞれ減算した値の比が、略１０倍程度であることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、前記非変動成分（ＤＣ）のＳ／Ｎの劣化を抑えつつ、変動成分（ＡＣ）のＳ／Ｎを高めることができる。
【００１９】
また、本発明のパルスオキシメータでは、前記発光制御部は、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間における発光光量を、前記非変動成分（ＤＣ）の検出期間における発光光量に比べて大きくすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善することを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、発光に伴う時間平均電流を増やさずに、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間における発光光量を増大し、前記変動成分（ＡＣ）自体のＳ／Ｎを向上することができる。
【００２１】
さらにまた、本発明のパルスオキシメータでは、前記発光制御部は、前記変動成分の検出期間を、前記非変動成分の検出期間に比べて長くすること、および前記変動成分の検出期間における発光光量を、前記非変動成分の検出期間における発光光量に比べて大きくすることで、前記予め定める周期当りの発光エネルギーを大きくし、前記変動成分のＳ／Ｎを改善することを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、発光に伴う時間平均電流を増やさずに、前記変動成分（ＡＣ）の検出期間のサンプル数を増加して、或いは積分時間を長くして、さらに発光光量を増大して、該変動成分（ＡＣ）のＳ／Ｎを向上することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のパルスオキシメータは、以上のように、生体における赤色光と赤外光との２つの波長の吸光特性の差（脈波振幅成分の比）を利用して血中酸素飽和度を非観血的に測定するパルスオキシメータにおいて、前記２つの波長の光をそれぞれ発生する第１および第２の光源の発光レベルの差による影響を打ち消すために、前記２つの波長の光それぞれに対して、変動成分（脈波振幅成分（ＡＣ））と非変動成分（ＤＣ）とを順次測定して、前記変動成分（ＡＣ）を前記非変動成分（ＤＣ）で正規化するにあたって、変動成分（ＡＣ）の検出期間は、非変動成分（ＤＣ）の検出期間に比べて、発光エネルギーを大きくする。
【００２４】
それゆえ、トータルの発光エネルギーは一定のままとして、該発光エネルギーの増加による悪影響を招くことなく、変動成分（ＡＣ）のＳ／Ｎを向上し、脈動が小さく、脈波振幅成分（ＡＣ）が小さい測定条件の悪い低灌流の被験者についても、精度良く血中酸素飽和度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の一形態に係るパルスオキシメータの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態のパルスオキシメータの動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施の他の形態に係るパルスオキシメータの一部分の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の一形態のパルスオキシメータの発光素子の駆動動作を説明するための波形図である。
【図５】ＳｐＯ２値の測定動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】前記図５における測定動作を詳しく説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の他の形態のパルスオキシメータの発光素子の駆動動作を説明するための波形図である。
【図８】本発明の実施のさらに他の形態のパルスオキシメータの発光素子の駆動動作を説明するための波形図である。
【図９】本発明の実施の他の形態のパルスオキシメータの発光素子の駆動動作を説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係るパルスオキシメータ１０の電気的構成を示すブロック図である。このパルスオキシメータ１０では、駆動回路１が、第１の波長である赤色光Ｒを発する第１の光源である発光素子２ａと、第２の波長である赤外光ＩＲを発する第２の光源である発光素子２ｂとを交互に点灯させ、それらから発せられた光Ｒ，ＩＲが指先などの生体３に入射し、一部が吸光された後、残りの透過光が受光素子４で検出される。シリコンフォトダイオードなどから成る前記受光素子４は、前記透過光を光電変換し、電流出力で電流電圧変換回路５に入力する。なお、本実施の形態では、２つの発光素子２ａ，２ｂが交互に点灯され、受光素子４が時間分割で共用されるけれども、各発光素子２ａ，２ｂに個別の受光素子が設けられる場合は、そのような時間分割による使用は行われなくてよい。
【００２７】
前記電流電圧変換回路５は、アンプ５１に帰還抵抗Ｒ１を備えて成り、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ１（図１ではＧＮＤレベル）を基準として、前記受光素子４において発生した電流を電圧に変換するとともに増幅して、次段の増幅回路６に与える。増幅回路６は、アンプ６１に入力抵抗Ｒ２および帰還抵抗Ｒ３を備えて成り、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ２（図１ではＧＮＤレベル）を基準として、前記電流電圧変換回路５からの電圧出力を増幅し、ＣＰＵおよびその周辺回路などを備えて構成される演算処理部７のアナログ／デジタル変換回路７１に与える。
【００２８】
演算処理部７では、前記アナログ／デジタル変換回路７１は、増幅回路６で増幅されたアナログ信号を予め定めるサンプリング周期でデジタル信号に変換し、演算部７２に与える。演算部７２では、入力されたサンプリングデータを積算部７２１で積算し、その積算値を平均値演算部７２２においてサンプル数で除算することで、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣとなる平均値を求め、その平均値から、ＳｐＯ２計算部７２３が、前記式１に従って前記比Ｐを求め、その比Ｐから予め格納しているテーブルを参照して、前記動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２値）を読出す。その読出されたＳｐＯ２値は、図示しない表示装置や外部のデータ記録装置などへ出力される。
【００２９】
一方、この演算処理部７では、タイミング制御部７３によって前記アナログ／デジタル変換回路７１のサンプリングタイミングが規定されるとともに、デジタル／アナログ変換回路７４を介して前記駆動回路１が制御される。したがって、これらタイミング制御部７３およびデジタル／アナログ変換回路７４ならびに前記駆動回路１は、前記第１および第２の光源である発光素子２ａ，２ｂを駆動する発光制御部として機能する。駆動回路１は、ＦＥＴ４個のブリッジなどから成り、相互に逆並列に接続される発光素子２ａ，２ｂの端子間に、電圧を印加しないときは発光素子２ａ，２ｂは消灯し、一方の極性の電圧を印加したときは発光素子２ａのみが、その印加電圧に対応した輝度で点灯し、他方の極性の電圧を印加したときは発光素子２ｂのみが、その印加電圧に対応した輝度で点灯する。このため、デジタル／アナログ変換回路７４はアナログ電圧を出力して、前記ＦＥＴのゲートに与えるようになっている。なお、初期設定時などで、被験者の指の太さなどに対応して前記アナログ電圧が調整されることで、発光素子２ａ，２ｂの光量調整が行われる。
【００３０】
上述のパルスオキシメータ１０は、図２（ａ）で示すような発光素子２ａ，２ｂの点灯期間において、図２（ｂ）で示すように、増幅回路６の出力をアナログ／デジタル変換回路７１で離散サンプリングを行い、そのサンプリング値を、積算部７２１で積算し、その積算値を平均値演算部７２２においてサンプル数で除算することで、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣとなる平均値を求めている。これに対して、図３で示すような回路を用いることで、演算処理部７’の構成を簡素化することができる。
【００３１】
図３は、本発明の実施の他の形態に係るパルスオキシメータ２０の電気的構成を示すブロック図である。このパルスオキシメータ２０は、前述のパルスオキシメータ１０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。また、図３では、増幅回路６より前段側の構成は省略している。注目すべきは、このパルスオキシメータ２０では、前記増幅回路６と演算処理部７’との間に、２重積分回路８が設けられていることである。
【００３２】
この２重積分回路８において、前記増幅回路６からの出力は、スイッチＳＷ１から入力抵抗Ｒ４を介してアンプ８１に入力される。このアンプ８１の入出力端間には積分コンデンサＣ１が設けられ、その出力はコンパレータ８２で監視され、このコンパレータ８２の出力は前記演算処理部７’のカウンタ７５にストップ信号として入力される。前記積分コンデンサＣ１の蓄積電荷は、放電抵抗Ｒ５からスイッチＳＷ２を介して放電可能となっている。一方、前記演算処理部７’内では、前記タイミング制御部７３が発光素子２ａ，２ｂを点灯させると、その点灯期間は、スイッチＳＷ１を導通させて、図２（ｃ）で示すように、前記増幅回路６からの出力で積分コンデンサＣ１を充電してゆく。前記点灯期間が終了すると、タイミング制御部７３は、スイッチＳＷ１を遮断させ、代わってスイッチＳＷ２を導通させるとともに、前記カウンタ７５にスタート信号を入力して、図２（ｃ）で示すような積分コンデンサＣ１の蓄積電荷の放電時間をカウントさせる。前記蓄積電荷が０となると、コンパレータ８２の出力が反転し、前記のようにカウンタ７５にストップ信号が入力され、カウント動作が停止する。こうして、積分コンデンサＣ１の蓄積電荷から、前記増幅回路６の出力の平均値を求めることができる。このためカウンタ７５の出力は、演算部７２’となる前記ＳｐＯ２計算部７２３に直接入力される。
【００３３】
図４は、上述のように構成されるパルスオキシメータ１０，２０の動作を説明するための波形図である。図４（ａ）は従来の動作を示し、図４（ｂ）は本実施の形態の動作を示す。前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを求めるにあたって、従来の発光制御部では、たとえばこの図４（ａ）で示すように、赤色光Ｒの直流成分ＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣと、赤色光Ｒの交流成分ＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣと、赤外光ＩＲの直流成分ＩＲＤＣの検出期間ＩＲ−ＤＣと、赤外光ＩＲの直流成分ＩＲＤＣの検出期間ＩＲ−ＤＣとが、予め定める周期Ｔ毎に順次行われ、その周期Ｔ内で、前記発光素子２ａ，２ｂは、一定期間Ｔ１だけパルス点灯される。なお、上記の検出順序は一例であり、同じ頻度で周期的に繰返されるのであれば、他の順であってもよい。
【００３４】
これに対して、注目すべきは、本実施の形態の発光制御部では、図４（ｂ）で示すように、同じ周期Ｔ毎に、同じ順で検出が行われるものの、図４（ａ）の期間Ｔ１に対して、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣは、時間αだけ短縮され、代わりに交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣは、前記時間αだけ延長されることである。したがって、発光素子２ａ，２ｂの点灯時の電流を同じＡとすると、従来の平均発光電流Ｉ１は、
Ｉ１＝Ａ×Ｔ１／Ｔ                                              ・・・（２）
であり、本実施の形態の平均発光電流Ｉ２は、
Ｉ２＝（Ａ×（Ｔ１−α）＋Ａ×（Ｔ１＋α））／２Ｔ＝Ａ×Ｔ１／Ｔ・・・（３）
となり、
Ｉ２＝Ｉ１                                                      ・・・（４）
である。
【００３５】
これによって、図１で示すパルスオキシメータ１０では、前記図２（ｂ）で示すサンプリング回数が増加し、図３で示すパルスオキシメータ１０では、前記図２（ｃ）で示す積分時間が増加する。たとえば、前記周期Ｔは６．６ｍｓｅｃであり、前記期間Ｔ１は４００μｓｅｃであり、前記時間αは２５０μｓｅｃである（図２では、理解し易くするために、期間Ｔ１の割合を実際よりもかなり大きく示している。）。したがって、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣは１５０μｓｅｃとなり、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣは６５０μｓｅｃとなる。
【００３６】
ここで、前記電流電圧変換回路５は、パルス状の信号に対しては応答時定数が発生する。また直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣや交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣが微少である場合は、増幅回路６でのゲインが高く設定されて応答速度が落ちるため、図２（ｂ）で示すように、その立上がりが遅く、サンプリング開始までの時間として例えばＴ２＝１００μｓｅｃ程度を要する。したがって、実質的な検出期間Ｔ１’は、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣで５０μｓｅｃ、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣで５５０μｓｅｃとなる。この５５０μｓｅｃの検出期間Ｔ１’内で、たとえば前記アナログ／デジタル変換回路７１は６μｓｅｃ毎にサンプリングを行い、したがって、約９０回もサンプリングを行うことができる。これに対して、従来のＴ１＝４００μｓｅｃの場合、実質的な検出期間Ｔ１’は３００μｓｅｃとなり、サンプリング回数は５０回程度となる。
【００３７】
したがって、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣでのＳ／Ｎは、従来に比べて、
Ｓ／Ｎ＝｛（Ｔ１＋α−Ｔ２）／（Ｔ１−Ｔ２）｝１／２          ・・・（５）
倍となる。たとえば、αを（Ｔ１−Ｔ２）の０．５倍に設定すると、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣは１．５倍となり、Ｓ／Ｎは約１．２倍（＝√１．５）改善することができる。反面、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣのＳ／Ｎは低下するが、ＳｐＯ２値測定のばらつきが通常問題となるのは、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣが直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの１％以下の場合であり、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣのＳ／Ｎ改善の寄与率がかなり大きく、ＳｐＯ２値測定の精度向上に寄与することができる。
【００３８】
図５は、前記ＳｐＯ２値の測定動作を説明するためのフローチャートである。ステップＳ０では、タイミング制御部７３内で、パルス発光の周期Ｔ，Ｔ１が設定される。ステップＳ１では、タイミング制御部７３からデジタル／アナログ変換回路７４およびアナログ／デジタル変換回路７１へ、先ず赤色ＬＥＤフラグがＨ、直流成分フラグがＨに設定され、ステップＳ２で赤色ＬＥＤが点灯されて赤色光Ｒによる後述する測定動作が行われ、ステップＳ３でその測定結果が赤色光Ｒの直流成分ＲＤＣとして前記ＳｐＯ２計算部７２３に格納される。その後、ステップＳ４でＴ−Ｔ１の期間だけ非発光（非検出）期間となり、前記赤色ＬＥＤフラグおよび直流成分フラグが共にリセット（不定）され、赤色ＬＥＤが消灯される。
【００３９】
続いて、ステップＳ１１〜Ｓ１４では前記ステップＳ１〜４と同様に、ステップＳ１１で赤色ＬＥＤフラグが引続きＨ、直流成分フラグが切り替わってＬに設定され、ステップＳ１２で同様に赤色ＬＥＤが点灯されて赤色光Ｒによる測定動作が行われ、ステップＳ１３でその測定結果が赤色光Ｒの交流成分ＲＡＣとして前記ＳｐＯ２計算部７２３に格納される。その後、ステップＳ１４でＴ−Ｔ１の期間だけ非発光（非検出）期間となり、前記赤色ＬＥＤフラグおよび直流成分フラグが共にリセット（不定）され、赤色ＬＥＤが消灯される。
【００４０】
代わって、ステップＳ２１〜Ｓ２４では前記ステップＳ１〜４と同様に、ステップＳ２１で赤色ＬＥＤフラグが切り替わってＬに、直流成分フラグもＨに設定され、ステップＳ２２で赤外ＬＥＤが点灯されて赤外光ＩＲによる測定動作が行われ、ステップＳ３３でその測定結果が赤外光ＩＲの直流成分ＩＲＤＣとして前記ＳｐＯ２計算部７２３に格納される。その後、ステップＳ２４でＴ−Ｔ１の期間だけ非発光（非検出）期間となり、前記赤色ＬＥＤフラグおよび直流成分フラグが共にリセット（不定）され、赤外ＬＥＤが消灯される。
【００４１】
続いて、ステップＳ３１〜Ｓ３４では前記ステップＳ１１〜１４と同様に、ステップＳ３１で赤色ＬＥＤフラグが引続きＬ、直流成分フラグが切り替わってＬに設定され、ステップＳ３２で同様に赤外ＬＥＤが点灯されて赤外光ＩＲによる測定動作が行われ、ステップＳ３３でその測定結果が赤外光ＩＲの交流成分ＲＡＣとして前記ＳｐＯ２計算部７２３に格納される。その後、ステップＳ３４でＴ−Ｔ１の期間だけ非発光（非検出）期間となり、前記赤色ＬＥＤフラグおよび直流成分フラグが共にリセット（不定）され、赤色ＬＥＤが消灯される。
【００４２】
前記ステップＳ３４でのリセット動作の開始とともに、ステップＳ４１では、前記ＳｐＯ２計算部７２３は、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣから、前記式１に従い比Ｐを演算し、ステップＳ４２で前記テーブルから対応するＳｐＯ２値を読出す。
【００４３】
図６は、前記ステップＳ２，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３２における測定動作を詳しく説明するためのフローチャートである。この動作は、図１で示す離散サンプリングのパルスオキシメータ１０に対応している。ステップＳ５１では、前記検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣおよび検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣとなる前記発光素子２ａ，２ｂの発光時間が、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣ毎に、前記Ｔ１＋αおよびＴ１−αにそれぞれ設定されるとともに、アナログ／デジタル変換回路７１でのサンプル数が、前記Ｔ１−Ｔ２＋αおよびＴ１−Ｔ２−αのサンプリング時間に応じて設定され、さらにデジタル／アナログ変換回路７４を経て出力する発光素子２ａ，２ｂの発光輝度、すなわち駆動電流値も設定される。
【００４４】
ステップＳ５２では、前記赤色ＬＥＤフラグおよび直流成分フラグに応じて、赤色ＬＥＤまたは赤外ＬＥＤのいずれかが点灯され、その発光時間のカウント動作が開始される。続いてステップＳ５３では、受光素子４による生体３の透過光のサンプリングがアナログ／デジタル変換回路７１で行われ、前記積算部７２１に格納される。ステップＳ５４では、サンプル数を表す変数Ｋに１が加算されて更新され、ステップＳ５５では、その変数Ｋが前記ステップＳ５１で設定された値となったか否かが判断され、設定数だけサンプルが得られていないときには前記ステップＳ５３に戻ってサンプリングを繰返し、設定数のサンプルが得られるとステップＳ５６に移る。
【００４５】
ステップＳ５６では、前記ステップＳ５２で開始した発光時間カウンタのカウント値が前記ステップＳ５１で設定された値となるまで待機し、その設定値となるとステップＳ５７でＬＥＤが消灯される。ステップＳ５８では得られた総てのサンプリング値が前記積算部７２１で積算され、さらにその積算値を平均値演算部７２２においてサンプル数で除算することで、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣとなる平均値が求められ、前記ステップＳ４１での比Ｐの演算が可能となる。
【００４６】
このように本実施の形態のパルスオキシメータ１０，２０は、生体３における赤色光Ｒと赤外光ＩＲとの２つの波長の吸光特性の差（脈波振幅成分の比）を利用してＳｐＯ２値を非観血的に測定するパルスオキシメータにおいて、前記２つの波長の光をそれぞれ発生する発光素子２ａ，２ｂの発光レベルの差による影響を打ち消すために透過光の交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを順次周期的に測定するにあたって、標準的な検出期間Ｔ１に対して、時間αだけ、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣを短縮する一方、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣを延長する。
【００４７】
したがって、空間や基板を介して伝播し、定常的に略一定レベルでランダムに発生しているノイズが、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣと直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣとに同じレベルで侵入しても、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣについてはノイズに対して大きな振幅が得られるためＳ／Ｎは非常に良く、前記発光エネルギーを低下させても若干のＳ／Ｎ低下であるのに対して、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣについては、生体特性によって直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣと比べて振幅が小さく、条件によっては１／１００以下になる場合がありＳ／Ｎが問題となる。これに対して、前記のように発光エネルギーを増加することで、Ｓ／Ｎを向上することができる。これによって、トータルの発光エネルギー（前記平均発光電流Ｉ２）は一定のまま（従来の平均発光電流Ｉ１と等しく）として、該発光エネルギーの増加による悪影響を招くことなく、脈動が小さく、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣが小さい測定条件の悪い低灌流の被験者についても、精度良くＳｐＯ２値の測定を行うことができる。
【００４８】
また、前記受光素子４および該受光素子４で得られた光電変換電流を電流電圧変換するアンプ５１の応答時定数Ｔ２を前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣおよび直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｔ１からそれぞれ減算した値Ｔ１’の比｛（Ｔ１−Ｔ２＋α）／（Ｔ１−Ｔ２−α）｝を、上述のように略１０倍程度と設定することで、前記のように直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣのＳ／Ｎの劣化を抑えつつ、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣのＳ／Ｎを高めることができ、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣと直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣとの振幅比ＲＡＣ／ＲＤＣ，ＩＲＡＣ／ＩＲＤが生体特性によって１／１００程度以下のように低信号であっても測定性能を改善することできる。
【００４９】
さらにまた、前記図１および図２（ｂ）で示す離散サンプリングの場合には、サンプリング周期は一定で、かつトータルのサンプリング数も一定であるので、アナログ／デジタル変換回路７１等のＣＰＵの信号処理速度に変化はなく、ＣＰＵの消費電力が増加することもない。また、処理も離散サンプリングの平均化回数を増減するだけ、あるいは連続サンプリングの積分時間を増減するだけであるので、プログラムを複雑化することなくＳ／Ｎを向上させることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の他の形態に係るパルスオキシメータにおける動作を説明するための波形図である。本実施の形態のパルスオキシメータには、前述のパルスオキシメータ１０，２０の構成を用いることができ、デジタル／アナログ変換回路７４から駆動回路１による発光素子２ａ，２ｂの駆動方法が異なるだけである。注目すべきは、本実施の形態では、前述の図４（ａ）と同様に、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣと交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣとが前記標準の期間Ｔ１で等しいのに対して、前記発光素子２ａ，２ｂの直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣでの駆動電流Ａ１を前記図４（ａ）および図４（ｂ）の標準値ＡよりΔＡだけ低下させ、代わって交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣでの駆動電流Ａ２を前記標準値ＡよりΔＡだけ増加させることである。前記標準値Ａは、回路の消費電流や、生体３への影響などを考慮して、適宜設定される。
【００５１】
このように前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣにおける単位周期Ｔ当りの発光エネルギーを大きくするにあたって、前記発光光量の増大によって、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣ自体のＳ／Ｎを向上することができる。
【００５２】
ここで、Ｓ／Ｎの改善率は、ノイズが例えば１ｍＶrmsに対して直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣが例えば１Ｖというように１０００倍程度と充分大きい場合には直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの信号低下による影響は無視でき、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣでのＳ／Ｎの変化が支配的となる。例えば、図７でのΔＡ＝Ａ／２とすれば、単純に光量は１．５倍となるため、Ｓ／Ｎも１．５倍に改善される。
【００５３】
なお、検出期間Ｒ−ＡＣ，Ｒ−ＤＣで同一の発光電流かつ、検出期間ＩＲ−ＡＣ，ＩＲ−ＤＣで同一の発光電流であれば式６となり、前記比Ｐでの交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣを直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣで正規化する方法に問題はない。しかし、図７のように検出期間Ｒ−ＡＣ，Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＡＣ，ＩＲ−ＤＣで発光電流が異なる場合、式７,８のように測定器起動時の校正によって発光量を測定しておき、式９のように前記比Ｐの演算の際に補正をかける必要がある。
【００５４】
Ｒ−ＡＣの発光量／Ｒ−ＤＣの発光量
＝ＩＲ−ＡＣの発光量／ＩＲ−ＤＣの発光量                      ・・・（６）
Ｋ１＝Ｒの電流振幅Ａ２での発光量／Ｒの電流振幅Ａ１での発光量    ・・・（７）
Ｋ２＝ＩＲの電流振幅Ａ２での発光量／ＩＲの電流振幅Ａ１での発光量・・・（８）
Ｐ＝｛（ＲＡＣ／ＲＤＣ）／（ＩＲＡＣ／ＩＲＤＣ）｝×｛Ｋ２／Ｋ１｝  …（９）
【００５５】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施のさらに他の形態に係るパルスオキシメータにおける動作を説明するための波形図である。本実施の形態のパルスオキシメータは、実施の形態２と同様、前述のパルスオキシメータ１０，２０の構成を用いることができ、デジタル／アナログ変換回路７４から駆動回路１による発光素子２ａ，２ｂの駆動方法が異なるだけである。注目すべきは、本実施の形態では、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの発光量低減によるＳ／Ｎ低下が小さいことに鑑みて、実施の形態１で検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣは時間αだけ短縮していたのに代わって、検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣでの発光電流をΔＡ’だけ低減させたＡ’とすることである。発光エネルギーに関しては、検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣ，Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣトータルでの平均発光電流を前記従来の平均発光電流（式２）と等しくする。
【００５６】
すなわち、
ΔＡ’＝（検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣでのエネルギー増分）／Ｔ１
＝Ａ×α／Ｔ１                                          ・・・（１０）
であり、したがって、
Ａ’＝Ａ−ΔＡ’＝Ａ（１−α／Ｔ１）                          ・・・（１１）
となる。
【００５７】
Ｓ／Ｎの改善率は、実施の形態２での説明と同様で、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの信号低下による影響は無視でき、交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣでのＳ／Ｎの変化が支配的となる。つまり、Ｓ／Ｎ改善率は従来比で式５と等しくなる。
【００５８】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の他の形態に係るパルスオキシメータにおける動作を説明するための波形図である。本実施の形態のパルスオキシメータにも、前述のパルスオキシメータ１０，２０の構成を用いることができ、デジタル／アナログ変換回路７４から駆動回路１による発光素子２ａ，２ｂの駆動方法が異なるだけである。注目すべきは、本実施の形態では、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣにおける単位周期Ｔ当りの発光エネルギーを大きくするにあたって、前述の図４（ｂ）で示すパルス幅の調整と、図７で示す発光光量の増大とを併用することである。したがって、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの減分−ΔＡ’および交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの増分ΔＡを小さくすることができ、駆動回路１の負担を小さくすることができる。
【００５９】
すなわち、前述の図４（ｂ）と同様に、前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの検出期間Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣをそれぞれαだけ増加、前記直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣをそれぞれαだけ減少させるものとする。さらに、標準値Ａに対して、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣの減分をΔＡ''および交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの増分をΔＡ'''とすると、検出期間Ｒ−ＤＣまたはＩＲ−ＤＣでの発光電流Ａ''は、
Ａ''＝（Ｔ１−α）／Ｔ×（Ａ−ΔＡ''）                        ・・・（１２）
となり、検出期間Ｒ−ＡＣまたはＩＲ−ＡＣでの発光電流Ａ'''は、
Ａ'''＝（Ｔ１＋α）／Ｔ×（Ａ＋ΔＡ'''）                      ・・・（１３）
となる。
【００６０】
そして、発光エネルギーに関しては、検出期間Ｒ−ＤＣ，ＩＲ−ＤＣ，Ｒ−ＡＣ，ＩＲ−ＡＣトータルでの平均発光電流を前記従来の平均発光電流である式２と等しくする。つまり、
｛（Ｔ１−α）／Ｔ×（Ａ−ΔＡ''）＋（Ｔ１＋α）／Ｔ×（Ａ＋ΔＡ'''）｝/２
＝Ａ×Ｔ１／Ｔ                                              ・・・（１４）
整理すれば、
ΔＡ''−ΔＡ'''＝（ΔＡ''＋ΔＡ'''）×α／Ｔ１                ・・・（１５）
であり、（ΔＡ''＋ΔＡ'''）×α／Ｔ１＞０であるから、ΔＡ''＞ΔＡ'''となるような振幅に設定する必要がある。
【００６１】
Ｓ／Ｎに関しては、パルス幅αによる改善の式５と、増加した振幅比＝（Ａ＋ΔＡ''）／Ａより、
Ｓ／Ｎ＝{（Ａ＋ΔＡ''）/Ａ}×｛（Ｔ１＋α−Ｔ２）/（Ｔ１−Ｔ２）｝１／２
・・・（１６）
となる。
【符号の説明】
【００６２】
１０，２０    パルスオキシメータ
１    駆動回路
２ａ    赤色の発光素子
２ｂ    赤外の発光素子
３    生体
４    受光素子
５    電流電圧変換回路
５１，６１，８１    アンプ
６    増幅回路
７，７’    演算処理部
７１    アナログ／デジタル変換回路
７２，７２’    演算部
７２１  積算部
７２２  平均値演算部
７２３  ＳｐＯ２計算部
７３    タイミング制御部
７４    デジタル／アナログ変換回路
７５    カウンタ
８    ２重積分回路
８２    コンパレータ
Ｃ１    積分コンデンサ
Ｒ１，Ｒ３    帰還抵抗
Ｒ２，Ｒ４    入力抵抗
Ｒ５    放電抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２    スイッチ
【図１】
2010233908.tif 000003
【図２】
2010233908.tif 000004
【図３】
2010233908.tif 000005
【図４】
2010233908.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010233908.tif 000008
【図７】
2010233908.tif 000009
【図８】
2010233908.tif 000010
【図９】
2010233908.tif 000011