(57)【要約】パルス酸素濃度計内のＬＥＤの順電圧が所定の範囲内にあるかどうかを決定する装置および方法。これは、ＬＥＤを流れる電流を測定することによって、およびまた、ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号のデューティーサイクルを知ることによって達成される。順電圧が所定の範囲内にあるかの決定はプロセッサ内においてなされ、プロセッサは、順電圧が該範囲外にある場合、エラー信号を提供する。プロセッサは、また、ＬＥＤに加えられる実際の電流と所望の電流との間の相違に対応する誤差信号からＰＷＭ信号を生成する比例積分（ＰＩ）ループを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）駆動回路と、
該ＬＥＤを流れる電流を測定する電流測定回路と、
該ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号を生成するコントローラと、
該コントローラおよび該電流測定回路に結合され、該ＬＥＤの順電圧が、該電流および該ＰＷＭ信号の測定に使用される所定の範囲内にあるかどうかを決定するように構成されたプロセッサと
を備える、パルス酸素濃度計。
【請求項２】
前記順電圧が前記範囲外にある場合、前記プロセッサは、エラー信号を提供するように構成される、請求項１に記載のパルス酸素濃度計。
【請求項３】
レシオが許容電圧範囲内にあるかどうかを決定するために、前記プロセッサは、前記ＰＷＭ駆動信号を前記電流の前記測定と比較するように構成される、請求項１に記載のパルス酸素濃度計。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記電流の前記測定と所望電流との間の相違を反映する電流誤差信号から前記ＰＷＭ信号を生成する比例積分（ＰＩ）ループを含む、請求項１に記載のパルス酸素濃度計。
【請求項５】
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）駆動回路と、
該ＬＥＤを流れる電流を測定する電流測定回路と、
該ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号を生成するコントローラと、
該コントローラおよび該電流測定回路に結合され、レシオが許容電圧範囲内にあるかどうかを決定するために該ＰＷＭ駆動信号を該電流の該測定と比較することによって、該ＬＥＤの順電圧が、該電流および該ＰＷＭ信号の測定に使用される所定の電圧範囲内にあるかどうかを決定するように構成されたプロセッサとを備える、パルス酸素濃度計であって、
該順電圧が該電圧範囲外にある場合、該プロセッサは、エラー信号を提供するように構成され、
該プロセッサは、該電流の該測定と所望電流との間の相違を反映する電流誤差信号から該ＰＷＭ信号を生成する比例積分（ＰＩ）ループを含む、パルス酸素濃度計。
【請求項６】
パルス酸素濃度計を操作する方法であって、
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）駆動回路を使用して電流を供給する工程と、
該ＬＥＤを流れる電流を測定する工程と、
該ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号を生成する工程と、
該ＬＥＤの順電圧が、該電流および該ＰＷＭ信号の測定に使用される所定の範囲内にあるかどうかを決定する工程と
を包含する、方法。
【請求項７】
前記順電圧が前記範囲外にある場合、エラー信号を提供する工程をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
レシオが許容電圧範囲内にあるかどうかを決定するために、前記ＰＷＭ駆動信号を前記電流の前記測定と比較する工程をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記電流の前記測定と所望電流との間の相違を反映する電流誤差信号から前記ＰＷＭ信号を生成するために、比例積分（ＰＩ）ループを使用する工程をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
パルス酸素濃度計を操作する方法であって、
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）駆動回路を使用して電流を供給する工程と、
該ＬＥＤを流れる電流を測定する工程と、
該ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号を生成する工程と、
レシオが許容電圧範囲内にあるかどうかを決定するために該ＰＷＭ駆動信号を該電流の該測定と比較することによって、該ＬＥＤの順電圧が、該電流および該ＰＷＭ信号の測定に使用される所定の電圧範囲内にあるかどうかを決定する工程と、
該順電圧が該電圧範囲外にある場合、エラー信号を提供する工程と、
該電流の該測定と所望電流との間の相違を反映する電流誤差信号から該ＰＷＭ信号を生成するために、比例積分（ＰＩ）ループを使用する工程と
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素濃度計に関し、より詳細には、ＬＥＤ電圧を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス酸素濃度計は、典型的には、動脈血におけるヘモグロビンの血中酸素飽和度、組織に供給する個々の脈拍の血液量、および、患者の個々の心拍に対応する脈拍の速度を含む（それらに限定されるわけではない）血液の様々な化学的特性を測定するために使用される。これらの特性の測定は、非侵襲センサの使用によって達成される。その非侵襲センサは、血液が灌流する患者の組織の一部に光を散乱し、そのような組織における光の吸収を光電測光にて感知する。様々な頻度にて吸収される光の量は、測定される血液成分の量を計算するために使用される。
【０００３】
組織に散乱された光は、血液中に存在する血液成分の量を示す量において、血液によって吸収された一つ以上の波長として選択される。組織に散乱された、透過光線の量は、組織および関連する光の吸収における血液成分の変化する量に従って変化する。血中酸素レベルを測定するために、そのようなセンサは、典型的には、血中酸素飽和度を測定するための周知の技術に従い、少なくとも二つの異なる波長の光を生成するように適合される光源、および、それらの波長の両方に感度の高い光検出器を提供される。
【０００４】
周知の非侵襲センサは、指、耳、または頭皮などの体の一部に固定される装置を含む。動物や人間においては、これらの体の部分の組織は血液によって灌流され、その組織の表面はセンサに対して、容易にアクセス可能である。
【０００５】
典型的には発光ダイオード（ＬＥＤ）である光源は、それらをアクティベートするための電流によって駆動される必要がある。オープンまたはショートのＬＥＤなどのセンサ欠陥を決定するために、ＬＥＤに流れる電流が測定され得る。典型的には、これは、任意の電流が流れているかどうかを決定するために電圧が測定されるフィードバック抵抗を用いてなされる。電流が流れていない場合は、オープン接続が想定される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、パルス酸素濃度計内のＬＥＤの順電圧が所定の範囲内にあるかどうかを決定する装置および方法を提供する。これは、ＬＥＤを流れる電流を測定することによって、およびまた、ＬＥＤへのパルス幅変調器（ＰＷＭ）駆動信号のデューティーサイクルを知ることによって達成される。
【０００７】
一実施形態において、順電圧が所定の範囲内にあるかの決定はプロセッサ内においてなされ、プロセッサは、順電圧が該範囲外にある場合、エラー信号を提供する。エラー信号は、例えば、ＬＥＤセンサ内のショートあるいはオープン接続を示し得る。
【０００８】
一実施形態において、プロセッサは、ＬＥＤに加えられる実際の電流と所望の電流との間の相違に対応する誤差信号からＰＷＭ信号を生成する比例積分（ＰＩ）ループを含む。
【０００９】
本発明の特徴および利点のさらなる理解のために、添付の図面と関連づけられた以下の記載への参照がなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（酸素濃度計のフロントエンド）
図１は、本発明を組み込む酸素測定システムの実施形態を示す。センサ１０は、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤ、ならびに光検出器を含む。これらは、ケーブル１２によって、基板１４へ接続される。ＬＥＤ駆動電流は、ＬＥＤ駆動インターフェース１６によって提供される。センサからの、受信された光電流は、Ｉ−Ｖインターフェース１８に提供される。ＩＲおよび赤電圧は、次いで、本発明を組み込む、シグマ−デルタインターフェース２０に提供される。シグマ−デルタインターフェース２０の出力は、１０ビットＡ／Ｄ変換器を含むマイクロコントローラ２２に提供される。マイクロコントローラ２２は、プログラムのためのフラッシュメモリ、および、データのためのＳＲＡＭメモリを含む。酸素濃度計はまた、フラッシュメモリ２６に接続されるマイクロプロセッサチップ２４を含む。最後に、クロック２８が使用され、センサ１０におけるデジタル較正へのインターフェース３０が提供される。別個のホスト３２は、処理された情報を受信し、および、アナログ表示を提供するために、ライン３４上にてアナログ信号を受信する。
【００１１】
（ＬＥＤ駆動回路）
図２は、本発明の一実施形態に従った、ＬＥＤ駆動回路の回路図であり、図１のＬＥＤ駆動インターフェース１６の一部を形成する。電圧レギュレータ３６は、電圧供給とは別個の電圧を酸素濃度計回路全体に対して提供する。その出力はライン３８上の４．５ボルト信号として提供され、そのレベルは、抵抗Ｒ８９およびＲ９０のフィードバック抵抗ドライバによって設定される。ライン３８上の電圧は、ＦＥＴトランジスタＱ１１およびインダクタＬ６へ提供される。インダクタＬ６を通る電流は、スイッチ４０によって、コンデンサＣ６５およびＣ６６のうちの一つに提供され、それらは、個々に、赤色およびＩＲＬＥＤに対する電荷をストアする。ライン４２上の赤／ＩＲ制御信号は、酸素濃度計のプロセッサの制御の下で、スイッチ位置を選択する。ライン４４上の制御信号ＬＥＤ  ＰＷＭゲートは、トランジスタスイッチＱ１１のスイッチングを制御する。
【００１２】
いったんコンデンサが充電されると、ライン４４上の制御信号は、スイッチＱ１１をオフにし、電流はコンデンサＣ６５またはＣ６６のいずれかから、スイッチ４０およびインダクタＬ６を通り、個々に、トランジスタＱ５およびＱ６を経由して、Ｒｅｄアノードライン４６またはＩＲアノードライン４８のいずれかに提供される。信号「ｒｅｄ  ｇａｔｅ」はトランジスタＱ５をオンにし、他方で、その反転の「／ｒｅｄ  ｇａｔｅ」はトランジスタＱ７をオフにする。これは、Ｒｅｄアノードライン４６を通る電流を、背中合わせの（ｂａｃｋ  ｔｏ  ｂａｃｋ）ＬＥＤ５０に提供し、その電流は、ＩＲアノードを通りトランジスタＱ８へ、および、抵抗Ｒ１０を通り接地へ戻る。トランジスタＱ８は、信号「／ＩＲ  ｇａｔｅ（ゲート）」によってオンにされ、他方で、この信号の反転である「ＩＲ  ｇａｔｅ」はトランジスタＱ６をオフにする。ＩＲアノードが駆動される場合、その信号は反転され、「ＩＲ  ｇａｔｅ」および「ｒｅｄ  ｇａｔｅ」信号およびそれらの反転は、それの状態が変化され、その結果、電流は、トランジスタＱ６を通り、ＩＲアノード４８に提供され、Ｒｅｄアノード４６およびトランジスタＱ７を通り、抵抗Ｒ１０および接地へと戻る。「ＬＥＤ電流センス」信号は、較正のために読まれるが、それは本発明とは関連しない。
【００１３】
コンデンサＣ６５またはＣ６６からの電流は、インダクタＬ６を通り、ＬＥＤに提供される場合、および、その電流が、所望の時間においてスイッチをオフにされる場合、トランジスタＱ１１はオンにされ、遷移の間の残りの電流はコンデンサＣ６４にダンプ（ｄｕｍｐ）され得る。これは、ＦＥＴトランジスタのスイッチングが瞬時のものではないという事実を述べている。次に、コンデンサが再充電された場合、Ｃ６４は、Ｑ１１およびインダクタＬ６を流れるその電流をコンデンサにダンプする。
【００１４】
抵抗Ｒ３８およびコンデンサＣ６７は、インダクタＬ６にパラレルに接続され、信号スパイクに対して保護し、平滑な遷移を提供する。インダクタＬ６に接続されるのは、ライン５４上のＬＥＤサンプルホールド信号によって制御されるスイッチ５２を有するサンプリング回路であり、信号をサンプルし、プロセッサによって読み出されるライン５８上において、増幅器５６を介して、それらを「ＬＥＤ電流」信号へ提供する。積分コンデンサＣ６８は増幅器５６のためのフィードバックを提供する。スイッチ６０は、「クリアＬＥＤサンプル」信号に応答して、スイッチを動作させ、サンプル間のコンデンサをショートさせる。
【００１５】
演算増幅器５６は４．５ボルトと接地との間において動作する。従って、０．２ボルトの接地の僅かに上の基準電圧は、ピン３上に基準電圧として提供される。
【００１６】
サンプルアンドホールド回路は、キャパシタＣ６９とインダクタＬ６との間のノードＴ１８における電圧を測定し、その電流をケッテインターフェースする。コンデンサＣ６９は、Ｃ６５およびＣ６６の値の１／１０００である。従って、比例した電流がＣ６９に提供され、スイッチ５２を通り、積分コンデンサＣ６８に注入され、ライン５８上の増幅器５６の出力において測定され得る電圧を提供する。ライン５８上のプロセッサによって測定された電圧は、フィードバックとして使用され、そのプロセッサは、コンデンサ６５および６６へ送られるエネルギーの量を選択的に変化させるために、トランジスタＱ１１に送られるパルスの幅を変化させ、その結果、ＬＥＤ５０に放電される。プロセッサ内のＰＩ（比例積分）ループは、次いで、Ｑ１１を制御するＰＷＭ信号を制御する。これによって、ＬＥＤ強度の正確な制御を可能にし、所望される場合、所望の制限を越えることなく、それを最大化させることを可能にする。
【００１７】
図の左下は、「４．５ｖ  ＬＥＤ  無効」信号を示し、その信号は、所定の場合において、電圧レギュレータ３６をオフにするためにマイクロプロセッサによって使用される。例えば、接続された新しいセンサにおいて、ショートを探す診断は、ＬＥＤラインに問題が存在する場合、その電圧レギュレータをオフにし得る。
【００１８】
（ＬＥＤ電圧決定）
図３および図４は、本発明の開発を可能にした発明者らによって発見された属性を示す。図３は、ＬＥＤ電流に対するＬＥＤ順電圧のグラフである。三つの異なるグラフは、ＩＲ  ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、およびダイオードおよび抵抗を直列に有する機能試験器（ＳＲＣ）の異なるタイプの負荷のための、三つの異なる傾きを有する三つの異なる線を生成する。見られ得るように、負荷のタイプを知らず、図３に示されるような曲線を蓄えていない場合は、電流のみを測定することは、ＬＥＤ順電圧が何であるのかを示さない。
【００１９】
図４は、ＬＥＤ  ＰＷＭデューティサイクルのプロットを示し、それは、ＬＥＤを駆動するためのパルス幅変調駆動信号である。これは、水平軸上の電力（ＬＥＤ電圧×ＬＥＤ電流）に対する垂直軸上にプロットされる。認識され得るように、プロットされた４つの異なるタイプのＬＥＤまたはＳＲＣ装置のために、それらのプロットは、ほぼ同一の傾きとほぼ同一である。この認識から、発明者らは、ＰＷＭデューティサイクルおよびその電流を知っている場合、その電圧が決定され得ることを決定する。その電流は、図２におけるライン５８から利用可能であり、そのＬＥＤ電流信号はプロセッサに提供される。そのプロセッサ自体は、ＰＷＭ信号を生成し、そのプロセッサは、ＬＥＤのタイプを知ることなしに、特定のＬＥＤのＬＥＤ電圧を計算する必要がある二つの情報を有する。デューティサイクルがＬＥＤにおいて散逸される電力に対する定数によって比例することを示す図４における情報を使用することによって、順電圧は導かれ得る。
【００２０】
一実施形態において、ＰＷＭ信号は、ＰＩ（比例積分）ループを使用して生成される。このループは以下で説明される等式の形を取る。
【００２１】
【数１】
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一実施形態において、プロセッサによって生成されるＰＷＭデューティサイクルは、図４のグラフにおけるデータを格納するルックアップテーブルに提供される。ルックアップテーブルは、出力として散逸される電力を生成する。この値は、次いで、ライン５８上に提供されるように、ＬＥＤ電流によって分割され得る。その分割の結果は、ＬＥＤの順電圧である。
【００２２】
あるいは、別の実施形態において、ルックアップテーブルは取り除かれ得、比較は、デューティサイクルおよび電流によってなされ得る。そのデューティサイクルは、電流×電圧×定数に等しいため、デューティサイクル／ＬＥＤ電流のレシオのための上下の範囲は確立され得、ＬＥＤにおけるショートまたはオープン接続などの状況を示す。あるいは、一連の範囲が使用され得、外部範囲はショートまたはオープン状況を示し、内部範囲は、一例として、ＬＥＤのための所望の動作範囲を示す。例えば、酸素濃度計は、弱いパルス信号を有する所定の患者のために、ＬＥＤをより強く、ほぼその最大電流にて、駆動する必要があり得る。
【００２３】
当業者によって理解されるように、本発明はその本質的な特性から逸脱することなく他の特定の形式において具体化され得る。例えば、順電圧の決定は、プロセッサにおけるソフトウェアにおいてよりも、全体的にそのハードウェアにおいてなされ得る。従って、前述の記載は例示のためのみであり、請求の範囲において説明される本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を組み込む酸素濃度計のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に従った、ＬＥＤ駆動回路の回路図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるＬＥＤのための、電流に対する順電圧を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態におけるＬＥＤのための、電力に対するＰＷＭデューティサイクルを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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