(57)【要約】【課題】本発明は、脈動性生物測定信号の処理方法および装置に関するものである。【解決手段】  生体から反射された光の脈動信号を処理する方法は、光源を起動して、蓄積時間の間、生体に光を透過させる起動工程を含む。この方法は、検出器ユニットを用いて、生体から反射した光の少なくとも１つのサンプルを検出する検出工程と、光のサンプルが検出器ユニットの飽和レベルに近づいているかどうか判定する判定工程とを含む。この方法は、少なくとも１つの光のサンプルが検出器ユニットの飽和レベルに近づいていると判定されると、蓄積時間を調整して、検出器ユニットの飽和を防止する調整工程を含む。【選択図】図２
2011502716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体から反射された光の脈動信号を処理する方法であって、
光源を起動して、蓄積時間の間、生体に光を透過させる起動工程と、
検出器ユニットを用いて、生体から反射した光の少なくとも１つのサンプルを検出する検出工程と、
前記少なくとも１つの光のサンプルが、前記検出器ユニットの飽和レベルに近づいているかどうか判定する判定工程と、
前記判定工程において、前記少なくとも１つの光のサンプルが前記検出器ユニットの飽和レベルに近づいていると判定されると、前記蓄積時間を調整して、前記検出器ユニットの飽和を防止する調整工程と、
を含むことを特徴とする方法。    
【請求項２】
前記起動工程は、赤色周波数、赤外線周波数、またはこれらの組合せの少なくとも１つで光を透過させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。  
【請求項３】
前記判定工程は、前記少なくとも１つの光のサンプルが閾値に達したかどうか判定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記調整工程は、前記少なくとも１つの光のサンプルが閾値に達する際に前記蓄積時間を少なくする工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記蓄積時間を少なくする工程は、前記光源を短時間だけ起動する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。  
【請求項６】
前記閾値は、前記検出器ユニットの飽和レベルの約７０％〜約８５％であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記起動工程は、所定の出力レベルで光を透過させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記調整工程は、前記蓄積時間が最小値に達するまで、前記蓄積時間を少なくする工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記蓄積時間が４００msであり、前記最小値が２００msであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記蓄積時間が前記最小値まで少なくなると、透過光の出力レベルを調整する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのサンプルに基づいて、生体の酸素飽和度を算出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
生体から反射された光の脈動信号を処理する方法であって、
少なくとも第１光源と第２光源を同時に起動して、第１期間の間、生体に光を透過させる起動工程と、
検出器ユニットを用いて、生体から反射した光から第１の信号の集合を検出する検出工程と、
前記第１の信号の集合のうちＤＣ成分を遮断し、前記第１の信号の集合のＡＣ成分を抽出するフィルタリング工程と、
前記ＡＣ成分を処理して、生体の酸素飽和度を算出するのに用いる前記ＡＣ成分の立ち上がり部分を特定する処理工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記検出工程は、生体から反射した光から得た第１のアナログ信号の集合を出力する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記起動工程は、少なくとも赤色光源と赤外線光源を同時に起動して、前記第１期間の間、生体に光を透過させる工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１光源を起動して、第２期間の間、生体に光を透過させる工程と、
前記第２期間の間、前記第１光源からの反射光から第２の信号の集合を検出する工程と、
前記ＡＣ成分の立ち上がり部分に対応して、前記第２の信号の集合から選択された信号に基づいて、生体の酸素飽和度を算出する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記処理工程は、生体の心拍数を決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記フィルタリング工程は、高域フィルタと低域フィルタの少なくとも１つを用いて、前記第１の信号の集合をフィルタする工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記フィルタリング工程は、帯域フィルタを用いて前記第１の信号の集合をフィルタして、前記ＤＣ成分を遮断し前記ＡＣ成分を抽出する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
脈動性生物測定信号を処理する方法であって、
脈動波形と一定の成分とを含む第１の信号の集合を生体から検出する検出工程と、
前記第１の信号の集合から前記脈動波形を抽出する抽出工程と、
前記脈動波形を処理して、臨界タイミング情報を生成する処理工程と、
前記臨界タイミング情報に基づいて、前記脈動波形と前記一定の成分とを含む第２の信号の集合から選択して、生物測定を算出する選択工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記臨界タイミング情報は、生体の心拍数と前記脈動波形の立ち上がり部の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して脈動性生物測定信号の処理方法および装置に関するものである。詳細には、本発明は、パルスオキシメトリ信号の処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルスオキシメトリは、患者の動脈血中の酸素飽和度を測定するための非侵襲性の診断法である。パルスオキシメトリは、光吸収性の生理的媒体に少なくとも２波長の光エネルギーを透過させ、その光吸収に応答して反射された（または透過された）放出光を取得し、取得した信号から酸素飽和度を計算する原理に基づいている。反射光の色および／または変化を解析することで、パルスオキシメトリによって患者の心拍（例えば、脈拍数）および／または酸素濃度を決定することができる。パルスオキシメトリは、２つの構成部品を含むことがある。すなわち、信号を取得するために患者の皮膚に装着されるセンサと、動脈血中の酸素飽和度と脈拍数を決定するために、取得した信号を処理する処理装置である。
【０００３】
従来の反射型パルスオキシメトリ（ＲＰＯ）システムは、ＡＣＲＥＤ/ＤＣＲＥＤとＡＣＩＲ/ＤＣＩＲとの比を算出することで、酸素飽和度（例えば、ＳｐＯ２）を演算する。ここで、ＡＣＲＥＤは検出された赤色波長検出光信号のＡＣ成分（例えば、脈動部分）であり、ＤＣＲＥＤは赤色波長検出光信号のＤＣ成分（例えば、平均）であり、ＡＣＩＲは赤外線波長検出光信号のＡＣ成分（例えば、脈動部分）であり、ＤＣＩＲは赤外線波長検出光信号のＤＣ成分（例えば、平均）である。信号のＤＣ成分は、実質的に信号のＡＣ成分よりも大きくてもよい。例えば、１〜１，０００，０００までのスケールとして、信号のＡＣ成分は、約８００，０００単位の信号のＤＣ成分の上に乗る約１，０００単位である。  
【０００４】
例えば、前置増幅器ユニットを備える光検出器を含む検出器ユニット等の検出器は、飽和する前に限って所定量の光を処理することができる。検出器ユニットが飽和すると、光から電気信号へと光子を変換することができなくなる。信号のＤＣ成分が多すぎると飽和が起きる。信号の実質的に大きなＤＣ成分に比較してＡＣ成分が小さい場合（例えば、ダイナミックレンジの制限）には、信号のＡＣ成分を検出することは困難となる。光の照度を増加させることは、信号のＤＣ成分による検出器の飽和につながるので、必ずしも信号のＡＣ成分を増大させることにはならない。従来のＲＰＯシステムは、大きなＤＣ成分を含む信号が発生すると、検出器の飽和を避けるために、照度を減少させている。しかしながら、照度を減少させると、信号のＡＣ成分がさらに小さくなるか、動脈から関連するデータを抽出するのに十分な深さまで信号が貫通することを阻害するので、ＡＣ／ＤＣ比を正確に決定することが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１１／５３６，０５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多量の色素を含む生体（例えば、浅黒い肌の生体）では、生体から反射された光から得た信号のＡＣ／ＤＣ比が、通常の生体よりもはるかに低いことがあるので、検出器ユニットの飽和を回避することは困難である。限られた量の動脈血管を含む生体組織（例えば、脂肪、体液、筋肉等）が比較的大量に存在する場合にも、飽和を回避することは困難である。このような場合、ＤＣ成分が通常より多くなり、ＡＣ成分がさらに小さくなる（例えば、１〜１，０００，０００スケールで２０）。センサよりも下の組織が体液によって膨張する場合（例えば、火傷の患者に特有な浮腫）にも、飽和を回避することは困難である。体液と組織はより光を反射して、ＡＣ動脈の信号内容（例えば、信号のＡＣ成分）を減少させる間に、信号のＤＣ成分を増加させる。従って、信号のＡＣ成分（例えば、脈動部）を十分に残したままで、検出器ユニットの飽和を回避して、多量の色素、多量の生体組織、浮腫、またはこれらの組合せを有する患者の脈拍数および酸素飽和度を正確に算出することは困難である。検出器ユニットの飽和を回避する技術は、浮腫を有する患者に使用するパルスオキシメトリシステムでの使用に有益であり、体の他の部分（例えば、指）と比較して大量の色素を有する体の部分（例えば、生体の額、耳または鼻）や、多量の生体組織を有する体の部分にセンサを配置することを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様として、本発明は、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法を特徴とする。この方法は、光源を起動して、蓄積時間の間、生体に光を透過させる工程を含む。また、この方法は、検出器ユニットを用いて、生体から反射した光の少なくとも１つのサンプルを検出する工程と、当該少なくとも１つの光のサンプルが、検出器ユニットの飽和レベルに近づいているかどうか判定する工程とを含む。この方法は、（例えば、判定工程において）少なくとも１つの光のサンプルが検出器ユニットの飽和レベルに近づいていると判定されると、蓄積時間を調整して、検出器ユニットの飽和を防止する工程を含む。
【０００８】
別の態様では、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法が、少なくとも第１光源と第２光源を同時に起動して、第１期間の間、生体に光を透過させる工程を含む。この方法は、検出器ユニットを用いて、生体から反射した光から第１の信号の集合を検出する工程と、当該第１の信号の集合（例えば、アナログ信号）のうちＤＣ成分を遮断し、当該第１の信号の集合のＡＣ成分を抽出する工程を含む。この方法は、当該ＡＣ成分を処理して、生体の酸素飽和度を算出するのに用いる臨界タイミング情報（例えば、ＡＣ成分の立ち上がり部分）を特定する工程も含む。
【０００９】
さらに別の態様では、脈動性生物測定信号を処理する方法が、脈動波形と一定の成分とを含む第１の信号の集合を生体から検出する工程を含む。この方法は、当該第１の信号の集合から脈動波形を抽出する工程と、当該脈動波形を処理して、臨界タイミング情報を生成する工程も含む。幾つかの実施形態では、この方法は、臨界タイミング情報に基づいて、第２の信号の集合から選択して、生物測定を算出する工程も含む。第２の信号の集合は、上述した脈動波形と一定の成分を含む。
【００１０】
他の実施形態では、上述したいずれかの態様、または明細書中に記載された装置または方法のいずれかが、以下に示す１つまたはそれ以上の特徴を含む。  
【００１１】
幾つかの実施形態では、光源を起動する工程が、赤色周波数、赤外線周波数、またはこれらの組合せの少なくとも１つで光を透過させる工程を含む。幾つかの実施形態では、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法が、赤色周波数、赤外線周波数、第２の赤外線周波数、またはこれらの組合せの少なくとも１つで光を透過させる工程を含む。幾つかの実施形態では、蓄積時間の間、生体に光を透過させる光源を起動する工程が、所定の出力レベルで光を透過させる工程を含む。
【００１２】
幾つかの実施形態では、少なくとも１つの光のサンプルが検出器ユニットの飽和レベルに近づいているかどうか判定する工程は、当該少なくとも１つの光のサンプルが閾値に達したかどうか判定する工程を含む。蓄積時間を調整して、少なくとも１つの光のサンプルが閾値に達する際に当該蓄積時間を少なくすることで、検出器ユニットの飽和を防止することができる。幾つかの実施形態では、当該閾値は、検出器ユニットの飽和レベルの約７０％〜約８５％である。蓄積時間を少なくする工程は、光源（例えば、パルスオキシメトリシステムにおける１つまたはそれ以上のＬＥＤ）を短時間（例えば、光源の起動期間の短縮）だけ起動する工程を含む。幾つかの実施形態では、蓄積時間が最小値に達するまで、蓄積時間を少なくすることにより、蓄積時間が調整される。幾つかの実施形態では、蓄積時間が４００ms（例えば、初期蓄積時間）であり、起動時間の最小値が２００msである。蓄積時間が最小値まで少なくなると、透過光の出力レベル（例えば、起動された光源）を調整して、検出器ユニットの飽和を回避することができる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法が、蓄積時間の間、生体から反射される少なくとも１つの光（例えば、赤色光源、赤外線光源、第２赤外線光源、またはこれらの組合せ）のサンプルに基づいて、生体の酸素飽和度を算出する工程を含む。
【００１４】
幾つかの実施形態では、生体から反射した光から得た第１のアナログ信号の集合を出力することで、検出器ユニットは、生体から反射した光から得た第１の信号の集合を検出する。
【００１５】
幾つかの実施形態では、少なくとも赤色光源と赤外線光源を同時に起動して、第１期間の間、生体に光を透過させる。幾つかの実施形態では、第１期間の間、赤色光源、第１赤外線光源、第２赤外線光源、またはこれらの組合せのうち、１つまたはそれ以上が別個にまたは同時に起動される。
【００１６】
幾つかの実施形態では、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法が、第１光源を起動して、第２期間の間、生体に光を透過させる工程を含む。この方法は、当該第２期間の間、第１光源からの反射光から第２の信号の集合を検出する工程を含む。この方法は、第２の信号の集合から選択された信号に基づいて、生体の酸素飽和度を算出する工程も含む。第２の信号の集合から選択された信号は、ＡＣ成分の立ち上がり部分に対応する信号を含む。ＡＣ成分の立ち上がり部分は、第１期間の間に検出された信号のＡＣ成分を処理することによって決定される。
【００１７】
幾つかの実施形態では、高域フィルタと低域フィルタの少なくとも１つを用いて、信号の集合（例えば、第１光源と第２光源が同時に起動される場合には、第１期間の間に検出された第１の信号の集合）をフィルタして、信号のＤＣ成分を遮断することができる。幾つかの実施形態では、第１の信号の集合（例えば、アナログ信号）を帯域フィルタを用いてフィルタして、信号のＤＣ成分を遮断し、ＡＣ成分を抽出する。幾つかの実施形態では、信号のＡＣ成分を処理して、生体の心拍数を決定することができる。
【００１８】
幾つかの実施形態では、臨界タイミング情報は、生体の心拍数と脈動波形の立ち上がり部の少なくとも１つである。
【００１９】
本発明の他の態様と利点は、以下に説明する図面と詳細な説明から明確になる。図面と詳細な説明は、すべて例示的なものとして、本発明の原理を示しているに過ぎない。
【００２０】
上述した本発明の利点は、他の利点とともに、添付の図面と一緒に以下の説明を参照することでより良く理解できるであろう。図面は縮尺を要するものでなく、代わりに、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】例示的な実施形態によるパルスオキシメトリシステムの略図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態に従って、光の脈動性生物測定信号を検出して処理する手順を表す。
【図３】本発明の別の例示的な実施形態に従って、脈動性生物測定信号を検出して処理する手順を表す。
【図４】本発明の例示的な実施形態に従って、脈動性生物測定信号を検出して処理する回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここに例示された実施形態はパルスオキシメトリの記載の中で述べられているが、例示された実施形態は、脈動性生物測定信号の信号処理に関する他の記載に適用することができる。例示された実施形態は、例えば、反射型パルスオキシメトリシステムまたは透過型パルスオキシメトリシステムに適用することができる。
【００２３】
図１はパルスオキシメトリシステム１００の略図である。パルスオキシメトリシステムは、１秒間に複数回、赤色光および赤外光（ＩＲ）の両方を用いて、サンプルを検出することができる。このシステムは、所定期間（例えば、蓄積時間）、光を透過させるために起動できる複数の光源１０５Ａ，１０５Ｂ（例えば、赤色光の光源、赤外光の光源等）を含んでもよい。検出器ユニット１１０（例えば、光検出器および前置増幅器ユニット）は、生体１２０から反射した光１１５（例えば、反射した赤色光または赤外光を含む）を検出し、検出光（例えば、反射光からの光子）を電気信号１２５に変換することができる。信号１２５を処理することで、例えば、生体の心拍数および／または生体１２０の酸素飽和度を決定することができる。
【００２４】
検出器ユニット１１０（例えば、光検出器によって検出された光の光子）によって検出された各サンプルに対して、検出器ユニット１１０は、固定期間の間、検出された光の量に比例する電荷を蓄積することができる。幾つかの実施形態では、検出器ユニット１１０が電荷を蓄積する時間は、光源１０５Ａまたは１０５Ｂが光を透過させる時間に比例する。したがって、検出器のサンプリング速度は、光源１０５Ａまたは１０５Ｂが光を透過させる時間（例えば、蓄積時間）によって変更することができる。その後、検出器ユニット１１０の出力は、アナログ−デジタル変換器に供給される。アナログ−デジタル変換器では、検出器出力を、受光量（例えば、反射光１１５）を表す処理可能なデジタル単語（例えば、信号１２５）に変換することができる。システム１００は、ＡＣＲＥＤ/ＤＣＲＥＤとＡＣＩＲ/ＤＣＩＲとの比を算出することで、生体１２０の酸素飽和度（例えば、ＳｐＯ２）を演算することができる。ここで、ＡＣＲＥＤは反射された赤色光のＡＣ成分（例えば、脈動部分）の値であり、ＤＣＲＥＤは反射された赤色光のＤＣ成分（例えば、平均）の値であり、ＡＣＩＲは反射された赤外光のＡＣ成分（例えば、脈動部分）の値であり、ＤＣＩＲは反射された赤外光のＤＣ成分（例えば、平均）の値である。
【００２５】
図２は、本発明の例示的な実施形態に従って、光の脈動性信号を検出して、処理する手順を表す。この手順は、例えば、反射型パルスオキシメータまたは透過型パルスオキシメータであるパルスオキシメトリシステムに適用することが可能である。このシステムは、蓄積時間の間、生体に光を透過させるために光源（例えば、ＬＥＤ）を起動（例えば、照射）することができる。このシステムは、光源の初期出力レベル（例えば、所定の出力レベル）を用いる（ステップ１３０）。幾つかの実施形態では、システムが、生体に光を透過させるために起動可能な複数の光源（例えば、赤色光源、赤外光源、またはこれらの組合せ等）を含む。光源は、最初にＬＥＤ源の最大出力レベル強度で起動／作動してもよい。システムは、検出器ユニット（例えば、光検出器およびアナログ−デジタル変換器回路）を用いて、初期蓄積時間の間、生体（例えば、患者の体）から反射された光の少なくとも１つのサンプルを検出することができる（ステップ１３５）。信号（例えば、光検出器により検出され、デジタル信号として変換可能な電気的なアナログ信号として出力される、患者から反射される光）は、ＡＣ成分とＤＣ成分を含む。光のサンプル（例えば、または対応する信号）を処理して、サンプルが検出器ユニットの飽和レベルに近づくかどうか決定することができる（ステップ１４０）。サンプルが検出器の飽和レベルに近づく場合、システムは蓄積時間（例えば、各サンプルの継続時間または光源が照射する／光源が起動される時間）を調整することで、検出器ユニットが飽和に近づくことなく初期出力レベルで光源を維持することができる（ステップ１４５）。信号のＤＣ成分が高すぎる場合、信号は、検出器ユニットの飽和レベルに近づく。蓄積時間を調節しても信号が検出器ユニットの飽和レベルに近づくことを防止できない場合（ステップ１５０）、システムは、最小蓄積時間値に到達する（例えば、２００ms）まで蓄積時間を調整し続ける。システムが最小値まで蓄積時間を調整している場合、システムは光源への出力を低減することで検出器の飽和を回避することができる（ステップ１５５）。検出器ユニットにより検出されたサンプルは、例えば、生体の酸素飽和度を算出するのに使用することができる（ステップ１６０）。
【００２６】
検出器ユニットのアナログ−デジタル変換器（例えば、アナログ−デジタル変換器回路）がその最大値まで達すると、検出器ユニットは飽和する。幾つかの実施形態では、検出器ユニットの飽和レベルは１，０００，０００単位である。検出器ユニットが飽和する（例えば、検出器が光の光子のより多くのユニットをデジタル信号に変換することができなくなる）と、検出器は、電気回路が供給できる最大値を表す一定値を出力する。例えば、検出器の飽和レベルが所定の単位数であり、検出された光がこの値を超える場合、検出器は一定値を出力するのみである。この一定値が信号のＤＣ成分となり得るが、飽和した検出器ユニットは信号のＡＣ成分を検出することはできなくなり、脈拍数および酸素飽和度ＳｐＯ２を算出することは不可能となる。
【００２７】
蓄積時間は、光源が起動されて生体に光を照射する／透過させる時間の長さまたは検出器信号の変換時間である。蓄積時間を調節するため、システムは、光源が照射する／透過させる時間の長さを変更できる。幾つかの実施形態では、システムは、検出器のサンプリング時間の調整（例えば、検出器信号の変換時間の調整）により、蓄積時間を調節する。  
【００２８】
一例として、パルスオキシメータシステムは、最大出力レベルで、照射光源を起動し（例えば、ステップ１３０）、初期蓄積時間の間、サンプルを検出する（ステップ１３５）。蓄積時間は、光源を起動する時間（例えば、光源が光を透過させる期間）である。初期蓄積時間は、（例えば、４００マイクロ秒に）予め決定される。システムは信号を処理して、検出器により検出された対応するサンプル（例えば、蓄積時間の間に取得された光の積算単位または光の全単位）が、検出器ユニットの飽和レベルに近づくかどうかを決定する（ステップ１４０）。システムは、サンプルが閾値に達するかどうかを判定することで、信号が検出器ユニットの飽和レベルに近づいているかどうか判定することができる。閾値は、検出器ユニットの飽和を回避すべく、システムが蓄積時間の調整を行うことを促進させる誘発イベントを確立する（ステップ１４５）。幾つかの実施形態では、検出器が受信した信号が閾値に達すると、システムは、検出器の蓄積時間を少なくすることで応答する。トリガーとなる閾値は、検出器の飽和レベルの７０％〜８５％である。システムは蓄積時間を調整して（ステップ１４５）、光源の起動時間（例えば、光源が生体に光を透過させる／照射する時間の長さ）を短くすることで、蓄積時間を少なくすることができる。システムは、最小蓄積時間値（例えば、２００マイクロ秒）に達するまで、継続的に蓄積時間を調整（例えば、蓄積時間の継続的な低下）して、飽和を回避することができる。光源の出力レベルを調整する代わりに蓄積時間を調整することで、システムは、検出器ユニットの飽和を回避する一方で、所望の出力レベル（例えば、最大出力強度）で光源を作動することができる。  
【００２９】
光源はＬＥＤおよびＬＥＤの電気駆動回路を含んでいる。より多くの光を生体に透過させるほど、より深く光が生体組織を貫通する。より多くの光を透過（例えば、より高い出力レベルで光を透過）させることで、システムがより多くの組織から情報を集めることが可能となり、測定の精度を向上させることができる。幾つかの実施形態では、システムが蓄積時間を少なくすることで、システムが光源をその最大出力強度レベルで作動することができ、測定の精度を向上させている。  
【００３０】
図２に記載のように、蓄積時間を調整／少なくすることで、検出器の飽和を回避することができる（例えば、ステップ１４５）。しかしながら、信号の精度が悪化しない程度に蓄積時間の最小値を設定する。蓄積時間は、電気的なノイズを減少して精度を改質（信号対雑音比）するのに十分に長い必要がある。装置の雑音レベルが一定であると、蓄積時間が長くなり、信号はより有効（例えば、より良い／高い信号対雑音比）な結果となる。システムの最小蓄積時間値は、システムの雑音レベルに応じて決定することができる。最小蓄積時間値（例えば、信号の精度が悪化し始める前で、システムが処理できる最低の蓄積時間）を設定することで、システムは光源の最大出力強度レベルで動き始め、蓄積時間を徐々に少なくすることで、検出器ユニットの飽和を回避しながら最適な動作条件を得ることができる。すでに蓄積時間が最小蓄積時間値まで少なくなり、これ以上少なくすると信号の精度が悪化する場合には、システムは、光源の強度（例えば、透過光の出力レベル）を低下させることで、検出器の飽和を回避できる（例えば、ステップ１５５）。
【００３１】
図３は、本発明の別の例示的な実施形態に従って、脈動性生物測定信号を検出および処理する手順を表す。ここで説明する実施形態は、バックグラウンド信号またはノイズ（例えば、ＡＣ成分とＤＣ成分を含む信号で、ＤＣ成分が実質的にＡＣ成分よりも大きい信号）が大部分を占めた脈動波形（例えば、脈動性生物測定信号）を含む信号を処理するのに用いることができる。脈動波形を別個に抽出することで、例えば、臨界タイミング情報を取得することができる。臨界タイミング情報は、脈動波形とバックグラウンド信号／ノイズの両方を含む信号の処理に用いることができる。例えば、脈動性生物測定信号を処理する方法は、脈動波形と一定の成分とを含む第１の信号の集合を生体から検出するステップ（工程）を含む。脈動波形は第１の信号の集合から抽出され、これを処理することで臨界タイミング情報を生成することができる。この方法は、例えば、臨界タイミング情報（例えば、生体の心拍数または脈動波形の立ち上がり部分）に基づいて、第２の信号の集合から選択して、生物測定を算出するステップ（工程）を含んでもよい。第２の信号の集合は、脈動波形と一定の成分とを含む。
【００３２】
パルスオキシメトリシステムは、個別にまたは同時に起動されて光を透過させることが可能な複数の光源（例えば、赤色光源、第１赤外線光源、第２赤外線光源等）を含んでもよい。幾つかの実施形態では、複数の光源が１つの周期の異なる点でまたはそれぞれ異なる期間で起動される。検出器は、第１の周期の間、反射光のサンプル（例えば、患者の体からの反射光）を検出し（ステップ１６５）、第２の周期等では、別の信号の集合を検出する。検出器は、デジタル信号に変換可能な、光の検出されたサンプルからアナログ信号を出力する。異なる周期の間に検出された信号は、２つの方法で処理することができる。第１の信号の集合（例えば、アナログ信号）をフィルタリングして、信号のＤＣ成分を取り除き（ステップ１７０）、ＡＣ成分を抽出することで、脈動波形に関するデータを取得することができる（ステップ１７５）。幾つかの実施形態では、脈動波形は患者／生体の心臓／動脈の波形であり、データは心拍数および／または動脈波形の立ち上がり部の位置である。脈動波形に関するデータは、ＡＣ成分とＤＣ成分の両方を含む別の信号の集合からのデータの処理に使用することができる。脈動波形に関するデータは、例えば酸素飽和度等の生体の生物測定を決定する（ステップ１８５）のに用いる信号を、第２の信号の集合のなかから特定するのに用いることができる（ステップ１８０）。信号のＡＣ成分の検出／抽出に用いる信号の集合は、ＡＣ成分とＤＣ成分が維持され、これらが生体の生物測定の算出に使用されるような信号の集合ではなく、異なる周期で検出される。
【００３３】
パルスオキシメトリシステムでは、光（例えば、赤色光「Ｒ」、赤外光「ＩＲ１」および第２の赤外光「ＩＲ２」）の異なる波長から得られた情報は、生体の酸素濃度を算出するのに使用される。パルスオキシメトリシステムは、赤色光源、第１赤外線光源、および第２赤外線光源を含む。これらの光源は、異なる時間間隔／周期の間、別個にまたは同時に起動する個別の光源を任意に組み合わせて（例えば、Ｒ、ＩＲ１、ＩＲ２、Ｒ＋ＩＲ１、Ｒ＋ＩＲ２、Ｒ＋ＩＲ１＋ＩＲ２等）起動／作動させることができる。各時間間隔／周期の間、検出器は生体からの反射光を検出し、対応する信号（例えば、各時間間隔／周期に対応する信号の集合）を出力する。周期ごと、第２の周期ごと、第３の周期ごと、または第４の周期ごとに、光源を起動してもよい。例えば、第１光源（例えば、赤色光源）を第１の時間間隔／周期の間に起動し、第２光源（例えば、第１赤外線光源）を第２の時間間隔／周期の間に起動し、第３光源（例えば、第２赤外線光源）を第３の時間間隔／周期の間に起動し、第４の時間間隔／周期の間、これらの光源を任意に組み合わせて（例えば、赤色光源＋第１赤外線光源、赤色光源＋第２赤外線光源、赤色光源＋第１赤外線光源＋第２赤外線光源等）同時に起動することができる。
【００３４】
従来のオキシメータでは、ＡＣ成分とＤＣ成分を含む反射光からの信号は、検出器ユニット（例えば、検出器のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ））により検出され、デジタル形式に変換される。また、デジタル信号処理（例えば、デジタルフィルタリング）を用いて、ＤＣ成分とＡＣ成分を分離する。しかしながら、信号の集合（例えば、すべての光源の起動時における周期の一点で検出された信号）を用いてＡＣ信号を検出し、臨界タイミング情報を算出することで、パルスオキシメトリシステムは、高精度の酸素濃度測定を行うことができる。信号のＡＣ成分から得た臨界タイミング情報を、他の周期の間に取得した信号の処理に利用して、例えば、酸素濃度測定の算出を行うことができる。例えば、他の周期（例えば、複数の光源のうち１つまたは幾つかのみがオンである場合）から得る信号は、例えば、患者の酸素濃度を算出するのに使用することができる。他の周期からの信号は、例えば、Ｒ、ＩＲ１、ＩＲ２、Ｒ＋ＩＲ１、Ｒ＋ＩＲ２を含み、Ｒは起動された赤色光源、ＩＲ１は起動された第１赤外線光源、ＩＲ２は起動された第２赤外線光源である。これらの信号を処理して、ノイズをより良好に除く（例えば、実際のパルスがどのようなものであるかを既に知っているので）ことで、酸素濃度測定の精度を大きく改善することができる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、複数の光源を同時に起動した状態における所定の周期／時間間隔で検出される反射光の信号（例えば、アナログ信号）の集合を用いて、ＡＣ成分を算出／抽出する（ステップ１９０）。複数の光源を同時に起動すると出力の増加につながる。例えば、４番目の周期ごとに光源を同時に起動すると、ＡＣ成分の抽出（例えば、ＤＣ成分を除去するフィルタリング）は、４番目の周期ごとにサンプリングされた信号の集合に対して行われる。システムは、所望の周期（例えば、光源が同時に起動される周期）と一致するようにサンプリング−ホールド動作を実行し、サンプルの出力（例えば、アナログ信号）をフィルタリングしてホールドすることで、ＤＣ成分を除きＡＣ成分を抽出する（例えば、ステップ１７０）。ＡＣ成分の抽出は、ＡＣ信号を検出して、バックグラウンド信号に対する信号のＡＣ成分／出力信号のＤＣ成分の比を維持する必要をなくすステップ（工程）を含む。
【００３６】
信号（例えば、アナログ信号）のＡＣ成分を抽出するため、信号がアナログ形式（例えば、ステップ１９５およびステップ２００）である間、信号を（例えば、アナログフィルタにより）フィルタリングする。信号がフィルタリングされ、ＤＣ成分が除かれ、反射光のＡＣ成分のみが（例えば、ＡＤＣからの高ダイナミックレンジが不要な状態で）デジタル信号に変換される。アナログフィルタを用いて反射光のＤＣ成分を遮断することで、規則的な形状（例えば、ＡＣ成分とＤＣ成分が維持されている状態）に対して、ＡＣ成分が強くなる。アナログフィルタ（例えば、アナログ形式の信号からＤＣ成分を遮断すること）を用いれば反射光のＤＣ成分の遮断をより簡単に行うことができる。システムは波長情報を収集しなくてもよいが、信号の出力が増加すると、信号のＡＣ成分（例えば、信号の脈動部分（ＡＣ））が多くなる。ＡＣ成分が増加することで、より良い／高い信号対雑音比が得られる。例えば、脈拍数またはパルス位置等の臨界タイミング情報は、ＡＣ信号が大きいとより簡単に検出することができる。
【００３７】
システムは、アナログフィルタ（例えば、通過点で６デシベルのアナログフィルタ）を用いて、アナログ形式である間に信号のＤＣ成分を遮断することができる。アナログフィルタは帯域フィルタ（例えば、高域および低域フィルタ）である（ステップ２００）。ＤＣ成分の遮断（ステップ２００）は、脈動波形（例えば、信号のＡＣ成分）の抽出を促進させる。幾つかの実施形態では、システムはパルスオキシメトリシステムであり、脈動波形は動脈波形である。システムは高域フィルタおよび低域フィルタを用いて、特定の脈動波形を分離／抽出することができる。例えば、典型的な心拍数が毎分約３０〜３００回の拍動回数である場合、システムは高域フィルタおよび低域フィルタを用いて、特定の周波数範囲に入らない信号の部分を遮断することで、信号の動脈血流に関係のない部分を遮断することができる。幾つかの実施形態では、高域フィルタを用いて約０．７Ｈｚ未満の周波数を遮断し、低域フィルタを用いて約５．５Ｈｚよりも大きい周波数を遮断することで、約０．７Ｈｚ〜約５．５Ｈｚの範囲内の周波数を有する信号を抽出する。
【００３８】
システムは、フィルタを用いて（ステップ１９５およびステップ２００）、大きく且つ正確な動脈波形を生成する。この波形（例えば、信号の非常に小さなＡＣ成分の代わりに）を処理して、患者の心拍数を決定し、心拍数および／または周期的な信号の立ち上がり部分の位置決定（ステップ１７５）等の臨界タイミング情報を決定する。心拍数の決定および／または信号の立ち上がり部分の特定のために信号を処理するステップ（工程）は、２００６年９月２８日に出願された「パルスオキシメトリのための信号処理」と題された米国特許出願シリアル番号第１１／５３６，０５８号に記載された人工波形テンプレート等のアルゴリズムを用いて実行することができる。当該出願は、参照により、その内容が本発明に含まれるものとする。  
【００３９】
幾つかの実施形態では、システムは、検出器のセンサから出力されたアナログ信号から青色を遮断する（ステップ１９５）。パルスオキシメトリシステムは、青色光の遮断に青色を用いて（ステップ１９５）、脈動波形（例えば、動脈波形）を分離／抽出する。幾つかの実施形態では、システムは青色フィルタを用いて、信号の動かない、非動脈または静脈血に実質的に対応する部分を遮断して、酸素飽和度の算出に利用可能な、信号の動脈血に対応する部分を抽出する。
【００４０】
心拍数および立ち上がり部分（例えば、ステップ１７５において、抽出されたＡＣ成分／ＡＣ信号から識別される）の特定等、臨界タイミング情報に関するデータは、システムのデジタル部分に送信される（ステップ２０５）。臨界タイミング情報を用いて、患者の酸素濃度を算出するために処理または解析される信号を選択／特定することができる（ステップ１８０）。例えば、動脈波形（例えば、ＡＣ成分）の立ち上がり部分に対応する信号が選択、使用されて、例えば、酸素飽和度が算出される（ステップ１８５）。これらの信号のＡＣとＤＣの関係は維持されている（例えば、信号はＤＣ成分とＡＣ成分の両方を含む）。幾つかの実施形態では、すべての光源が起動される周期に対応する信号を使用して、臨界タイミング情報を算出する一方、他の周期（例えば、すべてではなく１つ／幾つかの光源が起動される周期）からの信号を使用して、患者の酸素飽和度等の生物測定を算出することができる。例えば、４番目の周期ごとにすべての光源を同時に起動する場合、１番目、２番目および３番目の周期からの信号を用いて、生物測定を算出することができる。臨界タイミング情報を用いて、他の周期からの信号のうちどの信号を用いて生物測定を算出すべきかを決定することで、生物測定（例えば、ＳｐＯ２）の精度を高めることができる。
【００４１】
一例として、生体から反射された光の脈動信号を処理する方法は、少なくとも第１光源と第２光源（例えば、赤色光源および赤外線光源）を同時に起動して、第１期間の間、生体に光を透過させるステップ（工程）を含む。この方法は、検出器ユニットを用いて、生体から反射した光から第１の信号の集合を検出するステップ（工程）（例えば、ステップ１９０）と、当該第１の信号の集合のうちＤＣ成分を遮断（例えば、高域フィルタ、低域フィルタ、または帯域フィルタの少なくとも１つを使用）して、当該第１の信号の集合のＡＣ成分を抽出する（例えば、ステップ１７０）ステップ（工程）とを含む。第１の信号の集合を検出するステップ（工程）は、生体から反射した光から得た第１のアナログ信号の集合を出力するステップ（工程）を含む。この方法は、ＡＣ成分を処理して、生体の酸素飽和度を算出（例えば、ステップ１８０およびステップ１８５）するのに用いるＡＣ成分の立ち上がり部分を特定（例えば、ステップ１７５）するステップ（工程）を含む。ＡＣ成分を処理して、生体の心拍数を決定（例えば、ステップ１７５）することもできる。この方法は、第１光源を起動して、第２期間の間、生体に光を透過させるステップ（工程）と、第２期間の間、第１光源からの反射光から第２の信号の集合を検出するステップ（工程）とを含んでもよい。ＡＣ成分の立ち上がり部分に対応して、第２の信号の集合から選択された信号に基づいて、生体の酸素飽和度を算出することができる（例えば、ステップ１８０）。
【００４２】
図４は、本発明の例示的な実施形態に従って、脈動性生物測定信号を検出して処理する回路のブロック図である。回路は、生物測定学的な脈動信号のサンプルを検出するセンサ２１０Ａまたは２１０Ｂ（例えば、患者からの反射光から光子を検出する光検出器）を含む。回路は、センサ２１０Ａまたは２１０Ｂによって検出されたサンプルに基づいて、信号（例えば、アナログ信号）を生成する。信号は、ＡＣ成分（例えば、脈動波形）とＤＣ成分の両方を含む。回路は、センサ２１０Ｂからの信号を増幅可能な前置増幅器２１５を含む。回路は第１モジュール２２０と第２モジュール２２５を含む。第１モジュール２２０は、選択された信号の集合をセンサ２１０Ｂから検出されたサンプルからフィルタリングして、信号のＤＣ成分を遮断するとともにＡＣ成分を分離／抽出する。信号のＡＣ成分を用いて、臨界タイミング情報（例えば、心拍数の決定および／または動脈波形の立ち上がり部分の特定）を決定することができる。回路の第２モジュール２２５は、第１モジュール２２０から生成された臨界タイミング情報を用いて、（例えば、酸素飽和度を算出するため）センサ２１０Ａまたは２１０Ｂにより検出されたサンプルからの信号を処理する。これらの信号には、信号のＡＣ成分とＤＣ成分がまだ残っている。回路は、アナログ−デジタル変換器２５０，２５５または２６０も含んでいる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、前置増幅器２１５は、変換器２５０または２５５によるデジタル変換の前に検出器信号のフィルタリングを行う。回路は前置増幅器２１５から２つの経路を含む。第１経路はアナログ−デジタル変換器２５５を通り、そこで生成されるデジタル信号は、ＡＣ成分と、例えば、患者の酸素飽和度を算出するため後に使用されるＤＣ成分とを含む。第２経路は信号のＤＣ成分を遮断するのに使用され、結果として、脈拍数計算および脈動波形の立ち上がり部分等の臨界タイミング情報を得るために用いるアナログ信号のＡＣ成分が得られる。
【００４４】
幾つかの実施形態では、センサ２１０Ｂからの幾つかの信号のみを用いて、第１モジュール２２０によりＡＣ成分を検出／抽出する。例えば、パルスオキシメトリシステム内の複数の光源は、すべての周期の間に同時に起動しなくてもよい。いずれか１つまたは任意に組み合わせた複数の光源を、異なる時間間隔で順番に起動することができる。幾つかの実施形態では、アナログフィルタ２３５，２４５は、１つの連続するアナログ信号を１つの時間間隔／周期の間に順番に遮断する。幾つかの実施形態では、ＡＣ信号のみが検出され（例えば、ＤＣ成分が遮断され）、１つ以上の光源が同時に起動される際、周期／時間間隔／シーケンスの間に、信号に対して脈拍数が算出される。制御装置２２９は、サンプル−ホールドユニット２３０を制御して、すべてまたは１つ以上の光源が同時に起動される周期／時間間隔（例えば、赤色光源、第１赤外線光源および第２赤外線光源が同時に起動される周期）の間のみにおいて、検出器からのアナログ信号を処理する。
【００４５】
幾つかの実施形態では、パルスオキシメトリシステムの複数の光源（例えば、赤色光源、第１赤外線光源、第２赤外線光源等）は４番目の周期ごとに同時に起動され、４番目の周期ごとにアナログ信号に対してサンプリングとホールド動作がなされる。この４番目の周期からのアナログ信号は、第１モジュール２２０によって処理され、フィルタされることでＤＣ成分が除かれ、さらに、増幅器２４０を用いて増幅され、変換機２６０（例えば、Ａ２Ｄ−１）によりデジタル形式に変換される。信号のＡＣ成分は、例えば、生体の脈拍数／位置を算出するのに使用される。依然としてＡＣ成分およびＤＣ成分を含む他の周期（例えば、Ｒ、ＩＲ１、ＩＲ２）からのアナログ信号は、例えば、生体の酸素飽和度を算出するのに使用される。これらの他の周期（例えば、１つ以上のＬＥＤが起動されていない場合）からのアナログ信号は、デジタル形式（例えば、変換器２５５により）に変換される。幾つかの実施形態では、それぞれ「周期ちょうど」（例えば、各ＬＥＤが個別に起動される際の時間周期）で、各光源からの信号が第２モジュール２５５で変換機２５５，２６０によってデジタル形式に変換される。これらのデジタル信号は、それぞれ個別の光源からの情報を反映し、酸素濃度（例えば、ＳｐＯ２）の算出に使用する光（例えば、赤色、第１赤外線、第２赤外線等）の異なる波長からの情報を反映する。
【００４６】
一例として、赤色光源、第１赤外線光源、第２赤外線光源は、次のような周期／シーケンスで起動される。すなわち、Ｒ、ＩＲ１、ＩＲ２、ＩＲ１＋ＩＲ２＋Ｒ、Ｒ、ＩＲ１、ＩＲ２等である。ここで、Ｒは赤色光源、ＩＲ１は第１赤外線光源、ＩＲ２は第２赤外線光源である。幾つかの実施形態では、すべての光源が同時に起動される周期の間、検出器からの信号のみがアナログフィルタ２３５，２４５によってフィルタ（例えば、４番目の周期／時間間隔／シーケンスごとに）される。４番目のシーケンスからのアナログ信号を復元するため、制御装置２２９は、４番目の周期の間、「サンプル信号」をサンプル−ホールドユニット２３０に送信して、この時間間隔の間、検出器出力をサンプルするようにサンプル−ホールドユニット２３０に指示する。サンプル−ホールドユニット２３０の出力は、他のシーケンス（例えば、赤色光源が起動される最初のシーケンス、第１赤外線光源が起動される２番目のシーケンス、第２赤外線光源が起動される３番目のシーケンス）の間、他の光源が個別に起動される際には、この値のまま（例えば、ホールド）である。結果として、サンプル−ホールドユニット２３０は、すべての光源が起動されるシーケンス（例えば、４番目のシーケンス）の時間間隔に対応するアナログ信号を出力する。そして、このアナログ信号は、第２モジュール２２０のフィルタ２３５，２４５と増幅器２３５によって処理され、変換器２５０によりデジタル形式に変換される。
【００４７】
アナログ信号の選択された集合は、高域フィルタである第１モジュール２２０の第１フィルタ２３５に送信される。幾つかの実施形態では、高域フィルタは、約０．７Ｈｚより大きな周波数の信号を通過させ、約０．７Ｈｚよりも低い周波数をもつ信号を遮断する。回路は、フィルタされた信号を増幅する増幅器２４０も含み、如何なるオフセットも修正する。回路の電子機器（例えば、前置増幅器２１５での増幅とフィルタ２３５でのフィルタリング）は、第１モジュール２２０により除かれるＤＣ成分が不要なレベルまでＤＣ電圧を調整する反転入力端子を備えた増幅器２４０を用いて除去できる信号（例えば、オフセットまたは電圧バイアス）に別のＤＣ成分を加える。回路は、第２フィルタ２４５も含む。幾つかの実施形態では、第２フィルタ２４５は、約５．５Ｈｚよりも大きな周波数をもつ信号を遮断する低域フィルタである。従って、回路の第１モジュールによって出力／生成される信号は、変換器２５０によりデジタル信号に変換される信号のＡＣ成分（例えば、遮断されたＤＣ成分から得られた脈動波形）である。幾つかの実施形態では、信号の得られたＡＣ成分は増幅され、フィルタされて、大きく且つ正確な動脈波形を生成している。信号のＡＣ成分（例えば、脈動波形）は、臨界タイミング情報（例えば、動脈波形の立ち上がり部分）を生成するのに使用される。
【００４８】
回路の第２のモジュール２２５は、センサ２１０Ａまたは２１０Ｂによって検出されたサンプルからのアナログ信号を処理するもので、アナログ信号は変換器２５５，２６０を用いてデジタル信号に変換することができる。これらの信号には、依然としてＡＣ成分とＤＣ成分が維持／保持されている。これらの信号は、例えば、すべての光源が同時に起動されない周期からの信号である。幾つかの実施形態では、第２モジュールによって処理される信号は、第１モジュールによりフィルタおよび処理されて、ＡＣ成分のみを生成する信号とは異なる。幾つかの実施形態では、第２モジュールがインバータ２６５を含む。増幅器（例えば、前置増幅器２１５）は変換器として作用し、インバータ２６５は、センサ２１０Ｂおよびアナログ−デジタル変換器２５５からの入力信号を反転させる。センサ２１０Ａまたは２１０Ｂからの信号は、例えば、生体の心拍数および／または酸素飽和度を決定するため、回路（例えば、第２モジュール２２５）で処理される。第１モジュール２２０により生成された信号のＡＣ成分から得た臨界タイミング情報は、例えば、生体の酸素飽和度を算出するために、第２モジュール２２５からの信号（例えば、変換器２５５または２６０からの信号）のうちどの信号を処理するかの選択に使用される。
【００４９】
幾つかの実施形態では、システムは、異なる位置から反射された光を検出する２つのセンサ２１０Ａ，２１０Ｂ（例えば、光検出器）を備えており、測定（例えば、酸素飽和度の測定）の精度を高めることができる。この実施形態では、システムは、異なる深さ／距離における反射光を検出する近位センサ２１０Ｂと遠位センサ２１０Ａを含み、例えば、これらのセンサの一方に近接する静脈により、読みにずれが生じないようにしている。
【００５０】
特に本発明を特定の実施形態を参照して開示および説明したが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形状および詳細を様々に変更することが可能であることは理解すべきである。
【符号の説明】
【００５１】
１００・・パルスオキシメトリシステム、１１０・・検出器ユニット、１２０・・生体。
【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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