(57)【要約】  オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、外部センサの放出源を駆動するステップと、オーディオ・インターフェースの第３の接点において応答信号を受信するステップと、応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するステップと、第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するステップと、確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するステップとにより、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備える、オーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを、電子装置が作動させることができるようにするための方法、システム、および関連する装置が提供される。【選択図】図１
2014516678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子装置を制御して、前記電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための方法であって、前記オーディオ・インターフェースが複数の接点を備え、前記外部センサが、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備え、前記方法が、
前記オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、前記外部センサの前記放出源を駆動するステップと、
前記オーディオ・インターフェースの第３の接点において前記応答信号を受信するステップと、
前記応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するステップと、
前記第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するステップと、
前記確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記高調波駆動信号を加えるステップが、第１の周波数を有するステレオ正弦波変調信号を加えるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記応答信号を復調し、多重分離するステップが、前記第１の周波数および９０度の位相オフセットを有する第１の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第１の復調信号を得るステップと、前記第１の周波数の２倍に等しい第２の周波数および９０度の位相オフセットを有する第２の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第２の復調信号を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記第１の復調信号と第２の復調信号との第１の線形結合に基づいて前記第１の波長の応答信号を確定するステップと、前記第１の復調信号と第２の復調信号との第２の線形結合に基づいて前記第２の波長の応答信号を確定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記１つまたは複数の放出源が、前記第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続可能な１対の放出源を備え、前記１対の放出源のうち各放出源が起動電圧を有し、前記高調波駆動信号を加えるステップが、前記放出源の前記起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を加えるステップと、前記起動電圧よりも振幅が大きい正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを周期的に供給するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記応答信号のサンプリング周波数と実質的に同じ周波数で、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを供給するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを交互に供給するステップを含み、前記正極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記負極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第１の期間が、前記負極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記正極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第２の期間と異なることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記応答信号を復調し、多重分離するステップが、前記第１の期間および前記第２の期間によって分離されたピークを検出して、前記第１の波長の応答信号および前記第２の波長の応答信号を識別するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載の方法において、前記１対の放出源が、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備え、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか一項に記載の方法において、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークの振幅を動的に調整して、前記第１および第２の波長の応答信号のＤＣレベルを、制御設定ポイントの所定範囲内に維持するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
電子装置を制御して、前記電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するためのシステムであって、前記オーディオ・インターフェースが複数の接点を備え、前記外部センサが、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備え、前記システムが、
前記オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、前記外部センサの前記放出源を駆動するように構成された駆動信号発生器と、
前記オーディオ・インターフェースの第３の接点からの前記応答信号を受信し、前記応答信号を復調および多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するように構成された応答信号復調／多重分離装置と、
前記第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するように構成された応答信号分析装置と、
前記確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するように構成された出力と
を備えることを特徴とする、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、第１の周波数を有するステレオ正弦波変調信号を加えるように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の周波数および９０度の位相オフセットを有する第１の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第１の復調信号を得、前記第１の周波数の２倍に等しい第２の周波数および９０度の位相オフセットを有する第２の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第２の復調信号を得るように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の復調信号と前記第２の復調信号の第１の線形結合に基づいて前記第１の波長の応答信号を確定し、前記第１の復調信号と前記第２の復調信号の第２の線形結合に基づいて前記第２の波長の応答信号を確定するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の放出源が、前記第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続可能な１対の放出源を備え、前記１対の放出源のうち各放出源が起動電圧を有し、前記駆動信号発生器が、前記放出源の前記起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を加え、前記起動電圧よりも振幅が大きい正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを周期的に供給するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記応答信号のサンプリング周波数と実質的に同じ周波数で、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを供給するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを交互に供給するように構成され、前記正極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記負極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第１の期間が、前記負極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記正極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第２の期間と異なることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の期間および前記第２の期間によって分離されたピークを検出して、前記第１の波長の応答信号および前記第２の波長の応答信号を識別するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記１対の放出源が、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備え、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークの振幅を動的に調整して、前記第１および第２の波長の応答信号のＤＣレベルを、制御設定ポイントの所定範囲内に維持するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
オーディオ・インターフェースを有する電子装置のプロセッサによって実行されると、請求項１乃至１０のいずれか一項の方法を前記電子装置が実行するようにする、実行可能な命令を記憶する機械読取り可能なメモリを含むことを特徴とする、プログラム製品。
【請求項２２】
逆極性で並列に接続された赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサ用の駆動信号を生成するための方法であって、
前記赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を供給するステップと、
前記基本高調波信号内の周期的な正および負のトリガ・ピークを選択的に供給するステップと
を含み、前記正および負のトリガ・ピークが、前記赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの前記起動電圧よりも大きい振幅を有することを特徴とする、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とする方法。
【請求項２４】
電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能なオキシメータ・センサであって、
前記電子装置の前記オーディオ・インターフェース内で受信されるように構成されたコネクタであって、複数の接点を備えるコネクタと、
２つの異なる波長の光を放射するように構成された１対の放射源であって、前記コネクタの第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続された１対の放射源と、
前記２つの異なる波長の光を検出し、前記１対の放射源のうち第１の放射源からの検出光に基づく第１の応答信号成分、および前記１対の放射源のうちもう一方の放射源からの検出光に基づく第２の応答信号成分を含む応答信号を生成するように構成された検出器であって、前記コネクタの第３の接点に前記応答信号を供給するように接続された検出器と
を備えることを特徴とする、オキシメータ・センサ。
【請求項２５】
電子装置のオーディオ・インターフェースにオキシメータ・センサを接続するためのアダプタであって、複数の接点を備えるジャック用プラグであって、オーディオ・ジャック内で受けるように構成されたジャック用プラグを有する第１の端部と、ピン・タイプのコネクタの複数のピンを受けるように構成された複数の孔を備える第２の端部と、前記複数の接点と前記複数の孔の間に接続された複数の導体とを備えることを特徴とする、アダプタ。
【請求項２６】
請求項２５に記載のアダプタにおいて、前記接点のうちの１つの接点と前記孔のうちの１つの孔との間に接続された前置増幅器であって、前記接点のうちの前記１つの接点から電力を受けるように構成された前置増幅器を備えることを特徴とするアダプタ。
【請求項２７】
パルス・オキシメトリを使用して患者の生理的パラメータを確定するためのシステムであって、
（ａ）赤色電磁放射および赤外電磁放射を用いて、血液が充満した前記患者の身体部分を照射するための放出源であって、前記赤色電磁放射および前記赤外電磁放射が正弦波変調信号によって変調される放出源と、
（ｂ）前記身体部分を通過した受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射を含む入力信号を受けるための検出器であって、前記受信赤色電磁放射および前記受信赤外電磁放射の位相が９０度異なる検出器と、
（ｃ）前記放出源および検出器と電気的に通信しているプロセッサであって、
（ｉ）前記放出源を前記変調信号で変調し、
（ｉｉ）前記検出器からの前記信号を受信し、
（ｉｉｉ）それぞれが前記変調信号と同じ周波数を有し、互いの位相差が９０度である第１の正弦波信号および第２の正弦波信号を使用して前記入力信号を直交復調することによって、第１の復調信号を確定し、
（ｉｖ）それぞれが前記変調信号の２倍の周波数を有し、互いの位相差が９０度である第３の正弦波信号および第４の正弦波信号を使用して前記入力信号を直交復調することによって、第２の復調信号を確定し、
（ｖ）前記第１の復調信号と前記第２の復調信号との第１の線形結合に基づいて、前記受信赤色電磁放射を確定し、
（ｖｉ）前記第１の復調信号と前記第２の復調信号との第２の線形結合に基づいて、前記受信赤外電磁放射を確定し、
（ｖｉ）前記受信赤色電磁放射および前記受信赤外電磁放射に基づいて、前記患者の生理的パラメータを確定する
ように構成されたプロセッサと
を備えることを特徴とする、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年５月１７日出願の米国特許仮出願第６１／４８６，８０２号の優先権の利益を主張し、これを参照により全体として本明細書に組み込む。
【０００２】
本開示は、パルス・オキシメトリを使用して患者の生理特性を確定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
パルス・オキシメトリは、実際に酸素を運搬する血液中の酸素運搬分子（ヘモグロビンと呼ばれる）の比率を測定する診断法である。この比率は、酸素飽和度ＳｐＯ２として知られている。従来のパルス・オキシメータ・センサは、末端部（たとえば、指または耳）の狭い血管を循環している血液を通して、波長が異なる２つの光ビーム（たとえば、赤色および赤外）を照射し、次いで、この末端部を通過できる光の量を検出する。酸素を運搬するヘモグロビン（赤い血液）は、より多くの赤外光を通過させることができる酸素のないヘモグロビン（青い血液）よりも多くの赤外光を吸収し、多くの赤色光を通過させることができる。酸素飽和度は、酸素が結合したヘモグロビンの百分率で表される。血液中の全てのヘモグロビンが酸素で完全に飽和しているときに、百パーセントの酸素飽和度が得られる。
【０００４】
酸素は、体内の全ての細胞にとって生命の源である。酸素は、肺から我々の細胞へと血液で運搬される。酸素の供給が短時間でも中断すると、細胞が死滅することになり、さらにわずかでも中断時間が長引くと、体全体が死滅する可能性がある。血液中のヘモグロビンは通常、ほぼ完全に酸素で飽和している（ＳｐＯ２＝９５〜１００％）。このレベルを下回って減少することは、体中に送り込まれる酸素の量が減少しているか、または体が使用する量が増加したことを示す。パルス・オキシメトリを使用して、酸素が欠乏していることを示す臨床徴候（皮膚が青ざめる）が見られる前に、血液中の酸素の減少レベルを検出することができる。このように酸素の減少レベルを早期に検出することにより、酸素のレベルが臨界レベルにまで降下する前に、早期に救助することが可能になる。パルス・オキシメトリは、麻酔に関連する死のリスクを低減することに著しく寄与してきた。
【０００５】
１９８０年代に手術室へ導入されて以来、パルス・オキシメトリは、外科手術中に麻酔がかかっている患者を監視するのに日常的に使用されてきた。その使用が病院全体に広がり、その結果、酸素レベルが不安定などんな患者も、たとえば、集中治療室、救急診療部、または病室で監視することができる。パルス・オキシメトリは、肺疾患を患っている患者が自宅で使用することもできる。
【０００６】
パルス・オキシメトリは、肺疾患の初期徴候を識別できる診断装置、または体全体に影響を及ぼす病気の重症度を指示する装置の役割を果たす潜在的可能性を有する。通常、肺の機能が衰え始め、体の酸素使用量が増加すると、これらの病気が徐々に悪化するにつれてＳｐＯ２が低下する。肺でのガス交換が妨げられる結果として血液酸素飽和度（ＳｐＯ２）が低下することは、肺炎および他の感染症または炎症性疾患における重病の有力な予兆である。確かに、低ＳｐＯ２に基づく肺炎の診断により、普通の風邪など軽度の気道感染症と重度の気道感染症とを見分けることができる。
【０００７】
従来技術の診断用パルス・オキシメータは通常、大きくて扱いにくく（たとえば、設置面積が大きくて重さが２ｋｇを超えることがある）、臨床上有用になる多くの場所で利用可能でない、高価な特注の装置である。世界保健機関（ＷＨＯ）は、世界中の病院で麻酔向けに９０，０００〜１５０，０００台のオキシメータが不足していると推定している。
【０００８】
多くの従来技術のオキシメータでは、オキシメータ・センサの光ビームを生成するのに使用される電気波形信号は、実質的に矩形特性である。矩形波形は、基本周波数の高調波の高いサブ帯域成分を含んでおり、これにより、雑音エイリアシングの形で測定信号内にアーティファクトが入り込む。具体的には、線周波数の高調波をなくすことは困難である。さらに、多くの従来技術のオキシメータでは、時分割多重化を使用して検出光信号を分析するが、これによりセンサ放出源からの光とスプリアスの周辺光とを区別することを目標にできる。
【０００９】
さらに、多くの従来技術のオキシメータでは、警報は、患者の人口統計および患者内のばらつきを通常考慮に入れない固定閾値に基づいている。発せられた警報はしばしば信頼できず、臨床医は、そうした警報を混乱の元と考える傾向にある。
【００１０】
本発明者は、パルス・オキシメトリを実現するための改善された方法およびシステムが必要であると判断した。本発明者は、低コストで、正確で、堅牢なパルス・オキシメトリを実現するための改善された方法およびシステムが特に必要であると判断した。
【発明の概要】
【００１１】
一態様では、電子装置を制御して、この電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための方法が提供され、オーディオ・インターフェースは複数の接点を備え、外部センサは、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備える。本発明は、オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、外部センサの放出源を駆動するステップと、オーディオ・インターフェースの第３の接点において応答信号を受信するステップと、この応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するステップと、第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するステップと、確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するステップとを含む。
【００１２】
別の態様では、電子装置を制御して、この電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するためのシステムが提供され、オーディオ・インターフェースは複数の接点を備え、外部センサは、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備える。このシステムは、オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、外部センサの放出源を駆動するように構成された駆動信号発生装置と、オーディオ・インターフェースの第３の接点からの応答信号を受信し、この応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するように構成された応答信号の復調／多重分離装置と、第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するように構成された応答信号分析装置と、確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するように構成された出力部とを備える。
【００１３】
別の態様では、逆極性で並列に接続された赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサ用の駆動信号を生成するための方法が提供される。この方法は、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を供給するステップと、基本高調波信号内の周期的な正および負のトリガ・ピークを選択的に供給するステップとを含み、この正および負のトリガ・ピークは、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧よりも大きい振幅を有する。
【００１４】
別の態様では、電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能なオキシメータ・センサであって、電子装置のオーディオ・インターフェース内で受けるように構成されたコネクタであって、複数の接点を備えるコネクタと、２つの異なる波長の光を放出するように構成された１対の放出源であって、コネクタの第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続された１対の放出源と、２つの異なる波長の光を検出し、１対の放出源のうち第１の放出源からの検出光に基づく第１の応答信号成分、および１対の放出源のうちもう一方の放出源からの検出光に基づく第２の応答信号成分を含む応答信号を生成するように構成された検出器であって、コネクタの第３の接点に応答信号を供給するように接続された検出器とを備えるオキシメータ・センサが提供される。
【００１５】
別の態様では、電子装置のオーディオ・インターフェースにオキシメータ・センサを接続するためのアダプタであって、複数の接点を備えるジャック用プラグであって、オーディオ・ジャック内で受けるように構成されたジャック用プラグを有する第１の端部と、ピン・タイプのコネクタの複数のピンを受けるように構成された複数の孔を備える第２の端部と、複数の接点と複数の孔の間に接続された複数の導体とを備えるアダプタが提供される。
【００１６】
別の態様では、パルス・オキシメトリを使用して患者の生理的パラメータを確定するためのシステムが提供される。このシステムは、赤色電磁放射および赤外電磁放射を用いて、血液が充満した患者の身体部分を照射するための放出源であって、赤色電磁放射および赤外電磁放射が正弦波変調信号によって変調される放出源と、身体部分を通過した受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射を含む入力信号を受けるための検出器であって、受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射の位相が９０度異なる検出器と、放出源および検出器と電気的に通信しているプロセッサとを備える。プロセッサは、変調信号で放出源を変調し、検出器からの入力信号を受信し、それぞれが変調信号と同じ周波数を有しており位相が９０度異なる第１の正弦波信号および第２の正弦波信号を使用して入力信号を直交復調することによって第１の復調信号を確定し、それぞれが変調信号の２倍の周波数を有しており位相が９０度異なる第３の正弦波信号および第４の正弦波信号を使用して入力信号を直交復調することによって第２の復調信号を確定し、第１の復調信号と第２の復調信号の第１の線形結合に基づいて受信赤色電磁放射を確定し、第１の復調信号と第２の復調信号の第２の線形結合に基づいて受信赤外電磁放射を確定し、受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射に基づいて患者の生理的パラメータを確定するように構成される。
【００１７】
本開示の他の態様および特徴は、添付図とともに具体的な実施形態の以下の説明を検討すれば、当業者には明白になるであろう。
【００１８】
次に、添付図を参照しながら、ほんの一例として本開示の各実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、一実施形態による、例示的な携帯型の診断用パルス・オキシメトリ・システムの図である。
【図１Ａ】図１Ａは、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的な方法を示す流れ図である。
【図２】図２は、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図２Ａ】図２Ａは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、一実施形態による、オキシメータ・センサをオーディオ・インターフェースに結合するための例示的なアダプタを概略的に示す。
【図３】図３は、一実施形態によるオキシメータのインターフェースとの間の例示的な駆動信号および応答信号のグラフである。
【図４】図４は、一実施形態による、オキシメータ駆動信号を生成し、オキシメータ応答信号を処理するための例示的なシステムの機能図である。
【図５】図５は、図４の例示的なシステムなどのシステムから得られる例示的なプレチスモグラムのグラフである。
【図６】図６は、図４の例示的なシステムなどのシステムから得られる例示的な未加工の酸素飽和度信号のグラフである。
【図７】図７は、一実施形態による、警報および診断メッセージ生成するための例示的な方法を示す流れ図である。
【図８】図８は、一実施形態による、携帯型の診断用パルス・オキシメトリ・システムと通信する例示的な遠隔システムを概略的に示す。
【図９】図９は、一実施形態によるオキシメータ・センサを駆動するための例示的な駆動信号のグラフである。
【図１０】図１０は、図９の例示的な駆動信号に重ね合わせた例示的な応答信号を示すグラフである。
【図１１】図１１は、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、一実施形態による、駆動信号の振幅を確定するための例示的な振幅制御装置を概略的に示す。
【図１２】図１２は、図１１Ａの制御装置などの制御装置のシミュレートされた外乱への応答を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実際のセンサ応答信号への例示的な制御装置の応答を示すグラフである。
【図１４】図１４は、一実施形態による、多重分離された応答信号から酸素飽和度および心拍数を確定するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図１５】図１５は、一実施形態によるオキシメータによって得られる酸素飽和度の読取り値と市販の臨床用オキシメータによって得られる酸素飽和度の読取り値との間の比較を示すグラフである。
【図１６】図１６は、一実施形態によるオキシメータによって得られる心拍数の読取り値と市販の臨床用オキシメータによって得られる心拍数の読取り値との間の比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
全体として、本開示は、電子装置のオーディオ・インターフェースを介してオキシメータなどの外部センサを制御するための方法およびシステムを提供する。本明細書では、スマートフォンまたは同様のものなどハンドヘルド電子装置に関して例示的な実施形態を述べているが、本明細書に記載のシステムおよび方法は、オーディオ・インターフェースと適切な信号生成機能および信号処理機能を有する任意のタイプの電子装置で実施してもよく、それらの電子装置には、スマートフォン、フィーチャーフォン、携帯型情報端末、タブレット・コンピュータ、ネットブック・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ゲーム・システム、プロセッサを装備した携帯型音楽プレーヤ、デスクトップ・コンピュータまたは同様のものを含むが、それらには限定されないことを理解されたい。
【００２１】
図１を参照すると、携帯型診断用パルス・オキシメトリ・システム１００が示してあり、このシステムは一般に、携帯型コンスーマ用電子装置１１０、オキシメータ・センサ１４０、メディア・コネクタ１２０、および電気ケーブル１３０を備える。携帯型コンスーマ用電子装置１１０は一般に、メディア・インターフェース１１５（たとえば、オーディオ・インターフェース）、プロセッサ、メモリ、および様々な入力／出力手段（たとえば、タッチ・スクリーン表示装置、表示装置と物理的なキーボードなど）を備える。図に示した実施形態では、携帯型コンスーマ用電子装置１１０は携帯電話である。あるいは、装置１１０は、オーディオ・インターフェースおよび適切な処理機能を有する任意の電子装置でもよい。
【００２２】
オキシメータ・センサ１４０は一般に、放出源および検出器を備える。放出源は一般に、患者の身体部分１５０を通過する２つの異なる波長（たとえば、赤色光および赤外光）での電磁放射を放出する役割を果たし、検出器は一般に、身体部分１５０を通過して伝搬してきた電磁放射を検出する役割を果たす。オキシメータ・センサ１４０は、たとえば、指、耳、足指など、血液が充満した任意の利用可能な患者の人体部分１５０に取り付けることができる。あるいは、当業者の熟練度により、オキシメータ・センサ１４０は、患者の額もしくは胸、または他の任意の適切な身体部分に対して反射モードで使用してもよい。
【００２３】
図に示した実施形態では、放出源および検出器は、患者の指１５０の周りにぴったり合うように構成された不透明な格納装置に収容される。オキシメータ・センサの格納装置は、シリコン・ゴム、ばねで留められた高分子材料、それらの組合せ、または、他の任意の適切な材料もしくは材料の組合せから構成してもよい。
【００２４】
装置１１０は、メディア・インターフェース１１５を制御して、オキシメータ・センサ１４０を操作するための方法を実行するように構成される。具体的には、さらに以下で説明されるように、装置１１０は、オキシメータ・センサ１４０の放出源の制御装置に駆動信号を送信し、オキシメータ・センサ１４０の検出器からの応答信号を処理して様々な生命徴候を確定する。実施形態によっては、装置１１０には、メモリに記憶されたコンピュータ実行可能な命令を含んでもよく、これらの命令は、装置１１０の処理要素によって実行されると、装置１１０がこうした方法を実行するようにする。
【００２５】
図１Ａには、一実施形態による例示的な方法１６０が示してある。ブロック１６２において、電子装置のオーディオ・インターフェースに高調波駆動信号が加えられる。このオーディオ・インターフェースにはオキシメータ・センサが接続されており、このオキシメータ・センサが第１および第２の波長の電磁放射（たとえば、赤色光および赤外光）を放射できるようになる。ブロック１６４において、オキシメータ・センサからの応答信号がオーディオ・インターフェースで受けられる。応答信号は、第１の波長の検出された放射に対応する第１の成分と第２の波長の検出された放射に対応する第２の成分とが組み合わされた成分を含む。図３、図９、および図１０を参照して、例示的な駆動信号および応答信号を以下でさらに説明する。
【００２６】
ブロック１６６において、応答信号が復調され、多重分離されて、第１および第２の成分が得られる。当業者なら理解するように、予め決まっている復調および多重分離のタイプは、応答信号の第１および第２の成分がどのようにして組み合わされるかによって決まり、これは、オキシメータ・センサの放出源が駆動信号によってどのように駆動されるかによって決まる。図４および図１１を参照して、例示的な復調方式および多重分離方式を以下でさらに説明する。
【００２７】
ブロック１６８において、応答信号の第１および第２の成分が分析されて、様々な生命徴候が確定される。たとえば、実施形態によっては、第１の成分と第２の成分の比率から酸素飽和度が確定される。実施形態によっては、第１および第２の成分からフォトプレチスモグラムが得られ、このフォトプレチスモグラムが処理されて、当技術分野で知られているように、心拍数、呼吸数、血圧、他の生理的パラメータなど他の生命徴候が確定される。ブロック１７０において、これらの生命徴候が、患者および／または他の１人もしくは複数人のユーザに出力される。たとえば、生命徴候を出力するステップは、電子装置の表示装置上に生命徴候を表示するステップ、電子装置の組込み型スピーカを用いて可聴信号を生成するステップ、電子装置のメモリ内に生命徴候を記憶するステップ、電子装置で利用可能な任意の適切な通信プロトコルを使用して、１つまたは複数の装置に生命徴候を送信するステップ、または他の任意の出力形態を含んでもよい。
【００２８】
図２には、一実施形態による例示的なシステム２００が示してある。システム２００は、装置１１０などの電子装置内で実施してメディア・インターフェース１１５を制御して、オキシメータ・センサの放出源を操作し、オキシメータ・センサの検出器からの応答信号を処理してもよい。図に示した実施形態では、メディア・インターフェースは、ＴＲＲＳ（チップ、リング、リング、スリーブ）オーディオ・インターフェースを備えており、ここで、チップおよび第１のリングはスピーカ接点ＳＰＫを備え、第２のリングはアース接点ＧＮＤを備え、スリーブはマイクロフォン接点ＭＩＣを備えるが、様々なタイプのオーディオ・インターフェースを使用してもよいことを理解されたい。たとえば、実施形態によっては、異なる構成の接点を有するＴＲＲＳオーディオ・インターフェースを使用してもよい。実施形態によっては、１対のＴＲＳタイプのインターフェース（たとえば、スピーカ出力インターフェースおよびマイクロフォン入力インターフェース）を使用してもよい。実施形態によっては、電気信号を送受信するための複数の接点を有する、様々な構成のインターフェースを使用してもよい。図に示した実施形態では、システム２００は、高調波駆動信号をスピーカ接点ＳＰＫに加えるための駆動信号発生器２０２、ならびに、マイクロフォン接点ＭＩＣからの応答信号を受信し、第１および第２の波長成分λ１およびλ２をそこから得るための応答信号復調／多重分離装置２０４を備え、第１および第２の波長成分λ１およびλ２を応答信号分析装置２０８に供給し、この分析装置が、１つまたは複数の生命徴候を確定し、確定生命徴候を出力２１０に供給する。内部アース２０６は、アース接点ＧＮＤに接続される。
【００２９】
実施形態によっては、応答信号復調／多重分離装置２０４と応答信号分析装置２０８とを接続する点線で示すように、応答信号復調／多重分離装置２０４はまた、場合によっては応答信号から誤り信号ＥＲＲを確定してもよい。たとえば、応答信号復調／多重分離装置２０４は、予期しない特性（たとえば、振幅、ＤＣオフセット、または予測範囲外の周波数）を受信応答信号がいつ取得したかを示すための誤り信号を生成するように構成してもよく、したがって、応答信号分析装置２０８は、第１および第２の波長成分λ１およびλ２での潜在的にスプリアスの読取り値を無視してもよい。実施形態によっては、高調波駆動信号のパラメータを制御する際のフィードバックとして使用するために、第１および第２の波長成分λ１およびλ２と駆動信号発生器２０２とを接続する点線で示すように、場合によっては第１および第２の波長成分λ１およびλ２を駆動信号発生器２０２に供給してもよい。
【００３０】
図２Ａおよび２Ｂには、図１のシステム１００でのオキシメータ・センサ１４０として使用してもよい２つの例示的なオキシメータ・センサ２１５Ａおよび２１５Ｂと、オキシメータ・センサ２１５Ａ、２１５Ｂの間の電気インターフェースと、携帯型民生用電子装置１１０（図１参照）に接続可能なメディア・コネクタ１２０とが概略的に示してある。これらの実施形態では、電気ケーブル１３０およびメディア・コネクタ１２０を介して、オキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｂと携帯型民生用電子装置１１０との間で電気信号がやり取りされる。電気ケーブル１３０は、オキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｂおよびメディア・コネクタ１２０と電気的に通信している。電気ケーブル１３０は、アースされた導体２９０によって全体をまたは部分的にシールドされたマルチ撚り線電気ケーブルでもよい。メディア・コネクタ１２０は、たとえばオーディオ・インターフェースなど、携帯型民生用電子装置１１０で利用可能な任意の適切なメディア・インターフェース１１５との電気的な通信でインターフェースするように構成される。たとえば、メディア・コネクタ１２０は、携帯型民生用電子装置１１０のオーディオ・インターフェースとインターフェースするように構成された、２．５ｍｍまたは３．５ｍｍのチップ／リング／リング／スリーブ（ＴＲＲＳ）コネクタでもよい。他の実施形態では、たとえば、スピーカとマイクロフォンのインターフェースに接続するための１対のチップ／リング／スリーブ（ＴＲＳ）コネクタ、または他のタイプのオーディオ・インターフェースに接続するように構成された他のタイプのコネクタなど、様々なメディア・コネクタを使用してもよい。別の選択では、オキシメータ・センサには、当技術分野で知られている任意の有線または無線の通信媒体、方法、またはプロトコルを使用して、携帯型民生用電子装置１１０との間でオーディオ信号をやり取りするための手段を設けてもよい。
【００３１】
図２Ａに示す実施形態では、オキシメータ・センサ２１５Ａは、実質的に赤色（波長６００〜７００ｎｍ）および赤外（波長８００〜１０００ｎｍ）である２つの異なる波長で電磁放射を放出するように構成された２つの電磁放出源２２０および２３０を備える。放出源２２０および２３０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または当業者に知られている赤色および赤外の電磁放射を放射できる他の任意の放出源でもよい。放出源２２０および２３０は逆極性で並列に接続されており、したがって動作に際しては、一方の放出源２２０が正の駆動信号によって起動することになり、もう一方の放出源２２０が負の駆動信号によって起動することになる。オキシメータ・センサ２１５Ａは、放出源２２０および２３０の放出範囲で感度が高くなるように構成された電磁放射検出器２４０も備える。検出器２４０は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、感光性抵抗器、または他の任意の適切な電磁放射検出器でもよい。
【００３２】
放出源２２０および２３０は信号調整／フィルタリング要素２５０Ａと電気的に接続されており、検出器２４０は信号調整／フィルタリング要素２６０Ａと電気的に接続されている。信号調整／フィルタリング要素２５０Ａおよび２６０Ａは、所望の信号調整およびフィルタリングを実現するのに必要な、抵抗性、容量性、誘導性の電気構成部品、および能動電気構成部品の任意の組合せを含んでもよい。
【００３３】
図２Ｂに示す実施形態では、オキシメータ・センサ２１５Ｂは、赤色と赤外に両方で電磁放射を放出するように構成された電磁放出源２７０を備える。放出源２７０は、小形の白熱電球、または当業者に知られている電磁放射の他の任意の広帯域幅放出源とすることができる。オキシメータ・センサ２１５Ｂはまた、赤色放射および赤外放射それぞれに感応性が高くなるように構成された、２つの電磁放射検出器２４３および２４８を備える。検出器２４３および２４８の選択的感度は、各検出器に固有のものでもよく、または電磁放射フィルタ２４６および２４１によって実現してもよく、またはその両方でもよい。フィルタ２４６および２４１は、ガラス、プラスチック、樹脂、ゲル、ポリエステル、ポリカーボネート、または他の任意の適切な材料でもよく、１層または複数層のオプティカル・コーティング、および、当業者に知られている、電磁放射をフィルタリングするための他の手段を含んでもよい。
【００３４】
図に示す実施形態では、検出器２４３および２４８は、逆極性で並列に接続されたフォトダイオードを備えており、したがって動作時には、一方の検出器２４３が、赤色電磁放射または赤外電磁放射のうちの一方を含む正極性の応答信号を生成することになり、もう一方の検出器２４８が、赤色電磁放射または赤外電磁放射のうちのもう一方を含む負極性の応答信号を生成することになる。別の選択では、検出器２４３および２４８は、フォトトランジスタ、感光性抵抗器、または当業者に知られている他の任意の適切な電磁放射検出器を備えてもよい。
【００３５】
放出源２７０は信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂと電気的に接続されており、検出器２４３は信号調整／フィルタリング要素２６０Ｂと電気的に接続されている。信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂおよび２６０Ｂは、所望の信号調整およびフィルタリングを実現するのに必要な、抵抗性、容量性、誘導性の電気構成部品、および能動電気構成部品の任意の組合せを含んでもよい。図に示す実施形態では、信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂは、たとえば、演算増幅器、電界効果トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、もしくは他の任意のそうした増幅素子、または当業者に知られているそれらの組合せなどの増幅器を備える。検出器２４３および２４８は、極性が逆の光電圧または光電流を生成し、増幅器２６０Ｂは、差分測定値をメディア・コネクタ１２０に送信する。
【００３６】
図２Ｃには、別の実施形態による例示的なオキシメータ・センサ２１５Ｃが概略的に示してあり、図１のシステム１００でのオキシメータ・センサ１４０として使用してもよい。オキシメータ・センサ２１５Ｃは、逆極性で並列に接続された前述の２つの放出源２２０および２３０、ならびに単一の検出器２４０を備えるという点で、図２Ａのセンサ２１５Ａと同様である。しかし、放出源２２０および２３０、ならびに検出器２４０がメディア・コネクタ１２０に直接接続されているという点で、センサ２１５Ｃはセンサ２１５Ａと異なる。
【００３７】
図２Ｄには、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサ・アダプタ２１６が概略的に示してある。アダプタ２１６は、電子装置のオーディオ・インターフェースに接続するように構成された第１の端部２１７、およびオキシメータ・センサに結合された標準の医療装置インターフェース（たとえば、Ｄサブ９ピン・コネクタなど）に接続するように構成された第２の端部２１８を備える。具体的には、第２の端部２１８は、医療装置のコネクタのピンを受けるように構成された複数の孔２１９を含んでおり、したがって、アダプタ２１６は、オーディオ・インターフェースに挿入されると、オーディオ・インターフェースの接点と医療装置のコネクタのピンとの間を電気的に接続する。アダプタ２１６はまた、前置増幅器２１４、および場合によっては他の信号調整要素を備えてもよい。前置増幅器２１４（および他の任意の信号調整要素）は、たとえば、従来のエレクトレット・マイクロフォンと同様にして、オーディオ・インターフェースのマイクロフォン・コネクタから電力供給してもよい。
【００３８】
図３には、図２Ａ／２Ｃに示すオキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｃの放出源２２０および２３０を駆動するためにオーディオ・インターフェースの接点に加えてもよい、例示的な駆動信号３１０、ならびに、図２Ａ／２Ｃに示すオキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｃの検出器２４０が供給する例示的な応答信号３２０のグラフが示してある。駆動信号３１０は正弦波およびステレオ式であり、２つの出力チャネル（たとえば、図２に示すスピーカ接点ＳＰＫ）の間の位相差は実質的に１８０度である。応答信号３２０はモノラルであり、駆動信号の２倍の周波数で交互に現れるピーク３２０Ａおよび３２０Ｂを含むが、それというのも、オキシメータ・センサの赤色放出源および赤外放出源が駆動信号の交番極性でアクティブになるからである。駆動信号３１０の周波数は、たとえば、約１００〜４０，０００Ｈｚの範囲でもよい。図示した実施形態では、駆動信号３１０の周波数は約２７５Ｈｚである。
【００３９】
図４には、図３の例示的な信号３１０や３２０などのオキシメータ信号を生成し、処理するためのシステム４００の機能図が示してある。（たとえば、オーディオ・インターフェースのスピーカ接点ＳＰＫをまたがって接続してもよい）出力４２０に加えられるステレオ駆動信号が、高調波発振器４１０Ａによって生成され、移相器４３０によって実質的に１８０度位相がシフトされて、駆動信号３１０を生成する。この駆動信号は、極性が逆の２つの正弦波信号からなり、数学的には次式のように表される。
Ο１＝Ａｓｉｎ（ωｔ），０２＝−Ａｓｉｎ（ωｔ）      （１）
ここで、Ｏ１は第１の正弦波信号、Ｏ２は第２の正弦波信号、Ａは信号の振幅、ωは角周波数、ｔは時間である。
【００４０】
出力信号４２０は、オキシメータ・センサ１４０の１つまたは複数の放出源に送られて、患者の身体部分１５０を照射する。オキシメータ・センサ１４０の１つまたは複数の検出器が生成する入力応答信号は、入力４４０で受信される（この入力は、たとえば、オーディオ・インターフェースのマイクロフォン接点ＭＩＣに接続してもよい）。応答信号は、振幅の異なる正の正弦波半周期で表すことができ、数学的には次式で表される。
2014516678.tif 000003
ここで、Ｉは入力応答信号であり、ＩＲｅｄおよびＩＩＲは検出された赤色光および赤外光に対応する検出器からの信号の振幅であり（図３でのピーク３２０Ａおよび３２０Ｂを比較のこと）、ｓｑ（ωｔ）はフーリエ級数の矩形波形である。
2014516678.tif 000004
式（２）は次式のように簡略化することができる。
2014516678.tif 000005
【００４１】
直交復調は、乗算器４５０Ａ〜Ｄ、高調波発信器４１０Ａ〜Ｄ、および低域通過フィルタ４６０Ａ〜Ｄを使用して、角周波数ωおよび２ωで入力４４０において受信された応答信号上で実行される。具体的には、高調波発信器４１０Ａは、角周波数ωで第１の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｂは、角周波数ωで第１の正弦波信号からの位相差が９０度の第２の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｃは、角周波数２ωで第３の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｄは、角周波数２ωで第３の正弦波信号からの位相差が９０度の第４の正弦波信号を生成するように構成される。
【００４２】
入力４４０で受信される応答信号は、乗算器４５０Ａ〜Ｄにより、それぞれ第１、第２、第３、および第４の正弦波信号のそれぞれによって別々に乗算される。次いで、乗算された第１、第２、第３、および第４の正弦波信号は、それぞれ低域通過フィルタ４６０Ａ〜Ｄによってフィルタリングされて、高い周波数の高調波を除去して、次式を得る。
2014516678.tif 000006
ここで、Ｉωは、フィルタリングされた乗算後の第１および第２の正弦波信号の振幅であり、Ｉ２ωは、フィルタリングされた乗算後の第３および第４の正弦波信号の振幅である。
【００４３】
次いで、ＩωおよびＩ２ωの以下の線形結合を解くことにより、各電磁放出源からの信号の振幅ＩＲｅｄおよびＩＩＲが、それぞれブロック４７０および４７５で確定される。
ＩＲｅｄ＝２Ｉω＋πＩ２ω      （７）
ＩＩＲ＝２Ｉω＋πＩ２ω      （８）
【００４４】
周波数ωおよび２ωでの復調信号の振幅、および式（７）および（８）に提示される線形結合を利用することにより、システムの駆動信号と応答信号の間に通常発生する任意の位相シフトを確定する必要はない。対照的に、単一周波数での復調には、通常、位相シフトが分かっている場合にのみ実行できる直交分解を必要とするはずである。システムの駆動信号と応答信号の間の位相シフトは、オーディオ・インターフェースの特定の実装、温度、システム設定など、多くの要因に依存する。
【００４５】
図５を参照すると、ＩＲｅｄおよびＩＩＲのリアルタイムの変動の例示的なグラフが、それぞれ信号５２０および５１０として示してある。これらのプレチスモグラムをさらに処理して、心拍数、呼吸数、血圧、患者の他の任意の生理的パラメータなど、生理的パラメータを抽出してもよい。この処理は、ピーク検出、周波数領域変換、時間領域分析、もしくは当業者に知られている他の任意の技法、またはそれらの組合せを使用して実行してもよい。
【００４６】
図４に戻ると、各波形ＩＲｅｄおよびＩＩＲの直流（ＤＣ）成分は、たとえば低域通過フィルタリングなどの標準信号処理方法によってブロック４８０で確定される次いで、未較正の酸素飽和度比が以下の通り導き出される。
2014516678.tif 000007
ここで、Ｒは未校正の酸素飽和度比であり、ＤＣＲｅｄはＩＲｅｄ波形のＤＣ成分であり、ＡＣＲｅｄはＩＲｅｄ−ＤＣｒｅｄであり、ＤＣｉｎｆｒａｒｅｄはＩＩＲ波形のＤＣ成分であり、ＡＣｉｎｆｒａｒｅｄはＩＩＲ−ＤＣｉｎｆｒａｒｅｄである。あるいは、当技術分野で知られている他の任意の同様の関係を使用して、未校正の酸素比を確定してもよい。
【００４７】
ブロック４８５において、酸素飽和度は次式で確定される。
ＳｐＯ２＝ｆ（Ｒ）      （１０）
ここで、ＳｐＯ２は酸素飽和度であり、ｆは当技術分野で知られている較正関数である。たとえば、実施形態によっては、ｆはｆ（Ｒ）＝ａ−ｂＲのように実質的に線形であり、ここでａおよびｂは表形式の較正定数である。ブロック４８５で得られる酸素飽和度が、出力４９０に提供される。たとえば、ＩＩＲ波形内のピークに基づいて心拍数を確定するためのピーク検出ブロックなど、さらに処理するための他の要素に接続された出力４７７に、ＩＩＲ波形を提供してもよい。
【００４８】
図６には、図４に関して前述したオキシメータ信号を処理するためのシステムの未加工の酸素飽和度出力を示す、例示的なグラフが示してある。患者の呼吸中の酸素飽和度は普通、６１０に示すように、安定であり１００％に近い。飽和度は、酸素がなくなると６２０Ａで示すように著しく降下し、酸素供給が戻ると６２０Ｂで示すように上昇して普通のレベルに戻る。このグラフに示した波形のスパイクは、当技術分野で知られている標準のフィルタリング法で取り除くことができるアーティファクトである。
【００４９】
図７には、一実施形態による、警報および診断メッセージを生成するための例示的な方法７００の機能図が示してある。ブロック７１０では、図５に示す入力プレチスモグラムは、図４を参照して前述したオキシメータ信号を処理するためのシステム４００などのシステムを使用して得られる。ブロック７２０では、プレチスモグラム信号がさらに処理されて、酸素飽和度、心拍数、呼吸数、血圧、他の任意の関連する生理的パラメータなどの生理的傾向、ならびに信号品質測定値を抽出する。
【００５０】
ブロック７３０で、抽出された生理的パラメータは、エキスパート知識データベース７４０および患者の特定の人口統計７５０を使用して患者の状態を確定するエキスパート・システムに入力される。エキスパート・システムは、前向き推論、ニューラル・ネットワーク、ファジー論理、テーブル索引、またはそれらの組合せを含め、当技術分野で知られている任意の方法で実現することができる。エキスパート知識データベース７４０は、論理ルール・セット、ネットワークの重み、データ表など、エキスパート・システムと互換性があるフォーマットで表される。患者の人口統計７５０は、携帯型の民生用電子装置１１０を介して入力してもよく、またはそこに記憶してもよい。あるいは、患者の人口統計７５０は、遠隔システムに記憶してもよく、そこからアクセスしてもよい。
【００５１】
ブロック７６０で、エキスパート知識７４０および患者の人口統計７５０を考慮して、患者の生理的パラメータが許容範囲内にあるかどうか判定する。生理的パラメータが許容範囲内にある場合、この方法はブロック７１０に戻り、オキシメータ・センサ信号の処理を継続する。しかし、生理的パラメータが許容範囲から外れる場合、エキスパート知識に基づいて警報および／または診断情報がブロック７７０で生成された後に、オキシメータ・センサ信号のさらなる処理が再開することになる。警報および／または診断出力は、可聴情報、テキスト情報、またはアイコン情報から構成されてもよく、携帯型の民生用電子装置１１０の任意の遠隔通信機能を使用して、遠隔地点との間でやり取りしてもよい。
【００５２】
前述のオキシメータ信号を処理する例示的な方法は、もっぱら携帯型の民生用電子装置１１０が実行してもよく、部分的には携帯型の民生用電子装置１１０が、また部分的には遠隔システムが実行してもよい。具体的には、オキシメータ・センサが実行する赤色および赤外の電磁放射の放出ならびに検出を除いては、前述の方法ステップの任意のステップは、携帯型の民生用電子装置１１０または遠隔システムが実行してもよい。携帯型の民生用電子装置１１０および遠隔システムは、当技術分野で知られている有線通信または無線通信の媒体、方法、もしくはプロトコルを用いて通信してもよい。さらに、遠隔システムは、１つまたは複数の遠隔サーバ、コンピュータ、または他の適切な処理装置を備えてもよい。
【００５３】
図８を参照すると、信号の生成、分析、および診断のプロセスが遠隔システム８１０で実行される一代替実施形態が示してある。遠隔システム８１０は、無線ネットワーク８２０を介して携帯型の民生用電子装置１１０と通信し、オキシメータ・センサ１４０は、標準の音声電話セッションを介して駆動されて読み取られ、人口統計および診断の情報が、ショート・メッセージ・サービス（ＳＭＳ）などのデータ・プロトコルを用いて、遠隔装置８１０と携帯型の民生用電子装置１１０との間で伝送される。遠隔システムは、たとえばサーバなど、当技術分野で知られている任意の適切な処理システムでもよい。
【００５４】
実際の用途では、オキシメータを制御するための方法およびシステムを携帯型の民生用電子装置から提供するとき、装置の他のしばしば主要な使用法にとって有害なレベルでセンサの電力消費が装置の電池寿命を縮めないことを確実にすることが非常に望ましい。通常、パルス・オキシメトリ・センサは２つの比較的大電流の発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用するので、節電するには特別に注意する必要がある。
【００５５】
ある実施形態では、オキシメータ・センサに供給される駆動信号のデューティ・サイクルを短縮するための方法およびシステムが提供される。以下でさらに説明するように、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサで使用するための例示的な実施形態では、信号のどちらの極性が赤外ＬＥＤをトリガするのか識別し、その極性のピークの振幅を、赤色ＬＥＤをトリガするもう一方の極性のピークと比較して選択的に低減させる。オーディオ・インターフェースのＡＣ結合特性により、このことは重要である。
【００５６】
ある実施形態はまた、有利には、応答信号のＤＣレベルが実質的に一定に保たれるように各ＬＥＤを起動する駆動信号のピークの振幅を動的に制御する機能を提供する。これにより、電力供給されていないセンサ（それによってさらに節電する）の場合に自動減光すること、ならびに入力信号チャネルにおけるスプリアス非線形性の効果を除去すること、および血液酸素飽和度の確定を簡略化することが容易になる。
【００５７】
図９には、一実施形態によるオキシメータ・センサの赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを制御するための例示的な駆動信号９００が示してある。信号９００は、赤外ＬＥＤを正極性信号によって起動するように接続し、赤色ＬＥＤを負極性信号によって起動するように接続して、オキシメータ・センサを駆動するように構成されている。信号９００は、複数の周期的な正極性のトリガ・ピーク９０４および負極性のトリガ・ピーク９０６を有する基本高調波信号９０２を含む。基本高調波信号９０２は振幅Ｃを有し、この振幅は本来また自然に小さくて、センサのＬＥＤを起動できない。すなわち、ＬＥＤの順方向バイアスよりも低い。正のピーク９０４および負のピーク９０６は振幅ＡおよびＢを有し、これらの振幅は、それぞれのＬＥＤを起動するのに十分な大きさであり、独立して調整してもよい。基本高調波信号９０２は、たとえば、周波数が約５０〜４０００Ｈｚの範囲でもよい。実施形態によっては、基本高調波信号の周波数は約５００Ｈｚである。信号９００の周期はＴ０であり、オキシメータ・センサの基本サンプリング周波数は１／Ｔ０である。実施形態によっては、正極性のトリガ・ピーク９０４および負極性のトリガ・ピーク９０６はそれぞれ、信号９００において周波数１／Ｔ０で供給してもよい。実施形態によっては、１／Ｔ０が約１０〜３００Ｈｚの範囲になるようにＴ０を選択してもよい。実施形態によっては、１／Ｔ０が約１０〜３００Ｈｚの範囲になるようにＴ０を選択してもよい。
【００５８】
信号９００は、正のピーク９０４および負のピーク９０６が同じ周波数で発生するが、基本信号のある一定の数の半サイクル分だけオフセットするように生成される。図示した例では、Ｔ１は正のピーク９０４から後続の負のピーク９０６までの時間であり、Ｔ２は負のピーク９０６から後続の正のピーク９０４までの時間である。Ｔ１とＴ２の間の差は、応答信号内で容易に検出して（図１０参照。この図には、駆動信号９００の上に重ね合わせた例示的な応答信号１０００が示してある）、いずれの応答信号ピークが検出光のいずれの波長に関連しているのか識別することができる。応答信号の赤外成分は一般に、（順方向電圧閾値が低く、フォトダイオードの感度が高いので）赤色よりも高いことから、それにより、赤外光に関連する応答信号の特定の極性を推測することができ、赤外振幅Ａは、赤色振幅Ｂとは無関係に調整することができる。これは、たとえば、ＬＥＤ駆動信号を選択的に低減し、したがって節電するのに有用である。
【００５９】
図９に示す例示的なＬＥＤ駆動信号は、たとえば次式によって生成することができる。
2014516678.tif 000008
ここで、ｔは秒単位の時間である（疑似Ｃ表記）。
α＝（！（ｐ％１６）？Ａ：（！（（ｐ＋７）％１６）？Ｂ：Ｃ）      （１１）
ここで、Ａ、Ｂ、およびＣは図９に示した振幅であり、％はモジュロ演算であり、ｐは信号の半周期の整数倍である。
2014516678.tif 000009
【００６０】
この方式のさらなる利点は、各信号を同期させようとしなくても、駆動信号と応答信号の間の時間関係を確立することができることであり、これにより、信号線内の任意の場所においてデータのスプリアス損失に対して強固な手法を実現する。
【００６１】
実施形態によっては、動的フィードバック・システムを用いて駆動信号内のトリガ・ピークの振幅を調整することにより、この位相シフト多重化方式を使用して、実質的に同じＤＣレベルの発光ダイオードの両方からの光に対応する応答信号成分を保持する。十分な応答信号レベルを生成するのに必要となる電力のみがＬＥＤに供給されるので、これにより、入力チャネル内の任意の非線形性が測定値に影響を及ぼすことを防止し、電力消費を低減させる。たとえば、指または他の身体部分がセンサから外されると、光の透過率が増大したのをフィードバック・システムが補償するので、光が自動的に減光する。このようなシステムの一例の概略図が図１１に示してある。
【００６２】
図１１には、一実施形態によるオーディオ・ベースのパルス・オキシメータの第１ステージを構成する、例示的なシステム１１００が示してある。アナログ応答信号は、オーディオ入力１１１０で受信され、電子装置（図示せず）のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号に変換され、このデジタル信号が、赤色信号と赤外信号の組み合わされたチャネルを分離する信号多重分離装置１１２０に供給される。多重分離装置１１２０はまた、応答信号が任意の予期しない特性を有するかどうかを示す誤り信号を生成する。赤色信号と赤外信号の両方が、フィルタされた低域通過１１３０に供給される。低域通過フィルタ１１３０は、バターワース型、楕円型、移動平均型、もしくは高周波成分の適切な抑圧を実現する任意のタイプのフィルタ、またはそれらの組合せを含め、当技術分野で知られている任意のタイプとすることができる。実施形態によっては、低域通過フィルタは、遮断周波数が０．５Ｈｚの４次バターワース・フィルタである。
【００６３】
低域通過フィルタ１１３０には、入力信号のＤＣ成分を分離する働きがある。この成分が、オーディオ出力１１７０に加えられる駆動信号内のピークの振幅を調整する振幅制御装置１１４０に供給され、その結果、制御装置１１４０に提供される制御設定ポイントに基づいて入力応答信号成分のＤＣ成分が調整される。たとえば、実施形態によっては、入力応答信号成分のＤＣ成分は、設定ポイント１１５０の所定の範囲内に維持される。制御装置４０によって出力された振幅が位相シフト信号マルチプレクサ１１６０に供給されて、オーディオ出力１１７０に加えられる駆動信号を生成する。制御装置１１４０は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御、疑似微分フィードバック（ＰＤＦ）制御、またはそれらの組合せなど、当業者に知られている任意の方法によって実装することができる。図１１Ａには、ＰＤＦベースの振幅制御装置の例示的な実施形態が概略的に示してあり、有利には、他のタイプの制御装置と比較して、制御設定ポイント１１５０周りでのオーバーシュートが少なく、発振が少ない様子が示してある。
【００６４】
図１２には、シミュレーションされた外乱への例示的な制御装置応答が示してある。応答信号１２００は、著しい非連続的な外乱１２１０が存在する場合、約５秒間のインスイング時間の発振またはオーバーシュートなしに、制御装置設定ポイント１１５０に保持されていることが分かる。これは、オキシメータの性能にとって適切である。図１３には、実際のセンサ信号に対する例示的な制御装置応答が示してある。トレース１３００は、赤外発光ダイオードを駆動するのに使用されるオーディオ信号のピーク振幅を表す。応答信号１３１０は制御設定ポイント１１５０を中心に集まっている様子が分かる。
【００６５】
システム１１００の多重分離装置１１２０の出力（第１オキシメータ・ステージ）が、図１４に概略を示した第２ステージ１４００に供給される。このステージには、心拍数および酸素濃度を計算する役割がある。未加工の入力赤色信号および赤外信号は、最初に、帯域通過フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂにそれぞれ供給される。フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂは、チェビシェフ・フィルタ、楕円フィルタ、ベッセル・フィルタ、もしくはバターワース・フィルタ、またはそれらの組合せを含め、フィルタ帯域外で適切な減衰を実現する任意の次数の、当技術分野で知られている任意のタイプのフィルタを備えてもよい。実施形態によっては、フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂは、４次のバターワース・タイプであり、低域および高域の遮断周波数が、それぞれ０．５Ｈｚおよび５Ｈｚである。フィルタリングされた赤外信号がピーク検出ブロック１４２０に供給される。ピーク検出ブロックは、当業者に知られている任意のピーク検出アルゴリズムを実行してもよい。実施形態によっては、簡略なレベル・ベースのアルゴリズムを使用する。フィルタリングされた信号は良好に調整されているので、これで十分である。第１ステージの多重分離装置１１２０からの誤り信号が、ピーク検出ブロック１４２０に供給され、ピーク検証として使用されて、スプリアス・データが信号経路にさらに伝搬することを防止する。
【００６６】
ピーク検出ブロック１４２０は、比率および較正のブロック１４３０での信号比率および酸素飽和度の計算をトリガする。酸素飽和度の従来の計算は、上記の式（９）によって比率Ｒを計算し、経験的な関係式を用いてこれを酸素飽和度に変換することであり、この関係式は、通常は以下のように線形であると考えられる。
Ｓｐ０２＝ａ−ｂ×Ｒ      （１３）
ここで、ａおよびｂは、実験的に決まる定数である。
【００６７】
制御装置１１４０に供給されるフィードバックにより、ＤＣレベルは両方の信号チャネルで同じレベルに維持され、上記の式（９）でのＲについての式は、以下のような簡略な比率になる。
2014516678.tif 000010
【００６８】
ブロック１４３０で計算された酸素飽和度は、メディアン・フィルタ１４４０によって処理されて、最終的なオキシメータ飽和出力１４５０を生成する。
【００６９】
ピーク検出ブロック１４２０はまた、連続したピークの間の時間を確定する。この時間は、心拍数に等しく、メディアン・フィルタ１４６０を介して供給されて、心拍数出力１４７０を生成する。
【００７０】
図１５には、実線１５００で示した例示的な一実施形態によるオキシメータと、点線１５１０で示した市販の従来型臨床用オキシメータとの間の比較が示してある。このデータは、同意した成人被験者への倫理委員会承認の臨床研究の一環として、低酸素室で得られた。図１６には、黒丸１６００で示した例示的な一実施形態によるオキシメータによる出力としての心拍数と、線１６１０で示した市販の臨床パルス・オキシメータによる出力としての心拍数との比較が示してある。
【００７１】
本明細書において、添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態を説明してきたが、本発明は、まさにそれらの構造および動作に限定されるものではなく、本発明の範囲および趣旨を逸脱することなく、当業者が他の様々な変更および修正を加えてもよいことを理解されたい。
【００７２】
本発明の各実施形態は、特に設計されたハードウェア、構成可能なハードウェア、データ・プロセッサ上で実行できるソフトウェア（場合によっては「ファームウェア」を含んでもよい）を設けることによって構成されたプログラマブル・データ・プロセッサ、本明細書で詳細に説明した方法における１つまたは複数のステップを実行するように特にプログラムされ、構成され、もしくは組み立てられた専用コンピュータもしくはデータ・プロセッサ、および／またはこれら２つ以上の組合せを使用して実施してもよい。特に設計されたハードウェアの例には、論理回路、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、大規模集積回路（「ＬＳＩ」）、超大規模集積回路（「ＶＬＳＩ」）などがある。構成可能なハードウェアの例には、プログラマブル・アレイ・ロジック（「ＰＡＬ」）、プログラマブル・ロジック・アレイ（「ＰＬＡ」）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（「ＦＰＧＡ」）など、１つまたは複数のプログラム可能論理デバイスがある。プログラマブル・データ・プロセッサの例には、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、組込みプロセッサ、グラフィックス・プロセッサ、数値演算コプロセッサ、汎用コンピュータ、サーバ・コンピュータ、クラウド・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、コンピュータ・ワークステーションなどがある。たとえば、装置用の制御回路内の１つまたは複数のデータ・プロセッサは、プロセッサからアクセス可能なプログラム・メモリ内のソフトウェア命令を実行することにより、本明細書に記載の方法を実施してもよい。
【００７３】
処理は、集約化しても分散化してもよい。処理が分散している場合、ソフトウェアおよび／またはデータを含む情報を中央に保管してもよく、分散してもよい。このような情報は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、もしくはインターネットなどの通信ネットワーク、有線もしくは無線のデータ・リンク、電磁信号、または他のデータ通信チャネルを介して、様々な機能ユニット間で交換してもよい。
【００７４】
たとえば、プロセスまたはブロックは所与の順序で例示されているが、代替例では、異なる順序で、各ステップを有するルーチンを実行してもよく、または各ブロックを有するシステムを利用してもよく、プロセスもしくはブロックによっては、削除し、移動し、追加し、細分化し、結合し、かつ／または修正して、代替案もしくはサブコンビネーションを実現してもよい。これらのプロセスまたはブロックのそれぞれは、様々な異なる方式で実施してもよい。また、プロセスまたはブロックは、時々、連続して実行されるように示してあるが、これらのプロセスまたはブロックは、代わりに、並列に実行してもよく、または様々な時点において実行してもよい。
【００７５】
さらに、各要素は、時々、順次実行されるように示してあるが、代わりに、同時にまたは様々な順序で実行してもよい。したがって、以下の特許請求の範囲は、その意図した範囲内にあるような全ての変形形態を含むものと解釈すべきものである。
【００７６】
実施形態によっては、本発明はソフトウェアで実施してもよい。さらに明確にするために、「ソフトウェア」は、プロセッサ上で実行される任意の命令を含んでおり、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどが含まれ得る（が、それだけには限定されない）。当業者には知られているように、処理ハードウェアと処理ソフトウェアの両方は、全体的または部分的に、集中型でも分散型（またはそれらの組合せ）でもよい。たとえば、ソフトウェアまたは他のモジュールは、ローカル・メモリ、ネットワーク、分散コンピューティング状況でのブラウザもしくは他のアプリケーション、または前述の目的に適した他の手段を介してアクセス可能でもよい。
【００７７】
ソフトウェアおよび他のモジュールは、サーバ、ワークステーション、パーソナル・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、データ・エンコーダ、データ・デコーダ、ＰＤＡ、携帯電話、メディア・プレーヤ、および前述の目的に適した他の装置に常駐してもよい。システムの態様は、インターネット機器、ハンドヘルド装置（携帯型情報端末（ＰＤＡ）を含む）、ウェアラブル・コンピュータ、あらゆる種類のセルラー電話または携帯電話、マルチプロセッサ・システム。マイクロプロセッサ・ベースまたはプログラム可能な民生用電子装置（たとえば、ビデオ・プロジェクタ、視聴覚受信機、表示装置、テレビなど）、セットトップ・ボックス、ネットワークＰＣ、ミニ・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータなどを含む、任意の適切な通信、データ処理、またはコンピュータ・システムの構成で実施できることが当業者には理解されよう。
【００７８】
構成要素（たとえば、ソフトウェア・モジュール、プロセッサ、制御装置、アセンブリ、装置、回路など）が前に述べられている場合、別段の定めがない限り、その構成要素への言及（「手段」への言及を含む）は、本発明の図示した例示的な実施形態での機能を実行する開示された構造と構造的に等価でない構成要素を含め、その構成要素の均等物として前述の構成要素（すなわち機能的に等価である）の機能を実行する任意の構成要素を含むものと解釈すべきである。
【００７９】
本開示の実施形態は、機械読取り可能な媒体（コンピュータ読取り媒体、プロセッサ読取り可能媒体、またはコンピュータ読取り可能なプログラム・コードを内部に組み入れたコンピュータ使用可能媒体とも呼ぶ）に記憶されたコンピュータ・プログラム製品として表すことができる。機械読取り可能な媒体は、ディスケット、コンパクト・ディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、メモリ・デバイス（揮発性もしくは不揮発性）、または同様の記憶メカニズムを含む磁気記憶媒体、光記憶媒体、または電気記憶媒体を含め、任意の適切な、有形の持続的な媒体とすることができる。機械読取り可能な媒体は、実行されると、本開示の一実施形態による方法での各ステップをプロセッサが実行するようにする、命令、符号系列、構成情報、または他のデータの様々なセットを含むことができる。前述の実装形態を実装するのに必要な他の命令および動作はまた、機械読取り可能な媒体に記憶できることが当業者には理解されよう。機械読取り可能な媒体に記憶された命令は、プロセッサまたは他の適切な処理装置によって実行することができ、回路とインターフェースして前述のタスクを実行することができる。
【００８０】
システム、方法、および装置の具体例を、例示するために本明細書において説明してきた。これらは例に過ぎない。本明細書において提供される技術は、前述の例示的なシステム以外のシステムに適用することができる。本発明を実施するに当たって、多くの変更、修正、追加、削除。および置換が可能である。本発明は、機能、要素、および／もしくはステップを同等な機能、要素、および／もしくはステップに置き換えること、様々な実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを混合しマッチさせること、本明細書に記載の実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを他の技術の機能、要素、および／もしくはステップと組み合わせること、ならびに／または、前述の実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを削除することによって得られる変形形態を含め、当業者には明らかになるはずの前述の実施形態における変形形態を含む。
【００８１】
したがって、以下に添付の特許請求の範囲、および以下に紹介する請求項は、合理的に推測できる修正、置換、追加、削除、およびサブコンビネーションを全て含むと解釈すべきものである。特許請求の範囲に記載の範囲は、各例に説明されている好ましい実施形態によって限定すべきではなく、全体として説明と一致する最も広い解釈を与えるべきである。先の記述において説明できるように、各実施形態を完全に理解するために、数多くの詳細を説明する。しかし、これら具体的な詳細は必要とされないことが当業者には明らかになろう。他の例では、よく知られた電気的構造物および電気回路は、理解を曖昧にしないようブロック図の形式で示してあるたとえば、本明細書に記載の実施形態が、ソフトウェア・ルーチン、ハードウェア回路、ファームウェア、またはそれらの組合せとして実装されるのかどうかに関しては、特定の詳細を提示していない。
【００８２】
前述の各実施形態は、単なる例示に過ぎないものである。本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ定義される範囲から逸脱することなく、当業者により、具体的な実施形態に改変、修正、および変更を加えることができる。
【図１】
2014516678.tif 000011
【図１Ａ】
2014516678.tif 000012
【図２】
2014516678.tif 000013
【図２Ａ】
2014516678.tif 000014
【図２Ｂ】
2014516678.tif 000015
【図２Ｃ】
2014516678.tif 000016
【図２Ｄ】
2014516678.tif 000017
【図３】
2014516678.tif 000018
【図４】
2014516678.tif 000019
【図５】
2014516678.tif 000020
【図６】
2014516678.tif 000021
【図７】
2014516678.tif 000022
【図８】
2014516678.tif 000023
【図９】
2014516678.tif 000024
【図１０】
2014516678.tif 000025
【図１１】
2014516678.tif 000026
【図１１Ａ】
2014516678.tif 000027
【図１２】
2014516678.tif 000028
【図１３】
2014516678.tif 000029
【図１４】
2014516678.tif 000030
【図１５】
2014516678.tif 000031
【図１６】
2014516678.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月30日(2013.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年５月１７日出願の米国特許仮出願第６１／４８６，８０２号の優先権の利益を主張し、これを参照により全体として本明細書に組み込む。
【０００２】
本開示は、パルス・オキシメトリを使用して患者の生理特性を確定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
パルス・オキシメトリは、実際に酸素を運搬する血液中の酸素運搬分子（ヘモグロビンと呼ばれる）の比率を測定する診断法である。この比率は、酸素飽和度ＳｐＯ２として知られている。従来のパルス・オキシメータ・センサは、末端部（たとえば、指または耳）の狭い血管を循環している血液を通して、波長が異なる２つの光ビーム（たとえば、赤色および赤外）を照射し、次いで、この末端部を通過できる光の量を検出する。酸素を運搬するヘモグロビン（赤い血液）は、より多くの赤外光を通過させることができる酸素のないヘモグロビン（青い血液）よりも多くの赤外光を吸収し、多くの赤色光を通過させることができる。酸素飽和度は、酸素が結合したヘモグロビンの百分率で表される。血液中の全てのヘモグロビンが酸素で完全に飽和しているときに、百パーセントの酸素飽和度が得られる。
【０００４】
酸素は、体内の全ての細胞にとって生命の源である。酸素は、肺から我々の細胞へと血液で運搬される。酸素の供給が短時間でも中断すると、細胞が死滅することになり、さらにわずかでも中断時間が長引くと、体全体が死滅する可能性がある。血液中のヘモグロビンは通常、ほぼ完全に酸素で飽和している（ＳｐＯ２＝９５〜１００％）。このレベルを下回って減少することは、体中に送り込まれる酸素の量が減少しているか、または体が使用する量が増加したことを示す。パルス・オキシメトリを使用して、酸素が欠乏していることを示す臨床徴候（皮膚が青ざめる）が見られる前に、血液中の酸素の減少レベルを検出することができる。このように酸素の減少レベルを早期に検出することにより、酸素のレベルが臨界レベルにまで降下する前に、早期に救助することが可能になる。パルス・オキシメトリは、麻酔に関連する死のリスクを低減することに著しく寄与してきた。
【０００５】
１９８０年代に手術室へ導入されて以来、パルス・オキシメトリは、外科手術中に麻酔がかかっている患者を監視するのに日常的に使用されてきた。その使用が病院全体に広がり、その結果、酸素レベルが不安定などんな患者も、たとえば、集中治療室、救急診療部、または病室で監視することができる。パルス・オキシメトリは、肺疾患を患っている患者が自宅で使用することもできる。
【０００６】
パルス・オキシメトリは、肺疾患の初期徴候を識別できる診断装置、または体全体に影響を及ぼす病気の重症度を指示する装置の役割を果たす潜在的可能性を有する。通常、肺の機能が衰え始め、体の酸素使用量が増加すると、これらの病気が徐々に悪化するにつれてＳｐＯ２が低下する。肺でのガス交換が妨げられる結果として血液酸素飽和度（ＳｐＯ２）が低下することは、肺炎および他の感染症または炎症性疾患における重病の有力な予兆である。確かに、低ＳｐＯ２に基づく肺炎の診断により、普通の風邪など軽度の気道感染症と重度の気道感染症とを見分けることができる。
【０００７】
従来技術の診断用パルス・オキシメータは通常、大きくて扱いにくく（たとえば、設置面積が大きくて重さが２ｋｇを超えることがある）、臨床上有用になる多くの場所で利用可能でない、高価な特注の装置である。世界保健機関（ＷＨＯ）は、世界中の病院で麻酔向けに９０，０００〜１５０，０００台のオキシメータが不足していると推定している。
【０００８】
多くの従来技術のオキシメータでは、オキシメータ・センサの光ビームを生成するのに使用される電気波形信号は、実質的に矩形特性である。矩形波形は、基本周波数の高調波の高いサブ帯域成分を含んでおり、これにより、雑音エイリアシングの形で測定信号内にアーティファクトが入り込む。具体的には、線周波数の高調波をなくすことは困難である。さらに、多くの従来技術のオキシメータでは、時分割多重化を使用して検出光信号を分析するが、これによりセンサ放出源からの光とスプリアスの周辺光とを区別することを目標にできる。
【０００９】
さらに、多くの従来技術のオキシメータでは、警報は、患者の人口統計および患者内のばらつきを通常考慮に入れない固定閾値に基づいている。発せられた警報はしばしば信頼できず、臨床医は、そうした警報を混乱の元と考える傾向にある。
【００１０】
本発明者は、パルス・オキシメトリを実現するための改善された方法およびシステムが必要であると判断した。本発明者は、低コストで、正確で、堅牢なパルス・オキシメトリを実現するための改善された方法およびシステムが特に必要であると判断した。
【発明の概要】
【００１１】
一態様では、電子装置を制御して、この電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための方法が提供され、オーディオ・インターフェースは複数の接点を備え、外部センサは、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備える。本発明は、オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、外部センサの放出源を駆動するステップと、オーディオ・インターフェースの第３の接点において応答信号を受信するステップと、この応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するステップと、第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するステップと、確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するステップとを含む。
【００１２】
別の態様では、電子装置を制御して、この電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するためのシステムが提供され、オーディオ・インターフェースは複数の接点を備え、外部センサは、２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備える。このシステムは、オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、外部センサの放出源を駆動するように構成された駆動信号発生装置と、オーディオ・インターフェースの第３の接点からの応答信号を受信し、この応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するように構成された応答信号の復調／多重分離装置と、第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するように構成された応答信号分析装置と、確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するように構成された出力部とを備える。
【００１３】
別の態様では、逆極性で並列に接続された赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサ用の駆動信号を生成するための方法が提供される。この方法は、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を供給するステップと、基本高調波信号内の周期的な正および負のトリガ・ピークを選択的に供給するステップとを含み、この正および負のトリガ・ピークは、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧よりも大きい振幅を有する。
【００１４】
別の態様では、電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能なオキシメータ・センサであって、電子装置のオーディオ・インターフェース内で受けるように構成されたコネクタであって、複数の接点を備えるコネクタと、２つの異なる波長の光を放出するように構成された１対の放出源であって、コネクタの第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続された１対の放出源と、２つの異なる波長の光を検出し、１対の放出源のうち第１の放出源からの検出光に基づく第１の応答信号成分、および１対の放出源のうちもう一方の放出源からの検出光に基づく第２の応答信号成分を含む応答信号を生成するように構成された検出器であって、コネクタの第３の接点に応答信号を供給するように接続された検出器とを備えるオキシメータ・センサが提供される。
【００１５】
別の態様では、電子装置のオーディオ・インターフェースにオキシメータ・センサを接続するためのアダプタであって、複数の接点を備えるジャック用プラグであって、オーディオ・ジャック内で受けるように構成されたジャック用プラグを有する第１の端部と、ピン・タイプのコネクタの複数のピンを受けるように構成された複数の孔を備える第２の端部と、複数の接点と複数の孔の間に接続された複数の導体とを備えるアダプタが提供される。
【００１６】
別の態様では、パルス・オキシメトリを使用して患者の生理的パラメータを確定するためのシステムが提供される。このシステムは、赤色電磁放射および赤外電磁放射を用いて、血液が充満した患者の身体部分を照射するための放出源であって、赤色電磁放射および赤外電磁放射が正弦波変調信号によって変調される放出源と、身体部分を通過した受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射を含む入力信号を受けるための検出器であって、受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射の位相が９０度異なる検出器と、放出源および検出器と電気的に通信しているプロセッサとを備える。プロセッサは、変調信号で放出源を変調し、検出器からの入力信号を受信し、それぞれが変調信号と同じ周波数を有しており位相が９０度異なる第１の正弦波信号および第２の正弦波信号を使用して入力信号を直交復調することによって第１の復調信号を確定し、それぞれが変調信号の２倍の周波数を有しており位相が９０度異なる第３の正弦波信号および第４の正弦波信号を使用して入力信号を直交復調することによって第２の復調信号を確定し、第１の復調信号と第２の復調信号の第１の線形結合に基づいて受信赤色電磁放射を確定し、第１の復調信号と第２の復調信号の第２の線形結合に基づいて受信赤外電磁放射を確定し、受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射に基づいて患者の生理的パラメータを確定するように構成される。
【００１７】
本開示の他の態様および特徴は、添付図とともに具体的な実施形態の以下の説明を検討すれば、当業者には明白になるであろう。
【００１８】
次に、添付図を参照しながら、ほんの一例として本開示の各実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、一実施形態による、例示的な携帯型の診断用パルス・オキシメトリ・システムの図である。
【図１Ａ】図１Ａは、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的な方法を示す流れ図である。
【図２】図２は、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図２Ａ】図２Ａは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサを概略的に示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、一実施形態による、オキシメータ・センサをオーディオ・インターフェースに結合するための例示的なアダプタを概略的に示す。
【図３】図３は、一実施形態によるオキシメータのインターフェースとの間の例示的な駆動信号および応答信号のグラフである。
【図４】図４は、一実施形態による、オキシメータ駆動信号を生成し、オキシメータ応答信号を処理するための例示的なシステムの機能図である。
【図５】図５は、図４の例示的なシステムなどのシステムから得られる例示的なプレチスモグラムのグラフである。
【図６】図６は、図４の例示的なシステムなどのシステムから得られる例示的な未加工の酸素飽和度信号のグラフである。
【図７】図７は、一実施形態による、警報および診断メッセージ生成するための例示的な方法を示す流れ図である。
【図８】図８は、一実施形態による、携帯型の診断用パルス・オキシメトリ・システムと通信する例示的な遠隔システムを概略的に示す。
【図９】図９は、一実施形態によるオキシメータ・センサを駆動するための例示的な駆動信号のグラフである。
【図１０】図１０は、図９の例示的な駆動信号に重ね合わせた例示的な応答信号を示すグラフである。
【図１１】図１１は、一実施形態による、電子装置を制御して電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能な外部センサを操作するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、一実施形態による、駆動信号の振幅を確定するための例示的な振幅制御装置を概略的に示す。
【図１２】図１２は、図１１Ａの制御装置などの制御装置のシミュレートされた外乱への応答を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実際のセンサ応答信号への例示的な制御装置の応答を示すグラフである。
【図１４】図１４は、一実施形態による、多重分離された応答信号から酸素飽和度および心拍数を確定するための例示的なシステムを概略的に示す。
【図１５】図１５は、一実施形態によるオキシメータによって得られる酸素飽和度の読取り値と市販の臨床用オキシメータによって得られる酸素飽和度の読取り値との間の比較を示すグラフである。
【図１６】図１６は、一実施形態によるオキシメータによって得られる心拍数の読取り値と市販の臨床用オキシメータによって得られる心拍数の読取り値との間の比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
全体として、本開示は、電子装置のオーディオ・インターフェースを介してオキシメータなどの外部センサを制御するための方法およびシステムを提供する。本明細書では、スマートフォンまたは同様のものなどハンドヘルド電子装置に関して例示的な実施形態を述べているが、本明細書に記載のシステムおよび方法は、オーディオ・インターフェースと適切な信号生成機能および信号処理機能を有する任意のタイプの電子装置で実施してもよく、それらの電子装置には、スマートフォン、フィーチャーフォン、携帯型情報端末、タブレット・コンピュータ、ネットブック・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、携帯型ゲーム・システム、プロセッサを装備した携帯型音楽プレーヤ、デスクトップ・コンピュータまたは同様のものを含むが、それらには限定されないことを理解されたい。
【００２１】
図１を参照すると、携帯型診断用パルス・オキシメトリ・システム１００が示してあり、このシステムは一般に、携帯型コンスーマ用電子装置１１０、オキシメータ・センサ１４０、メディア・コネクタ１２０、および電気ケーブル１３０を備える。携帯型コンスーマ用電子装置１１０は一般に、メディア・インターフェース１１５（たとえば、オーディオ・インターフェース）、プロセッサ、メモリ、および様々な入力／出力手段（たとえば、タッチ・スクリーン表示装置、表示装置と物理的なキーボードなど）を備える。図に示した実施形態では、携帯型コンスーマ用電子装置１１０は携帯電話である。あるいは、装置１１０は、オーディオ・インターフェースおよび適切な処理機能を有する任意の電子装置でもよい。
【００２２】
オキシメータ・センサ１４０は一般に、放出源および検出器を備える。放出源は一般に、患者の身体部分１５０を通過する２つの異なる波長（たとえば、赤色光および赤外光）での電磁放射を放出する役割を果たし、検出器は一般に、身体部分１５０を通過して伝搬してきた電磁放射を検出する役割を果たす。オキシメータ・センサ１４０は、たとえば、指、耳、足指など、血液が充満した任意の利用可能な患者の人体部分１５０に取り付けることができる。あるいは、当業者の熟練度により、オキシメータ・センサ１４０は、患者の額もしくは胸、または他の任意の適切な身体部分に対して反射モードで使用してもよい。
【００２３】
図に示した実施形態では、放出源および検出器は、患者の指１５０の周りにぴったり合うように構成された不透明な格納装置に収容される。オキシメータ・センサの格納装置は、シリコン・ゴム、ばねで留められた高分子材料、それらの組合せ、または、他の任意の適切な材料もしくは材料の組合せから構成してもよい。
【００２４】
装置１１０は、メディア・インターフェース１１５を制御して、オキシメータ・センサ１４０を操作するための方法を実行するように構成される。具体的には、さらに以下で説明されるように、装置１１０は、オキシメータ・センサ１４０の放出源の制御装置に駆動信号を送信し、オキシメータ・センサ１４０の検出器からの応答信号を処理して様々な生命徴候を確定する。実施形態によっては、装置１１０には、メモリに記憶されたコンピュータ実行可能な命令を含んでもよく、これらの命令は、装置１１０の処理要素によって実行されると、装置１１０がこうした方法を実行するようにする。
【００２５】
図１Ａには、一実施形態による例示的な方法１６０が示してある。ブロック１６２において、電子装置のオーディオ・インターフェースに高調波駆動信号が加えられる。このオーディオ・インターフェースにはオキシメータ・センサが接続されており、このオキシメータ・センサが第１および第２の波長の電磁放射（たとえば、赤色光および赤外光）を放射できるようになる。ブロック１６４において、オキシメータ・センサからの応答信号がオーディオ・インターフェースで受けられる。応答信号は、第１の波長の検出された放射に対応する第１の成分と第２の波長の検出された放射に対応する第２の成分とが組み合わされた成分を含む。図３、図９、および図１０を参照して、例示的な駆動信号および応答信号を以下でさらに説明する。
【００２６】
ブロック１６６において、応答信号が復調され、多重分離されて、第１および第２の成分が得られる。当業者なら理解するように、予め決まっている復調および多重分離のタイプは、応答信号の第１および第２の成分がどのようにして組み合わされるかによって決まり、これは、オキシメータ・センサの放出源が駆動信号によってどのように駆動されるかによって決まる。図４および図１１を参照して、例示的な復調方式および多重分離方式を以下でさらに説明する。
【００２７】
ブロック１６８において、応答信号の第１および第２の成分が分析されて、様々な生命徴候が確定される。たとえば、実施形態によっては、第１の成分と第２の成分の比率から酸素飽和度が確定される。実施形態によっては、第１および第２の成分からフォトプレチスモグラムが得られ、このフォトプレチスモグラムが処理されて、当技術分野で知られているように、心拍数、呼吸数、血圧、他の生理的パラメータなど他の生命徴候が確定される。ブロック１７０において、これらの生命徴候が、患者および／または他の１人もしくは複数人のユーザに出力される。たとえば、生命徴候を出力するステップは、電子装置の表示装置上に生命徴候を表示するステップ、電子装置の組込み型スピーカを用いて可聴信号を生成するステップ、電子装置のメモリ内に生命徴候を記憶するステップ、電子装置で利用可能な任意の適切な通信プロトコルを使用して、１つまたは複数の装置に生命徴候を送信するステップ、または他の任意の出力形態を含んでもよい。
【００２８】
図２には、一実施形態による例示的なシステム２００が示してある。システム２００は、装置１１０などの電子装置内で実施してメディア・インターフェース１１５を制御して、オキシメータ・センサの放出源を操作し、オキシメータ・センサの検出器からの応答信号を処理してもよい。図に示した実施形態では、メディア・インターフェースは、ＴＲＲＳ（チップ、リング、リング、スリーブ）オーディオ・インターフェースを備えており、ここで、チップおよび第１のリングはスピーカ接点ＳＰＫを備え、第２のリングはアース接点ＧＮＤを備え、スリーブはマイクロフォン接点ＭＩＣを備えるが、様々なタイプのオーディオ・インターフェースを使用してもよいことを理解されたい。たとえば、実施形態によっては、異なる構成の接点を有するＴＲＲＳオーディオ・インターフェースを使用してもよい。実施形態によっては、１対のＴＲＳタイプのインターフェース（たとえば、スピーカ出力インターフェースおよびマイクロフォン入力インターフェース）を使用してもよい。実施形態によっては、電気信号を送受信するための複数の接点を有する、様々な構成のインターフェースを使用してもよい。図に示した実施形態では、システム２００は、高調波駆動信号をスピーカ接点ＳＰＫに加えるための駆動信号発生器２０２、ならびに、マイクロフォン接点ＭＩＣからの応答信号を受信し、第１および第２の波長成分λ１およびλ２をそこから得るための応答信号復調／多重分離装置２０４を備え、第１および第２の波長成分λ１およびλ２を応答信号分析装置２０８に供給し、この分析装置が、１つまたは複数の生命徴候を確定し、確定生命徴候を出力２１０に供給する。内部アース２０６は、アース接点ＧＮＤに接続される。
【００２９】
実施形態によっては、応答信号復調／多重分離装置２０４と応答信号分析装置２０８とを接続する点線で示すように、応答信号復調／多重分離装置２０４はまた、場合によっては応答信号から誤り信号ＥＲＲを確定してもよい。たとえば、応答信号復調／多重分離装置２０４は、予期しない特性（たとえば、振幅、ＤＣオフセット、または予測範囲外の周波数）を受信応答信号がいつ取得したかを示すための誤り信号を生成するように構成してもよく、したがって、応答信号分析装置２０８は、第１および第２の波長成分λ１およびλ２での潜在的にスプリアスの読取り値を無視してもよい。実施形態によっては、高調波駆動信号のパラメータを制御する際のフィードバックとして使用するために、第１および第２の波長成分λ１およびλ２と駆動信号発生器２０２とを接続する点線で示すように、場合によっては第１および第２の波長成分λ１およびλ２を駆動信号発生器２０２に供給してもよい。
【００３０】
図２Ａおよび２Ｂには、図１のシステム１００でのオキシメータ・センサ１４０として使用してもよい２つの例示的なオキシメータ・センサ２１５Ａおよび２１５Ｂと、オキシメータ・センサ２１５Ａ、２１５Ｂの間の電気インターフェースと、携帯型民生用電子装置１１０（図１参照）に接続可能なメディア・コネクタ１２０とが概略的に示してある。これらの実施形態では、電気ケーブル１３０およびメディア・コネクタ１２０を介して、オキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｂと携帯型民生用電子装置１１０との間で電気信号がやり取りされる。電気ケーブル１３０は、オキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｂおよびメディア・コネクタ１２０と電気的に通信している。電気ケーブル１３０は、アースされた導体２９０によって全体をまたは部分的にシールドされたマルチ撚り線電気ケーブルでもよい。メディア・コネクタ１２０は、たとえばオーディオ・インターフェースなど、携帯型民生用電子装置１１０で利用可能な任意の適切なメディア・インターフェース１１５との電気的な通信でインターフェースするように構成される。たとえば、メディア・コネクタ１２０は、携帯型民生用電子装置１１０のオーディオ・インターフェースとインターフェースするように構成された、２．５ｍｍまたは３．５ｍｍのチップ／リング／リング／スリーブ（ＴＲＲＳ）コネクタでもよい。他の実施形態では、たとえば、スピーカとマイクロフォンのインターフェースに接続するための１対のチップ／リング／スリーブ（ＴＲＳ）コネクタ、または他のタイプのオーディオ・インターフェースに接続するように構成された他のタイプのコネクタなど、様々なメディア・コネクタを使用してもよい。別の選択では、オキシメータ・センサには、当技術分野で知られている任意の有線または無線の通信媒体、方法、またはプロトコルを使用して、携帯型民生用電子装置１１０との間でオーディオ信号をやり取りするための手段を設けてもよい。
【００３１】
図２Ａに示す実施形態では、オキシメータ・センサ２１５Ａは、実質的に赤色（波長６００〜７００ｎｍ）および赤外（波長８００〜１０００ｎｍ）である２つの異なる波長で電磁放射を放出するように構成された２つの電磁放出源２２０および２３０を備える。放出源２２０および２３０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または当業者に知られている赤色および赤外の電磁放射を放射できる他の任意の放出源でもよい。放出源２２０および２３０は逆極性で並列に接続されており、したがって動作に際しては、一方の放出源２２０が正の駆動信号によって起動することになり、もう一方の放出源２２０が負の駆動信号によって起動することになる。オキシメータ・センサ２１５Ａは、放出源２２０および２３０の放出範囲で感度が高くなるように構成された電磁放射検出器２４０も備える。検出器２４０は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、感光性抵抗器、または他の任意の適切な電磁放射検出器でもよい。
【００３２】
放出源２２０および２３０は信号調整／フィルタリング要素２５０Ａと電気的に接続されており、検出器２４０は信号調整／フィルタリング要素２６０Ａと電気的に接続されている。信号調整／フィルタリング要素２５０Ａおよび２６０Ａは、所望の信号調整およびフィルタリングを実現するのに必要な、抵抗性、容量性、誘導性の電気構成部品、および能動電気構成部品の任意の組合せを含んでもよい。
【００３３】
図２Ｂに示す実施形態では、オキシメータ・センサ２１５Ｂは、赤色と赤外に両方で電磁放射を放出するように構成された電磁放出源２７０を備える。放出源２７０は、小形の白熱電球、または当業者に知られている電磁放射の他の任意の広帯域幅放出源とすることができる。オキシメータ・センサ２１５Ｂはまた、赤色放射および赤外放射それぞれに感応性が高くなるように構成された、２つの電磁放射検出器２４３および２４８を備える。検出器２４３および２４８の選択的感度は、各検出器に固有のものでもよく、または電磁放射フィルタ２４６および２４１によって実現してもよく、またはその両方でもよい。フィルタ２４６および２４１は、ガラス、プラスチック、樹脂、ゲル、ポリエステル、ポリカーボネート、または他の任意の適切な材料でもよく、１層または複数層のオプティカル・コーティング、および、当業者に知られている、電磁放射をフィルタリングするための他の手段を含んでもよい。
【００３４】
図に示す実施形態では、検出器２４３および２４８は、逆極性で並列に接続されたフォトダイオードを備えており、したがって動作時には、一方の検出器２４３が、赤色電磁放射または赤外電磁放射のうちの一方を含む正極性の応答信号を生成することになり、もう一方の検出器２４８が、赤色電磁放射または赤外電磁放射のうちのもう一方を含む負極性の応答信号を生成することになる。別の選択では、検出器２４３および２４８は、フォトトランジスタ、感光性抵抗器、または当業者に知られている他の任意の適切な電磁放射検出器を備えてもよい。
【００３５】
放出源２７０は信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂと電気的に接続されており、検出器２４３は信号調整／フィルタリング要素２６０Ｂと電気的に接続されている。信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂおよび２６０Ｂは、所望の信号調整およびフィルタリングを実現するのに必要な、抵抗性、容量性、誘導性の電気構成部品、および能動電気構成部品の任意の組合せを含んでもよい。図に示す実施形態では、信号調整／フィルタリング要素２５０Ｂは、たとえば、演算増幅器、電界効果トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、もしくは他の任意のそうした増幅素子、または当業者に知られているそれらの組合せなどの増幅器を備える。検出器２４３および２４８は、極性が逆の光電圧または光電流を生成し、増幅器２６０Ｂは、差分測定値をメディア・コネクタ１２０に送信する。
【００３６】
図２Ｃには、別の実施形態による例示的なオキシメータ・センサ２１５Ｃが概略的に示してあり、図１のシステム１００でのオキシメータ・センサ１４０として使用してもよい。オキシメータ・センサ２１５Ｃは、逆極性で並列に接続された前述の２つの放出源２２０および２３０、ならびに単一の検出器２４０を備えるという点で、図２Ａのセンサ２１５Ａと同様である。しかし、放出源２２０および２３０、ならびに検出器２４０がメディア・コネクタ１２０に直接接続されているという点で、センサ２１５Ｃはセンサ２１５Ａと異なる。
【００３７】
図２Ｄには、一実施形態による例示的なオキシメータ・センサ・アダプタ２１６が概略的に示してある。アダプタ２１６は、電子装置のオーディオ・インターフェースに接続するように構成された第１の端部２１７、およびオキシメータ・センサに結合された標準の医療装置インターフェース（たとえば、Ｄサブ９ピン・コネクタなど）に接続するように構成された第２の端部２１８を備える。具体的には、第２の端部２１８は、医療装置のコネクタのピンを受けるように構成された複数の孔２１９を含んでおり、したがって、アダプタ２１６は、オーディオ・インターフェースに挿入されると、オーディオ・インターフェースの接点と医療装置のコネクタのピンとの間を電気的に接続する。アダプタ２１６はまた、前置増幅器２１４、および場合によっては他の信号調整要素を備えてもよい。前置増幅器２１４（および他の任意の信号調整要素）は、たとえば、従来のエレクトレット・マイクロフォンと同様にして、オーディオ・インターフェースのマイクロフォン・コネクタから電力供給してもよい。
【００３８】
図３には、図２Ａ／２Ｃに示すオキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｃの放出源２２０および２３０を駆動するためにオーディオ・インターフェースの接点に加えてもよい、例示的な駆動信号３１０、ならびに、図２Ａ／２Ｃに示すオキシメータ・センサ２１５Ａ／２１５Ｃの検出器２４０が供給する例示的な応答信号３２０のグラフが示してある。駆動信号３１０は正弦波およびステレオ式であり、２つの出力チャネル（たとえば、図２に示すスピーカ接点ＳＰＫ）の間の位相差は実質的に１８０度である。応答信号３２０はモノラルであり、駆動信号の２倍の周波数で交互に現れるピーク３２０Ａおよび３２０Ｂを含むが、それというのも、オキシメータ・センサの赤色放出源および赤外放出源が駆動信号の交番極性でアクティブになるからである。駆動信号３１０の周波数は、たとえば、約１００〜４０，０００Ｈｚの範囲でもよい。図示した実施形態では、駆動信号３１０の周波数は約２７５Ｈｚである。
【００３９】
図４には、図３の例示的な信号３１０や３２０などのオキシメータ信号を生成し、処理するためのシステム４００の機能図が示してある。（たとえば、オーディオ・インターフェースのスピーカ接点ＳＰＫをまたがって接続してもよい）出力４２０に加えられるステレオ駆動信号が、高調波発振器４１０Ａによって生成され、移相器４３０によって実質的に１８０度位相がシフトされて、駆動信号３１０を生成する。この駆動信号は、極性が逆の２つの正弦波信号からなり、数学的には次式のように表される。
Ο１＝Ａｓｉｎ（ωｔ），０２＝−Ａｓｉｎ（ωｔ）      （１）
ここで、Ｏ１は第１の正弦波信号、Ｏ２は第２の正弦波信号、Ａは信号の振幅、ωは角周波数、ｔは時間である。
【００４０】
出力信号４２０は、オキシメータ・センサ１４０の１つまたは複数の放出源に送られて、患者の身体部分１５０を照射する。オキシメータ・センサ１４０の１つまたは複数の検出器が生成する入力応答信号は、入力４４０で受信される（この入力は、たとえば、オーディオ・インターフェースのマイクロフォン接点ＭＩＣに接続してもよい）。応答信号は、振幅の異なる正の正弦波半周期で表すことができ、数学的には次式で表される。
2014516678.tif 000033
ここで、Ｉは入力応答信号であり、ＩＲｅｄおよびＩＩＲは検出された赤色光および赤外光に対応する検出器からの信号の振幅であり（図３でのピーク３２０Ａおよび３２０Ｂを比較のこと）、ｓｑ（ωｔ）はフーリエ級数の矩形波形である。
2014516678.tif 000034
式（２）は次式のように簡略化することができる。
2014516678.tif 000035
【００４１】
直交復調は、乗算器４５０Ａ〜Ｄ、高調波発信器４１０Ａ〜Ｄ、および低域通過フィルタ４６０Ａ〜Ｄを使用して、角周波数ωおよび２ωで入力４４０において受信された応答信号上で実行される。具体的には、高調波発信器４１０Ａは、角周波数ωで第１の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｂは、角周波数ωで第１の正弦波信号からの位相差が９０度の第２の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｃは、角周波数２ωで第３の正弦波信号を生成するように構成され、高調波発信器４１０Ｄは、角周波数２ωで第３の正弦波信号からの位相差が９０度の第４の正弦波信号を生成するように構成される。
【００４２】
入力４４０で受信される応答信号は、乗算器４５０Ａ〜Ｄにより、それぞれ第１、第２、第３、および第４の正弦波信号のそれぞれによって別々に乗算される。次いで、乗算された第１、第２、第３、および第４の正弦波信号は、それぞれ低域通過フィルタ４６０Ａ〜Ｄによってフィルタリングされて、高い周波数の高調波を除去して、次式を得る。
2014516678.tif 000036
ここで、Ｉωは、フィルタリングされた乗算後の第１および第２の正弦波信号の振幅であり、Ｉ２ωは、フィルタリングされた乗算後の第３および第４の正弦波信号の振幅である。
【００４３】
次いで、ＩωおよびＩ２ωの以下の線形結合を解くことにより、各電磁放出源からの信号の振幅ＩＲｅｄおよびＩＩＲが、それぞれブロック４７０および４７５で確定される。
ＩＲｅｄ＝２Ｉω＋πＩ２ω      （７）
ＩＩＲ＝２Ｉω＋πＩ２ω      （８）
【００４４】
周波数ωおよび２ωでの復調信号の振幅、および式（７）および（８）に提示される線形結合を利用することにより、システムの駆動信号と応答信号の間に通常発生する任意の位相シフトを確定する必要はない。対照的に、単一周波数での復調には、通常、位相シフトが分かっている場合にのみ実行できる直交分解を必要とするはずである。システムの駆動信号と応答信号の間の位相シフトは、オーディオ・インターフェースの特定の実装、温度、システム設定など、多くの要因に依存する。
【００４５】
図５を参照すると、ＩＲｅｄおよびＩＩＲのリアルタイムの変動の例示的なグラフが、それぞれ信号５２０および５１０として示してある。これらのプレチスモグラムをさらに処理して、心拍数、呼吸数、血圧、患者の他の任意の生理的パラメータなど、生理的パラメータを抽出してもよい。この処理は、ピーク検出、周波数領域変換、時間領域分析、もしくは当業者に知られている他の任意の技法、またはそれらの組合せを使用して実行してもよい。
【００４６】
図４に戻ると、各波形ＩＲｅｄおよびＩＩＲの直流（ＤＣ）成分は、たとえば低域通過フィルタリングなどの標準信号処理方法によってブロック４８０で確定される次いで、未較正の酸素飽和度比が以下の通り導き出される。
2014516678.tif 000037
ここで、Ｒは未校正の酸素飽和度比であり、ＤＣＲｅｄはＩＲｅｄ波形のＤＣ成分であり、ＡＣＲｅｄはＩＲｅｄ−ＤＣｒｅｄであり、ＤＣｉｎｆｒａｒｅｄはＩＩＲ波形のＤＣ成分であり、ＡＣｉｎｆｒａｒｅｄはＩＩＲ−ＤＣｉｎｆｒａｒｅｄである。あるいは、当技術分野で知られている他の任意の同様の関係を使用して、未校正の酸素比を確定してもよい。
【００４７】
ブロック４８５において、酸素飽和度は次式で確定される。
ＳｐＯ２＝ｆ（Ｒ）      （１０）
ここで、ＳｐＯ２は酸素飽和度であり、ｆは当技術分野で知られている較正関数である。たとえば、実施形態によっては、ｆはｆ（Ｒ）＝ａ−ｂＲのように実質的に線形であり、ここでａおよびｂは表形式の較正定数である。ブロック４８５で得られる酸素飽和度が、出力４９０に提供される。たとえば、ＩＩＲ波形内のピークに基づいて心拍数を確定するためのピーク検出ブロックなど、さらに処理するための他の要素に接続された出力４７７に、ＩＩＲ波形を提供してもよい。
【００４８】
図６には、図４に関して前述したオキシメータ信号を処理するためのシステムの未加工の酸素飽和度出力を示す、例示的なグラフが示してある。患者の呼吸中の酸素飽和度は普通、６１０に示すように、安定であり１００％に近い。飽和度は、酸素がなくなると６２０Ａで示すように著しく降下し、酸素供給が戻ると６２０Ｂで示すように上昇して普通のレベルに戻る。このグラフに示した波形のスパイクは、当技術分野で知られている標準のフィルタリング法で取り除くことができるアーティファクトである。
【００４９】
図７には、一実施形態による、警報および診断メッセージを生成するための例示的な方法７００の機能図が示してある。ブロック７１０では、図５に示す入力プレチスモグラムは、図４を参照して前述したオキシメータ信号を処理するためのシステム４００などのシステムを使用して得られる。ブロック７２０では、プレチスモグラム信号がさらに処理されて、酸素飽和度、心拍数、呼吸数、血圧、他の任意の関連する生理的パラメータなどの生理的傾向、ならびに信号品質測定値を抽出する。
【００５０】
ブロック７３０で、抽出された生理的パラメータは、エキスパート知識データベース７４０および患者の特定の人口統計７５０を使用して患者の状態を確定するエキスパート・システムに入力される。エキスパート・システムは、前向き推論、ニューラル・ネットワーク、ファジー論理、テーブル索引、またはそれらの組合せを含め、当技術分野で知られている任意の方法で実現することができる。エキスパート知識データベース７４０は、論理ルール・セット、ネットワークの重み、データ表など、エキスパート・システムと互換性があるフォーマットで表される。患者の人口統計７５０は、携帯型の民生用電子装置１１０を介して入力してもよく、またはそこに記憶してもよい。あるいは、患者の人口統計７５０は、遠隔システムに記憶してもよく、そこからアクセスしてもよい。
【００５１】
ブロック７６０で、エキスパート知識７４０および患者の人口統計７５０を考慮して、患者の生理的パラメータが許容範囲内にあるかどうか判定する。生理的パラメータが許容範囲内にある場合、この方法はブロック７１０に戻り、オキシメータ・センサ信号の処理を継続する。しかし、生理的パラメータが許容範囲から外れる場合、エキスパート知識に基づいて警報および／または診断情報がブロック７７０で生成された後に、オキシメータ・センサ信号のさらなる処理が再開することになる。警報および／または診断出力は、可聴情報、テキスト情報、またはアイコン情報から構成されてもよく、携帯型の民生用電子装置１１０の任意の遠隔通信機能を使用して、遠隔地点との間でやり取りしてもよい。
【００５２】
前述のオキシメータ信号を処理する例示的な方法は、もっぱら携帯型の民生用電子装置１１０が実行してもよく、部分的には携帯型の民生用電子装置１１０が、また部分的には遠隔システムが実行してもよい。具体的には、オキシメータ・センサが実行する赤色および赤外の電磁放射の放出ならびに検出を除いては、前述の方法ステップの任意のステップは、携帯型の民生用電子装置１１０または遠隔システムが実行してもよい。携帯型の民生用電子装置１１０および遠隔システムは、当技術分野で知られている有線通信または無線通信の媒体、方法、もしくはプロトコルを用いて通信してもよい。さらに、遠隔システムは、１つまたは複数の遠隔サーバ、コンピュータ、または他の適切な処理装置を備えてもよい。
【００５３】
図８を参照すると、信号の生成、分析、および診断のプロセスが遠隔システム８１０で実行される一代替実施形態が示してある。遠隔システム８１０は、無線ネットワーク８２０を介して携帯型の民生用電子装置１１０と通信し、オキシメータ・センサ１４０は、標準の音声電話セッションを介して駆動されて読み取られ、人口統計および診断の情報が、ショート・メッセージ・サービス（ＳＭＳ）などのデータ・プロトコルを用いて、遠隔装置８１０と携帯型の民生用電子装置１１０との間で伝送される。遠隔システムは、たとえばサーバなど、当技術分野で知られている任意の適切な処理システムでもよい。
【００５４】
実際の用途では、オキシメータを制御するための方法およびシステムを携帯型の民生用電子装置から提供するとき、装置の他のしばしば主要な使用法にとって有害なレベルでセンサの電力消費が装置の電池寿命を縮めないことを確実にすることが非常に望ましい。通常、パルス・オキシメトリ・センサは２つの比較的大電流の発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用するので、節電するには特別に注意する必要がある。
【００５５】
ある実施形態では、オキシメータ・センサに供給される駆動信号のデューティ・サイクルを短縮するための方法およびシステムが提供される。以下でさらに説明するように、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサで使用するための例示的な実施形態では、信号のどちらの極性が赤外ＬＥＤをトリガするのか識別し、その極性のピークの振幅を、赤色ＬＥＤをトリガするもう一方の極性のピークと比較して選択的に低減させる。オーディオ・インターフェースのＡＣ結合特性により、このことは重要である。
【００５６】
ある実施形態はまた、有利には、応答信号のＤＣレベルが実質的に一定に保たれるように各ＬＥＤを起動する駆動信号のピークの振幅を動的に制御する機能を提供する。これにより、電力供給されていないセンサ（それによってさらに節電する）の場合に自動減光すること、ならびに入力信号チャネルにおけるスプリアス非線形性の効果を除去すること、および血液酸素飽和度の確定を簡略化することが容易になる。
【００５７】
図９には、一実施形態によるオキシメータ・センサの赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを制御するための例示的な駆動信号９００が示してある。信号９００は、赤外ＬＥＤを正極性信号によって起動するように接続し、赤色ＬＥＤを負極性信号によって起動するように接続して、オキシメータ・センサを駆動するように構成されている。信号９００は、複数の周期的な正極性のトリガ・ピーク９０４および負極性のトリガ・ピーク９０６を有する基本高調波信号９０２を含む。基本高調波信号９０２は振幅Ｃを有し、この振幅は本来また自然に小さくて、センサのＬＥＤを起動できない。すなわち、ＬＥＤの順方向バイアスよりも低い。正のピーク９０４および負のピーク９０６は振幅ＡおよびＢを有し、これらの振幅は、それぞれのＬＥＤを起動するのに十分な大きさであり、独立して調整してもよい。基本高調波信号９０２は、たとえば、周波数が約５０〜４０００Ｈｚの範囲でもよい。実施形態によっては、基本高調波信号の周波数は約５００Ｈｚである。信号９００の周期はＴ０であり、オキシメータ・センサの基本サンプリング周波数は１／Ｔ０である。実施形態によっては、正極性のトリガ・ピーク９０４および負極性のトリガ・ピーク９０６はそれぞれ、信号９００において周波数１／Ｔ０で供給してもよい。実施形態によっては、１／Ｔ０が約１０〜３００Ｈｚの範囲になるようにＴ０を選択してもよい。実施形態によっては、１／Ｔ０が約１０〜３００Ｈｚの範囲になるようにＴ０を選択してもよい。
【００５８】
信号９００は、正のピーク９０４および負のピーク９０６が同じ周波数で発生するが、基本信号のある一定の数の半サイクル分だけオフセットするように生成される。図示した例では、Ｔ１は正のピーク９０４から後続の負のピーク９０６までの時間であり、Ｔ２は負のピーク９０６から後続の正のピーク９０４までの時間である。Ｔ１とＴ２の間の差は、応答信号内で容易に検出して（図１０参照。この図には、駆動信号９００の上に重ね合わせた例示的な応答信号１０００が示してある）、いずれの応答信号ピークが検出光のいずれの波長に関連しているのか識別することができる。応答信号の赤外成分は一般に、（順方向電圧閾値が低く、フォトダイオードの感度が高いので）赤色よりも高いことから、それにより、赤外光に関連する応答信号の特定の極性を推測することができ、赤外振幅Ａは、赤色振幅Ｂとは無関係に調整することができる。これは、たとえば、ＬＥＤ駆動信号を選択的に低減し、したがって節電するのに有用である。
【００５９】
図９に示す例示的なＬＥＤ駆動信号は、たとえば次式によって生成することができる。
2014516678.tif 000038
ここで、ｔは秒単位の時間である（疑似Ｃ表記）。
α＝（！（ｐ％１６）？Ａ：（！（（ｐ＋７）％１６）？Ｂ：Ｃ）      （１１）
ここで、Ａ、Ｂ、およびＣは図９に示した振幅であり、％はモジュロ演算であり、ｐは信号の半周期の整数倍である。
2014516678.tif 000039
【００６０】
この方式のさらなる利点は、各信号を同期させようとしなくても、駆動信号と応答信号の間の時間関係を確立することができることであり、これにより、信号線内の任意の場所においてデータのスプリアス損失に対して強固な手法を実現する。
【００６１】
実施形態によっては、動的フィードバック・システムを用いて駆動信号内のトリガ・ピークの振幅を調整することにより、この位相シフト多重化方式を使用して、実質的に同じＤＣレベルの発光ダイオードの両方からの光に対応する応答信号成分を保持する。十分な応答信号レベルを生成するのに必要となる電力のみがＬＥＤに供給されるので、これにより、入力チャネル内の任意の非線形性が測定値に影響を及ぼすことを防止し、電力消費を低減させる。たとえば、指または他の身体部分がセンサから外されると、光の透過率が増大したのをフィードバック・システムが補償するので、光が自動的に減光する。このようなシステムの一例の概略図が図１１に示してある。
【００６２】
図１１には、一実施形態によるオーディオ・ベースのパルス・オキシメータの第１ステージを構成する、例示的なシステム１１００が示してある。アナログ応答信号は、オーディオ入力１１１０で受信され、電子装置（図示せず）のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号に変換され、このデジタル信号が、赤色信号と赤外信号の組み合わされたチャネルを分離する信号多重分離装置１１２０に供給される。多重分離装置１１２０はまた、応答信号が任意の予期しない特性を有するかどうかを示す誤り信号を生成する。赤色信号と赤外信号の両方が、低域通過フィルタ１１３０に供給される。低域通過フィルタ１１３０は、バターワース型、楕円型、移動平均型、もしくは高周波成分の適切な抑圧を実現する任意のタイプのフィルタ、またはそれらの組合せを含め、当技術分野で知られている任意のタイプとすることができる。実施形態によっては、低域通過フィルタは、遮断周波数が０．５Ｈｚの４次バターワース・フィルタである。
【００６３】
低域通過フィルタ１１３０には、入力信号のＤＣ成分を分離する働きがある。この成分が、オーディオ出力１１７０に加えられる駆動信号内のピークの振幅を調整する振幅制御装置１１４０に供給され、その結果、制御装置１１４０に提供される制御設定ポイントに基づいて入力応答信号成分のＤＣ成分が調整される。たとえば、実施形態によっては、入力応答信号成分のＤＣ成分は、設定ポイント１１５０の所定の範囲内に維持される。制御装置４０によって出力された振幅が位相シフト信号マルチプレクサ１１６０に供給されて、オーディオ出力１１７０に加えられる駆動信号を生成する。制御装置１１４０は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御、疑似微分フィードバック（ＰＤＦ）制御、またはそれらの組合せなど、当業者に知られている任意の方法によって実装することができる。図１１Ａには、ＰＤＦベースの振幅制御装置の例示的な実施形態が概略的に示してあり、有利には、他のタイプの制御装置と比較して、制御設定ポイント１１５０周りでのオーバーシュートが少なく、発振が少ない様子が示してある。
【００６４】
図１２には、シミュレーションされた外乱への例示的な制御装置応答が示してある。応答信号１２００は、著しい非連続的な外乱１２１０が存在する場合、約５秒間のインスイング時間の発振またはオーバーシュートなしに、制御装置設定ポイント１１５０に保持されていることが分かる。これは、オキシメータの性能にとって適切である。図１３には、実際のセンサ信号に対する例示的な制御装置応答が示してある。トレース１３００は、赤外発光ダイオードを駆動するのに使用されるオーディオ信号のピーク振幅を表す。応答信号１３１０は制御設定ポイント１１５０を中心に集まっている様子が分かる。
【００６５】
システム１１００の多重分離装置１１２０の出力（第１オキシメータ・ステージ）が、図１４に概略を示した第２ステージ１４００に供給される。このステージには、心拍数および酸素濃度を計算する役割がある。未加工の入力赤色信号および赤外信号は、最初に、帯域通過フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂにそれぞれ供給される。フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂは、チェビシェフ・フィルタ、楕円フィルタ、ベッセル・フィルタ、もしくはバターワース・フィルタ、またはそれらの組合せを含め、フィルタ帯域外で適切な減衰を実現する任意の次数の、当技術分野で知られている任意のタイプのフィルタを備えてもよい。実施形態によっては、フィルタ１４１０Ａおよび１４１０Ｂは、４次のバターワース・タイプであり、低域および高域の遮断周波数が、それぞれ０．５Ｈｚおよび５Ｈｚである。フィルタリングされた赤外信号がピーク検出ブロック１４２０に供給される。ピーク検出ブロックは、当業者に知られている任意のピーク検出アルゴリズムを実行してもよい。実施形態によっては、簡略なレベル・ベースのアルゴリズムを使用する。フィルタリングされた信号は良好に調整されているので、これで十分である。第１ステージの多重分離装置１１２０からの誤り信号が、ピーク検出ブロック１４２０に供給され、ピーク検証として使用されて、スプリアス・データが信号経路にさらに伝搬することを防止する。
【００６６】
ピーク検出ブロック１４２０は、比率および較正のブロック１４３０での信号比率および酸素飽和度の計算をトリガする。酸素飽和度の従来の計算は、上記の式（９）によって比率Ｒを計算し、経験的な関係式を用いてこれを酸素飽和度に変換することであり、この関係式は、通常は以下のように線形であると考えられる。
Ｓｐ０２＝ａ−ｂ×Ｒ      （１３）
ここで、ａおよびｂは、実験的に決まる定数である。
【００６７】
制御装置１１４０に供給されるフィードバックにより、ＤＣレベルは両方の信号チャネルで同じレベルに維持され、上記の式（９）でのＲについての式は、以下のような簡略な比率になる。
2014516678.tif 000040
【００６８】
ブロック１４３０で計算された酸素飽和度は、メディアン・フィルタ１４４０によって処理されて、最終的なオキシメータ飽和出力１４５０を生成する。
【００６９】
ピーク検出ブロック１４２０はまた、連続したピークの間の時間を確定する。この時間は、心拍数に等しく、メディアン・フィルタ１４６０を介して供給されて、心拍数出力１４７０を生成する。
【００７０】
図１５には、実線１５００で示した例示的な一実施形態によるオキシメータと、点線１５１０で示した市販の従来型臨床用オキシメータとの間の比較が示してある。このデータは、同意した成人被験者への倫理委員会承認の臨床研究の一環として、低酸素室で得られた。図１６には、黒丸１６００で示した例示的な一実施形態によるオキシメータによる出力としての心拍数と、線１６１０で示した市販の臨床パルス・オキシメータによる出力としての心拍数との比較が示してある。
【００７１】
本明細書において、添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態を説明してきたが、本発明は、まさにそれらの構造および動作に限定されるものではなく、当業者が他の様々な変更および修正を加えてもよいことを理解されたい。
【００７２】
本発明の各実施形態は、特に設計されたハードウェア、構成可能なハードウェア、データ・プロセッサ上で実行できるソフトウェア（場合によっては「ファームウェア」を含んでもよい）を設けることによって構成されたプログラマブル・データ・プロセッサ、本明細書で詳細に説明した方法における１つまたは複数のステップを実行するように特にプログラムされ、構成され、もしくは組み立てられた専用コンピュータもしくはデータ・プロセッサ、および／またはこれら２つ以上の組合せを使用して実施してもよい。特に設計されたハードウェアの例には、論理回路、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、大規模集積回路（「ＬＳＩ」）、超大規模集積回路（「ＶＬＳＩ」）などがある。構成可能なハードウェアの例には、プログラマブル・アレイ・ロジック（「ＰＡＬ」）、プログラマブル・ロジック・アレイ（「ＰＬＡ」）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（「ＦＰＧＡ」）など、１つまたは複数のプログラム可能論理デバイスがある。プログラマブル・データ・プロセッサの例には、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、組込みプロセッサ、グラフィックス・プロセッサ、数値演算コプロセッサ、汎用コンピュータ、サーバ・コンピュータ、クラウド・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、コンピュータ・ワークステーションなどがある。たとえば、装置用の制御回路内の１つまたは複数のデータ・プロセッサは、プロセッサからアクセス可能なプログラム・メモリ内のソフトウェア命令を実行することにより、本明細書に記載の方法を実施してもよい。
【００７３】
処理は、集約化しても分散化してもよい。処理が分散している場合、ソフトウェアおよび／またはデータを含む情報を中央に保管してもよく、分散してもよい。このような情報は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、もしくはインターネットなどの通信ネットワーク、有線もしくは無線のデータ・リンク、電磁信号、または他のデータ通信チャネルを介して、様々な機能ユニット間で交換してもよい。
【００７４】
たとえば、プロセスまたはブロックは所与の順序で例示されているが、代替例では、異なる順序で、各ステップを有するルーチンを実行してもよく、または各ブロックを有するシステムを利用してもよく、プロセスもしくはブロックによっては、削除し、移動し、追加し、細分化し、結合し、かつ／または修正して、代替案もしくはサブコンビネーションを実現してもよい。これらのプロセスまたはブロックのそれぞれは、様々な異なる方式で実施してもよい。また、プロセスまたはブロックは、時々、連続して実行されるように示してあるが、これらのプロセスまたはブロックは、代わりに、並列に実行してもよく、または様々な時点において実行してもよい。
【００７５】
さらに、各要素は、時々、順次実行されるように示してあるが、代わりに、同時にまたは様々な順序で実行してもよい。したがって、以下の特許請求の範囲は、その意図した範囲内にあるような全ての変形形態を含むものと解釈すべきものである。
【００７６】
実施形態によっては、本発明はソフトウェアで実施してもよい。さらに明確にするために、「ソフトウェア」は、プロセッサ上で実行される任意の命令を含んでおり、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどが含まれ得る（が、それだけには限定されない）。当業者には知られているように、処理ハードウェアと処理ソフトウェアの両方は、全体的または部分的に、集中型でも分散型（またはそれらの組合せ）でもよい。たとえば、ソフトウェアまたは他のモジュールは、ローカル・メモリ、ネットワーク、分散コンピューティング状況でのブラウザもしくは他のアプリケーション、または前述の目的に適した他の手段を介してアクセス可能でもよい。
【００７７】
ソフトウェアおよび他のモジュールは、サーバ、ワークステーション、パーソナル・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、データ・エンコーダ、データ・デコーダ、ＰＤＡ、携帯電話、メディア・プレーヤ、および前述の目的に適した他の装置に常駐してもよい。システムの態様は、インターネット機器、ハンドヘルド装置（携帯型情報端末（ＰＤＡ）を含む）、ウェアラブル・コンピュータ、あらゆる種類のセルラー電話または携帯電話、マルチプロセッサ・システム。マイクロプロセッサ・ベースまたはプログラム可能な民生用電子装置（たとえば、ビデオ・プロジェクタ、視聴覚受信機、表示装置、テレビなど）、セットトップ・ボックス、ネットワークＰＣ、ミニ・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータなどを含む、任意の適切な通信、データ処理、またはコンピュータ・システムの構成で実施できることが当業者には理解されよう。
【００７８】
構成要素（たとえば、ソフトウェア・モジュール、プロセッサ、制御装置、アセンブリ、装置、回路など）が前に述べられている場合、別段の定めがない限り、その構成要素への言及（「手段」への言及を含む）は、本発明の図示した例示的な実施形態での機能を実行する開示された構造と構造的に等価でない構成要素を含め、その構成要素の均等物として前述の構成要素（すなわち機能的に等価である）の機能を実行する任意の構成要素を含むものと解釈すべきである。
【００７９】
本開示の実施形態は、機械読取り可能な媒体（コンピュータ読取り媒体、プロセッサ読取り可能媒体、またはコンピュータ読取り可能なプログラム・コードを内部に組み入れたコンピュータ使用可能媒体とも呼ぶ）に記憶されたコンピュータ・プログラム製品として表すことができる。機械読取り可能な媒体は、ディスケット、コンパクト・ディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、メモリ・デバイス（揮発性もしくは不揮発性）、または同様の記憶メカニズムを含む磁気記憶媒体、光記憶媒体、または電気記憶媒体を含め、任意の適切な、有形の持続的な媒体とすることができる。機械読取り可能な媒体は、実行されると、本開示の一実施形態による方法での各ステップをプロセッサが実行するようにする、命令、符号系列、構成情報、または他のデータの様々なセットを含むことができる。前述の実装形態を実装するのに必要な他の命令および動作はまた、機械読取り可能な媒体に記憶できることが当業者には理解されよう。機械読取り可能な媒体に記憶された命令は、プロセッサまたは他の適切な処理装置によって実行することができ、回路とインターフェースして前述のタスクを実行することができる。
【００８０】
システム、方法、および装置の具体例を、例示するために本明細書において説明してきた。これらは例に過ぎない。本明細書において提供される技術は、前述の例示的なシステム以外のシステムに適用することができる。本発明を実施するに当たって、多くの変更、修正、追加、削除。および置換が可能である。本発明は、機能、要素、および／もしくはステップを同等な機能、要素、および／もしくはステップに置き換えること、様々な実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを混合しマッチさせること、本明細書に記載の実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを他の技術の機能、要素、および／もしくはステップと組み合わせること、ならびに／または、前述の実施形態からの機能、要素、および／もしくはステップを削除することによって得られる変形形態を含め、当業者には明らかになるはずの前述の実施形態における変形形態を含む。
【００８１】
したがって、以下に添付の特許請求の範囲、および以下に紹介する請求項は、合理的に推測できる修正、置換、追加、削除、およびサブコンビネーションを全て含むと解釈すべきものである。特許請求の範囲に記載の範囲は、各例に説明されている好ましい実施形態によって限定すべきではなく、全体として説明と一致する最も広い解釈を与えるべきである。先の記述において説明できるように、各実施形態を完全に理解するために、数多くの詳細を説明する。しかし、これら具体的な詳細は必要とされないことが当業者には明らかになろう。他の例では、よく知られた電気的構造物および電気回路は、理解を曖昧にしないようブロック図の形式で示してあるたとえば、本明細書に記載の実施形態が、ソフトウェア・ルーチン、ハードウェア回路、ファームウェア、またはそれらの組合せとして実装されるのかどうかに関しては、特定の詳細を提示していない。
【００８２】
前述の各実施形態は、単なる例示に過ぎないものである。本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ定義される範囲から逸脱することなく、当業者により、具体的な実施形態に改変、修正、および変更を加えることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子装置を制御して、１つまたは複数の生命徴候を得るための外部センサを操作するための方法であって、前記電子装置が、複数の接点を備えるオーディオ・インターフェースを有し、前記外部センサが、前記オーディオ・インターフェースに接続可能であり、また２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備え、前記方法が、
前記オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、前記外部センサの前記１つまたは複数の放出源を駆動するステップと、
前記オーディオ・インターフェースの第３の接点において前記応答信号を受信するステップと、
前記応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するステップと、
前記第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するステップと、
前記確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記高調波信号を加えるステップが、第１の正弦波駆動信号を前記オーディオ・インターフェースの第１のスピーカ接点に加え、第２の正弦波駆動信号を前記オーディオ・インターフェースの第２のスピーカ接点に加えるステップを含み、前記第１および第２の正弦波信号の位相が実質的に１８０度ずれており、
前記応答信号を受信するステップが、前記応答信号を前記オーディオ・インターフェースのマイクロフォン接点で受信するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記高調波駆動信号を加えるステップが、第１の周波数を有するステレオ正弦波変調信号を加えるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記応答信号を復調し、多重分離するステップが、前記第１の周波数および９０度の位相オフセットを有する第１の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第１の復調信号を得るステップと、前記第１の周波数の２倍に等しい第２の周波数および９０度の位相オフセットを有する第２の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第２の復調信号を得るステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記第１の復調信号と第２の復調信号との第１の線形結合に基づいて前記第１の波長の応答信号を確定するステップと、前記第１の復調信号と第２の復調信号との第２の線形結合に基づいて前記第２の波長の応答信号を確定するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の方法において、前記１つまたは複数の放出源が、前記第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続可能な１対の放出源を備え、前記１対の放出源のうち各放出源が起動電圧を有し、前記高調波駆動信号を加えるステップが、前記放出源の前記起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を加えるステップと、前記起動電圧よりも振幅が大きい正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを周期的に供給するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記応答信号のサンプリング周波数と実質的に同じ周波数で、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを供給するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを交互に供給するステップを含み、前記正極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記負極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第１の期間が、前記負極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記正極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第２の期間と異なることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記応答信号を復調し、多重分離するステップが、前記第１の期間および前記第２の期間によって分離されたピークを検出して、前記第１の波長の応答信号および前記第２の波長の応答信号を識別するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか一項に記載の方法において、前記１対の放出源が、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備え、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の方法において、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークの振幅を動的に調整して、前記第１および第２の波長の応答信号のＤＣレベルを、制御設定ポイントの所定範囲内に維持するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法において、前記オーディオがＴＲＲＳオーディオ・インターフェースを備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
電子装置を制御して、１つまたは複数の生命徴候を得るための外部センサを操作するためのシステムであって、前記電子装置が、複数の接点を備えるオーディオ・インターフェースを有し、前記外部センサが、前記オーディオ・インターフェースに接続可能であり、また２つの異なる波長の電磁放射を放出するための１つまたは複数の放出源、および受信した２つの異なる波長の電磁放射に基づいて応答信号を生成するための検出器を備え、前記システムが、
前記オーディオ・インターフェースの第１の接点および第２の接点に高調波駆動信号を加えて、前記外部センサの前記１つまたは複数の放出源を駆動するように構成された駆動信号発生器と、
前記オーディオ・インターフェースの第３の接点からの前記応答信号を受信し、前記応答信号を復調し、多重分離して、第１の波長の応答信号および第２の波長の応答信号を生成するように構成された応答信号復調／多重分離装置と、
前記第１および第２の波長の応答信号を分析して、１つまたは複数の生命徴候を確定するように構成された応答信号分析装置と、
前記確定された１つまたは複数の生命徴候を出力するように構成された出力と
を備えることを特徴とする、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムにおいて、
前記駆動信号発生器が、第１の正弦波駆動信号を前記オーディオ・インターフェースの第１のスピーカ接点に加え、第２の正弦波駆動信号を前記オーディオ・インターフェースの第２のスピーカ接点に加えるように構成され、前記第１および第２の正弦波信号の位相が実質的に１８０度ずれており、
前記応答信号復調／多重分離装置が、前記応答信号を前記オーディオ・インターフェースのマイクロフォン接点で受信するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、第１の周波数を有するステレオ正弦波変調信号を加えるように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の周波数および９０度の位相オフセットを有する第１の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第１の復調信号を得、前記第１の周波数の２倍に等しい第２の周波数および９０度の位相オフセットを有する第２の対の正弦波信号を使用して前記応答信号を直交復調して、第２の復調信号を得るように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の復調信号と前記第２の復調信号の第１の線形結合に基づいて前記第１の波長の応答信号を確定し、前記第１の復調信号と前記第２の復調信号の第２の線形結合に基づいて前記第２の波長の応答信号を確定するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１３または１４に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の放出源が、前記第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続可能な１対の放出源を備え、前記１対の放出源のうち各放出源が起動電圧を有し、前記駆動信号発生器が、前記放出源の前記起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を加え、前記起動電圧よりも振幅が大きい正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを周期的に供給するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記応答信号のサンプリング周波数と実質的に同じ周波数で、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを供給するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークを交互に供給するように構成され、前記正極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記負極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第１の期間が、前記負極性のトリガ・ピークのうちのあるピークから前記正極性のトリガ・ピークのうちの後続のピークまでの第２の期間と異なることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムにおいて、前記応答信号復調／多重分離装置が、前記第１の期間および前記第２の期間によって分離されたピークを検出して、前記第１の波長の応答信号および前記第２の波長の応答信号を識別するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記１対の放出源が、赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備え、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１８乃至２２のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記駆動信号発生器が、前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークの振幅を動的に調整して、前記第１および第２の波長の応答信号のＤＣレベルを、制御設定ポイントの所定範囲内に維持するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項１３乃至２３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記オーディオがＴＲＲＳオーディオ・インターフェースを備えることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
オーディオ・インターフェースを有する電子装置のプロセッサによって実行されると、請求項１乃至１２のいずれか一項の方法を前記電子装置が実行するようにする、実行可能な命令を記憶する機械読取り可能なメモリを含むことを特徴とする、プログラム製品。
【請求項２６】
逆極性で並列に接続された赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤを備えるオキシメータ・センサ用の駆動信号を生成するための方法であって、
前記赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの起動電圧未満の基本振幅を有する基本高調波信号を供給するステップと、
前記基本高調波信号内の周期的な正および負のトリガ・ピークを選択的に供給するステップと
を含み、前記正および負のトリガ・ピークが、前記赤色ＬＥＤおよび赤外ＬＥＤの前記起動電圧よりも大きい振幅を有することを特徴とする、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、前記赤外ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちの一方の振幅が、前記赤色ＬＥＤをトリガするための前記正極性のトリガ・ピークおよび負極性のトリガ・ピークのうちのもう一方の振幅よりも低いことを特徴とする方法。
【請求項２８】
電子装置のオーディオ・インターフェースに接続可能なオキシメータ・センサであって、
前記電子装置の前記オーディオ・インターフェース内で受信されるように構成されたコネクタであって、複数の接点を備えるコネクタと、
２つの異なる波長の光を放射するように構成された１対の放射源であって、前記コネクタの第１の接点と第２の接点にまたがって逆極性で並列に接続された１対の放射源と、
前記２つの異なる波長の光を検出し、前記１対の放射源のうち第１の放射源からの検出光に基づく第１の応答信号成分、および前記１対の放射源のうちもう一方の放射源からの検出光に基づく第２の応答信号成分を含む応答信号を生成するように構成された検出器であって、前記コネクタの第３の接点に前記応答信号を供給するように接続された検出器と
を備えることを特徴とする、オキシメータ・センサ。
【請求項２９】
電子装置のオーディオ・インターフェースにオキシメータ・センサを接続するためのアダプタであって、複数の接点を備えるジャック用プラグであって、オーディオ・ジャック内で受けるように構成されたジャック用プラグを有する第１の端部と、ピン・タイプのコネクタの複数のピンを受けるように構成された複数の孔を備える第２の端部と、前記複数の接点と前記複数の孔の間に接続された複数の導体とを備えることを特徴とする、アダプタ。
【請求項３０】
請求項２９に記載のアダプタにおいて、前記接点のうちの１つの接点と前記孔のうちの１つの孔との間に接続された前置増幅器であって、前記接点のうちの前記１つの接点から電力を受けるように構成された前置増幅器を備えることを特徴とするアダプタ。
【請求項３１】
パルス・オキシメトリを使用して患者の生理的パラメータを確定するためのシステムであって、
（ａ）赤色電磁放射および赤外電磁放射を用いて、血液が充満した前記患者の身体部分を照射するための放出源であって、前記赤色電磁放射および前記赤外電磁放射が正弦波変調信号によって変調される放出源と、
（ｂ）前記身体部分を通過した受信赤色電磁放射および受信赤外電磁放射を含む入力信号を受けるための検出器であって、前記受信赤色電磁放射および前記受信赤外電磁放射の位相が９０度異なる検出器と、
（ｃ）前記放出源および検出器と電気的に通信しているプロセッサであって、
（ｉ）前記放出源を前記変調信号で変調し、
（ｉｉ）前記検出器からの前記信号を受信し、
（ｉｉｉ）それぞれが前記変調信号と同じ周波数を有し、互いの位相差が９０度である第１の正弦波信号および第２の正弦波信号を使用して前記入力信号を直交復調することによって、第１の復調信号を確定し、
（ｉｖ）それぞれが前記変調信号の２倍の周波数を有し、互いの位相差が９０度である第３の正弦波信号および第４の正弦波信号を使用して前記入力信号を直交復調することによって、第２の復調信号を確定し、
（ｖ）前記第１の復調信号と前記第２の復調信号との第１の線形結合に基づいて、前記受信赤色電磁放射を確定し、
（ｖｉ）前記第１の復調信号と前記第２の復調信号との第２の線形結合に基づいて、前記受信赤外電磁放射を確定し、
（ｖｉ）前記受信赤色電磁放射および前記受信赤外電磁放射に基づいて、前記患者の生理的パラメータを確定する
ように構成されたプロセッサと
を備えることを特徴とする、システム。
【国際調査報告】
2014516678.tif 000041
2014516678.tif 000042
2014516678.tif 000043
2014516678.tif 000044