(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトプレチスモグラフィセンサ装置であって、
第一の光信号を生成するように構成される光源ユニットと、
第二の光信号を観察するように構成される光検出器ユニットであって、当該第二の光信号はターゲットにおける前記第一の光信号の吸収を示し、当該光検出器ユニットがさらに前記第二の光信号を観察することに応答して光検出器出力信号を出力するように構成される、光検出器ユニットと、
前記光検出器出力信号を受信するように構成されるトラックアンドホールドユニットを有する環境光補償フィードバックループと、
補償電流と前記光検出器出力信号の和を増幅するため、及び前記トラックアンドホールドユニットの入力へ増幅信号を供給するための、第二の増幅ユニットとを有し、
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が、前記トラックアンドホールドユニットの出力信号を基準電圧と比較するように構成され、
前記環境光補償フィードバックループが、前記光源ユニットがオフの間前記比較に基づいて前記第二の増幅ユニットへ前記基準電圧との差に対応する前記補償電流を供給し、前記光源ユニットがオンの間前記光源ユニットがオンにされる直前のオフのタイミングにおける前記比較に基づいて前記第二の増幅ユニットへ前記補償電流を供給するように構成される第一の増幅ユニットを有する、フォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項２】
前記第二の増幅ユニットがトランスインピーダンスアンプを有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項３】
前記第一の増幅ユニットがトランスコンダクタンスアンプを有し、当該トランスコンダクタンスアンプがレジスタ及び／又は電圧制御電流源を有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項４】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が前記第二の増幅ユニットから出力信号を受信するように構成されるアナログデジタル変換器を有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項５】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が前記光源ユニットを制御するように構成される光源ドライバユニットをさらに有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項６】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が同期検出器をさらに有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項７】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が前記光源ユニットを制御するように構成される光源ドライバユニットをさらに有し、前記同期検出器が前記光源ドライバユニットと同期して動作するように構成される、請求項６に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項８】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が前記同期検出器から出力信号を受信するように構成されるアナログデジタル変換器を有する、請求項６に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項９】
前記同期検出器が、ローパスフィルタが後に続く同期整流器を有する、請求項６に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項１０】
前記同期整流器が信号を＋１又は−１で乗算する、請求項９に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項１１】
前記フォトプレチスモグラフィセンサ装置が前記基準電圧を調節するように構成されるマイクロコントローラをさらに有する、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置。
【請求項１２】
光源ユニットによって第一の光信号を生成するステップと、
ターゲットにおける前記第一の光信号の吸収を示す第二の光信号を光検出器ユニットによって観察するステップと、
前記第二の光信号を観察することに応答して、トラックアンドホールドユニットと第一の増幅ユニットとを有する環境光補償フィードバックループによって光検出器出力信号を受信するステップと、
前記トラックアンドホールドユニットの出力信号を基準電圧と比較するステップであって、前記トラックアンドホールドユニットの出力信号が前記光検出器出力信号に基づく、ステップと、
前記光源ユニットがオフの間前記比較に基づいて前記トラックアンドホールドユニットへ前記第一の増幅ユニットによって前記基準電圧との差に対応する補償電流を第二の増幅ユニットに供給し、前記光源ユニットがオンの間前記光源ユニットがオンにされる直前のオフのタイミングにおける前記比較に基づいて前記トラックアンドホールドユニットへ前記第一の増幅ユニットによって前記補償電流を第二の増幅ユニットに供給するステップとを有し、
前記第二の増幅ユニットが、前記補償電流と前記光検出器出力信号の和を増幅し、及び前記トラックアンドホールドユニットの入力へ増幅信号を供給する、フォトプレチスモグラフィセンサ法。
【請求項１３】
フォトプレチスモグラフィセンサ装置を制御するコンピュータ上でコンピュータプログラムが実行されるとき、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ装置に請求項１２に記載のフォトプレチスモグラフィセンサ法のステップを実行させるためのコンピュータプログラムコード手段を有する、フォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトプレチスモグラフィセンサ装置、フォトプレチスモグラフィセンサ法、及びフォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトプレチスモグラフィ（光電式容積脈波記録法、ＰＰＧ）は光学手段により臓器容積測定を得ることをあらわす。しばしば、人の皮膚の光吸収特性の変化を検出するパルスオキシメータが利用される。典型的には、透過型若しくは反射型血液ＰＰＧセンサが特定波長における吸収測定を通じて皮膚の真皮及び皮下組織への血液のかん流をモニタリングする。血液由来の光に加えて、組織及び環境光由来のはるかに大部分の光が検出される。
【０００３】
フォトプレチスモグラフィ信号は非常に大きな（望ましくない）ＤＣオフセット信号の上に非常に小さなＡＣ信号（実際のプレチスモグラム（容積脈波））を有する。ＤＣオフセット信号は皮膚及び組織由来の、並びに環境光のかなりの部分由来の信号を有する。あいにく、検出される環境光の量は一定でなく、変化する環境光条件とモーションアーチファクト（例えばフォトプレチスモグラフィセンサと皮膚の間のカップリングによって生じる）に起因して変動する。検出される環境光の時間的変化率は関心対象のフォトプレチスモグラフィ周波数帯域内の周波数を含む。（検出される環境光を抑制することを望んで）これらの周波数をフィルタ除去することは、関心対象のフォトプレチスモグラフィ周波数帯域の周波数もフィルタする（若しくは著しく抑制する）ことになり得るので、これは単純な周波数領域フィルタリングを禁止する。
【０００４】
現在知られている環境光拒絶のための機構は例えば、フォトプレチスモグラフィ励起光（例えば発光ダイオード、ＬＥＤなど）が一時的にオフになるときに周期的に環境光をサンプリングするＤＣ復元回路を含む。異なるタイムスロット（例えばＬＥＤがオンになるとき）において、環境及びフォトプレチスモグラフィ信号の両方を含むサンプルがとられる。フォトプレチスモグラフィ励起光がオンの信号から、フォトプレチスモグラフィ励起光がオフの信号を減算することによって、環境光からの干渉を示さない"オフセット補正"フォトプレチスモグラフィ信号が得られる。典型的に、このサンプリングはトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）が検出器によって生成される光電流を電圧に変換し増幅した後になされる。代替的に及び／又は付加的に、このサンプリングは信号がアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）によって処理された後に完全にデジタル領域でなされる。
【０００５】
従来のフォトプレチスモグラフィセンサには多数の問題と欠点が存在する。まず、検出される環境光の量がかなりの量になり得る。これはアンプを設計するとき、利用可能なダイナミックレンジの一定量が環境光を適切に検出するために確保されなければならず、準最適なアンプ設計をもたらすことを意味する。
【０００６】
加えて、環境光の減算がデジタル領域で（すなわちアナログデジタル変換後に）なされる場合、多数のＡＤＣビットが環境光のために確保されなければならない。しかしながら環境光のためにＡＤＣビットを確保することはフォトプレチスモグラフィ信号に利用可能な分解能を制限する。
【０００７】
しかしながら、減算がＴＩＡによる処理後に直接なされる場合、フォトプレチスモグラフィ信号の次のサンプリング期間まで環境値（すなわち環境光に対応する測定値）をホールドするためにサンプルアンドホールド回路が必要である。このサンプルアンドホールド信号のゲイン確度は補償の有効性を決定する。
【０００８】
従来のフォトプレチスモグラフィセンサの問題に対処する一つのオプションはサンプルアンドホールド素子の製造キャリブレーションステップを利用することである。しかしながらこのような追加の製造キャリブレーションステップは製造コストを増大し、従ってあまり好ましくない。
【０００９】
ＵＳ７７４０５９１はプレチスモグラフィセンサを開示する。このセンサはトランスインピーダンス差動アンプの出力を受信する環境光キャンセル回路を有する。環境光キャンセル回路は次のように動作する：タイミング制御回路が赤色及びＩＲ  ＬＥＤの両方をオフにするとき、環境光はセンサが出力のために持つ唯一の光である。環境光がサンプリングされ、信号の値がＦＥＴを用いて接地されるキャパシタにホールドされる。ＦＥＴがオフになるとき、キャパシタに格納された値が赤色及びＩＲ信号ストリングの経路において使用される。このキャパシタにおける格納値が環境光の誤差を除去する。
【００１０】
ＵＳ６３８１４７９Ｂ１はフォトプレチスモグラフィ測定器において改良されたＤＣ及び低周波数信号拒絶を提供するためのシステムを開示する。システムは、被験者の組織を通じて少なくとも二つの波長において光信号を伝えるための少なくとも二つの信号源と、組織を通じて伝えられた光信号を検出器出力信号へ変換するための検出器とを含む測定機器において使用される。システムは増幅された出力信号を低周波数信号成分で飽和させるのを回避するよう、その増幅前に検出器出力信号からＤＣ及び低周波数信号成分を除去するＤＣ復元を含む。ＤＣ復元は信号源が非アクティブである暗期中だけでなく、信号源の一つがアクティブである明期中にも、検出器信号から低周波数信号成分を持続的に除去するように構成される。一実施形態において、ＤＣ復元は検出器出力信号を受信してアンプ出力信号を生成するトランスインピーダンスアンプと、増幅された出力信号を受信してバイアス電流を生成する積分器フィードバックループとを有するＤＣ復元回路の形で具体化され、バイアス電流はアンプによる検出器信号の増幅前に検出器出力信号からＤＣ及び低周波数信号成分を減算するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術のＰＰＧセンサに伴う問題を克服する、改良されたフォトプレチスモグラフィセンサ装置、改良されたフォトプレチスモグラフィセンサ法、及び改良されたフォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラムを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第一の態様において、第一の光信号を生成するように構成される光源ユニットと、第二の光信号を観察するように構成される光検出器ユニットとを有するフォトプレチスモグラフィセンサ装置が提供され、当該第二の光信号はターゲットにおける当該第一の光信号の吸収を示し、当該光検出器ユニットはさらに当該第二の光信号を観察することに応答して光検出器出力信号を出力するように構成される。装置はさらに光検出器出力信号を受信するように構成されるトラックアンドホールドユニットを有する環境光補償フィードバックループを有する。装置は当該トラックアンドホールドユニットの出力信号を基準信号と比較するように構成され、環境光補償フィードバックループは当該比較に基づく補償電流をトラックアンドホールドユニットへ供給するように構成される第一の増幅ユニットを有する。
【００１３】
本発明は環境光干渉なしにフォトプレチスモグラフィ信号を測定することを提案する。環境光信号は直接若しくは例えばトランスインピーダンスアンプを介してトラックアンドホールドユニットの入力において補償電流を供給することによって拒絶される。補償電流は好適には光源ユニット（例えばフォトプレチスモグラフィ励起ＬＥＤなど）の低デューティサイクル動作と干渉することなく、閉ループを介して制御される。言い換えれば、本発明はアンプの入力において直接補償電流を減算することによって上記問題を克服することを提案する。この電流は環境光電流がＴＩＡに入らないことを保証するフィードバックループを介して制御される。これは上述の問題を取り除く。上記トラックアンドホールドユニットは好適にはトラックアンドホールド回路を有する。トラックアンドホールドユニット、すなわち好適にはトラックアンドホールド回路を利用することによって、本発明は例えばランニング中に発生する際、例えば人工光及び日光などの"ＡＣ類の"環境光によく適している。本明細書で使用される"ＡＣ類の環境光"という語は、例えばランニング中に、（例えばランナーが走りながら自分の腕を周期的に振っているため）環境光強度が変化し、その結果交流電流が光検出器によって観察される結果になることを意味する。交流電流は周期的であり得るが、これは必ずしも当てはまらない。例えばユーザのジャンプによって生じ得る階段状変化もカバーされる。トラックアンドホールド回路は従って、例えば発光ダイオードが可能な限り低いデューティサイクルでパルスされる積分ホールド回路より好ましい。従って、環境光は短い測定期間中に補償のためにその履歴を使用するように選ばれた期間中に積分される。積分ホールド回路は必ずしも長期間にわたって積分しないことが留意される。積分時間は要望通り短く選ばれることができる。しかしながら、積分部分はローパスフィルタ動作を示唆し、従って'ＡＣ類'の環境光にあまり適していない。負のフィードバックループにおける積分動作の使用は、いかなる非ゼロのＤＣ信号も積分によって誤差信号を増加することになるので、ゼロＤＣ誤差を保証することを示唆する。これは誤差が無限増幅においてのみゼロになり得るので、トラックアンドホールドトポロジーでは実現されることができない。本発明の場合、しかしながらゼロＤＣ誤差を持つ必要がない。むしろ、環境光はダイナミックレンジを開放するために可能な限り減衰される。さらに、（好適には常に、すなわち恒久的に）閉じられる環境光補正フィードバックループを提供することによって、信号のトラック部分は常にループ内で取るに足りないほど小さい。ＰＰＧ信号が（特に反射モードＰＰＧセンサにおいて）小さいので、環境光レベルは比較的高くなり得る。電流の環境部分が持続的に減算されなかった場合、上記光検出器ユニットから光を受信するアンプ（例えばトランスインピーダンスアンプなど）は各補正サイクル中に大きな環境光ステップに整定（ｓｅｔｔｌｅ  ｔｏ）しなければならない。本発明の構成において、これは当てはまらない。本発明の実施形態はそれによってＰＰＧセンサ装置に対するダイナミック要件を緩和することを可能にする。ＰＰＧセンサは典型的には少なく���も一つのアンプを利用する。しかしながら、ＰＰＧセンサはフォトダイオードの代わりにフォトトランジスタも使用し得る。フォトトランジスタはゲインを持ち、従ってアンプであるが、それを検出器として見る場合は常にアンプとして明確に目に見えるとは限らない。同じことが内部ゲインを持つ任意の他の光検出器にも当てはまる。
【００１４】
さらなる好適な実施形態において、上記第一の増幅ユニットはトランスコンダクタンスアンプを有する。上記第一の増幅ユニットはトランスコンダクタンスアンプを有するので、トラックアンドホールドユニットの出力信号と基準信号の間の差が好適には上記トランスコンダクタンスアンプを用いて補償電流に変換される。結果として、第二のアンプの入力において既に補償電流を減算することが可能である。さらに好適な実施形態において、上記トランスコンダクタンスアンプはレジスタ及び／又は電圧制御電流源を有する。定義によりトランスコンダクタンスは抵抗の逆数であり、従って電流を電圧で割った、又は言い換えれば電流が電圧に依存する（すなわち電圧制御電流源）次元を持つ。
【００１５】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置は上記第二の増幅ユニットから出力信号を受信するように構成されるアナログデジタル変換器を有する。実際には、現代のＰＰＧ及びＳｐＯ２センサはデジタル処理部が後に続くアナログフロントエンドを持ち、従ってＡＤＣを要する。
【００１６】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置はさらに上記光源ユニットを制御するように構成される光源ドライバユニットを有する。好適には、光源ユニットはパルスＬＥＤを有する。パルスＬＥＤを利用することはバッテリ節約理由及び環境サンプリングのためウェアラブルデバイスにとって好適である。パルスＬＥＤを利用することはさらに環境サンプリングに関して、またＳｐＯ２センサにおけるカラーシーケンシャル理由のためにも医療機器にとって好適である。
【００１７】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置はさらに同期検出器を有する。同期検出器を利用することによって、上記光源ユニットから出力される光信号と同期しない環境光が好適にはキャンセルされ、又は少なくとも抑制される。
【００１８】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置はさらに上記光源ユニットを制御するように構成される光源ドライバユニットを有し、上記同期検出器は当該光源ドライバユニットと同期して動作するように構成される。上記同期検出器と上記光源ドライバユニットを同期して動作させることによって、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置は好適には上記光源ユニットからの光と同期する環境光のみが上記ターゲットからの反射光へのバックグラウンド信号に寄与するように構成される。対照的に、上記光源ユニットから出力される光信号と同期しない光は好適にはキャンセルされ、又は少なくとも抑制される。
【００１９】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置は上記同期検出器から出力信号を受信するように構成されるアナログデジタル変換器を有する。上記同期検出器と組み合わせてアナログデジタル変換器を利用することは以下の理由のため好適である。同期検出器はアナログ又はデジタル領域において実現され得る。これをアナログ領域で用いることは、同期検出（好適にはローパスフィルタを含む）後に帯域幅が必要なもの（例えばおよそ１５Ｈｚ）に制限されること、並びに全ての非同期干渉が除去されているという利点を持つ。これは低速高分解能ＡＤＣが使用されることができることを意味する。ＳＤがデジタル領域でなされる場合、帯域幅要件は（ＬＥＤパルス周波数に依存して）より高くなり、従ってＡＤ変換はより高価及び／又はより不正確になる。さらに、非同期干渉がまだ存在し、ＡＤＣ選択において考慮される必要がある。同期検出器をデジタル領域で実現する利点は、（これがソフトウェアである及び／又はプログラム可能であるため）増大した柔軟性を含み、必要な外部部品が少ないためである。同期検出器をデジタル領域で実現するさらなる利点は、より小さいサイズ及び潜在的により低い電力消費に関する。
【００２０】
さらなる好適な実施形態において、上記同期検出器はローパスフィルタが後に続く同期整流器を有する。さらなる好適な実施形態において、上記同期整流器は信号を＋１又は−１で乗算する。
【００２１】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置はさらに上記基準信号を調節するように構成されるマイクロコントローラを有する。基準信号を調節するための典型的な使用例は例えばＡＤＣ範囲へのオフセット補償若しくはレベルシフトを含む。補正された出力信号は上記基準信号に"ライドオン／オフ"する。これはＬＥＤがオフの場合第二の増幅ユニットの出力が基準信号になることを意味する。ＬＥＤがオンの場合、これはフォトダイオードの方向（すなわち接続）に依存してより高く若しくはより低くなる。基準（０Ｖ）より上に信号をレベルシフトするために０Ｖからの偏差が好適には単一供給回路（例えばバッテリ式デバイスなど）のために選ばれ得る。
【００２２】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置は減算器ユニットを有する。減算器ユニットを利用することによって、上記基準信号と上記トラックアンドホールドユニットからの上記出力信号の間の差が決定されることができる。
【００２３】
さらなる好適な実施形態において、上記光検出器ユニットはフォトダイオード及び／又はトランジスタを有する。
【００２４】
さらなる好適な実施形態において、フォトプレチスモグラフィセンサ装置はさらに補償電流と光検出器出力信号の和を増幅するため、及び増幅信号をトラックアンドホールドユニットの入力へ供給するための、第二の増幅ユニットを有する。第二の増幅ユニットはトランスインピーダンスアンプを有し得る。トランスインピーダンスアンプの標準レイアウトは例えば文献"Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：  Ｏｐ  Ａｍｐ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ"，Ｍｅｇｒａｗ  Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏ（１９９５）ｂｙ  Ｊ．Ｇｒａｅｍｅに見られる。
【００２５】
さらなる好適な実施形態において、上記フォトプレチスモグラフィセンサ装置は上記トランスインピーダンスアンプによって出力される信号を格納するように構成されるサンプルアンドホールド回路をさらに有する。好適には、光源ユニット（例えばＬＥＤなど）はバッテリパワーを節約するために低デューティサイクルで駆動される。これは実際のフォトプレチスモグラフィ信号のサンプリングのために短期間しか利用できないことを意味する。サンプルアンドホールド回路はこの時間を延長する。しかしながら、多くの現代のＡＤＣ（典型的にはサンプリングＡＤＣとよばれる）は既にサンプルアンドホールド部品を含む。従って、サンプルアンドホールド回路を含むことは、例えば既にマイクロコントローラに存在するハードウェアを用いることによってコスト及び／又はスペースを節約するためにＡＤＣの使用を回避することが望まれる場合、利点を提供する。マイクロコントローラを用いて（低速）ＡＤＣを構築するいくつかの既知の可能性がある。一つの可能性はマイクロコントローラのアナログ出力をその電圧比較器と組み合わせて使用することによってＳＡＲ‐ＡＤＣを構築することを参照する。
【００２６】
さらなる好適な実施形態において、上記光源は発光ダイオードを有する。光源の他のタイプは半導体レーザ／ＶＣＳＥＬを含み得る。
【００２７】
さらなる好適な実施形態において、上記同期検出器はデジタルロックインアンプを有する。好適には、同期検出器はローパスフィルタが後に続く同期整流器（例えば±１によって同期して乗算する）として実現され得る。さらに好適には、ロックインアンプは入力信号に同期余弦及び正弦基準（すなわち同相（Ｉ）及び直角位相（Ｑ）成分）を乗算するデバイスの後にローパスフィルタと振幅√Ｉ２＋Ｑ２の計算が続くものに対応し得る。これは計算を含むので、ロックインは好適にはデジタル領域で実現される。さらなる好適な実施形態において、上記同期検出器は上記マイクロコントローラ内に配置される。マイクロコントローラ内に同期検出器を配置することはスペースの理由、低コスト及び低供給電流のために好ましい。好適な実施形態は好適にはアナログ同期検出器実施例において使用される。直交復調を使用しない（すなわちただ一つの同期整流のみが実行される）同期検出器において、測定信号と基準との間の位相シフトは好適には出力におけるＤＣオフセットへ変換される。この位相シフトはほぼ完全に固定される（例えば光速のため、光路長変動の影響は顕著でない）ので、これは基準信号（すなわち好適には基準電圧）を調節することによって補償されることができる。
【００２８】
本発明の第二の態様によれば、以下のステップを有するフォトプレチスモグラフィセンサ法が提供される：
‐光源ユニットによって第一の光信号を生成するステップ；
‐光検出器ユニットによって第二の光信号を観察するステップ、当該第二の光信号はターゲットにおける上記第一の光信号の吸収を示す；
‐上記第二の光信号を観察することに応答して、トラックアンドホールドユニットと増幅ユニットとを有する環境光補償フィードバックループによって光検出器出力信号を受信するステップ；
トラックアンドホールドユニットの出力信号を基準信号と比較するステップ、当該トラックアンドホールドユニットの出力信号は上記光検出器出力信号に基づく；
‐上記比較に基づいて上記トラックアンドホールドユニットへ増幅ユニットによって補償電流を供給するステップ。
【００２９】
本発明の第三の態様によれば、コンピュータプログラムがフォトプレチスモグラフィセンサ装置を制御するコンピュータ上で実行されるときにフォトプレチスモグラフィセンサ装置にフォトプレチスモグラフィセンサ法のステップを実行させるためのコンピュータプログラムコード手段を格納するコンピュータ可読メモリを有するフォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラム製品が提供される。
【００３０】
請求項１のフォトプレチスモグラフィセンサ装置、請求項１３のフォトプレチスモグラフィセンサ法、及び請求項１４のフォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラムは、特に従属請求項に定義される同様の及び／又は同一の好適な実施形態を持つことが理解されるものとする。
【００３１】
本発明の好適な実施形態は従属請求項若しくは上記実施形態と各独立請求項とのいかなる組み合わせでもあり得ることが理解されるものとする。
【００３２】
本発明のこれらの及び他の態様は以降に記載の実施形態から明らかとなりそれらを参照して解明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】フォトプレチスモグラフィの基本原理を図示する。
【図２】フォトプレチスモグラフィセンサ装置の一実施形態を概略的に例示的に示す。
【図３】フォトプレチスモグラフィセンサ装置の別の実施形態を概略的に例示的に示す。
【図４】フォトプレチスモグラフィセンサ法の一実施形態を概略的に例示的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明はフォトプレチスモグラフィセンサ装置、フォトプレチスモグラフィセンサ法、及びフォトプレチスモグラフィセンサコンピュータプログラムに関する。環境光干渉なしにフォトプレチスモグラフィ信号を測定することが提案される。環境光信号はトランスインピーダンスアンプの入力における補償電流の減算によって拒絶される。補償電流はフォトプレチスモグラフィＬＥＤの低デューティサイクル動作と干渉することなく、閉ループを介して制御される。
【００３５】
図１はＰＰＧの基本原理を図示する。ＰＰＧは光学手段によって臓器容積測定を得ることをあらわす。図１に示す実施例１００では、発光ダイオード１１０ａが人の指１２０ａへ向かって光を出力する。光は指１２０ａによって部分的に吸収され部分的に反射される。反射光はフォトダイオード若しくはトランジスタ１３０ａによって観察される。さらに、実施例１００では、発光ダイオード１１０ｂが人の耳たぶ１２０ｂへ向かって光を出力する。光は耳たぶ１２０ｂによって部分的に吸収され部分的に透過される。透過光はフォトダイオード若しくはトランジスタ１３０ｂによって観察される。フォトダイオード若しくはトランジスタ１３０ａ、１３０ｂによって観察される光はターゲット１２０ａ、１２０ｂ内で吸収される光の量を示す。従って観察される光はターゲット構造についての情報を得るために使用されることができる。
【００３６】
図２はフォトプレチスモグラフィセンサ装置２００の一実施形態を概略的に例示的に示す。ＬＥＤ２１０はＬＥＤドライバ２１５によって周期的にオン及びオフにされる。これはパワーを節約するが、ＬＥＤ２１０がオフにされるときに環境光のサンプリングも可能にする。ＬＥＤ２１０によって発せられる光２１０ａは、図示の実施例では人の手首２２０など、組織の方へ向けられる。反射光２２０ａがフォトダイオード２３０によって観察される。反射光２２０ａは付加的にオプション光学フィルタ２２５によってフィルタされ得る。反射光２２０ａに付け加えて、フォトダイオード２３０は環境光２２１からの干渉を観察する。ＬＥＤ２１０がオンにスイッチされる場合、フォトダイオード２３０は従ってＬＥＤ成分ＩＬと環境光成分ＩＡを有する総電流を生成する。
【００３７】
現在のＰＰＧセンサは典型的にはサンプルアンドホールド回路を使用して環境サンプルを'格納'する。従って、一旦ＰＰＧ信号が利用可能になると、格納された環境サンプルに基づいて補正ステップがそれに適用され得る。フォトプレチスモグラフィセンサ装置２００の好適な実施形態では、後で観察信号を補正するためにそれからバックグラウンドレベルが導出される環境サンプルを格納するのではなく、入力から補償電流ＩＡを直接減算することが提案される。閉じた環境光補償フィードバックループ２０１はＴＩＡ２４０の出力が基準電圧ＶＲに対応することを保証する。この手順を維持することによって、ＰＰＧ信号はこのようにＬＥＤ２１０がオンの時も補償される。従って、ＰＰＧ信号がとられるときに環境光補償フィードバックループ２０１を安定させるためにトラックアンドホールド回路２６０を利用することが提案される。
【００３８】
フォトプレチスモグラフィセンサ装置２００は以下の通り記載され得る：
第一の期間中、発光ダイオード２１０がオフになる。トラックアンドホールド回路２６０は"トラックモード"にある。トラックアンドホールド（若しくはサンプルアンドホールド、ＳＨＡ）素子は一定時間アナログ値を格納する。これは従って連続時間信号を離散時間信号へ変換する。積分ホールドは入力自体を格納するのではなく、入力の積分を格納する（積分ホールド素子は積分サンプルアンドホールド素子ともよばれる）。トラックアンドホールド素子では、トラックモードにある間出力が入力に続く。ホールドモードにスイッチされると、最後の入力レベルがホールドされる。積分ホールド素子は積分モード中入力信号を積分し、ホールドモードにスイッチされるときに積分値（入力に等しくない）を格納する。トラックアンドホールド回路２６０の出力は基準電圧ＶＲ（これは例えばゼロ電圧若しくは何らかの他の所望のＤＣ電圧レベルであり得る）と比較される。当該比較から得られる（例えば減算器回路２５５を用いて得られる）差が、その後例えばトランスコンダクタンスアンプ２５０であり得る第一の増幅ユニット２５０を用いて補償電流に変換される。トランスコンダクタンスアンプ２５０は例えばレジスタ若しくは電圧制御電流源であり得るが、任意の他のトランスコンダクタンス増幅手段も同様に適切である。基準電圧ＶＲは例えばマイクロコントローラ２７０によって固定若しくは制御され得る。
【００３９】
時間における第二のインスタンスにおいて、発光ダイオード２１０がオンになる直前、トラックアンドホールド回路２６０は"ホールドモード"にスイッチされる。言い換えれば、最後の入力レベルがホールドされ、トラックモードにおいて"トラックされた"最後のサンプルが出力される。そしてフォトプレチスモグラフィセンサ装置２００内のループが後続期間中に現在の環境レベルを減算する。
【００４０】
上記後続期間中、発光ダイオード２１０がオンになる。従って格納された環境レベルが総電流ＩＬ＋ＩＡから減算される。その結果、干渉する環境光からの電流（すなわちＩＡ）ではなくＰＰＧ信号（すなわちＩＬ）のみが、例えばＴＩＡであり得る第二の増幅ユニット２４０によって増幅される。トランスインピーダンスアンプ２４０から得られる出力ＰＰＧ信号は好適にはオプションのサンプルアンドホールド回路に格納され得る。代替的に及び／又は付加的に、トランスインピーダンスアンプ２４０から得られる出力ＰＰＧ信号はアナログデジタル変換器２８０によって直接変換され得る。
【００４１】
時間における第四のインスタンスにおいて、発光ダイオード２１０が再度オフにスイッチされる。すると結果として得られる設定は、トラックアンドホールド回路２６０を再度"トラックモード"にスイッチし、そして本明細書で上記の通り進行することによってさらなる環境光抑制反復のための開始点とみなされ得る。トラックアンドホールド回路２６０のトラッキング部分のために、環境光補正フィードバックループ２０１は好適には常に閉じられることが留意される。その結果、信号のその部分は常にループ内で取るに足らないほど小さい。すなわち、ＰＰＧ信号は（特に反射モードＰＰＧセンサにおいて）小さいので、環境光レベルは比較的高くなり得る。電流の環境部分ＩＡが持続的に減算されなかった場合、トランスインピーダンスアンプ２４０は各補正サイクル中に大きな環境光ステップへ整定しなければならない。本発明の構成において、これは当てはまらない。本発明の実施形態はそれによってフォトプレチスモグラフィセンサ装置２００に対するダイナミック要件を緩和することを可能にする。
【００４２】
図３はフォトプレチスモグラフィセンサ装置３００の別の実施形態を概略的に例示的に示す。図３に示す素子３ｘｘは図２における類似番号の素子２ｘｘに対応する。図３に示す実施形態では、（例えばトランスインピーダンスアンプ３４０の１／ｆノイズ（すなわちパワースペクトル密度（Ｈｚあたりエネルギー若しくはパワー）がノイズ信号の周波数ｆに反比例するノイズ）、並びにＬＥＤ光３１０ａと同期しない外部干渉などからの）さらなる干渉の拒絶若しくは抑制を可能にするために同期検出器３９０がアナログデジタル変換器３８０の前に置かれる。ＬＥＤ光３１０ａと同期しない外部干渉は、例えば回路のどこかでピックアップされる５０／６０Ｈｚ電力線干渉など、例えば外部電磁電流（すなわち光電流の一部でない）を含み得る。これらの干渉は従って同期検出器３９０によって拒絶され得る。同期検出器３９０は好適にはローパスフィルタが後に続く同期整流器を有する。同期整流器は好適には＋１若しくは−１で信号を乗算する。整流は好適にはＬＥＤ３１０の制御と同期し、この制御はＬＥＤドライバ３１５を用いてなされる。
【００４３】
さらなる好適な実施形態において、同期検出器３９０はマイクロコントローラにおいてデジタルロックインアンプとして実現され得る。
【００４４】
図４はフォトプレチスモグラフィセンサ法４００の一実施形態を概略的に例示的に示す。
【００４５】
ステップ４１０において、第一の光信号２１０ａ、３１０ａが光源ユニットによって生成される。
【００４６】
ステップ４２０において、第二の光信号２２０ａ、３２０ａが光検出器ユニットによって観察され、当該第二の光信号２２０ａ、３２０ａはターゲット２２０、３２０における上記第一の光信号２１０ａ、３１０ａの吸収を示す。
【００４７】
ステップ４３０において、上記第二の光信号２２０ａ、３２０ａを観察することに応答して、トラックアンドホールドユニット（２６０、３６０）及び増幅ユニット（２５０、３５０）を有する環境光補償フィードバックループ（２０１、３０１）によって光検出器出力信号が受信される。
【００４８】
ステップ４４０において、トラックアンドホールドユニット２６０、３６０の出力信号が基準信号ＶＲと比較され、当該トラックアンドホールドユニット２６０、３６０の出力信号は上記光検出器出力信号に基づく。
【００４９】
ステップ４５０において、上記比較に基づいて補償電流が増幅ユニット（２５０、３５０）によってトラックアンドホールドユニット（２６０、３６０）へ供給される。
【００５０】
本発明はフォトプレチスモグラフィセンサにおいて、特に小型で効率的なフォトプレチスモグラフィフロントエンドとして使用されることができる。本発明は例えばＳｐＯ２センサなど、他のパルスオキシメトリセンサでも使用されることができる。
【００５１】
開示の実施形態への他の変更は図面、開示、及び添付の請求項の考察から請求される発明を実施する上で当業者によって理解されもたらされることができる。
【００５２】
請求項において、"有する"という語は他の要素若しくはステップを除外せず、不定冠詞"ａ"若しくは"ａｎ"は複数を除外しない。
【００５３】
単一のユニット若しくはデバイスは請求項に列挙される複数の項目の機能を満たし得る。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実はこれら手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。
【００５４】
上記フォトプレチスモグラフィセンサ法にかかるフォトプレチスモグラフィセンサ装置の決定及び／又は制御はコンピュータプログラムのプログラムコード手段として及び／又は専用ハードウェアとして実現され得る。
【００５５】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に若しくはその一部として供給される光学記憶媒体若しくはソリッドステート媒体などの適切な媒体上に格納／分散され得るが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムなどを介して他の形式で分散されてもよい。
【００５６】
請求項における任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【図１】
0006455994.tif 000002
【図２】
0006455994.tif 000003
【図３】
0006455994.tif 000004
【図４】
0006455994.tif 000005