(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる２つの波長の光を生体組織に照射し、
当該生体組織を透過又は反射した各波長の光を電気信号に変換した２つの測定信号から、脈波信号とアーチファクト信号とに分離するパルスフォトメータの信号処理方法であって、
前記２つの測定信号による測定信号ベクトルを分離マトリクスによって、脈波信号ベク
トルとアーチファクト信号ベクトルとに分離するに際して、前記脈波信号の安定区間のノ
ルム比と、前記アーチファクト区間の下記の式４で示す補正ノルム比とによって分離することを特徴とするパルスフォトメータの信号処理方法。
【数９】
0004831111.tif 000020
【請求項２】
前記分離マトリクスで分離した脈波信号に対して、所定点数の移動平均処理を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスフォトメータの信号処理方法。
【請求項３】
前記請求項１又は２の信号処理方法によって、測定信号を処理することを特徴とするパルスフォトメータ。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載のパルスフォトメータにおける信号処理は、動脈血中の酸素飽和度、特殊ヘモグロビン濃度又は注入色素濃度の内の少なくとも１つを演算することを特徴とするパルスフォトメータ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一つの媒体からほぼ同時に抽出される２つの同種の信号を処理して共通の信号成分を抽出する信号処理に関し、特には医療の分野において、特に循環器系の診断に用いられるパルスフォトメータにおける信号処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一つの媒体からほぼ同時に抽出された２つの信号から信号成分と雑音成分に分離する方法には様々な方法が提案されている。
それらは、一般的には周波数領域や時間領域による処理が行われている。
医療現場でも、光電脈波計と言われる脈波波形や脈拍数を測定する装置、血液に含まれる吸光物質の濃度測定として、酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置、一酸化炭素ヘモグロビンやＭｅｔヘモグロビン等の特殊ヘモグロビンの濃度の測定装置、注入色素濃度の測定装置などがパルスフォトメータとして知られている。
中でも酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置を特にパルスオキシメータと呼んでいる。
【０００３】
パルスフォトメータの原理は、対象物質への吸光性が異なる複数の波長の光を生体組織に透過又は反射させ、その透過光又は反射光の光量を連続的に測定することで得られる脈波データ信号から対象物質の濃度を求めるものである。
そしてその脈波データに雑音が混入すると、正しい濃度の計算が出来ず、誤処置につながる危険が生じる。
パルスフォトメータにおいても従来より雑音を低減するために周波数帯域を分割して信号成分に着目したり、２つの信号の相関を取るなどの方法が提案されてきた。
しかし、これらの方法は解析に時間がかかるなどの問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、特許第３２７０９１７号（特許文献１参照）において、異なる２つの波長の光を生体組織に照射して透過光から得られる２つの脈波信号のそれぞれの大きさを縦軸、横軸としてグラフを描き、その回帰直線を求め、その回帰直線の傾きに基づいて、動脈血中の酸素飽和度ないし吸光物質濃度を求めることを提案している。
この発明により、測定精度を高め、低消費電力化することができた。
しかし、各波長の脈波信号についての多くのサンプリングデータを用いて回帰直線ないしその傾きを求めるためには、なお多くの計算処理を要していた。
【０００５】
更に本出願人は、先願（特許文献２参照）においては、周波数解析を用いてはいるが、その解析においては従来技術のように脈波信号そのものを抽出するのではなく、脈波信号の基本周波数を求め、さらには精度を高めるためにその高調波周波数を用いたフィルタを用いて脈波信号をフィルタリングする方法を提案している。
【０００６】
特に、パルスオキシメータを在宅使用では様々な使われ方が想定され，アーチファクトも多様で、病院で使用するＳｐＯ２より高い耐アーチファクト性が要求される。
アーチファクトが混入すると測定系が乱され，ＳｐＯ２を誤って表示する場合がある。
代表的なアーチファクトとして体動があり、被測定者が装着したプローブが体動で動き，光源と受光面の光学経路が変化したり，生体組織に加わる力で組織が変形する等が原因である。
特に新生児や幼児でアーチファクトの混入が多く、手足の動き、泣きじゃくり、震え、咳等がアーチファクト源となる。
【特許文献１】特許第３２７０９１７号
【特許文献２】特開２００３−１３５４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題（目的）は、手足の動き、泣きじゃくり、震え、咳等の大きなアーチファクトの混入した場合にもより正確なＳｐＯ２の測定が可能となる信号処理方法及びそれを用いたパルスフォトメータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、異なる２つの波長の光を生体組織に照射し、当該生体組織を透過又は反射した各波長の光を電気信号に変換した２つの測定信号から、脈波信号とアーチファクト信号とに分離するパルスフォトメータの信号処理方法であって、
前記２つの測定信号による測定信号ベクトルを分離マトリクスによって、脈波信号ベク
トルとアーチファクト信号ベクトルとに分離するに際して、前記脈波信号の安定区間のノ
ルム比と、前記アーチファクト区間の下記の式４で示す補正ノルム比とによって分離することを特徴とする。
【数９】
0004831111.tif 000002
【０００９】
また、前記分離マトリクスで分離した脈波信号に対して、所定点数の移動平均処理を実
行することを特徴とする。 
【００１０】
前記請求項１又は２の信号処理方法によって、測定信号を処理することを特徴とするパルスフォトメータ。
また、前記請求項１又は２に記載のパルスフォトメータにおける信号処理は、動脈血中の酸素飽和度、特殊ヘモグロビン濃度又は注入色素濃度の内の少なくとも１つを演算することを特徴とするパルスフォトメータ。 
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４の構成によって、手足の動き、泣きじゃくり、震え、咳等の大きなアーチ
ファクトの混入した場合にもより正確信号成分の分離が可能となる信号処理方法及びそれ
を用いたパルスフォトメータを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態を説明するにあたり、動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータを例に挙げて原理を説明する。
なお、本発明の技術は、パルスオキシメータに限られず、特殊ヘモグロビン（一酸化炭素ヘモグロビン、Ｍｅｔヘモグロビンなど）、血中に注入された色素などの血中吸光物質をパルスフォトメトリーの原理を用いて測定する装置(パルスフォトメトリー)に適用できる。
【００１３】
動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータの構成は、概略構成ブロック図である図１のようになっている。
異なる波長の光を発光する発光素子１、２は、交互に発光するように駆動回路３により駆動される。
発光素子１、２に採用する光はそれぞれ動脈血酸素飽和度による影響が少ない赤外光（例えば９４０[nm]）、動脈血酸素飽和度の変化に対する感度が高い赤色光（例えば６６０[nm]）がよい。
【００１４】
これらの発光素子１、２からの発光は生体組織４を透過してフォトダイオード５で受光して電気信号に変換される。
なお、図１では透過光を受光しているが反射光を受光するようにしてもよい。
そして、これらの変換された信号は増幅器６で増幅され、マルチプレクサ７によりそれぞれの光波長に対応したフィルタ８−１、８−２に振り分けられる。
各フィルターに振り分けられた信号はフィルタ８−１、８−２によりフィルタリングされてノイズ成分が低減され、Ａ／Ｄ変換器９によりデジタル化される。
【００１５】
デジタル化された赤外光、赤色光に対応する各信号列が、それぞれの脈波信号を形成している。
デジタル化された各信号列は処理部１０に入力され、ＲＯＭ１２に格納されているプログラムにより処理され、酸素飽和度ＳｐＯ2が測定され、その値が表示部１１に表示される。
【００１６】
先ず、血液中の吸光物質の吸光度（減光度）の変動の測定を図２を用いて説明する。
図２の(a)及び(b)は、前記発光素子１、２からの発光された光が生体組織４を透過してフォトダイオード５で受光して電気信号に変換された脈波データで、(a)は赤色光の場合を、(b)は赤外光を示している。
図２の(a)では、横軸を時間、縦軸を受光出力とすると、フォトダイオード５での受光出力は、赤色光の直流成分（Ｒ’）と脈動成分（ΔＲ’）が重畳された波形となっている。
また、図２の(b)では、横軸を時間、縦軸を受光出力とすると、フォトダイオード５での受光出力は、赤外光の直流成分（ＩＲ’）と脈動成分（ΔＩＲ’）が重畳された波形となっている。
【００１７】
図２の(a)及び(b)の測定波形には、それぞれ体動によるアーチファクト（ノイズ）が含まれていて、そのアーチファクトの周波数成分と信号の周波数成分に共通する周波数帯域が存在するため、アーチファクト成分を除去して信号成分を正確に把握することが困難であった。
【００１８】
図２の例では、アーチファクトは小さいが、以下の説明では、手足の動き、泣きじゃくり、震え、咳等の大きなアーチファクトに相当する大きなアーチファクトを人為的に加えて測定例に基づいて説明する。
【００１９】
図３は、二波長のプローブを健常人男性の指尖に装着して測定した観測信号である。
（ａ）が赤外光（ＩＲ）、（ｂ）が赤色光（Ｒ）である。
波長は、それぞれ波長940nm（赤外光）と660nm（赤色光）である。
図３の上部に示す黒線区間は人為的にアーチファクトを加えたタッピング区間を示し、プローブ装着側の指先で素早く（例えば、３Ｈｚ程度）机面を繰り返し叩く動作を行っている。
【００２０】
図３の例では、赤外光及び赤色光の両方の観測信号とも、アーチファクト区間では脈波は視認できない。
観測信号は各々の直流透過光成分で規格化した後、帯域幅0.5〜5Hz、6次のバタワースフィルタ、サンプリング間隔は16msである。
【００２１】
図４は、図３で示した赤外光と赤色光の観測信号の相関図である。
横軸が赤外光、縦軸が赤色光である。
図４の傾斜は観測信号のアーチファクト区間の赤外光と赤色光のノルム比で与えられ、その傾斜からアーチファクトのノルム比「φN」が分かる。
【００２２】
次に、脈波信号と雑音（アーチファクト信号）とを分離する信号処理について図５を用いて説明する。
図５は、図３の例を信号処理のためのモデル化した図である。
時刻ｔｎにおける脈波信号ｐは、係数1でＩＲ端子に伝達され、Ｒ端子には係数φSで伝達される。
同様に、時刻ｔｎにおけるアーチファクト信号ｎは、係数1でＩＲ端子に伝達され、Ｒ端子には係数φNで伝達される。
φSとφNはそれぞれ、脈波信号のφS：＝Ｒｐ,ｔｎ／ＩＲｐ,ｔｎ、アーチファクト信号のφN ：＝Ｒｎ，ｔｎ／ＩＲｎ，ｔｎである。
観測時刻をｔｎ：ｔｎ＋ｋに拡張すれば ｐ，ｎ，ＩＲ，Ｒはベクトルになる。
【００２３】
【数１】
0004831111.tif 000003
【数２】
0004831111.tif 000004
【００２４】
以降、太字はベクトルとする。
添え字pulseは脈波の安定区間を表し、添え字noiseはアーチファクト区間を示す。
脈波の安定区間とアーチファクト区間は、時刻も区間長も異なる。
【００２５】
【数１】
0004831111.tif 000005
【数２】
0004831111.tif 000006
【００２６】
次に、脈波信号（pulse）の振幅とアーチファクト信号（Artifact）の振幅の関係を変化させた３種類のシミュレーションを行った結果を図６に示す。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で、横軸はＩＲ信号、縦軸はＲ信号である。
シミューレーションは、脈波を鋸歯状波、アーチファクトを正弦波とした。
脈波信号の振幅とアーチファクト信号の振幅の関係は、図６（ａ）では、脈波信号（pulse）の振幅とアーチファクト信号（Artifact）の振幅は、それぞれ、（０．２５：０．７５）である。
図６（ｂ）では、脈波信号（pulse）の振幅とアーチファクト信号（Artifact）の振幅は、それぞれ、（０．３３：０．６６）である。
図６（ｃ）では、脈波信号（pulse）の振幅とアーチファクト信号（Artifact）の振幅は、それぞれ、（０．５：０．５）である。
前記数１で示すノルム比φS＝０．５５で、前記数２で示すノルム比の真値
【数３】
0004831111.tif 000007
【００２７】
は１である。
図６の（ａ）〜（ｃ）に示した相関図はいずれも平行四辺形で、アーチファクト  ＞  脈波であれば、短辺の傾斜がφSに一致し、長辺の傾斜がφNに一致する。
アーチファクト  ＜  脈波であれば、逆で、長辺の傾斜がφSに一致し、短辺の傾斜がφNに一致する。
【００２８】
図６（ａ）〜（ｃ）の相関図上の点線は、観測信号の「ノルム比」である、「φN」の傾斜で、実線は本発明で提案する後述の「補正ノルム比」である、
【数４】
0004831111.tif 000008
【００２９】
の傾斜を示している。
前記補正ノルム比が平行四辺形の長辺の傾斜である「ノルム比の真値」、
【数３】
0004831111.tif 000009
【００３０】
と一致している。
脈波とアーチファクトの振幅が近づくに連れて、順に「ノルム比」と「ノルム比の真値」との乖離が増えていることが判る。
【００３１】
次に、脈波信号とアーチファクト信号のノルム比による分離について説明する。
観測信号ベクトル［ＩＲ  Ｒ］Ｔ  を分離マトリクスＳによって脈波信号ベクトルｐとアーチファクト信号ベクトルｎに分離する。
肩の「Ｔ」は転置を表している。
【００３２】
下記の式（１）から混合マトリクスＭは、「φS」と「φN」を定めれば決定する。
分離マトリクスＳは、式（２）に示すＭの逆マトリクスである。
ここで、「φS」は、脈波の安定区間における観測信号のノルム比である。
残る、「φN」を推定できれば［１  φS］Ｔ  と［１  φN］Ｔ を基底ベクトルとするＭが定まる。
【数５】
0004831111.tif 000010
【００３３】
とした。Ｓ＝Ｍ−１  でも良い。
「φN」はアーチファクト区間における観測信号のノルム比である。
なお、脈波の安定区間では「φNｐｕｌｓｅ」＝１とした。
【数６】
0004831111.tif 000011
【００３４】
ここで、||     ||２は、２次元ユークリッドノルムを表している。添字pulse＝ｔl：l＋ｎ  noise＝ｔｊ：ｊ＋ｋは、それぞれ脈波の安定区間とアーチファクト区間を示す。
脈波と安定区間とアーチファクト区間で、時刻とサンプル数が相違している。
ノルム比から「φS」，「φN」を求める利点は、ユークリッドノルムの定義から散発的な雑音に対して堅固であることにある。
【００３５】
観測信号は、傾きがそれぞれ異なる脈波ベクトルと、アーチファクトベクトルの合成ベクトルである。
したがって、アーチファクト区間でも、脈波が重畳していることが原因で、
【数２】
0004831111.tif 000012
【００３６】
とノルム比の真値である、
【数３】
0004831111.tif 000013
【００３７】
が乖離する。
そこで、本発明では、乖離を補正する手段として、「補正ノルム比」
【数４】
0004831111.tif 000014
【００３８】
を提案する。
この補正方法は、アーチファクト区間に重畳した脈波が安定区間の振幅と同じであることを前提としている。
補正は、以下の式（４）で行う。
【数４】
0004831111.tif 000015
【００３９】
をアーチファクト区間の「補正ノルム比」、「φN」を同区間のノルム比と称する。
アーチファクト区間では、脈波信号は埋もれて観測困難な場合が多い。
そこで、脈波信号の安定区間でノルムをとり、
【数７】
0004831111.tif 000016
【００４０】
を脈波振幅とする。
アーチファクト信号の振幅は、アーチファクト区間のノルム
【数８】
0004831111.tif 000017
【００４１】
である。
ここで、、脈波区間とアーチファクト区間のサンプル点数が異なっているので、それぞれの区間のサンプル点数の平方根で除している。
絶対値は、アーチファクト以外の観測雑音で根号内が負になることを考慮している。
【数９】
0004831111.tif 000018
【００４２】
本発明の「補正ノルム比」を用いることによって観測信号を分離マトリクスＳによって分離した結果を図７を用いて説明する。
図７は、観測信号を分離マトリクスＳによって分離した波形を示す図である。
図７のサンプリング間隔は１６ms  、フィルタは帯域幅０．５〜５Hz，６次のバタワースフィルタである。
図７の波形の上部の横線はアーチファクト区間を示している。
図７（ａ）は、「ノルム比」と「φS」で分離した脈波を示し、図７（ｂ）は、前記「補正ノルム比」と「φS」とで分離した脈波である。
【００４３】
前者では、大振幅の針状アーチファクトが目立つ。
後者では、脈波を明瞭に視認でき、特に、２０秒以降での脈波がより明瞭に分離されている。
一方、１２．５秒〜１８．５秒の区間では、アーチファクトが増加している。
【００４４】
図８は、図３に示す観測信号を分離マトリクスＳで分離した脈波にさらにアーチファクト区間に対し１７点の移動平均を行った結果を示す図である。
図８（ａ）は、「ノルム比」と「φS」で分離した脈波を示し、図８（ｂ）は、前記「補正ノルム比」と「φS」とで分離した脈波である。
「補正ノルム比」による分離が、ノルム比「φN」による分離に比較して、大振幅の針状アーチファクトが減っていることが分かる。
「補正ノルム比」による分離では、１７〜２３秒の区間でアーチファクトが減少し、スムースな脈波形状を示している。また、３０〜３５秒の区間でも、「補正ノルム比」による分離でスムースな脈波形状を示している。
【００４５】
脈波とアーチファクトは独立と考えられるので、分離が適切であれば、相関図は四角形か長方形に近づく。
図９は分離後の相関を示す図である。
図９（ａ）は「ノルム比」と「φｓ」で分離した脈波とアーチファクトの相関関係、（ｂ）は「補正ノルム比」と「φｓ」で分離した脈波とアーチファクトの相関関係、（ｃ）は「ノルム比」と「φｓ」で分離後脈波を１７点の移動平均を行った脈波とアーチファクトの相関関係、（ｄ）は「補正ノルム比」と「φｓ」で分離後脈波を１７点の移動平均を行った脈波とアーチファクトの相関関係を示す。（ａ）より（ｂ）、（ｃ）より（ｄ）が適切に分離されていることが分かる。
【００４６】
観測では、「ノルム比の真値」は不明であるので、「補正ノルム比」が「ノルムの真値」にどの程度近づけたか分からない。
そこで、「補正ノルム比」で分離した結果を以下の式（６）の評価関数Ｈにより評価する。［Σ］は分離した脈波ベクトルｐとアーチファクトベクトルｎの分散共分散マトリクスである。
Ｈは、trace［Σ］と対角要素２Σ１２  の絶対値の比である。
補正が適切であれば、［Σ］は対角マトリクスに近ずく。Ｈの値が小さいほどｐとｎの独立性が高い。
【数１０】
0004831111.tif 000019
【００４７】
図１０に上記評価関数Hで脈波とアーチファクトの分離の良さを評価した結果を示す。  図１０の上段は「ノルム比」で分離をした場合で、下段は、「補正ノルム比」で分離をした場合である。
それぞれの場合で、フィルタ帯域幅０．５〜５Hz，６次のバタワースフィルタの場合と、当該フィルタの処理後に１７点の移動平均を行った場合の評価結果を示している。
「補正ノルム比」で分離した方が、Ｈ＝０．００４２とＨ＝０．０４９２と小さい値となって対角性が改善されていることが分かる    
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータの構成ブロック図である。
【図２】血液中の吸光物質の吸光度（減光度）の変動の測定例を示す図である。
【図３】二波長のプローブを健常人男性の指尖に装着して、人為的にアーチファクトを混入させて測定した観測信号である。
【図４】図３で示した赤外光と赤色光の観測信号の相関を示す図である。
【図５】図３の例を信号処理のためにモデル化した図である。
【図６】脈波信号（pulse）の振幅とアーチファクト信号（Artifact）の振幅の関係を変化させた３種類のシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図７】観測信号を分離マトリクスＳによって分離した波形を示す図である。
【図８】図３に示す観測信号を分離マトリクスＳで分離した脈波に１７点の移動平均を行った結果を示す図である。
【図９】分離後の相関を示す図である。
【図１０】評価関数Hで脈波とアーチファクトの分離の良さを評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 発光素子
２ 発光素子
３ 駆動回路
４ 生体組織
５ フォトダイオード
６ 変換器
７ マルチプレクサ
８ フィルタ
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 処理部
１１ 表示部
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
【図１】
0004831111.tif 000021
【図２】
0004831111.tif 000022
【図３】
0004831111.tif 000023
【図４】
0004831111.tif 000024
【図５】
0004831111.tif 000025
【図６】
0004831111.tif 000026
【図７】
0004831111.tif 000027
【図８】
0004831111.tif 000028
【図９】
0004831111.tif 000029
【図１０】
0004831111.tif 000030