(57)【要約】信号成分プロセッサは、基礎関数を生成し、センサの信号に関する少なくとも１つの基礎関数を特定して、生理測定値を計算する。また、信号成分プロセッサは、酸素飽和度を直接計算するものであり、ロバストな酸素飽和度を計算するパルスオキシメトリに適用することが好ましい。特に、信号成分変換値は、得られた脈拍数を中心とするウインドウ内で計算される。信号成分変換には、正弦波基礎関数を利用するのがよく、信号成分変換の最適化は、特定の周波数又は１セットの周波数で行うのがよい。正弦波形成、又はその周波数又は周波数のセットにおける波形形成は、センサの信号の赤色光成分と赤外光成分を選択するために生成され、酸素飽和度は、これらの成分のマグニチュードの比に基づいて計算される。【選択図】図４
2004531342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理信号と、
該生理信号によって決定された基礎関数インデックスと、
該基礎関数インデックスに従って生成された基礎関数波形と、
前記生理信号及び前記基礎関数波形によって導かれた信号成分と、
該信号成分に対応する生理測定値とを含んで構成されていることを特徴とする信号成分プロセッサ。
【請求項２】
前記信号成分が、前記生理信号と前記波形の内積に対応していることを特徴とする請求項１に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項３】
前記インデックスが周波数であり、
前記波形が、前記周波数において正弦波であることを特徴とする請求項１に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項４】
さらに、前記生理信号から求められる脈拍数推定値を含み、
前記周波数が、前記脈拍数推定値を含むウインドウから選択されることを特徴とする請求項３に記載に信号成分プロセッサ。
【請求項５】
前記生理測定値が、前記信号成分のマグニチュードに対応する酸素飽和度であることを特徴とする請求項３に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項６】
入力信号と、
該入力信号から導かれた基礎関数インジケータと、
該インジケータに従って生成された複数の基礎関数と、
前記基礎関数に対応する前記入力信号の複数の特性と、
少なくとも１つの前記基礎関数を特定するための前記複数の特性の最適化とを含んで構成されていることを特徴とする信号成分プロセッサ。
【請求項７】
前記インジケータが、脈拍数推定値であり、
前記信号成分プロセッサが、さらに、
前記脈拍数推定値を含むように構成されたウインドウと、
該ウインドウ内から選択された複数の周波数とを含むことを特徴とする請求項６に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項８】
前記特性が、
前記基礎関数に対応する複数の信号のリマインダと、
前記信号のリマインダに関する複数のマグニチュードとを含み、
前記最適化が、前記マグニチュードの最低値を含むことを特徴とする請求項６に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項９】
前記特性が、
前記基礎関数に対応する複数の信号成分と、
前記信号成分の複数のマグニチュードとを含み、
前記最適化が、前記マグニチュードの最大値を含むことを特徴とする請求項７に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項１０】
センサの信号を受信するステップと、
脈拍数の推定値を計算するステップと、
前記推定された脈拍数に近似する前記センサの信号の最適化を決定するステップと、
前記最適化に対応する周波数を定義するステップと、
前記周波数において、前記センサの信号成分に対応する生理測定値を出力するステップとを含むことを特徴とする信号成分プロセッシング方法。
【請求項１１】
前記決定するステップが、
前記センサの信号を、前記推定された脈拍数を含む周波数スペクトルに変換するサブステップと、
前記周波数の前記スペクトル指示の極値を検出するサブステップとを含むことを特徴とする請求項１０に記載の信号成分プロセッシング方法。
【請求項１２】
前記変換するサブステップが、さらに
前記推定された脈拍数を含むウインドウを画定するサブステップと、
前記ウインドウ内で選択された複数の周波数を定義するサブステップと、
前記センサの信号から、前記選択された複数の周波数を個別にキャンセルし、複数のリメインダ信号を生成するザブステップと、
前記複数のリメインダ信号のマグニチュードを計算するステップとを含むことを特徴とする請求項１１に記載の信号成分プロセシンッグ方法。
【請求項１３】
前記検出するサブステップが、前記マグニチュードの最小値の位置を決めるサブステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の信号成分プロセッシング方法。
【請求項１４】
前記出力するステップが、
前記センサの信号の赤色光（ＲＤ）部及び赤外光（ＩＲ）部を受信するサブステップと、
前記周波数に対応する、前記ＲＤ部のＲＤ成分及び前記ＩＲ部のＩＲ成分を取り出すサブステップと、
前記ＲＤ成分と前記ＩＲ成分のマグニチュードの比に基づいて、酸素飽和度を計算するサブステップとを含むことを特徴とする信号成分プロセッシング方法。
【請求項１５】
前記取り出すサブステップが、
前記周波数における正弦波波形を生成するサブステップと、
前記波形を利用して前記ＲＤ成分及び前記ＩＲ成分を選択するサブステップとを含むことを特徴とする請求項１４に記載の信号成分プロセッシング方法。
【請求項１６】
前記選択するサブステップが、
前記波形と前記ＲＤ部との間の内積、及び前記波形と前記ＩＲ部との間の内積を計算するサブステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の信号成分プロセッシング方法。
【請求項１７】
前記選択するサブステップが、
前記ＲＤ部及び前記ＩＲ部から前記波形をキャンセルし、前記ＲＤのリメインダ及びＩＲのリメインダを残すサブステップと、
前記ＲＤ部から前記ＲＤのリメインダを差し引き、前記ＩＲ部から前記ＩＲのリメインダを差し引くサブステップとを含むことを特徴とする信号成分プロセッシング方法。
【請求項１８】
脈拍数推定値及びセンサの信号から最適な周波数を求める第1の計算手段と、
前記周波数におけるセンサの信号成分に対応する生理測定値を得るための第２の計算手段とを含んで構成されていることを特徴とする信号成分プロセッサ。
【請求項１９】
前記第１の計算手段が、
前記脈拍数推定値を含むウインドウ内で、複数の選択された周波数に対応する複数の信号値を決定する、信号成分変換手段と、
前記センサの信号の最適化に対応する前記選択された周波数のうち、１つの特定な周波数を決定するための検出手段とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の信号成分プロセッサ。
【請求項２０】
前記第２の計算手段が、
前記周波数において正弦波信号を生成する波形生成手段と、
前記正弦波信号を基に、前記センサの信号成分を決定する周波数選択手段と、
前記信号成分に対応する比を求める計算手段とを含むことを特徴とする請求項１９に記載の信号成分プロセッサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
人体では酸素が十分に供給されない場合脳にダメージが生じ、ものの数分で死に至る可能性がある。したがって、危機的な状態、外科的な応用などの医療分野では、血液の酸素濃度が低いことを早期に検出することが、極めて重要である。
【０００２】
パルスオキシメトリ（酸素濃度測定）は、動脈血の酸素飽和度を測定し、酸素供給の指針を与えるものとして、広く受け容れられている非侵襲的測定法である。パルスオキシメータ（酸素濃度計）は、通常患者の酸素飽和度と脈拍数を、数字で読み取る計器である。このパルスオキシメトリシステムは、患者に接触するセンサと、モニタと、センサとモニタとを接続するケーブルで構成されている。
【０００３】
従来、パルスオキシメトリセンサには、赤色光（ＲＤ）と赤外光（ＩＲ）とを放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）エミッタ、及びフォトダイオード検出器の両方が用いられている。このパルスオキシメータによる測定は、センサから放射された２つの波長の光が、動脈血で吸収されることに基づいている。パルスオキシメータでは、ＲＤセンサエミッタとＩＲセンサエミッタとが交互に作動し、放射されたＲＤ又はＩＲに対するセンサの信号が読み取られる。読み取られる信号は、検出されたＲＤとＩＲの強度に比例するフォトダイオードで発生した電流値であり、この測定法は、動脈血の酸素飽和度を求めるための方法として、この技術分野ではよく知られている。
【０００４】
パルスオキシメータは、センサを制御し、センサからの信号を処理し、患者の血液の酸素飽和度と脈拍数を表示するための回路を備えている。
【発明の開示】
【０００５】
図１Ａは、プレチスモグラフ(Plethysmograph：容積脈拍計)の波形１１０を示すグラフであり、この波形は、横軸１０２の時間経過に対する縦軸１０１の血液量によって表示されている。プレチスモグラフの波形１１０の形は、心拍動容量、圧力勾配、動脈の弾性及び末梢抵抗の関数である。理想的には、波形１１０は、心室収縮の間の時間が短く、急勾配の流入フェーズ１１１に続き、通常それより３〜４倍長い心臓拡張の間の流出フェーズ１１２を示す。一般に、ディクロティックノッチ(dicrotic notch：重複切痕)１１６は、心室収縮の終わりに大動脈弁の閉塞によって生じるものと考えられている。
【０００６】
図１Ｂは、上記の波形に対応するＲＤセンサ又はＩＲセンサの信号ｓ（ｔ）１３０を示すグラフである。通常のプレスチモグラフで得られる波形１１０（図１Ａ参照）は、血液量に関する関数であり、光吸収プロフィールを示している。しかし、パルスオキシメータは、直接光の吸収を検出するものではないので、直接プレスチモグラフの波形１１０を測定するものではない。ただし、ＩＲセンサ又はＲＤセンサの信号は、波形１１０と１８０°位相を異にするものである。すなわち、ピークが検出された強度１３４は、最小吸収１１４で発生し、最小値が検出された強度１３８は、最大吸収１１８で発生する。
【０００７】
図１Ｃは、信号ｓ（ｔ）に対応するスペクトルを示すグラフであり、横軸１０６の周波数に対する縦軸１０５の信号スペクトル強度｜Ｓ（ω）｜の関係が表示されている。プレスチモグラフのスペクトルには、高品位と低品位の両方の条件に対応する高品位の信号１５０と低品位の信号１６０が表示されている。パルスオキシメータのセンサの信号が、動きの影響や雑音の影響を受けると、低品位の信号になる。
【０００８】
本発明の譲受人に譲渡され、本明細書に参考文献として引用されている、米国特許第5,632,272号に記載されているような信号処理技術は、患者の動きやその他の低品位の信号条件下であっても、パルスオキシメトリが正常に機能するようになっている。プレスチモグラフのエネルギは、脈拍基本周波数１７２に集中し、高調波周波数１７４、１７６と関係を有していることが理想的である。その場合、動きや雑音の影響を軽減することが可能であり、パルスオキシメトリ測定は、脈拍数に関係しないセンサからの信号周波数をフィルタリングすることによって向上させることができる。
【０００９】
しかし、信号品位が低い条件下では、周波数スペクトルが悪影響を受け、脈拍の基本周波１５２と高調波１５４、１５６とが曖昧になるか又はマスクされ、計算される脈拍数に誤差が生じるという結果になる。さらに、脈拍数は、測定時期が異なると、著しく変化する可能性があり、生理的に動的である。
【００１０】
したがって、プレスチモグラフの最大エネルギは、信号品位が高い条件や安定した脈拍数の場合以外は、計算される脈拍数に対応しない可能性がある。さらに、ノルマライズされた赤色光と赤外光との比などの光学的密度比から計算される、脈拍数に関係する酸素飽和値は、計算される脈拍数の誤差に対して敏感な可能性がある。したがって、酸素飽和度測定のロバストさ(robustness)を高めるために、最大信号エネルギなどの最適化に対応するセンサの信号成分を識別することによって、測定される脈拍数の精度を改善することが望ましい。
【００１１】
本発明に係る信号成分プロセッサの1つは、生理信号、信号によって決定される基礎関数インデックス、前記インデックスに応じて生成される基礎関数波形、センサからの信号と前記波形によって求められる信号成分、及び該信号成分に対応する生理測定値を含んでいる。1つの実施の形態では、前記信号成分が、前記センサの信号と前記波形の内積に対応している。別の実施の形態では、前記インデックスが周波数であり、前記周波数の波形が正弦波(sinusoid)である。
【００１２】
上記の実施の形態において、信号成分プロセッサは、周波数が脈拍数推定を含むウインドウから選択される信号から求められる脈拍数推定値を、さらに含んでいてもよい。前記生理測定値は、前記信号成分のマグニチュードに対応する酸素飽和度であってもよい。
【００１３】
本発明に係る別の信号成分プロセッサは、信号入力、該信号入力から導かれる基礎関数インジケータ、該インジケータに従って生成される複数の基礎関数、前記基礎関数に対応する前記信号入力の複数の特性、及び前記特性の最適化を含み、前記基礎関数のうちの少なくとも１つを特定するものである。1つの実施の形態では、前記インジケータが脈拍数推定値であり、前記プロセッサが、脈拍数推定値と、ウインドウ内で選択された複数の周波数とを含むように構成されたウインドウを、さらに備えている。
【００１４】
別の実施の形態では、特性が、前記基礎関数に対応する複数の信号リメインダと、前記複数の信号リメインダのマグニチュードとを含んでいる。上記の実施の形態では、前記最適化には、前記マグニチュードの最小値を含んでいる。さらに別の実施の形態では、前記特性が、基礎関数に対応する複数の信号成分及びそれらの信号成分に関する複数のマグニチュードを含んでいる。この実施の形態では、最適化がマグニチュードの最大値を含んでいる。
【００１５】
信号成分のプロセッシング方法は、センサの信号を受信するステップと、脈拍数の推定値を計算するステップと、推定された脈拍数に近似するセンサの信号の最適化を決定するステップと、最適化に対応する周波数を定義するステップと、前記周波数において、センサの信号成分に対応する生理測定値を出力するステップとを含んでいる。1つの実施の形態では、決定するステップが、前記センサの信号を、前記推定された脈拍数を含む周波数スペクトルに変換するサブステップと、前記周波数のスペクトル指示の極値を検出するサブステップとを含んでいる。
【００１６】
前記変換するサブステップは、さらに、推定された脈拍数を含むウインドウを画定するサブステップと、前記ウインドウ内で選択された複数の周波数を定義するサブステップと、前記センサの信号から個別に前記選択された周波数をキャンセルし、複数のリメインダ信号を生成するするサブステップと、前記複数のリメインダ信号のマグニチュードを計算するサブステップとを含んでいてもよい。また、前記検出するステップは、マグニチュードの最小値の位置を決めるサブステップを含んでいてもよい。
【００１７】
別の実施の形態では、センサの信号の赤色（ＲＤ）部及び赤外（ＩＲ）部を入力するサブステップと、前記周波数に対応する前記ＲＤ部のＲＤ成分及びＩＲ部のＩＲ成分を取り出すサブステップと、ＲＤ成分とＩＲ成分のマグニチュードの比に基づいて、酸素飽和度を計算するサブステップとを含んでいる。前記取り出すサブステップは、さらに、前記周波数において正弦波波形を生成するサブステップと、前記波形を利用して前記ＲＤ成分及びＩＲ成分を選択するサブステップとを含んでいてもよい。
【００１８】
前記選択するサブステップは、さらに、前記波形と前記ＲＤ部との間の内積及び前記波形と前記ＩＲ部との間の内積を計算するサブステップを含んでいてもよい。前記選択するサブステップは、さらに、ＲＤ部及びＩＲ部から波形をキャンセルして、ＲＤのリメインダ及びＩＲのリメインダを残すサブステップと、ＲＤ部からＲＤのリメインダを差し引き、ＩＲ部からＩＲのリメインダを差し引くサブステップとを含んでいてもよい。
【００１９】
さらに別の信号成分プロセッサは、脈拍数推定値及びセンサの信号を基に、最適化周波数を求めるための第1の計算手段と、前記周波数におけるセンサの信号成分に対応する生理測定値を求めるための第２の計算手段とを含んでいる。
【００２０】
1つの実施の形態では、前記第1の計算手段が、前記脈拍数推定値を含むウインドウ内で、複数の選択された周波数に対応する複数の信号値を決定するための信号成分変換手段と、前記センサの信号の最適化に対応する選択された周波数のうち、１つの特定な周波数を決定するための検出手段とを含んでいる。前記第２の計算手段は、前記周波数における正弦波信号を生成するための波形生成手段と、前記正弦波信号を基に前記センサの信号成分を決定するための周波数選択手段と、前記信号成分に対応する比を求めるための計算手段とを含んでいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図２及び図３は、信号成分を処理する例を示すグラフである。信号成分の処理は、脈拍数に基づいて、飽和度を直接的に計算する方法を提供するものであることが好ましい。例えば、全体の周波数スペクトルを導くＦＦＴ（高速フーリエ変換）などの周波数変換の計算を行う必要はない。むしろ、信号成分の処理は、より詳細に以下に説明するように、特定の信号成分を１つだけ選び出し、さらに、脈拍数に基づく飽和度の計算を改良する方法に関するもので、その方法が提供されるものであることが好ましい。
【００２２】
図２は、図１Ｃに関して説明した、センサの高品位の信号スペクトル１５０と、低品位の信号スペクトル１６０とを示すグラフである。周波数ウインドウ２２０が設定され、そこには、脈拍数推定値ＰＲ２１０が含まれる。脈拍数の推定は、本発明の譲受人に譲渡され、本明細書に参考文献として引用されている、「信号処理装置及び方法」という名称の米国特許第6,002,952号公報に開示されている方法によって計算することができる。最適な信号の周波数成分ｆ0に対応するウインドウ２２０内で、探査が行われる。特に、ＰＲ２１０を含む選択された周波数２３０が、ウインドウ２２０内で画定される。次に、これらの周波数２３０のそれぞれにおける信号ｓ（ｔ）の成分に対して、エネルギ、パワーまたは他の信号特性の極値に関する最適な指示値が調査される。別の実施の形態では、信号ｓ（ｔ）の成分が、ウインドウ２２０内の連続した周波数範囲において、最適化(optimization)に関して調査される。
【００２３】
図３は、図２に示したグラフの一部を拡大して示すグラフである。高品位の信号スペクトル１５０と低品位の信号スペクトル１６０に重ねて表示されているのは、信号成分変換値３１０である。
【００２４】
１つの実施の形態では、信号成分変換値３１０は、センサ信号のエネルギの指示値であり、ウインドウ２２０内で選択された信号の周波数２３０を基に計算される。信号成分変換値３１０には極値３２０があり、この極値３２０は、本実施の形態では、選択された周波数２３０のうちの特定な１つの周波数３３０に対応するエネルギの最適化を示す。極値３２０は、例えば、最大値、最小値又は変曲点である。また、説明する本実施の形態では、変換値３１０の各点は、選択された周波数の１つでセンサの信号成分をキャンセルした後に残った信号（リメインダ信号）のマグニチュード(magnitude)である。図３に示した極値３２０は最小値であり、この最小値は、その極値に対応する周波数３３０をキャンセルすることは、最も大きな信号エネルギを取り除くことを示している。
【００２５】
図示していないが、別の実施の形態では、変換値３１０は、選択された周波数２３０のそれぞれで、信号成分のマグニチュードとして計算される。その実施の形態では、極値は最大値であり、その最大値は、対応する周波数でエネルギ信号が最も大きい。信号成分の変換結果によって、信号成分変換値３１０の極値３２０の周波数を基に、周波数ｆ0３３０が特定される。次に、周波数ｆ0３３０が、酸素飽和度の計算に用いられる。
【００２６】
図４〜図８を参照して、信号成分の変換と対応する酸素飽和度の計算を詳細に説明する。信号成分の処理については、脈拍数推定値ＰＲを含むウインドウ内で特定の周波数を識別することに関連して、上記のように説明したとおりである。一方、同様の手順によって、２ＰＲ、３ＰＲなどに関する処理を実行することが可能であり、複数の周波数ｆ01、ｆ02などが識別され、それらの値を、同様に、酸素飽和度の計算に使用することができる。
【００２７】
信号成分変換値３１０には、これらの周波数の数又は間隔は無制限であり、選択された任意のセットに対して計算することができるという利点がある。このように、信号成分変換値３１０は、フーリエ変換ＦＦＴや、その他の標準的な周波数変換とは相違している。例えば、ＦＦＴは、ｆs／Ｎの解像度の間隔で、Ｎが均等に分散した周波数に限定されている。ここで、Ｎは信号のサンプル数であり、fsはサンプリング周波数である。すなわち、高速フーリエ変換に関しては、比較的高いサンプリング速度、比較的大きいレコード長さ又はその両者が、周波数に対する比較的高い解像度を達成するのに必要である。
【００２８】
ここで説明されている信号成分の処理には、そのような制限がない。さらに、信号成分変換値３１０は、対象とする周波数範囲だけについて計算すればよい。ＦＦＴやそれに類した周波数変換は、その変換が、部分的には、サンプリング周波数ｆsによって決定される範囲内で、すべての周波数に対して計算されるので、信号成分処理より、計算に対する負荷が大きい。
【００２９】
図４〜図７は、１つの実施の形態に係る信号成分プロセッサを示すブロック図である。図４は、信号成分プロセッサ４００に係るトップレベルの機能的構成を示すブロック図である。この信号成分プロセッサ４００は、周波数計算器４１０と飽和度計算器４６０とを備えている。周波数計算器４１０には、ＩＲ信号４０２及び脈拍数推定値であるＰＲ信号４０８が入力され、周波数計算器４１０から、信号の周波数成分ｆ0信号４１２が出力される。周波数計算器４１０は、ＰＲ信号４０８に基づいて信号成分変換を実行して、図２〜図３に示したように、出力するｆ0信号４１２を決定する。図５を参照し、周波数計算器４１０を、さらに詳細に説明する。
【００３０】
別の実施の形態では、周波数計算器４１０は、ＩＲ信号４０２に置き換えられるか、又はＩＲ信号４０２に追加されたＲＤ信号に基づいて、ｆ0信号４１２を決定する。同様に、当業者であれば、ｆ0が、様々なセンサの波長に対応する１つ以上の入力に基づいて、周波数計算器４１０で決定されることを認識することができるであろう。
【００３１】
飽和度計算器４６０には、ＩＲ信号４０２、ＲＤ信号４０４、信号の周波数成分ｆ0信号４１２が入力され、飽和度計算器４６０から酸素飽和度ＳＡＴf0４６２が出力される。図６に示されているように、飽和度計算器４６０は、信号の周波数成分ｆ0信号４１２におけるＩＲ信号４０２の入力値とＲＤ信号４０４の入力値を決定して、ＳＡＴf0４６２を決定するために、それらの値の比を計算する。ＩＲ信号４０２とＲＤ信号４０４の入力値は、次の（１）式のように表すことができる。
【００３２】
【数１】
2004531342.tif 000003
ここで、Ｎはそれぞれの信号入力のサンプル数である。
【００３３】
図５に、１つの実施の形態に係る周波数計算器４１０のブロック図を示した。この特定の実施の形態では、周波数計算器４１０の機能的構成は、ウインドウ生成部５２０、周波数キャンセル部５４０、マグニチュード計算部５６０、及び最小値決定部５８０で構成されている。ウインドウ生成部５２０、周波数キャンセル部５４０、及びマグニチュード計算部５６０は、図３を参照して説明したように、信号成分の変換値３１０（図３参照）を作成するために組み込まれている。最小値決定部５８０は、信号成分変換値の極値３２０（図３参照）の位置を決定する。この極値３２０は、ｆ0信号４１２を特定するものであり、すでに図３に示した。
【００３４】
図５に示したように、ウインドウ生成部５２０にはＰＲ信号４０８が入力され、ウインドウ生成部５２０は、１セットの選択された周波数２３０（下記（２）式）が含まれるＰＲ２１０に関するウインドウ２２０を画定する（図３参照）。
【００３５】
【数２】
2004531342.tif 000004
ここで、Ｍはウインドウ２２０内で選択された周波数２３０の数である（図３参照）。
【００３６】
ウインドウ生成部５２０は、正弦波信号Ｘf、Ｙf５２２を出力する。これらの信号は、１セットの正弦波形Ｘn,f、Ｙn,f５２２であり、それぞれが、選択された周波数２３０のセット内の１つに対応している。特に、Ｘf、Ｙfは、（３ａ）式、（３ｂ）式によって表される。
【００３７】
【数３】
2004531342.tif 000005
【００３８】
図５に示したように、周波数キャンセル部５４０には、信号ＩＲ４０２と、Ｘf及びＹf５２２とが入力され、周波数キャンセル部５４０から、リメインダ（remainder:残り）信号Ｒf５４２が出力される。リメインダ信号Ｒf５４２は、それぞれ、正弦波形Ｘn,f、Ｙn,fの１つに対応する、１セットのリメインダ信号ｒn,fである。それぞれの選択された周波数ｆ２３０に対して、周波数キャンセル部５４０では、リメインダ信号ｒn,fを生成するために、入力信号ＩＲ４０２から、その周波数成分がキャンセルされる。すなわち、周波数キャンセル部５４０は、下記の（４ａ）式、（４ｂ）式で表されるリメインダ信号Ｒf５４２を生成する。
【００３９】
【数４】
2004531342.tif 000006
【００４０】
さらに、図５に示したように、マグニチュード計算部５６０に、リメインダ信号Ｒf５４２が入力されて、マグニチュード計算部５６０で、（５）式に示すマグニチュード信号Ｗf５６２が生成される。
【００４１】
【数５】
2004531342.tif 000007
【００４２】
さらに、図５に示したように、最小値決定部５８０に、マグニチュード信号Ｗf５６２が入力され、信号の周波数成分ｆ0の出力信号が生成される。信号の周波数成分ｆ0は、下記（６）式で表される最小のマグニチュードＷf0に関係する特定の周波数である。
【００４３】
【数６】
2004531342.tif 000008
【００４４】
図６は、飽和度計算器４６０の機能的構成を示すブロック図であり、飽和度計算器は、正弦波生成部６１０、周波数選択部６２０、６４０、及び比率計算部６７０で構成されている。正弦波生成部６１０には、信号の周波数成分ｆ0２０８が入力され、正弦波生成部６１０から、周波数ｆ0の正弦波波形の信号Ｘf0、Ｙf0６１２が出力される。周波数選択部６２０、６４０には、センサ信号の入力であるＩＲ信号２０２及びＲＤ信号２０４のうちのいずれかと、正弦波波形信号Ｘf0、Ｙf0６１２とが入力される。周波数選択部６２０、６４０は、マグニチュード出力ＺIR,f0６２２及びＺRD,f0６４２を出力する。これらの出力値は、周波数ｆ0におけるセンサのＩＲ信号２０２及びＲＤ信号２０４の周波数成分である。前記３（ａ）式より（７）式が導かれる。
【００４５】
【数７】
2004531342.tif 000009
次に、（１）式を参照する。
【００４６】
【数８】
2004531342.tif 000010
【００４７】
説明を簡単にするために、８（ａ）式と８（ｂ）式は、一般にはそうでないが、Ｘf0とＹf0の外積(cross-product)がゼロであると仮定する。比率計算・マッピング部６７０には、ＺIR,f0６２２及びＺRD,fO６４２が入力され、比率計算・マッピング部６７０から、ＳＡＴf0２６２が出力される。ＳＡＴf0２６２は（９）式で表される。
【００４８】
【数９】
2004531342.tif 000011
ここで、ｇは、酸素飽和度に対する赤色光／赤外光比(red-over-IR)のマッピングであり、例えば、経験的に求められるルックアップテーブルである。
【００４９】
図７は、上記の周波数選択部６２０（図６参照）に係る別の実施の形態を示すブロック図である。この実施の形態では、図５に示した周波数キャンセル部５４０及びマグニチュード計算部５６０が、周波数選択を実行することにも用いられる。特に、周波数キャンセル部５４０には、ＩＲ信号２０２とＸf0、Ｙf0６１２が入力され、周波数キャンセル部５４０から、リメインダ信号Ｒf0７１２が出力される。ここで、Ｒf0７１２は、（１０）式のとおりである。
【００５０】
【数１０】
2004531342.tif 000012
【００５１】
ＩＲ信号２０２からリメインダ信号Ｒf0７１２を差し引くことによって、（１１）式が得られる。
【００５２】
【数１１】
2004531342.tif 000013
【００５３】
ここで、Ｚf0７２２は周波数ｆ0におけるＩＲ信号２０２の成分である。マグニチュード計算部５６０には、Ｚf0７２２が入力され、計算が行われる。なお、下記の（１２）式は、上記の８（ａ）式と同じである。
【００５４】
【数１２】
2004531342.tif 000014
【００５５】
図８Ａ及び８Ｂは、上記の実施の形態に係る周波数計算器４１０（図４参照）における繰り返しを示すフローチャートである。繰り返しが行われる周波数計算器４１０は、初期化ステップ８１０、信号成分変換ステップ８２０、極値検出ステップ８５０、解像度決定ステップ８６０、及び解像度リファインメントステップ８８０による処理により、周波数成分ｆ0信号８７０を出力する。初期化ステップ８１０では、脈拍数推定値ＰＲを中心とするウインドウ及びそのウインドウ内の周波数分解能を定義する。
【００５６】
図８Ａに示したように、信号成分変換ステップ８２０には、初期周波数選択ステップ８２２、周波数キャンセルステップ８２４、及びマグニチュード計算ステップ８２８が含まれる。決定ステップ８３０では、マグニチュード計算ステップ８２８が、ウインドウ内の各周波数で実行されたかどうかを判断する。実行されていない場合には、周波数キャンセルステップ８２４とマグニチュード計算ステップ８２８のステップが、ウインドウ内で選択された別の周波数に対して繰り返される。
【００５７】
周波数キャンセルステップ８２４では、図５に関連して説明したように、ＩＲセンサ信号から周波数成分を差し引く。マグニチュード計算ステップ８２８では、図５に関連して説明したように、リメインダ信号のマグニチュードを決定する。決定ステップ８３０で、リメインダ信号のマグニチュードが、選択されたそれぞれの周波数で計算されたと判断した場合には、信号成分変換ステップ８２０から、図８Ｂに示したステップへ進む。
【００５８】
図８Ｂに示したように、極値検出ステップ８５０では、信号成分変換ステップ８２０で行われた変換値のうちの極値を求める。また、解像度決定ステップ８６０では、信号成分変換における最終的な周波数分解能が達成されたか否か、そうでなければ、解像度リファインメント８８０が実行された否かを判断する。最終的な解像度が達成された場合には、周波数成分ｆ0信号の出力が、最小値８７０、すなわち、極値検出ステップ８５０で決定された成分変換値の最小値に対応する周波数と同一と見なされる。
【００５９】
さらに、図８Ｂに示したように、解像度リファインメント８８０では、１セットの周波数推定ステップ８８２、ウインドウ縮小ステップ８８４、及び周波数分解能上昇ステップ８８８が実行される。特に、周波数推定ステップ８８２では、極値検出ステップ８５０で決定されたように、周波数推定値が、信号成分変換値の最小値に対して設定される。ウインドウ縮小ステップ８８４では、周波数推定値を中心とする範囲より狭いウインドウを新たに画定する。また、周波数分解能上昇ステップ８８８では、信号成分変換ステップ８２０における次の繰り返しの前に、そのウインドウ内で選択された周波数の間隔を減少させる。
【００６０】
このように、信号成分変換ステップ８２０とその結果得られる周波数推定値は、信号成分変換ステップ８２０、極値検出ステップ８５０、及び解像度リファインメントステップ８８０におけるそれぞれの繰り返しで、より高い解像度にリファインされる。
【００６１】
特定の実施の形態では、信号成分計算には、３回の繰り返しが必要である。１分当たり４ビート、すなわち４ＢＰＭの周波数分解能が初めに使用され、はじめの脈拍数推定値ＰＲを含む、５つ又は７つの選択された周波数を含むウインドウが画定される。すなわち、ＰＲの中心に位置する１６ＢＰＭ又は２４ＢＰＭのどちらかのウインドウが画定され、信号成分変換値が、４ＢＰＭで５つ又は７つの均等に選択された周波数のセットを対象に計算される。その結果が、周波数推定値ｆ1である。
【００６２】
次に、周波数分解能が、４ＢＰＭから２ＢＰＭに下げられ、ｆ1の中心に位置する４ＢＰＭのウインドウが、３つの選択された周波数、すなわち、ｆ1−２ＢＰＭ、ｆ1及びｆ1＋２ＢＰＭによって画定される。その結果が、より高い解像度周波数推定値ｆ2である。最終的な繰り返しでは、周波数分解能が、１ＢＰＭに下げられ、ｆ2の中心に位置する２ＢＰＭのウインドウが、３つの選択された周波数、すなわち、ｆ2−１ＢＰＭ、ｆ2及びｆ2＋１ＢＰＭによって画定される。最終の結果が、１ＢＰＭの解像度への信号成分変換によって決定された周波数成分ｆ0である。上記のように、この周波数成分ｆ0が、次の酸素飽和度ＳＡＴf0の計算に用いられる。
【００６３】
上記のように、周波数成分に基づいて信号エネルギを最適化する、パルスオキシメトリと酸素飽和度測定に関する信号成分プロセッサについて説明した。しかし、信号成分プロセッサは、血糖、カルボキシヘモグロビン、呼吸率、血圧など、いくつかの他の生理的な測定に適用することができる。さらに、通常、信号成分プロセッサは、あらゆる基礎関数の信号成分を識別し、選択し、処理するのに適用可能である。なお、さらに図９以降で詳細に説明するように、１つの実施の形態が、周波数成分が１つの場合である。
【００６４】
図９〜図１１は、別の実施の形態に係る信号成分プロセッサ９００を示すブロック図である。図９に示したように、プロセッサ９００は、インデックス計算器９１０と測定値計算器９６０とを備えている。インデックス計算器９１０には、図１０にも示すように、センサ信号Ｓ９０２が入力されて、インデックス計算器９１０から、基礎関数インデックスＫ0９１２が出力される。測定値計算器９６０には、以下の図１１を参照して説明するように、基礎関数インデックスＫ0９１２が入力されて、測定値計算器９６０から、生理測定値ＵK0９６２が出力される。
【００６５】
また、プロセッサ９００は、基礎関数指示計９８０を備えている。基礎関数指示計９８０は、センサ入力信号Ｓ９０２に応答し、パラメータε９８２を出力する。このパラメータε９８２は、以下に図１０を参照して説明するように、インデックス計算器９１０によって利用される１セットの基礎関数を指示する。
【００６６】
図１０に示したように、インデックス計算器９１０は、基礎サブセット生成部１０２０、成分キャンセル部１０４０、及び最適化計算部１０６０を備えている。基礎サブセット生成部１０２０は、１セットの選択された基礎関数指数Ｋに対応する基礎関数波形のサブセットφK１０２２を出力する。その基礎関数は、（１３）式に示すように、あらゆる完全なセットの関数としてもよい。
【００６７】
【数１３】
2004531342.tif 000015
説明を簡単にするために、これらの基礎関数は直交しているものと仮定する。
【００６８】
【数１４】
2004531342.tif 000016
ここで、＜＞は内積(inner product)を示すものとする。したがって、（１５）式、（１６）式が得られる。
【００６９】
【数１５】
2004531342.tif 000017
【００７０】
通常、基礎関数は非直交であってもよい。生成された基礎関数のサブセットは、入力パラメータε９８２で決定される。図５に関連して説明した実施の形態では、基礎関数は正弦波である。また、指数が正弦波周波数であり、入力されるパラメータε９８２が、周波数ウインドウを決定する脈拍数推定値である。
【００７１】
図１０に示したように、成分キャンセル部１０４０は、リメインダ信号の出力Ｒk１０４２を生成する。このリメインダ信号の出力Ｒk１０４２は、基礎関数波形のサブセットφK１０２２に対応する１セットのリメインダ信号である。生成されたそれぞれの基礎関数波形に対して、成分キャンセル部１０４０は、リメインダ信号を生成するために、センサ信号Ｓ９０２から対応する基礎関数成分を取り除く。
【００７２】
別の実施の形態では、成分キャンセル部１０４０を成分選択部と置き換える。この成分選択部は、生成された各基礎関数に対して、センサ信号Ｓ９０２に対応する基礎関数成分を生成する。最適化計算部１０６０は、リメインダ信号の出力ＲK１０４２の最適化、又はその代わりに、選択された基礎関数信号成分の最適化に関連している特定のインデックスＫ0９１２を生成する。
【００７３】
図１１に示したように、測定値計算器９６０は、基礎関数発生部１１２０と、成分選択部１１４０と、生理測定値計算部１１７０とで構成されている。成分選択部１１４０には、センサ信号Ｓ９０２及び特定の基礎関数波形φK0１１２２が入力され、成分選択部１１４０から、センサ信号成分ＳK0１１４２が出力される。生理測定値計算部１１７０には、センサ信号成分ＳK0１１４２が入力され、生理測定値計算部１１７０から、センサ信号成分ＳK0１１４２に対応する生理測定値信号ＵK0９６２が出力される。
【００７４】
図６に関連して説明した実施の形態では、基礎関数φKは正弦波であり、インデックスＫ0は特定の正弦波の周波数であった。基礎関数生成部１１２０では、この周波数におけるサインとコサイン波形が作成される。成分選択部１１４０では、センサ信号ＲＤ及びＩＲに対応する周波数成分が選択される。また、生理測定値計算部１１７０では、これらのＲＤとＩＲの周波数成分のマグニチュードの比に基づいて、酸素飽和度が計算される。
【００７５】
信号成分プロセッサに関して、様々な実施の形態を詳細に開示した。これらの実施の形態は、例として示したものであり、特許請求の範囲に記載する発明の要旨を限定するものではない。また、当業者であれば、多くの変更と改良を行うことが可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】パルスオキシメトリセンサの信号の波形を示す図であり、時間に対する検出された光の強度（血液容量）の変化を示すグラフである。
【図１Ｂ】図１Ｂに示した信号の波形に対応するＲＤセンサ又はＩＲセンサの信号を示すグラフである。
【図１Ｃ】パルスオキシメトリセンサの信号のスペクトルを示す図であり、高品位の信号と低品位の信号の両方を例示するグラフである。
【図２】パルスオキシメトリセンサの信号に関する信号成分の処理の例を示す、周波数とマグニチュードの関係のグラフであり、特に推定された脈拍数を中心とする周波数ウインドウを示している。
【図３】パルスオキシメトリセンサの信号に関する信号成分の処理の例を示す、周波数とマグニチュードの関係のグラフであり、関連する信号成分の変換を示している。
【図４】実施の形態に係る信号成分プロセッサにおける、トップレベルの機能的構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態に係る信号成分プロセッサにおける、周波数計算器の機能的構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態に係る信号成分プロセッサにおける、飽和度計算器の機能的構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態に係る信号成分プロセッサにおける、周波数選択部の機能的構成を示すブロック図である。
【図８Ａ】周波数計算器における繰り返し処理を示すフローチャートである。
【図８Ｂ】周波数計算器における繰り返し処理を示すフローチャートである。
【図９】別の実施の形態に係る信号成分プロセッサのトップレベルの機能的構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示した別の実施の形態に係る信号成分プロセッサにおけるインデックス計算器を示すブロック図である。
【図１１】図９に示した別の実施の形態に係る信号成分プロセッサにおける測定値計算器の機能的構成を示すブロック図である。
【図１Ａ】
2004531342.tif 000018
【図１Ｂ】
2004531342.tif 000019
【図１Ｃ】
2004531342.tif 000020
【図２】
2004531342.tif 000021
【図３】
2004531342.tif 000022
【図４】
2004531342.tif 000023
【図５】
2004531342.tif 000024
【図６】
2004531342.tif 000025
【図７】
2004531342.tif 000026
【図８Ａ】
2004531342.tif 000027
【図８Ｂ】
2004531342.tif 000028
【図９】
2004531342.tif 000029
【図１０】
2004531342.tif 000030
【図１１】
2004531342.tif 000031
【国際公開パンフレット】
2004531342.tif 000032
2004531342.tif 000033
2004531342.tif 000034
2004531342.tif 000035
2004531342.tif 000036
2004531342.tif 000037
2004531342.tif 000038
2004531342.tif 000039
2004531342.tif 000040
2004531342.tif 000041
2004531342.tif 000042
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2004531342.tif 000059
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2004531342.tif 000061
【国際調査報告】
2004531342.tif 000062
2004531342.tif 000063
2004531342.tif 000064
2004531342.tif 000065