(57)【要約】  本発明は、少なくとも赤色ＬＥＤ光源ＳＲ及び赤外ＬＥＤ光源ＳＩＲを有する負荷１２を駆動するパルスオキシメータ用ドライバ回路１を記述する。該ドライバ回路１は、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲにＬＥＤ電流Ｉloadを供給する電流調節器１１と、電流調節器電圧Ｕ１１及び負荷電圧Ｕloadを含むＤＣ出力電圧Ｕtotalを供給する電力変換器１０と、電流調節器１１の両端間の瞬時電圧降下Ｕ１１の尺度ＵＦＢを得ると共に該電圧降下尺度ＵＦＢを電力変換器１０に伝達するフィードバック手段１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとを有する。本発明は、更に、パルスオキシメータ装置１００及びパルスオキシメータ負荷１２を駆動する方法も記述する。
2018533342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤色ＬＥＤ光源と赤外ＬＥＤ光源と前記赤色ＬＥＤ光源及び前記赤外ＬＥＤ光源を交互に切り換えるための切換モジュールとを有する、負荷を駆動するパルスオキシメータドライバ回路であって、
前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源にＬＥＤ電流を供給する電流調節器と、
電流調節器電圧及び負荷電圧を含むＤＣ出力電圧を供給する電力変換器と、
当該パルスオキシメータドライバ回路は、前記切換モジュールにより前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源の一方がオフされ、前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源の他方がオンされた場合の前記負荷の両端間の電圧レベルのシフトに応答するように、前記電流調節器の両端間の瞬時電圧降下の尺度を得ると共に該電圧降下尺度を前記電力変換器に伝達するフィードバック手段と、
を有する、パルスオキシメータドライバ回路。
【請求項２】
前記フィードバック手段が、前記電力変換器のフィードバック入力部と前記電流調節器との間に接続される、請求項１に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項３】
前記フィードバック手段が、1対の入力部及び1対の出力部を有すると共に、前記入力部の間の電圧差を前記電力変換器のフィードバック入力部に接続するための前記出力部の間のフィードバック電圧に変換する、請求項１又は請求項２に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項４】
前記フィードバック手段が、前記入力部の電圧差を前記フィードバック電圧に変換する増幅器回路部を有する、請求項３に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項５】
前記フィードバック手段の利得が、前記電流調節器の両端間の目標電圧降下に基づいて決定される、請求項１ないし４の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項６】
前記フィードバック手段の利得が、前記電力変換器の内部基準設定値に基づいて決定される、請求項１ないし５の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項７】
前記フィードバック手段が、レベルシフト増幅器を有する、請求項１ないし６の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項８】
前記フィードバック手段が１の利得を有する、請求項１ないし７の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項９】
前記電力変換器が、スイッチモード電力変換器、又は同期スイッチモード電力変換器を有する、請求項１ないし８の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項１０】
前記電力変換器がバックコンバータ及び／又はブーストコンバータを有する、請求項９に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項１１】
前記フィードバック手段の第１入力部が前記電圧変換器と前記電流調節器との間のノードに接続され、前記フィードバック手段の第２入力部が前記電流調節器と前記負荷との間のノードに接続される、請求項３ないし１０の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項１２】
前記フィードバック手段の第１入力部が前記負荷と前記電流調節器との間のノードに接続され、前記フィードバック手段の第２入力部が当該ドライバ回路の負の電源端子に接続される、請求項３ないし１０の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路。
【請求項１３】
ＤＣ電源に接続するための端子と、
人の組織を介して光を放出するように配置される少なくとも赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源を有する負荷と、
前記負荷を駆動するための請求項１ないし１２の何れか一項に記載のパルスオキシメータドライバ回路と、
を有する、パルスオキシメータ装置。
【請求項１４】
少なくとも赤色ＬＥＤ光源と、赤外ＬＥＤ光源と、前記赤色ＬＥＤ光源及び前記赤外ＬＥＤ光源を交互に切り換えるための切換モジュールとを有するパルスオキシメータ負荷を駆動する方法であって、
前記パルスオキシメータ負荷の前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源に駆動電流を供給するための電流調節器を設けるステップと、
前記電流調節器の両端間の実質的に一定な電圧降下及び負荷電圧を含む出力電圧を供給するために電力変換器を設けるステップと、
前記電流調節器の両端間の瞬時の前記電圧降下の尺度を得るステップと、
前記切換モジュールにより前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源の一方がオフされ、前記赤色及び赤外ＬＥＤ光源の他方がオンされた場合の前記負荷の両端間の電圧レベルのシフトに応答するために前記電圧降下の尺度を前記電力変換器に伝達するステップと、
を有する、方法。
【請求項１５】
前記電圧降下の尺度を得るステップが、前記赤色ＬＥＤ光源に関連する第１負荷電圧レベルと前記赤外ＬＥＤ光源に関連する第２負荷電圧レベルとの間の電圧レベルの遷移の発生を検出するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスオキシメータのためのドライバ回路、パルスオキシメータ装置及びパルスオキシメータ負荷を駆動する方法を記述するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルスオキシメータ（動脈血酸素飽和度測定器）は、患者の血液の酸素飽和レベルの推定値を得るために用いられる。米国特許出願公開第2007/0149865号に開示されているような大型のパルスオキシメータ装置は、複数のセンサを有し、酸素飽和レベルを幾つかの部位において同時に監視することができる。センサは、患者の指、耳たぶ、足指等に適合する小型の装置として実現することができ、該装置の一方の内側に配置された赤色ＬＥＤ及び赤外ＬＥＤ、並びに例えば反対の側に配置された光検出器を有する。他の設計も可能である。ＬＥＤからの光は上記指を通過する。該光の幾らかは吸収され、残りは検出される。校正されたパルスオキシメータは、該オキシメータにより囲まれた組織の動脈及び静脈を通過する際の該患者の血液の酸素飽和レベルの良好な推定値を供給することができる。血液酸素飽和レベルの計算は、赤色及び赤外光の吸収度値の比に基づくもので、酸化されたヘモグロビンは赤色光より赤外光を多く吸収する一方、脱酸素化されたヘモグロビンは赤外光より赤色光を多く吸収するという事実を利用する。酸素飽和度を測定するために、赤色ＬＥＤ及び赤外ＬＥＤは、各々が正確に決定された低雑音電流レベルで、正確な時間間隔で交互にオンされる。
【０００３】
バイタルサイン監視状況において、患者の血液酸素飽和レベルは例えば数時間にわたる等のように長時間にわたり監視され得、このような理由により、パルスオキシメータは装着の間において患者に幾らかの動きの自由度を可能にするような小型の電池駆動装置として実現され得る。従って、電力消費は重要な設計配慮となり、これにより全電力消費は種々の要因により影響を受ける。赤色及び赤外ＬＥＤのためのＬＥＤドライバは一般的に電子回路のハウジング内に取り付けられ、ドライバ、制御回路、ＬＥＤ及び光センサは、ワイヤ、ケーブル及びコネクタ等を用いて相互接続される。パルスオキシメータ電子回路には、入力及び出力フィルタ並びに／又は保護回路が装備される。センサ（ＬＥＤ、フォトダイオード）とセンサ電子回路との間には延長ケーブルが必要とされ得、斯様な延長ケーブルは数メートルの範囲の長さを有することができる。パルスオキシメータ内の赤色及び赤外ＬＥＤの室温順方向バイアス電圧は、４０ｍＡの典型的な動作電流において、各々、約２.０Ｖ及び１.５Ｖであり得る。出力フィルタ、回路保護手段、フレキシブルケーブル、コネクタ、ケーブル及び如何なる延長ケーブルにおいても、抵抗電圧降下が生じる。フィルタ、保護回路、ケーブル及びコネクタにおける（寄生）直列抵抗の間の如何なる電圧降下も、ＬＥＤ電圧降下に対して重大なものとなり得、例えばケーブル又は延長ケーブルの長さに依存してセンサ毎に変化し得る。約５.０Ωの全直列抵抗は、４０ｍＡにおいて０.２Ｖの抵抗電圧となり得る。ＬＥＤドライバはＬＥＤの順方向バイアス電圧を超える電圧で駆動電流を発生しなければならず、この目的のために、正確に機能する電流調節器が一般的に実施化される。また、異なる製造者に由来する如何なるセンサも考慮に入れる必要があり得る。最悪の場合の全直列抵抗は４５Ωを超える可能性があり、これは４０ｍＡなる典型的な動作電流において１.８Ｖを超える抵抗電圧降下に相当する。従って、最悪の場合のＬＥＤ順方向電圧及び抵抗電圧降下の和、即ち当該ＬＥＤドライバにより供給されねばならない最悪の場合の負荷電圧は、４０ｍＡなる典型的な動作電流に対して４.０Ｖなる最大許容負荷電圧に迫り得る。この４.０Ｖなる最大電圧は、何年にもわたり例えば事故現場における救急車内等の悪条件下でさえもバイタルサイン監視が重要である状況において収集された経験に基づいて確立されたものである。幾つかの既知のタイプのＬＥＤドライバ技術を用いると、アナログ電流調節器の間の０.５Ｖの最小電圧降下及び４.０Ｖの最大許容負荷電圧の結果、高い又は低い直列抵抗が存在するかに拘わらず、且つ、赤色又は赤外ＬＥＤが駆動されるかに拘わらず少なくとも１８０ｍＷの電力消費となる。電池給電型バイタルサイン監視装置の場合、これは不都合なほど高レベルの電力消費である。急速に消耗する電池は、一層頻繁に交換されねばならず、運転コストを増加させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の１つの目的は、パルスオキシメータの電池寿命を延長させる低い電力消費の改善されたドライバを提供することである。電力効率及び電池寿命に悪影響を与えることなく最悪の場合の負荷電圧を増加させることも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上記目的は、請求項１のパルスオキシメータドライバ回路により、請求項１３のパルスオキシメータ装置により、及び請求項１４のパルスオキシメータ負荷を駆動する方法により達成される。
【０００６】
本発明によれば、パルスオキシメータドライバ回路は、少なくとも赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源並びに前記赤色ＬＥＤ光源及び前記赤外ＬＥＤ光源を交互に切り換えるための切換モジュールを備えた負荷を駆動するように構成され、前記ＬＥＤ光源にＬＥＤ電流を供給するように構成されたアナログ電流調節器（レギュレータ）又は線形電流調節器と；電流調節器電圧及び負荷電圧を含むＤＣ出力電圧を供給するように構成された電力変換器（コンバータ）と；を有する。本発明による該パルスオキシメータドライバ回路は、更に、前記電流調節器の両端間の瞬時電圧降下の尺度（度量）を得ると共に該電圧降下尺度を前記電力変換器に伝達して、当該ドライバ回路は、前記切換モジュールにより一方のＬＥＤ光源がオフされ、他方のＬＥＤ光源がオンされた場合の前記負荷の両端間の電圧レベルのシフト（ズレ）に応答するようにするフィードバック手段を有する。
【０００７】
前述したように、赤外ＬＥＤの両端間の順方向電圧は赤色ＬＥＤの両端間の順方向電圧より低い。パルスオキシメータ負荷の特徴的フィーチャは、その赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源が常に別々に駆動される、即ち、これら光源の一方が“オフ”の間は他方が“オン”であり、従って、異なるＬＥＤは決して同時に活性状態になることはないことである。線形電流調節器は、活性ＬＥＤ光源に一定の制御された電流を供給する。本発明の前後関係においては、該電流調節器の両端間の瞬時電圧降下の尺度（量）が前記電力変換器に“伝達”され、このことが、前記フィードバック手段が該電圧変換器に対し電流調節器の両端間の瞬時電圧降下の変化が発生している又は発生したとの何らかの適切な指示情報を提供することを意味するものとされる。このような電圧降下の変化は、前記ＬＥＤ光源が異なる順方向電圧を有する故に、一方のＬＥＤ光源がオフされ、他方がオンされる場合における第１負荷電圧レベルと第２負荷電圧レベルとの間の遷移であり得る。一般的に、パルスオキシメータ等の装置において、赤色ＬＥＤ及び赤外ＬＥＤは実質的に同時に切り換えられる。即ち、一方がオフされる場合、他方はオンされる。本発明によるパルスオキシメータドライバ回路の利点は、前記フィードバック手段が、一方のＬＥＤがオフされ、他方がオンされる場合の前記負荷の両端間の電圧レベルのズレに対して当該ドライバ回路が応答することを可能にすることである。この“伝達された”情報は、当該ドライバ回路により、負荷に供給される電力を該負荷が何れの期間においても必要とされる量の電力のみを消費するように調節するために使用することができる。結果としての低電力消費は、本発明のドライバ回路を電池給電型パルスオキシメータで使用するのに特に有利なものにさせる。
【０００８】
本発明によれば、パルスオキシメータ装置は、ＤＣ電源に接続するための端子と；赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源と；前記赤色ＬＥＤ光源及び前記赤外ＬＥＤ光源を交互に切り換えるための切換モジュールと；前記赤色ＬＥＤ光源、前記赤外ＬＥＤ光源及び前記切換モジュールを有する負荷を駆動するための本発明によるドライバ回路と；を有する。
【０００９】
本発明によるパルスオキシメータ装置の利点は、当該電力効率的ドライバ回路が付加的な電圧“余裕”をもたらし、フレックス基板等の内部接続及び外部アダプタ、延長ケーブル、コネクタ等の付属品の最悪の場合の抵抗値に関する要件に対する緩和を可能にすることである。このことは、特に付属品に関する設計及び製造費用を低下させ、かくして、本発明のパルスオキシメータ装置は電力消費及び設計コストの観点から非常に魅力的なものとなる。
【００１０】
本発明によれば、少なくとも赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源からなるパルスオキシメータ負荷を駆動する方法は、少なくとも、前記ＬＥＤ光源に駆動電流を供給する電流調節器を設けるステップと；前記電流調節器の両端間の実質的に一定な又は定常状態の電圧降下及び負荷電圧を有する出力電圧を供給するためのスイッチモード電力変換器を設けるステップと；前記電流調節器の両端間の瞬時電圧降下の尺度を得ると共に該電圧降下の尺度を前記電力変換器に伝達するステップと；を有する。
【００１１】
ＬＥＤ光源が何れか１つの期間で駆動されている場合、前記電流調節器の両端間の電圧（即ち、該電流調節器の入力ノードと出力ノードとの間の電圧の差）は実質的に一定の定常状態レベルにある。本発明による当該方法は、異なる有色ＬＥＤは異なる順方向電圧を有し、従って、一方をオフに且つ他方をオンに切り換える時点において当該電流調節器の両端間の電圧降下は定常状態レベルから計測可能な程度に逸脱するという事実を利用する。本発明による方法の利点は、ドライバ回路が赤色及び赤外ＬＥＤ光源の異なる順方向電圧から生じる異なる電圧レベルに応答することを可能にし、かくして、従来の従来技術のドライバと比較して、赤外期間においては少ない電力が消費されるようになり、従って当該ドライバ回路の全体の電力消費を低減することができ、内部接続及び外部接続並びに付属部品の最悪状況での抵抗要件の緩和を可能にすることである。
【００１２】
従属請求項及び以下の記載は、本発明の特に有利な実施態様及びフィーチャを開示する。これら実施態様のフィーチャは適宜組み合わせることができる。１つの請求項分類の前後関係で説明されるフィーチャは、他の請求項分類にも等しく当てはまるものであり得る。
【００１３】
以下の記載においては、本発明を如何なる態様で限定することもなく、当該ドライバは例えば５.０ＶのＤＣ電源等のＤＣ電源により駆動されるべきパルスオキシメータ装置において使用するためのものと仮定することができる。赤色ＬＥＤ光源及び赤外ＬＥＤ光源を交互に切り換えるための前記切換モジュールは、当該パルスオキシメータにおけるＬＥＤに当業者により既知のようにケーブル接続により接続することができるスイッチマトリクスに基づいて実現することができる。本発明の前後関係における“ＬＥＤ光源”は、装置内に該ＬＥＤにより放出される光が人の組織（例えば、患者の指）内に向けられるように配置される特定の色の１以上のＬＥＤを有することができる。このような装置は、当該組織を吸収されないで通過した光を検出するための光検出器装置も有すると仮定することができる。
【００１４】
好ましくは、前記電流調節器は正確なものとし、例えば４０ｍＡのＬＥＤ駆動電流等の実質的に一定のＬＥＤ駆動電流を供給するように実現される。該電流調節器が負荷に正確なレベルの電流を供給するために、該電流調節器の両端間の電圧降下は最小レベルを超えなければならない。該調節器の実際の設計に依存して、斯かる最小レベルは、通常、０.２Ｖ〜０.６Ｖの範囲内となる。しかしながら、該電圧降下が例えば３.２Ｖのように一層高い場合、該電流調節器は依然として負荷に正確な出力電流を供給することができるが、該調節器における電力消費は大幅に高くなる。従って、エネルギは浪費される。本発明によるドライバ回路において、当該調節器の両端間の電圧降下は、電力消費を最小限にするために許容される最小値の近くに維持される。
【００１５】
当該電流調節器はＬＥＤ駆動電流を供給するものであるので、このユニットは、前記赤色及び赤外ＬＥＤを有する負荷に直接接続される。従って、本発明の特に好ましい実施態様において、前記フィードバック手段は該電流調節器のノードと前記電力変換器の入力ポートとの間に接続される。前述したように、該正確な電流調節器の両端間の電圧降下は、何れのＬＥＤ光源が駆動されているかに拘わらず、本発明による方法により実質的に一定に維持される。従って、該電流調節器の両端間の電圧降下の変化は、ＬＥＤ光源の切り換え又は切り替えに関する指示情報を提供することができる。例えば、該電流調節器の両端間の電圧は、前記スイッチマトリクスが赤色ＬＥＤをオフすると共に赤外ＬＥＤをオンする場合、最初は上昇する傾向がある。何故なら、赤外ＬＥＤの順方向電圧は赤色ＬＥＤの順方向電圧より低いからである。言い換えると、本発明によるドライバ回路は、前記電力変換器を、該電力変換器が“オン”状態であるＬＥＤ光源のタイプに従って自身の出力部に常に所要の合計電圧のみを供給するように制御する。
【００１６】
本発明の好ましい実施態様において、前記フィードバック手段は第１入力ノード及び第２入力ノードを有するモジュールとして構成されると共に、これら入力ノード間の電圧差を前記電力変換器のフィードバック入力ポートに供給される出力電圧に変換するように構成される。一般的に、一定の出力電圧レベルを供給するためにスイッチモード電力変換器等の電力変換器が使用される。この目的のために、このタイプの殆どの電力変換器は、上記出力電圧の減衰されたものが供給されるフィードバック入力ポートを特徴として有する。このフィードバック入力ポート間の電圧に基づいて、該電力変換器は自身の出力電圧レベルを調整する必要があるかを決定することができる。以下の記載においては、本発明を如何なる態様でも限定することなく、“変換器のフィードバック入力ポート”なる用語は、集積回路の専用入力ピン及び負電源端子を意味するものと理解することができる。このようなピンにフィードバック電圧を供給する場合、当該フィードバック手段及び変換器は好ましくは負の端子を共有するものとする。正のＤＣ電圧が解釈されているような本発明の前後関係において用いられる“ポート”なる用語は、正のノード及び当該ＤＣ電源の負電源端子等の共通の負のノードを含むものと理解することができる。
【００１７】
本発明ドライバ回路の第１の電圧印加接続構造は正及び負の電源端子間に、前記電力変換器、電流調節器及びパルスオキシメータ負荷の直列接続を有する。第２の電圧印加接続構造において、前記電力変換器、パルスオキシメータ負荷及び電流調節器は、この順で直列に接続される。各々の場合において、以下に説明されるように、電流調節器の両端間の瞬時電圧降下が電力変換器の出力電圧を調節するために使用される。好ましくは、前記フィードバックモジュールは、差動入力電圧を前記電力変換器のフィードバック入力ポートに供給するための差動出力電圧に変換する増幅器回路部を有する。好ましくは、前記フィードバックモジュールの電圧利得は、前記電流調節器の両端間の目標電圧降下及び前記電力変換器の内部電圧基準（自身のセットポイント値を決定する）に基づいて決定される。例えば、当該フィードバックモジュールの電圧利得は、０.６Ｖのセットポイント値を持つ電力変換器及び約０.６Ｖの電流調整器電圧降下の場合、１とすることができる。他の例として、当該フィードバックモジュールの利得は１.０より大きくすることもできる。例えば、１.２５Ｖのセットポイント値を持つ電力変換器及び電流調節器の両端間の０.５２Ｖなる目標電圧降下の場合、当該フィードバックモジュールは好ましくは２.４の付近の電圧利得を有するように構成することができる。
【００１８】
当該フィードバックモジュールは、当業者に馴染みの様々な態様によって実現することができる。例えば、該フィードバックモジュールは、入力ポート間の電圧差を電流に変換し、該電流が第２の抵抗により前記電力変換器のフィードバック入力ポートに供給するための該フィードバックモジュールの出力ポート間の電圧に変換されるような、演算増幅器、入力（第１）抵抗及びトランジスタに基づくレベルシフト増幅器を有することができる。このタイプのフィードバックモジュール構成は、好ましくは前述したような第１の電圧印加接続構造で実施化され、その場合、該フィードバックモジュールの第１入力ノードは前記電力変換器と前記電流調節器との間のノードに接続され、該フィードバックモジュールの第２入力ノードは前記電流調節器と前記負荷との間のノードに接続される。このタイプのフィードバックモジュールの電圧利得は、前記第２及び第１抵抗の値の比により決定することができる。
【００１９】
本発明の他の実施態様において、前記フィードバックモジュールは如何なるレベルシフト機能も備えない増幅器を有することができる。ここでも、該フィードバックモジュールは入力ポート間の電圧差を前記電力変換器のフィードバック入力ポートに供給するための該フィードバックモジュールの出力ポート間の電圧に変換するために演算増幅器を使用する。このタイプのフィードバックモジュール構成は好ましくは前述した第２の電圧印加接続構造で実施化され、その場合、該フィードバックモジュールの第１入力ノードは前記負荷と前記電流調節器との間のノードに接続され、該フィードバックモジュールの第２入力ノードは前記電流調節器及び前記電力変換器に共通のノード（当該ドライバ回路の負電源端子等）に接続される。
【００２０】
幾つかの実現例において、スイッチモード電力変換器のフィードバック電圧セットポイント（設定点）は、線形電流調節器の両端間の電圧降下に対する許容可能な範囲内に既に位置し得る。例えば、電池給電型アプリケーションのための普通に使用されるタイプの市販のスイッチモード電力変換器は、約０.６Ｖのフィードバック電圧セットポイントを有し得る。この値は、線形電流調節器の両端間の電圧降下に対する所望の範囲内に位置する。この場合、当該フィードバックモジュールは、好ましくは、１の電圧利得を有するように構成することができる。本発明の第２の電圧印加接続構造の特に容易な実施態様において、このようなケースでの当該フィードバックモジュールは、単に、電流調節器と負荷との間のノードから電圧変換器のフィードバック入力ピンへの直接接続を有するものとすることができる。
【００２１】
本発明によるドライバ回路には、例えば市販の部品等の如何なる好適な変換器も使用することができ、これによれば、電力効率的な部品を使用することが好ましい。一例は、スイッチモード電力変換器、好ましくは同期スイッチモード電力変換器であり得る。当該電力変換器は、入力電圧供給が該電力変換器により供給されるべき出力電圧を超える場合、バックコンバータ（降圧変換器）として構成することができる。入力電圧範囲及び出力電圧範囲が重なる場合、例えば入力電圧が当該電力変換器により供給されるべき出力電圧より小さいかも知れない場合、当業者により知られているように、ブースト（昇圧）コンバータ及びバックコンバータの組み合わせ接続構造を実施化することができる。
【００２２】
本発明の他の目的及びフィーチャは、添付図面との関連で考察される後の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、図面は図示の目的のみのためであって、本発明の範囲の定義として描かれたものではないと理解されるべきである。
尚、各図において同様の符号は全体を通して同様の物を示す。図面における物は必ずしも寸法通りには描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明によるパルスオキシメータ装置の第１実施態様のブロック図を示す。
【図２】図２は、図１のパルスオキシメータ装置におけるドライバ回路のフィードバックモジュールの一実施態様を示す。
【図３】図３は、図１のパルスオキシメータ装置におけるドライバ回路のフィードバックモジュールの代替実施態様を示す。
【図４】図４は、本発明によるパルスオキシメータ装置の第２実施態様のブロック図を示す。
【図５】図５は、図４のパルスオキシメータ装置におけるドライバ回路のフィードバックモジュールの一実施態様を示す。
【図６】図６は、本発明によるパルスオキシメータ装置の第３実施態様のブロック図を示す。
【図７】図７は、本発明によるパルスオキシメータ装置の一実施態様の動作の間に生じる波形を示す。
【図８】図８は、当該パルスオキシメータ装置の動作の間に生じる他の波形を示す。
【図９】図９は、酸化されたヘモグロビン及び脱酸素化されたヘモグロビンの吸収スペクトルを示す。
【図１０】図１０は、従来技術のパルスオキシメータ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明によるパルスオキシメータ装置１００における発明的ドライバ回路１の第１実施態様のブロック図を示す。パルスオキシメータ装置１００のドライバ回路１に対するＤＣ電源３は、電池セルの直列接続、例えば２つのリチウムイオン電池セルを有することができる。該図は、バイタルサイン分析のために患者の指５上に装着するように構成された、赤色ＬＥＤ光源ＳＲ及び赤外ＬＥＤ光源ＳＩＲを有する指フード１４を示す。ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲからの光ＬＲ、ＬＩＲは指５の組織を通過する。ここでは２つの光経路ＬＲ、ＬＩＲが示されているが、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲは交互に動作されることに注意されたい。この実施態様においては、２つの光源ＳＲ、ＳＩＲのオン／オフ状態を定めるデジタル制御信号Ｓがスイッチマトリクス１２０に入力され、該スイッチマトリクスは、それに従ってＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲのための駆動信号を発生する。この例示的透過型オキシメータ装置において、ＬＥＤ ＳＲ、ＳＩＲに対して指５の反対側に配置された光検出器又は受光器等のセンサ１４０は、指５の組織により吸収されなかった如何なる光も検出すると共に、当該測定値を分析ユニット１５に伝達することができる。ドライバ回路１は、制御された電流Ｉloadを、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲ並びにスイッチマトリクス１２０及びコネクタ装置１２１を有する負荷１２に供給するために使用され、上記コネクタ装置はケーブル、ワイヤ、コネクタ等を有することができる。ドライバ回路１は、電力変換器１０、線形電流調節器１１及びフィードバックモジュール１３０を有する。この例示的実施態様において、電力変換器１０は市販の部品等のＤＣ-ＤＣスイッチモード電力変換器を有する。該電力変換器１０は出力部子の間にバッファコンデンサを有するものと仮定することができる。該電力変換器の出力電圧Ｕtotalは、線形電流調節器１１の両端間の電圧降下Ｕ１１と、ＤＣ電源３の負電源端子１negに対して測定される負荷電圧Ｕloadとの和である。線形電流調節器１１により出力される電流は、負荷電流Ｉloadであり、実質的にＬＥＤ電流と同一である。
【００２５】
前述したように、赤外ＬＥＤの順方向電圧は赤色ＬＥＤの順方向電圧より低い。パルスオキシメータにおいて、赤色ＬＥＤ ＳＲ及び赤外ＬＥＤ ＳＩＲは制御された態様で切り換えられ（スイッチマトリクス１２０により）、かくして、これらの一方は他方が“オフ”である場合にのみ常に“オン”となるようにする。本発明によるドライバ回路１は、これらの事実を利用し、前記電流調節器の間の電圧降下を監視して、高負荷電圧から低負荷電圧への遷移（赤色ＬＥＤがオフされ、赤外ＬＥＤがオンされる）、及び低負荷電圧から高負荷電圧への遷移（赤外ＬＥＤがオフされ、赤色ＬＥＤがオンされる）を検出する。この目的のために、この実施態様におけるフィードバックモジュール１３Ａは、電力変換器１０と線形電流調節器１１との間に接続されたレベルシフト増幅器回路１３Ａを有し、該フィードバックモジュール１３Ａの第１入力部子ノード１３０は電力変換器１０と電流調節器１１との間のノードＮ１に接続され、該フィードバックモジュール１３Ａの第２入力部子ノード１３１は電流調節器１１と負荷１２との間のノードＮ２に接続されるようにする。スイッチマトリクス１２０がＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲの一方をオンし、他方をオフする場合、負荷電圧Ｕloadは、それに従って上昇又は下降する傾向があり、同様のことが上記電流調節器の間の電圧降下Ｕ１１に関しても成り立つ。この遷移はフィードバックモジュール１３Ａにより検出され、該情報は次いで電力変換器１０に伝達され、該電力変換器は出力電圧Ｕtotalを、それに応じて調節することができる。結果として、当該ドライバ回路１により消費される電力は最小に維持することができる。このことは、当該電力変換器が、一般的に、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲの順方向電圧の差及びケーブル、コネクタ、延長ケーブル等の間の抵抗電圧降下の差を考慮に入れずに最悪状況を表す相当に高い値の一定の出力電圧を供給するように駆動される従来技術の設計と比較して優れている。
【００２６】
図２は、図１のパルスオキシメータ装置におけるドライバ回路１のフィードバックモジュール１３Ａの一実施態様を示す。この場合、該レベルシフト増幅器回路１３Ａは１対の入力ノード１３０、１３１を備えた入力ポートを有している。入力ポート１３０、１３１間の差動電圧Ｕ13Aは、演算増幅器Ｕ１３、トランジスタＱ１３（この場合は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ）及び抵抗Ｒ１３１を用いて電流に変換される。トランジスタＱ１３のコレクタ又はドレイン電流は、他の抵抗Ｒ１３２を用いてノード１３２、１３３を有する出力ポート間の電圧ＵＦＢに変換される。比Ｒ１３２／Ｒ１３１は、この増幅器回路１３Ａの電圧利得を決定する（トランジスタＱ１３の電流利得βは、例えばβ＞５０のように大きい限り、無視可能な影響しか有さない）。例えば、抵抗Ｒ１３１に対する１０ｋΩなる値及び抵抗Ｒ１３２に対する２４ｋΩなる値は、２.４なる電圧利得を付与する。抵抗Ｒ１３１、Ｒ１３２に対する相対的に大きな抵抗値は、当該バイアス電流がＬＥＤ電流又は負荷電流Ｉloadに対して無視可能であることを保証する。所要の又は望ましい増幅器利得は、電流調節器１１の間の目標電圧降下Ｕ１１（これは、計算することができる）及び使用されるべき電力変換器１０のタイプ（例えば、該変換器のフィードバック入力ポート１０１、１negのセットポイント（設定値）電圧は、選択された特定の電力変換器により決まる値を有する）に基づいて決定される。電流調節器１１の間の電圧降下Ｕ１１が電力変換器フィードバック入力ポートのセットポイント電圧に実質的に等しい実施態様の場合、１なる電圧利得が好ましいであろう。このことは、抵抗Ｒ１３１、Ｒ１３２に対して等しい値を選択することにより達成することができ、かくして、フィードバックモジュール１３Ａは利得１のレベルシフタとして動作する。図３は、フィードバックモジュール１３Ａの代替バージョンを示す。この場合、ユニポーラのｐ型MOSFETＱ１３が代わりに使用される。それ以外では、このバージョンの構成及び機能は図２に記載したフィードバックモジュールにおけるものと実質的に同一である。
【００２７】
図４は、本発明によるパルスオキシメータ装置１００におけるドライバ回路１の第２実施態様のブロック図を示す。ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲを備えた指フード１４は、簡略化されて図示されている。この例示的実施態様において、負荷１２（スイッチマトリクス１２０、ケーブル及びコネクタ１２１、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲ）及び電流調節器１１の位置は入れ替えられている。このような実施態様は、スイッチモード電力変換器１０のフィードバック電圧入力ポート１０１が負の電源端子１negに対して参照される場合に好ましいものであり得る。図５は、この場合におけるフィードバックモジュール１３Ｂの一実施態様を示す。この場合、該フィードバックモジュール１３Ｂのノード１３０、１３１を有する入力ポート及びノード１３２、１３３を有する出力ポートは、１つの端子（この場合は、負電源ノード１neg）を共有する。このようにして、レベルシフト機能は回避され、該フィードバックモジュール１３Ｂは抵抗Ｒ１３３、Ｒ１３４により決まる正の電圧利得を備えた増幅器として機能する。この構成の付加的な利点は、この場合におけるアナログ電流調節器１１の出力トランジスタをｎ型トランジスタ（例えば、ユニポーラＮＭＯＳ又はバイポーラＮＰＮ）とすることができ、ｐ型装置と比較した場合一層良好な性能及び一層低いコストという固有の利点を備えることである。
【００２８】
図６は、本発明によるドライバ回路１の第３実施態様のブロック図を示す。該図は、本発明によるドライバ回路１の前記第２実施態様の変形例を示す。当該電圧利得を１とすることができる場合に、特に魅力的な接続形態が得られる。フィードバック手段１３Ｃは、ノードＮ３から電力変換器１０のフィードバック入力ノード１０１への貫通接続により実施化することができ、かくして、当該フィードバック電圧ＵＦＢはノードＮ３で測定された電流調節器１１の両端間の電圧降下Ｕ１１に相当する。１の電圧利得は、スイッチモード電力変換器１０のフィードバック電圧ＵＦＢのセットポイントが線形電流調節器１１の両端間の電圧降下Ｕ１１に対する所望の範囲内にある場合に魅力的となる。これは、約０.６Ｖの電圧フィードバックセットポイントの場合であり得、この値は電池給電型装置に使用するために設計された多くの市販のスイッチモード電源変換器にとり一般的な値である。
【００２９】
図７及び図８は、図６の補助で上述された本発明の第３実施態様によるパルスオキシメータ装置の実施態様の動作の間に生じる例示的波形を示す。上から下へと、該図は赤色ＬＥＤ（“０”）か又は赤外ＬＥＤ（“１”）の選択を示すデジタル信号Ｓ；スイッチモード電力変換器１０の出力部における出力電圧Ｕtotal；線形電流調節器１１の両端間の電圧降下Ｕ１１（負荷電圧Ｕloadは出力電圧Ｕtotalと調節器電圧降下Ｕ１１との間の差である）；及びスイッチマトリクスとＬＥＤ負荷との間の２つの導体のうちの１方を介して測定された負荷電流Ｉloadを示す。これらの図において、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲの切換周波数は、遷移Ｔhi_lo、Ｔlo_hi、即ち切換時点を明確に示すために数ｋＨｚの周波数を有する。この場合、赤色及び赤外光源ＳＲ、ＳＩＲは逆並列に接続され、電流調節器１１は４０ｍＡの負荷電流Ｉloadを供給するように設定されている。デジタル信号Ｓは、スイッチマトリクス１２０を制御してＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲを切り換えるために使用される。赤色又は赤外ＬＥＤの何れが活性化されるか、即ち“オン”されるかに依存して、電力変換器１０の出力電圧Ｕtotalは、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲの順方向電圧の差により、高いレベルＶload_R（この場合では、２.７５Ｖ）又は低いレベルＶload_IR（この場合では、２.３４Ｖ）に、各々、落ち着く。この場合、線形電流調節器１１の間の電圧降下Ｕ１１は、ここでも、当該フィードバック手段により電力変換器１０に伝達される電圧と同一であり、この例において該電圧の定常状態値は０.６Ｖである。
【００３０】
図８において、上側の２つの線はデジタル選択信号Ｓ及び出力電圧Ｕtotalを再び示している。３番目の線は外部の５.０Ｖ電源からバックコンバータ（降圧変換器）１０に取り込まれる入力電流Ｉｉｎを示している。該電流の定常状態の値は、活性赤色ＬＥＤ光源ＳＲ及び活性赤外ＬＥＤ光源ＳＩＲに各々対応して、約２５ｍＡ及び２０ｍＡである。４番目の線は、再び、スイッチマトリクスとＬＥＤ負荷との間の２つの導体のうちの一方を介して測定された負荷電流Ｉloadを示す。赤色ＬＥＤ ＳＲから赤外ＬＥＤ ＳＩＲに切り換わる場合、このケースでは、当該バックコンバータ１０の出力電圧Ｕtotalは約４０μｓ以内に高いレベルＶload_Rから低いレベルＶload_IRに低下する。この遷移Ｔhi_loはフィードバック手段１３Ｃにより電力変換器１０に伝達される。何故なら、当該フィードバック手段の出力部における電圧ＵＦＢが負荷の間の一層低い電圧降下により当該切換直後に定常状態値（このケースでは０.６Ｖ）から一層高い値（このケースでは約１.０１Ｖ）に飛び上がるからである。当該ＤＣ-ＤＣ電力変換器の内部フィードバック制御ループは、該一層高いフィードバック電圧ＵＦＢを自身の出力コンデンサへのエネルギ供給を停止するための信号と解釈する。この遷移Ｔhi_lo又は電圧傾斜Ｔhi_loの間において、バックコンバータ１０は、自身の出力バッファコンデンサが部分的に放電することを可能にし、該時間の間において自身の入力電流をゼロに減少させる。最終的に、負荷電流及びコンデンサ値に依存して、フィードバック電圧ＵＦＢは自身の目標値（このケースでは、０.６Ｖ）に到達し、出力電圧Ｕtotalは低いレベルＶload_IRに落ち着く。この時点において、当該変換器の内部フィードバック制御ループは平衡状態を再確立している。このことが、図８では、当該電力変換器の入力電流Ｉｉｎが新たな平衡レベル（このケースでは、約２０ｍＡ）に到達するものとして示されている。
【００３１】
赤外ＬＥＤ ＳＩＲから赤色ＬＥＤ ＳＲに戻るように切り換わる場合、フィードバック電圧ＵＦＢは、負荷の両端間の電圧降下が増加するので、該切換時点直後に０.６Ｖの定常値から一層低い値に低下する。当該電力変換器の内部フィードバック制御ループは、これを、自身の出力コンデンサに一層多くのエネルギを供給すべきとの信号と解釈する。このことが、図８では、赤外から赤色への遷移時における入力電流Ｉｉｎ上の短いピークにより示されている。フィードバック電圧ＵＦＢが目標値より低い限り、当該電力変換器は負荷により必要とされるより多くのエネルギを供給し、該差は出力コンデンサを急速に充電するために使用される。このことは、当該電力変換器の出力電圧Ｕtotalの突然の短い上昇を伴う。フィードバック電圧ＵＦＢも同時に増加しつつある。短期間後に（当該電力変換器の最大出力電流、負荷電流Ｉload及び出力コンデンサ値等の種々のパラメータに依存する）、フィードバック電圧ＵＦＢは目標値又は０.６Ｖの定常値に到達する。この時点で、電力変換器１０の内部フィードバック制御ループは、該電力変換器１０に対する入力電流Ｉｉｎの新たな平衡レベル（このケースでは、約２５ｍＡ）により示されるように、平衡状態を再確立している。
【００３２】
図９は、酸化されたヘモグロビン及び脱酸素化されたヘモグロビンの吸収スペクトル９０、９１を各々示す。赤色光に対応する約６５０ｎｍの波長において、脱酸素化されたヘモグロビンは酸化されたヘモグロビンよりも多くの光を吸収する。赤外光に対応する約９５０ｎｍの波長において、酸化されたヘモグロビンは脱酸素化されたヘモグロビンよりも多くの光を吸収する。パルスオキシメータの機能的原理は、これらの明確に異なる吸収スペクトルに基づくものである。
【００３３】
図１０は、パルスオキシメータ装置における従来技術のドライバ回路７のブロック図を示す。当該構成は、前述した実施態様に或る程度類似している。電力変換器１０は、スイッチモード電源又は低ドロップアウト線形電圧調整器とすることができる。該変換器１０のフィードバックループは、電圧減衰器７００により当業者により良く知られた態様で閉じられている。減衰器７００の入力ポート（ノード７０１、７０２）は、変換器１０の出力部における全電圧Ｕoutを感知するように接続されている。該減衰器７００の出力ポート（ノード７０３、７０２）は、フィードバック電圧Ｕ700を供給するために当該ＤＣ-ＤＣ変換器のフィードバック入力ポートに接続されている。電圧減衰器７００は分圧器により実施化することができる。しかしながら、該電力変換器１０の出力電圧Ｕoutは、このケースでは一定であり、常に電流調節器１１の両端間の電圧降下＋負荷１２の間の最大電圧降下Ｕmaxと少なくとも同程度に大きくなければならない。このことは、ＬＥＤ光源ＳＲ、ＳＩＲ及び全ての他の負荷抵抗を考慮に入れるために選択されるものである。従って、この従来技術のドライバ７により消費される電力は不必要に高くなる。何故なら、該電力変換器１０は、赤色ＬＥＤ ＳＲが駆動されているか又は赤外ＬＥＤ ＳＩＲが駆動されているかに拘わらず、最大電圧要件をカバーするのに十分な電圧を常に供給しなければならないからである。従って、該従来技術の構成は、不都合に高い電力消費を特徴とし、一層短い電池寿命につながる。更に、該従来技術のドライバ回路７は一層高い電圧余裕を必要とするので、コネクタ、ケーブル及び他の付属品の選択に余り余地がない。
【００３４】
以上、本発明を好ましい実施態様及び斯かる実施態様に対する変形例の形で開示したが、これら実施態様に対しては本発明の範囲を逸脱することなく多数の付加的修正及び変形を行うことができると理解される。
【００３５】
明瞭化のために、本出願を通して単数形の使用は複数を排除するものではなく、“有する”は他のステップ又は要素を排除するものではないと理解されるべきである。“ユニット”又は“モジュール”の言及は、２以上のユニット又はモジュールの使用を除外するものではない。
【図１】
2018533342.tif 000003
【図２】
2018533342.tif 000004
【図３】
2018533342.tif 000005
【図４】
2018533342.tif 000006
【図５】
2018533342.tif 000007
【図６】
2018533342.tif 000008
【図７】
2018533342.tif 000009
【図８】
2018533342.tif 000010
【図９】
2018533342.tif 000011
【図１０】
2018533342.tif 000012
【国際調査報告】
2018533342.tif 000013
2018533342.tif 000014
2018533342.tif 000015