(57)【要約】  本発明は血中酸素飽和度の測定のための方法及びシステムを提供する。本発明の方法は、（１０１）二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御することと、（１０２）前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換することと、（１０３）二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得することと、（１０４）前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づいて血中酸素飽和度を算出することと、（１０５）前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示することと、を含む。本発明により提供される技術的方案は、非侵襲的検出、リアルタイム検出というメリットを有する。【選択図】図１
2016531710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御することと、
前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換することと、
二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得することと、
前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づいて血中酸素飽和度を算出すること、
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器でデジタル信号に変換して表示するここと、
を含むことを特徴とする血中酸素飽和度の測定方法。
【請求項２】
前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づき血中酸素飽和度を算出することは、具体的には、
【数１】
2016531710.tif 000044
（式３）
により算出し、
ここで、ＳａＯ２は血中酸素飽和度であり、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示する前に、赤色光電気信号と赤外光電気信号から脈拍Ｐを算出することをさらに含み、具体的には、
【数２】
2016531710.tif 000045
（式４）
により算出し、
ここで、
【数３】
2016531710.tif 000046
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数４】
2016531710.tif 000047
は赤外光吸収係数の最小値であり、
【数５】
2016531710.tif 000048
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数６】
2016531710.tif 000049
は赤色光吸収係数の最小値であり、
【数７】
2016531710.tif 000050
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数８】
2016531710.tif 000051
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値であり、
【数９】
2016531710.tif 000052
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数１０】
2016531710.tif 000053
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御するための制御ユニットと、
前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換するための検出ユニットと、
二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得するための分離ユニットと、
前記赤色光変化量と赤外光変化量から血中酸素飽和度を算出するための計算ユニットと、
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器でデジタル信号に変換して表示するための変換送信ユニットと、
を備えることを特徴とする血中酸素飽和度の測定システム。
【請求項５】
前記計算ユニットは、具体的には、
【数１１】
2016531710.tif 000054
（式３）
を用いて算出し、
ここで、ＳａＯ２は血中酸素飽和度であり、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値である、
ことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記計算ユニットは、さらに、赤色光電気信号と赤外光電気信号に基づいて脈拍Ｐを算出することを含み、具体的には、
【数１２】
2016531710.tif 000055
（式４）
を用いて算出し、
ここで、
【数１３】
2016531710.tif 000056
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数１４】
2016531710.tif 000057
は赤外光吸収係数の最小値であり、
【数１５】
2016531710.tif 000058
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数１６】
2016531710.tif 000059
は赤色光吸収係数の最小値であり、
【数１７】
2016531710.tif 000060
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数１８】
2016531710.tif 000061
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値であり、
【数１９】
2016531710.tif 000062
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数２０】
2016531710.tif 000063
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である、
ことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は検出技術分野に属し、特に血中酸素飽和度の測定方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素含有量とは、１００ｍｌの血液中にヘモグロビンが実際に酸素を帯びる量である。主にヘモグロビンと実際に結合する酸素は、極少量の血漿に溶解する酸素（たったの０．３ｍｌ％）である。酸素と結合するヘモグロビンはオキシヘモグロビン（ＨｂＯ２）となり、酸素と解離するヘモグロビンは還元ヘモグロビンとなる。酸素飽和度（ＳａＯ２）とは、血液中（ヘモグロビン）の結合可能な酸素の最大量（酸素容量）に占める血液中（ヘモグロビン）の実際に結合される酸素（酸素含有量）のパーセンテージを指す。従って、酸素飽和度の定義は以下のように示すことができる。
ＳａＯ２＝ＣＨｂＯ２/(ＣＨｂＯ２＋ＣＨｂ)×１００％
【０００３】
酸素飽和度とは、１００ｍＬの血液中で、ヘモグロビン結合酸素の最大量、即ち血液の酸素容量であると考えられる。ヘモグロビンと実際に結合する酸素は酸素含有量と呼ばれ、酸素容量に占める酸素含有量のパーセンテージは酸素飽和度と呼ばれる。
【０００４】
従来技術を実現する過程の中で、従来技術には以下の問題があることが発見された。
従来技術により提供された方法における酸素飽和度は侵襲的手段で測定され、このような手段はそのうえに効率が低く、そしてユーザーに対して有害である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明に係る実施例の目的は、従来技術による検出効率が低く、ユーザーにダメージがあるという問題を解决するための血中酸素飽和度の測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る実施形態は、このことを実現する血中酸素飽和度の測定方法であって、
二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御することと、
前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換することと、
二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外線変化量を取得することと、
前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づいて血中酸素飽和度を算出することと、
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示することと、を含む。
【０００７】
あるいは、上記の前記赤色光変化量と赤外光変化量から血中酸素飽和度を算出することは、具体的には、
【数１】
2016531710.tif 000003
（式３）
により算出し、
ここで、ＳａＯ２は血中酸素飽和度であり、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値である。
【０００８】
あるいは、前記方法は、前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示する前に、
赤色光電気信号と赤外光電気信号に基づいて脈拍Ｐを算出することをさらに含み、具体的には、
【数２】
2016531710.tif 000004
（式４）
により算出し、
ここで、
【数３】
2016531710.tif 000005
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数４】
2016531710.tif 000006
は赤外光吸収係数の最小値であり、
【数５】
2016531710.tif 000007
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数６】
2016531710.tif 000008
は赤色光吸収係数の最小値であり、
【数７】
2016531710.tif 000009
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数８】
2016531710.tif 000010
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値であり、
【数９】
2016531710.tif 000011
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数１０】
2016531710.tif 000012
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【０００９】
一方、提供される血中酸素飽和度の測定システムは、
二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御するための制御ユニットと、
前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換するための検出ユニットと、
二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得するための分離ユニットと、
前記赤色光変化量と赤外光変化量から血中酸素飽和度を算出するための計算ユニットと、
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示するための変換送信ユニットと、
を備える。
【００１０】
あるいは、前記計算ユニットは、具体的には、
【数１１】
2016531710.tif 000013
（式３）
を用いて算出し、
ここで、ＳａＯ２は血中酸素飽和度であり、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値である。
【００１１】
あるいは、前記計算ユニットは、さらに、赤色光電気信号と赤外光電気信号に基づいて脈拍Ｐを算出することを含み、具体的には、
【数１２】
2016531710.tif 000014
（式４）
を用いて算出し、
ここで、
【数１３】
2016531710.tif 000015
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数１４】
2016531710.tif 000016
は赤外光吸収係数の最小値であり、
【数１５】
2016531710.tif 000017
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数１６】
2016531710.tif 000018
は赤色光吸収係数の最小値であり、
【数１７】
2016531710.tif 000019
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数１８】
2016531710.tif 000020
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値であり、
【数１９】
2016531710.tif 000021
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数２０】
2016531710.tif 000022
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る実施例と従来技術を比べると、本発明により提供される技術的方案にはリアルタイムで非侵襲的に血液の酸素含有量を検出できるという有益な効果があり、その測定器は非侵襲でリアルタイムに検出するというメリットを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例により提供される血中酸素飽和度の測定方法のフロー図である。
【図２】本発明により提供される血中酸素飽和度の測定システムの構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の目的、技術的方案及びメリットがより分かりやすくなるように、以下に添付図面及び実施例を参照しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。ここで述べられる具体的な実施例は本発明を説明するために過ぎず、本発明を限定に用いるものではないと理解しなければならない。
【００１５】
本発明は以下の原理に基づき実現される。本発明により提供される方法は、オキシヘモグロビン(ＨｂＯ２)と還元ヘモグロビン(Ｈｂ)の吸収スペクトル特性に対して提案された分光光度技術と類似する測定方法である。一束の光がある物質の溶液に当たった時に、透過光強度（Ｉ）と入射光強度（Ｉ０）との間に以下の関係がある。
【数２１】
2016531710.tif 000023
（式１）
ここで、ＩとＩ０との比の対数は光学濃度Ｄと呼ばれ、これにより式１は、
Ｄ＝lｎ(Ｉ／Ｉ０)＝ｋＣｄ  （式２）
と表示してもよい。
そのうち、Ｃは溶液(例えば血液)の濃度であり、ｄは光が通過する血液の路経であり、ｋは血液の光吸収係数である。もし、路経ｄを一定に保つと、血液の濃度は光学濃度Ｄに比例する。血液中のＨｂＯ２とＨｂについて異なる波長の光に対する吸収係数は異なっており、波長が６００−７００ｎｍの赤色光(ＲＥＤ)域において、Ｈｂの吸収係数はＨｂＯ２よりもはるかに大きいが、波長が８００−１０００ｎｍの赤外光(ＩＲ)域において、Ｈｂの吸収係数はＨｂＯ２よりも小さく、８０５ｎｍ近くに等吸収点があることを、実験を通して証明した。
【００１６】
人体の血液は心臓の収縮と拡張により脈動的に肺を流れ、所定の含有量の還元ヘモグロビン（Ｈｂ）が肺胞から摂取される酸素と結合してオキシヘモグロビン（ＨｂＯ２）となり、約９８％の酸素とヘモグロビンが結合してオキシヘモグロビンとなった後に組織に入る。これらの酸素は動脈システムを介して毛細血管までに至っており、その後酸素を放出し、組織の新陳代謝を維持する。一つの心拍周期内に、心室の収縮と拡張に起因して動脈内の圧力の周期的変動を引き起こし、このような周期的圧力波は動脈に拡張と収縮をさせ、これにより動脈血管に規則的拍動を発生させる。
【００１７】
本発明により提供されるパルスオキシメーターに用いられるプローブは、使用時に指に嵌められるものである。上壁には二つの並置した発光ダイオード(ＬＥＤ)が固定され、波長が６６０ｎｍの赤色光と９４０ｎｍの赤外光を発し、下壁には１個の光電検出器があり、指の動脈血管を透過した赤色光と赤外光を電気信号に変換する。、その場所で検出に到った光の電気信号が弱くなるほど、光信号がプローブ部位を透過する時に、そこの組織に被われた、骨及び血液等が吸収し多くが失われることを示す。皮膚、筋肉、脂肪、静脈血、色素及び骨等はこの２種類の光に対する吸収係数が一定である。よってこれらは光電気信号中の直流成分の大きさのみに影響するが、血液中のＨｂＯ２とＨｂ濃度は血液の脈動に従い周期的に変化するため、これらは光に対する吸収も同様に脈動して変化する。これにより、光電検出器から出力される信号強度は血液中のＨｂＯ２とＨｂとの濃度比に従って脈動して変化する。もし光の吸収で表示しようとすると、赤色光と赤外光が作用する時に、信号の変化規則の大きさがほぼ同じで、脈動成分の振幅のみが異なる可能性があり、一つのタイミング回路を用いることにより二つのＬＥＤの発光順番を制御する。即ち、(１)赤色光ＬＥＤが点灯する(２)赤色光ＬＥＤが消灯し、赤外光ＬＥＤが点灯する、(３)二つのＬＥＤがともに消灯する。このように発光するタイミングは４００回/秒(５０Ｈｚの交流電力)の周波数で繰り返して現れ、環境光に対して抑制力を強化できる。上記二種類の波長の赤色光と赤外光が順番に検出部位を通過し、そしてこの二つの信号中の脈動成分が分離でき、増幅とフィルタリングを経た後、それぞれはアナログ／デジタル変換器でデジタル量に変換される。受信した光強度は脈拍に随って変化し、赤色光の波長のもと検出器が受信した透過光強度の中の最大値はＩＲｍａｘと表記され、最小値はＩＲｍｉｎと表記される。ＩＲｍａｘは心臓と捜索期に発生し、動脈の血量が最も大きな時点に対応し、ＩＲｍｉｎは心臓拡張期に発生し、動脈の血量が最も小さな時点に対応する。
【００１８】
本発明の具体的実施の形態は血中酸素飽和度の測定方法を提供し、該方法はパルスオキシメーターによって完成する。該パルスオキシメーターは、二つの発光ダイオードと一つの光電検出器を含む。そのうち、二つの発光ダイオードは波長が６６０ｎｍの赤色光と９４０ｎｍの赤外光をそれぞれ発する。当該方法は図１に示すように、以下のような工程を含む。
１０１、二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御すること。
１０２、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換すること。
１０３、二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得すること。
１０４、前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づいて血中酸素飽和度を算出すること。
１０５、前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示すること。
【００１９】
あるいは、上記周期は具体的に、０．０２秒であってもよい。即ち周波数が５０Ｈｚの交流の周波数である。勿論、その他の周波数を採用して計算することも可能である。
【００２０】
上記１０４は具体的に以下の通りに実現することができる。
【数２２】
2016531710.tif 000024
（式３）
ここで、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値である。
【００２１】
あるいは、上記方法は１０５の後でさらに以下のことを含むことができる。
赤色光電気信号と赤外光電気信号に基づいて脈拍Ｐを算出する。具体的には、
【数２３】
2016531710.tif 000025
（式４）
である。
ここで、
【数２４】
2016531710.tif 000026
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数２５】
2016531710.tif 000027
は赤外光吸収係数の最小値である。
【数２６】
2016531710.tif 000028
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数２７】
2016531710.tif 000029
は赤色光吸収係数の最小値である。
【数２８】
2016531710.tif 000030
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数２９】
2016531710.tif 000031
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【数３０】
2016531710.tif 000032
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数３１】
2016531710.tif 000033
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【００２２】
本発明により提供される具体的形態は非侵襲で、酸素飽和度と脈拍をリアルタイムに検出するというメリットを有する。
【００２３】
本発明の具体的実施の形態は、血中酸素飽和度の測定システムを提供し、該システムは図２が示すように、
二つの並列した発光ダイオードから被検指に周期的に赤色光と赤外光を発するように制御するための制御ユニット２１と、
前記指に投射された後の赤色光と赤外光を検出し、前記指に投射された後の前記赤色光と赤外光を赤色光電気信号と赤外光電気信号に変換するための検出ユニット２２と、
二つの電気信号中の脈動成分を分離し、分離後の１周期の赤色光変化量と１周期の赤外光変化量を取得するための分離ユニット２３と、
前記赤色光変化量と赤外光変化量に基づいて血中酸素飽和度を算出するための計算ユニット２４と、
前記酸素飽和度を増幅及びフィルタリングした後、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換して表示するための変換送信ユニット２５とを備える。
【００２４】
あるいは、計算ユニット２４は、具体的に
【数３２】
2016531710.tif 000034
（式３）
に用いられる。
ここで、ＳａＯ２は血中酸素飽和度であり、Ｋは血液の光吸収係数であり、ΔＲＥＤは１周期内の赤色光変化量であり、ΔＩＲは１周期内の赤外光変化量であり、ΔＮは環境光により生成する干渉値である。
【００２５】
あるいは、上記計算ユニット２４は、さらに、赤色光電気信号と赤外光電気信号に基づいて脈拍Ｐを算出することに用いられる。具体的には、
【数３３】
2016531710.tif 000035
（式４）
である。
ここで、
【数３４】
2016531710.tif 000036
は赤外光吸収係数の最大値であり、
【数３５】
2016531710.tif 000037
は赤外光吸収係数の最小値である。
【数３６】
2016531710.tif 000038
は赤色光吸収係数の最大値であり、
【数３７】
2016531710.tif 000039
は赤色光吸収係数の最小値である。
【数３８】
2016531710.tif 000040
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数３９】
2016531710.tif 000041
は赤外光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【数４０】
2016531710.tif 000042
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最大値であり、
【数４１】
2016531710.tif 000043
は赤色光の場合のＣＨｂＯ２の濃度の最小値である。
【００２６】
注意に値することは、上記実施例において、含まれる所の各ユニットは機能論理のみに応じて区分するが、上記の区分に限定されるものではなく、ただ相応の機能が実現できればよい。また、各機能ユニットの具体的名称も相互に区分に使うためのものであり、本発明の保護範囲を制限することに用いるものではない。
【００２７】
また、上記各実施例の方法におけるすべてまたは一部の工程を実現するには、プログラムにより、完成させるように関連ハードウエアに指示することができ、対応するプログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されることが可能であり、前記記録媒体は、ＲＯＭ/ＲＡＭ、磁気ディスク又は光ディスク等であることが当業者に明らかである。
【００２８】
以上に述べたことは本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するものではなく、本発明の精神と原則内で行われる種々の修正、均等の置換え及び改善などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるものとする。
【図１】
2016531710.tif 000064
【図２】
2016531710.tif 000065
【国際調査報告】
2016531710.tif 000066
2016531710.tif 000067
2016531710.tif 000068
2016531710.tif 000069