(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動脈血流のある生体組織に光を照射し、透過または反射した光を利用して、動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータにおいて、
前記生体組織に第１および第２の波長の光を照射する第１および第２の光源と、
前記生体組織を透過または反射した前記第１および第２の波長の光を受光する受光素子と、
所定の第１の基準電圧を基準として、前記受光素子において発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、
所定の第２の基準電圧を基準として、前記電流電圧変換された信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、
変換されたデジタル信号から前記動脈血酸素飽和度を計算するとともに、前記第２の基準電圧よりも高く設定され、デジタル信号の非変動分に対応したレベルの前記第１の基準電圧を作成し、前記電流電圧変換回路に与える演算装置とを含むことを特徴とするパルスオキシメータ。
【請求項２】
前記第１および第２の光源を時間分割で相互に異なるタイミングで点灯を行わせるタイミング信号を発生する制御回路をさらに備え、
前記受光素子は前記第１および第２の光源からの光を受光し、
前記演算装置は、前記第１および第２の波長のそれぞれに適した前記第１の基準電圧を作成し、前記タイミング信号に応答して前記電流電圧変換回路に与えるとともに、前記アナログ／デジタル変換回路からのデジタル信号を前記第１および第２の波長にそれぞれ対応したものであると認識して、前記第１の基準電圧の変化量分を補正して、前記動脈血酸素飽和度を計算することを特徴とする請求項１記載のパルスオキシメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動脈血流のある生体組織に赤色光と赤外光とを照射し、透過または反射した光を利用して、２つの波長の吸光特性の差から動脈血酸素飽和度を非観血的に測定するパルスオキシメータに関し、特に脈動が小さく、信号の交流成分が小さい低灌流の場合の精度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記のようなパルスオキシメータでは、前記赤色光および赤外光を被験者の指などに交互に照射して、その透過光または反射光をシリコンフォトダイオードなどの受光素子で光電変換し、得られた入射光強度に応じた電流出力を、オペアンプを用いた電流電圧変換回路を用いて電圧信号として取出している。その後、前記電圧信号は更に増幅回路によって増幅され、アナログ／デジタル変換回路によってデジタル信号に変換されて演算装置に入力され、前記２つの波長の吸光特性の差から前記動脈血酸素飽和度が計算される。
【０００３】
具体的には、前記赤色光および赤外光のデータは動脈の脈動に従って大きさが変化する。ある時間の中で、赤色光の変化した交流成分をＲＡＣ、赤外光の変化した交流成分をＩＲＡＣ、赤色光の変化していない直流成分をＲＤＣ、赤外光の変化していない直流成分をＩＲＤＣとすると、赤色光と赤外光との変化割合の比Ｐは以下の式で表される。
【０００４】
Ｐ＝（ＲＡＣ／ＲＤＣ）／（ＩＲＡＣ／ＩＲＤＣ）
そして、前記比Ｐは、使用している光源の波長や半値幅等の特性に合わせて前記動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２値）との関係が定義される。よって、上式によってその瞬間のＳｐＯ２値を求めることができ、その瞬時のＳｐＯ２値に、たとえば移動平均などの処理を施すことによって、パルスオキシメータで表示するＳｐＯ２値を得ることができる。
【０００５】
このとき、特許文献１で示されるように、前記赤色光および赤外光の各光源の発光時のＡ／Ｄカウント値から、その前後に測定した非発光時のＡ／Ｄカウント値を減算し、これを１回の発光時のデータとしている。こうして非発光時のカウント値を減算することで、定常的に入射している外光成分や、回路のオフセット成分を除去し、発光による純粋な信号成分のみを取出すようになっている。
【特許文献１】特開２０００−３２５３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなパルスオキシメータにおいて、光源から生体に光を照射し、透過または反射して得られる信号は、上述のように生体組織内の動脈の脈動によって大きさが変動する。しかしながら、その変動分、すなわち前記交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣの、非変動分、すなわち前記直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣに対する割合は、抹消血管の状態の個人差や、周囲の寒暖の状態による血管収縮状態の違い等によって変化し、大きい場合は１０％以上あるが、小さい場合には０．５％以下になることもある。
【０００７】
上述の特許文献１では、上述のように外光成分や回路のオフセット成分については除去できるが、このような微小な交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣを良好なＳ／Ｎで測定できないという問題がある。そのために、電流電圧変換回路のフィードバック抵抗を大きくして増幅率を上げようとしても、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣも合わせて増幅され、オペアンプの出力が飽和して充分な増幅ができない。また、その結果、後段の増幅回路においても回路の飽和が起こらない範囲でしか増幅ができず、ここでもＳ／Ｎ的に不利な状況となり、安定した測定ができなくなる。
【０００８】
本発明の目的は、脈動によって変動する交流成分が小さくても、その部分を充分増幅して精度良く測定を行うことができるパルスオキシメータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のパルスオキシメータは、動脈血流のある生体組織に光を照射し、透過または反射した光を利用して、動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータにおいて、前記生体組織に第１および第２の波長の光を照射する第１および第２の光源と、前記生体組織を透過または反射した前記第１および第２の波長の光を受光する受光素子と、所定の第１の基準電圧を基準として、前記受光素子において発生した電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と、所定の第２の基準電圧を基準として、前記電流電圧変換された信号を増幅する増幅回路と、前記増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、変換されたデジタル信号から前記動脈血酸素飽和度を計算するとともに、前記第２の基準電圧よりも高く設定され、デジタル信号の非変動分に対応したレベルの前記第１の基準電圧を作成し、前記電流電圧変換回路に与える演算装置とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、生体における赤色光と赤外光との２つの波長の吸光特性の差を利用して動脈血酸素飽和度を非観血的に測定するためのパルスオキシメータにおいて、２つの光源からの波長の異なる光の前記生体組織の透過光または反射光を受光素子で光電変換し、得られた電流信号を電圧信号に変換して増幅するにあたって、電流電圧変換回路は所定の第１の基準電圧を基準として、前記電流信号を電圧信号に変換して増幅を行い、さらに２段目の増幅回路において前記電圧信号の振幅を増幅する。続いて、その増幅されたアナログの電圧信号をアナログ／デジタル変換回路においてデジタルの信号に変換し、演算装置（ＣＰＵ）が、その変換されたデジタル信号から前記動脈血酸素飽和度を計算する。このとき、前記第１の基準電圧を可変として、前記演算装置はまた、前記第２の基準電圧よりも高く設定され、前記デジタル信号の脈動（ＡＣ）分を除いた、非変動（ＤＣ）分に対応したレベルの前記第１の基準電圧を作成して前記電流電圧変換回路に与え、該電流電圧変換回路は、入力電流信号から前記非変動（ＤＣ）分を減算した脈動（ＡＣ）分を、該電流電圧変換回路が飽和しないレベルの大きなゲインで電圧に変換する。
【００１１】
これによって、前記増幅回路に入力される電圧信号は、該増幅回路の中心電圧に前記脈動分のボトム値が略一致した信号となり、出力される信号は該増幅回路の動作電圧の範囲内で大きな変動幅を有する信号となる。したがって、脈動で変動する部分を充分増幅して電圧に変換することができ、特に脈動が小さく、信号の交流成分が小さい測定条件の悪い低灌流の場合にも、精度良く測定を行うことができる。
【００１２】
また、本発明のパルスオキシメータは、前記第１および第２の光源を時間分割で相互に異なるタイミングで点灯を行わせるタイミング信号を発生する制御回路をさらに備え、前記受光素子は前記第１および第２の光源からの光を受光し、前記演算装置は、前記第１および第２の波長のそれぞれに適した基準電圧を作成し、前記タイミング信号に応答して前記電流電圧変換回路に与えるとともに、前記アナログ／デジタル変換回路からのデジタル信号を前記第１および第２の波長にそれぞれ対応したものであると認識して、前記第１の基準電圧の変化量分を補正して、前記動脈血酸素飽和度を計算することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、受光素子、電流電圧変換回路、増幅回路、アナログ／デジタル変換回路を時間分割で使用して前記赤色光と赤外光との２つの波長の吸光特性を検出するにあたって、制御回路から出力され、前記第１および第２の光源を時間分割で相互に異なるタイミングで点灯を行わせるタイミング信号を前記演算装置が取込み、前記アナログ／デジタル変換回路からのデジタル信号を前記第１および第２の波長にそれぞれ対応したものであると認識して前記動脈血酸素飽和度を計算する。その際、前述のとおり赤色光と赤外光との変化の割合の比を求める必要があり、直流成分も計算に使用するので、前記電流電圧変換回路の第１の基準電圧を変化させることで入力電流信号から減算しておいた直流成分の全てまたは一部を考慮して計算を行う。
【００１４】
したがって、前記赤色光と赤外光との２つの波長の電流信号に対する第１の基準電圧を可変として前記脈動（ＡＣ）分を良好なＳ／Ｎで検出するようにしても、直流成分も含めて求める動脈血酸素飽和度を正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のパルスオキシメータは、以上のように、生体における赤色光と赤外光との２つの波長の吸光特性の差を利用して動脈血酸素飽和度を非観血的に測定するためのパルスオキシメータにおいて、受光素子で得られた電流信号を電流電圧変換回路が所定の第１の基準電圧を基準として電圧信号に変換して増幅を行い、さらに２段目の増幅回路において前記電圧信号の振幅を増幅し、その増幅されたアナログの電圧信号をアナログ／デジタル変換回路においてデジタルの信号に変換し、演算装置（ＣＰＵ）が、その変換されたデジタル信号から前記動脈血酸素飽和度を計算するにあたって、前記第１の基準電圧を可変として、前記演算装置はまた、前記第２の基準電圧よりも高く設定され、前記デジタル信号の脈動（ＡＣ）分を除いた、非変動（ＤＣ）分に対応したレベルの前記第１の基準電圧を作成して前記電流電圧変換回路に与え、該電流電圧変換回路が、入力電流信号から前記非変動（ＤＣ）分を減算した脈動（ＡＣ）分を、該電流電圧変換回路が飽和しないレベルの大きなゲインで電圧に変換する。
【００１６】
それゆえ、前記増幅回路に入力される電圧信号は、該増幅回路の中心電圧に前記脈動分のボトム値が略一致した信号となり、出力される信号は該増幅回路の動作電圧の範囲内で大きな変動幅を有する信号となる。したがって、脈動で変動する部分を充分増幅して電圧に変換することができ、特に脈動が小さく、信号の交流成分が小さい測定条件の悪い低灌流の場合にも、精度良く測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施の一形態に係るパルスオキシメータ１０の電気的構成を示すブロック図である。このパルスオキシメータ１０では、発光回路１が、第１の波長である赤色光Ｒを発する第１の光源である発光素子２ａと、第２の波長である赤外光ＩＲを発する第２の光源である発光素子２ｂとを交互に点灯させ、それらから発せられた光Ｒ，ＩＲが生体３に入射し、一部が吸光された後、残りの透過光が受光素子４で検出される。シリコンフォトダイオードなどから成る前記受光素子４は、前記透過光を光電変換し、電流出力で電流電圧変換回路５に入力する。
【００１８】
前記電流電圧変換回路５は、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ１を基準として、前記受光素子４において発生した電流を電圧に変換するとともに増幅して、次段の増幅回路６に与える。増幅回路６は、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ２を基準として、前記電流電圧変換回路５からの電圧出力を増幅し、アナログ／デジタル変換回路７に与える。アナログ／デジタル変換回路７は、増幅回路６で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、演算装置８に与える。演算装置８は、ＣＰＵから成り、入力された前記光Ｒ，ＩＲに対応するデジタル信号から、後述するようにして前記動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２値）を計算するとともに、デジタル信号の非変動（ＤＣ）分に対応したレベルの前記基準電圧Ｖｒｅｆ１を作成し、Ｖｒｅｆ１調整回路９を介して、前記電流電圧変換回路５に与える。Ｖｒｅｆ１調整回路９は、デジタル／アナログ変換回路などで実現され、前記演算装置８からの出力データに対応したレベルの直流電圧を発生して、前記基準電圧Ｖｒｅｆ１として電流電圧変換回路５に与える。さらにこのパルスオキシメータ１０では、全体の動作を制御する制御回路１１が設けられており、該制御回路１１は前記発光回路１および演算装置８にタイミング信号を出力する。なお、１つのＣＰＵを使って、制御回路１１と演算装置８との機能を、そのＣＰＵに持たせるようにしてもよい。
【００１９】
図２は、前記電流電圧変換回路５への入力波形の例を示す図である。前記発光回路１は、前記タイミング信号に応答して、赤色光Ｒの発光素子２ａと赤外光ＩＲの発光素子２ｂとを、予め定める周期、たとえば１６ｍｓｅｃ毎に、相互に半周期ずれて、交互に５００μｓｅｃずつ点灯させる。それによる前記受光素子４の光電変換出力は、この図２に示すようなものであり、理解し易くするために、図３で示すように赤色光Ｒの成分のみを抜出すと、脈動によって変化する部分（ＡＣ成分）と、脈動によって変化しない部分（ＤＣ成分）とが含まれている。
【００２０】
そこで本発明では、反転増幅のオペアンプである電流電圧変換回路５の非反転入力端に、従来ではＧＮＤレベルや所定の固定値が入力されていたのに対して、可変の前記基準電圧Ｖｒｅｆ１を入力するようにし、この基準電圧Ｖｒｅｆ１を基準に、マイナス方向に振れて増幅を行うようにする（ダイナミックレンジを確保する）。これによって、電流電圧変換回路５のフィードバックゲイン抵抗の値を大きく取ることができ、Ｓ／Ｎを改善することができる。またこの電流電圧変換回路５の基準電圧Ｖｒｅｆ１を増幅回路６の基準電圧Ｖｒｅｆ２より高く設定することによって、増幅回路６にＶｒｅｆ２基準でＡＣ成分のみの信号を入力する。図４に、その電流電圧変換出力を示す。一方、増幅回路６と同一の固定値の基準電圧Ｖｒｅｆ２を入力した従来の電流電圧変換出力を図５に示す。
【００２１】
したがって、前記増幅回路６に入力される電圧信号は、該増幅回路６の中心電圧に前記脈動（ＡＣ）分のボトム値が略一致した信号となり、出力される信号は、図６で示すように、該増幅回路６の動作電圧Ｖ１の範囲内で大きな変動幅を有する信号となる。これに対して、前記増幅回路６に図５で示すような従来の電圧信号が入力されると、その出力は、図７で示すように、前記動作電圧Ｖ１の範囲内で、非変動（ＤＣ）分が多く占め、変動幅の小さな信号となる。したがって、アナログ／デジタル変換回路７が同じ分解能でアナログ／デジタル変換を行い、演算装置８が演算を行った場合、脈動の割合が前記０．５％にもなると、従来では精度が確保できなくなるのに対して、本発明では充分な精度を確保できることが理解される。
【００２２】
前記演算装置８での演算は、前記のとおり、赤色光の変化した交流成分をＲＡＣ、赤外光の変化した交流成分をＩＲＡＣ、赤色光の変化していない直流成分をＲＤＣ、赤外光の変化していない直流成分をＩＲＤＣとするとき、
Ｐ＝（ＲＡＣ／ＲＤＣ）／（ＩＲＡＣ／ＩＲＤＣ）
から赤色光と赤外光との変化割合の比Ｐを求め、その比Ｐに対して、発光素子２ａ，２ｂの波長や半値幅等の特性に合わせて、図８で示すように予め対応付けて求められている動脈血酸素飽和度（ＳｐＯ２値）を求める。求められたＳｐＯ２値は、図示しない表示装置や外部のデータ記録装置などへ出力される。
【００２３】
したがって、演算には直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣが必要になるが、演算装置８は、発光回路１において発光素子２ａ，２ｂの点灯制御に使用される制御回路１１からのタイミング信号に応答して、前記Ｖｒｅｆ１調整回路９に出力したデータを記憶しており、前記の演算にあたっては、そのデータに対応した前記基準電圧Ｖｒｅｆ１に、前記電流電圧変換回路５および増幅回路６におけるゲインならびにアナログ／デジタル変換回路７の１ビットあたりの信号の大きさ（分解能）を乗算して、前記直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを求める。
【００２４】
以上のように、本発明のパルスオキシメータ１０は、生体における赤色光Ｒと赤外光ＩＲとの２つの波長の吸光特性の差を利用して動脈血酸素飽和度を測定するにあたって、２つの発光素子２ａ，２ｂからの光の生体３での透過光を受光素子４で光電変換し、得られた電流信号を電圧信号に変換して増幅する電流電圧変換回路５の基準電圧Ｖｒｅｆ１を、直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを除去するレベルとし、これによって該電流電圧変換回路５が交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣのみを増幅して出力するようにし、さらにその出力信号のボトム値を次段の増幅回路６の中心電圧に略一致した信号とするので、増幅回路６から出力される信号は該増幅回路６の動作電圧の範囲内の大きな変動幅を有する信号となる。したがって、脈動で変化する部分を充分増幅して電圧に変換することができ、特に脈動が小さく、信号の交流成分が小さい測定条件の悪い低灌流の場合にも、精度良く測定を行うことができる。
【００２５】
また、そのように可変基準電圧Ｖｒｅｆ１で直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを除去して交流成分ＲＡＣ，ＩＲＡＣのみを良好なＳ／Ｎで検出するようにしても、演算装置８は、その直流成分ＲＤＣ，ＩＲＤＣを考慮して動脈血酸素飽和度を計算するので、該動脈血酸素飽和度を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の一形態に係るパルスオキシメータの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】電流電圧変換回路に入力されるシリコンフォトダイオードの電流出力において、赤色光と赤外光との両方の波形を表す図である。
【図３】前記図２で示す電流電圧変換回路に入力されるシリコンフォトダイオードの電流出力のうち、赤色光についての波形を表す図である。
【図４】本発明による前記電流電圧変換回路の電圧出力のうち、赤色光の波形を表す図である。
【図５】従来技術による電流電圧変換回路の電圧出力のうち、赤色光の波形を表す図である。
【図６】図４で示す電圧出力の増幅波形を表す図である。
【図７】図５で示す電圧出力の増幅波形を表す図である。
【図８】（ＲＡＣ／ＲＤＣ）／（ＩＲＡＣ／ＩＲＤＣ）とＳｐＯ２値との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１    発光回路
２ａ    赤色光の発光素子
２ｂ    赤外光の発光素子
３    生体
４    受光素子
５    電流電圧変換回路
６    増幅回路
７    アナログ／デジタル変換回路
８    演算装置（ＣＰＵ）
９    Ｖｒｅｆ１調整回路
１０    パルスオキシメータ
１１    制御回路
【図１】
0004962234.tif 000002
【図２】
0004962234.tif 000003
【図３】
0004962234.tif 000004
【図４】
0004962234.tif 000005
【図５】
0004962234.tif 000006
【図６】
0004962234.tif 000007
【図７】
0004962234.tif 000008
【図８】
0004962234.tif 000009