JP2003235819A - 信号処理方法および脈波信号処理方法 - Google Patents
信号処理方法および脈波信号処理方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 脈波信号に重畳した体動等のノイズを除去し
て表示し、精度の良い酸素飽和度を演算する。 【解決手段】 パルスフォトメトリ法を用いて、酸素飽
和度を測定するに当たっての信号処理方法に関する。赤
外光と赤色光の脈波の所定期間のデータをそれぞれフー
リエ変換して周波数スペクトルまたは周波数パワースペ
クトルを演算する。次に、周波数軸上で、相互の差およ
び和の比の演算をして正規化する。その結果において、
基本周波数における演算値、ノイズ周波数における演算
値から、信号成分の振幅比、ノイズの比を求め、精度の
良い酸素飽和度の値を演算し、またノイズが除去された
脈波を求める。
て表示し、精度の良い酸素飽和度を演算する。 【解決手段】 パルスフォトメトリ法を用いて、酸素飽
和度を測定するに当たっての信号処理方法に関する。赤
外光と赤色光の脈波の所定期間のデータをそれぞれフー
リエ変換して周波数スペクトルまたは周波数パワースペ
クトルを演算する。次に、周波数軸上で、相互の差およ
び和の比の演算をして正規化する。その結果において、
基本周波数における演算値、ノイズ周波数における演算
値から、信号成分の振幅比、ノイズの比を求め、精度の
良い酸素飽和度の値を演算し、またノイズが除去された
脈波を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、信号処理方法に関
し、特にパルスフォトメトリによる酸素飽和度測定等に
おいて用いることができる、脈波のノイズ除去に関す
る。
し、特にパルスフォトメトリによる酸素飽和度測定等に
おいて用いることができる、脈波のノイズ除去に関す
る。
【０００２】動脈血の酸素飽和度を非観血的に連続測定
するには、従来からパルスオキシメータが用いられてい
る。このパルスオキシメータでは、プローブを被験者の
指先や耳朶に装着し、プローブから赤と赤外の異なる波
長の光を生体に時分割に照射して、異なる２波長の透過
光または反射光から得られる吸光度の脈動成分の比Φか
ら酸素飽和度Ｓを測定するものである。赤色光には、例
えば６６０ｎｍの基準波長が用いられると共に、赤外光
には、例えば９４０ｎｍの波長が用いられ、プローブ内
にはこれらの波長を発生する２つの発光ダイオードと受
光用の１つのフォトダイオードが内蔵されている。い
ま、赤外光の波長の吸光度の脈動成分をＳ１、赤色光の
波長の吸光度の脈動成分をＳ２とすると、異なる２波長
の吸光度の比Φは、次式で与えられる。 Φ＝Ｓ２／Ｓ１ （１） Ｓ＝ｆ（Φ） （２）
するには、従来からパルスオキシメータが用いられてい
る。このパルスオキシメータでは、プローブを被験者の
指先や耳朶に装着し、プローブから赤と赤外の異なる波
長の光を生体に時分割に照射して、異なる２波長の透過
光または反射光から得られる吸光度の脈動成分の比Φか
ら酸素飽和度Ｓを測定するものである。赤色光には、例
えば６６０ｎｍの基準波長が用いられると共に、赤外光
には、例えば９４０ｎｍの波長が用いられ、プローブ内
にはこれらの波長を発生する２つの発光ダイオードと受
光用の１つのフォトダイオードが内蔵されている。い
ま、赤外光の波長の吸光度の脈動成分をＳ１、赤色光の
波長の吸光度の脈動成分をＳ２とすると、異なる２波長
の吸光度の比Φは、次式で与えられる。 Φ＝Ｓ２／Ｓ１ （１） Ｓ＝ｆ（Φ） （２）
【０００３】このようなパルスオキシメータでは、測定
中に患者に体動等が起きると、プローブで検出される脈
波にノイズ成分が混入してしまい、正確に酸素飽和度Ｓ
を測定できなくなる。そこで、このようなノイズの影響
を除去する試みが従来から種々なされている。
中に患者に体動等が起きると、プローブで検出される脈
波にノイズ成分が混入してしまい、正確に酸素飽和度Ｓ
を測定できなくなる。そこで、このようなノイズの影響
を除去する試みが従来から種々なされている。
【０００４】例えば、酸素飽和度を測定するに当り、測
定された脈波信号Ｓ１、Ｓ２には、信号成分ｓ１、ｓ２
とノイズ成分ｎ１、ｎ２が含まれると考え、信号成分ｓ
１とノイズ成分ｎ１の相関が最小になるようなｓ１とｓ
２の比を求めるように構成した信号処理方法が提案され
ている（特許文献１参照）。
定された脈波信号Ｓ１、Ｓ２には、信号成分ｓ１、ｓ２
とノイズ成分ｎ１、ｎ２が含まれると考え、信号成分ｓ
１とノイズ成分ｎ１の相関が最小になるようなｓ１とｓ
２の比を求めるように構成した信号処理方法が提案され
ている（特許文献１参照）。
【０００５】しかしながら、前記特許文献１に記載され
るような信号処理方法には、次のような問題があった。
すなわち、信号成分ｓ１とノイズ成分ｎ１の相関が最小
になるようなｓ１とｓ２の比を求めるために、順次その
比の値を変えながら演算する必要があり、演算量が膨大
となって、測定装置に相当の演算負荷が掛かる他、演算
処理時間が掛かり、即時演算性に問題があった。
るような信号処理方法には、次のような問題があった。
すなわち、信号成分ｓ１とノイズ成分ｎ１の相関が最小
になるようなｓ１とｓ２の比を求めるために、順次その
比の値を変えながら演算する必要があり、演算量が膨大
となって、測定装置に相当の演算負荷が掛かる他、演算
処理時間が掛かり、即時演算性に問題があった。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６３２２７２号明細書（特
許請求の範囲、明細書全文）
許請求の範囲、明細書全文）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、その目的は、演
算量も少なく、即時にノイズ成分を測定信号から除去す
ることにある。特に、体動等によるノイズが重畳された
脈波であっても、ノイズを除去し本来の脈波を再現する
ことにある他、パルスフォトメトリ法による酸素飽和度
を精度良く測定する方法を提供することである。
を解決するためになされたものであり、その目的は、演
算量も少なく、即時にノイズ成分を測定信号から除去す
ることにある。特に、体動等によるノイズが重畳された
脈波であっても、ノイズを除去し本来の脈波を再現する
ことにある他、パルスフォトメトリ法による酸素飽和度
を精度良く測定する方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る同じ基本周
波数を有し連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒ
を処理する信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび
前記第２の信号Ｒのそれぞれについて、所定期間におい
て、周波数スペクトルまたは周波数パワースペクトルを
演算し、前記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記
第２の信号Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演
算ステップと、前記スペクトル演算ステップにより演算
された前記第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを
用い、周波数軸上で、相互の差および和の比の演算、ま
たはそれと等価の演算をするスペクトル正規化演算ステ
ップと、前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演
算された結果における、前記基本周波数における演算値
を用いて、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅お
よび前記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを
求める信号成分振幅比演算ステップと、を有することを
特徴とする（請求項１）。これをもって、前記第１の信
号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合
であっても、その信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ
２の振幅の比ΦＡを求めることを目的とする。
波数を有し連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒ
を処理する信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび
前記第２の信号Ｒのそれぞれについて、所定期間におい
て、周波数スペクトルまたは周波数パワースペクトルを
演算し、前記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記
第２の信号Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演
算ステップと、前記スペクトル演算ステップにより演算
された前記第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを
用い、周波数軸上で、相互の差および和の比の演算、ま
たはそれと等価の演算をするスペクトル正規化演算ステ
ップと、前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演
算された結果における、前記基本周波数における演算値
を用いて、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅お
よび前記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを
求める信号成分振幅比演算ステップと、を有することを
特徴とする（請求項１）。これをもって、前記第１の信
号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合
であっても、その信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ
２の振幅の比ΦＡを求めることを目的とする。
【０００９】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項２）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された２つの脈波
の吸光度比ΦＡを求めることを目的とする。
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項２）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された２つの脈波
の吸光度比ΦＡを求めることを目的とする。
【００１０】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲは、パルスフォトメトリ法によ
り測定された赤外光脈波に関するデータであり、前記第
２の信号Ｒは、パルスフォトメトリ法により測定された
赤色光脈波に関するデータであり、さらに、前記信号成
分振幅比演算ステップにより演算された比ΦＡを用い
て、酸素飽和度を測定することを特徴とする（請求項
３）。これをもって、パルスフォトメトリ法により測定
された赤外光および赤色光の脈波の吸光度比ΦＡを求
め、精度のよい酸素飽和度を測定することを目的とす
る。
に、前記第１の信号ＩＲは、パルスフォトメトリ法によ
り測定された赤外光脈波に関するデータであり、前記第
２の信号Ｒは、パルスフォトメトリ法により測定された
赤色光脈波に関するデータであり、さらに、前記信号成
分振幅比演算ステップにより演算された比ΦＡを用い
て、酸素飽和度を測定することを特徴とする（請求項
３）。これをもって、パルスフォトメトリ法により測定
された赤外光および赤色光の脈波の吸光度比ΦＡを求
め、精度のよい酸素飽和度を測定することを目的とす
る。
【００１１】また、本発明に係る同じ基本周波数を有し
連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する
信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の
信号Ｒのそれぞれについて、所定期間において、周波数
スペクトルまたは周波数パワースペクトルを演算し、前
記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記第２の信号
Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演算ステップ
と、前記スペクトル演算ステップにより演算された前記
第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波
数軸上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと
等価の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、前
記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された結
果における、前記基本周波数における演算値を用いて、
前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前記第
２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める信号
成分振幅比演算ステップと、前記スペクトル正規化演算
ステップにおいて演算された結果における、ノイズ基本
周波数における演算値を用いて、前記第１の信号ＩＲの
ノイズ成分Ｎ１の振幅および前記第２の信号Ｒのノイズ
成分Ｎ２の振幅の比ΦＮを求めるノイズ成分振幅比演算
ステップと、前記信号成分振幅比演算ステップにおいて
求めた前記比ΦＡおよび前記ノイズ成分振幅比演算ステ
ップにおいて求めた前記比ΦＮを用いて、前記第１の信
号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒからノイズを除去する処
理を行うノイズ除去処理ステップと、を有することを特
徴とする（請求項４）。これをもって、前記第１の信号
ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合で
あっても、ノイズ成分を除去し、その信号成分Ｓ１の振
幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求めることを目
的とする。
連続する第１の信号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する
信号処理方法は、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の
信号Ｒのそれぞれについて、所定期間において、周波数
スペクトルまたは周波数パワースペクトルを演算し、前
記第１の信号ＩＲの第１スペクトルと、前記第２の信号
Ｒの第２スペクトルを演算するスペクトル演算ステップ
と、前記スペクトル演算ステップにより演算された前記
第１スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波
数軸上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと
等価の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、前
記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された結
果における、前記基本周波数における演算値を用いて、
前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前記第
２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める信号
成分振幅比演算ステップと、前記スペクトル正規化演算
ステップにおいて演算された結果における、ノイズ基本
周波数における演算値を用いて、前記第１の信号ＩＲの
ノイズ成分Ｎ１の振幅および前記第２の信号Ｒのノイズ
成分Ｎ２の振幅の比ΦＮを求めるノイズ成分振幅比演算
ステップと、前記信号成分振幅比演算ステップにおいて
求めた前記比ΦＡおよび前記ノイズ成分振幅比演算ステ
ップにおいて求めた前記比ΦＮを用いて、前記第１の信
号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒからノイズを除去する処
理を行うノイズ除去処理ステップと、を有することを特
徴とする（請求項４）。これをもって、前記第１の信号
ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合で
あっても、ノイズ成分を除去し、その信号成分Ｓ１の振
幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求めることを目
的とする。
【００１２】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項５）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることを目的とす
る。
に、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パ
ルスフォトメトリ法により測定された脈波に関するデー
タであることを特徴とする（請求項５）。これをもっ
て、パルスフォトメトリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることを目的とす
る。
【００１３】また、本発明に係る信号処理方法は、さら
に、前記ノイズ除去処理ステップによりノイズが除去さ
れた前記第１の信号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒを、表
示部に表示させることを特徴とする（請求項６）。これ
をもって、パルスフォトメトリ法により測定された脈波
からノイズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させ
ることを目的とする。
に、前記ノイズ除去処理ステップによりノイズが除去さ
れた前記第１の信号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒを、表
示部に表示させることを特徴とする（請求項６）。これ
をもって、パルスフォトメトリ法により測定された脈波
からノイズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させ
ることを目的とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る信号処理方法
としての脈波信号処理方法およびそれを利用したパルス
オキシメータの実施の形態を、図面を参照しながら詳細
に説明する。図１は、本発明の実施の形態のパルスオキ
シメータである。プローブ１は、発光部２と受光部３を
備え、これらにより指先（生体組織）４を挾持する構成
となっている。発光部２は、第１波長光である赤外光
（波長λ１：９４０ｎｍ）と第２波長光である赤色光
（波長λ２：６６０ｎｍ）とをそれぞれ発光する２つの
発光ダイオードを備えている。発光部２は、発光部駆動
回路５により駆動されるものであり、赤色光と赤外光は
交互に発光される。受光部３は、フォトダイオードを備
え、指先の透過光を受光し、その透過光強度に応じた電
気信号を出力するものである。受光部３の出力信号は、
受光信号増幅回路６で増幅され、復調回路７で復調され
るようになっている。復調回路７は、赤色光と赤外光に
応じたそれぞれの信号を分けて出力する。これらの信号
は、増幅器９ａ、９ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０
ａ、１０ｂでデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ（セン
トラルプロセッシングユニット）８に入力されるように
なっている。ＣＰＵ８は、復調回路７と発光部駆動回路
５を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換器１０ａ、１０ｂから
与えられる信号を処理して、その結果を表示部１１に出
力する。本発明では、この信号処理における脈波のノイ
ズ除去処理に特徴がある。表示部１１に出力される結果
は、ノイズが除去された脈波波形、脈拍数、ＳｐＯ2 値
（酸素飽和度Ｓ）である。
としての脈波信号処理方法およびそれを利用したパルス
オキシメータの実施の形態を、図面を参照しながら詳細
に説明する。図１は、本発明の実施の形態のパルスオキ
シメータである。プローブ１は、発光部２と受光部３を
備え、これらにより指先（生体組織）４を挾持する構成
となっている。発光部２は、第１波長光である赤外光
（波長λ１：９４０ｎｍ）と第２波長光である赤色光
（波長λ２：６６０ｎｍ）とをそれぞれ発光する２つの
発光ダイオードを備えている。発光部２は、発光部駆動
回路５により駆動されるものであり、赤色光と赤外光は
交互に発光される。受光部３は、フォトダイオードを備
え、指先の透過光を受光し、その透過光強度に応じた電
気信号を出力するものである。受光部３の出力信号は、
受光信号増幅回路６で増幅され、復調回路７で復調され
るようになっている。復調回路７は、赤色光と赤外光に
応じたそれぞれの信号を分けて出力する。これらの信号
は、増幅器９ａ、９ｂで増幅され、Ａ／Ｄ変換器１０
ａ、１０ｂでデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ（セン
トラルプロセッシングユニット）８に入力されるように
なっている。ＣＰＵ８は、復調回路７と発光部駆動回路
５を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換器１０ａ、１０ｂから
与えられる信号を処理して、その結果を表示部１１に出
力する。本発明では、この信号処理における脈波のノイ
ズ除去処理に特徴がある。表示部１１に出力される結果
は、ノイズが除去された脈波波形、脈拍数、ＳｐＯ2 値
（酸素飽和度Ｓ）である。
【００１５】以下、図２に示したフローチャートに沿っ
て説明する。 （ステップ１）の「スタート」において、測定装置を起
動させる。 （ステップ２）「生体組織を透過または反射した赤外光
（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈波測定」については、図１
で説明したように、赤外光（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈
波が測定され、ＣＰＵ８に入力される。図３に示すよう
な脈波波形が測定される。ここで、酸素飽和度Ｓは、前
述したように、吸光度の比Φの関数ｆとして産出するこ
とができる。これを説明すると、まず、 赤外光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：ＩＲ 赤色光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：Ｒ とする。これらの比により、それぞれの波長における吸
光度の脈動成分が近似される。また、それぞれの脈動成
分には、本来の脈動による信号成分ＳｉとノイズＮｉが
含まれる。つまり、 ＩＲ＝Ｓ１＋Ｎ１ （３） Ｒ＝Ｓ２＋Ｎ２ （４） ここで、 Ｓ１：信号成分、Ｎ１：ノイズ成分 Ｓ２：信号成分、Ｎ２：ノイズ成分 である。また、ここで次のように定義する。 ΦＡ＝Ｓ２／Ｓ１ （５） ΦＮ＝Ｎ２／Ｎ１ （６） このとき、酸素飽和度Ｓとの間で、 Ｓ＝ｆ（ΦＡ） （７） の関係が成り立つのである。なお、ノイズ成分が除去さ
れない状態で、式（５）の代わりに、 Φ＝Ｒ／ＩＲ （８） を用いると、酸素飽和度Ｓを演算した結果も測定誤差を
含むことになる。
て説明する。 （ステップ１）の「スタート」において、測定装置を起
動させる。 （ステップ２）「生体組織を透過または反射した赤外光
（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈波測定」については、図１
で説明したように、赤外光（ＩＲ）・赤色光（Ｒ）の脈
波が測定され、ＣＰＵ８に入力される。図３に示すよう
な脈波波形が測定される。ここで、酸素飽和度Ｓは、前
述したように、吸光度の比Φの関数ｆとして産出するこ
とができる。これを説明すると、まず、 赤外光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：ＩＲ 赤色光の透過光または反射光から得られる脈波の直流成
分に対する脈動成分の比：Ｒ とする。これらの比により、それぞれの波長における吸
光度の脈動成分が近似される。また、それぞれの脈動成
分には、本来の脈動による信号成分ＳｉとノイズＮｉが
含まれる。つまり、 ＩＲ＝Ｓ１＋Ｎ１ （３） Ｒ＝Ｓ２＋Ｎ２ （４） ここで、 Ｓ１：信号成分、Ｎ１：ノイズ成分 Ｓ２：信号成分、Ｎ２：ノイズ成分 である。また、ここで次のように定義する。 ΦＡ＝Ｓ２／Ｓ１ （５） ΦＮ＝Ｎ２／Ｎ１ （６） このとき、酸素飽和度Ｓとの間で、 Ｓ＝ｆ（ΦＡ） （７） の関係が成り立つのである。なお、ノイズ成分が除去さ
れない状態で、式（５）の代わりに、 Φ＝Ｒ／ＩＲ （８） を用いると、酸素飽和度Ｓを演算した結果も測定誤差を
含むことになる。
【００１６】ここで、上記各式を用いて式変形を試み
る。まず、測定された信号から信号成分を取り除くた
め、次のような定義をし、式変形をする。 ここで、式（５）よりＳ２＝ΦＡ・Ｓ１であるから、さ
らに式変形をして、 Ｎ′＝（Ｓ２−Ｓ２）＋（Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１） ＝Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１ ＝Ｎ１・（Ｎ／Ｎ２−ΦＡ） また、式（６）より、 Ｎ′＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ） となる。つまり、 Ｎ′＝Ｒ−ΦＡ・ＩＲ ＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ） であるから、 Ｎ１＝（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （１０） ＝Ｎ′／（ΦＮ−ΦＡ） （１１） Ｎ２＝Ｎ１・ΦＮ と式変形できる。
る。まず、測定された信号から信号成分を取り除くた
め、次のような定義をし、式変形をする。 ここで、式（５）よりＳ２＝ΦＡ・Ｓ１であるから、さ
らに式変形をして、 Ｎ′＝（Ｓ２−Ｓ２）＋（Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１） ＝Ｎ２−ΦＡ・Ｎ１ ＝Ｎ１・（Ｎ／Ｎ２−ΦＡ） また、式（６）より、 Ｎ′＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ） となる。つまり、 Ｎ′＝Ｒ−ΦＡ・ＩＲ ＝Ｎ１・（ΦＮ−ΦＡ） であるから、 Ｎ１＝（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （１０） ＝Ｎ′／（ΦＮ−ΦＡ） （１１） Ｎ２＝Ｎ１・ΦＮ と式変形できる。
【００１７】一方、測定されたＩＲ、Ｒをフーリエ変換
し、スペクトルの絶対値ないしパワースペクトルを演算
することで、脈波の特徴的な情報が得られることを説明
する。測定された第１波長の赤外光（ＩＲ）および第２
波長の赤色光（Ｒ）についての脈波が、図３に示すよう
に得られる。そして、所定期間毎（期間［ｉ］、期間
［ｉ＋１］、期間［ｉ＋２］、・・・）に、それぞれの
データサンプルを用いてフーリエ変換を行い、スペクト
ルの絶対値ないしパワースペクトルを求める。図４
（ａ）、（ｂ）に、赤外光（ＩＲ）のスペクトル（Spc.
ＩＲ）、赤色光（Ｒ）のスペクトル（Spc.Ｒ）を示す。
さらに、周波数に合わせて、下記の演算をすることによ
り、図５に示すようになる。 （Spc.ＩＲ−Spc.Ｒ）／（Spc.ＩＲ＋Spc.Ｒ） （１２） なお、この等価の演算式として次の式（１３）を用いて
もよい。 ｛１−（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝／｛１＋（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝ （１３） ここで、Spc.Ｒ／Spc.ＩＲは、Φに等しいと置けるの
で、 （１−Φ）／（１＋Φ） （１４） とも表すことができる。従って、脈波の基本周波数ｆｓ
における値は、 （１−ΦＡ）／（１＋ΦＡ） （１５） である。また、ノイズｆｎにおける値は、 （１−ΦＮ）／（１＋ΦＮ） （１６） である。
し、スペクトルの絶対値ないしパワースペクトルを演算
することで、脈波の特徴的な情報が得られることを説明
する。測定された第１波長の赤外光（ＩＲ）および第２
波長の赤色光（Ｒ）についての脈波が、図３に示すよう
に得られる。そして、所定期間毎（期間［ｉ］、期間
［ｉ＋１］、期間［ｉ＋２］、・・・）に、それぞれの
データサンプルを用いてフーリエ変換を行い、スペクト
ルの絶対値ないしパワースペクトルを求める。図４
（ａ）、（ｂ）に、赤外光（ＩＲ）のスペクトル（Spc.
ＩＲ）、赤色光（Ｒ）のスペクトル（Spc.Ｒ）を示す。
さらに、周波数に合わせて、下記の演算をすることによ
り、図５に示すようになる。 （Spc.ＩＲ−Spc.Ｒ）／（Spc.ＩＲ＋Spc.Ｒ） （１２） なお、この等価の演算式として次の式（１３）を用いて
もよい。 ｛１−（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝／｛１＋（Spc.Ｒ／Spc.ＩＲ）｝ （１３） ここで、Spc.Ｒ／Spc.ＩＲは、Φに等しいと置けるの
で、 （１−Φ）／（１＋Φ） （１４） とも表すことができる。従って、脈波の基本周波数ｆｓ
における値は、 （１−ΦＡ）／（１＋ΦＡ） （１５） である。また、ノイズｆｎにおける値は、 （１−ΦＮ）／（１＋ΦＮ） （１６） である。
【００１８】図５に示されるように、演算式（１２）〜
（１４）の結果には、脈波の基本周波数（心拍周期に対
応）ｆｓにピークＰｓ１が現れる。このピークＰｓ１の
値をξｓとする。また、ｆｓの高調波の周波数２ｆｓ、
３ｆｓ、・・・にピークＰｓ２、Ｐｓ３、・・・が現れ
る。また、Ｐｓ１付近にノイズによるピークＰｎが現れ
る。ピークＰｎの値をξｎとし、その周波数をｆｎとす
る。
（１４）の結果には、脈波の基本周波数（心拍周期に対
応）ｆｓにピークＰｓ１が現れる。このピークＰｓ１の
値をξｓとする。また、ｆｓの高調波の周波数２ｆｓ、
３ｆｓ、・・・にピークＰｓ２、Ｐｓ３、・・・が現れ
る。また、Ｐｓ１付近にノイズによるピークＰｎが現れ
る。ピークＰｎの値をξｎとし、その周波数をｆｎとす
る。
【００１９】そうとすると、式（１５）により、
（１−ΦＡ）／（１＋ΦＡ）＝ξｓ （１７）
ΦＡ＝（１−ξｓ）／（１＋ξｓ） （１８）
が成り立ち、また式（１６）により、
（１−ΦＮ）／（１＋ΦＮ）＝ξｎ （１９）
ΦＮ＝（１−ξｎ）／（１＋ξｎ） （２０）
が成り立つ。これにより、ΦＡ、ΦＮがそれぞれ演算で
きる。
きる。
【００２０】酸素飽和度Ｓは、式（１８）により求めら
れたΦＡを用いて、直接式（７）より求めることができ
る。また、式（３）、（４）、（１０）、（６）より、 Ｓ１＝ＩＲ−Ｎ１ ＝ＩＲ−（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （２１） Ｓ２＝Ｒ−Ｎ２ ＝Ｒ−Ｎ１・ΦＮ （２２） が成り立つ。よって、測定されたＩＲ、Ｒおよび演算さ
れたΦＡ、ΦＮを、式（２１）、（２２）に代入して演
算することにより、信号成分Ｓ１、Ｓ２を求めることが
できる。これを表示部（ディスプレイ）に表示させるこ
とができる。
れたΦＡを用いて、直接式（７）より求めることができ
る。また、式（３）、（４）、（１０）、（６）より、 Ｓ１＝ＩＲ−Ｎ１ ＝ＩＲ−（Ｒ−ΦＡ・ＩＲ）／（ΦＮ−ΦＡ） （２１） Ｓ２＝Ｒ−Ｎ２ ＝Ｒ−Ｎ１・ΦＮ （２２） が成り立つ。よって、測定されたＩＲ、Ｒおよび演算さ
れたΦＡ、ΦＮを、式（２１）、（２２）に代入して演
算することにより、信号成分Ｓ１、Ｓ２を求めることが
できる。これを表示部（ディスプレイ）に表示させるこ
とができる。
【００２１】そこで、（ステップ３）において、所定期
間における脈波データをフーリエ変換し、スペクトル
（スペクトルの絶対値またはパワースペクトル）を演算
する。そして、（ステップ４）では、（ステップ３）に
おいて得られたスペクトルを用いて、周波数毎に、式
（１５）、（１６）に基づき、基本周波数、ノイズ周波
数における演算値ξｓ、ξｎを演算する。次に、（ステ
ップ５）では、（ステップ４）において得られた演算値
ξｓ、ξｎから、式（１８）、（２０）を用いて、Φ
Ａ、ΦＮを演算する。さらに、（ステップ６）では、
（ステップ５）において得られたΦＡ、ΦＮから、式
（７）、（２１）または（２２）を用いて、酸素飽和度
Ｓ、脈波の信号成分Ｓ１またはＳ２を演算して、表示部
（ディスプレイ）に、酸素飽和度Ｓ、脈波の信号成分Ｓ
１またはＳ２を表示する。演算する期間は、フーリエ変
換に用いたデータ期間分（単位期間：期間［ｉ］）のデ
ータでよい。そして、（ステップ２）に戻り、次の所定
期間（フーリエ変換する単位期間：期間［ｉ＋１］）の
データを用いて、（ステップ２）〜（ステップ６）の処
理を繰り返す。「終了」させる場合（ステップ７）は、
測定装置をオフ状態とする。なお、単位期間は、脈波に
急激な変化が現れない期間、例えば６秒程度がよい。ま
た、本発明の適用は、酸素飽和度の測定に限られず、血
中にある吸光物質の濃度測定にも適用可能である。
間における脈波データをフーリエ変換し、スペクトル
（スペクトルの絶対値またはパワースペクトル）を演算
する。そして、（ステップ４）では、（ステップ３）に
おいて得られたスペクトルを用いて、周波数毎に、式
（１５）、（１６）に基づき、基本周波数、ノイズ周波
数における演算値ξｓ、ξｎを演算する。次に、（ステ
ップ５）では、（ステップ４）において得られた演算値
ξｓ、ξｎから、式（１８）、（２０）を用いて、Φ
Ａ、ΦＮを演算する。さらに、（ステップ６）では、
（ステップ５）において得られたΦＡ、ΦＮから、式
（７）、（２１）または（２２）を用いて、酸素飽和度
Ｓ、脈波の信号成分Ｓ１またはＳ２を演算して、表示部
（ディスプレイ）に、酸素飽和度Ｓ、脈波の信号成分Ｓ
１またはＳ２を表示する。演算する期間は、フーリエ変
換に用いたデータ期間分（単位期間：期間［ｉ］）のデ
ータでよい。そして、（ステップ２）に戻り、次の所定
期間（フーリエ変換する単位期間：期間［ｉ＋１］）の
データを用いて、（ステップ２）〜（ステップ６）の処
理を繰り返す。「終了」させる場合（ステップ７）は、
測定装置をオフ状態とする。なお、単位期間は、脈波に
急激な変化が現れない期間、例えば６秒程度がよい。ま
た、本発明の適用は、酸素飽和度の測定に限られず、血
中にある吸光物質の濃度測定にも適用可能である。
【００２２】
【発明の効果】以上、詳記したように、請求項１に係る
信号処理方法によれば、前記第１の信号ＩＲおよび前記
第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合であっても、その
信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡ
を求めることができる。
信号処理方法によれば、前記第１の信号ＩＲおよび前記
第２の信号Ｒにノイズが含まれる場合であっても、その
信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡ
を求めることができる。
【００２３】また、請求項２に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された２つの脈波
の信号成分についての吸光度比ΦＡを求めることができ
る。
ば、パルスフォトメモリ法により測定された２つの脈波
の信号成分についての吸光度比ΦＡを求めることができ
る。
【００２４】また、請求項３に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された赤外光およ
び赤色光の脈波の信号成分についての吸光度比ΦＡを求
め、精度の良い酸素飽和度を測定することができる。
ば、パルスフォトメモリ法により測定された赤外光およ
び赤色光の脈波の信号成分についての吸光度比ΦＡを求
め、精度の良い酸素飽和度を測定することができる。
【００２５】また、請求項４に係る信号処理方法によれ
ば、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイ
ズが含まれる場合であっても、ノイズ成分を除去し、そ
の信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比Φ
Ａを求めることができる。
ば、前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒにノイ
ズが含まれる場合であっても、ノイズ成分を除去し、そ
の信号成分Ｓ１の振幅および信号成分Ｓ２の振幅の比Φ
Ａを求めることができる。
【００２６】また、請求項５に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることができる。
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去し、信号成分を求めることができる。
【００２７】また、請求項６に係る信号処理方法によれ
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させること
ができる。
ば、パルスフォトメモリ法により測定された脈波からノ
イズ成分を除去された脈波を、表示部に表示させること
ができる。
【図１】本実施の形態に係る脈波信号処理を行う酸素飽
和度測定装置の構成を示すブロック回路図である。
和度測定装置の構成を示すブロック回路図である。
【図２】本実施の形態に係る脈波信号処理の操作プログ
ラムを示すフローチャート図である。
ラムを示すフローチャート図である。
【図３】本実施の形態に係る脈波信号処理の処理波形を
示すタイムチャート図である。
示すタイムチャート図である。
【図４】（ａ）は赤外光脈波のスペクトルを示す波形図
である。（ｂ）は赤色光脈波のスペクトルを示す波形図
である。
である。（ｂ）は赤色光脈波のスペクトルを示す波形図
である。
【図５】スペクトルの正規化の演算結果を示す波形図で
ある。
ある。
【符号の説明】
１ プローブ
２ 発光部
３ 受光部
４ 生体組織（指）
５ 発光部駆動回路
６ 受光信号増幅回路
７ 復調回路
８ ＣＰＵ
９ａ 増幅器
９ｂ 増幅器
１０ａ Ａ／Ｄ変換器
１０ｂ Ａ／Ｄ変換器
１１ 表示部
Claims (6)
- 【請求項１】 同じ基本周波数を有し連続する第１の信
号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する信号処理方法にお
いて、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒのそれぞれ
について、所定期間において、周波数スペクトルまたは
周波数パワースペクトルを演算し、前記第１の信号ＩＲ
の第１スペクトルと、前記第２の信号Ｒの第１スペクト
ルを演算するスペクトル演算ステップと、 前記スペクトル演算ステップにより演算された前記第１
スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波数軸
上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと等価
の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、前記基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前
記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める
信号成分振幅比演算ステップと、を有することを特徴と
する信号処理方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の信号処理方法において、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パルス
フォトメトリ法により測定された脈波に関するデータで
あることを特徴とする信号処理方法。 - 【請求項３】 請求項２記載の信号処理方法において、 前記第１の信号ＩＲは、パルスフォトメトリ法により測
定された赤外光脈波に関するデータであり、 前記第２の信号Ｒは、パルスフォトメトリ法により測定
された赤色光脈波に関するデータであり、 さらに、前記信号成分振幅比演算ステップにより演算さ
れた比ΦＡを用いて、酸素飽和度を測定することを特徴
とする信号処理方法。 - 【請求項４】 同じ基本周波数を有し連続する第１の信
号ＩＲおよび第２の信号Ｒを処理する信号処理方法にお
いて、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒのそれぞれ
について、所定期間において、周波数スペクトルまたは
周波数パワースペクトルを演算し、前記第１の信号ＩＲ
の第１スペクトルと、前記第２の信号Ｒの第２スペクト
ルを演算するスペクトル演算ステップと、 前記スペクトル演算ステップにより演算された前記第１
スペクトルおよび前記第２スペクトルを用い、周波数軸
上で、相互の差および和の比の演算、またはそれと等価
の演算をするスペクトル正規化演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、前記基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲの信号成分Ｓ１の振幅および前
記第２の信号Ｒの信号成分Ｓ２の振幅の比ΦＡを求める
信号成分振幅比演算ステップと、 前記スペクトル正規化演算ステップにおいて演算された
結果における、ノイズ基本周波数における演算値を用い
て、前記第１の信号ＩＲのノイズ成分Ｎ１の振幅および
前記第２の信号Ｒのノイズ成分Ｎ２の振幅の比ΦＮを求
めるノイズ成分振幅比演算ステップと、 前記信号成分振幅比演算ステップにおいて求めた前記比
ΦＡおよび前記ノイズ成分振幅比演算ステップにおいて
求めた前記比ΦＮを用いて、前記第１の信号ＩＲまたは
前記第２の信号Ｒからノイズを除去する処理を行うノイ
ズ除去処理ステップと、を有することを特徴とする信号
処理方法。 - 【請求項５】 請求項４記載の信号処理方法において、 前記第１の信号ＩＲおよび前記第２の信号Ｒは、パルス
フォトメトリ法により測定された脈波に関するデータで
あることを特徴とする信号処理方法。 - 【請求項６】 請求項４または請求項５記載の信号処理
方法において、 さらに、前記ノイズ除去処理ステップによりノイズが除
去された前記第１の信号ＩＲまたは前記第２の信号Ｒ
を、表示部に表示させることを特徴とする信号処理方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002361800A JP2003235819A (ja) | 2001-12-14 | 2002-12-13 | 信号処理方法および脈波信号処理方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001-381374 | 2001-12-14 | ||
| JP2001381374 | 2001-12-14 | ||
| JP2002361800A JP2003235819A (ja) | 2001-12-14 | 2002-12-13 | 信号処理方法および脈波信号処理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003235819A true JP2003235819A (ja) | 2003-08-26 |
Family
ID=27790859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002361800A Pending JP2003235819A (ja) | 2001-12-14 | 2002-12-13 | 信号処理方法および脈波信号処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003235819A (ja) |
Cited By (12)
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-
2002
- 2002-12-13 JP JP2002361800A patent/JP2003235819A/ja active Pending
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