JP4196209B2 - 信号処理方法及びそれを適用したパルスフォトメータ - Google Patents
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Description
酸素飽和度SpO2の測定装置を特にパルスオキシメータと呼んでいる。
本出願人は、特許第3270917号(特許文献1)において、異なる2つの波長の光を生体組織に照射して透過光から得られる2つの脈波のそれぞれの大きさを縦軸、横軸としてグラフを描き、その回帰直線を求め、その回帰直線の傾きに基づいて、動脈血中の酸素飽和度ないし吸光物質濃度を求めることを提案している。
この発明により、測定精度を高め、低消費電力化することができた。
しかし、各波長の脈波についての多くのサンプリングデータを用いて回帰直線ないしその傾きを求めるためには、なお多くの計算処理を要していた。
なお、この技術は、パルスオキシメータに限られず、特殊ヘモグロビン(一酸化炭素ヘモグロビン、Metヘモグロビンなど)、血中に注入された色素などの血中吸光物質をパルスフォトメトリーの原理を用いて測定する装置(パルスフォトメータ)に適用できる。
通常、測定は被測定部にプローブ1が装着される。
演算処理・制御部8で、異なる波長の光を発生する発生手段(LEDs)2、赤色発光ダイオード(以下R-LED)及び赤外光発光ダイオード(以下IR-LED)の発光タイミングが生成され、発光ダイオード駆動部4によってプローブ内のR-LED及びIR-LEDが交互に発光する。
LEDs2によって発せられた光は、プローブ装着部が装着された被測定部を透過しプローブ内の受光部PD(Photo Diode)3で受光される。
受光部PD3で光から電気に変換された信号は入力部5にて電圧に変換される。
この受光信号には、被測定部での脈動の光学特性を反映した成分がAC成分として現れる。
受光部PD3から得られた信号を、復調回路6で赤外光(IR)及び赤色光(R)の波長に分離・復調処理して、AD変換回路7によりそれぞれデジタル化された信号を演算処理・制御部8に与えて演算処理することによって、例えば、酸素飽和度SpO2を算出するものである。
組織の透過光の吸光度Aは、血液の減光度をAb、その他の組織の減光度をAtとすると、次式で表わされる。
Iin:入射光強度
E:血液の吸光係数
C:血中のヘモグロビン濃度
D:血液の厚み
血液の動脈により血液の厚みがD+ΔDとなったとき、(1)式は次のようになる。
Cn:ノイズ源の濃度
Dn:ノイズ源の厚み変化
で表現され、脈動成分を反映した波形(脈波)のみは得られず、ノイズが重畳した信号が観測される。
この場合の吸光度比Φ’は
図2(a)は各波長での所定時間毎の透過光強度データの対数を取り、その平均値をゼロとする処理もしくは低域除去フィルタ処理を行った波形である。
図2(a)のほぼ同時刻(脈波の周波数成分に比べて十分短い)に測定された波形データを用いて、横軸に赤外光の振幅、縦軸に赤色光の振幅として表したグラフを図2(b)に示す。
観測データが脈波成分のみを反映していれば、このグラフはほぼ直線上にのり、この直線の傾きが吸光度比Φsを表す。
しかし、図3(a)に示すようにノイズが重畳した場合、ノイズは脈波成分とは異なり、ノイズの吸光度比と動脈の吸光度比の合成された結果となる(図3(b))。
このノイズの除去の手法としては、従来から周波数解析手法及び独立成分分析が知られている。
また、独立成分分析手法では、測定信号が測定脈波データ以上の独立成分に分解できないため、複数ノイズ源が存在した場合に分離が困難であるという問題があった。
また、ノイズを除去した脈波データを用いたパルスフォトメータを提供することにある。
前記各波長の測定脈波データを複数の周波数帯域毎に分割して、各周波数帯域毎の吸光度比を求めるステップと、
前記各周波数帯域毎の吸光度比の同一性の有無により、測定脈波データのノイズの混入の有無を判定するステップとで測定脈波データの信号処理を実行する。(請求項1)
前記各波長の測定脈波データに対して、既知の或いは予め求められた吸光度比を用いたアフィン変換により測定脈波データを白色化処理を
、以下の式
(ここでSは信号成分であり、Nはノイズ成分である。s1は第1の電気信号、s2は第2の電気信号、φ=tan −1 Φ。Φは吸光度比、θは−φからπ/2−φの範囲で変化)により実行し、θは信号成分Sのノルムを最小とする。(請求項3)
また、請求項2に記載の方法で求めたノイズの混入が無いと判定された吸光度比を、前記既知の吸光度比として用いる。(請求項4)
また、前記請求項3又は4のいずれかの方法で、異なる2つの波長の光を生体組織に照射して透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して得られた各波長の測定脈波データを処理して分離した脈波信号とノイズ信号との周波数解析により、各周波数成分毎のS/N比を得る。(請求項5)
また、前記分離された信号成分から、脈拍波形を得るパルスフォトメータ。(請求項7)
また、前記分離された信号成分から、脈の検出或いは周波数解析から脈拍数を算出するパルスフォトメータ。(請求項8)
また、既知の吸光度比の利用にはアフィン変換を用い、観測信号を白色化(whitening)し、脈波信号とノイズ信号とを分離、ノイズの軽減された脈波信号を取得することが可能である。
また、脈波信号周波数帯域内を複数の範囲に分離し、周波数帯域毎の吸光度比主成分を求め、その同一性を利用することで観測信号にノイズが混入していないかを判定することができる。
また、既知の吸光度比を利用したアフィン変換は、既知の吸光度比を利用した一回目の回転と、ノイズを除去するのに適した係数を決定でき、ノイズの軽減された脈波信号を取得することが可能である。
また、ノイズの軽減された脈波信号から、脈の検出或いは周波数解析から脈拍数を求めることができる。
また、脈波信号周波数帯域内を複数の範囲に分離する事で、信号源の数を減らし、周波数範囲毎に白色化(whitening)する事で、脈波信号の吸光度比とノイズ信号の吸光度比とを求めることができる。
また、脈波信号とノイズ信号とを分離して得られるので、周波数毎のS/N比が求められ、信号の評価指標に利用できる。
先ず、図1の構成のプローブ内の受光部PD(Photo Diode)3で受光した光を入力部5にて電圧に変換される。
この受光信号には、被測定部での脈動の光学特性を反映した成分がAC成分として現れる。
受光部PD3から得られた信号を、復調回路6で赤外光(IR)及び赤色光(R)の波長に分離・復調処理して、AD変換回路7によりそれぞれデジタル化する。
IR={IRi;i=0,1,2,・・・・・}(11)
赤色光観測信号のデータを
R={Ri;i=0,1,2,・・・・・}(12)
観測信号の脈波成分を
S={Si;i=0,1,2,・・・・・}(13)
観測信号のノイズ成分を
N={Ni;i=0,1,2,・・・・・}(14)
とする。
図4に示すように、脈波成分の傾きをφ、ノイズ成分の傾きをψとすると、得られた観測信号(IRi,Ri)
従って、
これは、信号(S)成分を横軸へ、ノイズ(N)成分を縦軸へ変換することを表しており、白色化を実現する変換行列Aを求めると、
吸光度比Φは信号成分の傾きである。
傾きφと吸光度比Φの関係は、Φ=tanφである。
脈拍数に比べて十分短い時間内であれば、直前の値(例えば、10msec前)或いはノイズの混入がないと判断された過去の吸光度を既知の値として扱える。
また、後に記すような手法で求めたφの候補を用いる事も可能である。
次に、θは、
θ=ψ―φ(20)
で表され、ψが不明なため、−φからπ/2−φの範囲でθの値を変化させ横(S)軸方向のノルムを最小となる角度として決定する。
得られたφ、θを用いた変換行列Aで観測信号を処理すると、横軸に信号成分、縦軸にノイズ成分が得られる。
具体的には、(19)式で表現される行列変換は、図3(b)に示される2種の観測信号IR、Rを座標軸として選んだ第1の座標系から図3(c)に示される信号成分およびノイズ成分を座標軸として選んだ第2の座標系への座標変換を意味している。
図4にはある時点t=tiにおける観測値(IRi、Ri)が示されており、当該観測値を表すベクトルXiは、信号成分ベクトルSiおよびノイズ成分ベクトルNiの合成ベクトルとなっている。上記の座標変換を実行するにあたり、まず信号成分ベクトルSiを変換後の座標系における横軸に一致させる操作を行なう。具体的には図4におけるベクトルSiを角度φだけ時計回りに回転させる操作を行なう。φの値は既知のΦの値を用いて上式より得られる。
(19)式におけるθはノイズ成分ベクトルNiを変換後の座標系における縦軸に一致させる操作に対応する係数である。図3(b)に示す波形は上記の観測値の集合であり、φの値を固定的にすれば当然にθの値は観測値毎に異なる。変換係数としてのθを単一値として定めるために、−φからπ/2−φの範囲でθを変化させ、横軸(信号成分)方向の値のばらつき度合い(ノルム)の変化を調べ、ノルムが最小となる値として最終的な値を決定する。
図3(b)を変換行列Aの処理によって得られたグラフを図3(c)に示す。
また、この処理によってノイズが分離されて得られた波形を図3(d)に示す。
処理前の周波数解析によって得られた赤外光及び赤色光のスペクトルを図5に示し、対応する処理後の信号成分及びノイズ成分の周波数解析によって得られたスペクトルを図6に示す。
上記の変換処理によって抽出した信号波形からpeak-peakインターバルTs(図3(d))を求めることで、容易に脈拍数=1/Ts×60[beats/min]を求めることができる。
あるいは、処理前の周波数解析によって得られたスペクトル(図5)に比べ処理後の信号から周波数解析によって得られたスペクトル(図6)は、脈波の基本周波数fsが明確になる事から、脈拍数=fs×60[beats/min]として計算できる。
観測信号を、所定の周波数範囲毎に分離する。
分離は連続した周波数範囲毎でも良いし、離散範囲の合成毎でも良い。
各周波数範囲毎に横軸(或いは縦軸)に赤外光の成分、それと直交する軸に赤色光の成分をとる。
図7は、横軸に赤外光の成分、縦軸に赤色光の成分をとったグラフである。
脈波周波数帯域全体及び分離後の周波数範囲毎に主成分に相当する傾きを求め、その値の同一性から単一信号か複数信号の合成かを判断する。
具体的に単一信号と判断する方法として、脈波周波数帯域全体及び分離後の周波数範囲全てが所定範囲内である事や、或いはパワー(power)の支配的な範囲の値と脈波周波数帯域全体の値とが所定範囲内である事などがある。
具体例として、図7,図8は、脈波周波数帯域全体と0.5Hz〜6Hz迄の範囲を0.5Hz毎分割したときを表しており、タイトル部に主成分の傾きを記してある。
図7は、0.5-1Hz:0.54 3.5-4.0Hz:0.84 4.0-4.5:0.84と大きなPowerを示している範囲で異なる値を示しており、複数信号の合成が観測されたと判断できる。
図8は、大きなPowerを示している範囲1−1.5Hz、2−2.5Hz、2.5−3Hzで同じ0.50値を示しており、単一信号と判断する。
前記ノイズ混入の判定と同様に、脈波信号周波数帯域内を複数の範囲に分離する。分離した周波数範囲毎に独立成分分析を行う。
観測信号縦ベクトルをX,転置をTとすると、(11)式,(12)式より、
独立成分Yは、変換行列をUとすれば、
分離した周波数範囲に信号成分が存在すれば、図3(c)に示すような信号成分−ノイズ成分平面に変換できる。
固有ベクトル行列を変換行列Uの逆行列U-1で変換すると、IR−R平面にベクトルが投影され、信号成分を表すベクトルの傾きがΦs、ノイズ成分を表すベクトルの傾きがΦnとして得られる。
図2の観測信号に対して、図8の周波数範囲毎に傾きを求めた結果が図10であり、吸光度比1が各周波数で近い(0.5±0.02)ことが解る。
図7を処理した結果が図9であり、図6のfsを含む範囲にΦsを示す結果が得られている。
酸素飽和度SpO2はΦsの関数
SpO2 = f(Φs)
として得られる。
図11は処理フローを示すフローチャートである。
S1:測定開始すると、赤色光・赤外光で観測されたデジタル信号を前処理する。ここでは、Lambert-Beerの法則に基づく対数演算や脈波帯域フィルタ処理などを行う。
S2:それぞれの信号をバンドパスフィルタを用いて所定の周波数範囲(例えば、0.5Hz刻み)に分割し、周波数範囲毎の吸光度比(IR-R平面上での主成分の傾き)を求める。
S3:周波数範囲毎に求めた吸光度比の同一性を判定し、脈波の吸光度比候補を求める。候補は複数あってもよい。
S4:S3の結果から、信号源が単一か複数かを判定する。
S5:単一信号の場合、その吸光度比から酸素飽和度を、また、S1の処理結果から基本周期を求め、脈拍数を算出する。
S6:S3で得られた吸光度比候補或いは、直前のSpO2値に対応した吸光度比の結果(脈拍数に比較して十分早い:例えば10msec前)或いはノイズの混入がないと判断された過去の吸光度比を用い、アフィン変換する。 変換行列は、(19)式を用い、φ(吸光度比に対応した値)にて回転させ、θはφ軸方向のノルム値が最小となる角度として求める。
S7:S6のφ方向で得られた信号の時間軸での周期或いは周波数解析により基本周期を求め、脈拍数を得る。また、周波数毎のS/Nを求め吸光度比の信頼性を評価する指標の1つとする。
S8:S2で分割された各周波数範囲の時間領域データを使い、独立成分分析を行う。
S9:S8で得られた固有ベクトルのIR-R平面での傾きを求め、各周波数範囲の間の同一性を判定し、吸光度比候補を求める。候補は複数あってもよい。
S10:S3,S5,S7,S9の出力と過去の吸光度比・帯域を比較し、その共通項、継続性、信頼性(S7出力)とから、現在の酸素飽和度を決定する。必要に応じて平均処理をした後、酸素飽和度及び脈拍数を出力する。
S11:測定を継続するときは、S1に戻り処理を繰り返し、継続しない場合は、測定を終了する。
2 発光部(LEDs)
3 受光部(PD)
4 発光ダイオード駆動部
5 入力部
6 復調回路
7 AD変換
8 演算処理・制御部
Claims (8)
- 異なる2つの波長の光を生体組織に照射して透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して得られた各波長の測定脈波データに対して前処理を施すステップと、
前記各波長の測定脈波データを複数の周波数帯域毎に分割して、各周波数帯域毎の吸光度比を求めるステップと、
前記各周波数帯域毎の吸光度比の同一性の有無により、測定脈波データのノイズの混入の有無を判定するステップと、
を含むことを特徴とする測定脈波データの信号処理方法。 - 前記各周波数帯域毎の吸光度比の同一性の有無の判定は、分割後の周波数帯域の全てで吸光度比が所定範囲内であった場合、或いは分割後のパワーが支配的な周波数帯域で吸光度比が所定範囲内であった場合に、測定脈波データにノイズの混入が無いと判定することを特徴とする請求項1に記載の測定脈波データの信号処理方法。
- 請求項2に記載の方法で求めたノイズの混入が無いと判定された吸光度比を、前記既知の吸光度比として用いることを特徴とする請求項3に記載の信号処理方法。
- 前記請求項3又は4のいずれかの方法で、異なる2つの波長の光を生体組織に照射して透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して得られた各波長の測定脈波データを処理して分離した脈波信号とノイズ信号との周波数解析により、各周波数成分毎のS/N比を得ることを特徴とする信号処理方法。
- 前記請求項3乃至5のいずれかの方法で、異なる2つの波長の光を生体組織に照射して透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して得られた各波長の測定脈波データ列を処理してノイズ成分と信号成分を分離することを特徴とするパルスフォトメータ。
- 前記分離された信号成分から、脈拍波形を得ることを特徴とする請求項6に記載のパルスフォトメータ。
- 前記分離された信号成分から、脈の検出或いは周波数解析から脈拍数を算出することを特徴とする請求項6に記載のパルスフォトメータ。
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