JP4338242B2 - 生理的信号内のアーチファクト信号のレベルを低減する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、収集された生理的信号内のアーチファクト信号レベルを低減するための装置に関する。更に特定すると、それにより、第２の生理的信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために、第２の生理的信号から独立して収集された第１の生理的信号から決定された心拍数が使用される。
【０００２】
心電図（ＥＣＧ）とパルス酸素飽和度（ＳｐＯ２）信号の両方を収集するためのセンサを有するシステムにおいて、ＥＣＧ信号は、パルスオキシメータによって収集された赤色光及び赤外光信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために使用される。本発明の結果として、血液酸化と脈拍の一層正確な測定は、オキシメータによって達成され、誤測定に起因する誤アラームの回数を著しく低減することができる。
【０００３】
【従来の技術】
当業者には公知のように、パルスオキシメータは、動脈血中酸素飽和度と脈拍を、２つのＬＥＤと光ダイオード検出器とを有するセンサを使用して測定し、光ダイオード検出器は、患者の良好な血液灌流部分、例えば、指又は耳に直接取り付けられる。センサのＬＥＤは、２つの異なった波長の放射（一般的には、赤色光と赤外光）を患者に加え、赤色光と赤外光に応答するフォトダイオード検出器は、赤色光による電気信号と赤外光による電気信号を発信し、赤色光による電気信号と赤外光による電気信号とは、透過又は反射により、ＬＥＤとフォトダイオード検出器との間の領域内で患者の血流によって影響を受ける。血液の酸化が大きいと、患者の血液によって赤色光の吸光量が大きくなるために、放射赤色光の検出量は少なくなる。その結果、収集された赤色光信号と赤外光信号とは、血液酸化を指示する測定値を送出するために処理することができる。
【０００４】
付加的に、収集された光信号の拍動性成分の処理によって、患者の脈拍を測定することができる。公知のように、血液酸化を決定するための、その種の処理は、赤色光のＡＣ成分とＤＣ成分との比と赤外光のＡＣ成分とＤＣ成分との比との比に基づいており、即ち：（ＡＣ_ｒ／ＤＣ_ｒ）／（ＡＣ_ｉｒ／ＤＣ_ｉｒ）である。その結果得られた値は、実験的に決定された基準テーブルに供給されて、血液酸素の収集された測定値の最終決定値を提供するようにされる。
【０００５】
公知のように、光学的に収集された信号から測定された血液酸化及び脈拍は、アーチファクトに起因して、極めて不正確になり易い。その種のアーチファクトは、典型的には、電気的な相互干渉（照明、患者の近くの電気的な外科装置及び他の電気装置）、患者の動き（ＬＥＤとセンサの検出器との相対運動によって生じたり、もっと悪い状況では、室内の照明がフォトダイオード検出器に突然入射することによって生じる）によって生じ、同様に、（血液の拍動性から生じる）収集された信号のＡＣ成分が極めて小さく、典型的には、収集された信号のＤＣ値の１％−５％のオーダーしかないという事実によって生じる。その結果、その種のアーチファクトは、正確なパルス酸素飽和度測定にとっては有害であり、更に、妨害となる誤アラームの問題点を容易に引き起こしてしまうことがある。
【０００６】
米国特許公開第４９５５３７９号公報記載の”ＭＯＴＩＯＮ ＡＲＴＥＦＡＣＴ ＲＥＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＰＵＬＳＥ ＯＸＩＭＥＴＥＲＳ”公開日１９９０年９月１１日には、パルス酸素飽和度信号からノイズアーチファクトを除去するためのバンドパスフィルタリング（ＢＰＳ）技術が開示されている。もっと特定すると、収集された赤色光信号と赤外光信号のそれぞれのＡＣ成分は、最初に、予期される心拍数に広範囲に同調されるＢＰＦによってフィルタリングされる。ＢＰＦの出力信号は、周波数決定回路に供給され、それから、周波数決定回路の出力信号は、ＢＰＦを、周波数決定回路によって決定された周波数にトラックさせるのに使用される。この技術の理論は、ＡＣ信号内のエネルギ（及び情報）の大部分は、基本周波数での信号内に含まれており、従って、基本周波数が脈拍であるようにすべきであり、周波数決定回路は、基本周波数として脈拍を決定して、ＢＰＦを制御して、他の周波数（アーチファクトを伴う）が全て排除されるようにするということである。残念ながら、周波数決定回路によって決定された基本周波数が、実際には、例えば、電気装置によって発生されたようなアーチファクト信号であって、オキシメータが、このアーチファクト信号を処理して、誤情報を報告することも十分にあり得る。従って、この技術は不所望である。
【０００７】
米国特許公開第４９２８６９２号公報記載の”ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＵＬＳＥＳ”、公開日１９９０年５月２９日には、患者のＥＣＧ波形のＲ波点が、パルスオキシメータと時間相関される技術が開示されている。この相関値は、オキシメータによって収集された光信号の処理用のイネーブリング信号を送出するために使用される。この理論は、光信号のパルス成分は情報を含んでおり、光パルスの発生は、ＥＣＧのＲ波に所定量だけ後続するようにして予測することができ、オキシメータを選択的にタイミングをとってイネーブルすることによって、アーチファクトがオキシメータ内に入って誤処理するのを阻止することができる。ところが、残念なことに、アーチファクトは何時でも発生することがあり、一般的には、何らかのやり方で、ＥＣＧのＲ波の発生に対して何らかの関係を有するように相関させることはできず、この技術は不所望である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前述の従来技術の欠点を克服して、血液酸化と脈拍を一層正確に測定することができるようにして、誤測定に起因する誤アラームの回数を著しく低減することにある。
【００１０】
この課題は、第１の生理的信号を収集するための第１のセンサ装置と、第１の生理的信号を収集するために使用された収集技術とは異なった独立した収集技術を使用して、第２の生理的信号を収集するための第２のセンサ装置と、第２の生理的信号から心拍数を決定するために第２の生理的信号に応答するプロセッサと、第１の生理的信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために少なくとも１つのフィルタ特性が制御され、第１の生理的信号内のアーチファクト信号レベルが低減された当該第１の生理的信号のＡＣ成分を発現するために、決定された心拍数に応答するバンドパスフィルタとを有することにより解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の原理によると、第２の生理的信号から独立して収集される第１の生理的信号から決定される心拍数は、第２の生理的信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために使用される。心電図（ＥＣＧ）とパルス酸素飽和度（ＳｐＯ２）信号の両方を独立して収集するためのセンサを有するシステムでは、ＥＣＧ信号から決定された心拍数は、赤色光信号と赤外光ＳｐＯ２信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために使用される。
【００１２】
本発明の結果として、血液酸化と脈拍を一層正確に測定することがオキシメータによって達成され、誤測定に起因する誤アラームの回数を著しく低減することができる。
【００１３】
特に有利な実施例では、ＥＣＧ信号から導出された心拍数は、心拍動の主頻度を決定するために使用される。心拍動の主頻度の決定後、主心拍動頻度にセンタリングされた中心周波数を有するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は、そのフィルタ特性の１つ以上が、決定された心拍動頻度の値によって制御されて、赤色光及び赤外光ＳｐＯ２信号をフィルタリングするようにされる。この方法により、赤色光信号と赤外光信号のＡＣ値の決定を極めて改善することができる。本発明の別の観点によると、赤色光及び赤外光ＳｐＯ２信号は、固定時間間隔に亘って、これらの信号の平均として、又は、ローパスフィルタリングによって決定される。赤色光及び赤外光信号のＡＣ及びＤＣ成分が一旦決定されると、公知のように、比（ＡＣ_ｒｅｄ／ＤＣ_ｒｅｄ）／（ＡＣ_ｉｒ／ＤＣ_ｉｒ）が血液酸素飽和度を決定するために使用される。ＡＣ及びＤＣ成分の決定を改善することによって、この比の精度が改善され、従って、血液酸素飽和度の測定精度が改善される（特に、振幅の小さなＳｐＯ２信号及び高レベルアーチファクトがある場合）。
【００１４】
【実施例】
図を参照すると、生理的モニタ２は、心電図（ＥＣＧ）信号５を収集するための第１のセンサ装置４と、赤色光及び赤外光酸素飽和度（ＡｐＯ２）電気信号７ａ及び７ｂを収集するための第２のセンサ装置６を有しているように図示されている。センサ装置４は、当業者には公知のように、患者の胸部に取り付けられた１つ以上のＥＣＧ電極と、２つのＬＥＤとフォトダイオード検出器を含んでいて、同様に当業者には公知のように、患者の血液の良好な灌流部、例えば、指又は耳に取り付けられたセンサ装置６を有している。既述のように、収集された赤色光及び赤外光ＳｐＯ２信号は、患者の血液酸化と脈拍を指示する測定を行うように処理することができる。公知のように、血液酸化を決定するための、その種の処理は、赤色光信号のＡＣとＤＣ成分の比と赤外光信号のＡＣとＤＣ成分の比との比に基づいており、即ち：（ＡＣ_ｒ／ＤＣ_ｒ）／（ＡＣ_ｉｒ／ＤＣ_ｉｒ）である。その結果得られる値は、実験的に決定された基準テーブルに供給されて、血液酸化の収集された測定値の最終的な決定値が提供される。
【００１５】
脈拍は、ＡＣ成分をゼロ交差検出器に供給して、１分以下の時間、カウント値を蓄積することによって決定することができる。プロセッサ８は、収集された赤色光及び赤外光ＳｐＯ２信号のＡＣ及びＤＣ成分に応答するように示されている。それから、上述の式を使用するプロセッサ８は、患者の血液酸化と脈拍を示す測定値を出力して、該測定値をそれぞれ出力側１０及び１２に供給し、ディスプレイ又は他のインターフェース（特に図示してない）に用いて、モニタ２のユーザに指示するようにされる。
【００１６】
上述のように、収集されたＳｐＯ２信号のＡＣ成分は、容易にアーチファクト信号で汚染され、このアーチファクト信号によって、収集されたＳｐＯ２信号の処理を妨害し、容易に、不正確な測定値が決定されることになってしまい、モニタ２によって誤アラームが発生されてしまうことすらある。
【００１７】
又、上述のように、収集されたＳｐＯ２信号内の大部分の所望の情報は、患者内の脈動する血液を示す成分の基本周波数の個所に位置しているので、別の処理のために拍動性の成分の基本周波数しか選択しないように、収集されたＳｐＯ２信号をバンドパスフィルタリングすることによって、収集されたＳｐＯ２信号を汚染するアーチファクトのレベルを極めて低減することができる。しかし、前述の米国特許公開第４９５５３７９号公報では、拍動性の成分の基本周波数は、収集されたＳｐＯ２信号の処理によって決定されている。前述のように、この技術は不所望である。
【００１８】
従って、本発明の第１の観点に従って、心拍数は、収集されたＳｐＯ２信号から独立して得られ、即ち、別個のセンサ装置４によって収集されたＥＣＧ信号５から独立して得られ、その値は、収集されたＳｐＯ２信号のそれぞれを制御可能にバンドパスフィルタリングするために使用される。
【００１９】
もっと特定すると、当業者には公知の幾つかの設計仕様の心拍数計算器１４は、ヘルツ単位で、心拍動の周波数を計数する：即ち
ＨＭＦ＝ＨＲ／６０
その際、ＨＭＦは、ヘルツ単位の心拍動の主要周波数であり、ＨＲは、分単位の鼓動回数で示した心拍数である。
【００２０】
次に、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１６ａ及び１６ｂのフィルタ特性は、計算されたＨＭＦ値によって制御され、赤色光及び赤外光ＳｐＯ２電気信号７ａ及び７ｂを、プロセッサ８に供給する前に、それぞれ制御可能にフィルタリングする。
【００２１】
同一のバンドパスフィルタ特性が、赤色光及び赤外光信号の両方に対して使用される。ＨＭＦ値、少なくとも１つのパスバンドフィルタ型に応答して、ＢＰＦフィルタ１６ｂのそれぞれの中心周波数又は帯域幅は、心拍数計算器１４によって決定されたような心拍動信号の周波数での変化に応答して適合するように制御される。有利な実施例では、フィルタ１６ａ、１６ｂは、それぞれデジタルフィルタを有しており、デジタルフィルタの係数は、ルックアップテーブル（図示していない）の出力側によって制御される。ルックアップテーブルによって出力されるフィルタ係数は、それに対する１アドレスとしてのＨＭＦ値を用いることによって決定され、図示の例では、各フィルタの帯域幅は±０．５Ｈｚであり、心拍動信号の決定された周波数の変化する値にセンタリングされている。このようにしてフィルタリングされた赤色光及び赤外光信号は、それから、プロセッサ８に供給される。フィルタ１６ａ及び１６ｂを狭幅なフィルタ特性にすることによって、赤色光及び赤外光信号内のアーチファクト信号をかなり低減することができ、しかも、パスバンドは、心拍動信号の基本周波数にセンタリングされているので、赤色光及び赤外光信号の情報内容は、ほんの僅かしか影響を受けない。
【００２２】
本発明の別の観点によると、前述のバンドパスフィルタリングに並行して、赤色光及び赤外光ＳｐＯ２電気信号のＤＣ成分は、カットオフ周波数が０．５Ｈｚよりも小さなローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８ａ及び１８ｂを使用して決定される。択一選択的に、ＤＣ成分は、例えば、１０秒以上のような固定時間に亘って、これらの信号の平均値を計算することによって決定してもよい。
【００２３】
最後に、プロセッサ８は、赤色光及び赤外光ＳｐＯ２電気信号のＡＣ成分から脈拍を決定し、プロセッサに供給された赤色光及び赤外光信号のＡＣ成分とＤＣ成分とによって、血液酸化の測定値を決定する。
【００２４】
従って、図示して説明したものは、生理的信号内のアーチファクト信号を低減するための新規な方法及び装置であり、つまり、本発明の課題を全て達成して、特有の効果を奏することができる。しかし、本発明の方法及び装置の多数の変化、変更、変容及び他の使用及び用途は、有利な実施例が開示されている本発明明細書及び添付図面を参照した通常の当業者にとって明らかである。例えば、図示の実施例では、アーチファクトがＳｐＯ２生理的信号内で低減され、本発明は、拍動性成分を有する何らかの生理的信号内のアーチファクトを低減するために用いることができる。この点に関しては、本発明は、ＥＣＧ信号を得るようにされたＳｐＯ２モニタで例示されているが、このモニタは、実際には、マルチパラメータモニタを含む。更に、心拍数は、ＥＣＧ信号を用いない他の手段によって決定してもよく、例えば、超音波、加速度計、核磁気共鳴、電気インピーダンス、又は、他の信号を代わりに使用してもよい。付加的に、図示の実施例では、ＰＢＦ１６ａ及び１６ｂの中心周波数しか制御されていないけれども、フィルタの他の特性（例えば、帯域幅乃至帯域の形状）を適合的に変更してもよい。上述の観点では、本発明の範囲は、請求項記載の範囲内に限定されている。
【００２５】
【発明の効果】
血液酸化と脈拍を一層正確に測定することが達成され、誤測定に起因する誤アラームの回数を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従ったパルスオキシメータの作動形式を示すブロック図
【符号の説明】
２ 生理的モニタ
４，６ センサ装置
５ 心電図（ＥＣＧ）信号
７ａ及び７ｂ 赤色光及び赤外光酸素飽和度（ＡｐＯ２）電気信号
８ プロセッサ
１４ 心拍数計算器
１６ａ及び１６ｂ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１８ａ及び１８ｂ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）

Claims (10)

1. 収集された生理的信号内のアーチファクト信号レベルを低減するための装置において、
   第１の生理的信号を収集するための第１のセンサ装置と、
   前記第１の生理的信号を収集するために使用された収集技術とは異なった独立した収集技術を使用して、第２の生理的信号を収集するための第２のセンサ装置と、
   前記第２の生理的信号から心拍数を決定するために前記第２の生理的信号に応答するプロセッサと、
   前記第１の生理的信号を制御可能にバンドパスフィルタリングするために少なくとも１つのフィルタ特性が制御され、前記第１の生理的信号内のアーチファクト信号レベルが低減された当該第１の生理的信号のＡＣ成分を発現するために、前記決定された心拍数に応答するバンドパスフィルタとを有することを特徴とする装置。
2. 前記第１のセンサ装置は、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号を収集し、
   前記第２のセンサ装置は、心電図信号を収集する
   請求項１記載の装置。
3. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号がバンドパスフィルタリングされた後、当該赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号に応答して、血液酸化を測定する請求項３記載の装置。
4. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号がバンドパスフィルタリングされた後、当該赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号に応答して、脈拍数を測定する請求項３記載の装置。
5. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号のＡＣ及びＤＣ成分を以下の式：
   （ＡＣ_ｒ／ＤＣ_ｒ）／（ＡＣ_ｉｒ／ＤＣ_ｉｒ）
   に従って処理して、前記血液酸化を測定する請求項３記載の装置。
6. 更に、前記赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号のバンドパスフィルタリングと並行して、当該赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号をフィルタリングして、当該赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号のＤＣ成分を発現するためのローパスフィルタを有する請求項３記載の装置。
7. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号を以下の式：
   （ＡＣ_ｒ／ＤＣ_ｒ）／（ＡＣ_ｉｒ／ＤＣ_ｉｒ）
   に従って処理して、前記血液酸化を測定する請求項３記載の装置。
8. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号がバンドパスフィルタリングされた後、当該赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号に応答して、脈拍を測定する請求項７記載の装置。
9. 前記プロセッサは、赤色光及び赤外光パルス酸素飽和度信号の、固定時間間隔に亘っての平均値を決定することによって、前記ＤＣ成分を発現する請求項７記載の装置。
10. 前記バンドパスフィルタは適合的に制御されており、前記少なくとも１つのフィルタ特性はパスバンドフィルタ型、中心周波数及び帯域幅のうちの少なくとも１つである。

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