JP6184318B2 - 患者の生命パラメータをモニタすることにおける干渉の削減 - Google Patents

Description

本発明は、光減衰測定の分野に関し、特に患者の組織上に放出される光の減衰を測定することにより患者の生命パラメータをモニタする方法及びデバイスに関する。

特定の媒体を通過するとき又は特定の媒体から反射するとき、光吸収及び／又は散乱を測定することは、患者の監視といった様々な医療分野で広く適用される複数の光学分光方法の基礎を形成する。１つの説明的な例は、透過パルス酸素測定である。

パルス酸素測定は、患者の動脈の酸素飽和の非侵襲的監視のための光学方法であり、臨床診療において最も一般に用いられる技術の１つである。タンパク質ヘモグロビン（Ｈｂ）は、体を通る搬送のため赤血球における酸素とバインドし、酸化されるとき、暗赤色から明赤色へと色が変化する特性を持つ。２つ又はこれ以上の波長で光を放出及び検出することにより、パルス酸素濃度計は、酸素飽和の間接推定、即ちオキシヘモグロビン（Ｈｂ０_２）の濃度割合に達するよう、周辺血管床における光吸収度を決定する。パルス酸素濃度計は、動脈血だけを脈動させることにより吸収される光の量を決定するため、心収縮及び緩和によりもたらされる動脈血ボリュームにおける変化に依存する。これにより、組織及び静脈血の貢献が大部分除外される。

酸素測定を含む多くの用途において、異なる波長の光学経路、即ち異なる色の同時の又は擬似同時の減衰測定が必要とされる。そのため、通常は、単一の光検出器と一般に組み合わせられる複数の光源が利用される。光検出器でのエミッタの各々からの信号間を区別することができるよう、一般に、電気マルチプレクシング方法が採用される。例えば、時間分割マルチプレクス化（ＴＤＭ）、周波数分割マルチプレクス化（ＦＤＭ）、又はコード分割マルチプレクス化（ＣＤＭ）である。

医療の現場において、例えば患者監視において適用される光減衰測定は、電磁干渉を受ける。通常、斯かる干渉は、様々な光学波長の及び異なる変調周波数を持つ環境光を有する。一般的な例は、通常は変調されない自然光だけでなく、メイン周波数の二倍（１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚ）で変調され、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの倍音である白熱ランプからの人工光、及び特定の電気バラストに基づきちらつきレートが数十から数百キロヘルツの範囲にある蛍光灯からの人工光を含む。

一般に、分光計デバイスにおいて、測定は、測定に関する外部干渉の効果を緩和するよう行われる。例えば、光検出器において、放出された光がフィルタリング又は復調により環境光から区別されることができるよう、パルス酸素濃度計において光源が変調される。適用される変調技術に関係なく、従来の方法は、環境光のスペクトル変調に関する情報に依存し、使用される光源変調周波数又はバンドがデバイスの寿命に関して固定されたままでありえると仮定する。

しかしながら、環境光変調スペクトルが部分的にのみ知られる、又は演繹的には知られることがない場合、例えば、分光計デバイスが光通信システムの近くで作動するといった場合、デバイス動作周波数で検出された光の変調スペクトルにおいて干渉が存在しうる。同様に、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプの新しい動作スキームは、広い周波数範囲との干渉信号を生じさせる場合がある。干渉物が動作周波数バンドを汚染する場合、信号対妨害比（ＳＩＲ）は大幅に減少する場合がある。これにより、測定品質が劣化される。

本発明の目的は、患者の組織上へ放出される光の減衰を測定することにより、患者の生命パラメータをモニタする方法、及び用途が広いかつ信頼性が高い態様で、高い信号対妨害比を可能にする対応するデバイスを提供することである。

これは、個別の独立請求項の主題により実現される。好ましい実施形態は、従属請求項において説明される。

これは、本発明によれば、少なくとも１つの光源を用いて患者の組織へと光を放出し、上記組織を通り送信される、及び／又は、上記組織から反射される光を集めることにより、患者の生命パラメータをモニタする方法が提供されることを意味し、この方法は、
複数のマルチプレクシングチャネルを持つ所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、上記放出された光をマルチプレクス化するステップと、
上記所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、上記収集した光を検出して、複数の検出チャネルを生じさせるステップと、
上記少なくとも１つの光源により放出される光がない暗いマルチプレクシングチャネルであるよう、上記マルチプレクシングチャネルの少なくとも１つを構成し、暗い検出チャネルを生じさせるステップと、
上記暗い検出チャネルの信号を用いて、他の検出チャネルの少なくとも１つの信号における干渉を減らすための参照信号を生成するステップとを有する。

用語「患者」は、病気にかかった人だけでなく、健康かどうかに関係なくすべての人間及び動物を参照する点を理解されたい。

本発明によれば、組織を通り送信されて、及び／又は、組織から反射される光が集められる。これは、患者の生命パラメータをモニタするため、減衰測定に関して必要である。しかしながら、この光を集めるときに、少なくともいくつかの環境光も集めることを完全に回避することはできない。この収集された環境光は、干渉を引き起こす可能性がある。

こうして、本発明のアイデアは、検出信号に影響を与える環境光又は他のソースによりもたらされる干渉を減らすため、暗い検出チャネル、即ち分光目的に関して少なくとも一時的に用いられていない検出チャネルにより提供される信号を適合させることである。

本発明の実施形態によれば、この方法は、パルス酸素測定に関して用いられる。しかしながら、本発明は、パルス酸素測定にのみ適用されるのではなく、暗いチャネルが割り当てられ、暗いチャネル出力に存在する干渉要素が、他の出力における干渉要素に何らかの態様で関連するような、患者の生命パラメータをモニタする他の分光方法にも使用されることができる。暗いチャネル出力は、従って、別のチャネルにおける干渉要素の削減に関する参照として用いられることができる。

一般に、暗い検出チャネルの信号は、参照信号として直接用いられることができる。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、上記参照信号を生成するため、上記暗い検出チャネルの信号が適応的にフィルタリングされ、上記参照信号が好ましくは、他の検出チャネルの少なくとも１つの信号から減算される。

適応フィルタリングのため、一般に、広い種類の異なる方法が用いられることができる。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、参照信号を生成するため、最小二乗平均（ＬＭＳ）アルゴリズムが用いられる。ＬＭＳアルゴリズム及びその派生物は、当業者には知られている。

本発明の実施形態によれば、ＬＭＳアルゴリズムは、Ｎ―タップ重みベクトル

を

に基づき更新する。ここで、μは、適合定数を表し、

は、暗い検出チャネルからとられる参照信号ベクトルであり、

は、チャネル／検出器信号及びフィルタリングされた参照の差である。減算の出力はｄ（ｋ）である。これは、光源に関する光減衰測定の結果を与える。しかし、この測定から干渉は除去される。適合定数は、アルゴリズムの収束速度だけでなく最終的な不良調整率（misadjustment）を決定し、アルゴリズムの特性を決定するため、動的にセットされることができる。この動作により、出力信号における干渉は、明らかに減らされることができる。

検出チャネルの信号は、任意の前処理なしに処理されることができる。しかしながら、本発明の一実施形態によれば、個別の検出チャネルの信号は、低域フィルタリングされる。こうして、帯域外信号の削除が実現されることができる。

参照削減構造を作動させるため、様々な戦略が追従されることができる。１つの戦略によれば、１つの暗いチャネルが、継続的に割り当てられ、干渉削減が継続的に起動される。本発明のある実施形態によれば、上記暗い検出チャネル信号及び／又は上記参照信号に基づき、上記干渉レベルが推定され、上記干渉レベルが所定の閾値を超えるときのみ、上記暗い検出チャネルの信号を用いて、他の検出チャネルの少なくとも１つにおける干渉を減らすための参照信号が生成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、異なる波長の光を放出する複数の光源が提供される。更に、本発明の好ましい実施形態によれば、上記複数のマルチプレクシングチャネル、好ましくはすべてのマルチプレクシングチャネルが、上記少なくとも１つの光源により放出される光がない上記暗いマルチプレクシングチャネルであるよう連続して構成され、交互に変化する暗い検出チャネルがもたらされる。異なる波長の光を放出する複数の光源及び対応する複数の検出チャネルを有するシステムにおいて、光源の１つは、周期的にスイッチオフにされることができ、こうして、暗いチャネルが周期的に作成される。こうして、個別の光源をスイッチオフにすることにより、チャネルのいずれかが暗いチャネルになることができる。暗いチャネルが、チャネル間でローテンションされる場合、干渉を減らしつつ、すべての波長に関する分光情報がまだ得られることができる。更に、この構造は、複数の参照入力をとるよう拡大されることができる。

上述した目的は、患者の生命パラメータをモニタするデバイスにより更に解決され、このデバイスは、
上記患者の組織へ光を放出する少なくとも１つの光源と、
上記組織を通り送信される、及び／又は、上記組織から反射される光を集める少なくとも１つの光検出器と、
複数のマルチプレクシングチャネルを持つ所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、上記放出された光をマルチプレクス化するよう構成されるマルチプレクサであって、上記マルチプレクシングチャネルの少なくとも１つが、上記少なくとも１つの光源により放出される光がない暗いマルチプレクシングチャネルである、マルチプレクサと、
上記少なくとも１つの光検出器に接続され、上記所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、上記収集された光を検出するよう構成される複数の検出チャネルであって、上記少なくとも１つの暗いマルチプレクシングチャネルに関する上記検出チャネルの少なくとも１つが、暗い検出チャネルである、複数の検出チャネルと、
他の検出チャネルの少なくとも１つの信号における干渉を減らすための参照信号として、上記暗い検出チャネルの信号を用いるよう構成される参照信号発生器とを有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、このデバイスは、例えば２つの異なる光源を有することにより、少なくとも２つの異なる波長を持つ光を放出するよう構成される。更に、デバイスがパルス酸素濃度計を有することが特に好ましい。

参照信号発生器は、異なる態様で設計されることができる。本発明の実施形態によれば、参照信号発生器は、参照信号を生成するため、暗いチャネルの信号を適応的にフィルタリングするよう構成される適応フィルタを有する。更に、本発明の一実施形態によれば、他の検出チャネルの少なくとも１つから参照信号を減算するよう構成される減算器が提供される。

更に、本発明の好ましい実施形態によれば、このデバイスは、個別の検出チャネルの信号をフィルタリングするよう構成される低域フィルタを有する。こうして、帯域外信号は減らされることができ、及び従って、ある程度まで追加的な処理から除外されることができる。デバイスが、それぞれ異なる波長の光を放出する複数の光源を有することが好ましい。すべての検出チャネルに関して共通の光検出器が提供されることが更に好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、適応フィルタは、最小二乗平均アルゴリズムに基づき参照信号を提供するよう構成される。これは、本発明の多くの適用に対して有利であることが示される。なぜなら、最小二乗平均アルゴリズムは、患者の生命パラメータの監視に関連する情報コンテンツを減らすことなしに、光検出器から生じる信号からの干渉を明らかに減らすのに特に有益だからである。

透過パルス酸素測定に関する典型的なセットアップを示す図である。 本発明のある実施形態による透過パルス酸素測定方法の一般化されたブロック図を示す図である。 周期的方形波参照信号を持つ復調器を示す図である。 患者の生命パラメータをモニタする４チャネルデバイスのブロックダイアグラムを示す図である。 オリジナルの信号及び干渉が除去される信号の比較を示す図である。 オリジナルの信号及び干渉が除去される信号の更なる比較を示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１は、透過パルス酸素測定に関する典型的なセットアップを示す。赤色光源１及び赤外線（ＩＲ）光源２は、患者の組織、即ち指３上へ、それぞれ６６０ｎｍの赤色光及び９４０ｎｍの赤外線を照射するために用いられる。指３を通り送信される光の一部は、一般的な光検出器４で集められる。

図２は、伝送パルス酸素濃度計の一般的なブロック図を示す。このシステムは、マルチプレクサ及びパルスコントローラとして機能し、光源１、２を変調する光モジュレータ６のパラメータを調整する処理ユニット５を有する。光モジュレータ６の構成は、適用される特定のマルチプレクシング・スキームに依存する。例えば、ＴＤＭの場合、光源１、２は、交互に起動される。一方、ＦＤＭの場合、光源１、２は、同時に、しかし異なる変調周波数で光を放射する。斯かるマルチプレクシング・スキームを適用する理由は、こうして、単一の光検出器４が、両方の光源１、２からの光の減衰を推定するために用いられることができるためである。

光検出器４は、指３を通り伝搬した光を検出し、それを電気信号に変換する。この信号は、信号調整ブロック８により、前処理される。この処理ブロックは、アナログ増幅器及び帯域フィルタを有し、この信号をアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）９によるデジタル領域への変換に適したものとする。それぞれが復調器１１及びデマルチプレクサ１２を有する相関器１０が、検出された光を同時に復調及びデマルチプレクス化するために用いられ、結果は、処理ユニット５に与えられる。このユニットは、送信及び復調された信号を評価することにより関心パラメータを決定する。

図３は、周期的方形波参照信号を持つ復調器１１を示す。ここで、光減衰に関する情報は、同じ基本周波数（ｆ_ｍ＝１／Ｔ_ｍ）の局所参照を用いて受信信号を乗算することにより、ベースバンドにおいて存在するようになる。続いて、低域フィルタ１３に信号を通すことにより、ベース―バンド信号だけが保存される。これにより、帯域外干渉が無視される。

図３は、一般的な操作スキームを示す。この機能の正確な実現は、適用される特定の変調スキームに関して最適化されることができる。図３における方形波は、説明的なものに過ぎない点に留意されたい。なぜなら、基本周波数及び／又は倍音が一致する限り、光源を変調し、及び受信信号を復調するために、任意の周期的信号が適用されることができるからである。

図４は、本発明のある実施形態による患者の生命パラメータをモニタする４チャネルデバイスのブロック図を示す。図４は、４つの検出チャネル１６、１７、１８、１９が利用可能であるが、３つの検出チャネル１６、１７、１８だけが、分光測定に関して使用中であり、４つ目の検出チャネル１９は干渉低減のための参照として用いられる例を示す。４つ目の検出チャネル１９に割り当てられるタイムスロットの間、どの光源もアクティブでない。

異なる検出チャネル１６、１７、１８、１９の復調のため、基本周波数は、シフト装置２０において９０°シフトされる。暗い検出チャネル１９の出力は、参照信号を提供するため、適応フィルタ１４に供給される。その結果、他の検出チャネル１６、１７、１８の１つの信号から減算されるとき、これらの信号に関する干渉は減らされる。

この実施形態において、適応フィルタ１４は、最小二乗平均アルゴリズムに基づかれる。しかし、本発明による方法は、この適合に限定されるものではない。

減算器１５において、参照信号は、検出チャネル１６、１７、１８から生じる信号から減算される。ローパスフィルタ１３の使用は、オプションの特徴である。減算器１５が、復調器１１の後直接信号を供給されることもできる点に留意されたい。

減算器１５を作動させるため、様々な戦略が適用されることができる。１つの戦略によれば、１つの暗い検出チャネルが、継続的に割り当てられ、減算器１５は、継続的に起動されるか、又は特定の干渉レベルが暗いチャネル出力において検出されるときアクティブになる。代替的に、光源１、２の１つは周期的に切り替えられる。これは、周期的に暗いチャネルを作成し、この出力は、重要な干渉が暗いチャネルに存在する場合にのみ、適応フィルタ１４に対する入力として用いられる。もちろん、個別の光源をスイッチオフにすることにより、任意のチャネルが、暗いチャネルになることができる。暗いチャネルが、チャネル間で切り替えられる場合、干渉が減らされつつ、すべての波長に関する分光情報はまだ得られることができる。更に、この構造は、複数の参照入力を取るよう拡大されることができる。

図５は、フロントエンドのパルス酸素濃度計からとられる例示的な測定結果を示す。ここで、大きな１００Ｈｚの干渉パルスパターンが、器具に対して故意に適用された。干渉の倍音のいくつかは、復調参照として使用される２７５Ｈｚのパルス波の倍音と一致し、結果として、チャネル出力は、１００Ｈｚの倍音から生じる干渉を含む。図５において、オリジナルのチャネル出力の１つは、薄いラインとして示される。１つの暗いチャネルが割り当てられ、その出力は、６４タップ重みベクトルを用いるＬＭＳアルゴリズムに対する参照として取られ、削減の結果は、厚いラインとして示される。その初期収束挙動後、このアルゴリズムは、２０ｄＢ分チャネルにおいて干渉要素を抑制することが可能である。その結果、ノイズレベルが、バックグラウンド・ノイズレベルに近い。信号がＤＣフリーである点に留意されたい。なぜなら、この場合、高域フィルタがチャネル出力に適用されるからである。

図６は、図５と同じ状態下での測定結果を示す。しかし、図５に示される場合とは逆に、パルス酸素濃度計プローブが、人間の指に付けられる。血液量パルスによりもたらされる脈動波形が、本発明の方法により処理される出力（厚いライン）においてはっきり存在する。一方、オリジナルの出力（薄いライン）では、この信号は、干渉により浸水される。時定数８０ｓの周囲で、干渉はもはや存在しない。本発明のデバイスは停止し、両方の信号が等しくなる。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。

図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの光源を用いて患者の組織上に光を放出し、前記組織を通り送信される、及び／又は、前記組織から反射される光を集めることにより、患者の生命パラメータをモニタする方法において、
   複数のマルチプレクシングチャネルを持つ所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、前記放出された光をマルチプレクス化するステップと、
   前記所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、前記収集した光を検出して、複数の検出チャネルを生じさせるステップと、
   前記少なくとも１つの光源により放出される光が全くない暗いマルチプレクシングチャネルであるよう、前記マルチプレクシングチャネルの１つを構成し、暗い検出チャネルを生じさせるステップと、
   前記暗い検出チャネルの信号に適応フィルタを適用し、最小二乗平均アルゴリズムを用いて参照信号を生成するステップと、
   前記参照信号における干渉レベルが所定の閾値を超えるときのみ、他の検出チャネルの少なくとも１つの信号における干渉を減らすステップとを有し、
   前記暗い検出チャネルが、前記複数の検出チャネル間で切り替えられる、方法。
2. 帯域外信号を減らすため、前記個別の検出チャネルの信号を低域フィルタリングするステップを有する、請求項１に記載の方法。
3. それぞれ異なる波長の光を放出する複数の光源を提供するステップを有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. すべての検出チャネルに関して共通の光検出器を提供するステップを有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの光源により放出される光がない前記暗いマルチプレクシングチャネルであるよう、前記複数のマルチプレクシングチャネルを交互に構成し、交互に変化する暗い検出チャネルを生じさせるステップを有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記暗い検出チャネルの信号が干渉を減らすための参照信号として用いられる少なくとも２つの検出チャネルの信号に基づき、パルス酸素測定により前記患者の動脈の酸素飽和を推定するステップを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 患者の生命パラメータをモニタするデバイスであって、
   前記患者の組織へ光を放出する少なくとも１つの光源と、
   前記組織を通り送信される、及び／又は、前記組織から反射される光を集める少なくとも１つの光検出器と、
   複数のマルチプレクシングチャネルを持つ所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、前記放出された光をマルチプレクス化するよう構成されるマルチプレクサであって、前記マルチプレクシングチャネルの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの光源により放出される光が全くない暗いマルチプレクシングチャネルである、マルチプレクサと、
   前記少なくとも１つの光検出器に接続され、前記所定のマルチプレクシング・スキームに基づき、前記収集された光を検出するよう構成される複数の検出チャネルであって、前記少なくとも１つの暗いマルチプレクシングチャネルに関する前記検出チャネルの１つが、暗い検出チャネルである、複数の検出チャネルと、
   前記暗い検出チャネルの信号に適応フィルタを適用し、最小二乗平均アルゴリズムを用いて参照信号を生成し、及び前記参照信号における干渉レベルが所定の閾値を超えるときのみ、他の検出チャネルのうちの少なくとも１つの信号における干渉を減らすよう構成される参照信号発生器とを有し、
   前記暗い検出チャネルが、前記複数の検出チャネル間で切り替えられる、デバイス。
8. 前記参照信号発生器が、
   前記他の検出チャネルの信号の少なくとも１つから前記参照信号を減算するよう構成される減算器を有する、請求項７に記載のデバイス。
9. 帯域外信号を減らすため、前記個別の検出チャネルの信号をフィルタリングするよう構成される低域フィルタが提供される、請求項７又は８に記載のデバイス。
10. それぞれ異なる波長の光を放出する複数の光源が提供される、請求項７乃至９のいずれかに記載のデバイス。
11. すべての検出チャネルに対して共通の光検出器が提供される、請求項７乃至１０のいずれかに記載のデバイス。
12. 前記デバイスが、パルス酸素濃度計を有する、請求項７乃至１１のいずれかに記載のデバイス。

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