JPH07124138A - パルスオキシメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的少ない処理の追加で、ＳｐＯ２の真の
変動を失うことなくノイズ等の誤差による変動を抑制す
ることができるパルスオキシメータを提供する。 【構成】 赤外光及び赤色光を皮膚の表面から照射し、
反射光もしくは透過光信号を検出して、前記検出信号か
ら動脈血酸素飽和度を演算するパルスオキシメータにお
いて、所定脈波数にわたって動脈血酸素飽和度を保存す
る記憶部（１５）と、該記憶部に保存された過去の動脈
血酸素飽和度と検出された現在の動脈血酸素飽和度とか
ら動脈血酸素飽和度の変動速度を求める変動速度算出部
（１０）と、算出された前記変動速度に応じて重みを設
定（１１）し、前記過去の動脈血酸素飽和度と現在の動
脈血酸素飽和度との加重平均を行う加重平均部（１２）
と、前記加重平均部の出力と前記記憶部に保存された過
去の連続する所定数の動脈血酸素飽和度との平均を求
め、現在の動脈血酸素飽和度として前記記憶部に保存す
る移動平均部（１３）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動脈血酸素飽和度を非
観血的に計測するパルスオキシメータに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、生体情報を連続的に計測するモ
ニタ類は、高度な計測精度よりも、電気ノイズや体動な
どにより値が変動しない安定性や、トラブルによって計
測が中断しにくい連続性が要求される。パルスオキシメ
ータについても同様である。尚、一般に、採血により観
血的に計測を行った動脈血酸素飽和度ＳａＯ２に対し
て、これと区別するために、パルスオキシメータにより
測定された動脈血酸素飽和度をＳｐＯ２と表現している
ため、以下これに従う。

【０００３】パルスオキシメータによる動脈血酸素飽和
度ＳｐＯ２のモニタリングは、生命を脅かす低酸素状態
を察知するために行うものであり、ノイズなどにより不
用意に値が変動しないだけの安定性が要求される。とこ
ろで、パルスオキシメータは、血行動態を観測するため
に光学系素子を使用している。従って、得られた信号は
体動に対し非常に脆弱であり、ＳｐＯ２値は不安定にな
りやすい性質を有している。

【０００４】一般に、ＳｐＯ２は、比較的ゆっくりした
速度で変化することが知られている。従って、従来より
この変動を抑えるため移動平均が行われていた。移動平
均するにあたり、移動平均点数を増やせばより安定性能
は向上する。他の従来の方法としては、脈波検出あるい
はＳｐＯ２演算の糧でノイズ判定を行い、ノイズが重畳
していた場合は演算結果の信頼性が乏しいとして、無効
とするかもしくは重みを小さくした加重移動平均を行う
考え方がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、移動平
均点数を増やせばＳｐＯ２値の安定性能はより向上する
が、反面、ＳｐＯ２値の小さな変化は捕らえ難くなり、
応答性能も低下する。また、移動平均では、ノイズがな
く正確にＳｐＯ２が演算できたデータとノイズにより誤
差が極端に大きくなったデータとを、区別することなし
に均一に平均化するので、みかけ上は安定するが誤差成
分自体は少しも減少しておらず、その分安定化効率は悪
い。だが、低酸素状態は極めて危険な状態であるため、
いち速く察知するため応答性能が良い方が望ましい。

【０００６】一方、ノイズ判定を行った場合、ノイズの
誤判定(false positive)が多いと計測の連続性を損なっ
てしまう。また、ノイズの検出漏れ(false negative)が
多いと安定性能が向上しない問題があるので、ノイズ判
定の精度は充分に高い必要があるが、１００％の確度で
判定を行うことは不可能であり、ノイズ判定を高精度に
行うためには、信号形状の多様性に対応したアルゴリズ
ムを構築しなければならない。従って、処理量が増え計
測のリアルタイム性を損なう心配がある。また、一般に
加重移動平均を行うと、重みの種類に対応するため移動
平均のような演算の簡略化ができず、処理時間が長くな
る。

【０００７】本発明は、前記従来の欠点を除去し、簡単
な構成により応答性能及び安定性能を向上させたパルス
オキシメータを提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明のパルスオキシメータは、赤外光及び赤色光
を皮膚の表面から照射し、反射光もしくは透過光信号を
検出して、前記検出信号から動脈血酸素飽和度を演算す
るパルスオキシメータにおいて、所定脈波数にわたって
動脈血酸素飽和度を保存する記憶手段と、該記憶手段に
保存された過去の動脈血酸素飽和度と検出された現在の
動脈血酸素飽和度とから動脈血酸素飽和度の変動速度を
求める変動速度算出手段と、算出された前記変動速度に
応じて重みを設定し、前記過去の動脈血酸素飽和度と現
在の動脈血酸素飽和度との加重平均を行う加重平均手段
と、前記加重平均手段の出力と前記記憶手段に保存され
た過去の連続する所定数の動脈血酸素飽和度との平均を
求め、現在の動脈血酸素飽和度として前記記憶手段に保
存する移動平均手段とを備えることを特徴とする。

【０００９】ここで、前記加重平均手段は、前記変動速
度に応じて過去の１点の動脈血酸素飽和度と現在の動脈
血酸素飽和度とに対して重みを設定する重み設定手段
と、前記設定された重みに基づいて２点間の動脈血酸素
飽和度の平均を計算する２点加重平均計算手段とを備
え、２点加重平均を行うことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用い詳細に説
明する。図１に、本実施例との対比を明瞭にするため、
透過光信号と従来の演算されたＳｐＯ２値との関係を示
す。

【００１１】図１Ａは、１分，２分，３分，４分の人差
指での透過光信号を、Ｂは赤外として、Ｒは赤色として
検出したものである。図１ＢのＳで示すドットは図１Ａ
の信号よりそのままＳｐＯ２を演算したものであり、図
１ＢのＸ１，Ｘ２で示すドットは移動平均の演算例であ
る。なお、計測開始１分後から約２分間呼吸停止を行っ
たものである。

【００１２】指の少しの動きにより、透過光信号は図１
Ａのように乱れ、それによってＳｐＯ２は図１ＢのＳの
ように大きく変動する。この変動を抑えるため従来より
移動平均を行っていたが、移動平均点数が少ない場合は
図１ＢのＸ１のように十分な安定性は得られず、移動平
均点数が多い場合は図１ＢのＸ２のように安定はするが
応答性が低下する。

【００１３】＜本実施例の原理による処理例＞図２に、
本実施例の処理例を示す。ＳｐＯ２の演算結果が、図２
のように少しずつ低下する傾向にあって、の時点で急
に低下し、ＳｐＯ２が８１％と演算されたとする。本実
施例では、移動平均計算用（ここでは１６点移動平均と
した）として、１６データ分の総和を記録するバッファ
Ｓｕｍを備えており、図２のように値が推移していると
する。すなわち、最新の移動平均値９８％が計算された
後、新しいＳｐＯ２が演算されたところである。ここ
で、現在の８１％という結果は、それまでの値と比較し
極端に低くかつ変化が急激であるため、誤差が大きくま
ったく計測を誤っている可能性が高く、信頼性が乏し
い。そこで次の様な処理を行う。

【００１４】まず、現在の演算結果であるＳｐＯ２
（＝８１）と８拍前 の移動平均値（＝１００）とによ
り変動速度ｖを計算する。変動速度は、に示す演算で
行われる。ここで説明を簡略化するために、心拍数は１
２０拍／分であり、脈波の検出速度は０．５秒／拍であ
ったとすると、ｖ≒−４．７５［％／秒］となる。ｖの
値に対応して予め定めた値として重みｇを得る。重みｇ
は、例えば、に示すように、条件文「ｖ＜−４［％／
秒］のときｇ＝１／４］により、ｇ＝１／４とされる。

【００１５】次に、現在のＳｐＯ２（＝８１）と８拍
前 の移動平均値（＝１００）とｇとを使って、に示
すように２点加重平均Ａを計算する。ここで、８１％と
いう値は信頼性は乏しいが、ＳｐＯ２の真の変動成分を
ある割合で含んでいる可能性もあるのでまったく無効に
はしない。加重平均の結果（≒９５）と１６拍前の移
動平均値（＝１００）とＳｕｍ（＝１５７３）により、
示すようにＳｕｍの更新Ｂ（＝１５６８）を行う。次
に、に示す割算により移動平均値（≒９８）を得、
の時点の移動平均値Ｃの更新を行う。

【００１６】図３に、上記安定化処理の効果を示す。図
３の（Ａ）の生データ は、加重平均により○のように
変動が抑制され、さらに１６点移動平均を行うことによ
り●のように安定する。加重平均を行わず１６点移動平
均のみの場合、図３の（Ｂ）のように変動幅が広がる。
また、一般に多点の加重移動平均を行った場合、重みの
種類の組合わせに対応するため、図２の，に示す移
動平均のような簡略化ができないので、処理時間が長く
なりがちであるが、本手法では移動平均の簡略化の手法
が活用でき、簡単な処理により安定化が実現できる。

【００１７】＜本実施例の装置の構成例＞図４に本発明
の一実施例のパルスオキシメータのブロック図を示す。
プローブ１は、赤外光用発光素子と赤色光用発光素子
（ＬＥＤ）、並びに、赤外光用受光素子と赤色光用受光
素子（ＰＤ）とを備える。プローブ１にて、反射光もし
くは透過光信号は電気信号に変換され、ヘッドアンプ２
に入力される。ヘッドアンプ２からは赤外ＤＣ信号及び
赤色ＤＣ信号が出力される（図５）。次に、ハイパスフ
ィルタ３にてＡＣ成分が抽出される（図６）。

【００１８】ＤＣ信号ａ及びＡＣ信号ｂはアンプ４と５
にてそれぞれ増幅され、ａ′，ｂ′としてＡＤ変換器６
に与えられる。ＡＤ変換器６にてＡＤ変換された各信号
ａ″，ｂ″はＣＰＵ７に入力される。図８にＣＰＵ７内
部でのデータの流れ並びにその処理を示す。ＡＤ変換後
のＡＣ信号ｂ″は脈波検出部８に入力され、脈波検出が
行われる。ＡＣ信号ｂ″は同時に表示制御部１４にも入
力され、指定の書式に従い表示部１６にて脈波形が表示
される。ＤＣ信号ａ″はＳｐＯ２演算部９に入力され
る。脈波検出部８により脈波が検出されると、脈波検出
信号がＳｐＯ２演算部９に入力される。次に、ＳｐＯ２
演算部９にて、以下の式（１）に基づいて、ＳｐＯ２演
算処理が行われる（図７参照）。

【００１９】 ＳｐＯ２＝Ａ×（ｐｐ１／ｒ１）／（ｐｐ０／ｒ０）＋Ｂ （１） この時、脈波検出部８では、脈波のピーク及びボトムの
検出も行われ、ｐｐレベル値（図７のｐｐ０，ｐｐ１）
及びボトム時刻（図７のｔ_b ）がＳｐＯ２演算部９に渡
される。ＳｐＯ２演算部９では、ボトム時刻ｔ_b におけ
るＤＣ信号レベル（図７のｒ０，ｒ１）と、ｐｐ０，ｐ
ｐ１よりＳｐＯ２を演算する。尚、係数Ａ，Ｂはあらか
じめ記憶された値を用いる。

【００２０】ＳｐＯ２演算部９にてＳｐＯ２が求められ
ると、ＳｐＯ２の値Ｓ及び時刻ｔ（＝ｔ_b ）は、変動速
度算出部１０に入力される。また、２点加重平均部１２
にもＳｐＯ２の値Ｓが入力される。記憶部１５の移動平
均用及び時刻用バッファ（Ｓ０〜Ｓ１５，ｔ０〜ｔ１
５）から、８拍前の移動平均及び時刻（Ｓ_p-8 ，
ｔ_p-8）が読み出され、変動速度算出部１０に入力され
る。但し、移動平均用及び時刻用のバッファにはポイン
タＰがある。本構成例では、バッファの記憶位置が１６
なので、ポインタＰは１６拍前のデータが保存されてい
る位置を示し、８拍前のバッファはポインタＰにより調
べることができる。

【００２１】変動速度算出部１０では、式（２）に従
い、変動速度ｖの算出が行われ、ｖは重み設定部１１に
入力される。 ｖ＝（Ｓ−Ｓ_p-8 ）／（ｔ−ｔ_p-8 ） （２） 重み設定部１１は、例えば、以下のような条件文で表わ
せる処理を行い、ｙ，ｘを得る。

【００２２】 ｉｆ（ｖ＜−８［％／秒］） ｔｈｅｎ ｙ＝７，ｘ＝８ ｅｌｓｅ ｉｆ（ｖ＜−４［％／秒］） ｔｈｅｎ ｙ＝３，ｘ＝４ ｅｌｓｅ ｉｆ（ｖ＜−２［％／秒］） ｔｈｅｎ ｙ＝１，ｘ＝２ ｅｌｓｅ ｉｆ（ｖ＜８［％／秒］） ｔｈｅｎ ｙ＝０，ｘ＝１ ｅｌｓｅ ｙ＝１，ｘ＝２ 前記重み設定部１１により得られたｙ，ｘは、２点加重
平均部１２に入力され、さらに、記憶部１５よりＳ_p-8
が２点加重平均部１２に入力され、式（３）により加重
平均が行われ、加重平均値Ｓ′を得る。

【００２３】 Ｓ′＝（Ｓ_p-8 ×ｙ＋Ｓ）／ｘ （３） 前記条件文において、−２≦ｖ＜８の時は、加重平均を
行わないため、重み設定部１１よりｙ＝０，ｘ＝１を出
力する。尚、この範囲の場合、２点加重平均部１２でＳ
及びＳ_p-8 からＳ′を算出せずに、移動平均部１３に直
接Ｓを入力してもよい。また、現在のＳｐＯ２の重み
を、変動の上昇時よりも下降時の方で小さくした理由
は、ＳｐＯ２の変動が上昇時よりも下降時の方がゆっく
りであることが知られているからである。また、ｘの値
を２の累乗に統一した理由は、割り残をビットシフト演
算に置き換えることができるからである。尚、急激に値
が変動したときに、変動した値の加重平均における重み
を０にすると、ＳｐＯ２の真の変動を再現できなくなる
可能性がある。

【００２４】２点加重平均結果Ｓ′は移動平均部１３に
入力される。移動平均部１３には記憶部１５より、１６
拍前の移動平均値であるＳ_p （ポインタｐに対応したバ
ッファに記憶されたデータ）並びに１６拍前から１拍前
迄の総和Ｓｕｍ_OLD が入力され、次の式（４），（５）
により移動平均が行われる。 Ｓｕｍ_NEW ＝Ｓｕｍ_OLD −Ｓ_p ＋Ｓ′ （４） Ｓ″＝Ｓｕｍ_NEW ／１６ （５） 前記演算の後、Ｓｕｍ_NEW はＳｕｍ用バッファに保存
し、Ｓ″はポインタｐに対応したバッファに保存し、ポ
インタｐを次のバッファに移動する。

【００２５】＜本実施例による処理結果＞本実施例によ
るＳｐＯ２計測例を図９〜図１１に示す。図９と図１０
とに透過光信号並びに処理信号を示す。なお、計測中に
測定部位を動かし、ノイズを混入させてある。ＳｐＯ２
の演算結果（無処理）は図１０の（Ａ）の通りであり、
かなり変動している。本来ならば、呼吸は正常状態であ
るのでほとんど変動が無いはずである。図１０の（Ｂ）
は、１６点移動平均を行った結果であり、かなり変動は
抑制されている。さらに２点加重平均を行うと、（Ｃ）
の様にさらに変動は抑制される。平均点数は２点と少な
いが、効果的に安定化に寄与していることがわかる。

【００２６】図１１は、図１に示すデータに対し、本発
明の本実施例の処理を行った結果の例である。従来の演
算結果に比較して、ＳｐＯ２の推移は安定化しており、
また呼吸停止によるＳｐＯ２の低下も再現されている。
応答性については、本実施例の方が速くＳｐＯ２が回復
している様子が示されている。尚、本実施例のＣＰＵ７
を構成する各要素は、ハードウエアによってもソフトウ
エアによっても実現可能である。また、本実施例の構成
例（図８）ではバッファＳ０〜Ｓ１６としたが、この構
成には限定されず加重平均と移動平均の変化に従って変
更される。また、本実施例では、２点加重平均と８点移
動平均との組み合わせで説明したが、本発明は、比較的
少ない点の加重平均と連続する所定点の移動平均との組
み合わせを開示したものであり、当然他の組み合わせも
可能である。また、２点加重平均の場合の２点を８拍離
れた値としたが、これも最適な距離に調整することが出
来る。さらに、本実施例で示した変動速度の範囲による
条件文はほんの一例であり、最適な分岐条件及び重みの
値あるいはさらに細かな分岐等の変更が可能である。こ
れら変更及び追加も本発明に含まれるものである。

【００２７】

【発明の効果】本発明により、簡単な構成により応答性
能及び安定性能を向上させたパルスオキシメータを提供
できる。すなわち、 １．ＳｐＯ２の真の変動を失うことなく、ノイズ等の誤
差による変動を抑制することができる。

【００２８】２．従来の移動平均に対し、比較的少ない
処理の追加で、ＳｐＯ２の変動を抑制することができ
る。 ３．ＳｐＯ２の上昇時及び下降時に対し、それぞれ最適
な重みを設定することにより、より効果的に変動を抑制
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】測定される透過光信号を示す図である。

【図１Ｂ】図１Ａの透過光信号からの移動平均しないＳ
ｐＯ２の演算例を示す図である。

【図１Ｃ】図１Ａの透過光信号からの８点移動平均後の
ＳｐＯ２の演算例を示す図である。

【図１Ｄ】図１Ａの透過光信号からの３２点移動平均後
のＳｐＯ２の演算例を示す図である。

【図２】安定化処理の計算例を説明する図である。

【図３】安定化処理の効果を比較する図である。

【図４】本実施例のパルスオキシメータのブロック図で
ある。

【図５】ヘッドアンプ２の出力信号の例を表わす図であ
る。

【図６】ハイパスフィルタ３の出力信号の例を表わす図
である。

【図７】ＳｐＯ２演算部における処理を示す図である。

【図８】ＣＰＵ内部の構成及び動作を示す図である。

【図９】ＳｐＯ２の計測例を示す図である。

【図１０Ａ】図９の透過光信号からの無処理のＳｐＯ２
の演算例を示す図である。

【図１０Ｂ】図９の透過光信号からの１６点移動平均後
のＳｐＯ２の演算例を示す図である。

【図１０Ｃ】図９の透過光信号からの２点加重平均と１
６点移動平均後のＳｐＯ２の演算例を示す図である。

【図１１】図１Ａのデータに対して本実施例を適用した
結果の例を示す図である。

【符号の説明】

１ プローブ ２ ヘッドアンプ ３ ハイパスフィルタ ４，５ アンプ ６ ＡＤ変換器 ７ ＣＰＵ ８ 脈波検出部 ９ ＳｐＯ２演算部 １０ 変動速度演算部 １１ 重み設定部 １２ ２点加重平均部 １３ 移動平均部 １４ 表示制御部 １５ 記憶部 １６ 表示部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外光及び赤色光を皮膚の表面から照射
   し、反射光もしくは透過光信号を検出して、前記検出信
   号から動脈血酸素飽和度を演算するパルスオキシメータ
   において、 所定脈波数にわたって動脈血酸素飽和度を保存する記憶
   手段と、 該記憶手段に保存された過去の動脈血酸素飽和度と検出
   された現在の動脈血酸素飽和度とから動脈血酸素飽和度
   の変動速度を求める変動速度算出手段と、 算出された前記変動速度に応じて重みを設定し、前記過
   去の動脈血酸素飽和度と現在の動脈血酸素飽和度との加
   重平均を行う加重平均手段と、 前記加重平均手段の出力と前記記憶手段に保存された過
   去の連続する所定数の動脈血酸素飽和度との平均を求
   め、現在の動脈血酸素飽和度として前記記憶手段に保存
   する移動平均手段とを備えることを特徴とするパルスオ
   キシメータ。