KR20240052769A - 비-멜라닌-편향된 펄스 옥시미터 및 동반된 환자 모니터링 기술 - Google Patents
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Abstract
멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템은 피부의 멜라닌 농도가 더 높은 개인의 펄스 옥시메트리 판독값을 획득 시 멜라닌 간섭을 줄인다. 시스템은 독점 테스트 방법을 통해 광범위한 테스트를 사용하여 설계된 하드웨어 및 소프트웨어를 통해 멜라닌 편향을 줄이는 광학 장치를 통합한다. 물리적 펄스 옥시미터는 예를 들어 전통적인 펄스 옥시미터를 착용할 수 없는 사람들을 위한 향상된 사용법, 정확도 및 편안함을 위한 핑거 클립, 반지, 팔찌 디자인과 같은 다양한 기계적 디자인을 포함한다. 사용자 인터페이스는, 유선 및/또는 무선 수단을 통해, 내장 UI, 외부 및 휴대용 UI, 병상 모니터링 및 환자 모니터링 시스템에 대한 연결을 포함한다. 추가 시스템은 5번째 바이탈 사인으로서 혈중 산소 포화도를 포함한 지속적인 모니터링에 사용될 유선 또는 무선 소형 방수 시스템을 통해, 동일한 장치에 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리와 심장 원격 측정이 포함된 시스템을 포함한다. 시스템은 또한 낙상 검출, 침대 알람 및 위치 서비스를 포함한다.
Description
이 기술은 펄스 옥시미터, 심박수 모니터, EKG 시스템 및 기타 환자 모니터링 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 이 기술은 멜라닌에 편향되지 않은 펄스 옥시메트리를 생성하는 하드웨어, 소프트웨어, 집적 회로 및 컴포넌트뿐만 아니라 그에 수반되는 사용자 인터페이스, 환자 모니터링 통합 및 무선 기술에 관한 것이다.
현재 시중에는 온보드 디스플레이, 무선 기술, 스마트 장치 또는 환자 모니터링 시스템 디스플레이를 통해 심박수, 펄스 옥시메트리 및 체적변동기록계(plethysmograph; pleth) 그래프 데이터를 사용자에게 제시할 수 있는 펄스 옥시미터가 있다. 이러한 펄스 옥시미터는 독립형 장치, 네트워크 연결 및/또는 무선 장치로 동작한다. 펄스 옥시미터에 사용되는 디스플레이는 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 어레이/매트릭스, 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD) 또는 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; OLED)이다. 이러한 펄스 옥시미터는 두 가지 서로 다른 파장의 LED를 사용하여 동작한다. 하나의 LED는 일반적으로 640nm 범위의 적색 LED이고, 다른 LED는 일반적으로 940nm 범위의 IR LED이다. 일부 펄스 옥시미터는 다른 파장이지만 유사한 파장의 적색 및 IR LED 조합을 사용한다. 이러한 펄스 옥시미터는 환자의 혈중 산소 포화도 레벨을 계산하기 위해, 포토다이오드를 통해, 두 LED로부터의 데이터를 사용한다. 심박수는 단 하나의 LED, 일반적으로 IR LED로부터의 데이터를 사용하여 계산된다. 이러한 두 개의 LED를 통해 혈중 산소 포화도 판독값을 얻는 것이 가능한데, 왜냐하면 이러한 LED의 파장이 이러한 파장에 대한 산소헤모글로빈 및 탈산소헤모글로빈에 대한 흡수율의 등흡광점(isosbestic point) 반대편에 있기 때문이다. 등흡광점은 샘플의 물리적 변화 동안 물질의 총 흡수가 변하지 않는 특정 파장이다. 헤모글로빈의 경우, 이는 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡수율이 같은 지점이다. 산소헤모글로빈은 혈액 내 산소화된 헤모글로빈이고, 탈산소헤모글로빈은 혈액 내 탈산소화된 헤모글로빈이다.
이러한 펄스 옥시미터 중 다수가 경험하는 문제는 적색광이 피부에 존재하는 멜라닌에 의해 흡수 및 산란되어 멜라닌 농도가 더 높은 피부를 가진 환자에게 잘못된 높은 혈중 산소 포화도 판독값을 제공한다는 것이다. 멜라닌은 피부에 있는 짙은 갈색 또는 검은색 색소로, 햇빛에 노출되면 태닝의 원인이 되기도 한다. 피부가 어두울수록 멜라닌 농도가 높아져 멜라노솜의 양이 많아지며, 여기서 멜라노솜은 멜라닌을 생성하는 지질 이중층 결합 소기관(lipid bilayer bound organelle)이다. 흡수는 광이나 광자를 "흡수"하는 물질로 인해 광이나 광자가 문제의 물질을 통과하는 것이 완전히 차단될 때 발생한다. 산란은 문제의 물질이나 물체의 접촉으로 인해 입사각에서 광이나 광자의 바운싱으로 인해 발생한다. 멜라닌 및 멜라노솜 모두 흡수 및 산란을 통해 광 교란(light disruption)에 기여한다. 또한 지질 이중층은 이중층의 농도 및 들어오는 광의 세기와 유형에 따라 광을 산란시키는 것으로 밝혀졌다.
전체 산란은 더 낮은 파장에서 더 높은 비율로 발생하지만, 산란은 광 스펙트럼 전체에 걸쳐 발생한다. 그러나 흡수는 주로 고농도의 멜라노솜이 발견되는 기저층에 위치된 표피에서 발견되는 멜라닌에서 발생한다. 가장 큰 흡수 문제를 일으키는 두 가지 유형의 멜라닌은 페오멜라닌과 유멜라닌이며, 이는 피부색에 서로 다른 영향을 미치므로 서로 다른 파장이 서로 다른 속도로 흡수되도록 한다. 페오멜라닌은 적색/황색을 나타내고, 유멜라닌은 갈색/적색을 나타낸다. 따라서, 적색광을 사용하는 현재 펄스 옥시미터는, 페오멜라닌이 흡수 문제를 일으키더라도, 유멜라닌(eumelanin)은 더 높은 흡수율을 유발하므로 잘못된 높은 펄스 옥시메트리 판독값의 비율이 높아진다. 유멜라닌 농도는 피부 색상의 음영(shade)에 정비례하며 피부의 전체 어두움을 주로 담당하며, 여기서 페오멜라닌(pheomelanin)은 피부 색상의 음영 전반에 걸쳐 보다 지속적인 경향을 가지며 주로 피부 색상의 황색/적색 색조(tint)를 담당한다. 따라서, 피부 색상의 음영은 피부의 유멜라닌 농도에 정비례하며, 잘못된 높은 혈중 산소 포화도 판독값을 유발하는 가장 큰 편향을 담당하는 멜라닌의 유형이다.
많은 펄스 옥시미터를 위한 사용자 인터페이스는 비-의료 환자, 일반인 또는 직원이 혈중 산소 포화도 레벨을 해석하기 어려울 수 있는 단색(single-color) 출력이다. 이러한 스크린은 미터기의 남은 배터리 수명을 정확하게 디스플레이하지 않는 단일 배터리 부족 표시기가 있는 경우가 많다. 또한, 많은 미터기는 충전식 배터리가 아닌 일회용 배터리를 사용하는 경우가 많다.
현재 시중에 나와 있는 많은 펄스 옥시미터는 손가락이나 발가락에 고정하는 디자인을 사용하므로 장기간 착용하기가 번거로울 수 있다. 혈액 순환이 좋지 않은 환자의 경우, 미터기는 현재 귀에 테이프로 고정되어 있거나 클립으로 고정되어 있는데, 이는 이상적인 배치가 아니며 케이블이 환자에게 위험이 될 수 있다. 유아의 경우, 미터기는 다리나 손목 주위에 테이핑(taped)되거나 래핑(wrapped)되는 경우가 많다. 어린이의 경우, 미터기는 현재 시중에 판매되는 미터기가 더 작은 부속물을 수용할 수 없기 때문에 손가락이나 발가락을 테이핑하거나 래핑하는 경우가 많다. 이러한 미터기는 종종 떨어지며 혈중 산소 포화도와 심박수 판독값 및 결과의 정확도를 감소시킬 수도 있다. 많은 경우에, 앞서 언급한 미터기 디자인은 환자의 움직임에 매우 민감하며, 이로 인해 판독값이 부정확해질 수도 있다. 이러한 디자인은 기껏해야 내수 기능(water resistant)만 있고 방수(waterproof)가 되지 않아 장시간 이러한 미터기를 착용해야 하는 환자에게 문제가 된다.
일부 최신 펄스 옥시미터 디자인은 비-플렉서블 반지를 활용하므로 손가락이 작은 개인 및/또는 어린이/유아에게 사용될 때 이러한 미터기가 효과적이지 않게 된다. 또한, 일부 디자인은 IR LED를 활용하여 환자의 이마를 사용하여 펄스 옥시메트리 판독값을 측정하고 이 문서에서 논의된 발명이 제공하는 편안함과 기타 특징이 부족하다.
본 발명은 실시예에 따라 다른 수단을 통해 배경기술 부분에서 언급된 많은 문제를 해결한다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 현재 시판되는 물리적 디자인과 유사하지만, 본원의 멜라닌 편향 감소 혈중 산소 포화도 측정 방법을 활용하는, 독립형 또는 연결된 환자 모니터링 시스템에서 핑거 클립 디자인을 사용한다. 또 다른 예시적인 실시예는 플렉서블 반지 디자인을 사용하고, 또 다른 예시적인 실시예는 플렉서블 팔찌 디자인을 사용하여 현재 시중에 나와 있는 펄스 옥시미터와 함께 언급된 많은 배치 문제를 완화한다. 반지 디자인의 예시적인 실시예는 재료와 케이스를 사용하여 방수 동작을 보장한다. 반지 및 팔찌 실시예는 용도에 따라 손목이나 다리의 유아 모니터링은 물론 손가락의 성인 및 소아 모니터링에도 사용할 수 있도록 크기가 조정된다. 반지 및 팔찌 실시예의 크기 조정은 또한 절단 수술을 받은 환자, 또는 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나 해부학, 연령, 정신 장애, 민감성 문제 및/또는 ADD와 같은 이유로 전통적인 펄스 옥시미터를 착용할 수 없는 환자도 쉽게 사용하도록 할 수 있다. 반지 및 팔찌 실시예의 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 내장 스크린을 갖는 실시예, 스마트 장치 디스플레이를 갖는 실시예, 손목 장착형 스크린을 갖는 실시예 및/또는 환자 모니터링 시스템에 연결된 실시예를 포함한다. 또한, 팔찌의 다른 예시적인 실시예는 웨어러블 플렉서블 밴드를 통합하는 방식으로 설계된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 아날로그 포토다이오드 및 이에 수반되는 아날로그 회로 및 소프트웨어와 함께, 약 768nm 및 약 940nm의 2개의 IR LED를 사용함으로써 앞서 논의된 멜라닌 문제를 감소시킨다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예는 이 문제를 해결하기 위해 수반되는 소프트웨어와 함께, 디지털 포토다이오드를 사용한다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 이 문제를 해결하기 위해 수반되는 하드웨어 및 소프트웨어와 함께, 포토트랜지스터를 사용한다. 사용할 최상의 LED 및 검출기(아날로그/디지털)를 결정하기 위해, 테스트 벤치 시스템의 한 가지 예시적인 실시예가 사용된다. 테스트 벤치 시스템의 이 예시적인 실시예는 돼지 피부를 염색하는 데 사용되는 합성 멜라닌의 연속 희석을 사용하여 인간 피부의 다양한 농도의 멜라닌을 나타낸다. 이 예시적인 실시예에서, 테스트 벤치는 다양한 서로 다른 테스트를 통해, 다양한 농도의 멜라닌 염색 돼지 피부를 통과한 후, 수신되는 광의 세기를 측정한다.
본 발명의 한 예시적인 실시예는 체적변동기록기(pleth) 그래프, 혈중 산소 포화도 레벨, 심박수 및 배터리 미터기를 디스플레이하는 사용자 인터페이스를 사용한다. 스크린 레이아웃의 한 예시적인 실시예는 펄스 옥시미터가 양호(95-100%), 중간(90-95%) 또는 위험(<90%) 혈중 산소 포화도 레벨 판독값을 검출하면 색상을 변경하여 사용 편의성을 높이고 특히 일반인에 의해 사용될 때 혈중 산소 포화도 레벨 해석에 도움을 준다. 스크린 레이아웃의 또 다른 예시적인 실시예는 양호한 배터리, 거의 방전된 배터리 및 다음 몇 번의 사용 후 재충전이 필요한 배터리를 나타내기 위해 색상을 변경하는 세그먼트화된 배터리 미터기를 사용한다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 전원으로서 일회용 배터리를 사용한다. 또 다른 예시적인 실시예는 재충전 가능한 배터리를 사용한다. 또한, 또 다른 예시적인 실시예는 예컨대 예를 들어 병원 환자 모니터링 시스템에서 벽 어댑터를 사용한다. 또한, 또 다른 예시적인 실시예는 예컨대 예를 들어 다른 병원 환자 모니터링 시스템에서 배터리 백업이 내장된 벽 어댑터를 사용한다. 이러한 예시적인 실시예는 실시예와 그 공간, 중량 및 전력 소비 요구 사항에 따라 다양한 유형과 스타일의 배터리를 사용한다.
하나의 예시적인 실시예는 펄스 옥시미터에 무선 기술을 사용하여 사용자 인터페이스와 통신한다. 이 무선 인터페이스는 많은 다양한 구현을 취한다. 예시적인 실시예는 환자 모니터링 시스템과 직접 무선으로 통신하는 시스템이다. 또 다른 예시적인 실시예는 작은 사용자 인터페이스를 포함하고 병원 환자 모니터링 시스템으로 전송될 무선 신호를 증폭시키는 벨트 또는 손목 팩과 통신한다. 또한, 또 다른 예시적인 실시예는 유선 및 무선 네트워크 연결 통신을 통해 환자 모니터링 시스템과 통신한다. 이러한 무선 및 유선 실시예는 본 발명에 따른 펄스 옥시미터 디자인의 모든 실시예와 호환 가능하다.
디자인의 또 다른 예시적인 실시예는 펄스 옥시메트리 시스템에 내장된 심장 원격 측정 모니터링을 포함하므로 환자 모니터링 시스템에 혈중 산소 포화도 레벨로서 5번째 바이탈 사인을 제공한다. 이에 대한 예시적인 실시예는 이 정보를 펄스 옥시메트리 시스템(유선 또는 무선)과 결합하여 로컬로 디스플레이되거나 환자 모니터링 시스템에 전송(유선 또는 무선)되는 벨트 또는 가슴 팩에 유선으로 연결된 피부 전극을 포함한다. 심박수 원격 측정 시스템의 또 다른 예시적인 실시예는 유선 전극 이외의 개별 무선 송신기를 사용하여 펄스 옥시메트리 데이터와 함께 심박수 데이터를 로컬 벨트 팩, 병상 모니터 또는 환자 모니터링 장치로 직접 전송하는 피부 전극을 포함하여, 따라서 환자에게 방해가 되는 케이블을 버릴 수 있다. 심박수 원격 측정 시스템의 또 다른 예시적인 실시예는 방수 중앙 집중식 컨트롤러를 사용하며, 이는 환자의 가슴이나 심장 근처의 다른 위치에 부착할 수 있고, 짧은 케이블을 통해 피부 전극으로부터의 정보를 로컬에서 유선 또는 무선으로, 또는 환자 모니터링 시스템을 통해 유선 또는 무선으로 디스플레이될 펄스 옥시미터 판독값과 결합한다.
도 1은 멜라닌 편향을 감소시키기 위한 하나(n개)의 LED(들) 및 검출기 조합을 달성하기 위해 LED 및 검출기 성능 테스트를 수행하는 데 사용되는, 본 발명에 따른 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른, 테스트에 사용되는 UI 및 주변 인터페이스 장치를 포함하는 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템용 아날로그 검출기의 하나의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템용 디지털 검출기의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a-5b는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템을 위한 2개의 예시적인 LED의 예시적인 실시예와 이들의 예시적인 장착 및 연결 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 UI(사용자 인터페이스)를 통한 일반적인 사용법의 개요를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른, 돼지 피부, 검출기, 방출기 및 블랙아웃 박스를 갖춘 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 사용 방법을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 소프트웨어 흐름을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른, 예시적인 피험자/환자 손가락 배치를 포함하는 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른, 펄스 옥시메트리를 위한 사용자 인터페이스 출력의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃을 도시한다.
도 13a-13b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터에서 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른, 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 상반부(top half)(상단(upper))의 조립도를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른, 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 하반부(lower half)(하단(bottom))의 조립도를 도시한다.
도 16a-16b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 하부(하단) PCB(printed circuit board)의 예시적인 레이아웃의 평면도 및 저면도를 도시한다.
도 17a-17b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 상부(상단) PCB(printed circuit board)의 예시적인 레이아웃의 평면도 및 저면도를 도시한다.
도 18은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다.
도 19는 UI(user interface)의 예시적인 실시예를 포함하는, 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다.
도 20은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인의 다이어그램을 도시한다.
도 21은 예시적인 손목 장착형 UI의 예시적인 실시예와 함께 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인의 다이어그램을 도시한다.
도 22는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 23은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 소프트웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 24는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 팔찌 또는 웨어러블 플렉서블 밴드 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 25는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 낙상(fall) 검출 및 침대 알람 모니터 사용의 일 예를 도시한다.
도 26은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 반지 실시예의 환자 위치 추적 삼각측량 방법의 일 예를 도시한다.
도 27은 본 발명에 따른, 무선 환자/피험자 착용 전도성 패드의 예시적인 실시예와 함께 완전 무선 심장 원격 측정 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 28은 본 발명에 따른, 환자/피험자 착용 원격 측정 베이스 팩의 예시적인 실시예와 함께 무선 심장 원격 측정 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 29는 본 발명에 따른, 예를 들어 심장 원격 측정 모니터링 및 펄스 옥시메트리를 포함하는 무선 전체 환자 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른, 테스트에 사용되는 UI 및 주변 인터페이스 장치를 포함하는 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템용 아날로그 검출기의 하나의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템용 디지털 검출기의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a-5b는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템을 위한 2개의 예시적인 LED의 예시적인 실시예와 이들의 예시적인 장착 및 연결 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 UI(사용자 인터페이스)를 통한 일반적인 사용법의 개요를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른, 돼지 피부, 검출기, 방출기 및 블랙아웃 박스를 갖춘 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 사용 방법을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른, 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 소프트웨어 흐름을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른, 예시적인 피험자/환자 손가락 배치를 포함하는 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른, 펄스 옥시메트리를 위한 사용자 인터페이스 출력의 예시적인 실시예의 일반적인 레이아웃을 도시한다.
도 13a-13b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터에서 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른, 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 상반부(top half)(상단(upper))의 조립도를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른, 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 하반부(lower half)(하단(bottom))의 조립도를 도시한다.
도 16a-16b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 하부(하단) PCB(printed circuit board)의 예시적인 레이아웃의 평면도 및 저면도를 도시한다.
도 17a-17b는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 상부(상단) PCB(printed circuit board)의 예시적인 레이아웃의 평면도 및 저면도를 도시한다.
도 18은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다.
도 19는 UI(user interface)의 예시적인 실시예를 포함하는, 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다.
도 20은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인의 다이어그램을 도시한다.
도 21은 예시적인 손목 장착형 UI의 예시적인 실시예와 함께 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인의 다이어그램을 도시한다.
도 22는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 23은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 소프트웨어 신호 흐름의 개요를 도시한다.
도 24는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 팔찌 또는 웨어러블 플렉서블 밴드 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다.
도 25는 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 낙상(fall) 검출 및 침대 알람 모니터 사용의 일 예를 도시한다.
도 26은 본 발명에 따른, 펄스 옥시미터의 예시적인 반지 실시예의 환자 위치 추적 삼각측량 방법의 일 예를 도시한다.
도 27은 본 발명에 따른, 무선 환자/피험자 착용 전도성 패드의 예시적인 실시예와 함께 완전 무선 심장 원격 측정 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 28은 본 발명에 따른, 환자/피험자 착용 원격 측정 베이스 팩의 예시적인 실시예와 함께 무선 심장 원격 측정 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 29는 본 발명에 따른, 예를 들어 심장 원격 측정 모니터링 및 펄스 옥시메트리를 포함하는 무선 전체 환자 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 시스템은 피부의 멜라닌 편향을 감소시키는 방법을 포함하는 펄스 옥시미터 장치를 포함한다. 이 펄스 옥시미터 시스템은 사용자 인터페이스, 예를 들어 환자 모니터링 시스템 또는 독립형 UI를 통해 유선 또는 무선으로 심장 원격 측정 및 혈중 산소 포화도 정보를 포함한 원격 측정을 수신하는 다수의 방법을 포함한다. 다양한 형태, 모양 및 부착 방법을 취하는 이 펄스 옥시미터의 다수의 실시예가 있다. 이 펄스 옥시미터 시스템 개발의 일부에는 이 문서에서 앞서 논의된 멜라닌 편향을 줄이기 위한 최상의 광학 구성 및 디바인을 결정하기 위한 테스트 시스템을 사용하는 것이 포함된다.
테스트 벤치
테스트 벤치는 정확한 펄스 옥시메트리 판독을 간섭하는 광 흡수 및 광 산란을 유발하는 멜라닌 편향을 줄이기 위해 최상의 광학 배열을 결정하도록 개발된 시스템이다. 테스트 벤치는 하드웨어, 소프트웨어, 및 물리적 컴포넌트, 예컨대 예를 들어 돼지 피부 및 합성 멜라닌 염료로 구성된다. 이 섹션에서 논의된 예시적인 실시예는 스루홀(through-hole) 변환기 PCB에 장착된 SMD 컴포넌트를 포함하여, 스루홀 부분뿐만 아니라 퍼프 보드(perf board)를 사용하여 개발되었다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 장치의 크기를 줄이고 견고성을 높이기 위해 맞춤형 PCB 및 주로 SMD 부품을 사용하여 구성된다.
도 1은 하드웨어 컴포넌트의 일반적인 위치를 도시하는 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다. 101은 회로에 전력을 공급하기 위해 AC 벽 어댑터를 연결하는 데 사용되는 전력 입력 배럴 어댑터를 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는 101용 배럴 잭 대신 USB 커넥터와 USB 전원을 사용한다.
또한, 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 온보드 AC/DC 변환기 및/또는 배터리를 포함하는 다른 전원을 사용한다. 102는 사용자 인터페이스의 버저 출력 부분을 디스에이블 또는 인에이블시키는 헤더 점퍼를 나타낸다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, GPIO 제어식 스위칭 방법을 포함하는, 버저를 제어하기 위해 디지털 또는 아날로그 방법을 사용한다. 103은 사용자 입력 및 프로그램 동작에 기초하여 소리를 방출하는 사용자 인터페이스의 버저 부분을 나타낸다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 버저 대신 다른 형태의 오디오 및/또는 시각적 표시기, 예컨대, 이에 제한되는 것은 아니나, 스피커 또는 오디오 및/또는 음성 합성기를 사용한다. 사용자 입력 블록은 104-107으로 구성된다. 104는 디스플레이(201)에서 한 자리씩 오른쪽으로 이동하는 데 사용되는 촉각 스위치를 나타낸다. 105는 디스플레이(201)에서 한 자리씩 왼쪽으로 이동하는 데 사용되는 촉각 스위치를 나타낸다. 106은 디스플레이(201)의 디지트를 통해 이동하고 엔터(enter) 누르기를 검출하는 데 사용되는 회전식 인코더를 나타낸다. 107은 LCD 스크린(201) 상의 다양한 메뉴를 통해 이동하는 데 사용되는 메뉴 선택 버튼을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예에서 사용자 입력 블록은 다른 입력 방법, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 다중 회전식 인코더, 터치 스크린, 키보드, 키패드 및/또는 컴퓨터 및 스마트 장치 인터페이스로 구성된다. LCD 제어 블록은 108-109로 구성된다. 108은 디스플레이, 201, 밝기 조절 전위차계를 나타낸다. 109는 디스플레이, 201, 콘트라스트 조절 전위차계를 나타낸다. 다른 예시적인 실시예에서, LCD 제어 블록은, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 고정 저항 값, GPIO 제어, 디지털 전위차계 제어 및/또는 디지털-아날로그 변환기 제어(DAC)를 포함하는, 다른 아날로그 또는 디지털 제어 방법으로 대체된다. 서로 다른 유형의 디스플레이(201)가 사용되는 다른 예시적인 실시예는 사용되는 디스플레이 기술에 따라 서로 다른 제어 블록(108-109)을 갖는다. 110은 마이크로컨트롤러, 111, 프로그램 정지의 경우 마이크로컨트롤러를 리셋하기 위한 리셋 버튼을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는 리셋 버튼을 워치독 타이머(watch dog timer)로 대체한다. 111은 MCU(microcontroller unit)를 나타낸다. 도시된 예시적인 실시예에서, MCU(111)에는 Atmel ATMEGA 328P가 사용된다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 유사한 특징과 기능을 가진 다른 유형의 마이크로컨트롤러를 사용한다. 112는 MCU(111)용 클록으로 사용되는 수정 발진기를 나타낸다. 본원에 논의된 테스트 벤치의 예시적인 실시예에서, 112는 적절한 소프트웨어 성능을 허용하기 위한 16MHz 클록이다. 113은 MCU(111)를 재프로그래밍하는데 사용되는 프로그래밍 헤더를 나타낸다. 114는 스크린(201)이 부착되는 영숫자 LCD 스크린 헤더를 나타낸다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 사용된 디스플레이 유형에 따라 다른 부착 방법을 사용한다. 115는 단락 시 테스트 벤치를 보호하는 데 사용되는 퓨즈 블록을 나타낸다. 116은 테스트 벤치에 전력을 공급하는 데 필요한 3.3V 및 5V 소스를 모두 생성하는 전력 조절 블록을 나타낸다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예는 다른 전압원 및 전력 공급 방법을 사용하여 테스트 벤치에 전력을 공급한다. 117은 교정 목적으로 전류 션트(118)에 연결되는 전류 모니터링 제어 블록을 나타낸다. 119는 초기 부팅 동안 전류계(117)를 교정하는데 사용되는 교정 컨트롤러를 나타낸다. 120은 테스트에 사용되는 LED용 전류원을 생성하기 위해 121 및 122와 함께 사용되는 LED 전류 드라이버 블록을 나타낸다. 121은 비교기 모드에 있는 연산 증폭기(op-amp)를 나타내며, 전류 소스의 일부이다. 122는 전류원의 DAC 섹션을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, PWM 필터링된 아날로그 전압을 포함하는 프로그래밍 가능한 전압 출력을 생성하는 전류원의 DAC 부분에 대해 다른 방법을 사용한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 전류원 IC, 디지털로 제어 가능한 레귤레이터, 또는 디지털로 제어 가능한 전류원 공급 장치와 같은, LED용 제어 가능한 전류원을 생성하기 위한 다른 방법을 사용한다. 123은 디지털 검출기(203)를 위한 레벨 시프터 블록을 나타낸다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 블록(123)에서 전압 레벨 시프팅을 요구하지 않는 다른 유형의 디지털 검출기를 사용한다. 124는 아날로그 검출기(204) 커넥터를 나타내고, 125는 디지털 검출기(203) 커넥터를 나타낸다. 이러한 커넥터(124 및 125)의 일 예시적인 실시예는 헤더 유형 커넥터이다. 커넥터(124 및 125)의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 몰렉스(Molex) 커넥터, ZIF 커넥터, 골드 핑거, 리본 케이블 커넥터 및/또는 JST 커넥터를 포함한다. 126은 메인 LED 케이블을 나타내고, 127은 보조 LED 케이블을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 스냅 커넥터, JST 커넥터, 헤더, 배럴 잭, 몰렉스 커넥터 및/또는 버트(butt) 커넥터를 포함하는, LED를 테스트 벤치 시스템에 부착하기 위한 다른 방법을 사용한다. 128은 배럴 잭(101)을 통해 연결된 부주의한 역극성 전력 공급 장치로부터 테스트 시스템을 보호하기 위한 회로의 역전류 보호 제어 블록을 나타낸다. 129는 이전에 테스트 벤치에 대해 논의된 모든 컴포넌트가 장착되는 메인 보드를 나타낸다. 메인 보드의 한 가지 예시적인 실시예는 솔더 조인트를 보호하기 위한 플라스틱 커버가 있는 퍼프 보드이다. 메인 보드의 또 다른 예시적인 실시예는 트레이스를 보호하기 위한 플라스틱 커버가 있는 인쇄 회로 기판(PCB)이다.
도 2는 사용자 인터페이스와 검출기를 포함하는 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다. 201은 테스트 벤치 상에 장착된 영숫자 스크린을 나타낸다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, LCD, OLED, E-잉크, 컴퓨터 디스플레이 및/또는 스마트 장치 디스플레이와 같은, 스크린(201)을 위한 다른 디스플레이 방법을 사용한다. 202는 전에 설명된 메인 보드(보드(129))를 나타낸다. 203은 도 4에 더 설명된 디지털 검출기를 나타낸다. 204는 도 3에 더 설명된 아날로그 검출기를 나타낸다. 205 및 206은 각각 디지털 및 아날로그 검출기에 전력 및 데이터 전송을 제공하는 리본 케이블을 나타낸다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는, 리본 케이블(205 및 206) 대신, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, FPC 케이블, 다중-코어 케이블 및/또는 트위스트 페어(twisted pair) 케이블과 같은 다른 연결 방법을 사용한다.
도 3은 아날로그 검출기 회로의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다. 301은 메인 아날로그 검출기 보드를 나타낸다. 도시된 예시적인 실시예에서, 보드(301)는 스루홀 부분을 사용하는 퍼프 보드 조각이다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 보드(301)용 SMD 부분 및 맞춤형 PCB를 사용한다. 302는 도 2의 206으로 논의된 케이블을 나타낸다. 303은 포토다이오드(304)의 전압을 MCU(111)용 데이터로 변환하는 고분해도 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 나타낸다. 304는 트랜스임피던스 증폭기가 내장된 포토다이오드를 나타낸다. 포토다이오드에 의해 생성된 저전류 신호를 ADC(303)에 의해 사용 가능한 전압으로 변환하려면 트랜스임피던스 증폭기가 필요하다. 아날로그 검출기 회로의 다른 예시적인 실시예는 304에 표시된 올인원 IC 대신 별도의 아날로그 포토다이오드와 트랜스임피던스 증폭기를 사용한다. 아날로그 검출기 회로의 다른 예시적인 실시예는 304에 표시된 올인원 IC 대신 별도의 아날로그 포토트랜지스터를 사용한다.
도 4는 디지털 검출기 회로의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시한다. 401은 메인 디지털 검출기 보드를 나타낸다. 도시된 예시적인 실시예에서, 보드(401)는 SMD 부분을 사용한 PCB이다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 퍼프 보드와 스루홀 부분 또는 다른 SMD 부분과 보드(401)용 맞춤형 PCB 설계를 사용한다. 402는 도 2의 205로 논의된 케이블을 나타낸다. 403은 MCU(111)가 사용할 광을 나타내는 디지털 출력을 생성하는 올인원 디지털 포토다이오드를 나타낸다. 디지털 검출기 회로의 다른 예시적인 실시예는 403에 도시된 올인원 IC 대신에 다른 디지털 광 및 세기 검출 방법을 사용한다.
도 5a 및 도 5b는 LED의 예시적인 실시예 그리고 예시적인 장착 및 연결 방법이다. 501 및 502는 SMD LED용 실장 보드를 나타낸다. 503 및 504는 다양한 크기의 예시적인 SMD LED를 나타낸다. 505 및 506은 LED 장착 시스템용 전기 연결 핀을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는 SMD 및 스루홀 LED 모두의 다른 크기 및 스타일뿐만 아니라 이러한 LED에 대한 다른 크기 및 스타일의 장착 방법을 사용한다. LED 표면적과 광 출력 각도가 테스트 중 멜라닌 편향 감소에 영향을 미치는지를 결정하기 위해 다양한 크기의 LED가 테스트된다.
도 6은 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 하드웨어 흐름의 개요를 도시한다. 601은 배럴 잭(101)을 통해 연결되어 회로에 전력을 공급하는 벽 전력 공급 장치이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 벽 어댑터(601) 대신, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, AC/DC 변환기, USB 전력 및/또는 배터리를 통한 메인 공급 장치와 같은 다른 전력 방법을 사용한다. 블록(602)은 각각 퓨즈 및 역전류 보호 장치(115 및 128)이다. 도시된 예시적인 실시예에서, PTC 퓨즈를 사용하여 장치를 쉽게 리셋할 수 있으며, 역전류 보호를 위해 다이오드가 포함된 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET)가 사용된다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는, 예컨데 이에 제한되는 것은 아니나, 유리 또는 블레이드 퓨즈와 같은 다른 스타일의 퓨즈를 사용하고, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 전용 역전류 보호 IC 또는 단일 다이오드 방법과 같은 다른 형태의 역전류 보호를 사용한다. 603 및 604는 또한 116에 표시된 각각 5V 및 3.3V 조절 블록이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 이러한 실시예의 회로 요구 사항에 따라 다른 전압 및/또는 전압 조절 방법을 사용한다. 605는 디지털 검출기(606)의 I2C 데이터 스트림을 위한 5V 내지 3.3V 레벨 시프터이다. 레벨 시스터(605)는 또한 123에 도시된다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 전압 요구 사항에 따라 다른 유형의 레벨 시프터를 사용하고, 다른 예시적인 실시예는 디지털 광 검출기(606)를 위한 I2C 데이터용 레벨 시프터를 필요로 하지 않는다. 606은 또한 도 4에 도시된 디지털 광 검출기이다. 도시된 예시적인 실시예에서, TSL2591 I2C 광 검출기가 사용된다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 다른 유형의 디지털 광 검출기를 사용한다. 607은 303으로도 표시되는 고분해도 ADC이다. 도시된 실시예에서, 16비트 I2C ADS1115가 사용된다. 테스트 벤치의 다른 예시적인 실시예는 다른 형태의 아날로그 변환기를 사용한다. 아날로그 변환기는 이 문서의 후반부에서 논의된 펄스 옥시미터에 사용하기 위해 전송될 때 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡수 사이의 미세한 차이를 검출할 수 있도록 충분히 높은 분해능을 갖는 것이 중요하다. 608은 304로도 표시된 아날로그 포토다이오드이다. 도시된 예시적인 실시예에서, 이 부분에는 OPT101이 선택되었는데, 그 이유는 여기에 트랜스임피던스 증폭기가 포함되어 있어 전체 설계에 필요한 컴포넌트가 더 적기 때문이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 608에 대해 다른 유형의 아날로그 포토다이오드를 사용하며, 그 중 일부는 독립적인 트랜스임피던스 증폭기 회로를 필요로 한다. 포토다이오드에 의해 생성된 작은 전류를 ADC(607)가 사용할 판독 가능한 전압으로 변환하려면 트랜스임피던스 증폭기가 필요하다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예에서, ADC(607)는 MCU(615) 내부에 있다. 609는 멜라닌으로 염색된 돼지 피부이다. 멜라닌으로 염색된 돼지 피부는 테스트 목적으로 인간 피부의 다양한 멜라닌 농도를 시뮬레이션하는 데 사용된다. 610은 607과 608이 모두 장착된 보드(301)이다. 611은 LED, 예를 들어 503 및 504이다. 테스트하는 동안 이 문서 후반부에서 논의된 펄스 옥시미터에 대한 멜라닌 편향을 줄이기 위한 최선의 옵션을 찾기 위해 다양한 많은 LED가 사용된다. 612는 연산 증폭기 및 전류원 회로의 트랜지스터부(121 및 120)이다. 613은 전류원 회로의 DAC(122) 부분이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 다른 방법을 사용하여, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 필터링 기능이 있는 PWM 및/또는 디지털 전위차계와 같은, 연산 증폭기 및 트랜지스터(612)에 대한 디지털 제어식 가변 전압원을 생성한다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예에서, DAC(613)는 MCU(615) 내부에 있다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 다른 방법을 사용하여, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 전류원 IC, 디지털로 제어 가능한 레귤레이터, 또는 디지털로 제어 가능한 전류원 공급 장치와 같은, LED용 제어 가능한 전류원을 생성한다. I2C 신호(614)는 모든 장치(디지털 광 검출기(606), 고분해도 ADC(607), DAC(613) 및 전류 센서(626))를 MCU(615)와 상호 연결하는 데 사용된다. MCU(615)(또한 111)는 메인 프로그램이 저장되고 버튼 및 노브(knob)(616)(또한 104-107)를 통해 사용자 입력(628)에 기초하여 그 기능을 실행하는 곳이다. 도시된 실시예에서, MCU(615)는 수정 발진기 프로그램 클록(617)(또한 112)을 통해 16MHz로 클록되는 Atmel ATMEGA 328P 마이크로컨트롤러이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 다른 유형의 마이크로컨트롤러와 다른 속도로 실행되는 다른 유형의 프로그램 클록을 사용한다. 618은 UART 신호(622)를 통해 MCU(615)에 저장된 프로그램을 업데이트하기 위해 컴퓨터에 부착된 프로그래밍 헤더(113)이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 다른 프로그래밍 방법, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, ICSP, SWD, SPI, J-TAG 및/또는 무선 방법을 사용한다. 또한, 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 사용자 인터페이스의 일부로서 컴퓨터 또는 스마트 장치와 통신하기 위해 프로그래밍 헤더를 사용한다. 619는 리셋 버튼(110)이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 프로그램 중단의 경우 MCU를 자동으로 리셋하기 위해 619용 워치독 타이머를 사용한다. 623은 테스트 벤치 시스템이 실행되는 동안 사용자(628)에게 정보를 제공하는 사용자 인터페이스의 영숫자 스크린(또한 201) 부분이다. 도시된 예시적인 실시예에서, 스크린(623)은 병렬 인터페이스(624)를 통해 MCU(615)에 연결된다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 MCU(615)와 스크린(623) 사이를 연결하기 위해, 예를 들어 SPI, I2C, 1-와이어 및 기타 직렬 방법과 같은, 다른 유형의 인터페이스를 사용한다. 또한, 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, LCD, OLED, LED 어레이, 터치 스크린 및/또는 컴퓨터 또는 스마트 장치 인터페이스와 같은, 다른 유형의 623용 스크린을 사용한다. 625 및 627(또한 119 및 118)은 초기 부팅 시 전류 센서(626)를 교정하는 교정 컨트롤러 및 전류 션트이다. 이 교정은 부품이 마모되어 효율성이 떨어지거나 주요 변동으로 인해 다양한 전압 입력이 발생하는 경우의 전압 드리프트를 설명한다. 도시된 실시예의 전류 센서(626)(또한 117)는 INA219 I2C 전류 센서이다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예에서, 다른 전류 센서 및 전류 감지 방법이 구현된다. 사용자(628)는 입력 버튼과 노브(616)(또한 104-107)를 통해 테스트 벤치 시스템을 제어하고 스크린(623)을 통해 테스트 벤치 시스템으로부터 데이터를 다시 수신한다. 사용자(628)는 또한 테스트를 위해 다양한 농도의 멜라닌으로 염색된 돼지 피부(609)뿐만 아니라 다양한 LED(611) 및 검출기(606 및 608)를 스위칭한다.
도 6의 예시적인 실시예에서, 도시된 신호 상호작용 및 흐름은 다음과 같이 작동한다. 사용자(628)는 테스트를 시작할 LED(611), 뿐만 아니라 디지털(606) 또는 아날로그(608) 중에서 테스트를 시작할 검출기를 선택한다. 사용자(628)는 LED(611)와 검출기(606 또는 608) 사이에 멜라닌으로 염색된 돼지 피부(609)를 배치하고, 이 셋업을 블랙아웃 박스(801)에 배치하여 도 8에 도시된 바와 같이 주변 광으로부터의 간섭을 방지한다. 사용자(628)는 입력 버튼과 노브(616)뿐만 아니라 사용자 인터페이스 스크린(623)을 사용하여 메뉴 옵션, 테스트 및 테스트 프로세스에 사용될 값을 선택한다. 프로그램 클록(617)을 통해 클록된 마이크로컨트롤러(615)는 사용자(628)의 입력 요청마다 펌웨어 명령어를 실행하고 이러한 결과를 스크린(623)에 반환한다. 마이크로컨트롤러(615)는 마이크로컨트롤러(615)의 펌웨어의 일부인 스크린 드라이버에 의해 제어되는 병렬 인터페이스(624)를 통해 스크린(623)을 제어한다. 마이크로컨트롤러(615)는 I2C 버스(614)를 통해 DAC(613), 고분해도 ADC(607), 전류 센서(626) 및 디지털 광 검출기(606)를 제어한다. DAC(613)의 출력 전압은 비교기 모드로 구성된, 연산 증폭기 및 트랜지스터(612)로 전송되어 LED(611)를 제어하는 전류원을 생성하고, 전류 센서(626)에 의해 모니터링된다. LED(611)로부터의 광은 돼지 피부(609)를 통과하고 사용자(628)의 입력 선택에 따라 디지털 광 검출기(606) 또는 아날로그 포토다이오드(608)로 들어간다. 아날로그 포토다이오드(608)는 도시된 예시적인 실시예에서 내장형 트랜스임피던스 증폭기를 포함하며, 이는 전압 출력 신호를 ADC(607)로 전송하여 디지털 세기 값을 MCU(615)로 반환한다. 다른 예시적인 실시예는 포토다이오드(608) 대신 포토트랜지스터를 사용한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 외부 트랜스임피던스 증폭기 회로를 갖는 아날로그 포토다이오드(608)를 사용한다. 사용자(628)가 디지털 입력 방법을 선택하면, 디지털 광 검출기(606)는 레벨 시프터(605)를 통해 I2C 버스(614)를 통해 마이크로컨트롤러(615)로 디지털 세기 데이터를 전송한다. 다른 예시적인 실시예는 디지털 검출기(606) 대신에 다른 디지털 광 검출 방법 및 통신 방법을 사용한다. 마이크로컨트롤러(615)는 인에이블될 시, 전류를 LED(611)에서 전류 션트(627)로 전환하고, 알려진 전류 값이 전류 션트(627)의 고정 저항 값에 기초하여 반환되도록 허용하여, DAC(613)와 전류원 회로(612)를 교정하는 교정 회로(625)를 제어한다. 프로그래밍 헤더(618)는 UART 인터페이스(622)를 통해 MCU(615)의 펌웨어를 프로그래밍/업데이트하는 데 사용된다. 모든 회로에 대한 전력은 퓨즈 및 역전류 보호 장치(602)를 통해 벽 공급 장치(601)로부터 전력을 수신하는 5V 조절 장치(603)를 통해 생성된다. 광 검출기(606)는 전압 레벨 시프팅(605)을 필요로 하며, 3.3V 조절 장치(604)를 통해 전력을 수신하고, 이는 5V 조절 장치(603)를 통해 전력을 수신한다. 하드웨어 흐름의 다른 예시적인 실시예는 다른 예시적인 신호 경로 및 회로를 통해 본 발명에 따른 테스트 벤치 시스템의 다른 실시예에서 사용된다.
도 7은 예시적인 사용자 인터페이스를 통해 멜라닌 편향을 감소시키는 혈중 산소 포화도를 측정하는 방법에 대한 최상의 LED 및 검출기 조합을 찾는 데 사용되는 테스트 벤치의 예시적인 실시예의 일반적인 사용법의 일 예를 도시한다. 블록(701)에서, 사용자는 도 8에 도시된 바와 같이 테스트를 시작할 검출기와 방출기를 설정한다. 사용자는 LED에 대한 최대 전류를 설정(702)하여 예시적인 사용 프로세스를 시작한다. 사용자는 최대 전류 테스트를 시작하기 위해 캡처 버튼을 누르며(703), 이는 비교 지점을 갖기 위해 모든 방출기에 대한 최대 반환 세기를 결정하는 데 사용된다. MCU(또한 111 및 615)는 캡처 모드로 들어간다(704). 검출기로부터 세기를 캡처한 후, 블록(705)에서 캡처 시간 범위에 걸친 세기 값이 평균화된다. 발견된 최대 전류 세기는 블록(706)으로 반환된다. 사용자는, 도 8의 예시적인 다이어그램을 따르면, 검출기와 방출기 사이에 돼지 피부를 배치한다(707). 사용자는 블록(708)에서 모든 테스트에 걸쳐 거리가 일관되게 유지되도록 도 8에 설명된 바와 같이 거리를 측정한다. 사용자는 블록(703 내지 705)를 수행하며, 이때 블록(709)에서 돼지 피부로부터의 세기가 발견된다. 사용자는 블록(710)에서 돼지 피부의 흡수율을 찾고 이 값을 기록한다. 블록(711)에서 모든 조합에 대한 최대 전류 테스트가 시도될 때까지 모든 다양한 정도의 멜라닌과 모든 방출기 및 검출기로 단계(701 내지 710)가 반복된다. 사용자는 701에서 초기 검출기 및 방출기로 다시 시작하고 이전 테스트 동안 발견된, 블록(713)에서 최대 세기를 설정하여 평균 최대 세기 테스트를 실행한다(712). 사용자는 최대 세기 설정 버튼을 누르고(714), 이는 마이크로컨트롤러를 캡처 모드에 놓고(715) 블록(716)에서 이 최대 세기를 달성하는 데 필요한 전류를 계산한다. MCU는 블록(717)에서 제공된 세기 및 전류 파라미터를 사용하여 방출기가 수행할 수 있는 실제 세기를 반환한다. 이 시점에서, 최대 세기가 발견되고 모든 검출기와 방출기 조합에 대한 최대 세기와 돼지 피부 흡수율을 찾기 위해 단계(707 내지 710)를 계속하기 전에 블록(720)에서 사용자에 의해 기록된다. 각 방출기 및 검출기 조합에 대한 전류 값에 걸쳐 최고 또는 최저 이상(peak or trough anomalies)이 없는지 확인하기 위해, 사용자는 701에서 초기 검출기와 방출기를 설정하여 수동 전류 테스트를 수행한다. 사용자는 702에서 이 방출기에 대한 최대 전류를 설정하고 718에서 수동으로 방출기의 전류를 변경하여, 블록(719)에서 디스플레이된 세기의 예상치 못한 최고 또는 최저를 기록한다. 블록(720)에서 수동 전류 테스트 동안 최대 세기 피크가 발견되면, 블록(701, 702 및 718-720)에서의 수동 전류 테스트를 위한 프로세스는 모든 방출기 및 검출기 조합이 시도될 때까지 반복된다. 이 시점에서, 사용자는 블록(722)에서 멜라닌 편향을 감소시키는 혈중 산소 포화도를 측정하는 방법에 대해 최상의 방출기 및 검출기를 선택하기 위해, 블록(721)으로 이동하여 데이터를 검토한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 이 문서의 다른 도면에서 논의된 이유로 가장 좋은 두 개의 방출기가 선택되었으며, 검출기는 1개만 선택된다. 테스트 벤치 시스템의 다른 예시적인 실시예는 멜라닌 편향을 감소시키는 혈중 산소 포화도를 측정하는 방법에 대해 최상의 방출기 및 검출기 조합을 선택하는 것과 동일한 최종 결과를 생성하기 위해, 다른 테스트, 사용자 인터페이스 흐름 및 절차를 사용한다.
도 8은 예를 들어, 돼지 피부를 이용한 테스트 벤치의 일반적인 사용 방법과 예시적인 블랙아웃 박스를 도시한다. 문서에서 앞서 설명된 테스트 동안, 주변 광 및 기타 광원이 테스트 결과를 간섭하는 것을 방지하기 위해, 다음은 블랙아웃 박스(801)가 테스트 벤치 시스템의 광학 테스트 부분을 포함하는 사용의 예시적인 실시예이다. 805는 디지털 광 검출기(606)(또한 203) 또는 아날로그 포토다이오드(608)(또한 204)인 검출기 부분을 나타낸다. 803은 LED(611)를 나타낸다. 804는 슬라이드 위에 놓인 돼지 피부(609)를 나타내며, 도시된 바와 같이, 돼지 피부(804)와 슬라이드는, 테스트 프로세스 전반에 걸쳐 LED와 검출기 사이의 동일한 거리를 유지하기 위해, 803과 805 사이에 배치되어 균일한 간격으로 유지된다. 806은 검출기(805)로부터의 케이블(또한 케이블(205/402) 또는 케이블(206/302))을 나타내며, 여기서 케이블(806)은 테스트 벤치 보드(129/202)에 연결된다. 케이블(802)(또한 케이블(126 또는 127))은 LED(803)를 테스트 벤치 보드(129/202)에 연결한다. 사용 동안, 테스트 벤치 보드(129/202)는 사용자가 사용자 인터페이스에 접근하도록 할 뿐만 아니라, 사용자 인터페이스가 광 간섭을 일으키는 것을 방지하기 위해, 블랙아웃 박스(801) 외부에 보관된다.
도 9는 테스트 벤치 시스템의 예시적인 실시예의 일반적인 소프트웨어 흐름의 일 예를 도시한다. 프로그램은 MCU(111)(또한 615)에서 실행되고 MCU 및 주변 하드웨어에 대한 모든 핀 기능을 설정하는 블록(901)에 들어간다. 프로그램은 블록(902)에서 변수와 어레이에 대한 초기 값을 설정하고 블록(903)에서 디버깅 인터페이스를 시작한다. 시스템은 904에서 디지털 검출기를 설정하고 905에서 아날로그 검출기를 설정한다. 스크린은 블록(906)에서 초기화되고 기본 메뉴 정보가 게시된다. 시스템은 블록(907)에서 전류 제어 시스템을 교정하고 블록(908)에서 인터럽트를 시작한다. 이 시스템의 인터럽트는, 예를 들어 회전식 인코더(106)의 회전 변화를 감지하는 회전식 인터럽트(916)와 104 내지 107의 스위치 누름을 검출하는 스위치 인터럽트(917)를 포함한다. 시스템은 메인 루프(913)에 들어가기 전에 디스플레이 컨트롤러(911) 및 버저 컨트롤러(910)를 통해, 블록(909)에서 시스템 준비 출력을 수행한다. 메인 루프(913)는 블록(914)에서 회전식 인코더 변경 플래그가 존재하는지 확인하는 것으로 시작하고, 915에서 스위치 변경 플래그가 존재하는지를 확인한다. 메인 루프는 922에서 전류를 보고하고 923에서 세기를 보고하기 전에 921에서 커서를 깜박인다. 세기는 검출기 컨트롤러(924)를 통해 923에서 보고된다. 검출기 컨트롤러(924)는 사용자가 현재 요청하고 있는 검출기를 선택하는 데 사용되며, 루프(913)의 시작으로 돌아가기 전에, 평균화 및 값 보고가 수행되는 블록(931)으로 그 세기 데이터를 전송한다. 버저 컨트롤러(910)는 버저 시그널링의 지속시간과 프로그램에서 버저를 시그널링할 시기를 결정한다. 디스플레이 컨트롤러(911)는 디스플레이될 데이터 출력 및 사용자 입력을 위한 스크린 상의 위치를 수학적으로 결정하는 것뿐만 아니라 스크린(623)에 대한 물리적 병렬 인터페이스(624)를 처리하는 역할을 담당한다. 914에서 회전식 변경 플래그가 검출되면, 이 데이터를 디스플레이 컨트롤러(911)에 보내기 전에 블록(933)에서 룩업 테이블을 사용하여 편집할 디지트(digit)와 양방향에 있어서의 제한을 결정한다. 915에서 스위치 변경 플래그가 검출되면, 934에서 어떤 버튼이냐에 따라 변경 유형이 결정된다. 934에서의 변경 유형은 이동, 스크린 변경, 캡쳐 명령이 있다. 이동 명령이 검출되면, 이 데이터를 디스플레이 컨트롤러(911)에 전송하기 전에, 935에서 룩업 테이블을 사용하여 이동할 위치와 이동 제한을 결정한다. 스크린 변경이 요청되면, 이 데이터를 디스플레이 컨트롤러(911)에 전송하기 전에, 932에서 룩업 테이블을 사용하여 다스플레이할 다음 스크린을 결정한다. 캡처 명령이 요청되면, 캡처는 931에서 데이터를 디스플레이 컨트롤러(911)에 직접 반환하거나 평균화를 완료하기 전에 도 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이 930에서 시작된다. 921 내지 923, 뿐만 아니라 931까지, 모두 스크린(623) 상에 디스플레이하기 위해 디스플레이 컨트롤러(911)로 데이터를 전송한다. 사용자(인간 입력(912))는 회전식 스핀(925), 메뉴 변경 버튼(927), 좌측 버튼(928), 우측 버튼(929) 및 회전식 엔터 버튼(926)을 통해 사용자 인터페이스와 상호작용한다. 회전식 스핀(925)은 회전식 인터럽트(916)에 회전식 변경(936)을 설정하고 회전식 변경(918)을 메인 루프에 게시한다. 버튼(926 내지 929)은 스위치 인터럽트(917)에서 스위치 변경(919)을 설정하고 스위치 변경을 메인 루프에 게시한다(920). 메인 루프(913)는 사용자, 리셋 버튼(110) 또는 워치독 소프트웨어 시스템을 통해 시스템의 전력이 꺼질 때까지 실행된다. 테스트 벤치 소프트웨어의 다른 예시적인 실시예는 본 발명에 따른 검출기와 방출기에 대해 동일한 결과를 생성하기 위해 다른 방법, 블록 순서 및 흐름을 사용한다.
펄스 옥시미터 시스템
도 10은 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램이다. 도 10에 도시된 예시적인 실시예는 내장형 스크린 및 버튼을 포함하는 내장형 사용자 인터페이스를 포함한다. 본 문서의 후반부에서 논의된 핑거 클립 디자인의 다른 예시적인 실시예는 내장된 사용자 인터페이스를 포함하지 않고 오히려 환자 모니터링 시스템, 스마트 장치 또는 기타 외부 사용자 인터페이스에 연결된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 터치 스크린, 정전식 터치, 정전식 자동 손가락 검출 및 기타 인터페이스 방법과 같은 UI에 대한 다른 입력 방법을 사용한다. 1001은 도 15에 추가로 설명된 펄스 옥시미터기의 상반부(또는 하반부)이다. 1002는 상부 덮개(상단 덮개)(1003)을 또한 포함하는, 도 14에 추가로 도시된 펄스 옥시미터의 상반부(상단 절반)이다. 1003은 펄스 옥시미터의 상단 덮개이며, 이는 사용자 인터페이스의 스크린 부분(1006)에 대한 컷아웃을 포함한다. 1005는 1003으로부터 돌출되는 사용자 인터페이스의 사용자 버튼 부분이다. 1006은 스크린을 보호하기 위해 1003에 부착된 투명 보호 커버를 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 다른 예시적인 실시예는 다른 UI 방법을 활용하며 따라서 스크린 부분(1006) 또는 사용자 버튼(1005)에 대한 컷아웃을 포함하지 않는다. 1004는 1001과 1002의 컷아웃이며, 이는 사용자 손가락이 펄스 옥시미터에 배치되도록 한다. 1007은 1001과 1002를 함께 고정할 뿐만 아니라 핑거 클립이 사용자의 손가락 주위에 클램핑 방식으로 기능하도록 하는 힌지 핀이다. 힌지(1007)는 하반부(1001)와 상반부(1002)가 시프트되도록 하여 손가락 개구부(1004)를 확장하여 다양한 크기의 손가락을 수용할 수 있는 방식으로 설계된다. 시연된 실시예는 금속 스프링뿐만 아니라 고무 삽입물이 있는 플라스틱으로 만들어지며, 플라스틱은 ABS, PET 및/또는 PLA이고, 고무는 주로 TPU이다. 시연된 예시적인 실시예는 주로 고무 삽입물이 있는 플라스틱으로 만들어졌지만, 미터기는, 이에 제한되는 것은 아니나, 고무, 폼, 비닐, 의료용 재료, 항균 재료 및 /또는 금속과 같은 다른 재료를 사용하여 다른 형태 및 형상을 취할 수 있다.
도 11은 손가락 배치가 추가된, 앞서 도 10에 도시된 바와 같은, 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 다이어그램을 도시한다. 도 1101은 상부 부분(1104)(또한 1002)과 하부 부분(1103)(또한 1001) 사이의 핑거 클램프(1102)에 손가락이 삽입되는 것을 도시한다. 피벗 힌지(1105)(또한 1007)는 손가락(1101)을 손상시키지 않고 손가락(1101)이 1103과 1104 사이에 꼭 맞도록 하기 위해 1103과 1104가 동적으로 움직일 수 있도록 이동하도록 설계된다. 펄스 옥시미터에 필요하고 1103 및 1104 내에 포함된 광학 장치(이 문서의 후반부에 설명됨)가 손가락(1101)에 단단히 고정되도록 손가락(1101)이 꼭 맞는 것이 중요하다. 스너그 핏(snug fit)은 정확한 펄스 옥시메트리 계산을 허용할 뿐만 아니라 손가락(1101) 움직임으로 인한 아티팩트가 펄스 옥시메트리 판독을 간섭하는 것을 방지한다.
도 12는 펄스 옥시메트리 시스템을 위한 사용자 인터페이스의 일반적인 레이아웃의 예시적인 실시예이다. 도 12에 설명된 사용자 인터페이스는 사용자 인터페이스의 스크린 부분에 디스플레이된다. 1201은 체적변동기록계(pleth) 그래프로서, 이는 미터기가 부착된 영역에서, 혈액량의 변화 또는 관류 변화를 측정하고 표시할 뿐만 아니라 미터기가 좋은 판독값을 얻고 있는지를 결정하는 데 사용된다. 좋은 판독값은 약하지 않은 규칙적인 신호 체적변동기록계(pleth) 그래프에 의해 결정된다. 체적변동기록계(pleth) 그래프는 그래프의 최고점에 기초하여 심박수를 결정하는 데에도 사용된다. 환자의 자연 심박수가 불규칙한 경우, 미터기가 좋은 판독값을 얻더라도 체적변동기록계(pleth) 그래프도 불규칙하게 나타날 것이라는 점에 유의하는 것이 중요하다. 체적변동기록계(pleth) 그래프 해석 절차는 이 문서의 펌웨어 부분에서 자세히 논의된다. 1202는 배터리 표시기를 나타내며, 이는 휴대용 미터기의 배터리 잔량을 결정하는 데 사용된다. 하나의 예시적인 실시예는 세그먼트화된 미터기를 사용하여 남은 배터리 수명의 양을 보여줄 뿐만 아니라 배터리 수명이 양호, 중간 또는 위험을 시각적으로 나타내는 색상도 보여준다. 1203은 환자의 심박수의 박동수/분을 나타낸다. 1204는 혈중 산소 포화도(SPO2)의 백분율을 나타낸다. 1204는 환자의 산소 레벨에 따라 색상을 변경하여 일반인(layperson)에게 양호(95-100%), 중간(90-95%) 또는 위험(<90%) 산소 레벨을 보다 쉽게 보여준다. 스크린의 숫자와 텍스트는 펌웨어에 저장된 확장 가능한 숫자, 텍스트 및 기호 문자 맵을 활용여 다양한 크기의 스크린을 수용한다. 펄스 옥시메트리 시스템의 다른 예시적인 실시예는 다른 스타일, 배열 및 데이터 세트를 사용하여 필요한 애플리케이션에 따라 사용자 인터페이스에 디스플레이되는 정보를 구성한다. 메인 전력에 연결된 시스템에서는, 펄스 옥시메트리 혈중 산소 포화도 레벨과 심박수가 중환자 치료 인프라로 간주되는 경우가 많으므로, 백업 배터리를 포함하는 것이 중요하다. 벽 전력 시스템의 경우, 1202는 백업 배터리 레벨을 나타낼 것이고 메인 전력 동작 중에는 충전 표시기 또는 메인 전력 기호가 디스플레이될 것이다. 펄스 옥시메트리 및 심장 모니터링 흉부 전극을 모두 포함하는 실시예와 같이, 전체 EKG 인터페이스 또는 전체 환자 모니터링 인터페이스를 필요로 하는 본 문서에 추가로 설명된 다른 예시적인 실시예에서, 도 12에 설명된 사용자 인터페이스는 적절한 필수 심박수 그래프, ECG 및 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 호흡률, BP, 온도 및 CO2와 같은 기타 모니터링 정보도 포함할 것이다. 또한, 다른 실시예, 예를 들어 반지 및 플렉서블 팔찌 실시예는 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 혈당 및 기타 혈액 가스 정보를 디스플레이하기 위해 UI를 필요로 하는 추가 하드웨어를 포함한다.
도 13a 및 13b는 멜라닌 편향을 감소시키는 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 전면도(도 13a) 및 후면도(도 13b) 모두의 예시적인 분해도를 도시한다. 1301(또한 1003)은 회로 기판(1305)에 장착된 스크린을 위한 컷아웃(1304) 및 보호기 실드(또한 1006)를 포함하는 상단 덮개이다. 1302는 사용자 버튼 연장부이고, 상단 덮개(1301)의 일부이기도 하며, 1005로 도시된다. 연장부(1302)는(1302)는 또한 회로 기판(1305)에 장착된 사용자 버튼을 누른다. 예시적인 실시예에서 상부 회로 기판(1305)은 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같이 이중층 회로 기판이며, 1305는 양면에 서로 다른 컴포넌트를 갖는다. 1306은 상부 케이스로, 1002로도 표시된다. 1306은 회로 기판(1305)을 수용하고 보호하며 또한 아래 회로로부터 사용자의 손가락을 보호할 뿐만 아니라 손가락이 쉴 수 있는 편안한 영역을 제공하는 고무 손가락 패드(1308)도 포함한다. 회로 기판(1305)의 검출기는 1308의 컷아웃을 통해 노출되어 광이 사용자의 손가락을 통해 검출기의 면으로 통과하도록 한다. 일부 예시적인 실시예에서, 1308에는 검출기를 보호하기 위해 컷아웃에 투명한 보호기가 있다. 1307(또한 1007)은 상부 케이스(1306)와 하부 케이스(1316)를 연결하고 케이스가 사용자의 손가락을 잡는 방식으로 피벗 및 확장되도록 하는 두 개의 힌지 핀이다. 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 노인 환자 및/또는 손 사용 및 조정에 문제가 있는 다른 환자를 위해 클립 작동의 용이성을 증가시키기 위해 힌지 핀(1307) 뒤의 확장 섹션 및/또는 수정된 힌지 디바인을 갖도록 설계된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 힌지 핀(1307) 뒤의 단축된 섹션 및/또는 어린이를 위한 클립 작동의 용이성을 감소시키기 위해 디자인을 어린이가 열지 못하게 하기 위해 수정된 힌지 디자인으로 설계된다. 1309는 1308과 유사하게, 아래 회로로부터 사용자의 손가락을 보호할 뿐만 아니라 손가락이 편안하게 쉴 수 있는 공간을 제공하는 하부 고무 인서트이다. 회로 기판(1312)의 LED 또는 일부 실시예에서는 LED들(이 문서의 후반부에 설명됨)은 1309의 컷아웃을 통해 노출되어 광이 사용자의 손가락을 통과하여 LED 면을 떠나도록 한다. 일부 예시적인 실시예에서, 1309에는 LED/LED들을 보호하기 위해 컷아웃에 투명한 보호기가 있다. 1310은 회로 기판 보호기로서, 이는 회로 기판(1312)의 상부를 덮고 회로 기판(1305 및 1312)을 연결하기 위해 리본 케이블(이 다이어그램에는 도시되지 않음)이 통과할 수 있는 공간을 제공한다. 1311은 펄스 옥시미터의 상부 부분과 하부 부분을 함께 연결하고 펄스 옥시미터에 클램핑력을 주어 손가락에 단단히 부착되도록 하는 힌지 스프링이다. 1312는 하부 회로 기판이며, 예시적인 실시예에서, 도 13a 및 13b에 도시된 이중층 회로 기판이며, 여기서 이는 양면에 서로 다른 컴포넌트를 갖는다. 1314는 배터리 지지 커버이며, 이는 배터리가 회로 기판(1312) 상의 집적 회로 및 기타 컴포넌트 중 어느 하나와 접촉하는 것을 방지하기 위해 회로 기판(1312) 아래에 배터리(1315)를 적절하게 간격을 두고 배치한다. 1315는 배터리로서, 이는 도시된 예시적인 실시예에서 리튬 폴리머 3.7V 650mAh 재충전 가능 배터리이다. 펄스 옥시메트리 시스템의 다른 예시적인 실시예는 도 22에 추가로 설명된 바와 같은 다른 예시적인 유형의 배터리를 사용한다. 1316은 펄스 옥시미터 케이스의 하부 부분으로, 이는 1315, 1314 및 1312를 수용하고 1310, 1311 및 1309이 이에 부착되도록 한다. 1305 및 1312의 다른 예시적인 실시예는 도 16 및 도 17에 추가로 설명된, 도시된 실시예에 설명된 것 이외의 다른 유형의 회로 기판, 디자인, 레이아웃 및 컴포넌트를 사용한다. 다른 예시적인 실시예는 도 13a 및 13b에 도시된 것과는 다른 기계적 배열, 부품 순서 및 미적 형상을 사용한다. 또한, 펄스 옥시미터 시스템의 다른 예시적인 실시예는 펄스 옥시미터 핑거 클립 자체에 도 13a 및 13b에 도시된 UI 컴포넌트를 포함하지 않는다. 대신, 이러한 다른 예시적인 실시예에서, 이러한 UI 컴포넌트는, 이에 제한되는 것은 아니나, 스마트 장치, 외부 인터페이스, 병상 모니터링 및/또는 환자 모니터링 시스템 등의 다른 영역에 위치된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 LED로부터의 광이 인간 피험자/환자에게 들어가서 LED와 동일한 평면에 있는 검출기로 다시 반사되는 반사 기술을 사용한다. 이러한 예시적인 실시예에서 검출기와 방출기 모두는 동일한 기판에 배치되며, 이는 도시된 예에서는 1305 또는 1312이다.
도 14는 도 10 및 도 13에도 도시된, 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 상반부(상단)의 조립도를 도시한다. 1401은 펄스 옥시미터(또한 1003 및 1301)의 상단 덮개이다. 1402는 펄스 옥시미터(또한 1002 및 1306)의 상단 케이스이다. 1403은 힌지(1504)의 하반부와 결합되는 힌지의 상반부로서, 이는 힌지핀(1307)(1007)이 관통하여 상하부를 함께 연결하는 것이다. 1404는 고무 손가락 보호기이고, 이는 또한 도 13에서 앞서 설명된 1308이며, 표시된 예에서는 TPU 고무로 만들어진다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, EVA 폼, 기타 고무, 의료용 재료 및/또는 항균 재료와 같은 1404용 다른 편안한 재료를 사용한다. 1405는 검출기로서, 이는 1404를 거쳐 피험자/환자의 손가락을 통과한 후 반환되는 광의 세기를 검출한다. 1405는 회로 기판(1305)에 장착되고 도 13에서 앞서 설명된다. 다른 예시적인 실시예는 전술한 바와 같이 반사 방법을 사용하고 1405에 대한 다른 장착 위치를 사용한다.
도 15는 펄스 옥시미터의 핑거 클립 디자인의 예시적인 실시예의 하반부(하단)의 조립도를 도시한다. 1501는 1316 및 1001에 설명된 하부 케이스이다. 1502는 1310에도 설명된, 회로 기판 보호기이다. 1503은 1311에도 설명된 스프링이다. 1504는 힌지 핀(1307)이 통과하는 1403과 짝을 이루는 힌지의 하반부이다. 1505는 도 13에 1309로도 설명된 고무 손가락 보호기이며, 이는 회로 기판(1312)을 보호한다. 1506은 1505를 거쳐 피험자/환자의 손가락을 통과하도록 광을 방출하는 LED/LED들이다. 1506은 회로 기판(1312)에 장착되고 도 13에서 앞서 설명된다. 다른 예시적인 실시예는 전술한 바와 같이 반사 방법을 사용하고 1506에 대한 다른 장착 위치를 사용한다.
도 16a 및 16b는 1312로도 도시된 하부 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 회로 기판에 대한 예시적인 레이아웃의 예시적인 실시예의 정면도 및 배면도를 도시한다. 1601은 컴포넌트에 대한 트레이스와 패드를 포함하는 PCB의 예시적인 실시예이다. 1602는 LED를 포함하는 LED 블록(또한 1506)을 도시하며, 이는 도 22에서 추가로 설명된다. 다른 예시적인 실시예에서는 1602에 대한 동반 하드웨어와 함께 레이저 광 방출 방법을 사용한다. 1603은 USB 충전 커넥터를 도시한다. 도시된 예시적인 실시예에서, USB 커넥터(1603)는 또한 프로그래머 블록(1610)에 연결된 프로그래밍 포트로도 사용된다. 일부 예시적인 상업적 실시예에서, 펌웨어에 대한 사용자 액세스를 방지하기 위해 1603의 프로그래밍 특징이 제거된다. 다른 예시적인 실시예에서, 1603은, 이에 제한되는 것은 아니나, 배럴 잭, Molex 커넥터, 무선 충전, QI 충전, 유도 충전 및/또는 독점 충전 포트와 같은 다른 충전 포트 스타일로 대체된다. 다른 예시적인 실시예에서 1603은 환자 모니터링 시스템 링크용 커넥터이다. 1604는 충전 포트(1603)와 배터리(1315) 사이를 인터페이스하는 충전 블록이다. 다른 예시적인 실시예에서, 충전 블록(1604) 및 충전 포트(1603)는 메인 전력 회로 및 배터리 백업 컨트롤러로 대체된다. 또한, 다른 예시적인 실시예에서, 충전 블록(1604) 및 충전 포트(1603)는 무선 충전 방법 및 무선 충전 컨트롤러로 대체된다. 1605는 도 22에 추가로 설명된, 전압 조절 블록이다. 1606은 도 22에 추가로 설명된, 전력 관리 로직 블록이다. 1607은 FPC 케이블(미도시)을 통해 이 회로 기판을 상부 회로 기판(1305)(도 17에 나타냄)에 연결하는 접점이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 이에 제한되는 것은 아니나, ZIF 커넥터, 개별 와이어 및 리본 케이블과 같은 다른 방법을 사용한다. 1608은 마이크로컨트롤러(MCU)이고, 1609는 마이크로컨트롤러의 클록 소스이다. 1610은 마이크로 컨트롤러(1608)의 프로그래머이고 1611은 1610을 통해 무응답 MCU의 경우 프로그래밍 모드로 들어가는 데 사용되는 버튼이다. 온보드 프로그래밍을 필요로 하지 않는 다른 예시적인 실시예는 회로 블록(1610 및 1611)을 필요로 하지 않는다. 1612는 도 22에 추가로 설명된, 전류원 및 LED 스위칭 블록이다.
도 17a 및 17b는 1305로도 도시된, 하부 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 회로 기판에 대한 예시적인 레이아웃의 예시적인 실시예의 정면도 및 배면도를 도시한다. 1701은 컴포넌트에 대한 트레이스와 패드를 포함하는 PCB의 예시적인 실시예이다. 1702는 1304를 통해 보이는 1701 상에 장착된 도시된 도 22에 추가로 설명된 UI 스크린으로, 또한 1006이다. 1703은 1302를 통해 1701에 장착되고 작동되는 사용자 버튼으로, 또한 1005이다. 위에 언급된 바와 같이, 다른 예시적인 실시예는 다른 UI 방법을 활용하고 따라서 UI 스크린(1702) 또는 사용자 버튼(1703)을 포함하지 않는다. 1704는 FPC 케이블(미도시)을 통해 이 회로 기판을 하부 회로 기판(1312)에 연결하는 접점이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 이에 제한되는 것은 아니나, ZIF 커넥터, 개별 와이어 및 리본 케이블과 같은 다른 연결 방법을 사용한다. 1705는 FPC 케이블을 사용하여 스크린(1702)을 보드(1701)의 컷아웃을 통해 보드(1701)의 다른 편에 연결하여 스크린(1702)이 플러시 장착될 수 있도록 하는 스크린 연결 블록이다. 다른 예시적인 실시예에서는, 이에 제한되는 것은 아니나, 스크린 바로 아래의 SMD 핀, ZIF 또는 BGA 핀과 같은, 1705에 대한 다른 연결 방법을 사용한다. 1706은 도 22에 추가로 설명된 아날로그 포토다이오드(또한 1405)를 포함하는 검출기 블록을 도시한다. 1707은 디지털 회로의 고주파 노이즈가 펄스 옥시메트리 판독을 간섭하는 것을 방지하기 위해 블록(1706 및 1708)의 아날로그 회로부에 전력을 공급하는 아날로그 전압 조절 블록이다. 1708은 아날로그 회로의 트랜스임피던스 증폭기, 필터링, 증폭, DC 오프셋 및 버퍼링 블록이다. 다른 예시적인 실시예에서, 블록(1706-1708)은, 이에 제한되는 것은 아니나, 소프트웨어 필터링을 갖춘 포토다이오드 및/또는 소프트웨어 필터링을 갖춘 디지털 검출기와 같은 다른 유형의 검출 방법으로 대체된다.
도 16 및 17의 다른 예시적인 실시예는 본 발명에 따른 도 16 및 17에 설명된 예시적인 실시예와 동일한 효과를 달성하기 위해 다른 집적 회로, 회로 기판 형상, 실크스크린, 비아, 회로 기판 레이아웃 및 회로 블록을 사용한다. 도 16 및 17에 도시된 예시적인 실시예는 양면 2층 회로 기판을 도시한다. 도 16 및 17의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 단면, 단면 2층, 단면 다층 및/또는 양면 다층과 같은 다른 회로 계층화 조합을 사용한다.
도 18은 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다. 1801은 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터를 포함하는 반지를 도시하거나, 일부 예시적인 실시예에서는 방출 및 검출기 부분만을 도시한다. 1802는 도시된 바와 같이 손가락에 반지(1801)가 있는 사용자/피험자/환자의 손가락이다. 링(1801)은 도 21에 도시된 바와 같이 배선되거나, 다른 예시적인 실시예에서는 환자 모니터링 시스템 또는 다른 UI에 무선 연결된다. 1801의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 도 24에서 팔찌 또는 웨어러블 플렉서블 밴드로서 추가로 설명된 바와 같은, 절단 수술을 받은 환자를 위해 환자의 팔이나 다리를 둘러싸는 반사 광학 기술이 적용된 반지 및/또는 손목이나 발목에 장착되는 유아 모니터링에 사용된 반지를 포함한다. 또한, 팔찌 또는 웨어러블 플렉서블 밴드 디자인의 다른 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 해부학적 구조, 연령, 정신 장애, 민감도 문제 및/또는 ADD와 같은 이유로 전통적인 펄스 옥시머터를 착용할 수 없는 환자를 위해 사용된다.
도 19는 예시적인 손목 장착 사용자 인터페이스를 포함하는, 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터의 반지 디자인의 예시적인 실시예의 예시적인 사용을 도시한다. 1901은 예시적인 손목 장착 인터페이스이며, 도 12에 도시된 정보를 디스플레이하는 2101로도 도시되어 있다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 반지(1905)에 직접 장착된 인터페이스, 병상 환자 모니터링, 휴대용 환자 모니터링, 스마트 장치 인터페이스, 독립형 핸드헬드 장치 및/또는 환자 모니터링 시스템과 같은 인터페이스를 사용한다. 이러한 인터페이스는 케이블(1904)을 통해 반지(1905)에 연결된다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 기존의 환자 모니터링 연결, 자기 접촉 통신, 및/또는 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 근거리 통신, WI-FI, 블루투스 및/또는 독점 통신 프로토콜과 같은 무선 방법과 같은, 다른 데이터 전송 방법을 사용한다. 1902는 사용자 인터페이스(1901)이 장착되는 팔/손목이다. 1903은 반지(1905)가 배치되는 사용자 손가락이고, 이는 또한 1802이다. 도 19의 다른 예시적인 실시예는 반지(1905)의 배치를 위해 도시된 것(1903)과 다른 손가락을 사용한다. 또한, 도 19의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 해부학적 구조, 연령, 정신 장애, 민감도 문제 및/또는 ADD와 같은 이유로 전통적인 펄스 옥시미터를 착용할 수 없는 유아, 어린이 및 절단 장애인 모니터링 또는 환자를 위해 사용하기 위한 이전에 언급된 손목, 팔 또는 다리를 사용한다.
도 20은 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인의 다이어그램을 도시한다. 2001은 반지이며, 또한 1801, 1905 및 2104이기도 하며, 이는 플렉서블 고무(TPU)로 만들어진다. 반지의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 탄성, EVA 폼, 벨크로 스트래핑, 의료용 고무, 폼 및 플라스틱, 플렉서블 통기성 테가덤(tegaderm) 필름 및/또는 다른 유형의 플렉서블 고무 또는 플라스틱과 같은 다른 재료를 사용한다. 반지의 다른 예시적인 실시예는 항균 표면 및/또는 화학 물질로 코팅, 처리 및/또는 설계된 의료용 재료를 사용한다. 2002는 예컨대 예를 들어, 반지(2001)와 동일한 재료로 만들어진 보호 케이스로 덮인 1602 및 1706으로 언급된 방출기 및 검출기와 같은, 광학 장치를 포함하는 플렉서블 PCB를 보유하는 반지의 내부 챔버이다. 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 필요한 필터 및 방출기 제어 하드웨어와 함께 검출기 및 방출기를 포함하는 플렉서블 회로 기판을 사용한다. 추가의 다른 예시적인 실시예는 마이크로컨트롤러, 전원 및 무선 기술도 포함한다. 2003은 플렉서블 회로 기판을 제자리에 고정하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 사용자의 부속물이 미끄러질 수 있도록 매끄러운 가장자리를 제공하는 립(lip)이다. 링(2001)의 예시적인 실시예와 그 내부 컴포넌트는 본질적인 밀봉을 포함하여 일부 예시적인 실시예로 완전히 방수되도록 설계되어, 환자가 샤워실이나 욕실과 같은 젖은 장소를 포함하여 펄스 옥시미터를 지속적으로 착용할 수 있다.
도 21은 유선 사용자 인터페이스를 갖춘 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터의 플렉서블 반지 실시예의 예시적인 디자인을 도시한다. 제어 박스(2101)(또한 1901)는 도 12에도 설명된 사용자 인터페이스 스크린(2102)을 포함하는, 도 13에 도시된 제어 하드웨어를 수용한다. 2103은 도 19에서 1904로도 설명된 연결 케이블이다. 2104는 도 20에서도 설명되고, 1905 및 1801이기도 한 반지를 도시한다. 도시된 바와 같은 2104 및 2101은 케이블(2103)에 대한 변형 완화가 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 반지 디자인의 다른 실시예는 다른 형태를 취하고, 다른 사용자 인터페이스를 사용하며, 도 21에 도시된 것과 다른 통신 방법을 사용한다. 반지(2104)(도 20에 설명됨)와 함께 2101의 예시적인 실시예와 그 내부 컴포넌트는 고유 밀봉을 포함하는 일부 예시적인 실시예로 완전히 방수되도록 설계된다.
도 22는 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템의 예시적인 실시예에 대한 일반적인 하드웨어 신호 흐름의 광범위한 개요를 도시하며, 도 16 및 17에 도시된 회로 기판 상의 컴포넌트가 서로 상호 작용하는 방법에 대한 일 예이다. 사용자(2201)는 사용자 버튼(2202)(또한 1703), 프로그래머 버튼(2204)(또한 1611) 및 LCD 스크린(2203)(또한 1702)을 통해 하드웨어와 상호작용한다. 사용자 버튼(2202)으로부터의 버튼 누름은 회로의 전원 켜기, 정상 상태 및 전원 끄기를 제어하는 전력 관리 로직(2213)(또한 1606)으로 전송된다. 프로그램 버튼(2204)은 USB 포트(2206)(또는 1603)로부터의 데이터를 사용하여 MCU(2207)의 펌웨어를 업데이트하기 위해 프로그래머 부트로더 IC(2205)와 통신한다. 사용자가 직접 펌웨어 액세스할 것을 요구하지 않는 일부 예시적인 상업적 실시예는 USB 포트(2206), 프로그래머 부트로더(2205)(또한 1610), 프로그래밍 버튼(2204)(또한 1611) 및 독립적인 전력 관리 로직(2213의 부분)의 컴퓨터 데이터 부분을 포함하지 않는다. 프로그램 버튼(2204)은 프로그래머 부트로더(2205)의 USB 부분이 응답하지 않을 때 사용자(2201)가 누르기만 하면 된다. 전력 관리 로직(2213)의 독립적인 래칭 회로부는 마이크로컨트롤러(2207)(또한 1608)가 프로그래밍 부트로더(2205)가 프로그램 대기 모드(2301)로부터 해제되기를 기다리는 동안 지연된 부팅을 갖기 때문에 필요하다. 하드웨어의 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, ICSP, JTAG, SWD, UART, SPI, 병렬 및/또는 무선 업데이트 방법과 같은, 도시된 것 이외의 다른 프로그래밍 및 펌웨어 업데이트 방법을 사용하며, 이들 중 일부는 전용 프로그래머 부트로더 IC(2205)를 필요로 하지 않는다. 도시된 예시적인 실시예의 MCU(2207)는 16MHz 프로그램 클록(2208)(또한 1609)을 스케일링하여 생성된 72MHz의 클록 속도로 Teensy Arduino 플랫폼을 실행하는 NXP Kinetis ARM Cortex M4이다. 온보드 12비트 ADC 및 DAC로 인해 도신된 예시적인 실시예에서는 Kinetis MCU(2207)가 선택되었으므로, 회로는 최소한의 외부 컴포넌트를 필요로 한다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, Nordic IC, 기타 Arduino 호환 IC 및 해당 분야에 알려진 적절한 주변 장치를 갖춘 기타 마이크로컨트롤러와 같은, Kinetis MCU(2207) 대신 다른 MCU IC를 사용한다. MCU(2207)는 도 23에 설명된 소프트웨어를 실행하며, 이는 하드웨어 주변 장치와 입력 및 출력을 제어한다. MCU(2207)의 DAC 출력(2233)은 2:1 Mux(멀티플렉서)(2218)(또한 1612의 일부)을 통해 LED 1(2219) 및 LED 2(2220)(또한 1602)를 제어하는 데 사용되는 전류 드라이버 로직(2217)(또한 1612의 일부)을 제어한다. 다른 예시적인 실시예에서는 다른 방법을 사용하여, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 어드레스 가능한 LED, 필터링된 PWM 및/또는 정전류 드라이버 IC와 같은, 2219 및 2220을 제어한다. Mux(2218)는 초기 부팅 동안 DAC(2233) 설정 동안 LED 손상을 방지하기 위해, 2234를 통해, 2207을 통해, IC의 두 번째 절반을 사용하여 LED 스위칭과 함께 제어되는 IC 루프(2236)를 통해 LED 잠금을 생성한다. LED(2219) 및 LED(2220)는 포토다이오드(2222)(또한 1706)에 의해 수신되도록, 인간 피험자/사용자/환자의 손가락(2221)(또한 1101 및 1802)을 통해 광을 전송한다. 도시된 예시적인 실시예에서, LED 1(2219)은 약 768nm LED이고, LED 2(2220)는 약 960nm LED이다. 이들 파장은 멜라닌 편향을 감소시키기 위한 멜라닌 테스트에서 최고의 투과 효과를 갖는 조합으로서 이들 LED 파장을 분류하는 테스트 벤치(도 1 참조)에 기초하여 선택되었다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 현재 시판되는 파장, 약 640nm 및 약 960nm 및/또는 다른 IR 파장 조합과 같은, 다른 파장을 사용한다. 현재 시판되는 파장 조합은 멜라닌 편향 문제를 해결하지 못하지만, 이에 제한되는 것은 아니나, 이 문서에 설명된 반지 실시예와 같은 예시적인 실시예의 일부와 함께 사용하기 위해 연방 규제 기관의 추가 승인을 거의 필요로 하지 않는다. 도시된 예시적인 실시예에서 2219 및 2220은 별도의 SMD 컴포넌트이다. 다른 예시적인 실시예에서, 공간을 절약하기 위해, 두 LED가 단일 패키지로 결합된다. 또한, 다른 예시적인 실시예에서, LED(2219-2220) 광이 손가락(2221)을 통과하여 포토다이오드(2222)로 들어가는 대신, 광은 대신 핑거(2221)로 들어가서 포토다이오드(2222)로 다시 반사된다. 광 진입 포토다이오드(2222)는 트랜스임피던스 증폭기(2224)(또한 1708의 일부)를 사용하여 사용 가능한 전압으로 변환되는 작은 전류를 생성한다. 다른 예시적인 실시예는 트랜스임피던스 증폭기가 내장된 포토다이오드를 사용한다. 다른 예시적인 실시예는 LED(2219 및 2220) 대신 레이저 및 기타 광 방출 방법을 사용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는 포토다이오드(2222) 대신 포토트랜지스터 및 기타 광 검출 방법을 사용한다. 더욱이, 다른 예시적인 실시예는 포토다이오드 대신 디지털 광 검출 방법을 사용하여, 이러한 필터링이 소프트웨어에서 수행되므로 아날로그 회로의 나머지 부분을 불필요하게 만든다. LED 스위치 신호(2234)에 의해 제어되는 필터 채널 스위치(2227)는 각각의 반환된 파형이 MCU(2207)에 의해 개별적으로 추적되도록 보장하기 위해, 각 LED로부터 반환된 세기 전압 데이터를 자신의 필터(2228 및 2229)로 파이프한다. 필터(2228 및 2229)는 필터 설계를 위한 NPX의 참조 시트에서 수정된다. 필터(2228 및 2229)(또한 1708의 일부)의 출력은 MCU(2207)의 ADC(2232)로 전송되기 전에 2230 및 2231을 통해 증폭된다. 아날로그 회로 컴포넌트는 2226(또한 1707)을 통해 전력을 공급받고 전력 관리 로직(2213)에 의해 제어된다. 트랜스임피던스 증폭기(2224)는 신호가 처리를 위해 ADC(2232)를 통해 MCU(2207)에 독립적으로 전송되기 전에 2223을 통해 버퍼링된다. 이득 스위치(2225)는 GPIO LED 스위치(2234)를 통해 MCU(2207)에 의해 제어된다. 이득 스위치(2225)는 DC 파형 성분의 레벨링뿐만 아니라 두 LED의 세기 반환을 담당한다. 하프 레일 전력 버퍼(2237)(또한 1708의 일부)는 단일 공급 전압원에 의해 파동이 재현 가능하도록 하기 위해, 음의 기준점을 시뮬레이션하기 위해 아날로그 필터 및 증폭 단계에 전력을 제공하는 역할을 한다. 다른 예시적인 실시예에서, 트랜스임피던스 출력은 MCU(2207)로 직접 전송되고 소프트웨어 필터링은 아날로그 회로의 나머지 부분을 대체한다. 또한, 디지털 검출기 방법이 사용되는 다른 예시적인 실시예에서, 소프트웨어 필터는 유사한 방식으로 사용된다. 도시된 예시적인 실시예의 증폭기(2230, 2231) 및 트랜스임피던스 증폭기(2224)는 고정밀 연산 증폭기를 기반으로 한다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 다른 유형의 연산 증폭기 및 특수 제작된 IC를 포함하는, 다른 유형의 증폭기를 사용한다. 전력 조절 장치(2214, 2215)(또한 1605)는 회로의 디지털 측에 전력을 공급하기 위해, 전력 선택기 로직(2216)을 통해 전송된다. 2214는 Lipo 배터리(2209)의 소진 시 사용된다. 2215는 USB 전력(2206)(또한 1603)의 소진 시 사용된다. Lipo 배터리(2209)는 충전 로직 및 관리(2211)(또한 1604)를 통해 제어 및 충전된다. 충전 동안, 로직(2211)은 USB(2206)로부터 전력을 수신한다. 로직(2211)은 안전하고 효율적인 충전을 보장하기 위해, 배터리(2209)에 배치된 온도 센서(2210)와 함께 작동한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 특수 제작된 IC는 충전 로직 및 관리(2211)에 사용된다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, MCU 구동 충전, 정전류 충전, USB 다이오드 제어 충전 및/또는 외부 충전기가 있는 탈착식 배터리와 같은, 충전 로직 및 관리를 위한 다른 형태를 사용한다. Lipo 배터리(2209)는 효율성과 에너지 밀도로 인해 사용된다. 다른 예시적인 실시예는 알카라인, 니켈 카드뮴, 납산, AGM, 젤, 리튬 이온, 인산 리튬, 솔리드 스테이트, 나트륨 조성, 세라믹, 운동 및/또는 탈착식 재충전 가능 배터리와 같은 다른 유형의 배터리를 사용한다. 배터리 미터기 로직(2212)은 배터리 사용 정보를 MCU(2207)에 보고한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 2212는 전압 분배기 설계를 기반으로 하지만, 다른 예시적인 실시예에서는, 이에 제한되는 것은 아니나, 충전 상태 IC, 연료 게이지 IC 및/또는 쿨롱 카운터와 같은, 다른 배터리 미터기 방법을 사용한다. 2235는 LCD 스크린(2203)과 상호 작용하는 MCU(2207) 상의 SPI 버스이다. 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, I2C, 1-와이어, UART 및 병렬과 같은 시각적 출력과 통신하기 위한 다른 데이터 통신 방법을 사용한다. 도시된 예시적인 실시예의 LCD 스크린(2203)은 RGB LCD 스크린이다. 다양한 산소 레벨 범위를 나타내는 색상을 사용하여 일반인의 명확한 해석과 사용 편의성을 높이기 위해 RGB 스크린이 사용된다. 이러한 강화된 특징을 필요로 하지 않는 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, E-잉크, 단색 OLED, LED 어레이 및 그레이 스케일 LCD와 같은, 흑백 스크린을 사용할 수 있다. 또한, 다른 예시적인 실시예는, 스크린의 다른 치수 및 구성뿐만 아니라, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, OLED, 스마트 장치 인터페이스 및/또는 컴퓨터 인터페이스와 같은, 다른 유형의 스크린을 사용한다. 무선 기술을 필요로 하는 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 외부 무선 트랜시버 및 데이터 스트림이 MCU(2207)에 연결된 트랜시버 IC를 사용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는 예를 들어 SoC와 같은 다른 무선 기술을 사용한다. 도 22는 컴포넌트와 그 신호 경로를 연결하는 예시적인 방법을 나타내며, 해당 분야의 경험이 있는 사람은 본 발명에 따라 동일한 결과를 생성하는 다른 방법, 신호 경로 및 IC가 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예시적인 실시예는 UI의 일부로서 오디오 및/또는 음성 합성기를 구비하여 스크린에 디스플레이된 판독값에 관한 청각 메시지를 제공하여 사용 편의성을 높이고 장치를 시각 장애에 친화적으로 만든다. 또한, 다른 실시예, 예를 들어 반지 및 플렉서블 팔찌 실시예는 도 22에 도시되지 않은 추가 하드웨어를 포함하며, 이는 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, ECG, 온도, CO2, 혈당 및 기타 혈액 가스 정보 센서를 포함한다.
도 23은 예를 들어 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템의 한 예시적 실시예의 MCU(2207)에서 실행되는 소프트웨어 신호 흐름의 일반적인 개요를 도시한다. 프로그램의 진입점은 2301에서 시작되며, 이는 USB 데이터(2302)로부터 보류 중인 업로드 요청(2301)이 끝날 때까지 또는 부트로더(2303)가 소프트웨어 업데이트 단계를 해제할 때까지 루프화된다. 2301 및 2203은 부트로더 IC(2205)에 의해 제어된다. 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, ICSP, JTAG, SWD, UART, SPI 및/또는 무선 업데이트 방법과 같은, USB 데이터(2302) 이외의 프로그램 데이터에 대한 다른 데이터 스트림을 사용한다. 또한, 사용자에게 펌웨어/소프트웨어 업데이트를 수행하기 위한 직접 액세스를 제공하지 않는 다른 예시적인 실시예는 블록(2301-2303)을 필요로 하지 않으며, 이러한 실시예는 블록(2304)에서 시작된다. 부트로더(2303)가 종료되면, 메인 프로그램 진입점(2304)이 입력된다. 메인 프로그램 진입점(2304)은 GPIO 핀 설정(2305), 래칭 전력 제어(2306), LED 잠금(2307), 직렬 디버깅 설정(2308)(상업적으로 출시된 많은 실시예에서는 수행되지 않음), ADC 및 DAC 분해능 설정뿐만 아니라, DAC 데이터 삭제(2309) 및 LCD 스크린과 SPI 버스 설정(2310)을 포함하는 설정 프로세스를 시작한다. 이 설정은 인터럽트 변수 설정(2311), 인터럽트 우선순위 설정과 시작 진입점이 2338인 인터럽트 시작(2312), 시스템 변수 설정(2313), 및 메인 루프 진입(2314)으로 계속된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 본 발명에 따른, 동일한 결과 효과를 생성하기 위해, 초기 설정 단계에 대해 또 다른 순서를 사용한다. 메인 루프(2314)는 프로그램이 나머지 모든 기능을 실행하고 인터럽트를 실행하기 위해 일시적으로만 종료하거나, 또는 프로그램 종료 시 전력 래치 블록의 해제(2323)가 실행될 때 영구적으로 종료되는 루프이다. 메인 루프(2314)는 먼저 시스템이 테스트 모드에 있는지 확인하며(2315), 이는 모든 컴포넌트가 기능하는지를 검증할 뿐만 아니라 사용자 인터페이스를 시연하는 데 사용된다. 시스템이 테스트 모드에 있으면, 사전 기록된 세기 값 세트를 BPM 및 SPO2 제어 블록에 출력하는 블록(2325)이 실행되며, 상기 제어 블록은 그 정보를 디스플레이 컨트롤러(2336)에 출력한다. 시스템이 테스트 모드에 있지 않으면, 시스템은 배터리 충전 모드로 들어가야 하는지를 확인한다(2316). 그렇다면, 충전 모드(2326)에 진입하고 전력 래치가 해제되어, 충전원이 제거되면 시스템의 전원이 자동으로 꺼진다. 충전 모드(2326)는 디스플레이 컨트롤러(2336)를 통해 스크린 상에 충전 아이콘을 디스플레이한다. 시스템이 충전 모드로 들어가지 않아야 하는 경우, 피크 상태 머신이 실행된다(2317). 상태 머신은 루프당 한 번 실행된다. 상태 머신에는 피크 발견 블록(2319) 동안 사용되는 다음과 같은 상태가 있다. 상태는 초기 조건(2329), 제로 크로스가 발견될 때까지 루프하는 제로 크로스 검출(2330), 최대 피크가 발견될 때까지 실행되는 최대 피크 검색(2331), 최소 피크가 발견될 때까지 실행되는 최소 피크 검색(2332), 제2 최대 피크가 발견될 때까지 실행되는 최대 피크 2 검색(2333) 및 제2 최소 피크가 발견될 때까지 실행되는 최소 피크 2 검색(2334)이다. 2개의 최소 및 최대 피크를 찾아냄으로써, 시스템은 피크 사이의 시간을 계산함으로써 BPM 계산 블록(2327)에서 분당 심박수를 계산할 수 있다. 모든 피크가 발견되면, 2335에서 피크 발견 플래그가 표시되며, 이는 2319에 의해 사용된다. 초기 시작 프로세스(2329) 동안, 블록(2320)에서 상태 머신이 고장났는지를 검출하기 위한 타이머가 리셋된다. 타이머(2320)에서 트리거되는 상태 머신 고장은 일반적으로 사용자/피험자/환자의 손가락이 펄스 옥시미터에서 제거되는 경우 발생하며, 이는 블록(2321)에서 확인된다. 블록(2321)에서 손가락이 여전히 존재하는 경우, 메인 루프는 2314에서 다시 시작된다. 블록(2321)에서 손가락이 존재하지 않는 경우, 2322에서 전원을 끄기 위한 타이머가 확인된다. 전원을 끌 시간이 아닌 경우, 2314에서 루프가 다시 시작되고, 그렇지 않은 경우, 2323에서 전력 래치가 해제되며, 장치가 꺼지면 프로그램이 종료된다. 2317에서 상태 머신이 실행된 후, 2318에서 체적변동기록계(pleth) 그래프가 생성되고 스크린 컨트롤러(2336)에 출력된다. 체적변동기록계(pleth) 그래프는 원시 세기 데이터를 가져와 최대화 알고리즘을 사용하여 데이터를 왜곡하지 않고 스크린에 적절하게 맞도록 동적으로 늘려 생성된다. 체적변동기록계(pleth) 그래프를 출력한 후, 2319에서 피크가 발견되었는지가 확인된다. 피크가 발견되지 않은 경우, 피크 상태 머신 고장 타이머는 2320에서 쿼리되고, 그렇지 않은 경우, BPM은 2327에서 계산되고 SPO2는 2328에서 계산되며, 그 둘 다 2321에서 손가락이 여전히 존재하는지 확인하기 전에 디스플레이 컨트롤러(2336)에 그 데이터를 출력한다. 배터리 미터기(2343)는 또한 새로운 배터리 상태가 전달됨에 따라 그 데이터를 디스플레이 컨트롤러(2336)에 출력한다. 디스플레이 컨트롤러(2336)는 SPI 컨트롤러 소프트웨어 및 LCD 백엔드 소프트웨어(2337)로 전송되는 비트맵을 생성하기 위해, 새로 고침 명령, 업데이트 중 깜박임을 줄이기 위한 업데이트 조건, 색상 관리, 텍스트 스케일링 및 스크린 배치 수학을 담당한다. 2337은 LCD(2344)(또한 2203)를 제어하기 위해 적절한 SPI 명령과 데이터 스트림을 보내는 역할을 담당한다. 워치독 타이머(2324)는 백그라운드에서 실행되며 루프의 각 반복 동안 "패팅(patted)"된다. 워치독 타이머(2324)가 타이머가 런 아웃되기 전에 루프가 워치독을 "패팅"하는 데 실패한 "팻(pat)" 타임아웃을 갖는 경우, 전력 래치(2323)를 강제로 해제하여 장치를 차단하고 임의의 중단된 소프트웨어를 종료한다. 인터럽트 진입점(2338)은 2ms마다 한 번씩 실행되고 실행되는 동안 메인 루프를 일시적으로 중지하는 인터럽트(2312)의 시작점이다. 인터럽트 기능 자체는 모든 상태가 한 번의 인터럽트 실행인 상태 머신이다. 다른 예시적인 실시예는 프로세서 로드 및 필요한 캡처 시간에 따라 다른 인터럽트 실행 시간을 사용한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 멀티 코어 MCU를 사용하여 별도의 코어/스레드에서 상태 머신 및 기타 기능을 독립적으로 실행한다. 인터럽트 상태 머신(2339)의 제1 상태로서, 이는 올바른 DAC 레벨(2233)을 설정하고 스위치(또한 Mux(2218))를 작동시켜 제1 LED(2219)의 전원을 켠다. 제2 상태(2340)는 두 LED DC 오프셋을 모두 평준화하는 데 사용되는 LED 비교 교정을 실행한 다음 데이터를 가져오고 기록함으로써 제1 LED(2219)로부터 데이터를 획득한다. LED 컨트롤러(또한 Mux(2218))는 또한 다음 상태 동안 LED 손상을 방지하기 위해, 이 상태가 끝나면 잠금 모드로 전환된다. 다음 상태(2341)는 올바른 DAC 레벨(2233)을 설정하고 스위치(또한 Mux(2218))를 작동시켜 다음 LED(2220)에 전력을 공급한다. 최종 상태(2342)는 두 LED DC 오프셋을 레벨링하는 데 사용되는 LED 비교 교정을 실행한 다음 데이터를 가져오고 기록함으로써 제2 LED(2220)로부터 데이터를 획득한다. LED 컨트롤러(또한 Mux(2218))는 또한 다음 상태 동안 LED 손상을 방지하기 위해 이 상태가 끝나면 잠금 모드로 전환된다. 상태 기계는 반복되어 다음 인터럽트 반복 시 상태(2339)로 돌아간다. 무선 전송을 요구하는 다른 예시적인 실시예는 디스플레이 컨트롤러(2336)에 연결된 무선 전송 블록을 갖고/갖거나 UI 장치에 디스플레이하기 위해 사전 디스플레이 컨트롤러 데이터 구조를 무선으로 전송한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 본 발명에 따른, 동일한 결과 효과를 생성하기 위해, 다른 소프트웨어 설계, 블록 순서화, 상태 머신 및 소프트웨어 신호 흐름을 사용한다. 무선 전송을 사용하는 예시적인 실시예는 소프트웨어 흐름의 다른 위치에 무선 제어 블록을 갖는다.
도 24는 도 18에 도시된 반지아 유사한, 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터의 팔찌 디자인 또는 웨어러블 플렉서블 밴드의 예시적인 실시예의 예시적인 사용의 다이어그램을 도시한다. 2402는 펄스 옥시미터를 포함하는 팔찌를 도시하거나, 도는 다른 예시적인 실시예에서는 방출 부분과 검출기 부분만을 도시한다. 2401은 도시된 바와 같이 팔찌가 놓인 팔찌가 있는 사용자/피험자/환자 팔 또는 손목(2402)이다. 팔찌(2402)는 도 21에 도시된 바와 같이 반지 실시예와 유사한 방법으로 배선되거나, 또는 앞서 설명된 환자 모니터링 시스템이나 다른 UI에 무선 연결된다. 2402의 다른 예시적인 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 절단 수술을 받은 환자를 위해 환자의 팔이나 다리를 둘러싸는 반사 광학 기술이 적용된 팔찌 및/또는 발목/손목에 착용된 유아 및 어린이 모니터링에 사용되는 팔찌를 포함한다. 또한, 팔찌 또는 웨어러블 플렉서블 밴드 디자인의 다른 실시예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 해부학적 구조, 연령, 정신 장애, 민감도 문제 및/또는 ADD와 같은 이유로 전통적인 펄스 옥시미터를 착용할 수 없는 환자를 위해 사용된다. 팔찌(2402)는 반지 실시예에 대해 도 20에 설명된 바와 같이 유사한 재료 및 유사한 방식을 활용하여 설계된다. 이 디자인은 팔찌가 배치되는 부속물의 크기에 유연성을 허용한다.
도 25는 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템에 대한 낙상 검출 및 침대 알람 통합을 도시한 다이어그램이다. 2501은 낙상 프로세스에 있는 사용자를 보여준다. 2502는 펄스 옥시미터에 의해 등록되는 힘 벡터의 예를 도시하며, 이는 사용자(2501)가 낙상중임을 나타낸다. 2503은 펄스 옥시미터가 배치된 부속물을 나타낸다. 2504는 부속물 상의 펄스 옥시미터를 나타낸다. 펄스 옥시미터 시스템의 모든 실시예는, 예컨대 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 각속도를 측정하는 자이로 센서, 가속도와 속도를 측정하는 가속도계, 높이를 측정하는 고도 센서, 각속도를 측정하는 각속도 센서(일부 제조업체에서는 이러한 자이로 센서 또는 자이로스코프를 고려함), 자기장을 측정하고 디지털 나침반을 제공하기 위한 자력계 및/또는 종종 IMU 또는 관성 측정 유닛이라고 하는 단일 또는 다중 축 관성 센서와 같은, 도 22의 추가 하드웨어를 활용하여 이 기능을 구현할 수 있다. 또한, 다른 실시예는 보다 정확한 측정 데이터 세트를 제공하기 위해 앞서 언급된 다수의 센서의 데이터를 결합하는 센서 융합 알고리즘을 구현한다. 반지 및 팔찌 실시예는 낙상 검출 및 침대 알람 기능을 포함하는 무선 시스템에 사용될 때 가장 실용적이고 유용한 실시예이다. 이 기술의 예시적인 사용은 환자에게 편안하고 구현하기 쉬운 전체 환자 모니터링을 위한 병원 및 요양원 환경이다. 도 25에 설명된 기술은 현재의 더 번거로운 침대 및 의자 알람 시스템과 유사하게 기능하는 편안하고 쉬운 다중 위치 침대, 의자 및 욕실 퇴장/스탠딩 알람 기능을 위한 다른 예시적인 실시예에서도 사용된다.
도 26은 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템에 대한 예시적인 위치 검출 방법의 다이어그램을 도시한다. 펄스 옥시미터 시스템의 모든 실시예는, 예컨대 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, GPS, Wi-Fi 삼각측량, 셀 타워 삼각측량, 메시 네트워크, RFID/NFC 또는 유사한 유형의 도어 및 복도 모니터 센서 및/또는 독점 무선 시스템 삼각측량과 같은, 도 22의 추가 하드웨어를 활용하여 이 특징을 구현할 수 있다. 반지 및 팔찌 실시예는 이러한 위치 검출 기능을 포함하기 위해 무선 시스템에 사용될 때 가장 실용적이고 유용한 실시예이다. 이 기술의 예시적인 사용은 환자에게 편안하고 구현하기 쉬운 전체 환자 모니터링을 위한 병원 및 요양원 환경이다. 2601은 사용자의 위치를 나타내고, 2602-2604는 삼각측량이 수행되는 통신국을 나타낸다. 다른 예시적인 실시예는, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 추적 기능을 수행하기 위한 GPS 링크를 사용하며, 따라서 도 26에 도시된 바와 같이 사용자/피험자/환자와 동일한 평면에서 무선 삼각측량을 필요로 하지 않는다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 이 기술을 추적 장치로 사용하여 지오펜싱에서 가족 구성원을 지원할 뿐만 아니라 어린이, 장애가 있는 성인 및 노인에 대한 위치 정보를 검색하는 동시에 동일한 장치에서 바이탈의 모니터링을 제공할 수도 있다.
심장 원격 측정 시스템
도 27은 완전 무선 심장 원격 측정 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다. 사용자(2701)는 환자 모니터링 시스템(2705)에 데이터를 무선으로 전송하는 심장 모니터 패드(2702-2704)를 착용한다. 모니터링 패드(2702-2704)의 예시적인 위치는 시연을 위한 것이며 심장 원격 측정 모니터링에 필요한 패드의 유일한 위치 또는 수량으로 간주되어서는 안 된다. 도시된 예에서, 2702-2704는 환자 피부와 접촉하는 현재 심장 원격 측정 시스템에 사용되는 것과 유사한 일회용 스냅 온 또는 클립 온 패드를 활용한다. 재사용 가능한 장치는 이러한 패드에 스냅되거나 클립되며, 이는 심장 원격 측정 데이터를 환자 모니터링 시스템(2705)에 무선으로 전송하는 데 필요한 하드웨어를 포함한다. 이 하드웨어는, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 필터링, MCU, 무선 SoC, 배터리 및 격리 기술을 포함한다. 예를 들어 비행 시간 계산 및/또는 동기화된 타임 스탬프를 사용하여 시스템이 제대로 작동하려면 2702-2704의 신호가 동기화되어야 한다. 도 27에 설명된 시스템의 하나의 예시적인 실시예는 2702-2704에 대해 독립적인 접지를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는 상호 연결되고 중앙 집중화된 접지를 사용한다. 도 27의 한 예시적인 실시예는 무선 통신 방법으로 블루투스를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, Wi-Fi, LoRa 또는 기타 독점 무선 통신 방법과 같은, 다른 무선 통신을 사용한다. 2705는, 도 27에 도시된 예시적인 실시예에서, 병상 환자 모니터링 시스템이다. 다른 예시적인 실시예는 병상 환자 모니터링 시스템(2705) 대신, 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 병상 시스템, 병상 및/또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 포켓 환자 모니터링 시스템, 독립적인 포켓 환자 모니터링 시스템, 스마트 장치 환자 모니터링 시스템, 휴대용 환자 모니터링 시스템, 또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템을 사용한다. 도 27의 사용자(2701)가 착용한 시스템의 일부는 예컨대 욕조나 샤워실과 같은, 습한 위치를 포함하여 지속적인 환자 모니터링을 위해 완전 방수되도록 설계된다.
도 28은 무선 심장 원격 측정 모니터링 시스템의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 사용자(2801)는 웨어러블 환자 모니터링 기준점(2806)에 유선 또는 무선으로 데이터를 전송하는 심장 모니터 패드(2802-2804)를 착용한다. 모니터링 패드(2802-2804)의 예시적인 위치는 시연을 위한 것이며 심장 원격 측정 모니터링에 필요한 패드의 유일한 위치 또는 수량으로 간주되어서는 안 된다. 도시된 예에서, 2802-2804는 현재 심장 원격 측정 시스템에 사용되는 것과 유사한, 환자 피부와 접촉하는, 일회용 스냅 온 또는 클립 온 패드를 활용한다. 재사용 가능한 장치는 이러한 패드에 스냅되거나 클립으로 고정되어 있으며, 이는 심장 원격 측정 데이터를 웨어러블 기준점(2806)에 유선 또는 무선으로 전송하는 데 필요한 하드웨어를 포함한다. 무선 실시예에서, 이 하드웨어는, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 필터링, MCU, 무선 SoC, 배터리 및 격리 기술을 포함한다. 예를 들어 비행 시간 계산 및/또는 동기화된 타임 스탬핑을 사용하여 시스템이 제대로 작동하려면 2802-2804의 무선 신호가 동기화되어야 한다. 도 28에 설명된 무선 시스템의 하나의 예시적인 실시예는 2802-2804에 대해 독립적인 접지를 활용하는 반면, 다른 무선 예시적인 실시예는 상호 연결되고 중앙 집중화된 접지를 사용한다. 예시적인 유선 실시예에서, 접지를 포함하는 패드(2802-2804)로부터의 신호는 2806에 직접 연결되고, 2806은 무선 실시예에서 위에서 설명된 하드웨어를 포함한다. 2802-2804와 2806 사이의 무선 연결의 한 예시적인 실시예는 통신 방법으로 블루투스를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, LoRa, NFC, RFID 또는 기타 독점 무선 통신 방법과 같은, 다른 무선 통신 방법을 사용한다. 2806의 한 예시적인 실시예는 환자 모니터링 시스템(2805)에 대한 무선 통신 방법으로 블루투스를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, Wi-Fi, LoRa 또는 기타 독점 무선 통신 방법과 같은, 다른 무선 통신을 사용한다. 무선 병원 환자 모니터링 시스템에서, 2805는 웨어러블 기준점(2806)에 대한, 위에 설명된 바와 같은, 유사한 통신 방법을 사용한다. 도 28에 도시된 예시적인 실시예에서, 2805는 유선 또는 무선 병상 환자 모니터링 시스템이다. 다른 예시적인 실시예는 병상 환자 모니터링 시스템(2805) 대신, 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 병상 시스템, 병상 및/또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 포켓 환자 모니터링 시스템, 독립적인 포켓 환자 모니터링 시스템, 스마트 장치 환자 모니터링 시스템, 휴대용 환자 모니터링 시스템, 또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템을 사용한다. 2805는 위에 나열된 모든 예시적인 실시예에 대해 유선 또는 무선 통신 방법을 활용한다. 2805의 다른 예시적인 실시예는 위에 설명된 바와 같이, 유선 TCP/IP 또는 다른 유형의 이더넷 연결을 사용하여 병원 환자 모니터링 시스템에 연결한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 2806은 배터리 수명을 절약하기 위해 스크린을 포함하지 않는 반면, 일부 다른 예시적인 실시예는 편의를 위한 스크린을 포함한다. 2806의 예시적인 배치는 시연을 위한 것이며 사용되는 유일한 위치로 간주되어서는 안 된다. 예를 들어, 도시된 영역 근처 또는 주변에 심박 조율기 또는 기타 이식 장치가 있는 환자는 간섭 문제로 인해 이식 장치 가까이에 무선 장치를 가질 수 없을 수도 있다. 이식 장치와의 간섭이 우려되는 상황에서는, 2802-2804는 유선 방식을 통해 2806에 연결될 수 있으며, 2806은 신체 상의 비-간섭 위치에 배치될 수 있다. 도 28에 도시된 예시적인 실시예에서, 2806은, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 임시 피부 접착제, 테이프 및/또는 테가덤과 같은, 의료용 접착제를 통해 사용자(2801)에게 부착된다. 다른 예시적인 실시예에서, 2806은 포켓에 착용하거나 벨트 클립에 착용하는 장치이다. 도 28의 사용자(2801)가 착용한 시스템의 일부는 예컨대 욕조나 샤워실과 같은, 습한 위치를 포함하여 지속적인 환자 모니터링을 위해 완전 방수되도록 설계된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 또한 예컨대 예를 들어 입원 환자 환경과 같은 위험한 상황에서 그리고 응급 요원의 현장에서 실시간 바이탈 모니터링 시스템으로서 연속적인 모니터링을 위해 본질적으로 밀봉된다. 다른 예시적인 실시예는, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 셀룰러 또는 응급 디지털 무선 인터페이스를 사용하여 본원에 설명된 심장 원격 측정 시스템을 사용하여 응급 요원 및 군 필수 정보를 전송한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 기준점이 피부에 직접 부착되는 예시적인 실시예에서 웨어러블 기준점(2806)에 내장된, 본 문서에서 앞서 설명된 바와 같은, 반사성 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 시스템을 갖는다.
전체 환자 모니터링 시스템
도 29는 심장 원격 측정 모니터링 및 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리를 포함하는 무선 전체 환자 모니터링 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다. 사용자(2901)는 웨어러블 환자 모니터링 기준점(2906)에 유선 또는 무선으로 데이터를 전송하는 심장 모니터 패드(2902-2904)를 착용한다. 모니터링 패드(2902-2904)의 예시적인 위치는 시연을 위한 것이며 심장 원격 측정 모니터링에 필요한 패드의 유일한 위치 또는 수량으로 간주되어서는 안 된다. 도시된 예에서, 2902-2904는 현재 심장 원격 측정 시스템에 사용되는 것과 유사한, 환자 피부와 접촉하는, 일회용 스냅 온 또는 클립 온 패드를 활용한다. 재사용 가능한 장치는 이러한 패드에 스냅되거나 클립으로 고정되어 있으며, 이는 심장 원격 측정 데이터를 웨어러블 기준점(2906)에 유선 또는 무선으로 전송하는 데 필요한 하드웨어를 포함한다. 무선 실시예에서, 이 하드웨어는, 이에 제한되는 것은 아니나, 필터링, MCU, 무선 SoC, 배터리 및 격리 기술을 포함한다. 예를 들어 비행 시간 계산 및/또는 동기화된 타임 스탬핑을 사용하여 시스템이 제대로 작동하려면 2902-2904의 무선 신호가 동기화되어야 한다. 도 29에 설명된 무선 시스템의 하나의 예시적인 실시예는 2902-2904에 대해 독립적인 접지를 활용하는 반면, 다른 무선 예시적인 실시예는 상호 연결되고 중앙 집중화된 접지를 사용한다. 예시적인 유선 실시예에서, 접지를 포함하는 패드(2902-2904)로부터의 신호는 2906에 직접 연결되고, 2906은 무선 실시예에서 위에서 설명된 하드웨어를 포함한다. 2902-2904와 2906 사이의 무선 연결의 한 예시적인 실시예는 통신 방법으로 블루투스를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, LoRa, NFC, RFID 또는 기타 독점 무선 통신 방법과 같은, 다른 무선 통신 방법을 사용한다. 2906의 한 예시적인 실시예는 환자 모니터링 시스템(2905)에 대한 무선 통신 방법으로 블루투스를 활용하는 반면, 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, Wi-Fi, LoRa 또는 기타 독점 무선 통신 방법과 같은, 다른 무선 통신을 사용한다. 무선 병원 환자 모니터링 시스템에서, 2905는 웨어러블 기준점(2906)에 대한, 위에 설명된 바와 같은, 유사한 통신 방법을 사용한다. 도 29에 도시된 예시적인 실시예에서, 2905는 유선 또는 무선 병상 환자 모니터링 시스템이다. 다른 예시적인 실시예는 병상 환자 모니터링 시스템(2905) 대신, 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 병상 시스템, 병상 및/또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템에 연결된 포켓 환자 모니터링 시스템, 독립적인 포켓 환자 모니터링 시스템, 스마트 장치 환자 모니터링 시스템, 휴대용 환자 모니터링 시스템, 또는 병원 전체 환자 모니터링 시스템을 사용한다. 2905는 위에 나열된 모든 예시적인 실시예에 대해 유선 또는 무선 통신 방법을 활용한다. 2805의 다른 예시적인 실시예는 위에 설명된 바와 같이, 유선 TCP/IP 또는 다른 유형의 이더넷 연결을 사용하여 병원 환자 모니터링 시스템에 연결한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 2906은 배터리 수명을 절약하기 위해 스크린을 포함하지 않는 반면, 일부 예시적인 실시예는 편의를 위한 스크린을 포함한다. 2906의 예시적인 배치는 시연을 위한 것이며 사용되는 유일한 위치로 간주되어서는 안 된다. 예를 들어, 도시된 영역 근처 또는 주변에 심박 조율기 또는 기타 이식 장치가 있는 환자는 간섭 문제로 인해 이식 장치 가까이에 무선 장치를 가질 수 없을 수도 있다. 이식 장치와의 간섭이 우려되는 상황에서는, 2902-2904는 유선 방식을 통해 2906에 연결될 수 있으며, 2906은 신체 상의 비-간섭 위치에 배치될 수 있다. 도 29에 도시된 예시적인 실시예에서, 2906은, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니나, 임시 피부 접착제, 테이프 및/또는 테가덤과 같은, 의료용 접착제를 통해 사용자(2901)에게 부착된다. 다른 예시적인 실시예에서, 2906은 포켓에 착용하거나 벨트 클립에 착용하는 장치이다. 2907은 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 부분(2908)이 배치되는 예시적인 부속물을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 2907은 펄스 옥시미터(2908)의 핑거 클립, 반지(도 29에 도시됨) 및 팔찌 실시예에서 앞서 설명된 바와 같은, 손가락(도 29에 도시됨), 손목, 발목, 팔, 다리 또는 기타 부속물이다. 도 29의 반지 실시예에 도시된 바와 같은, 2908은 실시예의 요구 사항에 따라 웨어러블 기준점(2906)과 유선 또는 무선으로 통신하거나 환자 모니터링 시스템(2905)과 직접 통신한다. 무선 실시예에서, 2908은 도 29에 설명되고, 모니터링 애플리케이션에서 연속적인 5번째 바이탈 사인을 제공하기 위해 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 실시예를 논의하는 본 문서의 다른 곳에서 무선 통신 방법을 사용하여 통신한다. 도 29의 사용자(2901)가 착용한 시스템의 일부는 예컨대 욕조나 샤워실과 같은, 습한 위치를 포함하여 지속적인 환자 모니터링을 위해 완전 방수되도록 설계된다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 또한 예컨대 예를 들어 입원 환자 환경과 같은 위험한 상황에서 그리고 응급 요원의 현장에서 실시간 바이탈 모니터링 시스템으로서 연속적인 모니터링을 위해 본질적으로 밀봉된다. 다른 예시적인 실시예는, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니나, 셀룰러 또는 응급 디지털 무선 인터페이스를 사용하여 본원에 설명된 심장 원격 측정 및 멜라닌 편향 감소 시스템을 사용하여 응급 요원 및 군 필수 정보를 전송한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 기준점이 피부에 직접 부착되는 예시적인 실시예에서 웨어러블 기준점(2906)에 내장된, 본 문서에서 앞서 설명된 바와 같은, 반사성 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 시스템을 갖는다.
기타 예시적인 실시예
다른 예시적인 실시예는 본 문서에 개시된 실시예의 일부를 사용하여 부모가 지오펜싱, 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 및 심박수 데이터를 포함하는 실시간 위치에 대한 액세스를 부모에게 제공하는 편안하고 사용하기 쉬운 아동 모니터링 시스템을 생성한다. 또한, 다른 예시적인 실시예는 이 문서에 개시된 실시예의 일부를 사용하여 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 및 심박수 모니터링을 스마트폰 시스템에 통합하는 편안하고, 유행적이며, 사용하기 쉬운 방법을 생성한다. 다른 예시적인 실시예는 본 문서에 개시된 실시예의 일부를 사용하여 가정, 요양원 시설, 병원 및 기타 의료 시설에서 사용되는 현재 낙상 검출, 침대 알람 및 호출 시스템을 대체하거나 강화하기 위한 경보 시스템을 생성한다. 다른 예시적인 실시예는 IoT 장치로 분류되며, 예컨대 Wi-Fi 또는 셀룰러 통신 방법과 같은 독립형 통신을 통해 또는 스마트 장치를 통해 인터넷에 연결하여 환자 모니터링 정보를 의사 또는 모니터링 서비스에 전송하여 환자가 직접 방문하지 않고 전역적으로 모니터링될 수 있도록 한다. 다른 예시적 실시예는, 예컨대 예를 들어 스마트 워치, 운동 장비 Fitbit, 홀터 모니터, 스마트 반지, 스마트 팔찌 및/또는 기타 건강 및 피트니스 장치와 같은, 스마트 장치에서 본 문서에서 논의된 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 기술을 포함한다. 또한, 다른 예시적 실시예는 셀룰러 또는 디지털 응급 서비스 및/또는 군용 디지털 무선 통신을 통해 인터페이스하여 혈중 산소 포화도 레벨 형태의 5번째 바이탈 사인을 포함한 지속적인 모니터링을 제공하는 응급 요원(EMS, 경찰, 소방서 등) 및 군용 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시메트리 및 심장 원격 측정 모니터 시스템을 포함한다.
본 발명은 예시적인 하드웨어 및 소프트웨어 실시예의 측면에서 설명된다. 하드웨어와 소프트웨어 모두에 대한 요약된 및 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 본 발명은 많은 다른 유형의 소비자 및 산업용 장치에도 전체적으로 또는 부분적으로 사용된다.
본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 설명은 제한하기보다는 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위 내에서 더 많은 실시예 및 구현이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 본 특허 출원서에 제공된 정보에 기초한 등가물을 제외하고는 제한되지 않는다. 또한, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 다수의 검출기 및 방출기 조합을 테스트하는 시스템을 통해 입증된, 멜라닌 편향을 감소시키고 혈중 산소 포화도 측정의 정확도를 향상시키는 혈중 산소 포화도를 측정하기 위한 방법으로서,
펄스 옥시미터 센서로부터 광을 방출하는 광원으로서, 상기 광원은 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 등흡광점 양쪽의 파장인, 상기 광원;
상기 펄스 옥시미터 센서의 상기 방출된 광을 수신하는 검출기로서, 상기 검출기에서 수신된 광 신호는 피험자를 통과하고 디지털 및/또는 아날로그 방법을 통해 증폭 및 필터링되어 상기 혈중 산소 포화도, 체적변동기록계 및 심박수를 계산하는 데 사용되도록 하는, 상기 검출기를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 광원은 IR, 원적외선 및/또는 근-IR 스펙트럼의 파장인, 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 광원은 약 768nm 및 약 940nm의 평균 파장인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광원 및 검출기는 상기 피험자의 반사성 또는 투과성 경로의 그룹 중 하나에 위치되는, 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 광원 및 검출기는 고정된 핑거 클립 방식으로 위치되는, 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 광원 및 검출기는 플렉서블 반지 방식, 웨어러블 플렉서블 밴드 방식, 또는 플렉서블 팔찌 방식의 그룹 중 하나에 위치되는, 방법.
- 제6항에 있어서, 플렉서블 반지 또는 팔찌는 상기 광원 및 검출기가 유아, 어린이, 정신 장애인, 절단 장애인 및 전통적인 펄스 옥시미터를 착용할 수 없는 사람의 그룹 중 적어도 하나에 대해 최적화된 위치에 배치되도록 하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 플렉서블 반지 또는 팔찌는 상기 광원 및 검출기가 관류 불량, 매니큐어 및 움직임 아티팩트의 그룹 중 적어도 하나에 의해 영향을 받지 않는 위치에 배치되도록 하는, 방법.
- 다수의 검출기 및 방출기 조합을 테스트하는 시스템을 통해 입증된, 멜라닌 편향을 감소시키고 혈중 산소 포화도 측정의 정확도를 향상시키는 펄스 옥시미터 시스템으로서,
생성된 신호로부터 환자의 생리학적 데이터를 도출하기 위한 펄스 옥시미터;
방출기로부터의 광원이 피험자를 통과하고 전류 신호를 생성하는 검출기에 떨어질 때 상기 검출기에 의해 생성된 신호;
상기 전류 신호가 전압 신호로 변환되는 상기 생성된 전류 신호의 신호 처리;
상기 전압 신호의 디지털 및/또는 아날로그 방법을 통한 필터링, 증폭 및 채널링;
비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령어를 실행하여 생성된 상기 전압 신호를 처리하는 프로세서로서, 상기 처리된 전압 신호는 상기 피험자에 대한 생리학적 정보를 나타내는 처리된 데이터로서 사용자에게 디스플레이될 것인, 상기 프로세서를 포함하는, 시스템. - 제9항에 있어서, 상기 펄스 옥시미터는 상기 처리된 데이터를 상기 사용자에게 디스플레이하는 스크린을 갖는 독립형 장치이고, 이러한 처리된 데이터는 심박수, 체적변동기록계, 배터리 정보 및 혈중 산소 포화도를 포함하는, 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 펄스 옥시미터는 환자 모니터링 시스템에 유선 또는 무선으로 부착되어 상기 사용자 또는 병원 네트워크에 상기 처리된 데이터를 디스플레이하고, 이러한 처리된 데이터는 심박수, 체적변동기록계, 혈중 산소 포화도, 낙상 경보, 호출 정보, 환자 위치 정보 및 침대 알람 정보를 포함하는, 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 혈중 산소 포화도 데이터는 지속적으로 모니터링되는 5번째 바이탈 사인으로서 작용하도록 상기 환자 모니터링 시스템에 무선으로 전송되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 표준 심장 모니터 시스템은 상기 멜라닌 편향 감소 펄스 옥시미터 시스템과 통합되며, 심장 모니터 패치 및 펄스 옥시비터 데이터는 기지국, 웨어러블 기지국, 침대측 모니터, 벨트 팩 기지국, 스마트 장치 및 환자 모니터링 시스템의 그룹 중 적어도 하나에 무선으로 전송되는, 시스템.
- 다수의 검출기 및 방출기 조합을 테스트하는 시스템을 통해 입증된, 멜라닌 편향을 감소시키고 혈중 산소 포화도 측정의 정확도를 향상시키는 펄스 옥시미터 물품으로서,
산소헤모글로빈에 의한 흡수를 위해 조정된 파장을 갖는 상기 물품 내의 발광원 및 탈산소헤모글로빈에 의한 흡수를 위해 조정된 파장을 갖는 상기 물품 내의 발광원으로서, 광원 세기 및 온/오프 시퀀스 타이밍은 상기 물품 내의 프로세서에 의해 실행된 신호를 통해 제어되는, 상기 발광원;
광이 피험자를 통과한 후 상기 광원으로부터의 상기 수신된 광 신호로부터 전류 신호를 생성하는 상기 물품 내의 검출기;
상기 전류 신호를 디지털 및/또는 아날로그 방법을 통해 증폭 및 필터링되는 전압 신호로 변환하는 상기 물품 내의 신호 프로세서;
상기 피험자의 혈중 산소 포화도 레벨, 심박수 및 체적변동기록계를 계산하고 사용자 판독 가능 출력을 생성하는 상기 물품 내의 프로세서를 포함하는, 물품. - 제14항에 있어서, 관성 측정 유닛, 가속도계, 자이로미터, 고도 센서, 각속도 센서, 다축 관성 센서, GPS 및 자력계의 그룹 중 적어도 하나를 더 포함하는, 물품.
- 제15항에 있어서, 모션 및 위치 데이터는 환자 추적 데이터, 침대 알람 데이터, 및 낙상 검출 데이터의 그룹 중 적어도 하나를 상기 환자 모니터링 시스템에 무선으로 제공하는 데 사용되는, 물품.
- 제14항에 있어서, 상기 펄스 옥시미터의 유형은 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 유선 독립형 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 무선 독립형 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 유선 외부 스크린이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 무선 외부 스크린이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이 하기 위해 환자 모니터링 시스템에 유선 연결이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 환자 모니터링 시스템에 무선 연결이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 환자 모니터링 시스템으로의 유선 연결, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 환자 모니터링 시스템으로의 무선 연결, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 스마트 장치 디스플레이, 및 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 스마트 장치 디스플레이가 수반되는 내장 스크린의 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 방수 플렉서블 반지인, 물품.
- 제17항에 있어서, 상기 스크린은 일반인 판독 가능 색상-코드화(color-coded) 혈중 산소 포화도 레벨을 포함하는 RGB 스크린인, 물품.
- 제14항에 있어서, 상기 펄스 옥시미터의 유형은 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 유선 독립형 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 무선 독립형 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 유선 외부 스크린이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 무선 외부 스크린이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이 하기 위해 환자 모니터링 시스템에 유선 연결이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 환자 모니터링 시스템에 무선 연결이 수반되는 내장 스크린, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 환자 모니터링 시스템으로의 유선 연결, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 환자 모니터링 시스템으로의 무선 연결, 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위한 스마트 장치 디스플레이, 및 상기 사용자 출력을 디스플레이하기 위해 스마트 장치 디스플레이가 수반되는 내장 스크린의 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 핑거 클립인, 물품.
- 제19항에 있어서, 상기 스크린은 일반인 판독 가능 색상-코드화 혈중 산소 포화도 레벨을 포함하는 RGB 스크린인, 물품.
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