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JP2012019967A - Noise removing method and pulse photometer - Google Patents

Noise removing method and pulse photometer Download PDF

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JP2012019967A
JP2012019967A JP2010160255A JP2010160255A JP2012019967A JP 2012019967 A JP2012019967 A JP 2012019967A JP 2010160255 A JP2010160255 A JP 2010160255A JP 2010160255 A JP2010160255 A JP 2010160255A JP 2012019967 A JP2012019967 A JP 2012019967A
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JP
Japan
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pulse wave
wave data
light
discrete time
pulse
Prior art date
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Application number
JP2010160255A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Shoda
勝 鎗田
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Nippon Koden Corp
Original Assignee
Nippon Koden Corp
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Publication date
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

【課題】アーチファクトには体動によるもの、静脈によるもの、組織によるもの等があるので、それぞれに特有のアーチファクトに基づくφで回転させて、それぞれに固有のアーチファクトを最小にするノイズ除去方法及び、そのノイズ除去方法を適用したパルスフォトメータを実現する。
【解決手段】異なる2つの波長の光を生体組織に照射するステップと、前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して受光するステップと、前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、回転行列を用いて特定のアーチファクトに特有の角度で各脈波データの平均値を中心として回転させるステップとを含むことを特徴とする離散的時系列脈波データに含まれるノイズの除去方法。
【選択図】 図3
Since there are artifacts due to body movement, veins, tissue, etc., a noise removal method that rotates by φ based on each unique artifact and minimizes each unique artifact, and A pulse photometer to which the noise removal method is applied is realized.
A step of irradiating a living tissue with light of two different wavelengths, a step of converting and receiving light of each wavelength transmitted or reflected through the living tissue into an electric signal, and an electric signal of each wavelength A step of rotating the obtained discrete time series pulse wave data around an average value of each pulse wave data at an angle peculiar to a specific artifact by using a rotation matrix. A method for removing noise contained in pulse wave data.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、一つの媒体からほぼ同時に抽出される2つの同種の信号を処理して共通の信号成分を抽出する信号処理に関し、特には医療の分野において、特に循環器系の診断に用いられるパルスフォトメータにおける信号処理の改良に関する。   The present invention relates to signal processing for extracting two common signals extracted from a single medium at the same time to extract a common signal component, and more particularly, a pulse used in the medical field, particularly for diagnosis of the circulatory system. The present invention relates to improvement of signal processing in a photometer.

一つの媒体からほぼ同時に抽出された2つの信号から信号成分と雑音成分に分離する方法には様々な方法が提案されている。
それらは、一般的には周波数領域や時間領域による処理が行われている。
医療現場でも、光電脈波計と言われる脈波波形や脈拍数を測定する装置、血液に含まれる吸光物質の濃度測定として、酸素飽和度SpO2の測定装置、一酸化炭素ヘモグロビンやMetヘモグロビン等の特殊ヘモグロビンの濃度の測定装置、注入色素濃度の測定装置などがパルスフォトメータとして知られている。
中でも酸素飽和度SpO2の測定装置を特にパルスオキシメータと呼んでいる。
Various methods have been proposed for separating a signal component and a noise component from two signals extracted almost simultaneously from one medium.
In general, they are processed in the frequency domain or the time domain.
Even in the medical field, a device that measures the pulse waveform and pulse rate, which is called a photoelectric pulse wave meter, a concentration measurement of light-absorbing substances in blood, a device for measuring oxygen saturation SpO2, carbon monoxide hemoglobin, Met hemoglobin, etc. A device for measuring the concentration of special hemoglobin, a device for measuring the concentration of injected dye, and the like are known as pulse photometers.
In particular, the oxygen saturation SpO2 measuring device is called a pulse oximeter.

パルスフォトメータの原理は、対象物質への吸光性が異なる複数の波長の光を生体組織に透過又は反射させ、その透過光又は反射光の光量を連続的に測定することで得られる脈波データ信号から対象物質の濃度を求めるものである。
そしてその脈波データに雑音が混入すると、正しい濃度の計算が出来ず、誤処置につながる危険が生じる。
パルスフォトメータにおいても従来より雑音を低減するために周波数帯域を分割して信号成分に着目したり、2つの信号の相関を取るなどの方法が提案されてきた。
しかし、これらの方法は解析に時間がかかるなどの問題があった。
The principle of the pulse photometer is that pulse wave data obtained by transmitting or reflecting light of multiple wavelengths with different absorption to the target substance to the living tissue and continuously measuring the amount of transmitted or reflected light. The concentration of the target substance is obtained from the signal.
If noise is mixed in the pulse wave data, the correct concentration cannot be calculated, and there is a risk of mishandling.
Conventionally, in a pulse photometer, in order to reduce noise, a method of dividing a frequency band and paying attention to a signal component or taking a correlation between two signals has been proposed.
However, these methods have a problem that analysis takes time.

そこで、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つの脈波信号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、各波長の脈波信号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。
Therefore, in the patent No. 32701717 (Patent Document 1), the applicant of the present invention irradiates the biological tissue with light of two different wavelengths and expresses the magnitudes of the two pulse wave signals obtained from the transmitted light on the vertical axis, It has been proposed that a graph is drawn on the horizontal axis, the regression line is obtained, and the oxygen saturation or light-absorbing substance concentration in the arterial blood is obtained based on the slope of the regression line.
According to the present invention, measurement accuracy can be improved and power consumption can be reduced.
However, in order to obtain the regression line or its inclination using a large amount of sampling data for pulse wave signals of each wavelength, a lot of calculation processing is still required.

また、本出願人は、特許第3924636号(特許文献2)においては、周波数解析を用いてはいるが、その解析においては従来技術のように脈波信号そのものを抽出するのではなく、脈波信号の基本周波数を求め、さらには精度を高めるためにその高調波周波数を用いたフィルタを用いて脈波信号をフィルタリングする方法を提案している。   In addition, although the present applicant uses frequency analysis in Japanese Patent No. 3924636 (Patent Document 2), the pulse wave signal itself is not extracted in the analysis instead of extracting the pulse wave signal itself as in the prior art. In order to obtain the fundamental frequency of a signal and further improve accuracy, a method of filtering a pulse wave signal using a filter using the harmonic frequency is proposed.

本出願人は、更に、基本周波数を求める点に関しては更なる改善策として、特許第4352315号(特許文献3)において、同一の媒体からほぼ同時に抽出される2つの同種の信号を処理して共通の信号成分を抽出する計算処理負担を軽減した信号処理方法を提供している。   Further, as a further improvement measure regarding the point of obtaining the fundamental frequency, the present applicant processes two common signals extracted from the same medium almost simultaneously in Japanese Patent No. 4352315 (Patent Document 3). The signal processing method which reduced the calculation processing burden which extracts the signal component of is provided.

次に、上記特許文献3の内容について説明する。
特許文献3に記載の発明の実施の形態を説明するにあたり、動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータを例に挙げて原理を説明する。
なお、特許文献3に記載の発明の技術は、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。
Next, the contents of Patent Document 3 will be described.
In describing the embodiment of the invention described in Patent Document 3, the principle will be described using a pulse oximeter that measures arterial blood oxygen saturation as an example.
The technique of the invention described in Patent Document 3 is not limited to a pulse oximeter, and pulse photometry is performed on a blood absorption substance such as special hemoglobin (carbon monoxide hemoglobin, Met hemoglobin, etc.) or a dye injected into blood. It can be applied to a device (pulse photometer) that uses the principle of

動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータの構成は、概略構成ブロック図である図8のようになっている。
異なる波長の光を発光する発光素子1、2は、交互に発光するように駆動回路3により駆動される。
発光素子1、2に採用する光はそれぞれ動脈血酸素飽和度による影響が少ない赤外光(例えば940[nm])、動脈血酸素飽和度の変化に対する感度が高い赤色光(例えば660[nm])がよい。
The configuration of the pulse oximeter for measuring the arterial oxygen saturation is as shown in FIG. 8, which is a schematic configuration block diagram.
The light-emitting elements 1 and 2 that emit light of different wavelengths are driven by the drive circuit 3 so as to emit light alternately.
Light used for the light emitting elements 1 and 2 is infrared light (eg, 940 [nm]) that is less affected by arterial oxygen saturation, and red light (eg, 660 [nm]) that is highly sensitive to changes in arterial oxygen saturation. Good.

これらの発光素子1、2からの発光は生体組織4を透過してフォトダイオード5で受光して電気信号に変換される。
なお、反射光を受光するようにしてもよい。
そして、これらの変換された信号は増幅器6で増幅され、マルチプレクサ7によりそれぞれの光波長に対応したフィルタ8−1、8−2に振り分けられる。
各フィルターに振り分けられた信号はフィルタ8−1、8−2によりフィルタリングされてノイズ成分が低減され、A/D変換器9によりデジタル化される。
Light emitted from the light emitting elements 1 and 2 is transmitted through the living tissue 4, received by the photodiode 5, and converted into an electrical signal.
The reflected light may be received.
These converted signals are amplified by the amplifier 6 and distributed by the multiplexer 7 to the filters 8-1 and 8-2 corresponding to the respective optical wavelengths.
The signals distributed to the filters are filtered by the filters 8-1 and 8-2 to reduce noise components, and are digitized by the A / D converter 9.

デジタル化された赤外光、赤色光に対応する各信号列が、それぞれの脈波信号を形成している。
デジタル化された各信号列は処理部10に入力され、ROM12に格納されているプログラムにより処理され、酸素飽和度SpO2が測定され、その値が表示部11に表示される。
Each signal sequence corresponding to digitized infrared light and red light forms a respective pulse wave signal.
Each digitized signal sequence is input to the processing unit 10, processed by a program stored in the ROM 12, the oxygen saturation SpO 2 is measured, and the value is displayed on the display unit 11.

<回転行列によるノイズ低減と脈波の基本周波数の演算>
先ず、血液中の吸光物質の吸光度(減光度)の変動の測定について説明する。
図14(a)及び(b)は、前記発光素子1、2からの発光された光が生体組織4を透過してフォトダイオード5で受光して電気信号に変換された脈波データで、(a)は赤色光の場合を、(b)は赤外光を示している。
図14の(a)では、横軸を時間、縦軸を受光出力とすると、フォトダイオード5での受光出力は、赤色光の直流成分(R’)と脈動成分(ΔR’)が重畳された波形となっている。
また、図14の(b)では、横軸を時間、縦軸を受光出力とすると、フォトダイオード5での受光出力は、赤外光の直流成分(IR’)と脈動成分(ΔIR’)が重畳された波形となっている。
図9は、図14に示すような脈波において、8秒間分の、直流成分(R’、IR’)に対する脈動成分(ΔR’、ΔIR’)の比(IR=ΔIR’/IR’)をとり、さらにその8秒間分のデータの平均値をゼロに合わせたものである。
なお、図9の如き、平均値をゼロとする処理を行わなくとも演算は可能である。
図10は、図14に示される赤外光IRのデータを横軸に、赤色光Rのデータを縦軸にとったグラフである。
<Noise reduction by rotation matrix and calculation of fundamental frequency of pulse wave>
First, measurement of the change in absorbance (light attenuation) of a light-absorbing substance in blood will be described.
14A and 14B show pulse wave data in which the light emitted from the light emitting elements 1 and 2 is transmitted through the living tissue 4 and received by the photodiode 5 and converted into an electrical signal. a) shows red light, and (b) shows infrared light.
In FIG. 14A, when the horizontal axis is time and the vertical axis is the received light output, the received light output from the photodiode 5 is superimposed with the direct current component (R ′) and the pulsating component (ΔR ′) of red light. It has a waveform.
Further, in FIG. 14B, when the horizontal axis is time and the vertical axis is the light reception output, the light reception output by the photodiode 5 includes the direct current component (IR ′) and the pulsation component (ΔIR ′) of infrared light. The waveform is superimposed.
FIG. 9 shows the ratio (IR = ΔIR ′ / IR ′) of the pulsating components (ΔR ′, ΔIR ′) to the DC components (R ′, IR ′) for 8 seconds in the pulse wave as shown in FIG. In addition, the average value of the data for 8 seconds is set to zero.
Note that the calculation is possible without performing the process of setting the average value to zero as shown in FIG.
FIG. 10 is a graph in which the infrared light IR data shown in FIG. 14 is plotted on the horizontal axis and the red light R data is plotted on the vertical axis.

次に、A/D変換器9によってデジタル化した各波長の2つの脈波データ信号を回転行列を用いてノイズを低減する演算処理について説明する。
なお、赤外光と赤色光とは交互に発光されるため厳密には同時に発光されるものではないが、隣り合う得られた赤外光受光値と赤色光受光値を同時刻に得られたものとして扱い、所定時間分の赤外光の脈波信号と赤色光の脈波信号を2次元直交座標上に展開する。
すなわち図10のグラフを作成している。
また、脈波の直流成分に対する脈動成分の比をとることで脈拍による吸光度の脈動分が近似される。
図10のグラフに見られる推移は45度になっていないが、その理由は、赤外光脈波の脈動成分の振幅と赤色光脈波の脈動成分の振幅とに差があるため、およびノイズが重畳しているためである。
Next, calculation processing for reducing noise using two rotation wave data signals of two wavelengths digitized by the A / D converter 9 will be described.
In addition, since infrared light and red light are alternately emitted, they are not emitted at the same time. However, adjacent infrared light reception values and red light reception values obtained at the same time were obtained. The pulse wave signal of infrared light and the pulse wave signal of red light for a predetermined time are developed on a two-dimensional orthogonal coordinate.
That is, the graph of FIG. 10 is created.
Further, by taking the ratio of the pulsating component to the DC component of the pulsating wave, the absorbance pulsation due to the pulse is approximated.
The transition seen in the graph of FIG. 10 is not 45 degrees because the amplitude of the pulsating component of the infrared light pulse wave is different from the amplitude of the pulsating component of the red light pulse wave, and noise. This is because is superimposed.

次に、展開された脈波データに回転行列を用いて回転演算を施すこととする。
赤外光脈波の直流成分に対する脈動成分の比(IR)のデータ列を、
Next, a rotation calculation is performed on the developed pulse wave data using a rotation matrix.
A data string of the ratio (IR) of the pulsating component to the direct current component of the infrared light pulse wave,

赤色光脈波の直流成分に対する脈動成分の比(R)のデータ列を、   A data string of the ratio (R) of the pulsating component to the direct current component of the red light pulse wave is

とする。
同じ時刻tiに得られたIRとRとのデータを次のように行列で定義する。
すなわち、
And
Data of IR and R obtained at the same time ti is defined by a matrix as follows.
That is,

また、θ[rad]回転させる回転行列をAとすると、Aは次のように表すことができる。   Further, if the rotation matrix for rotating θ [rad] is A, A can be expressed as follows.

そうすると、SをAによりθ[rad]回転させることにより次のXが得られる。   Then, the following X is obtained by rotating S by θ [rad] by A.

なお、回転行列Aは、上記のほか、   In addition to the above, the rotation matrix A is

を用いてもよい。
ここで、θを0〜9π/30[rad] までπ/30[rad]ずつ脈波データSを回転させて得られるグラフを図11に示す。
図11からわかるように、横軸ゼロ、縦軸ゼロの点(赤色光脈波と赤外光脈波との両方が平均である点)を中心として回転されており、θが9π/30[rad]のときに、横軸(X1)へ射影した領域が最小になり、縦軸(X2)へ射影した領域が最大となっている。
θを9π/30[rad]よりさらにπ/2[rad]回転させ24π/30[rad] (=12π/15[rad])回転させた場合には横軸(X1)へ射影した領域が最大になり、縦軸(X2)へ射影した領域が最小となることは明らかである。
May be used.
Here, a graph obtained by rotating the pulse wave data S by π / 30 [rad] from 0 to 9π / 30 [rad] is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 11, the image is rotated around a point with zero horizontal axis and zero vertical axis (a point where both the red light pulse wave and the infrared light pulse wave are average), and θ is 9π / 30 [ rad], the region projected onto the horizontal axis (X1) is the smallest, and the region projected onto the vertical axis (X2) is the largest.
When θ is further rotated by π / 2 [rad] from 9π / 30 [rad] and rotated by 24π / 30 [rad] (= 12π / 15 [rad]), the area projected onto the horizontal axis (X1) is the maximum. It is clear that the region projected onto the vertical axis (X2) is the smallest.

次に、θを9π/30[rad]、24π/30[rad]としたときの回転行列Aにより、測定された脈波データSが処理されてXとなった結果、どのような波形となるかを説明する。
図12は、図9に示した脈波データSを、θを9π/30[rad]として回転行列Aにより処理したXの波形を示す。
横軸へ射影した領域が最小になったX1(t i)は、
Next, the measured pulse wave data S is processed into X by the rotation matrix A when θ is 9π / 30 [rad] and 24π / 30 [rad]. Explain how.
FIG. 12 shows a waveform of X obtained by processing the pulse wave data S shown in FIG. 9 by the rotation matrix A with θ being 9π / 30 [rad].
X1 (ti) where the area projected onto the horizontal axis is minimized is

一方、横軸へ射影した領域が最大になったX2(t i)は、   On the other hand, X2 (t i) where the area projected onto the horizontal axis is maximized is

により演算される。
図12のX1の波形からはノイズが除去されたことがわかる。
なお、脈波データSを、θを24π/30[rad]として回転行列Aにより処理した場合には、X2の波形がノイズが除去された波形となる。
横軸へ射影した領域が最大になるX1(t i)は、
Is calculated by
From the waveform of X1 in FIG. 12, it can be seen that noise has been removed.
When the pulse wave data S is processed by the rotation matrix A with θ being 24π / 30 [rad], the waveform of X2 is a waveform from which noise is removed.
X1 (ti) that maximizes the area projected on the horizontal axis is

一方、横軸へ射影した領域が最小になるX2(t i)は、   On the other hand, X2 (t i) that minimizes the area projected onto the horizontal axis is

により演算される。
このように横軸へ射影した領域が最小になるように回転角θを設定して、脈波データSを処理すれば、ノイズが抑制された脈波主成分波形を得ることができる。
Is calculated by
If the rotation angle θ is set so that the region projected onto the horizontal axis in this way is minimized and the pulse wave data S is processed, a pulse wave main component waveform with suppressed noise can be obtained.

次に、脈波の基本周波数の演算について説明する。
ノイズが低減される前の図9に示した脈波信号と、回転行列を用いてノイズが低減された脈波主成分波形を周波数解析して得られたスペクトルをそれぞれ図13に示す。
横軸は周波数、縦軸はスペクトルである。
ノイズが低減される前の脈波(Before-rotation)信号のスペクトルは、ノイズの周波数帯域fnのスペクトルが強くでており、脈波信号の基本周波数fsのスペクトルはほとんど現れていない。
一方、回転行列を用いてノイズが低減された脈波主成分波形(After-rotation)を周波数解析して得られたスペクトルでは、脈波信号の基本周波数fsのスペクトルがノイズの周波数帯域fnのスペクトルと区別できるほど強く現れていることがわかり、脈波信号の基本周波数fsを求めることができる。
そして、脈波信号の基本周波数fs[Hz]が求まれば、脈拍数fs×60[回/min]を容易に求めることができる。
Next, calculation of the fundamental frequency of the pulse wave will be described.
FIG. 13 shows the spectrum obtained by frequency analysis of the pulse wave signal shown in FIG. 9 before the noise is reduced and the pulse wave main component waveform whose noise is reduced using the rotation matrix.
The horizontal axis is frequency and the vertical axis is spectrum.
The spectrum of the pulse wave (Before-rotation) signal before the noise is reduced has a strong spectrum in the frequency band fn of the noise, and the spectrum of the fundamental frequency fs of the pulse wave signal hardly appears.
On the other hand, in the spectrum obtained by frequency analysis of a pulse wave main component waveform (after-rotation) in which noise is reduced using a rotation matrix, the spectrum of the fundamental frequency fs of the pulse wave signal is the spectrum of the noise frequency band fn. The fundamental frequency fs of the pulse wave signal can be obtained.
If the fundamental frequency fs [Hz] of the pulse wave signal is obtained, the pulse rate fs × 60 [times / min] can be easily obtained.

このように、所定角度の回転行列を用いることにより、ノイズが低減された脈波主成分波形を得ることができ、脈波信号の基本周波数ないし脈拍数を求めることができる。
ここで、所定角度は、予め決められたものでもよく、測定期間中アダプティブに変化させてもよい。
Thus, by using a rotation matrix of a predetermined angle, a pulse wave main component waveform with reduced noise can be obtained, and the fundamental frequency or pulse rate of the pulse wave signal can be obtained.
Here, the predetermined angle may be determined in advance or may be changed adaptively during the measurement period.

<酸素飽和度の演算>
図10は、上述のように図14に示される赤外光IRのデータを横軸に、赤色光Rのデータを縦軸にとったグラフであるが、このグラフの傾きをノルム比を用いて求める。
まず、赤外光脈波データIRのL2ノルムを求める。
赤外光脈波データ列はIR = [IR(ti) : ti = 0, 1, 2, 3, ・・・](1)であるから、L2ノルムは次の式で表すことができる。
<Calculation of oxygen saturation>
FIG. 10 is a graph in which the infrared light IR data shown in FIG. 14 is plotted on the horizontal axis and the red light R data is plotted on the vertical axis, as described above. The slope of this graph is calculated using the norm ratio. Ask.
First, the L2 norm of the infrared light pulse wave data IR is obtained.
Since the infrared light pulse wave data string is IR = [IR (ti): ti = 0, 1, 2, 3,...] (1), the L2 norm can be expressed by the following equation.

次に、赤色光脈波データRのL2ノルムを求める。
赤色光脈波データ列はR = [ R(ti) : ti = 0, 1, 2, 3, ・・・](2)であるから、L2ノルムは次の式で表すことができる。
Next, the L2 norm of the red light pulse wave data R is obtained.
Since the red light pulse wave data string is R = [R (ti): ti = 0, 1, 2, 3,...] (2), the L2 norm can be expressed by the following equation.

そこで、 Therefore,

とすればΦは、酸素飽和度SpO2と相関するので、その相関を表す関数をfとすれば、   Then, Φ correlates with the oxygen saturation SpO2, so if the function representing the correlation is f,

と表され、酸素飽和度SpO2を求めることができる。
Φは数12に記載の如く比であるが、実際の回転角φはアークタンジェント(ATN)を取る。
The oxygen saturation SpO2 can be obtained.
Φ is a ratio as described in Equation 12, but the actual rotation angle φ takes an arc tangent (ATN).

特許第3270917号Japanese Patent No. 32701717 特許第3924636号Japanese Patent No. 3924636 特許第4352315号Japanese Patent No. 4352315

特許文献3に記載の信号処理方法を適用したパルスフォトメータは、
「異なる2つの波長の光を生体組織に照射する発光手段と、前記発光手段から発生し前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換する受光手段とを備えたパルスフォトメータにおいて、前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、あらかじめ決められた角度にまたは所定条件に基づいて決められた角度に各脈波データの平均値を中心として回転させる回転行列を用いて前記離散的時系列脈波データに含まれるノイズを除去処理する第1の処理手段と、を具備することを特徴とするパルスフォトメータ。」であって、アーチファクトを最も減少させる回転角で回転させるものである。
A pulse photometer to which the signal processing method described in Patent Document 3 is applied,
“Pulse photometer comprising light emitting means for irradiating a living tissue with light of two different wavelengths and light receiving means for converting light of each wavelength generated from the light emitting means and transmitted or reflected by the living tissue into an electrical signal The discrete time-series pulse wave data obtained from the electrical signals of the respective wavelengths are rotated around a mean value of each pulse wave data at a predetermined angle or an angle determined based on a predetermined condition. A pulse photometer comprising: a first processing unit that removes noise included in the discrete time-series pulse wave data using a rotation matrix. ”, Wherein artifacts are reduced most. It is rotated at a rotation angle.

本発明の課題は、アーチファクトには体動によるもの、静脈によるもの、組織によるもの等があるので、それぞれに特有のアーチファクトに基づくφで選択的に回転させて、それぞれに固有のアーチファクトを選択的に最小にするノイズ除去方法及び、そのノイズ除去方法を適用したパルスフォトメータを実現することにある。   The problem of the present invention is that there are artifacts due to body movement, veins, tissue, etc., so that each artifact can be selectively rotated by selectively rotating by φ based on each unique artifact. And a pulse photometer to which the noise removal method is applied.

上記課題を解決するため、本発明のノイズ除去方法は、異なる2つの波長の光を生体組織に照射するステップと、前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して受光するステップと、前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、回転行列を用いて特定のアーチファクトに特有の角度で各脈波データの平均値を中心として回転させるステップとを含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a noise removal method of the present invention includes a step of irradiating a living tissue with light of two different wavelengths, and receiving light by converting each wavelength of light transmitted or reflected through the living tissue into an electrical signal. And rotating the discrete time-series pulse wave data obtained from the electrical signals of the respective wavelengths around the average value of each pulse wave data at an angle peculiar to a specific artifact using a rotation matrix; It is characterized by including.

また、前記特定のアーチファクトに特有の角度は、それぞれ異なった角度であって、それぞれ異なった角度で複数回に亘って各脈波データの平均値を中心として回転させるステップを含むことを特徴とする。
また、前記特定のアーチファクトに特有の角度は、それぞれ体動によるもの、静脈によるもの、及び組織によるものに特有の角度であることを特徴とする。
In addition, the angle unique to the specific artifact is different from each other, and includes a step of rotating around the average value of each pulse wave data over a plurality of times at different angles. .
In addition, the angles unique to the specific artifact are respectively angles specific to body motion, vein, and tissue.

また、課題を解決するため、本発明のパルスフォトメータは、異なる2つの波長の光を生体組織に照射する発光手段と、前記発光手段から発生し前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換する受光手段とを備えたパルスフォトメータにおいて、
前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、回転行列を用いて特定のアーチファクトに特有の角度で各脈波データの平均値を中心として回転させて前記離散的時系列脈波データに含まれる特有のノイズ成分を除去処理するノイズ処理手段とを具備することを特徴とする。
In order to solve the problem, the pulse photometer of the present invention includes a light emitting means for irradiating a living tissue with light of two different wavelengths, and light of each wavelength generated from the light emitting means and transmitted or reflected by the living tissue. In a pulse photometer equipped with a light receiving means for converting the signal into an electrical signal,
The discrete time series pulse wave data obtained from the electrical signal of each wavelength is rotated around the average value of each pulse wave data at an angle peculiar to a specific artifact using a rotation matrix and the discrete time series And noise processing means for removing a specific noise component included in the pulse wave data.

本発明によれば、アーチファクトには体動によるもの、静脈によるもの、組織によるもの等があるので、それぞれに特有のアーチファクトに基づくφで選択的に回転させて、それぞれに固有のアーチファクトを選択的に最小にするノイズ除去方法及び、そのノイズ除去方法を適用したパルスフォトメータを実現できる。   According to the present invention, there are artifacts due to body movements, veins, tissue, etc., so that each artifact can be selectively rotated by selectively rotating by φ based on each unique artifact. And a pulse photometer to which the noise removal method is applied can be realized.

本発明の説明のための1例である赤外光IR及びRのデータを横軸に時間、縦軸に大きさで表した離散的時系列脈波データのグラフである。4 is a graph of discrete time-series pulse wave data in which infrared light IR and R data, which is an example for explaining the present invention, is represented by time on the horizontal axis and magnitude on the vertical axis. 図1の離散的時系列脈波データをFFT処理した結果を示すスペクトル図である。It is a spectrum figure which shows the result of having carried out FFT processing of the discrete time series pulse wave data of FIG. 図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.6で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。FIG. 2 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around an average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.6 using a rotation matrix. 図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.7で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。FIG. 2 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around an average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.7 using a rotation matrix. 図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.8で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。FIG. 2 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around an average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.8 using a rotation matrix. 図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.9で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。FIG. 2 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around an average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.9 using a rotation matrix. 図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=1.0で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。FIG. 2 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around an average value of each pulse wave data at an angle φ = 1.0 using a rotation matrix. パルスフォトメータの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of a pulse photometer. 検出された脈波を示す図である。It is a figure which shows the detected pulse wave. 図14に示される赤外光IRのデータを横軸に、赤色光Rのデータを縦軸にとったグラフである。FIG. 15 is a graph in which infrared light IR data shown in FIG. 14 is plotted on the horizontal axis and red light R data is plotted on the vertical axis. 図10のグラフをπ/30[rad]ずつ回転させた図である。It is the figure which rotated the graph of FIG. 10 every (pi) / 30 [rad]. 回転角度9π/30[rad]の回転行列により処理された脈波の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the pulse wave processed by the rotation matrix of rotation angle 9π / 30 [rad]. 図12に示すX1の波形のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the waveform of X1 shown in FIG. 血液中の吸光物質の吸光度の変動の測定原理を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the measurement principle of the fluctuation | variation of the light absorbency of the light absorption substance in the blood.

次に、図1〜図7を用いて、本発明のアーチファクトには体動によるもの、静脈によるもの、組織によるもの等があるので、それぞれに特有のアーチファクトに基づくφで回転させて、それぞれに固有のアーチファクトを最小にするノイズ除去方法について説明する。   Next, referring to FIG. 1 to FIG. 7, the artifacts of the present invention include those due to body movement, those due to veins, those due to tissues, and so on. A noise removal method for minimizing inherent artifacts will be described.

図1は、本発明の説明のための1例である赤外光IR(実線)及びR(*印)のデータを横軸に時間、縦軸に大きさで表した離散的時系列脈波データのグラフである。
このグラフは脈波に含まれるノイズ(アーチファクト)の大きさは異なるが、図9のグラフに相当するものである。
FIG. 1 is a discrete time-series pulse wave in which data of infrared light IR (solid line) and R (marked by *), which is an example for explaining the present invention, is represented with time on the horizontal axis and magnitude on the vertical axis. It is a graph of data.
This graph corresponds to the graph of FIG. 9 although the magnitude of noise (artifact) contained in the pulse wave is different.

図2は、図1の離散的時系列脈波データをFFT処理した結果を示すスペクトル図であり、実線はIR、破線はRのスペクトルを示している。
図2では、本発明の作用をより明確に理解するために、脈波にはφ=0.6,φ=0.7,φ=0.8,φ=0.9及びφ=1.0に相当するアーチファクトを含ませている。
図2から、φ=0.6,φ=0.7,φ=0.8,φ=0.9及びφ=1.0に相当する周波数近傍にIR及びR共に大きなアーチファクト成分の存在が見える。
FIG. 2 is a spectrum diagram showing the result of performing FFT processing on the discrete time-series pulse wave data of FIG. 1, and the solid line shows the IR spectrum and the broken line shows the R spectrum.
In FIG. 2, in order to understand the operation of the present invention more clearly, the pulse wave has φ = 0.6, φ = 0.7, φ = 0.8, φ = 0.9, and φ = 1.0. Artifacts equivalent to are included.
From FIG. 2, the presence of large artifact components in both IR and R can be seen near the frequencies corresponding to φ = 0.6, φ = 0.7, φ = 0.8, φ = 0.9, and φ = 1.0. .

図3は、図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.6で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。
図3から、5Hz近傍のアーチファクトがほぼ除去され、その他のアーチファクトは周波数が低い程大きく残っていることが理解できる。
FIG. 3 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around the average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.6 using a rotation matrix.
From FIG. 3, it can be understood that the artifacts in the vicinity of 5 Hz are almost removed, and other artifacts remain larger as the frequency is lower.

図4は、図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.7で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。
図4から、4Hz近傍のアーチファクトがほぼ除去され、その他のアーチファクトは4Hzの両側が低減され周波数が低い程大きく残っていることが理解できる。
FIG. 4 is a spectrum diagram of the result of rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around the average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.7 using a rotation matrix.
It can be understood from FIG. 4 that the artifacts near 4 Hz are almost eliminated, and that other artifacts remain larger as the frequency decreases at both sides of 4 Hz.

図5は、図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.8で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。
図5から、3Hz近傍のアーチファクトがほぼ除去され、その他のアーチファクトは3Hzの上下で遠ざかる程大きく残っていることが理解できる。
FIG. 5 is a spectrum diagram of the result of rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around the average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.8 using a rotation matrix.
From FIG. 5, it can be understood that the artifacts in the vicinity of 3 Hz are almost removed, and the other artifacts remain large as they move away above and below 3 Hz.

図6は、図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=0.9で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。
図6から、2.5Hz近傍のアーチファクトがほぼ除去され、その他のアーチファクトは2.5Hzの上下で低減され、遠ざかる程大きくが残っていることが理解できる。
FIG. 6 is a spectrum diagram of a result obtained by rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around the average value of each pulse wave data at an angle φ = 0.9 using a rotation matrix.
From FIG. 6, it can be understood that the artifacts near 2.5 Hz are almost removed, and other artifacts are reduced above and below 2.5 Hz, and the larger the distance remains.

図7は、図1の離散的時系列脈波データ(IR)を回転行列を用いて角度φ=1.0で各脈波データの平均値を中心として回転処理した結果のスペクトル図である。
図7から、2Hz近傍のアーチファクトがほぼ除去され、その他のアーチファクトは2Hzから上に遠ざかる程大きく残っていることが理解できる。
FIG. 7 is a spectrum diagram of the result of rotating the discrete time-series pulse wave data (IR) of FIG. 1 around the average value of each pulse wave data at an angle φ = 1.0 using a rotation matrix.
From FIG. 7, it can be understood that artifacts in the vicinity of 2 Hz are almost removed, and other artifacts remain large as they move away from 2 Hz.

図3〜図7の説明では回転角φとして、φ=0.6,φ=0.7,φ=0.8,φ=0.9及びφ=1.0を別々に回転させた例を示しているが、一度回転処理した結果に対して異なった角度で複数回に亘って各脈波データの平均値を中心として回転させることによって、複数のアーチファクトに対応するノイズを除去することも可能である。   In the description of FIGS. 3 to 7, an example in which φ = 0.6, φ = 0.7, φ = 0.8, φ = 0.9, and φ = 1.0 are separately rotated as the rotation angle φ. Although it is shown, it is possible to remove noise corresponding to multiple artifacts by rotating around the average value of each pulse wave data at different angles with respect to the result of rotating once. It is.

1 発光素子
2 発光素子
3 駆動回路
4 生体組織
5 フォトダイオード
6 変換器
7 マルチプレクサ
8 フィルタ
9 A/D変換器
10 処理部
11 表示部
12 ROM
13 RAM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 2 Light emitting element 3 Drive circuit 4 Living body tissue 5 Photodiode 6 Converter 7 Multiplexer 8 Filter 9 A / D converter 10 Processing part 11 Display part 12 ROM
13 RAM

Claims (4)

異なる2つの波長の光を生体組織に照射するステップと、
前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換して受光するステップと、
前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、回転行列を用いて特定のアーチファクトに特有の角度で各脈波データの平均値を中心として回転させるステップと、
を含むことを特徴とする離散的時系列脈波データに含まれるノイズの除去方法。
Irradiating a living tissue with light of two different wavelengths;
Converting the light of each wavelength transmitted or reflected through the living tissue into an electrical signal and receiving it;
Rotating the discrete time-series pulse wave data obtained from the electrical signal of each wavelength around an average value of each pulse wave data at an angle specific to a specific artifact using a rotation matrix;
A method for removing noise contained in discrete time-series pulse wave data.
前記特定のアーチファクトに特有の角度は、それぞれ異なった角度であって、それぞれ異なった角度で複数回に亘って各脈波データの平均値を中心として回転させるステップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の離散的時系列脈波データに含まれるノイズの除去方法。
The angle unique to the specific artifact is different from each other, and is rotated around the average value of each pulse wave data over a plurality of times at different angles.
The method for removing noise contained in discrete time-series pulse wave data according to claim 1, wherein:
前記特定のアーチファクトに特有の角度は、それぞれ体動によるもの、静脈によるもの、及び組織によるものに特有の角度であること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の離散的時系列脈波データに含まれるノイズの除去方法。
The angles specific to the specific artifact are angles specific to body movement, vein, and tissue, respectively.
The method for removing noise contained in discrete time-series pulse wave data according to claim 1 or 2.
異なる2つの波長の光を生体組織に照射する発光手段と、前記発光手段から発生し前記生体組織を透過または反射した各波長の光を電気信号に変換する受光手段とを備えたパルスフォトメータにおいて、
前記各波長の電気信号より得られた離散的時系列脈波データを、回転行列を用いて特定のアーチファクトに特有の角度で各脈波データの平均値を中心として回転させて前記離散的時系列脈波データに含まれる特有のノイズ成分を除去処理するノイズ処理手段と、
を具備することを特徴とするパルスフォトメータ。
A pulse photometer comprising: a light emitting means for irradiating a living tissue with light of two different wavelengths; and a light receiving means for converting light of each wavelength generated from the light emitting means and transmitted or reflected by the living tissue into an electrical signal. ,
The discrete time series pulse wave data obtained from the electrical signal of each wavelength is rotated around the average value of each pulse wave data at an angle peculiar to a specific artifact using a rotation matrix and the discrete time series A noise processing means for removing a specific noise component included in the pulse wave data;
A pulse photometer characterized by comprising:
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