DE60207717T2

DE60207717T2 - Signalkomponenten-prozessor

Info

Publication number: DE60207717T2
Application number: DE60207717T
Authority: DE
Inventors: M. Walter WEBER; Ammar Al-Ali; Lorenzo Cazzoli
Original assignee: Masimo Corp
Current assignee: Masimo Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: WO2003001997A1; DE60207717D1; US8498684B2; JP2004531342A; US20030055325A1; EP1399058B1; US7373194B2; US8892180B2; US20090099429A1; US20050131285A1; US20110160552A1; US9814418B2; US20080045810A1; US6850787B2; US7904132B2; US7467002B2; EP1399058A1; US7377899B2; US20150141781A1; US20060270921A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Auf dem Gebiet der Medizin ist der frühe Nachweis von niedrigem Blutsauerstoff zum Beispiel bei kritischer Pflege und chirurgischen Anwendungen entscheidend, weil eine unzureichende Sauerstoffzufuhr im Rahmen von Minuten zu einem Hirnschaden und Tod führen kann. Puls-Oxymetrie ist ein weithin akzeptiertes nicht eindringendes Verfahren zum Messen des Sauerstoffsättigungspegels von arteriellem Blut, einem Indikator für die Sauerstoffversorgung. Ein Puls-Oxymeter stellt typischerweise eine numerische Ausgabe der Sauerstoffsättigung des Patienten und der Pulsfrequenz bereit. Ein Puls-Oxymetriesystem besteht aus einem an einem Patienten angebrachten Sensor, einem Monitor und einem Kabel, das den Sensor und den Monitor verbindet. Herkömmlicherweise hat ein Puls-Oxymetrie-Sensor sowohl rote (RD) als auch infrarote (IR) Leuchtdioden-(LED-)Emissionsquellen und einen Photodiodendetektor. Die Puls-Oxymeter-Messungen basieren auf der Absorption der von dem Sensor emittierten zwei Wellenlängen durch das arterielle Blut. Das Puls-Oxymeter betätigt abwechselnd die RD- und IR-Sensor-Emissionsquellen und liest die sich ergebenden RD- und IR-Sensorsignale, d.h. den von der Photodiode proportional zu der detektierten RD- und IR-Lichtintensität erzeugten Strom ab, um, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt, einen arteriellen Sauerstoffsättigungswert abzuleiten. Ein Puls-Oxymeter enthält Schaltungsanordnungen zum Steuern des Sensors, Verarbeiten der Sensorsignale und Anzeigen der Sauerstoffsättigung und Pulsfrequenz des Patienten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gekennzeichnet.
1A stellt eine Plethysmograph-Wellenform 110 dar, die eine Anzeige des entlang der Ordinate 101 gezeigten Blutvolumens über die entlang der Abszisse 102 gezeigte Zeit ist. Die Form der Plethysmograph-Wellenform 110 ist eine Funktion des Herzschlagvolumens, des Druckgradienten, der Arterienelastizität und des peripheren Widerstands. Idealerweise zeigt die Wellenform 110 während der ventrikulären Systole eine kurze steile Einströmphase 111, der während der Diastole eine typischerweise drei bis viermal längere Ausströmphase 112 folgt. Dem Schließen der Aortenklappe am Ende der ventrikulären Systole wird im allgemeinen eine dikrote Kerbe 116 zugeschrieben.
1B stellt ein entsprechendes RD- oder IR-Sensorsignal s(t) 130, wie weiter oben beschrieben, dar. Die typische Plethysmograph-Wellenform 110 (1A), die eine Funktion des Blutvolumens ist, liefert auch ein Lichtabsorptionsprofil. Ein Puls-Oxymeter detektiert jedoch nicht direkt die Lichtabsorption und mißt folglich nicht direkt die Plethysmograph-Wellenform 110. IR- oder RD-Sensorsignale sind jedoch 180°-phasenverschobene Versionen der Wellenform 110. Das heißt, die detektierte Spitzenintensität 134 tritt bei der minimalen Absorption 114 und die minimale detektierte Intensität 138 tritt bei der maximalen Absorption 118 auf.
1C stellt das entsprechende Spektrum von s(t) dar, das eine Anzeige des entlang der Ordinate 105 gezeigten spektralen Signalbetrags |S(ω)| gegen die entlang der Abszisse 106 gezeigte Frequenz ist. Das Plethysmograph-Spektrum ist sowohl unter hohen Signalqualitäts- 150 als auch niedrigen Signalqualitätsbedingungen 160 dargestellt. Niedrige Signalqualität kann sich ergeben, wenn ein Puls-Oxymeter-Sensorsignal durch ein Bewegungsartefakt und Rauschen verzerrt wird. Signalverarbeitungsverfahren, wie in US-A- 5 632 272 beschrieben, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt ist, ermöglichen, daß die Puls-Oxymetrie trotz Patientenbewegung und anderen Bedingungen mit niedriger Signalqualität funktioniert.
Idealerweise wird die Plethysmograph-Energie bei der Pulsfrequenz 172 und zugehörigen Harmonischen 174, 176 konzentriert. Entsprechend können Bewegungsartefakt und Rauschen verringert werden und die Puls-Oxymetrie-Messungen verbessert werden, indem Sensorsignalfrequenzen, welche nicht mit der Pulsfrequenz bzw. Pulsrate in Beziehung stehen, ausgefiltert werden. Unter niedrigen Signalqualitätsbedingungen ist das Frequenzspektrum jedoch verfälscht, und die Pulsgrundfrequenz 152 und die Harmonischen 154, 156 können verdeckt oder verborgen sein, was zu Fehlern in der berechneten Pulsfrequenz führt. Außerdem ist eine Pulsfrequenz physiologisch dynamisch und schwankt möglicherweise erheblich zwischen verschiedenen Meßperioden. Folglich kann die maximale Plethysmograph-Energie, außer unter hohen Signalqualitätsbedingungen und stabilen Pulsfrequenzen, nicht der berechneten Pulsfrequenz entsprechen. Ferner kann ein Sauerstoffsättigungswert, der aus einem optischen Dichteverhältnis, wie etwa dem normierten Rot-zu-Infrarot-Verhältnis, bei der Pulsfrequenz berechnet wird, empfindlich für berechnete Pulsfrequenzfehler sein. Um die Robustheit von Sauerstoffsättigungsmessungen zu verbessern, ist es daher wünschenswert, Pulsfrequenz-basierte Messungen zu verbessern, indem Sensorsignalkomponenten, die einer Optimierung entsprechen, wie etwa die maximale Signalenergie, identifiziert werden.
Ein Aspekt eines Signalkomponenten-Prozessors weist ein physiologisches Signal, einen aus dem Signal bestimmten Basisfunktionsindex, eine entsprechend dem Index erzeugte Basisfunktionswellenform, eine aus dem Sensorsignal und der Wellenform abgeleitete Komponente und eine physiologische Messung, die auf die Komponente anspricht, auf. In einer Ausführungsform spricht die Komponente auf das innere Produkt des Sensorsignals und der Wellenform an. In einer anderen Ausführungsform ist der Index eine Frequenz und die Wel lenform ist eine Sinuskurve mit der Frequenz. In dieser Ausführungsform kann der Signalprozessor ferner eine aus dem Signal abgeleitete Pulsfrequenzschätzung aufweisen, wobei die Frequenz aus einem Fenster ausgewählt wird, das die Pulsfrequenzschätzung enthält. Die physiologische Messung kann ein Sauerstoffsättigungswert, der auf einen Betrag der Komponente anspricht, sein.
Ein anderer Aspekt eines Signalkomponenten-Prozessors weist eine Signaleingang, einen aus dem Signaleingang abgeleiteten Basisfunktionsindikator und mehrere gemäß dem Indikator erzeugte Basisfunktionen, mehrere den Basisfunktionen entsprechende wesentliche Eigenschaften des Signaleingangs und eine Optimierung der Kennlinie auf, um mindestens eine der Basisfunktionen zu identifizieren. In einer Ausführungsform ist der Indikator eine Pulsfrequenzschätzung, und der Prozessor weist ferner auf: ein Fenster, das derart konfiguriert ist, daß es die Pulsfrequenzschätzung umfaßt, und mehrere aus dem Fenster ausgewählte Frequenzen. In einer anderen Ausführungsform weist die Kennlinie mehrere Signalreste, die Basisfunktionen entsprechen, und mehrere Beträge der Signalreste auf. In dieser Ausführungsform weist die Optimierung ein Minimum der Beträge auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die Kennlinie mehrere den Basisfunktionen entsprechende Komponenten und mehrere Beträge der Komponenten auf. In dieser Ausführungsform weist die Optimierung ein Maximum der Beträge auf.
Ein Aspekt eines Signalkomponenten-Verarbeitungsverfahrens weist die Schritte auf: Empfangen eines Sensorsignals, Berechnen einer geschätzten Pulsfrequenz, Bestimmen einer Optimierung des Sensorsignals in unmittelbarer Nähe der geschätzten Pulsfrequenz, Definieren einer der Optimierung entsprechenden Frequenz und Ausgeben einer physiologischen Messung als Antwort auf eine Komponente des Sensorsignals bei der Frequenz. In einer Ausführungsform weist der Bestimmungsschritt die Teilschritte Transformieren des Sensorsignals in ein Frequenzspektrum, das die geschätzte Pulsfrequenz umfaßt, und Detektieren eines Extremwerts des Spek trums, das die Frequenz anzeigt, auf. Der Transformationsschritt kann die Teilschritte Definieren eines Fensters, das die geschätzte Pulsfrequenz umfaßt, Definieren von mehreren ausgewählten Frequenzen innerhalb des Fensters, einzelnes Löschen der ausgewählten Frequenzen aus dem Sensorsignal, um mehrere Restsignale zu erzeugen, und Berechnen mehrerer Beträge der Restsignale aufweisen. Der Detektierschritt kann den Teilschritt des Auffindens eines Minimums der Beträge aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform weist der Ausgabeschritt die Teilschritte Ausgeben eines Rotanteils (RD-Anteil) und eines Infrarotanteils (IR-Anteil) des Sensorsignals, Ableiten einer RD-Komponente des RD-Anteils und einer IR-Komponente des IR-Anteils, die der Frequenz entsprechen, und Berechnen einer Sauerstoffsättigung auf der Basis eines Betragsverhältnisses der RD-Komponente und der IR-Komponente auf. Der Ableitungsschritt kann die Teilschritte zum Erzeugen einer sinusförmigen Wellenform bei der Frequenz und Auswählen der RD-Komponente und der IR-Komponente unter Verwendung der Wellenform aufweisen. Der Auswahlschritt kann den Teilschritt Berechnen des inneren Produkts aus der Wellenform und dem RD-Anteil und des inneren Produkts aus der Wellenform und dem IR-Anteil aufweisen. Der Auswahlschritt kann die Teilschritte Löschen der Wellenform aus dem RD-Anteil und dem IR-Anteil, wobei ein RD-Rest und ein IR-Rest übrig bleiben, und Subtrahieren des RD-Rests von dem RD-Anteil und des IR-Rests von dem IR-Anteil aufweisen.
Ein weiterer Aspekt eines Signalkomponenten-Prozessors weist auf: eine erste Berechnungseinrichtung zum Ableiten einer Optimierungsfrequenz aus einem Pulsfrequenzschätzungseingang und einem Sensorsignal und eine zweite Berechnungseinrichtung zum Ableiten einer physiologischen Messung, die auf eine Sensorsignalkomponente bei der Frequenz anspricht. In einer Ausführungsform weist die erste Berechnungseinrichtung auf: eine Signalkomponenten-Transformationseinrichtung zum Bestimmen mehrerer Signalwerte, die mehreren ausgewählten Frequenzen entsprechen, innerhalb ei nes Fensters, das die Pulsfrequenzschätzung umfaßt, und eine Detektionseinrichtung zum Bestimmen einer bestimmten der ausgewählten Frequenzen, die einer Optimierung des Sensorsignals entspricht. Die zweite Berechnungseinrichtung kann aufweisen: eine Wellenformeinrichtung zum Erzeugen eines sinusförmigen Signals bei der Frequenz, eine Frequenzauswahleinrichtung zum Bestimmen einer Komponente des Sensorsignals aus dem sinusförmigen Signal und eine Berechnungseinrichtung, um als Antwort auf die Komponente ein Verhältnis abzuleiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A–C sind graphische Darstellungen eines Puls-Oxymetrie-Sensorsignals;
1A ist ein typischer Plethysmograph, der das Blutvolumen gegen die Zeit darstellt;
1B ist ein Puls-Oxymetrie-Sensorsignal, das die detektierte Lichtintensität gegen die Zeit darstellt;
1C ist ein Puls-Oxymetrie-Sensorsignalspektrum, das sowohl Bedingungen mit hoher Signalqualität als auch mit niedriger Signalqualität darstellt;
2–3 sind Betrag gegen Frequenz-Kurven für ein Puls-Oxymetrie-Sensorsignal, die ein Beispiel für die Signalkomponenten-Verarbeitung darstellen;
2 stellt ein Frequenzfenster um eine geschätzte Pulsfrequenz dar; und
3 stellt eine zugehörige Signalkomponenten-Transformation dar;
4–7 sind funktionale Blockschaltbilder einer Ausführungsform eines Signalkomponenten-Prozessors;
4 ist ein funktionales Blockschaltbild eines Signalkomponenten-Prozessors auf höchster Ebene;
5 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Frequenzberechnungseinrichtung;
6 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Sättigungsberechnungseinrichtung; und
7 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Frequenzauswahl;
8A–B sind Flußdiagramme einer iterativen Ausführungsform einer Frequenzberechnungseinrichtung; und
9–11 sind funktionale Blockschaltbilder einer anderen Ausführungsform eines Signalkomponenten-Prozessors;
9 ist ein funktionales Blockschaltbild eines Signalkomponenten-Prozessors auf höchster Ebene;
10 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Indexberechnungseinrichtung; und
11 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Messungsberechnungseinrichtung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
2 und 3 stellen graphische Erläuterungsbeispiele für die Signalkomponenten-Verarbeitung dar. Vorteilhafterweise stellt die Signalkomponenten-Verarbeitung ein direktes Verfahren für die Berechung der Sättigung auf der Basis der Pulsfrequenz zur Verfügung. Zum Beispiel ist es nicht notwendig, eine Frequenztransformation, wie etwa eine FFT, die ein ganzes Frequenzspektrum ableitet, zu berechnen. Statt dessen sondert die Signalkomponenten-Verarbeitung, wie weiter unten detaillierter beschrieben, spezifische Signalkomponenten aus. Ferner stellt die Signalkomponenten-Verarbeitung vorteilhafterweise ein Verfahren zur Verfeinerung der Sättigungsberechnung auf der Basis der Pulsfrequenz bzw. Pulsrate zur Verfügung.
2 stellt, wie mit Bezug auf 1C weiter oben beschrieben, Sensorsignalspektren 150, 160 mit hoher und niedriger Signalqualität dar. Es wird ein Frequenzfenster 220 erzeugt, das eine Pulsfrequenzschätzung PR 210 enthält. Eine Pulsfrequenzschätzung kann, wie in US-A-6-002 952 mit dem Titel "Signal Processing Apparatus and Method", das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt ist, offenbart, berechnet werden. Bei einer Optimierung wird innerhalb dieses Fensters 220 eine Suche nach einer Komponentenfrequenz f₀ durchgeführt. Insbesondere werden innerhalb des Fensters 220 ausgewählte Frequenzen 230, die die PR umfassen, definiert. Die Komponenten eines Signals s(t) bei jeder dieser Frequenzen 230 werden dann für eine Optimierung, die einen Extremwert der Energie, Leistung oder einer anderen wesentlichen Signaleigenschaft anzeigt, untersucht. In einer alternativen Ausführungsform werden die Komponenten des Signals s(t) für eine Optimierung über einen zusammenhängenden Frequenzbereich innerhalb des Fensters 220 untersucht.
3 stellt einen vergrößerten Teil der weiter oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Kurve dar. Über die Spektren mit hoher Signalqualität 150 und mit niedriger Signalqualität 160 ist eine Signalkomponenten-Transformation 310 überlagert. In einer Ausführungsform zeigt eine Signalkomponenten-Transformation 310 eine Sensorsignalenergie an und wird bei ausgewählten Frequenzen 230 innerhalb des Fensters 220 berechnet. Eine Signalkomponenten-Transformation 310 hat einen Extremwert 320, der in dieser Ausführungsform die Energieoptimierung bei einer bestimmten 330 der ausgewählten Frequenzen 230 anzeigt. Der Extremwert 320 kann zum Beispiel ein Maximum, Minimum oder Wendepunkt sein. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Punkt der Transformation 310 der Betrag des Signals, das nach dem Löschen einer Sensorsignalkomponente bei einer der ausgewählten Frequenzen übrig bleibt. Der Extremwert 320 ist ein Minimum, was anzeigt, daß das Löschen der entsprechenden Frequenz 330 die meiste Signalenergie entfernt. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform wird die Transformation 310 als der Betrag von Signalkomponenten bei jeder der ausgewählten Frequenzen 230 berechnet. In dieser Ausführungsform ist der Extremwert ein Maximum, welches das Signal mit der größten Energie bei der entsprechenden Frequenz anzeigt. Das Ergebnis einer Signalkomponenten-Transformation 310 ist die Identifizierung einer Frequenz f₀ 330, die aus der Frequenz eines Extremwerts 320 der Signalkomponenten-Transformation bestimmt wird. Die Frequenz f₀ 330 wird dann verwendet, um eine Sauerstoffsättigung zu berechnen. Eine Signalkomponenten-Transformation und entsprechende Sauerstoffsättigungsberechnungen werden mit Bezug auf 4–8 weiter unten detaillierter beschrieben. Obwohl die Signalkomponenten-Verarbeitung weiter oben unter Bezug auf die Identifizierung einer bestimmten Frequenz innerhalb eines Fensters, das eine Pulsfrequenzschätzung PR enthält, beschrieben wird, könnte ein ähnliches Verfahren für 2PR, 3PR, etc. durchgeführt werden, was zur Identifizierung mehrerer Frequenzen f₀₁, f₀₂, etc. führt, die ebenfalls für die Berechnung der Sauerstoffsättigung verwendet werden könnten.
Vorteilhafterweise wird eine Signalkomponenten-Transformation 310 über einen beliebigen Satz ausgewählter Frequenzen berechnet und ist nicht durch die Anzahl oder den Abstand dieser Frequenzen eingeschränkt. Auf diese Weise unterscheidet sich eine Signalkomponenten-Transformation 310 von einer FFT oder anderen Standard-Frequenztransformationen. Zum Beispiel ist eine FFT auf N gleichmäßig verteilte Frequenzen, die mit einer Auflösung von f_S/N beabstandet sind, beschränkt, wobei N die Anzahl von Signalabtastungen und f_S die Abtastfrequenz ist. Das heißt, daß für eine FFT eine relativ hohe Abtastrate oder eine relativ lange Datensatzlänge oder beides benötigt werden, um eine relativ hohe Frequenzauflösung zu erreichen. Die Signalkomponenten-Verarbeitung, wie hier beschrieben, ist nicht derart eingeschränkt. Ferner wird eine Signalkomponenten-Transformation 310 vorteilhafterweise nur über einen interessierenden Frequenzbereich berechnet. Eine FFT oder eine ähnliche Frequenztransformation kann, teilweise weil eine derartige Transformation über alle Frequenzen innerhalb eines durch die Abtastfrequenz f_S bestimmten Bereichs berechnet wird, für die Berechnungen beschwerlicher als die Signalkomponenten-Verarbeitung sein.
4–7 stellen eine Ausführungsform eines Signalkomponenten-Prozessors dar. 4 ist ein funktionales Blockschaltbild eines Signalkomponenten-Prozessors 400 auf höchster Ebene. Der Signalkomponenten-Prozessor 400 hat eine Frequenzberechnungseinrichtung 410 und eine Sättigungsberechnungseinrichtung 460. Die Frequenzberechnungseinrichtung 410 hat einen IR-Signaleingang 402, einen Pulsfrequenzschätzungseingang (PR-Eingang) 408 und einen Komponentenfrequenz-Ausgang (f₀-Ausgang) 412. Die Frequenzberechnungseinrichtung 410 führt auf der Basis des PR-Eingangs 408 eine Signalkomponenten-Transformation durch und bestimmt, wie mit Bezug auf 2–3 weiter oben beschrieben, den f₀-Ausgang 412. Die Frequenzberechnungseinrichtung 410 wird unter Bezug auf 5 weiter unten beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform bestimmt die Frequenzberechnungseinrichtung 410 f₀ 412 ersatzweise für den IR-Signaleingang 402 oder zusätzlich dazu auf der Basis eines RD-Signaleingangs. Ebenso wird jemand mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Fachgebiet erkennen, daß f₀ durch die Frequenzberechnungseinrichtung 410 als Antwort auf eine Vielfalt an Sensorwellenlängen auf der Basis von einer oder mehr Eingaben bestimmt werden kann.
Die Sättigungsberechnungseinrichtung 460 hat einen IR-Signaleingang 402, einen RD-Signaleingang 404, einen Komponentenfrequenzeingang (f₀-Eingang) 412 und einen Sauerstoffsättigungsausgang
462. Die Sättigungsberechnungseinrichtung 460 bestimmt Werte des IR-Signaleingangs 402 und des RD-Signaleingangs 404 bei der Komponentenfrequenz f₀ 412 und berechnet ein Verhältnis dieser Werte, um, wie mit Bezug auf 6 weiter unten beschrieben,
462 zu bestimmen. Der IR-Signaleingang 402 und der RD-Signaleingang 404 können ausgedrückt werden als:
wobei N die Anzahl von Abtastungen jedes Signaleingangs ist.
5 zeigt eine Ausführungsform der Frequenzberechnungseinrichtung 410. In dieser bestimmten Ausführungs form sind die Funktionen der Frequenzberechnungseinrichtung die Fenstererzeugung 520, die Frequenzlöschung 540, die Betragsberechnung 560 und die Minimumbestimmung 580. Die Fenstererzeugung 520, die Frequenzlöschung 540 und die Betragsberechnung 560 wirken, wie mit Bezug auf 3 weiter oben beschrieben, zusammen, um eine Signalkomponenten-Transformation 310 (3) zu erzeugen. Die Minimumbestimmung 580 macht den Extremwert 320 der Signalkomponenten-Transformation 320 (3) ausfindig, welcher f₀ 412 identifiziert, was auch mit Bezug auf 3 weiter oben beschrieben ist.
Wie in 5 gezeigt, hat die Fenstererzeugung 520 einen PR-Eingang 408 und definiert ein Fenster 220 (3) um PR 210 (3), das einen Satz ausgewählter Frequenzen 230 umfaßt (3)
wobei M die Anzahl ausgewählter Frequenzen 230 (3) innerhalb des Fensters 220 (3) ist. Die Fenstererzeugung 520 hat einen sinusförmigen Ausgang X_f, Y_f 522, der ein Satz von sinusförmigen Wellenformen x_n,f, y_n,f ist, die jeweils einer Frequenz aus dem Satz ausgewählter Frequenzen 230 (3) entsprechen. Insbesondere
xn,f = sin(2πfn); yn,f = cos(2πfn) (3b)
Wie ebenfalls in 5 gezeigt, hat die Frequenzlöschung 540 IR- 402 und X_f, Y_f- 522 Eingänge und einen Restausgang R_f 542, der ein Satz von Restsignalen r_n,f ist, die jeweils einer der sinusförmigen Wellenformen X_n,f, Y_n,f entsprechen. Für jede ausgewählte Frequenz f 230 (3) löscht die Frequenzlöschung 540 diese Frequenzkomponente aus dem Eingangssignal IR 402, um ein Restsignal r_n,f zu erzeu gen. Insbesondere erzeugt die Frequenzlöschung 540 einen Rest R_f 542:
Zusätzlich hat die Betragsberechnung 560, wie in 5 gezeigt, einen Resteingang R_f 542 und erzeugt einen Betragsausgang W_f 542, wobei
Ferner hat die Minimumbestimmung 580, wie in 5 gezeigt, die Betragswerte W_f 542 als Eingaben und erzeugt eine Komponentenfrequenz f₀-Ausgabe. Die Frequenz f₀ ist die bestimmte Frequenz, die zu dem minimalen Betragswert gehört
6 zeigt, daß die Funktionen der Sättigungsberechnungseinrichtung 460 die Sinuswellenerzeugung 610, die Frequenzauswahl 620, 640 und die Verhältnisberechnung 670 sind. Die Sinuswellenerzeugung hat einen Komponentenfrequenzeingang (f₀-Eingang) 208 und einen Sinuswellenform-Ausgang (
,
-Ausgang) 612, der eine Frequenz f₀ hat. Die Frequenzauswahl 620, 640 hat einen Sensorsignaleingang, der entweder ein IR-Signal 202 oder ein RD-Signal 204 ist, und einen sinusförmigen Wellenform-Eingang (
,
-Eingang) 612. Die Frequenzauswahl 620, 640 liefert Betragsausgaben
622 und
642, welche die Frequenzkomponenten der IR- 202 und RD- 204 Sensorsignale bei der Frequenz f₀ sind. Insbesondere aus Gleichung 3(a):
Dann Bezug nehmend auf Gleichung 1:
Für die Einfachheit der Darstellung nehmen die Glei chungen 8a–b an, daß das Kreuzprodukt von
und
null ist, wenngleich dies im allgemeinen nicht der Fall ist. Die Verhältnisberechung und 670 hat
622 und
642 als Eingänge und liefert
262 als eine Ausgabe. Das heißt
wobei g eine Abbildung des Rot-IR-Verhältnisses auf die Sauerstoffsättigung ist, was zum Beispiel eine empirisch abgeleitete Nachschlagtabelle sein kann.
7 stellt eine alternative Ausführungsform der Frequenzauswahl 620 (6), wie weiter oben beschrieben, dar. In dieser Ausführungsform können ebenfalls vorteilhafterweise die Frequenzlöschung 540 und die Betragsberechnung 560, wie mit Bezug auf 5 beschrieben, verwendet werden, um die Frequenzauswahl durchzuführen. Insbesondere hat die Frequenzlöschung 540 IR 202 und
,
612 als Eingänge und erzeugt ein Restsignal
712 als eine Ausgabe, wobei:
Der Rest
712 wird von IR 202 subtrahiert 720, um zu ergeben:
wobei
722 die Komponente von IR 202 bei der Frequenz f₀ ist. Die Betragsberechnung 560 hat
722 als einen Eingang und berechnet
was äquivalent zu der Gleichung 8a weiter oben ist.
8A–B stellen eine iterative Ausführungsform der weiter oben beschriebenen Frequenzberechnungseinrichtung 410 (4) dar. Eine iterative Frequenzberechnungseinrichtung 410 hat eine Initialisierung 810, eine Signalkomponenten-Transformation 820, eine Extremwert-Detektion 850, eine Auflösungsentscheidung 860 und eine Auflösungsverfeinerung 880 und liefert eine Komponentenfrequenz f₀ 870. Die Initialisierung 810 definiert ein Fenster um die Pulsfrequenzschätzung PR und eine Frequenzauflösung innerhalb dieses Fensters.
Wie in 8A gezeigt, hat eine Signalkomponenten-Transformation eine Anfangsfrequenzauswahl 822, eine Frequenzlöschung 824 und eine Betragsberechnung 828. Ein Entscheidungsblock 830 bestimmt, ob die Betragsberechnung 828 bei jeder Frequenz innerhalb des Fensters durchgeführt wurde. Wenn nicht, wird die Schleife der Frequenzlöschung 824 und der Betragsberechnung 828 für eine andere ausgewählte Frequenz in dem Fenster wiederholt. Die Frequenzlöschung 824 entfernt, wie mit Bezug auf 5 weiter oben beschrieben, eine Frequenzkomponente aus dem IR-Sensorsignal. Die Betragsberechnung 828 bestimmt den Betrag des Restsignals, was ebenfalls mit Bezug auf 5 weiter oben beschrieben ist. Wenn der Entscheidungsblock 830 bestimmt, daß die Restsignalbeträge bei jeder der ausgewählten Frequenzen berechnet wurden, dann wird die Signalkomponenten-Transformationsschleife 820 zu den Schritten, die unter Bezug auf 8B beschrieben sind, verlassen.
Wie in 8B gezeigt, findet der Extremwert-Detektor 850 ein Minimum einer Signalkomponenten-Transformation 820, und ein Auflösungsentscheidungsblock 860 bestimmt, ob die letztendliche Frequenzauflösung einer Signalkomponenten-Transformation erreicht ist. Wenn nicht, wird eine Auflösungsverfeinerung 880 durchgeführt. Wenn die letztendliche Auflösung erreicht ist, wird der Komponentenfrequenzausgang (f₀-Ausgang) mit der Frequenz des Minimums 870, d.h. einem von dem Extremwert-Detektor 850 bestimmten Signalkomponenten-Transformationsminimum, gleichgesetzt.
Wie in 8B ferner gezeigt, hat die Auflösungsverfeinerung 880 eine Frequenzschätzungseinstellung 882, eine Fensterverkleinerung 884 und eine Frequenzauflösungsvergrößerung 888. Insbesondere wird die Frequenzschätzung 882 auf ein Signalkomponenten-Transformationsminimum, wie durch den Extremwert-Detektor 850 bestimmt, eingestellt. Die Fensterverkleinerung 884 definiert ein neues und schmaleres Fenster um die Frequenzschätzung, und die Frequenzauflösungsvergrößerung 888 verringert die Abstände der ausgewählten Frequenzen innerhalb dieses Fensters von der nächsten Iteration einer Signalkomponenten-Transformation 820. Auf diese Weise werden eine Signalkomponenten-Transformation 820 und die sich ergebende Frequenzschätzung mit jeder Iteration der Signalkomponenten-Transformation 820, Extremwert-Detektion 850 und Auflösungsverfeinerung 880 auf eine höhere Auflösung verfeinert.
In einer bestimmten Ausführungsform erfordert die Komponentenberechnung drei Iterationen. Eine Frequenzauflösung von 4 Schlägen pro Minute oder 4BPM wird anfänglich verwendet, und ein Fenster von fünf oder sieben ausgewählten Frequenzen, einschließlich der der anfänglichen Pulsfrequenzschätzung PR, definiert. Das heißt, es wird ein auf PR zentriertes Fenster von entweder 16 BPM oder 24 BPM definiert, und eine Signalkomponenten-Transformation für einen Satz von 5 oder 7 ausgewählten gleichmäßig um 4BPM beabstandeten Frequenzen wird berechnet. Das Ergebnis ist eine Frequenzschätzung f₁. Als nächstes wird die Frequenzauflösung von 4 BPM auf 2 BPM verringert, und ein auf f₁ zentriertes 4 BPM-Fenster wird mit drei ausgewählten Frequenzen, d.h. f₁ – 2 BPM, f₁ und f₁ + 2 BPM, definiert. Das Ergebnis ist eine Frequenzschätzung f₂ mit höherer Auflösung. Bei der letzten Iteration wird die Frequenzauflösung auf 1 BPM verringert, und ein auf f₂ zentriertes 2 BPM-Fenster wird mit drei ausgewählten Frequenzen, d.h. f₂ – 1 BPM, f₂ und f₂ + 1 BPM, definiert. Das Endergebnis ist die Komponentenfrequenz f₀, die durch eine Signalkomponenten-Transformation innerhalb einer 1 BPM-Auflösung bestimmt wird. Diese Komponentenfrequenz f₀ wird dann verwendet, um die Sauerstoffsättigung
, wie weiter oben beschrieben, zu berechnen.
Der Signalkomponenten-Prozessor wurde weiter oben mit Bezug auf Puls-Oxymetrie und Sauerstoffsättigungsmessungen beschrieben, die auf einer Frequenzkomponente basieren, welche die Signalenergie optimiert. Der Signalkomponenten-Prozessor ist jedoch auf andere physiologische Messungen, wie etwa Blutzucker, Carboxy-Hämoglobin, Atmungsfrequenz und Blutdruck, um ein paar zu nennen, anwendbar. Ferner ist der Signalkomponenten-Prozessor im allgemeinen auf das Identifizieren, Auswählen und Verarbeiten aller Basisfunktionssignalkomponenten anwendbar, wobei einzelne Frequenzkomponenten eine Ausführungsform sind, wie mit Bezug auf 9 weiter unten detaillierter beschrieben.
9–11 stellen eine andere Ausführungsform eines Signalkomponenten-Prozessors 900 dar. Wie in 9 gezeigt, hat der Prozessor 900 eine Indexberechnungseinrichtung 910 und eine Messungsberechnungseinrichtung 960. Die Indexberechnungseinrichtung 910 hat, wie mit Bezug auf 10 weiter unten beschrieben, einen Sensorsignaleingang S 902 und einen Basisfunktionsindex κ₀ 912. Die Messungsberech nungseinrichtung 960 gibt den Basisfunktionsindex κ₀ 912 ein und gibt, wie mit Bezug auf 11 weiter unten beschrieben, eine physiologische Messung
962 aus. Der Prozessor 900 hat auch einen Basisfunktionsindikator 980, der auf den Sensorsignaleingang S 902 anspricht und einen Parameter ε 982 liefert, der einen Satz von Basisfunktionen anzeigt, die, wie mit Bezug auf 10 weiter unten beschrieben, von der Indexberechnungseinrichtung 910 verwendet werden sollen.
Wie in 10 gezeigt, sind die Funktionen der Indexberechnungseinrichtung 910 die Basisteilsatzerzeugung 1020, die Komponentenlöschung 1040 und die Optimierungsberechnung 1060. Die Basisteilsatzerzeugung 1020 gibt einen Teilsatz Φ_κ 1022 von Basisfunktionswellenformen aus, die einem Satz ausgewählter Basisfunktionsindizes κ entsprechen. Die Basisfunktionen können jeder vollständige Satz von Funktionen sein, so daß S = Σ kaκΦκ (13)
Zum Zwecke der einfacheren Darstellung wird angenommen, daß diese Basisfunktionen orthogonal sind 〈Φ →γ, Φ →η〉 = 0; γ ≠ η (14)wobei 〈〉 ein inneres Produkt bezeichnet. Als solches aκ = 〈S, Φκ〉/〈Φκ, Φκ〉 (15) Sκ = aκΦκ (16)
Im allgemeinen können die Basisfunktionen nicht orthogonal sein. Der Teilsatz von erzeugten Basisfunktionen wird von einem Eingangparameter ε 982 bestimmt. In der mit Bezug auf 5 weiter oben beschriebenen Ausführungsform sind die Basisfunktionen Sinuswellen, die Indizes sind sinusförmige Frequenzen, und der Eingangsparameter ε 982 ist eine Pulsfrequenzschätzung, die ein Frequenzfenster definiert.
Wie in 10 gezeigt, erzeugt die Komponentenlöschung 1040 eine Restausgabe R_κ 1042, die ein Satz von Restsignalen ist, der dem Teilsatz von Basisfunktionswellenformen Φ_κ 1022 entspricht. Für jede erzeugte Basisfunktionswellenform entfernt die Komponentenlöschung die entsprechende Basisfunktionskomponente aus dem Sensorsignal S 902, um ein Restsignal zu erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform wird die Komponentenlöschung 1040 durch eine Komponentenauswahl ersetzt, die eine entsprechende Basisfunktionskomponente des Sensorsignals S 902 für jede erzeugte Basisfunktion erzeugt. Die Optimierungsberechnung 1060 erzeugt einen bestimmten Index κ₀ 912, der mit einer Optimierung der Reste R_κ 1042 verbunden ist, oder alternativ eine Optimierung der ausgewählten Basisfunktionssignalkomponenten.
Wie in 11 gezeigt, sind die Funktionen der Messungsberechnungseinrichtung 960 die Basisfunktionserzeugung 1120, die Komponentenauswahl 1140 und die physiologische Messungsberechnung 1170. Die Komponentenauswahl 1140 gibt das Sensorsignal S 902 und eine bestimmte Basisfunktionswellenform
1122 ein und gibt eine Sensorsignalkomponente
1142 aus. Die physiologische Messung 1170 gibt die Sensorsignalkomponente
1142 ein und gibt die physiologishe Messung
962, die auf die Sensorsignalkomponente
1142 anspricht, aus. In der mit Bezug auf 6 weiter oben beschriebenen Ausführungsform sind die Basisfunktionen sinusförmige Wellen, und der Index κ₀ ist eine bestimmte sinusförmige Frequenz. Die Basisfunktionserzeugung 1120 erzeugt Sinus- und Kosinuswellenformen bei dieser Frequenz. Die Komponentenauswahl 1140 wählt entsprechende Frequenzkomponenten der Sensorsignalanteile RD und IR aus. Die physiologische Messung 1170 berechnet ebenfalls eine Sauerstoffsättigung auf der Basis eines Betragsverhältnisses dieser RD- und IR-Frequenzkomponenten.
Der Signalkomponentenprozessor wurde in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur beispielhaft offenbart und sollen den Schutzbereich der Patentansprüche, die folgen, nicht einschränken. Jemand mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Fachgebiet wird viele Abwandlungen und Modifikationen erkennen.

Claims

Signalverarbeitungsverfahren, das die folgenden Schritte aufweist: Empfangen eines Sensorsignals; Berechnen einer geschätzten Pulsrate; Bestimmen einer Optimierung des Sensorsignals in der Nähe der geschätzten Pulsrate; Definieren einer der Optimierung entsprechenden Frequenz; und Ausgeben einer physiologischen Messung als Antwort auf eine Komponente des Sensorsignals bei der Frequenz.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Bestimmungsschritt die folgenden Teilschritte aufweist: Transformieren des Sensorsignals in ein Frequenzspektrum, das die geschätzte Pulsrate umfaßt; und Detektieren eines Extremwerts des Spektrums, welches die Frequenz anzeigt.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 2, wobei der Transformationsschritt die folgenden Teilschritte aufweist: Definieren eines Fensters, das die geschätzte Pulsrate enthält; Definieren mehrerer ausgewählter Frequenzen innerhalb des Fensters; einzelnes Löschen der ausgewählten Frequenzen aus dem Sensorsignal, um mehrere Restsignale zu erzeugen; und Berechnen von mehreren Beträgen der Restsignale.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei der Detektionsschritt den Teilschritt des Auffindens eines Minimums der Beträge aufweist.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Ausgabeschritt die folgenden Teilschritte aufweist: Eingeben eines roten (RD) Anteils und eines infraroten (IR) Anteils des Sensorsignals; Ableiten einer RD-Komponente des RD-Anteils und einer IR-Komponente des IR-Anteils, die der genannten Frequenz entsprechen; und Berechnen einer Sauerstoffsättigung auf der Basis eines Betragsverhältnisses der RD-Komponente und der IR-Komponente.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 5, wobei der Ableitungsschritt die folgenden Teilschritte aufweist: Erzeugen einer sinusförmigen Wellenform bei der genannten Frequenz; und Auswählen der RD-Komponente und der IR-Komponente unter Verwendung der Wellenform.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 6, wobei der Auswahlschritt den Teilschritt des Berechnens des inneren Produkts aus der Wellenform und dem RD-Anteil und des inneren Produkts aus der Wellenform und dem IR-Anteil aufweist.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 7, wobei der Auswahlschritt die folgenden Teilschritte aufweist: Löschen der Wellenform aus dem RD-Anteil und dem IR-Anteil, wobei ein RD-Rest und ein IR-Rest übrig bleiben; und Subtrahieren des RD-Rests von dem RD-Anteil und des IR-Rests von dem IR-Anteil.
Signalprozessor, der aufweist: eine erste Berechnungseinrichtung zum Ableiten einer Optimierungsfrequenz aus einer Pulsratenschätzung und einem Sensorsignal; und eine zweite Berechnungseinrichtung zum Ableiten einer physiologischen Messung als Antwort auf eine Sensorsignalkomponente bei der Frequenz.
Signalprozessor nach Anspruch 9, wobei die erste Berechnungseinrichtung aufweist: eine Signalkomponenten-Transformationseinrichtung zum Bestimmen mehrerer Signalwerte, die mehreren ausgewählten Frequenzen innerhalb eines Fensters entsprechen, das die Pulsratenschätzung enthält; und eine Detektionseinrichtung zum Bestimmen einer bestimmten der ausgewählten Frequenzen, die einer Optimierung des Sensorsignals entspricht.
Signalprozessor nach Anspruch 10, wobei die zweite Berechnungseinrichtung aufweist: eine Wellenformeinrichtung zum Erzeugen eines sinusförmigen Signals bei der genannten Frequenz; eine Frequenzauswahleinrichtung zum Bestimmen einer Komponente des Sensorsignals aus dem sinusförmigen Signal; und eine Berechnungseinrichtung zum Ableiten eines Verhältnisses als Antwort auf die Komponente.