Пульсовой оксиметр
PULSE OXIMETER

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом в режиме непрерывного мониторинга.
Безопасность пациента - основная проблема в анестезиологии, интенсивной терапии, реанимации, хирургии, педиатрии и других областях медицины. Одним из главных диагностических и прогностических факторов обеспечения безопасности пациента является непрерывное наблюдение (мониторинг) за таким параметром сердечной деятельности, как степень насыщения циркулирующей крови кислородом, которая характеризуется коэффициентом сатурации. Определение коэффициента сатурации осуществляют методом спектрометрии тканей пальца или мочки уха, для чего используют пульсовые оксиметры.
Известен пульсовой оксиметр (патент РФ №2259161 А61В 5/145, заявлен 26.12.2003 г., опубликован 27.08.2005г. бюл. № 24), содержащий блок красного излучателя, блок инфракрасного излучателя, формирователь импульсов, блок фотоприемника, первый и второй синхронные детекторы, входы которых соединены с выходом блока фотоприемника, причем управляющий вход первого синхронного детектора соединен с входом блока красного излучателя и первым выходом формирователя импульсов, второй выход которого соединен с входом блока инфракрасного излучателя и управляющим входом второго синхронного детектора, блок вычисления и индикации, также формирователь импульсов выполнен с возможностью циклического последовательного формирования трех импульсов на соответствующих выходах, а также введением первого и второго вычитателей и третьего синхронного детектора, вход которого соединен с выходом блока фотоприемника, управляющий вход соединен с третьим выходом формирователя импульсов, а выход соединен с соответствующими входами вычитателей, другие входы которых соединены с выходами соответствующих синхронных детекторов, а выходы соединены с соответствующими входами блока вычисления и индикации.
Недостаток: отсутствие информации о движении руки с пульсоксиметром, приводящее к получению неправильных результатов и, соответственно, неправильной постановке диагноза.
Известен также пульсовой оксиметр (патент РФ №2233620  А61В 5/145, заявлен 23.06.2003 г., опубликован  10.08.2004г.), содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, подключенный к преобразователю ток-напряжение, преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, последовательно соединенные первый синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, первый фильтр верхних частот и первый усилитель напряжения переменного тока, последовательно соединенные второй синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, формирователь сигналов управления, а также блок вычисления и индикатор, при этом выход преобразователя ток–напряжение подключен к первому входу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, выходы первого и второго усилителей напряжения переменного тока подключены соответственно к первому и второму входам блока вычисления, выход которого подключен к индикатору, а второй выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом первого источника тока и управляющим входом первого синхронного детектора, третий выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом второго источника тока и управляющим входом второго синхронного детектора, дополнительно содержащий устройство выборки и хранения и фильтр нижних частот, при этом выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом устройства выборки и хранения, первый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования.
Недостаток: отсутствие информации о движении руки с пульсоксиметром, приводящее к получению неправильных результатов и, соответственно, неправильной постановке диагноза.
Известен пульсовой оксиметр (патент РФ №2332165 А61В 5/145, заявлен  29.09.2006г., опубликован 27.08.2008г., бюл. №24), содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне, фотоприемник, подключенный к преобразователю ток-напряжение первый выход которого подключен к четвертому входу устройства выборки и хранения, первый и второй усилители напряжения, первый и второй фильтры низких частот, первый и второй фильтры высоких частот, блок управления, первый и второй выход которого подключен соответственно к входу генератора импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, и к входу генератора импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне излучения, третий выход блока управления подключен к первому входу устройства выборки и хранения, а также блок индикации, первый и второй коммутаторы, определитель наличия или отсутствия датчика на пальце пациента, первый и второй сумматоры и автономный источник питания, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом устройства хранения и выборки, второй вход – с пятым выходом блока управления, а выход – с входом первого усилителя напряжения, первый вход второго сумматора соединен с выходом первого усилителя напряжения, а второй, третий и четвертый вход соответственно – с третьим, четвертым и пятым выходом блока управления, первый выход второго сумматора подключен к входу первого фильтра низких частот, выход которого подключен к входу первого фильтра высоких частот и первому входу блока управления, второй выход второго сумматора подключен к входу второго фильтра низких частот, выход которого подключен к входу второго фильтра высоких частот и второму входу блока управления, первый, второй, третий и четвертый входы первого коммутатора подключены соответственно к выходу первого фильтра высоких частот, выходу второго фильтра высоких частот, четвертому и третьему выходу блока управления, выход первого коммутатора соединен с входом второго усилителя напряжения, первый, второй и третий входы второго коммутатора подключены соответственно к выходу второго усилителя напряжения, четвертому и третьему выходу блока управления, на первом выходе второго коммутатора установлены последовательно соединенные третий фильтр низкой частоты и третий фильтр высокой частоты, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, а на втором выходе второго коммутатора – последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты и четвертый фильтр высокой частоты, выход которого подключен к третьему входу блока управления, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к второму и третьему входу устройства выборки и хранения, многоразрядный и трехразрядный выход блока управления подключен соответственно к многоразрядному и трехразрядному входу блока индикации, причем выход определителя наличия или отсутствия датчика на пальце пациента подключен к шестому входу блока управления, а автономный источник питания выполнен с возможностью обеспечения питания с номиналами напряжений +6 v, -6 v, +5 v, кроме того источники излучения в красном и инфракрасном диапазоне излучения и фотоприемник конструктивно объединены и выполнены в виде датчика-клипсы с возможностью его закрепления на пальце пациента.
Недостатком этого устройства является отсутствие информации о движении руки с пульсоксиметром, приводящее к получению неправильных результатов и, соответственно, неправильной постановке диагноза.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности является пульсовой оксиметр (Заявка № 2014122311/14A, заявлен  02.06.2014г., опубликован 10.12.2015г., бюл. №34), содержащий автономный источник питания, источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне, последовательно соединенные dual-color светофильтр, фотоприемник, преобразователь ток-напряжение, устройство выборки и хранения, вычитающее устройство, усилитель напряжения, фильтр низких частот, блок управления и обработки на основе микроконтроллера с АЦП, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу генератора импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне и к входу генератора импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне излучения, третий выход блока управления и обработки подключен к первому входу устройства выборки и хранения, а многоразрядный выход – с блоком индикации, кроме того выход преобразователя ток-напряжения  подключен ко второму входу вычитающего устройства, кроме того источники излучения в красном и инфракрасном диапазоне излучения и фотоприемник конструктивно объединены и выполнены в виде датчика-клипсы с возможностью его закрепления на пальце или ухе пациента.
Недостатком этого устройства также является отсутствие информации о движении руки с пульсоксиметром, приводящее к получению неправильных результатов измерений и, соответственно, неправильной постановке диагноза.
Техническая сущность предполагаемого изобретения состоит в использовании гироскопа-акселерометра, размещенного на корпусе пульсоксиметра,  для фиксирования движения руки с пульсоксиметром. При отклонении руки от неподвижного состояния выдается предупреждающий сигнал, информирующий о возможной неточности результата. Предупреждающий сигнал снимается после восстановления правильных показаний пульсоксиметра, а именно через 15 с. после отсутствия движения руки.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является исключение неправильных результатов измерений и, соответственно, неправильной постановки диагноза за счет оперативной выдачи предупреждающего сигнала о возможной неточности результата при движениях руки с пульсоксиметром, а также за счет снятия предупреждающего сигнала после восстановления правильных показаний пульсоксиметра, а именно через 15 с. после отсутствия движения руки.
Технический результат достигается тем, что в пульсовом оксиметре, содержащем автономный источник питания, источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне, последовательно соединенные dual-color светофильтр, фотоприемник, преобразователь ток-напряжение, устройство выборки и хранения, вычитающее устройство, усилитель напряжения, фильтр низких частот, блок управления и обработки на основе микроконтроллера с АЦП, первый и второй выход которого подключен соответственно к входу генератора импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, и к входу генератора импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне излучения, третий выход блока управления и обработки подключен к первому входу устройства выборки и хранения, а многоразрядный выход – с блоком индикации, выход преобразователя ток-напряжения  подключен ко второму входу вычитающего устройства, кроме того источники излучения в красном и инфракрасном диапазоне излучения и фотоприемник конструктивно объединены и выполнены в виде датчика-клипсы с возможностью его закрепления на пальце или ухе пациента, дополнительно введен гироскоп-акселерометр для фиксирования движения руки с пульсоксиметром, размещенный на корпусе пульсоксиметра, выход гироскопа-акселерометра подключен ко второму входу блока управления и обработки, при этом при отклонении руки от неподвижного состояния выдается предупреждающий сигнал информирующий о возможной неточности результата, предупреждающий сигнал снимается после восстановления правильных показаний пульсоксиметра, а именно через 15 с. после отсутствия движения руки.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого пульсового оксиметра.
Пульсовой оксиметр  содержит источник излучения 1 в красном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки 2 источника излучения в красном диапазоне, источник излучения 3 в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки 4 источника излучения в инфракрасном диапазоне, последовательно соединенные dual-color светофильтр 5, фотоприемник 6, преобразователь ток-напряжение 7, устройство выборки и хранения 8, вычитающее устройство 9, усилитель напряжения 10, фильтр низких частот 11 и гироскоп-акселерометр 15, выходы которых подключены к соответствующим входам блока управления и обработки 12 на основе микроконтроллера с АЦП, первый и второй выход которого подключен соответственно к входу генератора импульсов засветки 2 источника излучения в красном диапазоне, и к входу генератора импульсов засветки 4 источника излучения в инфракрасном диапазоне излучения, третий выход блока управления и обработки 12 подключен к первому входу устройства выборки и хранения 8, а многоразрядный выход – к блоку индикации 13, кроме того выход  преобразователя ток-напряжения 7 подключен ко второму входу вычитающего устройства  9, а также содержит автономный источник питания 14.
В пульсовой оксиметр дополнительно введен гироскоп-акселерометр, назначение которого понятно из его названия.
Пульсовой оксиметр работает следующим образом.
Источник излучения 1 в красном диапазоне излучения и источник излучения 2 в инфракрасном диапазоне излучения выполнены в виде светодиодов, которые обеспечивают засветку объекта. Длина волны излучения источника 1 лежит в красном диапазоне и составляет, например, (660±10) нм. Длина волны излучения источника 2 лежит в инфракрасном диапазоне излучения и составляет, например, (940±15) нм.
Dual-color светофильтр 5 пропускает на вход фотоприемника 6 световое излучение только в диапазонах 640-680нм и 915-965нм и, соответственно, подавляет фоновое световое излучение в диапазоне 680-915нм.
Блок управления и обработки 12 синхронизирует работу всей схемы по трем тактовым импульсам: Т - импульс темного поля, К - импульс красного канала, ИК - импульс инфракрасного канала. На время импульса Т оба светодиода выключаются, на время импульса К включается красный светодиод 1 и выключается инфракрасный светодиод 3, на время импульса ИК включается инфракрасный светодиод 3 и выключается красный светодиод 1.
На время темного поля Т блок управления и обработки 12 выключает красный светодиод 1 и инфракрасный светодиод 3. Фоновая засветка попадает на фотодиод (ФД) 6 и вызывает на нем появление импульсов тока. ФД 6 подключен к преобразователю ток-напряжение 7. С преобразователя 7 импульсы тока фоновой засветки, преобразованные в импульсы напряжения и усиленные, подаются на устройство выборки-хранения 8. Устройство выборки-хранения 8 запоминает амплитуду импульсов, вызванных фоновой засветкой по команде с третьего выхода блока управления и обработки 12.
Блок управления и обработки 12 на время засветки красного светодиода 1 выдает на первый выход код, соответствующий определенному значению тока на красном светодиоде 1. Этот код поступает на генератор 2 импульсов засветки красного светодиода 1.
На время засветки инфракрасного светодиода 3 блок управления и обработки 12 выдает на второй выход код, соответствующий определенному значению тока на инфракрасном светодиоде 3. Этот код поступает на генератор 4 импульсов засветки инфракрасного светодиода 3.
Световые импульсы со светодиодов 1 и 3 вместе с фоновой засветкой, проходя через исследуемый объект, попадают на фотодиод (ФД) 6 и вызывают на нем появление импульсов тока. ФД 6 подключен к преобразователю ток-напряжение 7. С преобразователя 7 импульсы тока, преобразованные в импульсы напряжения и усиленные, подаются на второй вход вычитающего устройства 9.
В вычитающем устройстве 9 происходит вычитание фоновой засветки в моменты действия К и ИК импульсов блока управления и обработки 12. Во время этих импульсов блок управления и обработки 12 фиксирует уровень усиленных усилителем 10 и прошедших через ФНЧ 11 красного и инфракрасного сигналов.
Блок управления и обработки 12 в моменты действия К и ИК импульсов, осуществляет в АЦП преобразование аналогового сигнала с выхода вычитающего устройства 9 в двоичный код и запоминает его значение в ОЗУ микроконтроллера, а также производит фильтрацию высоких и низких частот, выделение переменных и постоянных составляющих красного и инфракрасного каналов, вычисление коэффициента сатурации, определение по наличию переменной составляющей подключен датчик или нет, а также калибровку устройства.
Фильтрация высоких и низких частот обеспечивает подавление шумов и помех, находящихся вне рабочего диапазона от 0,5 Гц до 4 Гц.
Коэффициент сатурации S определяется следующим образом. Выделяются переменные составляющие сигналов Uar - красного диапазона и Uair - и инфракрасного диапазона, а также – постоянные составляющие сигналов Ucr и Ucir, соответственно красного диапазона и инфракрасного диапазона. Коэффициент сатурации S вычисляется по кривой S=S(R) (фиг.2). Здесь R=(Uar/Ucr)·(Uair/Ucir), где Uar, Ucr, Uair и Ucir - соответственно переменная красная, постоянная красная, переменная инфракрасная и постоянная инфракрасная составляющая.
Во все время измерения гироскоп-акселерометр фиксирует движения руки с пульсоксиметром, блок управления и обработки  выдает предупреждающий сигнал, информирующий о возможной неточности результата. Предупреждающий сигнал снимается после восстановления правильных показаний пульсоксиметра, а именно через 15 с. после отсутствия движения руки.
Для исследования влияния движений конечностей на точность прибора  с помощью пульсоксиметра Viatom FS20F были сняты показания у человека при разных условиях и положениях (в состоянии покоя, при движении пальца и руки, при поднятии руки выше уровня сердца, также в положении сидя, стоя, лежа). Измерения проводили у разных возрастных групп, рассмотрим по одному примеру для каждой из них.
Испытание прототипа на влияние движения рук показали следующие результаты.
У представителя возрастной группы 22-24 года в состоянии покоя уровень сатурации 99%, пульс 81 уд/мин. После движений пальцем через 10 секунд уровень SpO2 стал 98%, пульс менялся с 81 до 73 уд/мин. Сатурация нормализовалась через 8 с.
После смещения пальца внутри прибора показания SpO2 упали до 93% через 17 с., и нормализовались в состоянии покоя через 10 с. Пульс менялся с 84 до 82 уд/мин.
При поднятии руки выше уровня сердца уровень сатурации уменьшился на 1%, пульс вырос до 97 уд/мин. В состоянии покоя сатурация не менялась, пульс восстановился.
Измерения проводились из положения сидя. При поднятии тела уровень сатурации не изменился, в положении лёжа уменьшился на 1%.
График изменения уровня сатурации и частоты пульса приведен на фиг. 3.
У представителя группы 58-62 года в состоянии покоя уровень сатурации равен 96%, пульс 72 уд/мин. После движений пальцем через 5 секунд уровень сатурации вырос на 1%, пульс остался прежним. Нормализовался уровень SpO2 через 4 с.
С поднятием руки выше уровня сердца данные сатурации уменьшились на 4% (до 92%). После возвращения руки в исходное состояние уровень сатурации восстановился через 12 с. После движений пальцем внутри прибора показания SpO2 уменьшились на 3% через 23 секунды, и нормализовались в состоянии покоя через 15 с. Пульс менялся с 69 до 72 уд/мин. Измерения проводились из положения сидя. При поднятии тела уровень сатурации увеличился на 1%, в положении лёжа уменьшился на 1%, пульс не менялся.
На фиг.4 представлен график изменения уровня сатурации и частоты пульса у представителя группы 58-62 года.
Показания у представителя группы 50-52 года следующие: в состоянии покоя уровень сатурации равен 95%, пульс 81 уд/мин. Через 11 секунд после движений пальцем уровень SpO2 уменьшился на 1%, пульс стал 87 уд/мин. Нормализовался уровень через 13 с.
После поднятия руки выше уровня сердца через 12 с. сатурация уменьшилась до 93%, пульс уменьшился на 8 уд/мин. После возвращения руки в исходное состояние через 10 секунд уровень сатурации стал 94%. Движения пальцем в приборе изменили показания  SpO2 на 1%, пульс менялся от 82 до 88 уд/мин.
В положении стоя уровень SpO2 уменьшился на 1%, лежа на 2%.
График изменения уровня сатурации и частоты пульса у представителя возрастной группы 50-52 года приведен на фиг. 5.
Также измерения проводились у детей, возрастом 10-11 лет. У представителя данной группы в положении сидя состоянии покоя уровень сатурации равен 99%, пульс 74 уд/мин. Через 14 секунд после движений пальцем уровень SpO2 вырос на 1%. Нормализовался через 6 с. Движения пальцем в приборе изменили показания  SpO2 с 99 до 100 %. Уровень сатурации вернулся к 99% через 6 с. После поднятия руки сатурация увеличилась на 1%, вернувшись в исходное состояние нормализовалась. Пульс менялся на протяжении всего измерения.
При поднятии тела уровень сатурации увеличился на 1%, в положении лёжа уменьшился на 1%, пульс не менялся.
График изменения уровня сатурации и частоты пульса приведен на фиг. 6.
Анализ показал, что нормализация показаний пульсоксиметра происходит у группы 10-11 лет через 6 секунд, 22-24 года через 10 секунд, 50-52 года через 13 секунд, 58-62 года через 12 секунд. При движениях руки с пульсоксиметром показания SpO2 уменьшались до 92-93% при допустимом уровне 94%, что может привести к неправильной постановке диагноза.
Можно считать, что восстановление правильных показаний пульсоксиметра обязательно произойдет через 15 секунд при неподвижности руки.
Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемом устройстве происходит исключение неправильных результатов измерений и, соответственно, неправильной постановки диагноза за счет оперативной выдачи предупреждающего сигнала о возможной неточности результата при движениях руки с пульсоксиметром, а также за счет снятия предупреждающего сигнала после восстановления правильных показаний пульсоксиметра, а именно через 15 с. после отсутствия движения руки.