УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ПУЛЬСОВЫХ ОКСИМЕТРОВ
PULSE OXIMETER TESTER

Изобретение относится к медицинской технике в части создания устройств для поверки пульсовых оксиметров - приборов для косвенного измерения неинвазивным методом степени насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом. Пульсовые оксиметры широко применяются в хирургических и реанимационных отделениях медицинских учреждений, при лечении больных с дыхательной и циркуляторной недостаточностью.
2
2
Работа пульсовых оксиметров основана на измерении в двух диапазонах длин волн, обычно в красном и ифракрасном (ИК), коэффициентов модуляции пульсациями крови излучения, проходящего через ткани тела человека или рассеянного ими. Отношение R коэффициентов модуляции красной и ИК компонент излучения для конкретных спектральных характеристик излучателя функционально и однозначно связано со степенью насыщения SpO гемоглобина артериальной крови кислородом. Зависимость SpO от R, называемая калибровочной кривой, обычно программно закладывается в микроконтроллерном устройстве пульсовых оксиметров.
Известно устройство, применяемое в настоящее время для поверки пульсовых оксиметров, представляющее собой исключительно электронный имитатор сигнала датчика пульсового оксиметра, подключаемый к электронному блоку пульсового оксиметра вместо датчика с помощью электрического разъема, аналогичного разъему датчика [1]. В электронном блоке устройства формируется электрический сигнал, подаваемый на вход измерительной системы пульсового оксиметра, имитирующий различные значения коэффициентов модуляции красного и ИК излучений и различные значения частоты пульса.
Недостатком известного устройства является то, что оно не является универсальным, так как разработано производителем для конкретного типа пульсовых оксиметров и непригодно для поверки пульсовых оксиметров других производителей. Кроме того, поверке подвергается только электронный блок пульсовых оксиметров, при этом пульсовый датчик пульсовых оксиметров не поверяется и может быть даже неработоспособен или иметь большую погрешность измерений, связанную с разбросом оптических характеристик излучающих диодов.
Более совершенно устройство, представляющее собой имитатор живой ткани, содержащее фотодиоды, светодиод, усилители, модуляторы, позволяющее преобразовывать излучение пульсового оксиметра в электрический сигнал и после его электронной обработки с помощью выходного светодиода имитировать модуляцию излучения поверяемого пульсового оксиметра пульсациями крови в сосудах тела [2]. Это устройство позволяет проводить проверку работоспособности пульсовых оксиметров, включающую проверку работоспособности датчика. Однако погрешность, обусловленная разбросом оптических характеристик излучающих диодов, как и в предыдущем устройстве, не устраняется.
Также известно устройство для поверки пульсовых оксиметров, изготовленное в виде эластичной оболочки в форме пальца, заполненной жидкостью (гелем), спектральные характеристики которой позволяют имитировать при ее периодическом деформировании модуляцию излучения пульсовых оксиметров с параметрами, близкими к тем, которые производятся пульсациями крови в человеческом пальце [3]. Данное устройство позволяет проводить комплексную проверку работоспособности пульсовых оксиметров, включающую проверку датчика и электронного блока пульсовых оксиметров. Однако существуют большие сложности с обеспечением малой погрешности поверки, связанные с необходимостью подбора компонентов жидкости (геля), имитирующей оптические свойства тканей человеческого пальца в довольно широком спектральном диапазоне. Существенным недостатком устройства является также необходимость использования целого набора подобных устройств для перекрытия всего поверяемого диапазона сатураций, так как каждое отдельное устройство предназначено для проверки только одного значения сатурации.
Целью изобретения является создание универсального устройства, пригодного для поверки пульсовых оксиметров различных типов и производителей, обеспечивающего снижение погрешности поверки за счет комплексной поверки электронного блока и датчика пульсовых оксиметров.
Поставленная цель достигается тем, что датчик устройства, выполненный в виде конструкции, функционально имитирующей палец, вставляемый в датчик пульсового оксиметра, содержит со стороны излучателя пульсового оксиметра элемент, рассеивающий это излучение, например белую керамическую пластину, после которого оно поступает в два светоизолированных друг от друга оптических канала, на входе которых имеются полосовые светофильтры, пропускающие в один канал красную, а в другой - ИК компоненту излучения; после полосовых светофильтров по ходу излучения расположены фотодиоды с предусилителями, далее устройство содержит два модулятора электрического сигнала (по одному на канал) с независимой регулировкой коэффициента модуляции, сумматор и на его выходе - светодиод с линейной характеристикой преобразования по току, излучение которого направлено на фотодиод пульсового оксиметра и спектр излучения которого находится в области его чувствительности; кроме того, устройство содержит микроконтроллер, с помощью которого задаются частота модуляции и отношение коэффициентов модуляции, а также осуществляется вывод значений задаваемых параметров на экран устройства.
Дополнительно в каждом канале устройства после полосового светофильтра установлена светоделительная пластина, которая ответвляет часть излучения на фотодиод с предусилителем, перед которым расположен светофильтр со спектральной характеристикой пропускания, характеризующейся монотонной зависимостью коэффициента пропускания от длины волны в области пропускания полосового светофильтра, ограниченной диапазоном значений длин волн излучения пульсовых оксиметров (в диапазоне длин волн 600-700 нм для канала красного излучения и в диапазоне 800-1000 нм для канала ИК излучения). Фотодиоды соединены с микроконтроллером, в котором осуществляется обработка сигналов от фотодиодов, позволяющая по отношению двух сигналов оценивать спектральные характеристики излучателя пульсовых оксиметров: положение спектральных пиков излучения, т.е. длин волн максимумов излучения красного и ИК излучения, или их отклонение от типовых значений. Физической основой данного метода оценки спектра излучателей является зависимость интенсивности излучения, проходящего через светофильтр от длины волны. Эта зависимость для светодиодов с квазимонохроматическим излучением является практически функциональной.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства. Устройство содержит светорассеивающий элемент 1 для равномерного распределения потоков излучения поверяемого пульсового оксиметра по двум каналам, полосовой светофильтр 2 для «красного» канала, ИК полосовой светофильтр 3; светоделительные пластины 4, 5; светофильтры 6, 7 со специальными характеристиками пропускания; фотодиоды 8-11 с предусилителем; усилители 12, 13; модуляторы 14, 15; микроконтроллер 16; сумматор 17; светодиод 18; дисплей 19.
На чертеже используются следующие условные обозначения:
УППО - устройство для поверки пульсовых оксиметров;
ПО - поверяемый пульсовый оксиметр;
СД_ИК - инфракрасный светодиод ПО;
СД-К - красный светодиод ПО;
ФД - фотодиод ПО.
Устройство работает следующим образом.
Излучение пульсового оксиметра, содержащее красную и ИК компоненты, поступает на светорассеивающий элемент 1; рассеянное излучение с помощью полосовых светофильтров 2, пропускающего только красную компоненту, и 3, пропускающего только ИК компоненту, разделяется на красный и ИК пучки, которые направляются в два светоизолированных друг от друга канала, после чего излучение в каждом канале попадает на фотодиоды 8 и 9. Электрические сигналы с фотодиодов усиливаются усилителями 12 и 13, которые управляются микроконтроллером для оптимизации уровня сигнала, модулируются по амплитуде модуляторами 14 и 15, управляемыми микроконтроллером 16, и затем поступают на сумматор 17. Светодиод 18, имеющий линейную характеристику преобразования, преобразует электрический сигнал с выхода сумматора в соответствующий ему световой поток, направляемый на фотодиод пульсового оксиметра. С помощью микроконтроллера задается отношение R коэффициентов модуляции красной и ИК компонент излучения. Заданные значение R, а также частота модуляции, имитирующая частоту пульса, отображаются на дисплее 19.
2
Таким образом, описываемое устройство позволяет проводить проверку соответствия зависимости SpO от R, запрограммированной в поверяемом пульсовом оксиметре типовой калибровочной кривой, приводимой в технической документации. Для повышения точности проверки пульсовых оксиметров в данном устройстве предусмотрена проверка спектральных характеристик их излучателей, так как от спектральных характеристик излучателей пульсового оксиметра зависит правомерность использования запрограммированной в пульсовом оксиметре типовой калибровочной кривой. С этой целью в данном устройстве часть излучения в красном и ИК каналах ответвляется с помощью светоделительных пластин 4 и 5, после чего ответвленные потоки излучения пропускаются через светофильтры 6 и 7 с заданными спектральными характеристиками пропускания и далее поступают на фотодиоды соответственно 10 - в «красном» и 11 - в «ИК» каналах излучения. Фотоэлектрические сигналы от фотодиодов 10 и 11, а также от фотодиодов 8 и 9 (до усилителей 12 и 13) поступают в микроконтроллер 16, в котором производится вычисление отношения значений сигналов фотодиодов 10 и 8 в канале красного и, аналогично, отношения сигналов фотодиодов 9 и 11 в канале ИК излучения. Вычисленные значения отношения сигналов для каждого канала выводятся непосредственно на дисплей 19 или после преобразования в значения длин волн максимумов излучения красного и ИК излучателей поверяемого пульсового оксиметра (или в значения отклонений от номинальных значений длин волн согласно технической документации) с помощью запрограммированных в микроконтроллере функциональных зависимостей. Соответствующие зависимости рассчитываются на основе спектральных характеристик светофильтров и фотодиодов и подтверждаются с помощью спектральных измерений.
Для подтверждения точности работы предлагаемого устройства были проведены испытания, которые подтвердили его высокие точностные характеристики, обеспечивающие возможность его использования для поверки пульсовых оксиметров разных типов.
Таким образом, устройство найдет самое широкое применение при проведении первичной и периодической поверок пульсовых оксиметров при их выпуске из производства, ввозе по импорту и в процессе эксплуатации.
Источники информации
1. Устройство проверки параметров пульсоксиметров (УППП). Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.39.003.A №9130.
2. ГОСТ Р ИСО 9919-2007. Оксиметры пульсовые медицинские. Технические требования и методы испытаний. Изделия медицинские электрические. Частные требования безопасности и основные характеристики пульсовых оксиметров.
3. Simulation for pulse oximeter. Merrick et al. US Patent. Patent Number: 5,348,005, Sep.20, 1994.