CN111493889A - 一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置，包括装置机壳和模拟手指，装置机壳内部设有处理控制器，表面设有与处理控制器电连接的显示屏和模拟设置旋钮，模拟手指包括手指外壳，手指外壳指尖上下面设有上下部光通过口且内部安装有遮光板，上下部光通过口处设有透光前后散射膜，遮光板上下表面设有光电检测电路和光源驱动电路，光电检测电路采用光电传感器将待检监测仪周期性发出的红光和红外光的光信号转换为电流信号后放大滤波输出至处理控制器，处理控制器根据电流信号及预设模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号至光源驱动电路通过双芯发光二极管周期性产生红光和红外光。本装置能模拟人体手指来检测监测仪。
Description
技术领域
本发明涉及计量检测技术领域，具体涉及一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置。
背景技术
血氧饱和度是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环系统的重要生理参数。而血氧饱和度监测仪能够无创的连续监测人体动脉血氧饱和度，已在临床治疗与研究中广泛应用，特别是呼吸系统调节动能失常、手术创伤、重症监护等情况。目前血氧饱和度监测仪普遍采用指夹式接触检测，随着该产品的广泛使用，血氧饱和度监测仪示值是否准确，测量能力是否满足医疗实践，将会直接影响到诊断治疗，甚至危及到患者身体健康和生命安全，后果很严重。因此，对于该监测仪器的计量检测及质量评价十分重要。
本发明的发明人经过研究发现，为了保证血氧饱和度监测仪输出参数的准确性及有效使用，需要及时对表征血氧饱和度监测仪性能的主要参数进行计量检测，但是目前国家对于血氧饱和度监测仪还没有相关的计量技术规范，对血氧饱和度监测仪实际应用中所涉及的部分物理量如血氧饱和度及脉搏强度等无较好的模拟检测手段，因而需要研究如何计量检测血氧饱和度监测仪各关键物理量，进而实现该类仪器的计量检测与量值溯源，保证量值准确和质量可靠。
发明内容
针对现有计量检测血氧饱和度监测仪过程中，无法较好实现对实际应用中所涉及的部分物理量如血氧饱和度及脉搏强度进行模拟的技术问题，本发明提供一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置，包括装置机壳和模拟手指，所述装置机壳的内部设有处理控制器，所述装置机壳的表面设有与处理控制器电连接的显示屏和模拟设置旋钮，所述模拟设置旋钮包括血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟设置旋钮，所述模拟手指包括手指外壳，所述手指外壳的指尖上面开设有上部光通过口，所述上部光通过口处设有透光前散射膜，所述手指外壳的指尖下面开设有下部光通过口，所述下部光通过口处设有透光后散射膜，所述手指外壳内部安装有遮光板，所述遮光板的上表面设有光电检测电路，所述遮光板的下表面设有光源驱动电路，所述光电检测电路用于先采用该电路中与上部光通过口相对的光电传感器将待检血氧饱和度监测仪周期性发出的红光和红外光的光信号转换为电流信号，再将电流信号放大和滤波后通过输出接口输出至处理控制器，所述处理控制器根据输入的红光和红外光电流信号及预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号G(t)，所述光源驱动电路用于接收处理控制器输出的调制光脉冲信号G(t)并通过该电路中与下部光通过口相对的双芯发光二极管周期性产生红光和红外光两种光，所述调制光脉冲信号G(t)采用以下公式进行表示：
式(1)中，kR为红光基础吸光系数，kIR为红外光基础吸光系数，IR为入射红光光强即对应输入至处理控制器的红光电流信号，IIR为入射红外光光强即对应输入至处理控制器的红外光电流信号，ΦR(SpO2)为动脉脉动血液对红光的吸光系数，ΦIR(SpO2)为动脉脉动血液对红外光的吸光系数，Y为脉搏波形，T为脉搏波的周期；其中，脉搏波形Y采用以下公式表示：
Y＝A[sin(2πft)+hsin(4πft+l)] (2)
式(2)中，A为脉搏波幅度，h为降中峡位置，l为降中波位置，f为脉搏波的频率，式(1)中的T＝1/f。
与现有技术相比，本发明提供的血氧饱和度监测仪检测模拟装置使用时，先将该模拟手指安置于待检血氧饱和度监测仪的指夹式接触处，通过模拟手指光电检测电路中的光电传感器对血氧饱和度监测仪周期性发出的660nm红光和904nm红外光进行检测，当检测到经透光前散射膜散开的红光和红外光时将光信号转换为电流信号，再经光电检测电路放大和滤波后输出至处理控制器中，处理控制器根据输入的红光和红外光电流信号及通过各模拟设置旋钮预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号G(t)，模拟手指光源驱动电路接收该调制光脉冲信号G(t)，以控制该电路中的双芯发光二极管周期性产生660nm红光和904nm红外光两种光，该两种光经透光后散射膜散开后照射到待检血氧饱和度监测仪的光电传感器上后在监测仪上显示血氧饱和度、脉搏强度和脉率示值，以此确定待检血氧饱和度监测仪显示示值与模拟装置显示屏上预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数标准值的对应差值是否在允许误差范围内，从而对该监测仪器的计量检测及质量做出评价。因此，本模拟装置通过模拟手指来模拟人体手指外形，能够在待检血氧饱和度监测仪计量检测过程中作为实现人体动脉血氧饱和度值的影响特征模拟人体手指使用，能很好实现对实际应用中所涉及的部分物理量如血氧饱和度、脉搏强度和脉率进行模拟。
进一步，所述光电检测电路包括光电传感器D、电阻R1和R2、电容C1和C2、运放A1和A2，所述光电传感器D的正极与电容C2和电阻R2的一端以及运放A1的正输入端连接，所述电容C2和电阻R2的另一端接地，所述光电传感器D的负极与电容C1和电阻R1的一端以及运放A1的负输入端连接，所述电容C1和电阻R1的另一端以及运放A1的输出端与运放A2的正输入端连接，所述运放A2的负输入端与运放A2的输出端连接，所述运放A2的输出端作为整个光电检测电路的输出接口。
进一步，所述光电传感器D选用EPM-4001硅平面扩散型光电传感器。
进一步，所述光源驱动电路包括红光RLED、红外光IRLED、电阻R3-R6、三极管Q1和Q2，所述红光RLED和红外光IRLED的正极与3.3V电源连接，所述红光RLED的负极经电阻R4与三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的基极与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端作为第一输入接口，所述红外光IRLED的负极经电阻R6与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的基极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端作为第二输入接口，所述三极管Q1和Q2的发射极接地。
进一步，所述处理控制器采用现有C8051F120单片机。
附图说明
图1是本发明提供的血氧饱和度监测仪检测模拟装置的结构示意图。
图2是本发明提供的血氧饱和度监测仪检测模拟装置的原理示意图。
图3是图1模拟手指内光电传感器和双芯发光二极管的布置放大示意图。
图4是图1模拟手指内光电检测电路的线路示意图。
图5是图1模拟手指内光源驱动电路的线路示意图。
图中，1、装置机壳；2、模拟手指；21、手指外壳；22、上部光通过口；23、透光前散射膜；24、下部光通过口；25、透光后散射膜；26、遮光板；3、处理控制器；4、显示屏；5、模拟设置旋钮；51、血氧饱和度模拟设置旋钮；52、脉搏强度模拟设置旋钮；53、脉率模拟设置旋钮。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1至图5所示，本发明提供一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置，包括装置机壳1和模拟手指2，所述装置机壳1的内部设有处理控制器3，所述装置机壳1的表面设有与处理控制器3电连接的显示屏4和模拟设置旋钮5，所述模拟设置旋钮5包括血氧饱和度模拟设置旋钮51、脉搏强度模拟设置旋钮52和脉率模拟设置旋钮53，由此通过所述血氧饱和度模拟设置旋钮51、脉搏强度模拟设置旋钮52和脉率模拟设置旋钮53，可对要检测模拟的血氧饱和度、脉搏强度和脉率参数值进行预先设置，且设定的模拟参数值通过显示屏4进行显示，所述模拟手指2包括手指外壳21，所述手指外壳21的指尖上面开设有上部光通过口22，所述上部光通过口22处设有透光前散射膜23，所述透光前散射膜23用于将来自待检血氧饱和度监测仪的光束散开，所述手指外壳21的指尖下面开设有下部光通过口24，所述下部光通过口24处设有透光后散射膜25，所述透光后散射膜25用于将来自模拟手指2内部的光束散开，所述手指外壳21内部安装有遮光板26，所述遮光板26的上表面设有光电检测电路，所述遮光板26的下表面设有光源驱动电路，所述遮光板26对透光前后散射膜各自散开的光束进行遮挡，以此避免相互干扰，所述光电检测电路用于先采用该电路中与上部光通过口22相对(也即与透光前散射膜23相对)的光电传感器将待检血氧饱和度监测仪周期性发出的红光和红外光的光信号转换为电流信号，再将电流信号放大和滤波后通过输出接口输出至处理控制器3处理，所述处理控制器3根据输入的红光和红外光电流信号及预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号G(t)，所述光源驱动电路用于接收处理控制器3输出的调制光脉冲信号G(t)并通过该电路中与下部光通过口24相对(也即与透光后散射膜25相对)的双芯发光二极管周期性产生红光和红外光两种光，所述调制光脉冲信号G(t)采用以下公式进行表示：
式(1)中，kR为红光基础吸光系数，kIR为红外光基础吸光系数，IR为入射红光光强即对应输入至处理控制器的红光电流信号，IIR为入射红外光光强即对应输入至处理控制器的红外光电流信号，ΦR(SpO2)为动脉脉动血液对红光的吸光系数，ΦIR(SpO2)为动脉脉动血液对红外光的吸光系数，Y为脉搏波形，T为脉搏波的周期；其中，脉搏波形Y采用以下公式表示：
Y＝A[sin(2πft)+hsin(4πft+l)] (2)
式(2)中，A为脉搏波幅度，h为降中峡位置，l为降中波位置，f为脉搏波的频率，式(1)中的T＝1/f。
具体地，根据对输入至处理控制器中的电流信号分析可知，人体手指吸收模拟主要包括静态吸收模拟(对应电流信号的直流成分)和动态吸收模拟(对应电流信号的交流成分)，其中静态模拟包括背景光、其他组织吸收、静脉血液及非脉动动脉血液吸收等，单个个体的静态吸收值(对应红光和红外光基础吸光系数)基本恒定，可以通过查找临床数据直接获取。动态吸收模拟主要为脉动动脉血液吸收模拟，其主要参数为血氧饱和度、脉搏强度和脉率，其中血氧饱和度反应的是氧合血红蛋白占血红蛋白的百分比。
同时，根据脉搏血氧仪(即血氧饱和度监测仪)检测理论可知：比值R/IR与动脉血氧饱和度为线性关系，其中R/IR表示红光和红外光吸光度变化率之比，定义R/IR为W，可以有
其中，A＝Ymax，实际应用中可以通过对应产品已知定标曲线下的SpO2与W值关系表来查询得到设定模拟血氧饱和度下的W值，并进而可求得到ΦR和ΦIR。
综上所述，实际应用中可通过控制Z值来实现血氧饱和度模拟，通过调节A值来实现脉搏强度模拟，通过调节f来实现对应脉率模拟。
与现有技术相比，本发明提供的血氧饱和度监测仪检测模拟装置使用时，先将该模拟手指安置于待检血氧饱和度监测仪的指夹式接触处，通过模拟手指光电检测电路中的光电传感器对血氧饱和度监测仪周期性发出的660nm红光和904nm红外光进行检测，当检测到经透光前散射膜散开的红光和红外光时将光信号转换为电流信号，再经光电检测电路放大和滤波后输出至处理控制器中，处理控制器根据输入的红光和红外光电流信号及通过各模拟设置旋钮预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号G(t)，模拟手指光源驱动电路接收该调制光脉冲信号G(t)，以控制该电路中的双芯发光二极管周期性产生660nm红光和904nm红外光两种光，该两种光经透光后散射膜散开后照射到待检血氧饱和度监测仪的光电传感器上后在监测仪上显示血氧饱和度、脉搏强度和脉率示值，以此确定待检血氧饱和度监测仪显示示值与模拟装置显示屏上预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数标准值的对应差值是否在允许误差范围内，从而对该监测仪器的计量检测及质量做出评价。因此，本模拟装置通过模拟手指来模拟人体手指外形，能够在待检血氧饱和度监测仪计量检测过程中作为实现人体动脉血氧饱和度值的影响特征模拟人体手指使用，能很好实现对实际应用中所涉及的部分物理量如血氧饱和度、脉搏强度和脉率进行模拟。
作为具体实施例，请参考图4所示，所述光电检测电路包括光电传感器D、电阻R1和R2、电容C1和C2、运放A1和A2，所述光电传感器D的正极与电容C2和电阻R2的一端以及运放A1的正输入端连接，所述电容C2和电阻R2的另一端接地，所述光电传感器D的负极与电容C1和电阻R1的一端以及运放A1的负输入端连接，所述电容C1和电阻R1的另一端以及运放A1的输出端与运放A2的正输入端连接，所述运放A2的负输入端与运放A2的输出端VOUT连接，所述运放A2的输出端VOUT作为整个光电检测电路的输出接口，通过该输出接口将放大滤波后的电流信号输至处理控制器3进行处理。其中，所述运放A1和A2具体可采用现有AD8055A型运算放大器来实现。
作为具体实施例，所述光电传感器D选用现有EPM-4001硅平面扩散型光电传感器，该型光电传感器已作为血氧探头、手指或耳朵血氧探头典型应用于医疗领域中，其具体工作原理已为本领域技术人员所熟知。
作为具体实施例，请参考图5所示，所述光源驱动电路包括红光RLED、红外光IRLED、电阻R3-R6、三极管Q1和Q2，所述红光RLED和红外光IRLED的正极与3.3V电源连接，所述红光RLED的负极经电阻R4与三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的基极与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端作为第一输入接口E1，通过该第一输入接口E1接收来自调制光脉冲信号G(t)中的红光脉冲信号，所述红外光IRLED的负极经电阻R6与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的基极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端作为第二输入接口E2，通过该第二输入接口E2接收来自调制光脉冲信号G(t)中的红外光脉冲信号，具体所述调制光脉冲信号G(t)中的红光脉冲信号和红外光脉冲信号为波形结构相同的矩形波但两者延时了1/2个周期，所述三极管Q1和Q2的发射极接地。
作为具体实施例，所述处理控制器3采用现有C8051F120单片机进行处理控制，该型号单片机的具体结构和工作原理为本领域技术人员熟知的现有技术，因而在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种血氧饱和度监测仪检测模拟装置，包括装置机壳和模拟手指，所述装置机壳的内部设有处理控制器，所述装置机壳的表面设有与处理控制器电连接的显示屏和模拟设置旋钮，其特征在于，所述模拟设置旋钮包括血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟设置旋钮，所述模拟手指包括手指外壳，所述手指外壳的指尖上面开设有上部光通过口，所述上部光通过口处设有透光前散射膜，所述手指外壳的指尖下面开设有下部光通过口，所述下部光通过口处设有透光后散射膜，所述手指外壳内部安装有遮光板，所述遮光板的上表面设有光电检测电路，所述遮光板的下表面设有光源驱动电路，所述光电检测电路用于先采用该电路中与上部光通过口相对的光电传感器将待检血氧饱和度监测仪周期性发出的红光和红外光的光信号转换为电流信号，再将电流信号放大和滤波后通过输出接口输出至处理控制器，所述处理控制器根据输入的红光和红外光电流信号及预先设定的血氧饱和度、脉搏强度和脉率模拟参数值进行调制计算，输出经过模拟手指包络后的调制光脉冲信号G(t)，所述光源驱动电路用于接收处理控制器输出的调制光脉冲信号G(t)并通过该电路中与下部光通过口相对的双芯发光二极管周期性产生红光和红外光两种光，所述调制光脉冲信号G(t)采用以下公式进行表示：
式(1)中，kR为红光基础吸光系数，kIR为红外光基础吸光系数，IR为入射红光光强即对应输入至处理控制器的红光电流信号，IIR为入射红外光光强即对应输入至处理控制器的红外光电流信号，ΦR(SpO2)为动脉脉动血液对红光的吸光系数，ΦIR(SpO2)为动脉脉动血液对红外光的吸光系数，Y为脉搏波形，T为脉搏波的周期；其中，脉搏波形Y采用以下公式表示：
Y＝A[sin(2πft)+hsin(4πft+l)] (2)
式(2)中，A为脉搏波幅度，h为降中峡位置，l为降中波位置，f为脉搏波的频率，式(1)中的T＝1/f。
2.根据权利要求1所述的血氧饱和度监测仪检测模拟装置，其特征在于，所述光电检测电路包括光电传感器D、电阻R1和R2、电容C1和C2、运放A1和A2，所述光电传感器D的正极与电容C2和电阻R2的一端以及运放A1的正输入端连接，所述电容C2和电阻R2的另一端接地，所述光电传感器D的负极与电容C1和电阻R1的一端以及运放A1的负输入端连接，所述电容C1和电阻R1的另一端以及运放A1的输出端与运放A2的正输入端连接，所述运放A2的负输入端与运放A2的输出端连接，所述运放A2的输出端作为整个光电检测电路的输出接口。
3.根据权利要求1所述的血氧饱和度监测仪检测模拟装置，其特征在于，所述光电传感器D选用EPM-4001硅平面扩散型光电传感器。
4.根据权利要求1所述的血氧饱和度监测仪检测模拟装置，其特征在于，所述光源驱动电路包括红光RLED、红外光IRLED、电阻R3-R6、三极管Q1和Q2，所述红光RLED和红外光IRLED的正极与3.3V电源连接，所述红光RLED的负极经电阻R4与三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的基极与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端作为第一输入接口，所述红外光IRLED的负极经电阻R6与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的基极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端作为第二输入接口，所述三极管Q1和Q2的发射极接地。
5.根据权利要求1所述的血氧饱和度监测仪检测模拟装置，其特征在于，所述处理控制器采用现有C8051F120单片机。
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